Drosophila-Sequenzierung gilt als Meilenstein in der Genforschung

Drosophila-Sequenzierung gilt als Meilenstein in der Genforschung
Drosophila-Sequenzierung gilt als Meilenstein in der Genforschung
Anonim

BERKELEY, CA - In 90 Jahren Forschung hat die winzige Fruchtfliege Drosophila melanogaster viele der grundlegendsten Entdeckungen in der Genetik hervorgebracht - beginnend mit dem Beweis im Jahr 1916, dass sich die Gene auf den Chromosomen befinden. Allerdings wurde erst im letzten Jahr das gesamte Genom der Fliege sequenziert und ihre 13.601 individuellen Gene aufgezählt.

Das Genom von D. melanogaster, dem größten, das bisher vollständig sequenziert wurde, wird in der Zeitschrift Science vom 24. März 2000 in einer Reihe von Artikeln beschrieben, die gemeinsam von Hunderten von Wissenschaftlern, Technikern und Studenten aus 20 Personen verfasst wurden und private Institutionen in fünf Ländern.

Die Zusammenarbeit wurde von Gerald Rubin von der University of California in Berkeley und dem Howard Hughes Medical Institute (HHMI), der das Berkeley Drosophila Genome Project leitet, sowie von J. Craig Venter von Celera Genomics in Rockville, Maryland, geleitet. Das Berkeley Drosophila Genome Project (BDGP) wird vom Department of Energy, dem National Human Genome Research Institute und dem HHMI unterstützt, wobei die größte seiner Einrichtungen von der Life Sciences Division des Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy betrieben wird.

Im Jahr 1998, als die Zusammenarbeit mit Celera begann, waren umfangreiche, aber unvollständige Karten der Position spezifischer DNA-Sequenzen auf den Fliegenchromosomen erstellt worden, und etwa 20 Prozent des Fliegengenoms waren bereits im Detail sequenziert worden - hauptsächlich von die BDGP-Gruppe am Berkeley Lab, wo Susan Celniker zusammen mit Rubin Co-Direktorin der Sequenzierungsbemühungen ist.

Der Zweck der Zusammenarbeit bestand darin, zu testen, ob eine als Whole-Genome-Shotgun-Sequencing bekannte Strategie bei Organismen angewendet werden kann, die viele tausend Gene aufweisen, die in Millionen von DNA-Basenpaaren kodiert sind; die Strategie hatte sich für kleine Bakteriengenome als wirksam erwiesen.

"Niemand wusste, ob die Shotgun-Sequenzierung des gesamten Genoms für das Fliegengenom funktionieren würde", sagt Roger Hoskins, Leiter des BDGP-Physical-Mapping-Projekts, "aber wir wussten, dass es in diesem Fall schneller und umfassender wäre effizienter als herkömmliche Methoden."

D. melanogaster hat etwa 250 Millionen Basen in seinem Genom, die auf fünf Chromosomen angeordnet sind; 80 Prozent des Genoms befinden sich auf den großen Chromosomen mit den Bezeichnungen 2 und 3. Hoskins und seine Kollegen machten sich daran, eine physikalische Karte des Teils der Chromosomen 2 und 3 zu erstellen, der Gene exprimiert (etwa 45 Prozent des chromosomalen Materials sind hochgradig kondensiert und kodiert keine Gene).

Obwohl physische Karten keine Sequenzen sind - eine Sequenz identifiziert jedes Basenpaar entlang eines bestimmten DNA-Abschnitts -, legt eine gute Karte die Position einzigartiger kurzer Sequenzen fest, die verwendet werden können, um die korrekte Fernordnung von Kopien längerer DNA-Sequenzen und damit aller Gene, die sie repräsentieren.

Die 17.000 Klone, die von der Berkeley Lab BDGP-Gruppe verwendet werden, sind echte DNA-Abschnitte, die in Escherichia coli-Bakterien repliziert werden und als "bakterielle künstliche Chromosomen" (BACs) bekannt sind. Jeder BAC stellt genau einen diskreten Abschnitt des Genoms dar, und die Karte markiert jeden BAC mit mindestens einer eindeutigen „sequenzmarkierten Stelle“(STS) – idealerweise mit zwei oder mehr solcher Stellen.

Unter Verwendung von Sonden, die auf jede sequenzmarkierte Stelle zugeschnitten sind, kann ein STS gefunden werden, wo immer es in einer zufälligen Sammlung von Klonen vorkommt; 1.923 dieser Markierungen, die ungefähr alle 50.000 Basen verteilt sind, wurden verwendet, um die endgültige Karte des BDGP zu erstellen. Indem diese Stellen unter überlappenden Klonen abgeglichen werden, können Sätze von Klonen unterschiedlicher Länge aneinandergereiht und schließlich entlang der gesamten Länge jedes Chromosoms "gekachelt" werden. Das Ergebnis wird als STS-Content-Map bezeichnet.

Als ihre Karte der Chromosomen 2 und 3 fertig war – zusammen mit Karten der viel kürzeren Chromosomen 4 und X, die von anderen produziert wurden – erstellten die BDGP-Forscher einen „Rohentwurf“der Sequenz des Genoms mit geringer Abdeckung (weniger als zwei Klone tief), die als Überprüfung gegen die Schrotflintensequenz des gesamten Genoms von Celera diente und dazu verwendet wird, einige ihrer 1.600 Lücken zu schließen.

Das Wissenschaftspapier mehrerer Autoren, das die Ergebnisse der Genomsequenz zusammenfasst, beschreibt die Bedeutung der Methoden und Ergebnisse des BDGP: „Die BAC-Endsequenzen und die STS-Inh altskarte lieferten die informativsten langreichweitigen sequenzbasierten Informationen geringste Kosten." Die Erhöhung der Anzahl von BAC-Endsequenzen ist die primäre Empfehlung der Autoren für zukünftige Genomsequenzierungsprojekte.

D. Die Bedeutung von melanogaster ist jedoch weitaus größer als als Versuchsreihe für das Maus- und Humangenom. In einem Satz von 289 menschlichen Genen, die an Krankheiten beteiligt sind, sind 177 den Genen von Fruchtfliegen sehr ähnlich, darunter Gene, die eine Rolle bei Krebs, bei Nieren-, Blut- und neurologischen Erkrankungen sowie bei Störungen des Stoffwechsels und des Immunsystems spielen. „Die zugrunde liegende Biochemie von Fruchtfliegen und Menschen ist bemerkenswert ähnlich“, sagt Hoskins, „so dass Fruchtfliegen Hinweise zum Verständnis menschlicher Krankheiten liefern können, die durch defekte Gene verursacht werden.“

"Wir können menschliche tumorunterdrückende Gene in Fliegen leichter finden als in Mäusen", sagt Susan Celniker und weist darauf hin, dass Experimente mit Fliegengenen durchgeführt werden können, die mit menschlichen Probanden unpraktisch (oder undenkbar) wären.Besonders nützlich ist die Identifizierung von Netzwerken anderer Gene, die mit bekannten Krankheitsgenen interagieren, und der damit verbundenen Stoffwechselwege. Die Auswirkungen auf die Medizin sind unmittelbar.

Zu diesem Zweck verfeinern die BDGP-Forscher die bereits produzierte D. melanogaster-Sequenz weiter. "Wir werden es auf eine hohe Genauigkeit bringen", sagt Hoskins.

Das Human Genome Project strebt eine Auflösung von einem Fehler in 10.000 Basenpaaren an – ungefähr die Anzahl von Fehlern, die durch normale menschliche Variation entstehen könnten – aber die Drosophila-Mitarbeiter beabsichtigen, eine Genauigkeit von einem Fehler in 100 zu erreichen. 000, ein Ziel, das teilweise durch die begrenzte Variation unter Inzucht-Laborfliegen ermöglicht wurde.

Unterdessen steht das vollständige Genom von D. melanogaster, über das in der Ausgabe von Science vom 24. März 2000 berichtet wurde, als Meilenstein in der Geschichte der Genforschung und als Tor zu neuen Methoden des Fortschritts. Zum einen versucht Celera nun, die Whole-Genome-Shotgunning-Technik auf das viel größere menschliche Genom anzuwenden.

"Celera hat großartige Arbeit geleistet", sagt Hoskins, "und das Projekt funktionierte besser, als irgendjemand gehofft hatte. Jetzt können die BDGP und der Rest der Gemeinschaft von 5.000 Drosophila-Forschern auf der ganzen Welt mit Projekten beginnen zu verstehen, wie die Genomsequenz die Biologie steuert."

Das Berkeley Lab ist ein nationales Labor des US-Energieministeriums in Berkeley, Kalifornien. Es führt nicht klassifizierte wissenschaftliche Forschung durch und wird von der University of California verw altet.

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