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Achtung, Sperrfrist: Die Kartierung des Lebens, PI Nr. 46/2021

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SPERRFRIST BIS 28. APRIL 2021, 17 UHR MESZ (11 UHR U.S. EASTERN TIME)

Die Kartierung des Lebens

Das Vertebrate Genomes Project will die Genome sämtlicher Wirbeltiere sequenzieren. Nun liefert es die methodische Grundlage dafür sowie 16 erste Modellgenome. Internationales Großprojekt unter Beteiligung der Universität Konstanz.

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english version below

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 werden 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. Weitere Informationen unter: vertebrategenomesproject.org

Faktenübersicht:

  • Sperrfrist bis 28. April 2021, 17 Uhr MESZ (11 Uhr U.S. Eastern Time)
  • 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)
  • Weitere Informationen zum Vertebrate Genomes Project: vertebrategenomesproject.org

Hinweis an die Redaktionen:

Ein Foto kann im Folgenden heruntergeladen werden:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021_EXTRA/die_kartierung_des_lebens_bild_ad_konings.jpg

Bildunterschrift: Der Buntbarsch Archocentrus centrarchus ist eine der 16 Wirbeltierarten, deren Genome mit der neuen Methode nach „VGP-Standards“ sequenziert wurden.

Bild: Ad Konings

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EMBARGOED UNTIL 28 APRIL 2021, 17:00 CEST (11:00 U.S. EASTERN TIME)

T he map of life

The mission of the international research consortium called the “Vertebrate Genomes Project” (VGP) is to sequence a representative genome of all vertebrate species. Now the methodological tools have been developed and the first 16 test genomes have been completed. This international large-scale project involves the University of Konstanz.

The Vertebrate Genomes Project (VGP) is a global research network with an ambitious goal: Generating complete genomes of all living vertebrate species. More than 100 research groups are part of the international consortium with the goal of determining the genetic information of over 70,000 species. Now the research network publishes an optimized sequencing and assembly protocol for efficient, highly precise and cost-effective genome analysis – and presents the genomes of the first 16 animal species (full list see below) sequenced with this method and in line with the "VGP standards". Right from the start, the evolutionary biologist Professor Axel Meyer from the University of Konstanz and his team were conceptually involved in this project. The results will be published on 28 April 2021 in Nature.

Within the framework of this large-scale project, genome data were primarily generated at three sequencing hubs that have invested in the mission of the VGP including the Rockefeller University Vertebrate Genome Lab, New York, USA (partly supported by the Howard Hughes Medical Institute), the Wellcome Sanger Institute, UK, and the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Dresden, Germany.

Blueprint of life

Genomes are the “blueprint of life”: They are the entire genetic material of which a creature is composed. Knowing the genetic blueprint of an organism is an important basis for answering many biological and medical questions. Until a few years ago, however, only very few complete and error-free genomes, mostly of so-called animal “models”, were available.

The first genomes were decoded in the mid-1990s: first the genomes of a bacterium and of yeast, then of more complex organisms such as the nematode and the fruit fly. A little later, starting in 2001, the first vertebrate genomes of mice and humans followed – still quite fragmented and full of errors. “Sequencing these first genomes was very laborious, expensive and involved a lot of manual labour”, says evolutionary biologist Dr Paolo Franchini, a member of Axel Meyer’s research team in Konstanz.

Consequently, the sequencing of all genomes of the approximately 70,000 species of vertebrates seemed impossible. The Vertebrate Genomes Project’s aim has been to develop a more efficient, cost-effective method to sequence and assemble all vertebrates’ genomes as precisely and error-free as possible and set a quality standard of genome sequencing. Utilizing the expert knowledge of more than 100 research teams – including Axel Meyer’s team – and after more than five years of work, the development of an optimized approach has now been completed. The know-how will be freely accessible worldwide, in a collection of publications in the Nature issue mentioned above.

Binoculars and magnifiers

“Actually, we were not only looking for the best sequencing technology, but for the best combination of technologies”, explains Axel Meyer. The process recommended by the Vertebrate Genomes Project combines three methods: the sequencing of very short genetic sections (short reads), the sequencing of longer sections (long reads), and the sequencing of pieces of DNA of distant parts of the same chromosomes.

Short reads provide very precise results, however, only of very short, fragmented stretches of the genetic material. Long reads on the other hand give a broad overview of genomic sections, but come with a number of errors. The combination of these two methods allows us to construct long and accurate pieces of DNA. Figuratively speaking, this can be compared to binoculars and a magnifying glass: With long reads we first look at the genetic landscape like with binoculars to get an overview and map the gene segments. In the next step, short reads examine the mapped sections like a magnifying glass and reveal details so we can “grind away” errors.

In addition, to complete the workflow, a third sequencing method (short reads from distant genomic locations within the same chromosomes) permits to connect these pre-assembled long stretches of error-free DNA in order to form chromosomes. The Vertebrate Genomes Project recommends combining these three methods in a new procedure.

70,000 genomes in a decade

The researchers involved are optimistic that the new method will enable them to complete the gigantic task of sequencing all of the more than 70,000 vertebrate species within around a decade, once funded. They have already delivered the first 16 genomes along with the sequencing method – including all six major classes of vertebrates. Interested research groups are explicitly welcome to join the large-scale project and take over the sequencing of one of the 70,000 animal species. Further information is available at: vertebrategenomesproject.org

Key facts:

  • EMBARGOED UNTIL 28 APRIL 2021, 17:00 CEST (11:00 U.S. EASTERN TIME)
  • Original publication: Towards complete and error-free genome assemblies of all vertebrate species” Rhie et al. 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03451-0
  • Scientific contact: Professor Axel Meyer, phone: +49 7531 88 4163, email: axel.meyer@uni-konstanz.de
  • Development of a quicker, more efficient and cheaper method to produce high-quality genome sequences of all vertebrates
  • At the same time as the new method, the genomes of 16 vertebrates have been published: Phyllostomus discolor, Rhinolophus ferrumequinum, Lynx canadensis, Ornithorhynchus anatinus, Taeniopygia guttata, Strigops habroptilus, Calypte anna, Gopherus evgoodei, Rhinatrema bivittatum, Mastacembelus armatus, Anabas testudineus, Archocentrus centrarchus, Astatotilapia calliptera, Cottoperca trigloides, Gouania adriatica, Amblyraja radiata.
  • More information about the Vertebrate Genomes Project: vertebrategenomesproject.org

Note to editors:

You can download a photo here:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021_EXTRA/die_kartierung_des_lebens_bild_ad_konings.jpg

Caption: The flier cichlid Archocentrus centrarchus is one of the first 16 animal species sequenced with the new method in line with the "VGP standards".

Copyright: Ad Konings

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Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de

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