Neue Fortschritte in der Mausgenomforschung

Mäuse sind seit über einem Jahrhundert ein wichtiger Teil der wissenschaftlichen Forschung. Sie helfen Wissenschaftlern, menschliche Krankheiten zu verstehen, Behandlungen zu finden und herauszufinden, wie unser Körper funktioniert. Zu den wichtigen Entdeckungen mit Mäusen gehören die Rolle bestimmter Gene in unserem Immunsystem und die Schaffung spezieller Stammzellen, die sich in verschiedene Zelltypen verwandeln können.

2002 haben Wissenschaftler das erste vollständige Genom einer Maus, genauer gesagt des C57BL/6J-Stamms, fertiggestellt. Das Genom ist das komplette Set von DNA in einem Organismus. Das Mausgenom besteht aus 19 Chromosomenpaaren und einem X-Chromosom, während das Y-Chromosom eine einzigartige Struktur hat. Einige Teile des Mausgenoms sind schwer zu untersuchen, weil die Chromosomen so aufgebaut sind. Das aktuelle Mausgenom ist unvollständig, mit etwa 281 Lücken. Diese Lücken sind in jedem Chromosom vorhanden und wichtige Bereiche wie Telomere und Centromere bleiben ungelöst.

#Die Bedeutung von Telomeren und Centromeren

Telomere sind die schützenden Enden von Chromosomen, die verhindern, dass sie beschädigt werden. Centromere spielen eine wichtige Rolle während der Zellteilung, indem sie helfen, Chromosomen richtig zu trennen. Das aktuelle Mausgenom spiegelt diese wichtigen Teile der Chromosomen nicht genau wider.

Neueste Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie bieten eine Möglichkeit, vollständige Mausgenome zu erstellen. In dieser Studie wurde eine Methode verwendet, die es Wissenschaftlern ermöglicht, sehr lange DNA-Abschnitte zu lesen, was eine Gelegenheit bietet, die Lücken in der Mausgenetik zu schliessen.

#Erstellung von T2T-Mausgenomen

Forscher haben die ersten vollständigen Mausgenome für die Stämme C57BL/6J und CAST/EiJ erstellt. Diese vollständigen Genome, die als T2T (Telomere-to-Telomere) bezeichnet werden, enthalten alle zuvor fehlenden Strukturen, einschliesslich vollständiger Telomere und Centromere. Die neuen Genome sind vollständiger als die alten Versionen und erweitern das Verständnis der Mausgenetik erheblich.

DNA wurde aus embryonalen Stammzellen einer Mischung der beiden Mauslinien gewonnen. Die Wissenschaftler verwendeten sowohl Langlese- als auch Kurzlese-Sequenzierungsmethoden, um die Genome zusammenzustellen. Sie erstellten sechs verschiedene Genomassemblierungen und verglichen sie, wobei sie die beste anhand einer Reihe von Qualitätskriterien auswählten.

#Fehlende Teile des Genoms finden

Einige Chromosomen waren weiterhin unvollständig und fehlten Telomersequenzen an ihren Enden. Um diese fehlenden Teile zu finden, suchten die Forscher nach bestimmten wiederholten Sequenzen in den unplatzierten DNA-Fragmenten. Sie verwendeten auch eine Methode namens Long-Range Hi-C, um die verbleibenden Sequenzen den richtigen Chromosomen zuzuordnen.

Beim Vergleich der neuen Genome mit der früheren Version wurde deutlich, dass die neuen Versionen eine längere Sequenz hatten. Zum Beispiel fügte das C57BL/6J T2T-Genom 208 Megabasen (Mbp) an Sequenz im Vergleich zur früheren Version hinzu.

#Strukturgenauigkeit

Um zu überprüfen, wie genau die neuen Genomassemblierungen waren, schauten die Forscher sich die Strukturen in den Chromosomen an. Sie fanden heraus, dass das T2T-Genom weniger strukturelle Varianten (SVs) im Vergleich zum älteren Genom hatte. Es wurden weniger Einfügungen, Löschungen, Duplikationen und Inversionen in der neuen Version beobachtet, was auf eine stabilere Struktur hinweist.

#Verständnis der Chromosomenstruktur

Die neuen Genome ermöglichten einen Vergleich der Chromosomenstruktur. Es wurde festgestellt, dass die neuen Genome vollständige Darstellungen sowohl der Telomere als auch der Centromere auf allen Chromosomen enthielten. Die Lücken in der früheren Assemblierung wurden mit neuen Daten gefüllt, was grosse Unterschiede zwischen den beiden Mäusestämmen offenbarte.

Die Forscher entdeckten, dass Telomere und Centromere im alten Genom schlecht dargestellt waren und die neuen Assemblierungen diese Darstellung erheblich verbesserten. Die neuen Genome zeigen erhebliche Zunahmen in Satellitensequenzen, die wichtig für die Struktur und Funktion von Chromosomen sind.

#Genannotierung und neuartige Gene

Die Genannotierung wurde mit Hilfe von RNA-Sequenzierung aus verschiedenen Gewebearten durchgeführt. Die Anzahl der protein-kodierenden Gene in den neuen Genomen war vergleichbar mit dem vorherigen Referenzgenom. Allerdings identifizierten die Forscher neue Gene, die zuvor nicht beobachtet worden waren.

In der Studie wurden mehrere neuartige Gene in beiden Stämmen entdeckt. Diese neuartigen Gene variieren in der Grösse und enthalten viele verschiedene Exons, die Teile von Genen sind, die für Proteine kodieren. Einige dieser neuen Gene wurden als ähnlich zu bekannten Proteinen erkannt, was auf ihre potenziellen Funktionen hinweist.

#Erhöhte Kopienzahl-Gene

Die Forscher fanden auch eine Reihe von Genen, die in den T2T-Genomen im Vergleich zur früheren Version eine erhöhte Kopienzahl aufwiesen. Das bedeutet, dass einige Gene in den neuen Genomen in grösseren Mengen vorhanden waren. Diese Gene fielen in verschiedene Kategorien, darunter auch solche, die mit dem Immunsystem in Verbindung stehen. Unterschiede in der Anzahl der Kopien bestimmter Gene wurden ebenfalls zwischen den beiden Stämmen festgestellt.

#Struktur von Telomeren und Centromeren

Telomere und Centromere spielen eine wichtige Rolle für die Stabilität der Chromosomen. Die neuen Genome zeigten eine signifikante Verbesserung in der Darstellung dieser Regionen. Die C57BL/6J und CAST/EiJ T2T-Genome hatten viel längere Telomere als das vorherige Referenzgenom.

Die Forscher fanden heraus, dass die Telomerlängen bei Mäusen im Allgemeinen länger waren als bei Menschen. Die Studie beschrieb die Grösse und Struktur von Telomeren und Centromeren und hob die Unterschiede zwischen den beiden Mäusestämmen hervor.

Die Centromere in Mäusen bestanden aus spezifischen Arten von Satelliten-DNA, die in früheren Studien schlecht charakterisiert waren. Die neuen Genome ermöglichten ein klareres Verständnis der centromerischen Regionen, wodurch ihre strukturelle Komplexität offenbart wurde.

#Vergleich telocentrischer Chromosomenenden

Mauschromosomen sind einzigartig, weil sie ihre Centromere am Ende der Chromosomen haben, eine Struktur, die als telocentrisch bezeichnet wird. Die Forscher verglichen die telocentrischen Strukturen in beiden Mäusestämmen und fanden Unterschiede in ihrer Anordnung von Wiederholungssequenzen.

Die C57BL/6J-Stämme zeigten eine ausgeprägte Wiederholungsorganisation, während CAST/EiJ eine variablere Organisation aufwies. Das hebt die Vielfalt der Chromosomenstrukturen zwischen den beiden Stämmen hervor.

#Vervollständigung des Mausreferenzgenoms

Trotz früherer Versuche bleibt das Referenzgenom der Maus unvollständig. Die T2T C57BL/6J-Assemblierung füllte erfolgreich viele Lücken und fügte eine beachtliche Menge an Sequenz zum Mausgenom hinzu. Die Arbeit offenbarte insgesamt 301 protein-kodierende Gene in den zuvor fehlenden Regionen.

Die Forscher hoben spezifische Interessengebiete hervor, z. B. solche, die mit der Immunantwort in Verbindung stehen, und ermöglichten künftige Studien zu ihrer Funktion. Dieser umfassende Ansatz zur Lückenfüllung verbessert die Gesamtqualität des Mausgenoms erheblich.

#Pseudoautosomale Regionen

Die Studie konzentrierte sich auch auf einen Bereich, der als pseudoautosomale Region (PAR) bezeichnet wird, die zwischen den X- und Y-Chromosomen geteilt wird. Die neuen Assemblierungen verbesserten das Verständnis der PAR und enthüllten viele neue Gene und strukturelle Merkmale.

Durch den Vergleich der PAR zwischen den beiden Mäusestämmen bemerkten die Forscher Unterschiede im Geninhalt und in der Struktur, was darauf hinweist, dass selbst kleine Regionen des Genoms erhebliche Variation aufweisen können.

#Inversionen im Mausgenom

Inversionen sind Umstellungen im Genom, die die Genfunktion und -regulation beeinflussen können. Diese Studie identifizierte zahlreiche Inversionen zwischen den beiden Mäusestämmen und beleuchtet deren Ursprünge und die Rolle von wiederholten Sequenzen bei der Schaffung dieser strukturellen Veränderungen.

Die Forscher fanden heraus, dass viele Inversionen mit grossen wiederholten Segmenten assoziiert waren, was darauf hindeutet, dass diese Segmente möglicherweise eine Rolle in der Evolution und Funktion des Genoms spielen.

#KRAB-Zinkfingerproteine

KRAB-Zinkfingerproteine (KZFPs) sind entscheidend für die Regulierung der Genexpression. Die neuen Assemblierungen verbesserten die Abdeckung dieser Proteine erheblich, was ein besseres Verständnis ihrer Rollen im Genom ermöglichte. Unterschiede in der Anzahl und Anordnung der KZFP-Familien wurden zwischen den beiden Stämmen festgestellt, was darauf hinweist, dass diese Regionen evolutionären Veränderungen unterliegen.

#Fazit

Diese Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Mausgenetik dar. Durch die Erstellung vollständigerer Genome für zwei wichtige Stämme haben die Forscher die Tür zu neuen Untersuchungen in der Genetik und der Krankheit geöffnet. Diese verbesserten Genome bieten ein klareres Bild der zuvor fehlenden Regionen und erweitern unser Verständnis dafür, wie diese Regionen funktionieren und sich entwickeln.

Die Arbeit bietet eine Grundlage für zukünftige Studien, die genetische Variationen und deren Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit erforschen werden. Während die Forscher weiterhin auf dieser Arbeit aufbauen, werden mehr Einblicke in die Komplexität der Genetik entstehen, was letztendlich unser Verständnis biologischer Prozesse und das Potenzial zur Entwicklung von Behandlungen für Krankheiten verbessern wird.