Die vergleichende Genomik ist ein Bereich der biologischen Forschung, in dem Forscher eine Vielzahl von Instrumenten einsetzen, um die vollständigen Genomsequenzen verschiedener Arten zu vergleichen. Durch den sorgfältigen Vergleich von Merkmalen, die verschiedene Organismen kennzeichnen, können die Forscher Regionen mit Ähnlichkeiten und Unterschieden ausfindig machen.
ÜBERSICHT
Was sind die Vorteile der vergleichenden Genomik?
Die Identifizierung von DNA-Sequenzen, die „konserviert“ wurden – d. h. in vielen verschiedenen Organismen über Millionen von Jahren erhalten geblieben sind – ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis des Genoms selbst. Sie macht Gene ausfindig, die für das Leben wesentlich sind, und hebt genomische Signale hervor, die die Genfunktion bei vielen Arten steuern. Dies hilft uns, besser zu verstehen, welche Gene mit verschiedenen biologischen Systemen zusammenhängen, was wiederum zu innovativen Ansätzen für die Behandlung menschlicher Krankheiten und die Verbesserung der menschlichen Gesundheit führen kann.
Die vergleichende Genomik bietet auch ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der Evolution. Indem sie die evolutionären Beziehungen zwischen den Arten und die entsprechenden Unterschiede in ihrer DNA nutzen und analysieren, können Wissenschaftler besser verstehen, wie sich das Aussehen, das Verhalten und die Biologie von Lebewesen im Laufe der Zeit verändert haben.
Da die DNA-Sequenzierungstechnologie immer leistungsfähiger und kostengünstiger wird, findet die vergleichende Genomik in der Landwirtschaft, der Biotechnologie und der Zoologie immer breitere Anwendung als Instrument, um die oft subtilen Unterschiede zwischen den Tierarten herauszufinden. Diese Bemühungen haben zu neuen Erkenntnissen über einige Zweige des Stammbaums der Evolution geführt, die Gesundheit von Haustieren verbessert und neue Strategien zur Erhaltung seltener und gefährdeter Arten aufgezeigt.
Woraus besteht ein Genom?
Die Genome fast aller Lebewesen, sowohl der Pflanzen als auch der Tiere, bestehen aus DNA (Desoxyribonukleinsäure), der chemischen Kette, die die Gene enthält, die für verschiedene Proteine kodieren, sowie aus den regulatorischen Sequenzen, die diese Gene an- und abschalten. Welches Protein genau von einem bestimmten Gen produziert wird, hängt von der Reihenfolge ab, in der die vier Bausteine – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) – entlang der verdrehten Doppelhelixstruktur der DNA angeordnet sind.
Welche Ergebnisse hat der Bereich der vergleichenden Genomik erbracht?
Die vergleichende Genomik hat zu dramatischen Ergebnissen geführt. Forscher nutzen die vergleichende Genomik zunehmend zur Erforschung von Bereichen, die von der menschlichen Entwicklung und dem Verhalten bis zum Stoffwechsel und der Anfälligkeit für Krankheiten reichen. Durch diese Studien werden neue Verhaltens-, neurologische und Entwicklungswege sowie Gene aufgedeckt, die bei verschiedenen Arten gleich oder verwandt sind. Einige Forscher nutzen die vergleichende Genomik, um die genomischen Grundlagen von Krankheiten bei Tieren aufzudecken, in der Hoffnung, neue Erkenntnisse über die Entwicklung von Krankheiten beim Menschen zu gewinnen.
Zu den bisherigen Ergebnissen gehören die folgenden:
- In einer Studie wurde festgestellt, dass etwa 60 Prozent der Gene zwischen Fruchtfliegen und Menschen konserviert sind, was bedeutet, dass die beiden Organismen offenbar einen Kernbestand an Genen teilen. Zwei Drittel der menschlichen Gene, von denen bekannt ist, dass sie an Krebs beteiligt sind, haben Entsprechungen in der Fruchtfliege.
- Eine vergleichende genomische Analyse von sechs Hefearten veranlasste die Wissenschaftler, ihren ursprünglichen Katalog von Hefegenen erheblich zu überarbeiten und eine neue Reihe funktioneller Elemente vorherzusagen, die bei der Regulierung der Genomaktivität eine Rolle spielen, und zwar nicht nur in der Hefe, sondern bei vielen Arten.
- Forscher, die sich mit der Milcherzeugung befassen, haben Gene kartiert, die den Ertrag von fettreicher Milch bei Kühen erhöhen, was zu einem höheren Produktionsniveau und möglicherweise zu erheblichen wirtschaftlichen Auswirkungen führt. Dies ist eine von vielen Studien, die darauf abzielen, die Nahrungsmittelproduktion zu steigern.
- Wissenschaftler haben Gene gefunden, die die Muskulatur von Rindern um das Zweifache erhöhen; dieselben Gene wurden auch bei Rennhunden gefunden, und diese Ergebnisse könnten Studien zur menschlichen Leistungsfähigkeit fördern.
- Beim Vergleich der Genome von fast 50 Vogelarten wurde ein Gennetzwerk entdeckt, das für den Gesang der Vögel verantwortlich ist und das möglicherweise eine wichtige Rolle beim menschlichen Sprechen und der Sprache spielt. Die Vogelforscher fanden auch Gennetzwerke, die für Merkmale wie Federn und Schnäbel verantwortlich sind.
- In den letzten Jahren haben Forscher des National Human Genome Research Institute (NHGRI) auch die Genomik verschiedener Krebsarten bei Hunden untersucht, darunter häufige Krebsarten und andere Krankheiten, um neue Erkenntnisse über die menschliche Form der Erkrankung zu gewinnen. In einigen Fällen haben sie Gene kartiert, die zu diesen Erkrankungen beitragen.
- In anderen Studien vergleichen NHGRI-Forscher, wie Gene Körperform und -größe bei Hunden beeinflussen, um Wachstum und Entwicklung besser zu verstehen. Studien an Hunden mit Schlafproblemen haben Gene und Signalwege – und potenzielle Angriffspunkte für Medikamente – zur Behandlung von Schlafproblemen aufgedeckt.
Welche anderen Genome wurden bereits sequenziert?
Forscher haben die vollständigen Genome von Hunderten von Tieren und Pflanzen sequenziert – allein mehr als 250 Tier- und 50 Vogelarten – und die Liste wird fast täglich länger.
Zusätzlich zur Sequenzierung des menschlichen Genoms, die 2003 abgeschlossen wurde, sequenzierten die am Humangenomprojekt beteiligten Wissenschaftler die Genome einer Reihe von Modellorganismen, die üblicherweise als Ersatzorganismen für die Untersuchung der menschlichen Biologie verwendet werden. Dazu gehören die Ratte, der Kugelfisch, die Fruchtfliege, der Seescheide, der Spulwurm und das Bakterium Escherichia coli. Bei einigen Organismen hat das NHGRI viele Varianten sequenziert und damit wichtige Daten für das Verständnis der genetischen Variation geliefert.
Die vom NHGRI unterstützten DNA-Sequenzierungszentren haben auch die Genome von Huhn, Hund, Honigbiene, Gorilla, Schimpanse, Seeigel, Pilzen und vielen anderen Organismen sequenziert.
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