Entdeckungen im Reich der Pilze: RUB-Forscher entschlüsseln Genom mit günstiger, neuer Technik

Mit „Next-Generation“-Techniken haben Forscher der Ruhr-Universität gemeinsam mit internationalen Kollegen das Genom des Pilzes Sordaria macrospora entschlüsselt. Dabei gewannen sie einerseits Erkenntnisse zur Lebensweise und Evolution von Pilzen. So kommt Sordaria macrospora mit mehreren Kopien gleicher Gene klar, die bei anderen Pilzen aufgrund von immun-ähnlichen Reaktionen zum Zelltod führen. Sie fanden außerdem Gene von entfernten Verwandten, die auf einen sog. horizontalen Gentransfer im Laufe der Evolution schließen lassen.

Darüber hinaus konnten sie zeigen, dass die neuen Techniken effizient genutzt werden können, um Genome komplexer Organismen kostengünstig zu sequenzieren. Die Forscher um Prof. Dr. Ulrich Kück berichten in der aktuellen Ausgabe von PLoS Genetics.

Pilze: große ökologische und wirtschaftliche Bedeutung

Die Bedeutung von Pilzen, die mit geschätzten 1,5 bis 6 Mio. Arten neben Tieren und Pflanzen ein eigenes Reich bilden, ist kaum zu überschätzen: Einige wachsen auf toter organischer Materie, helfen beim Abbau pflanzlicher und tierischer Abfallprodukte und tragen so zum globalen Kohlenstoffkreislauf bei. Andere sind als Krankheitserreger von Bedeutung, viele Pilze werden schließlich in der Biotechnologie genutzt, um Antibiotika, Enzyme oder Lebensmittel zu produzieren. Daneben spielen Pilze seit Jahrzehnten eine wesentliche Rolle in der Grundlagenforschung bei der Entschlüsselung von genetischen Faktoren, die zum großen Teil auch bei anderen Organismen wie dem Menschen wichtig sind. „Das liegt unter anderem daran, dass Pilzgenome im Vergleich zum menschlichen Genom zwar ca. 100-mal kleiner sind – 40 Mio. Basenpaare im Genom von Sordaria macrospora, 3.000 Mio. im menschlichen Genom -, aber trotzdem für eine ähnlich große Zahl von Genen kodieren: ca. 11.000 Gene bei Sordaria macrospora, ca. 25.000 beim Menschen“, erklärt Prof. Kück. Das erste Genom eines Eukaryoten, das 1996 vollständig sequenziert wurde, war das des einzelligen Pilzes Saccharomyces cerevisiae, bekannt als Bäcker- oder Bierhefe. Dafür benötigten ca. 600 Forscher sechs Jahre.

Neue Sequenziertechniken: Viele kleine Bausteine zusammensetzen

Weil sie so aufwändig sind, waren Genomsequenzierungen bis vor kurzem extrem teuer und daher meist spezialisierten Sequenzierungs- und Bioinformatik-Instituten vorbehalten. Vor einigen Jahren wurden aber neue „Next-Generation“-Techniken entwickelt, die im Hochdurchsatzverfahren wesentlich kostengünstiger sind. Alle, auch die bisher verwendeten Standard-Techniken (Sanger-Sequenzierung), liefern Sequenzstücke von maximal 1.000 Basenpaaren. Daher müssen Genomsequenzen immer aus vielen Einzelsequenzen zusammengesetzt werden. Die neuen Techniken liefern in gleicher Zeit wesentlich mehr Sequenzstücke als die Sanger-Sequenzierung, die einzelnen Stücke sind aber deutlich kürzer (36 bis 450 Basenpaare). Um diese kleinen Stücke zu einem Genom zusammensetzen zu können, müssen neu entwickelte Programme auf leistungsfähigen Computern genutzt werden. Bochumer Forscher haben Server des RUB-Rechenzentrums dazu genutzt, das Genom von Sordaria macrospora aus fast 100 Mio. Einzelsequenzen zusammenzusetzen. „Die dabei entwickelten Methoden werden in zukünftigen Ausbildungsprogrammen für Masterstudenten und Doktoranden eine große Bedeutung haben und somit ein anspruchsvolles Studium mit bioinformatorischem Schwerpunkt ermöglichen“, erläutert Prof. Kück.

Überraschungen im Genom von Sordaria macrospora

Die Genomsequenz von Sordaria macrospora hielt einige Überraschungen für die Forscher bereit: So gibt es im Genom mehrere Kopien von Genen, die bei anderen Pilzen der Unterscheidung von „Selbst“ und „Nicht-Selbst“ dienen, analog der Abstoßung von fremden Gewebe bei medizinischen Transplantationen. Im Unterschied zu Sordaria macrospora haben andere Pilze nur jeweils eine Kopie der Gene in ihrem Genom, das Vorhandensein mehrerer Kopien führt unweigerlich zu Inkompatibilitätsreaktionen, die in schweren Fällen mit dem Tod der betroffenen Zellen enden. Wie Sordaria macrospora mit mehreren dieser Genkopien in einem Genom zurechtkommt, ist noch ungeklärt. Weiterhin enthält das Genom von Sordaria macrospora einige Gene, die wahrscheinlich durch einen „horizontalen Gentransfer“ von einem anderen, nur sehr entfernt verwandten Pilz übernommen wurden, und das biochemische Repertoire von Sordaria macrospora erweitern.

Internationale Zusammenarbeit und verschiedene Förderer

Eine Kooperation von Forschern aus acht Universitäten in vier verschiedenen Ländern unter Leitung von Dr. Minou Nowrousian und Prof. Dr. Ulrich Kück (Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik) machte die Durchführung dieses Projekts möglich. So wurde die DNA für die Sequenzierung in Bochum isoliert, und DNA-Sequenzierungen in den USA und Deutschland führten zu den Datensätzen, mit deren Hilfe die entsprechende Genomsequenz fertiggestellt wurde. An der bioinformatorischen Auswertung waren Bochumer Forscher (Dr. Minou Nowrousian, Dr. Ines Engh, Dr. Jens Kamerewerd und Prof. Dr. Ulrich Kück) sowie Forschergruppen aus den USA, England und Frankreich beteiligt. Das Projekt wurde durch Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SFB480 (Sprecher U. Kück), durch DFG-Einzelförderungen, sowie mittels Förderung durch das Protein Research Department (PRD, Sprecher: Klaus Gerwert) ermöglicht.

Titelaufnahme

Nowrousian M, Stajich JE, Chu M, Engh I, Espagne E, Halliday K, Kamerewerd J, Kempken F, Knab B, Kuo HC, Osiewacz HD, Pöggeler S, Read ND, Seiler S, Smith KM, Zickler D, Kück U, Freitag M (2010) De novo assembly of a 40 Mb eukaryotic genome from short sequence reads: Sordaria macrospora, a model organism for fungal morphogenesis. PLoS Genetics, 8. April 2010, doi:10.1371/journal.pgen.1000891

Weitere Informationen

Dr. Minou Nowrousian, Prof. Dr. Ulrich Kück, Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik, Fakultät für Biologie & Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel.: 0234/32-26212, E-Mail: Minou.Nowrousian@rub.de, ulrich.kueck@ruhr-uni-bochum.de