Was ist DNA-Sequenzierung?
DNA-Sequenzierung ist die Methode zur Bestimmung der Reihenfolge der vier Nukleotidbasen (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin), aus denen das DNA-Molekül besteht und die wichtige genetische Informationen übermitteln. In der DNA-Doppelhelix verbinden sich die vier Basen mit dem jeweiligen Partner zu Einheiten, die als Basenpaare (bp) bezeichnet werden. Adenin (A) paart sich mit Thymin (T) und Cytosin (C) paart sich mit Guanin (G). Das menschliche Genom enthält etwa 3 Milliarden Basenpaare, die die Anweisungen für die Schaffung und Erhaltung eines menschlichen Wesens liefern. Durch die basenpaarige Struktur eignet sich die DNA-Sequenz gut für die Speicherung einer großen Menge genetischer Informationen. Diese komplementäre Basenpaarung ist die Grundlage für den Mechanismus, mit dem DNA-Moleküle kopiert, transkribiert und übersetzt werden, und die Paarung liegt auch den meisten DNA-Sequenzierungsmethoden zugrunde. Dank der enormen Verbesserung der DNA-Sequenzierungstechnologien und -methoden ist die Sequenzierung des gesamten Genoms möglich und erschwinglich geworden.
DNA-Sequenzierungsmethoden
Die Sanger-Sequenzierung wurde vom englischen Biochemiker Frederick Sanger in den 1970er Jahren entdeckt. Die Sanger-Methode ist eine klassische DNA-Sequenzierungsmethode, bei der fluoreszierende ddNTPs (Dideoxynukleotide, N = A, T, G oder C) verwendet werden, um das Hinzufügen eines anderen Nukleotids zu verhindern. Sie können sich unseren Artikel ‚Sanger-Sequenzierung: Einführung, Prinzip und Protokoll‘ lesen, um mehr über diese Methode zu erfahren.
Die Technologien der nächsten Generation der Sequenzierung (Next Generation Sequencing, NGS, auch bekannt als Massively Parallel Sequencing) haben die Sanger-Sequenzierung aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Durchsatz, Kosteneffizienz und Schnelligkeit weitgehend verdrängt. NGS kann die Größenordnung von Millionen von Fragmenten gleichzeitig bestimmen. NGS ist eine Short-Read-Sequenzierung, die den Aufbau einer kleinen Fragmentbibliothek erfordert, gefolgt von Deep Sequencing, Rohdaten-Vorverarbeitung, DNA-Sequenz-Alignment, Assemblierung, Annotation und Downstream-Analyse.
Die aufkommende Sequenzierung der dritten Generation, auch bekannt als Long-Read-Sequenzierung, einschließlich PacBio SMRT-Sequenzierung und Oxford-Nanopore-Sequenzierung, kann Milliarden von DNA- und RNA-Vorlagen untersuchen und gleichzeitig variable Methylierungen ohne Verzerrung erkennen. Long-read-Methoden können mehr Variationen erkennen, von denen einige mit Short-read-Sequenzierung allein nicht beobachtet werden können.
Abbildung 1. Die Geschichte der DNA-Sequenzierungstechnologien.
Anwendungen von DNA-Sequenzierungstechnologien
Die DNA-Sequenzierung offenbart die genetische Information, die in einem bestimmten DNA-Segment, einem ganzen Genom oder einem komplexen Mikrobiom enthalten ist. Anhand der Sequenzinformationen können Wissenschaftler feststellen, welche Gene und regulatorischen Anweisungen in dem DNA-Molekül enthalten sind. Die DNA-Sequenz kann auf charakteristische Merkmale von Genen, wie offene Leserahmen (ORFs) und CpG-Inseln, untersucht werden. Homologe DNA-Sequenzen aus verschiedenen Organismen können für evolutionäre Analysen zwischen Arten oder Populationen verglichen werden. Insbesondere kann die DNA-Sequenzierung Veränderungen in einem Gen aufdecken, die eine Krankheit verursachen können.
Die DNA-Sequenzierung wird in der Medizin eingesetzt, unter anderem zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten und für epidemiologische Studien. Die Sequenzierung hat das Potenzial, die Lebensmittelsicherheit und die nachhaltige Landwirtschaft zu revolutionieren, einschließlich der Gesundheit von Tieren, Pflanzen und der Öffentlichkeit, die Landwirtschaft durch eine effektive Pflanzen- und Tierzucht zu verbessern und die Risiken von Krankheitsausbrüchen zu verringern. Darüber hinaus kann die DNA-Sequenzierung zum Schutz und zur Verbesserung der natürlichen Umwelt sowohl für Menschen als auch für Wildtiere eingesetzt werden.