Das Vertebrate Genome Project hat sich zum Ziel gesetzt, innerhalb der kommenden zehn Jahre die Genome aller über 70.000 Wirbeltiere vollständig und möglichst fehlerfrei zu sequenzieren. Dank zahlreicher technologischer Fortschritte ist dieses Ziel in greifbare Nähe gerückt. In einer Reihe von Veröffentlichungen präsentiert das internationale Forschungskonsortium nun die methodischen Grundlagen und veröffentlicht zugleich die ersten 16 Modellgenome. Die hochqualitativen Genomdaten versprechen neue Erkenntnisse und Forschungsmöglichkeiten für Biologie und Medizin und können außerdem bei der Erhaltung gefährdeter Tierarten helfen.
Das Genom eines Lebewesens umfasst all seine Erbinformationen, codiert in der Abfolge der Basen in der DNA. Manche Abschnitte codieren für Proteine, andere haben regulatorische Aufgaben und für wieder andere ist die Funktion noch unbekannt. Von der Entschlüsselung des genetischen Codes möglichst vieler Spezies erhoffen sich Forscher neue Einblicke in die Architektur des Lebens. Die Basensequenz zu kennen, bedeutet zwar noch nicht, auch ihre Funktion zu verstehen. Doch zuverlässig sequenzierte Genome liefern eine wichtige Grundlage für weiterführende Forschungen.
Internationales Großforschungsprojekt
Ein internationales Forschungskonsortium unter der Leitung von Erich Jarvis von der Rockefeller University in New York hat sich zum Ziel gesetzt, solche Genomdaten für alle über 70.000 Wirbeltierarten der Welt zu liefern. In einer Reihe von Veröffentlichung präsentieren die Forscher nun die bisherigen methodischen und inhaltlichen Ergebnisse des Vertebrate Genome Project. Darin beschreiben sie zum einen, welche Sequenzierungstechniken besonders geeignet sind, um die Genome so vollständig und fehlerfrei wie möglich zu entschlüsseln. Zum anderen legen sie die ersten 16 Referenzgenome von Säugetieren, Vögeln, Reptilien, Amphibien und Fischen vor.
Eine wichtige Grundlage für den weiteren Fortgang des Projekts legten die Forscher, indem sie bisherige Technologien zur Genomsequenzierung verfeinerten. „Genau genommen ging es uns nicht nur darum, die beste Technologie zur Sequenzierung zu finden, sondern um die beste Kombination von Technologien“, erklärt Co-Autor Axel Meyer von der Universität Konstanz. Dazu haben die Forscher zunächst verschiedene Methoden getestet, indem sie mehrfach auf verschiedene Weise das Genom des Annakolibris sequenzierten und verglichen, welches Verfahren die genausten Resultate hervorbrachte.
Methoden-Kombi für bessere Resultate
Auf Basis dieser Versuche empfiehlt das Vertebrate Genome Project, Verfahren mit langen und kurzen genetischen Abschnitten zu kombinieren. Sogenannte „long reads“ vermitteln einen Überblick über die Genomabschnitte, sind allerdings im Detail ungenau. Um die Fehler auszugleichen, werden zusätzlich sehr kurze Abschnitte, sogenannte „short reads“ analysiert. Diese liefern sehr präzise Ergebnisse, würden aber ohne den Gesamtüberblick nur bruchstückhafte Einblicke geben. Weitere Verfahren und Computerberechnungen helfen dann dabei, die einzelnen Abschnitte korrekt zu Chromosomen zusammenzufügen.
Nach dem Annakolibri als erstem Referenzgenom sequenzierten die Forscher mit dieser Technologie-Kombination in der Folge 15 weitere Genome von Wirbeltieren aus allen großen Taxa. „Trotz verbleibender Unvollkommenheiten sind unsere Referenzgenome unseres Wissens nach die vollständigsten und qualitativ hochwertigsten, die bisher für jede sequenzierte Spezies vorliegen“, schreiben die Autoren.
Vielversprechende Erkenntnisse
Die Forscher sind überzeugt, dass das Vertebrate Genome Project den Anstoß und die Grundlage für ganz neue Fragestellungen in der Forschung liefern wird. „Diese Studien markieren den Beginn einer neuen Ära der Genomsequenzierung, die sich im Laufe des nächsten Jahrzehnts beschleunigen wird, genomische Anwendungen über den gesamten Baum des Lebens ermöglicht und unseren wissenschaftlichen Umgang mit der lebenden Welt verändern wird“, sagt Co-Autor Richard Durbin von der University of Cambridge.
Schon die bisher sequenzierten Genome haben zahlreiche neue und teils überraschende Erkenntnisse hervorgebracht. Im Genom von Zebrafinken und Schnabeltieren fanden die Forscher ganze Chromosomen, die bei bisherigen Analysen offenbar übersehen worden waren. Ein Vergleich der Genome von Marmosett-Affen und Menschen enthüllte, dass Menschen und Krallenäffchen zwar viele Gene für Gehirnentwicklung und -krankheiten gemeinsam haben, Marmosetts aber auch Gene besitzen, deren Produkte für Menschen giftig wären. Das ist vor allem deshalb relevant, da die Affen in der Forschung zunehmend als Modellorganismen für neurologische Krankheiten genutzt werden. „Das unterstreicht die Notwendigkeit, genomische Kontextvariationen zu berücksichtigen, wenn Marmosetten als Modelle in der Erforschung menschlicher Krankheiten verwendet werden“, folgern die Forscher.
Ein weiteres Ergebnis der bisherigen Analysen gibt Hoffnung für vom Aussterben bedrohte Arten: In den Genomen vom Kakapo, einem flugunfähigen Papagei aus Neuseeland, und vom Vaquita, einem kalifornischen Schweinswal, von dem nur noch weniger als 20 Individuen existieren, entdeckten die Forscher, dass sich viel weniger schädliche Mutationen angehäuft haben, als aufgrund der geringen genetischen Vielfalt zu erwarten gewesen wären. „Das bedeutet, dass es Hoffnung für die Erhaltung der Art gibt“, folgert Jarvis.
Ambitionierte Pläne
In den nächsten Schritten des Großforschungsprojekts wollen die Forscher nach und nach die Genome aller Wirbeltiere sequenzieren. Ihre Daten stellen sie frei zur Verfügung und laden auch weitere Forschungsgruppen ein, sich dem Projekt anzuschließen. „Um ein solches Projekt innerhalb von zehn Jahren zu verwirklichen, müssen wir es schaffen, 125 Genome pro Woche zu sequenzieren, ohne die Qualität zu beeinträchtigen“, so die Autoren. Angesichts der bisherigen und für die Zukunft erwarteten Fortschritte halten sie diese Aufgabe für realistisch und vielversprechend. „Wir lernen viel mehr, als wir erwartet haben“, sagt Jarvis. „Diese Arbeit ist ein Proof of Principle für das, was noch kommen wird.“
Quellen: Arang Rhie (National Institutes of Health, Bethesda, USA) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03451-0; Chentao Yang (Universität Kopenhagen) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03535-x
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