Sequenzanalyse (Molekularbiologie): DNA-, RNA- und Proteinsequenzierung erklärt

Eine DNA-Sequenz ist die Abfolge von Nukleotiden in einem DNA-Molekül. Sie wird als eine Folge von Buchstaben geschrieben, die die Primärstruktur eines DNA-Moleküls oder -Strangs darstellen. Wenn sie funktionsfähig ist, trägt eine solche Sequenz Informationen für die Abfolge der Aminosäuren in einem Proteinmolekül. Die möglichen Buchstaben sind A, C, G und T, die für die vier Nukleotidbasen eines DNA-Strangs stehen - Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin. Die Sequenzen sind lückenlos nebeneinander gedruckt, wie in der Sequenz AAAGTCTGAC.

Die Untersuchung von RNA und Proteinen ist komplexer. Die Gesamtstruktur der DNA ist einfach und vorhersehbar (Doppelhelix). Die Untersuchung von RNA und Proteinen muss eine Untersuchung ihrer 3-dimensionalen Struktur beinhalten, die variiert und ihre Funktionsweise beeinflusst. Bis zu einem gewissen Grad kann dies durch Computer unterstützt werden, muss aber in jedem Einzelfall überprüft werden.

Informationen zu Sequenzen werden in Datenbanken gehalten. Seit der Entwicklung der schnellen Produktion von Gen- und Proteinsequenzen in den 1990er Jahren nimmt die Rate der Aufnahme neuer Sequenzen in die Datenbanken ständig zu.

Eine vollständige Genomanalyse wurde bei über 800 Arten und Stämmen durchgeführt. Die Arbeit wird von einer Maschine, dem DNA-Sequenzer, geleistet, der Lichtsignale von Fluorochromen analysiert, die an die Nukleotide gebunden sind. Diese Art von Arbeit wird allmählich kostengünstiger.

"Zurzeit [2009] gibt es mehr als 90 Wirbeltierarten mit ganzen Genomsequenzen, die fertig gestellt, in Bearbeitung oder im fortgeschrittenen Planungsstadium sind.

Grobe Gesamtzahlen

Bis Dezember 2012 ist die Analyse des gesamten Genoms von etwa 800 bis 900 lebenden Arten und Stämmen von Arten abgeschlossen. Die Zahlen sind annähernd und ändern sich.

• Tiere: 111 Arten
• Pflanzen: 53 Arten
• Pilze: 81 Arten
• Protisten: 50 Arten
• Archaeen: 139 Arten und Stämme
• Bakterien: ~4/500 Arten und Stämme

Das menschliche Genom ist auf 23 Chromosomenpaaren im Zellkern und in der kleinen mitochondrialen DNA gespeichert. Über die Sequenzen der DNA, die sich auf unseren Chromosomen befinden, ist inzwischen eine Menge bekannt. Was die DNA tatsächlich macht, ist heute teilweise bekannt. Die Anwendung dieses Wissens in der Praxis hat gerade erst begonnen.

Das Human Genome Project (HGP) produzierte eine Referenzsequenz, die weltweit in Biologie und Medizin verwendet wird. Nature veröffentlichte den Bericht des öffentlich finanzierten Projekts, und Science veröffentlichte Celeras Arbeit. In diesen Papieren wurde beschrieben, wie der Entwurf der Sequenz erstellt wurde, und eine Analyse der Sequenz gegeben. Verbesserte Entwürfe wurden in den Jahren 2003 und 2005 angekündigt und füllten ≈92% der Sequenz aus.

Das neueste Projekt ENCODE untersucht die Art und Weise, wie die Gene kontrolliert werden.

Forensische Arbeit

Es ist nicht notwendig, ganze Genomsequenzen für forensische Arbeiten zu haben, wie z.B. die Identifizierung eines Verbrechers anhand von DNA-Spuren, die an einem Tatort hinterlassen wurden, oder für Vaterschaftsfälle. Gegenwärtig ist die Sequenzierung ganzer Genome noch sehr teuer, aber glücklicherweise stehen einfachere und billigere Methoden zur Verfügung.

Die Grundidee besteht darin, bestimmte Loci (Orte) im Genom zu betrachten, die zwischen Menschen sehr unterschiedlich sind. Etwa 10 bis 15 dieser Loci werden für eine Übereinstimmung benötigt, und die rechtlichen Details unterscheiden sich von Land zu Land. Eine Übereinstimmung zwischen einer Probe und einer verdächtigen Person macht es äußerst wahrscheinlich, dass die Person die Quelle der Probe war. Diese Beweise wären dann die Grundlage für die Strafverfolgung eines Verbrechens. Eine ähnliche Analyse würde zeigen, dass ein Mann sehr wahrscheinlich der Vater eines Kindes war. Dies ist wirklich eine moderne Art und Weise, das zu tun, was mit Blutgruppen gemacht wurde, bevor DNA-Details analysiert werden konnten. Die Methoden sind hauptsächlich durch die Arbeit von Alec Jeffreys entwickelt worden.

Die DNA jeder Person enthält zwei Allele eines bestimmten Gens oder "Markers": eines vom Vater und eines von der Mutter. Marker" sind Gene, die ausgewählt wurden, weil sie eine Reihe verschiedener Allele haben, die in der Bevölkerung häufig vorkommen. Die folgende Tabelle stammt aus einem kommerziellen DNA-Vaterschaftstestexperiment. Sie zeigt, wie die Verwandtschaft zwischen Eltern und Kind mit fünf Markern nachgewiesen wird:

Die Ergebnisse zeigen, dass die DNA des Kindes und die des mutmaßlichen Vaters bei diesen fünf Markern übereinstimmen. Die vollständigen Testergebnisse zeigten diese Korrelation bei 16 Markern zwischen dem Kind und dem getesteten Mann. Wenn ein Fall vor Gericht getestet wird, würde ein Gerichtsmediziner über die Wahrscheinlichkeit aussagen, dieses Ergebnis zufällig zu erhalten.

DNA-Tests in den USA

In allen 50 Bundesstaaten der Vereinigten Staaten gibt es einzelstaatliche Gesetze zur Erstellung von DNA-Profilen. Detaillierte Informationen zu den Datenbankgesetzen in den einzelnen Bundesstaaten finden Sie auf der Website der National Conference of State Legislatures.

Alte DNA wurde aus einigen Quellen wiedergefunden. Der Rekord für das Überleben von DNA, die für die Sequenzanalyse geeignet ist, liegt bei 700.000 Jahren. Ein im Permafrost begrabenes Pferdeskelett hat Knochen mit etwas überlebender DNA geliefert. Die Sequenz war nur zu 70% vollständig, aber es reichte den Forschern aus, um zu sagen: "Es würde nicht wie ein Pferd aussehen, wie wir es kennen... aber wir würden erwarten, dass es ein einfüßiges Pferd ist". Zum Vergleich hatten die Forscher Zugang zu DNA-Sequenzen von modernen Pferden, Eseln und Przewalskis Pferd.

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