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Das Vertebrate Genomes Project (VGP) ist ein weltweiter Forschungsverbund mit einem ambitionierten Ziel: die vollständigen Genome sämtlicher Wirbeltiere zu sequenzieren. Über 100 Forschungsgruppen haben sich hierfür zusammengetan, um die genetischen Informationen von mehr als 70.000 Arten zu bestimmen. Nun veröffentlicht der Forschungsverbund ein optimiertes Sequenzierungsverfahren für eine effizientere, hochpräzise und kostengünstige Genomanalyse – und liefert zugleich die Genome von 16 ersten Tierarten (siehe Auflistung unten in der Faktenübersicht), die mit diesem Verfahren und nach diesen „VGP-Standards“ sequenziert wurden. Mit am Projekt von Anfang an konzeptionell beteiligt: der Konstanzer Evolutionsbiologe Prof. Dr. Axel Meyer und Mitarbeiter seines Teams. Die Forschungsergebnisse wurden am 28. April 2021 in Nature veröffentlicht.

Der überwiegende Teil der Genomdaten des Gesamtprojekts wurde an drei Sequenzierzentren erstellt, darunter das Rockefeller University Vertebrate Genome Lab in New York, USA (teilweise unterstützt durch das Howard Hughes Medical Institute), das Wellcome-Sanger-Institute in Großbritannien und das Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden.

Bauplan des Lebens
Genome sind der „Bauplan des Lebens“: Sie zeigen uns, wie sich das Erbgut eines Lebewesens zusammensetzt. Den genetischen Bauplan eines Organismus zu kennen ist eine wichtige Grundlage, um biologische und medizinische Fragestellungen zu adressieren. Bis vor wenigen Jahren lagen uns lückenlose und fehlerfreie Genome jedoch von nur sehr wenigen Arten vor.

Die ersten Genome wurden Mitte der 1990er-Jahre entschlüsselt: zunächst die Genome eines Bakteriums und der Bäckerhefe, anschließend komplexere Organismen wie der Fadenwurm und die Taufliege. Wenig später, ab 2001, folgten die ersten Genome von Wirbeltieren – von der Maus und dem Menschen –, die allerdings noch sehr fragmentiert und nicht fehlerfrei waren. „Diese ersten Genome zu sequenzieren war ein sehr aufwändiger Prozess – sehr teuer und mit viel Handarbeit verbunden“, schildert der Konstanzer Evolutionsbiologe Dr. Paolo Franchini aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Axel Meyer.

Für die Sequenzierung von sämtlichen rund 70.000 Wirbeltierarten sind die bestehenden Technologien folglich nur eingeschränkt geeignet. Das Vertebrate Genomes Project hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein effizienteres und kostengünstigeres Verfahren zur präzisen und möglichst fehlerfreien Sequenzierung aller Wirbeltiere zu entwickeln und einen Standard der Genomsequenz-Qualität zu setzen. Mit der Expertise von über 100 Forschungsgruppen – darunter die Arbeitsgruppe von Axel Meyer – und nach über fünf Jahren Arbeit wurde die Entwicklung dieses optimierten Verfahrens nun abgeschlossen. Das Know-how wird nun weltweit frei zugänglich gemacht, in einer Sammlung von Veröffentlichungen in der genannten Ausgabe von Nature.

Fernglas und Lupe
„Genau genommen ging es uns nicht nur darum, die beste Technologie zur Sequenzierung zu finden, sondern um die beste Kombination von Technologien“, schildert Axel Meyer. Das vom Vertebrate Genomes Project empfohlene Verfahren kombiniert drei Methoden: die Sequenzierung von sehr kurzen genetischen Abschnitten („short reads“) mit der Sequenzierung von langen Abschnitten („long reads“) sowie die Sequenzierung von DNA-Abschnitten aus unterschiedlichen Teilen desselben Chromosoms.

„Short reads“ liefern sehr präzise Ergebnisse, allerdings von nur sehr kurzen, bruchstückhaften Abschnitten des Erbguts. „Long reads“ vermitteln hingegen einen guten Überblick über Genomabschnitte, allerdings zu Lasten der Fehlerquote. Die Kombination dieser ersten beiden Arbeitsschritte ermöglicht die Erstellung von langen und präzisen DNA-Abschnitten. Bildlich gesprochen lässt sich dies mit einem Fernglas und einer Lupe vergleichen: Mit „Long reads“ blicken wir zunächst wie mit einem Fernglas über die genetische Landschaft, verschaffen uns einen Überblick und kartieren die Genabschnitte. Anschließend gehen „Short reads“ wie mit der Lupe über die kartierten Abschnitte und geben uns einen präzisen Blick auf die Details, um die Fehler „wegzupolieren“.

Zum Abschluss des Arbeitsablaufes wird schließlich zusätzlich eine dritte Sequenzierungstechnik angewandt: „short reads“ von unterschiedlichen Stellen innerhalb desselben Chromosoms. Dies ermöglicht, die in den ersten Arbeitsschritten gewonnenen langen und fehlerfreien DNA-Abschnitte korrekt miteinander zu verbinden, um Chromosomen abzubilden. Das Vertebrate Genomes Project empfiehlt, diese drei Methoden in einem neuen Verfahren zu vereinen.

70.000 Genome in zehn Jahren
Die beteiligten Wissenschaftler sind optimistisch, mit dem neuen Verfahren das Mammutprojekt der Sequenzierung von sämtlichen, über 70.000 Wirbeltierarten innerhalb von rund zehn Jahren abschließen zu können. Die ersten 16 Genome liefern sie bereits gemeinsam mit dem Sequenzierungsverfahren – darunter alle sechs Hauptklassen der Wirbeltiere. Interessierte Forschungsgruppen sind explizit eingeladen, sich an dem Großprojekt zu beteiligen und die Sequenzierung von einer der 70.000 Tierarten zu übernehmen.

Faktenübersicht:

• Originalpublikation: "Towards complete and error-free genome assemblies of all vertebrate species", Rhie et al. 2021.
  DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03451-0
• Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Dr. Axel Meyer, Telefon 07531 88-4163, E-Mail: axel.meyer@uni-konstanz.de
• Entwicklung eines schnelleren, effizienteren und günstigeren Sequenzierungsverfahrens für die Sequenzierung der Genome sämtlicher Wirbeltiere.
• Gemeinsam mit dem neuen Verfahren wurden die Genome von 16 Wirbeltieren veröffentlicht: die Fledermausarten Kleine Lanzennase (Phyllostomus discolor) und
• Große Hufeisennase (Rhinolophus ferrumequinum), der Kanadische Luchs (Lynx canadensis), das Schnabeltier (Ornithorhynchus anatinus), der Zebrafink (Taeniopygia guttata), die Papageienart Kakapo (Strigops habroptilus), der Annakolibri (Calypte anna), die Gopherschildkröte (Gopherus evgoodei), die Amphibienart Rhinatrema bivittatum, der Riesen-Stachelaal (Mastacembelus armatus), der Kletterfisch (Anabas testudineus), die Buntbarsche Archocentrus centrarchus und Astatotilapia calliptera, ferner die Fischarten Cottoperca trigloides und Gouania adriatica sowie der Sternrochen (Amblyraja radiata).
• Seitens der Universität Konstanz beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Axel Meyer, Dr. Paolo Franchini, Dr. Andreas Kautt (inzwischen an der Harvard University)