Hast Du schon mal bei einem Waldspaziergang eine kleine Schlange gesehen und Dich darüber gewundert, weil Du die Begegnung mit Schlangen in Deutschland für eher unwahrscheinlich hieltest? Es kann gut sein, dass es sich dabei um eine Blindschleiche gehandelt hat. Das sind in Deutschland heimische Tiere, die nicht nur so aussehen wie Schlangen, sondern auch ähnliche Verhaltensweisen aufzeigen. Auf den ersten Blick würde man sie daher eigentlich als Schlangen einordnen. Doch wenn man ihren Knochenbau und andere Körpermerkmale näher untersucht, wird klar, dass sie eigentlich eher den Echsen ähneln.
Wie sich in der jüngeren Vergangenheit herausgestellt hat, kann eine solche sogenannte morphologische Untersuchung von Tieren allerdings auch in die Irre führen. Um herauszufinden, ob es sich bei der Blindschleiche um eine Echse oder Schlange handelt, können Wissenschaftler*innen im Labor mittels der DNA Sequenzanalyse identifizieren, zu welcher Art sich die Blindschleiche eher einordnen lässt.
DNA-Sequenzanalyse – einfach erklärt
Für die nähere Bestimmung der Verwandtschaftsverhältnisse von verschiedenen Arten kann die Methode der DNA-Sequenzanalyse genutzt werden. Sie kann bei z. B. zwei Arten mit ähnlichen Merkmalen Aufschluss darüber geben, ob sie tatsächlich nahe Verwandte sind oder sich im Laufe der Evolution, aufgrund von ähnlichen/gleichen Umweltbedingungen, lediglich in die gleiche Richtung entwickelt haben.
Bei der DNA-Sequenzanalyse (DNA-Sequenzierung) wird durch molekularbiologische Methoden die Basenabfolge in der DNA bestimmt und bioinformatisch mit anderen DNA-Sequenzen verglichen. Die Ähnlichkeit der Sequenzen gibt Aufschluss über die Verwandtschaft zweier Organismen und den Verlauf der Evolution.
Fledermäuse haben Flügel, ebenso wie Vögel. Zählen sie deshalb auch zu den Vögeln? Nein, sie sind Säugetiere. Sie haben lediglich Werkzeuge entwickelt, durch die sie – genau wie Vögel – durch die Lüfte gleiten können. Diesen Prozess der Ausbildung ähnlicher morphologischer Merkmale, ohne eine nahe Verwandtschaft der Spezies nennt man Konvergenz, mehr dazu findest Du im StudySmarter-Artikel Homologie und Analogie.
DNA-Sequenzierung – Ablauf
Für eine DNA-Sequenzierung muss zunächst die Sequenz bestimmter Gene der DNA bestimmt werden. Dieser Prozess heißt auch Sequenzierung. Dafür gibt es verschiedene Methoden, die im Laufe der Zeit immer präziser und schneller geworden sind.
Methoden zur DNA-Sequenzierung
Bei der DNA-Sequenzierung kann über verschiedene Methoden bestimmt werden, wie die Basenabfolge der DNA lautet. Die DNA ist aus der Aneinanderreihung der vier Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin aufgebaut. Ihre Reihenfolge muss bestimmt werden.
Falls Du eine Auffrischung zum Aufbau der DNA oder eine tiefergehende Beschreibung der verschiedenen Methoden zur DNA-Sequenzierung benötigst, kannst Du gerne in den StudySmarter-Artikeln zur DNA oder der Sequenzanalyse vorbeischauen!
Sanger Sequenzierung
Die Sequenzierung nach Sanger ist die erste und grundlegende Methode zur DNA-Sequenzierung. Dafür werden folgende Zutaten gemischt und in ein Laborgerät gegeben, die automatisch ihre Temperatur ändern kann (je nachdem welcher Schritt der Sequenzierung gerade durchgeführt wird):
- DNA
- DNA Polymerase
- Primer
- dNTPs (die vier Basen der DNA)
- ddNTPs (speziell modifizierte Basen der DNA)
Zunächst wird die DNA bei hohen Temperaturen aufgetrennt, sodass nur noch Einzelstränge vorliegen, anstelle eines geschlossenen DNA-Doppelstrangs. Der Einzelstrang ist nun zugänglich für den Primer – ein DNA-Fragment, das nur wenige Basenpaare lang ist und sich an einen Bereich bindet, der komplementär ist.
Komplementäre Basen sind Adenin zu Thymin und Cytosin zu Guanin. Diese Basenpaare können jeweils Wasserstoffbrücken zwischen sich ausbilden und den Zusammenhalt der zwei Stränge eines Doppelstrangs stabilisieren.
An diesen Abschnitt kann jetzt die DNA Polymerase ansetzen. Sie erkennt, welche Base sich gerade unter ihr befindet, und setzt dementsprechend einen Strang zusammen, dessen Basen komplementär zum vorhandenen Strang sind. Auf diese Weise entsteht wieder ein Doppelstrang.
Jedoch sind in der Mischung auch modifizierte Basen vorhanden. Sie bewirken den Abbruch der Strangsynthese, da nach ihnen keine neue Base eingebaut werden kann. Außerdem sind sie markiert, heutzutage z. B. mit Leuchtstoffen in verschiedenen Farben. Die modifizierten Basen werden zufällig eingebaut, weshalb im Topf nach einer Weile viele DNA-Stränge mit verschiedenen Längen vorhanden sind. Durch Erhitzen werden die Doppelstränge wieder zu Einzelsträngen geteilt.
Mithilfe einer Gelelektrophorese können diese DNA-Fragmente ihrer Größe nach aufgetrennt werden. Die kürzeren Stränge fließen schneller und daher zuerst durchs Gel. Mithilfe eines Lasers kann detektiert werden, in welcher Reihenfolge die Leuchtstoffe an den ddNTPs durch das Gel laufen. Auf diese Weise kann die Reihenfolge der Basen in der DNA und somit ihre Sequenz bestimmt werden.
Next generation sequencing (NGS)
Das sogenannte Next Generation Sequencing beschreibt eine Gruppe neuartiger Methoden zur Sequenzierung der DNA, die sowohl günstiger als auch schneller und genauer sind als die traditionelle Sequenzierung nach Sanger.
Dabei können mehrere verschiedene Proben gleichzeitig sequenziert werden, da die DNA aus jeder Probe zunächst mit einer Art molekularem Barcode versehen wird, mit der sie später unterschieden werden können. Außerdem findet die Sequenzierung in Echtzeit statt, da bei den meisten Methoden schon der Einbau einer Base detektiert wird.
Eine der Methoden des NGS ist die Nanoporen-Sequenzierung. Dafür wird eine Membran (Trennwand) genutzt, in die eine spezielle Pore eingelassen ist. Die Pore ist so modifiziert, dass genau ein DNA-Strang durchpasst und dieser mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchgezogen wird. Zwischen den beiden Bereichen, die durch die Membran getrennt sind, ist eine elektrische Spannung angelegt. Durch die Pore sind die beiden Seiten verbunden, weshalb die Spannung erhalten bleibt.
Wird allerdings ein DNA-Strang durch die Pore gezogen, ändert sich diese Spannung, da der Strom nicht mehr so ungehindert zwischen den beiden Seiten der Membran fließen kann, wie zuvor. Je nachdem, welche Base sich gerade in der Pore befindet, ändert sich die Spannung zudem auf einen bestimmten Wert. Ein Computer kann daher genau berechnen, welche Basen nacheinander durch die Pore gezogen wurden. Auf diese Weise wird die Sequenz der DNA genau ermittelt.
Die Beschreibung einer weiteren Methode des NGS findest Du im StudySmarter-Artikel zur Pyrosequenzierung.
Vergleich der DNA-Sequenzen
Nach der Sequenzierung der DNA aus Blindschleichen (oder bestimmter Gene darauf), muss sie mit denselben Sequenzen anderer Arten verglichen werden. Je nachdem, welche Ähnlichkeiten sie aufweisen, können Rückschlüsse auf den Grad der Verwandtschaft geschlossen werden.
Diese Vergleiche werden mithilfe von bioinformatischen Methoden und großen Datenbanken durchgeführt. Die erhaltene Sequenz kann in der Datenbank mit bereits bekannten Sequenzen verglichen und eingeordnet werden.
Je mehr Einträge es in einer Datenbank bereits gibt, desto genauere Schlüsse können gezogen werden. Der Algorithmus hat dann mehr verschiedene Einträge zur Verfügung, mit denen er die gewünschte Sequenz vergleichen kann und zieht daher noch präzisere Vergleiche.
Der BLAST-Algorithmus
Ein Algorithmus, der von vielen großen Datenbanken genutzt wird, ist der BLAST-Algorithmus (Basic Local Alignment Search Tool). Dieser spezielle Algorithmus nimmt sich zunächst stückweise kleine DNA-Sequenzen der eingegebenen DNA vor, die er mit bereits vorhandenen Sequenzen vergleicht. Sobald er Einträge gefunden hat, die Übereinstimmungen mit möglichst vielen dieser kurzen DNA-Sequenzen aufweisen, werden die kurzen Sequenzen ausgeweitet. Auf diese Weise werden Einträge schrittweise aussortiert, die doch keine so große Übereinstimmung mit der Sequenz mehr haben.
DNA-Sequenzierung – Auswertung
Um herauszufinden, wie die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen verschiedenen Arten sind, muss bestimmt werden, wie unterschiedlich die Genome oder bestimmte Gene sind. Mehr Mutationen bedeuten auch eine weiter entferntere Verwandtschaft, da mehr Zeit vergangen ist, seitdem die beiden Arten einen gemeinsamen Vorfahren hatten. In dieser Zeit hatten Mutationen die Gelegenheit, sich ins Genom einzuschleichen und die Evolution voranzutreiben. Auch die Platzierung der Mutationen im Genom kann Auskunft darüber geben, welche Arten miteinander verwandt sind.
Nachdem ein Teil des Genoms der Blindschleiche in eine Datenbank geladen wurde, hat sich herausgestellt, dass sich mit Schlangen-DNA nicht so viele Gemeinsamkeiten finden lassen, wie mit der DNA von Echsen wie Komodowaranen oder Leguanen. Daraus kann geschlossen werden, dass zwischen diesen Arten eine etwas höhere Verwandtschaft besteht, als zu Schlangen.
Eine Konvergenz, wie sie bereits erwähnt wurde, kann natürlich auch auf DNA Ebene vorkommen. Allerdings verändert sich die DNA im Laufe der Evolution hauptsächlich durch Mutationen. Genome verschiedener Lebewesen bestehen normalerweise aus mehreren Millionen bis Milliarden Basenpaaren, weshalb es hier sehr viel unwahrscheinlicher ist, dass sich die DNA zweier entfernter Spezies unabhängig voneinander gleich verändert.
Die DNA Sequenzanalyse ist daher nicht so fehleranfällig wie der Vergleich der Morphologie verschiedener Organismen, da Ähnlichkeiten in verschiedenen DNA-Sequenzen nicht so einfach missinterpretiert werden können.
DNA-Sequenzierung – Anwendungsgebiete
Um eine DNA-Sequenzanalyse durchzuführen, kann es viele Gründe geben. Dazu gehört nicht nur die Verwandtschaftsanalyse zweier Arten.
Probleme bei Sequenzierungen
Bei der Sequenzierung eines Genoms (für andere Zwecke als die Sequenzanalyse), ist es einfacher, die DNA zu unterteilen, bevor sie sequenziert wird. Dann muss nicht mit so langen Strängen gearbeitet werden und die Sequenzierung kann schneller durchgeführt werden.
Allerdings liegen dann am Ende die Basenabfolgen vieler kleiner Sequenzen vor. Diese müssen zu einer großen Sequenz zusammengesetzt werden, damit klar wird, an welcher Stelle des Genoms sich welches Gen befindet. Ohne Anhaltspunkte können die kurzen Sequenzen nicht so leicht zusammengepuzzelt werden. Mithilfe einer DNA-Sequenzanalyse können die kurzen Sequenzen daher mit bisher bekannten Genomen verglichen werden, damit ähnliche Sequenzen gefunden und die Reihenfolge rekonstruiert werden kann.
Ermittlung von Genfunktionen
Es ist noch nicht einmal annähernd für alle Stellen des menschlichen Genoms bekannt, welche Bereiche für welche Gene verantwortlich sind und was genau diese Gene bewirken. Die Maus hingegen ist ein Organismus, deren Genom viel gründlicher erforscht werden kann als das des Menschen, da Forschung und Experimente in einem ganz anderen Maß möglich sind als am Menschen.
Dazu zählt auch die Ermittlung von Funktionen bestimmter Gene. Ist daher der Nutzen eines Gens in der Maus bekannt, kann versucht werden, ein ähnliches Gen im Menschen zu finden.
Viele Gene haben Arten-übergreifend Regionen, die konserviert sind. Konservierte Gene bleiben immer gleich und werden im Laufe der Evolution nicht durch Mutationen geändert, da ihre Funktion überlebenswichtig ist. Da Mäuse und Menschen beide Säugetiere sind, können auch sie identische Regionen im Genom aufweisen.
Es kann sein, dass sich die Funktionen der Gene aus Mensch und Maus zumindest ähneln. Auf diese Weise könnte man in der Forschung schneller zu einem Ergebnis kommen.
Aufklärung von Krankheitsausbrüchen
In unserer heutigen Welt zieht sich der Verkehr um den gesamten Globus. Egal, ob Touristen oder Warenlieferungen, der Transport ans andere Ende der Welt geschieht innerhalb kürzester Zeit. Gleichzeitig gilt das aber leider auch für Krankheiten. Vor allem über Lebensmittel können Krankheitserreger wie Bakterien oder Viren schnell verbreitet werden. Um nachzuverfolgen, woher ein Krankheitserreger stammt und welchen Weg er seitdem genommen hat, können DNA-Sequenzierungen durchgeführt werden.
Die Covid-19 Pandemie hat sich seit dem Winter 2019/2020 in rasantem Tempo verbreitet. Auf die ursprüngliche Alpha-Variante folgten schnell die Beta-, Gamma- und Delta-Varianten. Da sie ansteckender waren als ihre jeweiligen Vorgänger, musste so schnell wie möglich ermittelt werden, welche Variante sich wie verändert hatte. Durch Sequenzierungen und die DNA-Sequenzanalyse war es daher möglich, den Weg nachzuverfolgen und zur Eindämmung neuer Varianten Reisebewegungen in bestimmte Regionen der Welt einzuschränken.
DNA-Vergleich Verwandtschaft
DNA-Sequenzierungen können genutzt werden, um Verwandtschaftsverhältnisse zwischen zwei Menschen zu ermitteln. Dabei werden mehrere Sequenzen auf ihre Ähnlichkeit hin untersucht, um eine Wahrscheinlichkeit zu erhalten, dass die zwei Menschen nah miteinander verwandt sind.
Dieses Verfahren findet z. B. in Vaterschaftstests eine Anwendung. Es werden bestimmte Sequenzen der DNA untersucht, die sich für jeden Menschen unterscheiden, aber einen Zusammenhang mit der Sequenz der elterlichen DNA zeigen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob eine Vaterschaft vorliegt oder nicht.
Vergleich von DNA-Sequenzierung und Aminosäuresequenzanalyse
Die DNA erfüllt ihre Funktion, indem sie im Laufe der Transkription zu RNA umgeschrieben wird. Diese wird wiederum bei der Translation als Bauanleitung für Proteine verwendet. Die RNA ist eine Kopie der DNA und wird lediglich als eine Art Mittelsmann verwendet, damit die DNA während der Translation geschützt im Zellkern bleiben kann.
Der Bau von Proteinen geschieht durch sogenannte Ribosomen, die immer drei Basen der RNA ablesen und diesen entsprechend dem genetischen Code eine Aminosäure zuordnen. Je nach Basenabfolge auf der RNA werden daher verschiedene Aminosäuren zu einer Polypeptidkette zusammengesetzt und bilden schließlich ein Protein.
Für einen detaillierteren Blick in die Entstehung von Proteinen und ihre Struktur, schau doch mal bei den StudySmarter-Artikeln zur Transkription, Translation, Proteinbiosynthese oder Proteinstruktur vorbei!
Die Aminosäuresequenz beschreibt die Reihenfolge an Aminosäuren in der Polypeptidkette eines Proteins. Daher besteht ein Aminosäuresequenzvergleich aus dem Vergleich von Proteinen und den in ihnen verbauten Aminosäuren.
Aufgrund des beschriebenen Prozesses der Proteinbiosynthese kann allerdings auch geschlussfolgert werden, dass die DNA-Sequenz die Grundlage für eine Aminosäuresequenz ist. Zur Bestimmung der Aminosäuresequenz gibt es daher unter anderem die Möglichkeit, die DNA-Sequenz zu bestimmen. Die Aminosäuresequenz kann mithilfe des genetischen Codes einfach daraus geschlussfolgert werden.
DNA-Sequenzanalyse – Das Wichtigste
- Bei der DNA-Sequenzanalyse werden molekularbiologische (Sequenzierung) und bioinformatische (Datenanalyse) Methoden vereint.
- Bei der Sequenzierung wird die Reihenfolge der Basen einer DNA-Probe ermittelt.
- Die Datenanalyse vergleicht die ermittelte DNA-Sequenz mit anderen Sequenzen in den Datenbanken.
- Mit einer DNA-Sequenzanalyse kann die Verwandtschaft zwischen zwei Organismen ermittelt werden.
- Die Zusammensetzung des Genoms anderer Organismen kann durch die DNA-Sequenzanalyse als Vorlage für ein bisher unbekanntes Gen/Genom verwendet werden.
Nachweise
- C. Sansom. (2000). Database searching with DNA and protein sequences: An introduction. Briefings in Bioinformatics.
- T. W. Reeder et al. (2015). Integrated analyses resolve conflicts over squamate reptile phylogeny and reveal unexpected placements for fossil taxa. PLoS One.
- Bundesamt für Risikobewertung (2019). Erbmaterial von Erregern vergleichen, um Krankheitsausbrüche aufzuklären. bfr.bund.de (02.07.2022)
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