Ein Fisch mit einem 30-mal größeren Genom als unseres wurde sequenziert

Als er zum ersten Mal entdeckt wurde, sorgte der Quastenflosser für große Aufregung. Es handelte sich um ein lebendes Beispiel einer Gruppe von Fischen, von denen man annahm, dass sie nur als Fossilien existierten. Und nicht irgendeine Gruppe von Fischen. Es wird angenommen, dass Quastenflosser und ihre Verwandten mit ihren langen, stielartigen Flossen die Vorfahren aller Wirbeltiere sind, die keine Fische sind – Tetrapoden oder Wirbeltiere mit vier Gliedmaßen. Damit sind unter anderem wir gemeint.

Doch seitdem häufen sich Hinweise darauf, dass wir näher an Lungenfischen sind, die im Süßwasser leben und in Afrika, Australien und Südamerika vorkommen. Aber Lungenfische sind etwas seltsam. Bei afrikanischen und südamerikanischen Arten schrumpften die gliedmaßenartigen Flossen ihrer Vorfahren zu dünnen, flexiblen Filamenten. Es hat sich als schwierig erwiesen, einen Einblick in seine Evolutionsgeschichte zu gewinnen, da er das größte Genom enthält, das bei Tieren bekannt ist: Das südamerikanische Lungenfischgenom enthält mehr als 90 Milliarden Basenpaare. Das ist das 30-fache der Menge an DNA, die wir haben.

Aber neue Sequenzierungstechnologien haben diese Art von Herausforderung leichter zugänglich gemacht, und eine internationale Zusammenarbeit hat nun das größte Genom aller Zeiten fertiggestellt, bei dem alle bis auf ein Chromosom mehr DNA tragen als das menschliche Genom. Diese Arbeit weist auf eine Geschichte hin, in der südamerikanische Lungenfische in den letzten 200 Millionen Jahren alle 10 Millionen Jahre zusätzliche 3 Milliarden DNA-Basen hinzugefügt haben, ohne eine große Anzahl neuer Gene hinzuzufügen. Stattdessen scheint es die Fähigkeit verloren zu haben, unerwünschte DNA unter Kontrolle zu halten.

Geht lange

Diese Arbeit wurde durch eine Technik ermöglicht, die allgemein als „Long-Read-Sequenzierung“ bezeichnet wird. Die meisten Genome wurden durch kurze Lesevorgänge vervollständigt, normalerweise im Bereich von 100–200 Basenpaaren. Der Schlüssel bestand darin, ausreichend zu sequenzieren, sodass jede Base im Genom im Durchschnitt mehrmals sequenziert wurde. Dementsprechend kann ein geschickt gestaltetes Computerprogramm feststellen, wo sich zwei Sequenzabschnitte überlappen, dies als einen längeren Sequenzabschnitt aufzeichnen und den Vorgang wiederholen, bis der Computer lange Ketten aneinandergrenzender Basen ausgibt.

Das Problem hierbei ist, dass die meisten nicht-mikrobiellen Arten Abschnitte repetitiver Sequenzen enthalten (stellen Sie sich Hunderte von Kopien der Basen G bzw. A vor), die mehr als ein paar Hundert Basen lang sind – nahezu identische Sequenzen, die an mehreren Stellen im Genom vorkommen . Es ist unmöglich, diese Sequenzen einem eindeutigen Ort zuzuordnen, daher enthält die Ausgabe des Genomassemblierungsprogramms viele Lücken unbekannter Länge und Sequenz.

Dies stellt eine enorme Schwierigkeit für Genome wie das Lungenfischgenom dar, die mit „nicht funktionierender“ „Junk“-DNA gefüllt sind, die typischerweise alle repetitiv ist. Das Programm neigt dazu, ein Genom mit mehr Lücken als Sequenzen zu erzeugen.

Die Long-Reading-Technik umgeht dieses Problem, indem sie genau das tut, was ihr Name vermuten lässt. Anstatt Fragmente mit etwa 200 Basen zu sequenzieren, können sie Sequenzen mit einer Länge von Tausenden von Basenpaaren erzeugen, die problemlos eine ganze Wiederholung abdecken, die sonst eine Lücke erzeugen würde. Eine frühe Version der Long-Read-Technologie bestand darin, lange DNA-Moleküle durch Poren zu stopfen und unterschiedliche Spannungsänderungen über die Pore hinweg zu beobachten, wenn verschiedene Basen durch sie hindurchpassierten. Ein anderer ließ ein DNA-Replikationsenzym eine Kopie eines langen Strangs erstellen und die Fluoreszenzänderungen überwachen, wenn verschiedene Basen hinzugefügt wurden. Diese frühen Versionen waren tendenziell etwas fehleranfällig, wurden aber seitdem verbessert, und es gibt mittlerweile viele neuere Konkurrenztechnologien auf dem Markt.

Im Jahr 2021 nutzten Forscher diese Technologie, um Vervollständigen Sie das Genom Wissenschaftler konnten Genome afrikanischer und südamerikanischer Arten finden, von denen jede offenbar während des Zerfalls des Superkontinents Gondwana, der vor etwa 200 Millionen Jahren begann, ihren eigenen Weg eingeschlagen hat. Die Gewinnung der Genome der drei Arten würde uns einen Einblick in die Merkmale verschaffen, die alle Lungenfischarten gemeinsam haben und die sie daher wahrscheinlich mit entfernten Vorfahren geteilt haben, aus denen die Tetrapoden hervorgegangen sind.