Ein neues Genom für die Regenerationsforschung

24.01.2018

Erste vollständige Entschlüsselung des Plattwurm-Genoms als Schatzkammer der Funktion und Evolution von Genen.

Regeneration des Plattwurms Schmidtea mediterranea. (Bild: MPI-CBG)

Der Plattwurm Schmidtea mediterranea ist ein Tier mit fast unglaublichen Regenerationsfähigkeiten. Selbst wenn die Tiere in kleinste Gewebeteile zerschnitten werden, regeneriert aus jedem Stück wiederum ein perfekt proportionierter Mini-Plattwurm. Diese Fähigkeit beruht auf besonderen adulten Stammzellen, von welchen jede Einzelne in der Lage ist, einen kompletten Wurm zu bilden. Wie Schmidtea mediterranea dieses Kunststück vollbringt ist bisher kaum verstanden. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist die umfassende Entschlüsselung des Schmidtea mediterranea-Genoms, über welche Forscher des Dresdner Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Zusammenarbeit mit dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature berichten. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass das Genom eine bisher unbekannte Gruppe von außergewöhnlich langen Transposons (mobile DNA Elemente) besitzt, sowie viele neue Plattwurm-spezifische Gene. Andere Gene wiederum, die bisher als absolut notwendig für das Überleben eines Tieres galten, fehlen komplett. Die Entschlüsselung dieses Genoms ist von großer Bedeutung für die Regenerationsforschung, die Stammzellbiologie und vergleichende Bioinformatik.

Ein komplettes und vollständig entschlüsseltes Genom ist essenziell für das Verständnis biologischer Eigenschaften von Organismen. Bisherige Versuche zur Entschlüsselung des Schmidtea mediterranea Genoms resultierten jedoch nur in Katalogen von 100.000 kurzen Sequenzstücken. Der Grund hierfür liegt in den vielen, fast identischen Kopien derselben Sequenz, die einen großen Teil des Schmidtea mediterranea Genoms ausmachen. Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten die Forschungsgruppen um Jochen Rink und Eugene Myers am MPI-CBG die auf Einzelmolekülmessungen basierende Sequenzier-Technologie der Firma Pacific Biosciences. Diese Technologie vom DRESDEN-concept Genome Center vom MPI-CBG und der TU Dresden, ist in der Lage, einzelne DNA-Moleküle über eine Länge von bis zu 40.000 Basenpaare (oder „Buchstaben“) direkt „auszulesen“. Im Vergleich mit den nur 100-500 Basenpaare langen Sequenzstücken herkömmlicher Sequenzier-Methoden lassen sich nun repetitive Abschnitte im Genom sehr viel

Siegfried Schloissnig (HITS)

leichter überbrücken. Siegfried Schloissnig vom HITS war in erster Linie für die Entwicklung des neuartigen Softwaresystems „Marvel“ verantwortlich, welches die langen Sequenzstücke effektiver und besser zusammenzusetzen kann als bisherige Systeme. Die Entschlüsselung des Schmidtea mediterranea Genoms produzierte insgesamt die enorme Datenmenge von acht Terabyte, welche selbst den Hochleistungsrechner-Cluster am HITS für drei Wochen beschäftigte.

Was können die Wissenschaftler mit der Fülle an Information in einem Genom nun eigentlich anfangen? Eine der Überraschungen im Genom von Schmidtea mediterranea war das Fehlen hoch konservierter Gene wie MAD1 und MAD2. Diese beiden Gene sind praktisch in allen Organismen vorhanden und erfüllen während der Zellteilung die wichtige Kontrollfunktion, dass beide Tochterzellen die gleiche Anzahl an Chromosomen erhalten. Trotz des MAD1/2-Genverlustes ist diese Kontrollfunktion bei Plattwürmern jedoch vorhanden. Dieses Rätsel ist nur eine der vielen Fragen, bei deren Beantwortung das nun komplett entschlüsselte Genom helfen wird. Jochen Rink und seine Arbeitsgruppe freuen sich besonders auf Einblicke in die Frage, wie Plattwürmer es schaffen, aus einem beliebigen Stück Gewebe einen ganzen Organismus zu regenerieren. Rink erklärt hierzu: „Wir kennen bereits einige der Gene, die für die Regeneration eines Plattwurm-Kopfes notwendig sind. Jetzt können wir auch nach den regulierenden Sequenzen suchen, welche die Kopf-Gene nur am vorderen Ende eines Gewebestückes aktivieren“. Darüber hinaus hat die Forschungsgruppe um Jochen Rink eine große Sammlung von Planarienarten aus der ganzen Welt zusammengetragen, von denen viele die Fähigkeit zur Regeneration verloren haben. „Wir können jetzt auch die Genome dieser Arten entschlüsseln und somit über Genomvergleiche erforschen, warum manche Tiere regenerieren, während es so viele andere nicht können“, fasst Rink zusammen.

Publikation:

Markus Alexander Grohme, Siegfried Schloissnig, Andrei Rozanski, Martin Pippel, George Young, Sylke Winkler, Holger Brandl, Ian Henry, Andreas Dahl, Sean Powell, Michael Hiller, Eugene Myers, Jochen Christian Rink: Schmidtea mediterranea and the evolution of core cellular mechanisms, Nature, 24. Januar 2018.
DOI: 10.1038/nature25473

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