Pan-Genom

Die Einführung der Pan-Genom-Sequenzierung

Das Konzept des Pan-Genoms umfasst die Gesamtheit der Gene, die in allen Stämmen einer bestimmten Art vorhanden sind, und bietet somit eine umfassende Perspektive auf die genetische Vielfalt, die die Grenzen individueller Genomsequenzen überschreitet. Es umfasst zwei Hauptkomponenten:

• Kern-Genom: Dieses Segment umfasst Gene, die in allen Stämmen der Art ubiquitär vorhanden sind. Diese Kern-Gene sind typischerweise mit grundlegenden biologischen Funktionen und primären phänotypischen Merkmalen assoziiert, wodurch sie die evolutionäre Stabilität der Art widerspiegeln. Zum Beispiel in Escherichia coliKern-Gene umfassen diejenigen, die an wesentlichen zellulären Prozessen wie DNA-Replikation und Transkription beteiligt sind.
• Variabler (Zubehör/Entbehrlich) Genom: Im Gegensatz dazu umfasst dieses Segment Gene, die nur in einer Teilmenge von Stämmen oder Individuen innerhalb der Art vorkommen. Diese Accessory-Gene kodieren oft für spezifische Anpassungen oder einzigartige Merkmale, einschließlich Faktoren wie Antibiotikaresistenz oder Virulenz. Zum Beispiel tragen bei Streptococcus pneumoniae Accessory-Gene zu Variationen in der Pathogenität und den Resistenzprofilen verschiedener Stämme bei.

Durch die umfassende Untersuchung des Pan-Genoms können Forscher Einblicke in das gesamte Spektrum genetischer Variabilität innerhalb einer Art gewinnen, was ein tieferes Verständnis ihrer evolutionären Dynamik, funktionalen Anpassungen und potenziellen Reaktionen auf Umweltbelastungen ermöglicht.

Abbildung 1. Zusammensetzung eines Pan-Genoms

Die Verfolgung der Pan-Genom-Sequenzierung beinhaltet die Nutzung von Hochdurchsatz-Sequenzierung Technologien zusammen mit anspruchsvollen bioinformatischen Werkzeugen. Dieser Ansatz umfasst den sorgfältigen Aufbau von Sequenzierungsbibliotheken, gefolgt von einer umfassenden Sequenzierung von Individuen, Unterarten oder Linien innerhalb einer Art. Die anschließende Zusammenstellung dieser Sequenzen führt zur Entwicklung einer Pan-Genom-Karte. Diese Karte dient dazu, das genetische Repository der Art zu bereichern und ermöglicht die Untersuchung wichtiger biologischer Fragen, was erheblich zu unserem Verständnis der genetischen Vielfalt und evolutionären Prozesse beiträgt.

Warum ist die Pan-Genomforschung entscheidend?

Im umfangreichen Verlauf der Evolution, beeinflusst von geografischen und umweltbedingten Faktoren, entwickeln einzelne Organismen hochgradig einzigartige genetische Merkmale. Ein einzelnes Referenzgenom reicht nicht aus, um die vollständigen genetischen Informationen einer gesamten Art abzudecken. Mit anderen Worten kann die ausschließliche Abhängigkeit von einem einzigen Referenzgenom für Studien zur genetischen Domestikation und Variation zum Verlust bedeutender genomischer Inhalte führen, da viele einzigartige Sequenzen im Referenzgenom nicht vertreten sind.

Darüber hinaus hat der sinkende Preis für die Genomsequenzierung die Forschung zu Pan-Genomen in den letzten Jahren zunehmend praktikabel gemacht. Diese Kostenreduktion erleichtert die Erforschung der genetischen Vielfalt in einer Tiefe und im Umfang, die zuvor unerreichbar war. Folglich ist das Studium von Pan-Genomen zu einem aufstrebenden Forschungsfeld geworden, das tiefgreifende Einblicke in die Komplexität genetischer Informationen und das Anpassungspotenzial von Arten bietet.

Unterschied zwischen dem Pan-Genom und dem gesamten Genom

Das Konzept des gesamten Genoms bezieht sich auf den vollständigen Satz genetischen Materials, der innerhalb eines einzelnen Individuums oder Stammes gefunden wird, und wird typischerweise als Referenz in der genomischen Forschung verwendet. Im Gegensatz dazu vereint das Pan-Genom genetische Informationen von mehreren Individuen oder Stämmen und bietet eine ganzheitlichere und umfassendere genetische Landschaft der Art.

Wesentliche Unterschiede

• UmfangDas gesamte Genom umreißt die genetische Architektur eines einzelnen Stammes. Im Gegensatz dazu umfasst das Pan-Genom alle genetischen Varianten, die über mehrere Stämme hinweg vorhanden sind, und erfasst damit ein breiteres und umfassenderes Spektrum genetischer Vielfalt.
• AuflösungDie Pan-Genom-Analyse beleuchtet genetische Variationen, die möglicherweise unentdeckt bleiben, wenn man sich ausschließlich auf ein einzelnes Referenzgenom stützt. Dies umfasst einzigartige accessory Gene, die stammspezifische Merkmale und Anpassungen vorantreiben.

Zum Beispiel die Untersuchung des Pan-Genoms von Mycobacterium tuberculosis zeigt erhebliche genetische Variabilität zwischen verschiedenen Stämmen, ein Faktor von größter Bedeutung für das Verständnis der Mechanismen der Arzneimittelresistenz und für die Entwicklung effektiver therapeutischer Interventionen.

Vorteile des Pan-Genoms

• Bereichern Sie die Genominformationen der Art durch Sequenzierung der Unterarten und Individuen.
• Schnell Gene oder strukturelle Variationen von Genen finden, die mit wichtigen Merkmalen in Verbindung stehen, basierend auf der Untersuchung des variablen Genoms.
• Untersuchen Sie die Unterschiede innerhalb von Arten aus der Perspektive einzigartiger Gensequenzen.
• Kleine Bevölkerung, kosteneffizient und zeiteffizient

Anwendungen des Pan-Genoms

• Artenentwicklung und PhylogenetikHilft dabei, evolutionäre Beziehungen und genetische Vielfalt zwischen Arten nachzuvollziehen.
• Merkmalsentdeckung und ZuchtIdentifiziert Gene, die mit wünschenswerten Eigenschaften für eine verbesserte Pflanzenzüchtung verbunden sind.
• Pathogenforschung: Enthüllt genetische Variationen in Krankheitserregern, die mit Virulenz und Resistenzen in Zusammenhang stehen, und informiert über Kontrollmaßnahmen.
• Ökologische und UmweltstudienBietet Einblicke in die Anpassungen von Arten an verschiedene Umgebungen und ökologische Nischen.

Pan-Genom-Workflow

Dienstspezifikationen

	Beispielanforderungen Probenart: Genomische DNA; Kleine Fragmentbibliothek: ≥1 μg; 2 Kb bis 6 Kb große Fragmentbibliothek: ≥20 μg; 10 Kb große Fragmentbibliothek: ≥30 μg; 20 Kb und 40 Kb große Fragmentbibliotheken: ≥60 μg; Für die Ganzgenomsequenzierung beträgt die erforderliche Menge an Proben-DNA etwa 500 μg bis 1 mg; Probenkonzentration: Kleine Fragmentbibliothek ≥30 ng/μl; Große Fragmentbibliothek: ≥133 ng/μl; Probenreinheit: Das OD260/280-Verhältnis sollte zwischen 1,8 und 2,0 liegen. Alle DNA-Proben sollten mit RNase behandelt werden und dürfen keine Degradation oder Kontamination aufweisen. Hinweis: Musterbeträge sind nur zur Referenz aufgeführt. Für detaillierte Informationen bitte kontaktieren Sie uns mit Ihren maßgeschneiderten Anfragen.
Klicken	Sequenzierungsstrategie Einfaches Genom (Genomgröße <2 Gb, Heterozygotie <0,5 %, Verhältnis wiederholter Sequenzen <50 %); Komplexes Genom (Genomgröße >2Gb, Heterozygotie >0,5 %, Verhältnis wiederholter Sequenzen >50 %); ONT lange Reads ONT Ultra-Langsequenzen PacBio kontinuierliche lange Reads (CLRs) PacBio HiFi-Lesungen
	Bioinformatikanalyse Wir bieten mehrere maßgeschneiderte bioinformatische Analysen an: Pan-Genom-Aufbau Versammlungsevaluation Genomannotation Wiederholungssequenzannotation Genfunktionannotation Nicht-kodierende RNA-Annotation Vergleichende genomische Analyse Biologische Analyse …und mehr Hinweis: Die empfohlenen Datenoutputs und Analyseinhalte, die angezeigt werden, dienen nur zur Referenz. Für detaillierte Informationen, bitte kontaktieren Sie uns mit Ihren maßgeschneiderten Anfragen.

Analyse-Pipeline

Liefergegenstände

• Die ursprünglichen Sequenzierungsdaten
• Experimentelle Ergebnisse
• Datenanalysebericht
• Details im Pan-Genom für Ihre Schrift (Anpassung)

Teilweise Ergebnisse sind unten aufgeführt:

Referenzen

1. Liu Y, Du H, Li P, et al. Pan-Genom von wilden und kultivierten Sojabohnen. Zelle2020, 182(1):162-76.
2. Chen J, Liu Y, Liu M, et al. Pangenom-Analyse zeigt genomische Variationen, die mit Domestikationsmerkmalen bei Hirse verbunden sind. Naturgenetik2023, 55(12):2243-54.

1. Wie viele Proben sind für die Pan-Genom-Sequenzierung erforderlich?

Mindestens zwei Individuen oder Unterarten sind erforderlich, um eine Pan-Genom-Analyse zu beginnen. Um jedoch ein umfassenderes Verständnis der genetischen Vielfalt innerhalb einer Art zu erlangen, sollte eine größere Anzahl von Proben in Betracht gezogen werden. Die Einbeziehung zusätzlicher Proben verbessert erheblich die Auflösung der genetischen Variation und führt zu einer umfassenderen Pan-Genom-Karte.

2. Ist ein Referenzgenom für die Pan-Genom-Analyse erforderlich?

Die Nutzung eines Referenzgenoms in der Pan-Genom-Analyse ist nicht strikt erforderlich, kann jedoch vorteilhaft sein. Ein Referenzgenom dient als anfänglicher Rahmen für die Genannotation und vergleichende Analysen. Dennoch besteht das Hauptziel von Pan-Genom-Studien darin, genetische Variationen aufzudecken, die über den Rahmen eines einzelnen Referenzgenoms hinausgehen. Daher ist die Pan-Genom-Analyse darauf ausgelegt, genetische Vielfalt zu identifizieren und zu integrieren, die über das hinausgeht, was von einem einzelnen Referenzgenom repräsentiert wird, und so eine ganzheitliche Erfassung der genomischen Landschaft der Art zu gewährleisten.

3. Welche Arten von Analysen werden in standardisierten Pan-Genom-Diensten durchgeführt?

Pan-Genom-Assemblierung: Beinhaltet die Analyse des GC-Gehalts, die Analyse der Sequierungstiefe und den Bau von Super-Scaffolds unter Verwendung von Referenzgenomen.

Pan-Genom-Strukturanalyse: Beinhaltet die Vorhersage von Kern- und Accessory-Genomen, die Annotation von Wiederholungssequenzen und die Identifizierung von nicht-kodierenden RNAs.

Pangenom-Analysen zeigen den Einfluss von transponierbaren Elementen und Ploidie auf die Evolution von Kartoffelarten.

Zeitschrift: Mitteilungen der Nationalen Akademie der Wissenschaften
Impactfaktor: 12,779
Veröffentlicht: 24. Juli 2023

Hintergrund

KartoffelKartoffel) ist eine wichtige globale Kulturpflanze mit reicher genetischer Vielfalt. Ursprünglich aus den Anden, umfasst sie mehrere Ploidie-Ebenen. Diese Studie präsentiert das umfassendste Kartoffel-Pan-Genom, das Sequenzen von 296 Zugängen kombiniert und 132.355 Pangenen identifiziert. Die Analyse hebt die genetische Vielfalt, Anpassung und evolutionären Beziehungen innerhalb der Solanum-Sektion hervor. Petota.

Materialien & Methoden

Ergebnisse

1. Das Pangenom von Nachtschatten Abschnitt Petota

Das Pangenom umfasst 296 Kartoffelproben mit unterschiedlichen Ursprüngen und Ploidieebenen, einschließlich 154 Gbp neuer und öffentlicher Assemblierungen, was zu 514.888 Contigs und 132.355 Genmodellen führt.

Abb. 1. Die Nachtschatten Abschnitt Petota Pangenom.

2. PAV-Variation in protein-kodierenden Genen

Die Variation in protein-codierenden Genen zwischen den Proben wird von der Ploidie und der Domestikation beeinflusst, was die Genanzahl und die Selektion betrifft.

Abb. 2. Geninhalt der in die Zugänge einbezogenen Nachtschatten Abschnitt Petota Pangenom basierend auf PAV.

3. Gruppierung der Zugänge basierend auf dem Geninhalt

Phylogenetische Analysen und PCA identifizieren verschiedene Kladen und Untergruppen, die Variationen im Geninhalt widerspiegeln.

Abb. 3. Ein maximal wahrscheinlicher phylogenetischer Baum, der unter Verwendung von PAV-Daten für die Nachtschatten Abschnitt Petota Pangenom.

4. Variation im Geninhalt unterscheidet Kladen und Untergruppen

Die Unterschiede im Geninhalt sind zwischen den Kladen bemerkenswert und heben evolutionäre und Anpassungsmerkmale hervor.

5. TE-Inhalte im Pangenom

Das Pangenom enthält 75,5 % transponierbare Elemente, mit signifikanten kladenspezifischen Variationen und Unterschieden im TE-Inhalt.

Fazit

Die zukünftige Überlebensfähigkeit von Kartoffelpflanzen angesichts des Klimawandels hängt von der Erhaltung der Biodiversität und deren Integration in neue Sorten ab. Ein Pangenom von 296 Zugängen aus 60 Nachtschatten Abschnitt Petota Arten zeigen, dass PAV, insbesondere die Variation von TEs, eine Rolle bei der Artbildung spielt und einen erhöhten TE-Gehalt in in vitro vermehrten Materialien aufweist, ähnlich der natürlichen, stressinduzierten TE-Aktivität.

Referenz

1. Bozan I, Achakkagari SR, Anglin NL, et al. Pangenom-Analysen zeigen den Einfluss von transponierbaren Elementen und Ploidie auf die Evolution von Kartoffelarten. Sitzungsberichte der Nationalen Akademie der Wissenschaften2023, 120(31):e2211117120.