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 Impfen über die Haut – Gezielter Wirkstofftransport mit Hilfe von Nanopartikeln
22.05.2019 | Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

nachricht Forschungsprojekt zum Insektenschwund in Naturschutzgebieten startet
21.05.2019 | Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V.

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: Impfen über die Haut – Gezielter Wirkstofftransport mit Hilfe von Nanopartikeln

Forschenden am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam ist es gelungen Nanopartikel so weiterzuentwickeln, dass sie von speziellen Zellen der menschlichen Haut aufgenommen werden können. Diese sogenannten Langerhans Zellen koordinieren die Immunantwort und alarmieren den Körper, wenn Erreger oder Tumore im Organismus auftreten. Mit dieser neuen Technologieplattform könnten nun gezielt Wirkstoffe, zum Beispiel Impfstoffe oder Medikamente, in Langerhans Zellen eingebracht werden, um eine kontrollierte Immunantwort zu erreichen.

Die Haut ist ein besonders attraktiver Ort für die Applikation vieler Medikamente, die das Immunsystem beeinflussen. Die geeigneten Zielzellen liegen in der...

Im Focus: Chaperone halten das Tumorsuppressor-Protein p53 in Schach: Komplexer Regelkreis schützt vor Krebs

Über Leben und Tod einer Zelle entscheidet das Anti-Tumor-Protein p53: Erkennt es Schäden im Erbgut, treibt es die Zelle in den Selbstmord. Eine neue Forschungsarbeit an der Technischen Universität München (TUM) zeigt, dass diese körpereigene Krebsabwehr nur funktioniert, wenn bestimmte Proteine, die Chaperone, dies zulassen.

Eine Krebstherapie ohne Nebenwirkungen, die gezielt nur Tumorzellen angreift – noch können Ärzte und Patienten davon nur träumen. Dabei hat die Natur ein...

Im Focus: Wasserstoff – Energieträger der Zukunft?

Fraunhofer-Allianz Energie auf Berliner Energietagen

Im Pariser Klimaabkommen beschloss die Weltgemeinschaft, dass die weltweite Wirtschaft zwischen 2050 und 2100 treibhausgasneutral werden soll. Um die...

Im Focus: Quanten-Cloud-Computing mit Selbstcheck

Mit einem Quanten-Coprozessor in der Cloud stoßen Innsbrucker Physiker die Tür zur Simulation von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik weit auf. Die Forschungsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller berichten in der Fachzeitschrift Nature, wie sie Phänomene der Teilchenphysik auf 20 Quantenbits simuliert haben und wie der Quantensimulator das Ergebnis erstmals selbständig überprüft hat.

Aktuell beschäftigen sich viele Wissenschaftler mit der Frage, wie die „Quantenüberlegenheit“ auf heute schon verfügbarer Hardware genutzt werden kann.

Im Focus: Self-repairing batteries

UTokyo engineers develop a way to create high-capacity long-life batteries

Engineers at the University of Tokyo continually pioneer new ways to improve battery technology. Professor Atsuo Yamada and his team recently developed a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungen

Jubiläumskongress zur Radiologie der Zukunft

22.05.2019 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress 2019: „Diabetes – Nicht nur eine Typ-Frage“

21.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Jubiläumskongress zur Radiologie der Zukunft

22.05.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Europa-Preis: DFG zeichnet ausgewählte „Jugend forscht“-Sieger aus

22.05.2019 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics