Von zu Hause aus ins Stammbuch der Evolution blicken: WWU-Forscher entwickeln Web-App für Genom-Vergleiche

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09/25/2020 14:24

Von zu Hause aus ins Stammbuch der Evolution blicken: WWU-Forscher entwickeln Web-App für Genom-Vergleiche

Dr. Kathrin Kottke Stabsstelle Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit
Westfälische Wilhelms-Universität Münster

    Die Evolution hinterlässt ihre Spuren insbesondere im Erbgut, dem Genom. Ihrem Einfluss auf die Spur zu kommen, ist ein langwieriger Prozess. Priv.-Doz. Dr. Jürgen Schmitz und seinem Team an der Universität Münster hat vor fünf Jahren veröffentlichte die Arbeitsgruppe eine Web-App, die das Erbgut von Mensch und Tier vergleichen kann und so hilft, evolutionäre Entwicklungen zu verstehen. Nun gehen die Forscher noch einen Schritt weiter: Ihre Software „2-n-way“ kann beliebige Genome von und für jedermann vergleichen und gezielt nach Regionen suchen, die durch Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Sequenzen charakterisiert sind. Ihre Ergebnisse sind im Fachjournal Genome Research publiziert.

    Die Evolution hinterlässt ihre Spuren insbesondere im Erbgut, dem Genom. Ihrem Einfluss auf die Spur zu kommen, ist ein langwieriger Prozess - und das Arbeitsfeld von Priv.-Doz. Dr. Jürgen Schmitz und seinem Team an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Vor fünf Jahren veröffentlichte die Arbeitsgruppe eine Web-App, die das Erbgut von Mensch und Tier vergleichen kann und so hilft, evolutionäre Entwicklungen zu verstehen. Nun gehen die münsterschen Forscher noch einen Schritt weiter: Ihre neue Software „2-n-way“ kann beliebige Genome von und für jedermann vergleichen und gezielt nach Regionen suchen, die durch Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Sequenzen charakterisiert sind. Vereinfacht gesagt: 2-n-way zeigt, wo was im Genom fehlt und wann es abhandengekommen beziehungsweise neu entstanden ist. So lassen sich auch Verwandtschaftsverhältnisse von Arten oder Individuen erkennen. Ihre Neuheit – die wie der Vorgänger frei im Internet verfügbar ist – haben die WWU-Forscher jetzt im Fachjournal Genome Research publiziert.

    Biologe und Zoologe Schmitz vom Institut für Experimentelle Pathologie der Medizinischen Fakultät der Universität Münster, der die Studie zusammen mit Dr. Gennady Churakov geleitet hat, spricht von einer „einzigartigen und zukunftsweisenden Chance, die Veränderbarkeit multipler Genome unter die Lupe zu nehmen“. Dadurch könnten nicht nur Genom-Evolutionen, sondern auch die Entstehung von genetischen Krankheiten durch Deletionen oder durch Insertionen – das meint den Verlust eines DNA-Abschnitts beziehungsweise das Einfügen eines neuen - analysiert werden. Der entscheidende Unterschied zum Vorgänger-Modell GPAC, das seit seiner Freischaltung hundertausendfach genutzt wurde: 2-n-way kann selbst beliebig viele Genome aneinandersetzen. „Das Tool ist eine Antwort auf die heutige genomische Ära – und eine Software, die trotz der dahinterliegenden Komplexität von jedermann anwendbar ist, egal ob medizinischer Laie, Student oder Professor. Nicht zuletzt verbindet das Tool unterschiedlichste Bereiche, wie Evolution, Populationsgenetik und Medizin“, so Schmitz.

    Der Begriff 2-n-way leitet sich ab aus zwei in der Fachwelt bekannten Kürzeln: „2-way“ steht für die Alignierung, die Anordnung von zu vergleichenden Sequenzen in linearer Abfolge. „n-way“ meint das Kombinieren der einzelnen Komponenten und den anschließenden multiplen Vergleich. Solche Hintergründe brauchen die Anwender aber gar nicht zu kennen: „Sie müssen sich nur die Genome, die sie vergleichen wollen, im Internet herunterladen“, so Schmitz. Als Quelle bietet sich zum Beispiel die Internetseite des „National Center for Biotechnology Information“ (NCBI) in den USA an. Die in 2-n-way eingespeisten Genome werden von der Software anschließend zueinander aligniert. Aus den genomischen „Koordinaten“ - Fachjargon: Loci – werden die für die Fragestellung interessanten ausgewählt: „Die Suche lässt sich zum Beispiel auf einige oder alle springende Gene ausrichten, also auf die Gene, die ihre Position im Genom verändert haben“, sagt Priv.-Doz. Schmitz.

    Sucht man beispielsweise nach bestimmten springenden Genen bei Menschen, Schimpansen und Rhesusaffen, so besteht das Ergebnis aus einer Tabelle mit „plus“ und „minus“. Beinhaltet diese Auswertung zwei Fundstellen und beim Rhesusaffen eine exakte Lücke, lautet die Schlussfolgerung: Menschen und Schimpansen haben über einen gemeinsamen Vorfahren das springende Gene geerbt und sind daher näher verwandt, während der Rhesusaffe hier noch den ursprünglichen Locus ohne Insertion zeigt und daher nur entfernt verwandt ist. Die Software gibt jedoch nicht nur an, ob eine bestimmte Insertion vorhanden ist, sondern auch, in welcher Region diese liegt: Neben der Übereinstimmungstabelle übergibt 2-n-way dem Nutzer eine Aufstellung der DNA-Sequenzen zu allen Loci.

    Während das neue Tool gerade erst publiziert ist, blickt die Arbeitsgruppe bereits nach vorn: Sie arbeitet an der Vereinfachung der individuellen Erstellung der 2-ways – also der Alignierung. „Das ist ein Prozess, der im Moment noch viel Zeit beanspruchen kann, Das wurmt uns“, so Schmitz. Ansonsten sei das Tool „absolut perfekt und intensiv getestet.“


    Contact for scientific information:

    PD Dr. Juergen Schmitz
    Westfälische Wilhelms-Universität Münster
    Zentrum für Molekularbiologie der Entzündung (ZMBE)
    Tel.: +49 251 8352133
    email: jueschm@uni-muenster.de


    Original publication:

    Gennady Churakov, Fengjun Zhang, Norbert Grundmann, Wojciech Makalowski, Angela Noll, Liliya Doronina and Juergen Schmitz (2020): The multi-comparative 2-n-way genome suite. Genome Res. Doi: 10.1101/gr.262261.120


    More information:

    https://genome.cshlp.org/content/early/2020/07/29/gr.262261.120.abstract Originalpublikation im Fachjournal Genome Research
    http://retrogenomics.uni-muenster.de/about/index.html? Link zum Webtool "2-n-way"


    Criteria of this press release:
    Journalists
    Medicine
    transregional, national
    Research results, Transfer of Science or Research
    German


    Als Entwickler von 2-n-way freuen sich Priv.-Doz Dr. Jürgen Schmitz, Dr. Liliya Doronina, Norbert Grundmann, Fengjun Zhang und Dr. Gennady Churakov (v.l.n.r.) über die Veröffentlichung ihres Projektes in der Fachpresse


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    2-n-way: eine Web-App zum Aufspüren von "Löchern" im Genom


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