Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher entwickeln Programm zur Vorhersage von Genen im Erbgut von Tieren und Pflanzen

19.02.2016

Die Evolution hilft bei der Bestimmung von Genen in komplexen Organismen: Biologen und Bioinformatiker des Julius Kühn-Instituts (JKI) Quedlinburg und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben ein neues Programm entwickelt, mit dem sich die Positionen von Genen im Erbgut von Tieren und Pflanzen besser vorhersagen lassen. Dazu nutzen sie Erkenntnisse über die Evolution von Genstrukturen. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt im renommierten Fachjournal "Nucleic Acids Research" veröffentlicht.

Das Erbgut von Pflanzen und Tieren zu analysieren und die Position einzelner Gene zu bestimmen, ist ein komplexer Prozess. Modellorganismen, wie die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), sind das Untersuchungsobjekt vieler Forschergruppen weltweit. Entsprechend detailliert ist auch das Wissen über ihr Genom, die darin kodierten Gene und deren Varianten.

"Für frisch sequenzierte Genome müssen jedoch zunächst Gene annotiert werden, also deren Lage durch Computerprogramme vorhergesagt und anhand der Ähnlichkeit zu bekannten Genen eine wahrscheinliche Funktion zugeordnet werden", erklärt Dr. Jan Grau, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Posch am Institut für Informatik der MLU arbeitet.

Um das Erbgut entsprechend beschreiben zu können, arbeiten die Forscher mit speziellen Computerprogrammen. Die Software durchsucht dabei das neu sequenzierte Erbgut nach Regionen, die sehr ähnlich mit bereits bekannten Genen sind. "Dieser Ansatz wird seit vielen Jahren in der Bioinformatik eingesetzt und ist besonders erfolgversprechend bei sogenannten proteinkodierenden Genen, die die Blaupause für Proteine und Enzyme darstellen", so Grau.

Das Problem in höher entwickelten Organismen ist aber, dass die Gene im Erbgut nicht immer zusammenhängend vorliegen. "Immer wieder werden die relevanten Gen-Abschnitte, so genannte Exons, durch Teilabschnitte unterbrochen, die für Kodierung von Proteinen keine Rolle spielen", erklärt Dr. Jens Keilwagen vom JKI Quedlinburg. Diese nicht kodierenden Abschnitte werden auch Introns genannt. "Die Gene liegen also zum Teil in mehrere Abschnitte unterteilt vor, was es Computerprogrammen mitunter erschwert, diese korrekt zu erkennen", so Keilwagen weiter.

Die Forschergruppe von MLU und JKI hat dafür nun einen neuen Lösungsansatz entwickelt: Sie wollten mit Hilfe der Position der Introns zwischen den Exons eines Gens die Genauigkeit der Genvorhersage verbessern. Die Idee dazu lieferte der Quedlinburger Biologe Dr. Frank Hartung: "Für eine spezielle Gruppe von Genen fanden wir, dass die Lage der Introns über Spezies-Grenzen hinweg erstaunlich ähnlich, also evolutionär stark konserviert ist. Wir hatten die Vermutung, dass dahinter ein allgemeines Prinzip liegt, das für eine korrekte Genvorhersage hilfreich sein könnte."

Der Bioinformatik-Student Michael Wenk überprüfte in seiner Bachelor-Arbeit die Nützlichkeit dieser Idee für die Genvorhersage. Da die ersten Ergebnisse vielversprechend waren, entwickelte die Forschergruppe eine Software, mit der Wissenschaftler Genome nach gut erforschten Genen durchsuchen können. Das Programm sucht dazu nach ähnlichen Abschnitten für jedes Exon eines Gens, wobei die Treffer jedoch weit über das Genom verstreut liegen können.

"Um das aufzulösen, haben wir einen effizienten Algorithmus entwickelt, der uns diese Treffer plausibel zusammenbaut. Das heißt, dass die Exons in der richtigen Reihenfolge und auf dem Genom nicht zu weit voneinander entfernt liegen. Außerdem sollten möglichst alle Exons in der entsprechenden Region auch wiedergefunden werden", erklärt Keilwagen.

Im Praxistest haben die Forscher ihre neue Software mit anderen Programmen verglichen. Dazu haben sie unter anderem Daten der halleschen Pflanzenphysiologen Dr. Martin Schattat und Jessica Erickson verwendet, die für die Tabakpflanze Nicotiana benthamiana erhoben wurden. Das Ergebnis: Das neue Programm kann eine größere Anzahl von Genen genauer vorhersagen als andere Programme. "Wir haben mit dem neuen Programm sogar Gene gefunden, die andere Annotationsversuche übersehen haben", berichtet Schattat.

Die Forscher haben ihr neues Programm mit dem Namen "GeMoMa" als frei zugängliche Open-Source-Software veröffentlicht. Damit ist es für Forscher weltweit verfügbar.

Zur Publikation:
Using intron position conservation for homology-based gene prediction
Jens Keilwagen; Michael Wenk; Jessica L. Erickson; Martin H. Schattat; Jan Grau; Frank Hartung
Nucleic Acids Research 2016; DOI: 10.1093/nar/gkw092

Manuela Bank-Zillmann | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-halle.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Polymere aus Bor produzieren
18.01.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Modularer Genverstärker fördert Leukämien und steuert Wirksamkeit von Chemotherapie
18.01.2018 | Deutsches Krebsforschungszentrum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2018

17.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

18.01.2018 | Informationstechnologie

Optimierter Einsatz magnetischer Bauteile - Seminar „Magnettechnik Magnetwerkstoffe“

18.01.2018 | Seminare Workshops

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungsnachrichten