Eine Übersicht über das Tier-Pangenom

Was ist das Pan-Genom?

Während der langen Evolution der Arten hat jedes Individuum aufgrund von natürlicher und anthropogener Selektion sowie anderen Faktoren extrem spezifische genetische Merkmale entwickelt. In der klassischen Sichtweise der intra-spezifischen genetischen Variation wird das Genom jedes Individuums als eine kleine Menge von Varianten auf einem gemeinsamen Referenzgenom beschrieben. Häufig angewendet wird die Analyse von Variations-Merkmals-Assoziationen basierend auf SNPs in population-genetischen Studien für QTL. GWAS, usw.

In den letzten Jahren haben vergleichende Analysen von Genomen oder genomischen Fragmenten mehrerer Individuen derselben Art gezeigt, dass ein einzelnes Referenzgenom nicht ausreicht, um die genetische Vielfalt einer Art zu erfassen: In der Regel können nur 50%-80% der resequenzierten Daten aus verschiedenen Ökotypen mit einem Referenzgenom verglichen werden.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Genome innerhalb einer Art in bedeutenderen Weisen variieren können (einschließlich der Vielfalt struktureller Varianten), die ein oder mehrere Gene enthalten können. Eine große Anzahl von Studien hat gezeigt, dass SV eine Schlüsselrolle bei wichtigen agronomischen Merkmalen spielt (z. B. Widerstandsfähigkeit gegen biotische und abiotische Stressfaktoren, Blütezeit, Pflanzenarchitektur, Ertrag, Samen- oder Fruchtqualität). Diese Ergebnisse implizieren, dass der funktionale Geninhalt einer Art variabler ist als bisher angenommen.

Daher kann für eine Art viel bedeutende genetische Information verloren gehen, wenn nur ein einzelnes Referenzgenom für die Untersuchung der genetischen Variationen der Domestikation verwendet wird. All diese Faktoren zusammen haben den Aufbau und die Untersuchung von Pflanzen- und Tierpangenomen vorangetrieben.

Pangenomik erreicht ihr Ziel: von Bakterien zu Anwendungen in Pflanzen und Tieren. (Golicz et al., 2020)

Unterschiede zwischen Pflanzen- und Tier-Pangenomen

Das Ziel von Pangenom-Studien kann in verschiedenen Arten unterschiedlich sein: Bakteriengenome bestehen hauptsächlich aus kodierenden Genen und relativ wenigen nicht-genetischen Sequenzen, sodass sich die Pangenom-Studien bei Bakterien stärker auf den Inhalt der protein-kodierenden Gene konzentrieren. Bei Pflanzen und Tieren hingegen, aufgrund der großen Anzahl nicht-genetischer Sequenzen mit bestimmten Funktionen im Genom, werden sowohl Sequenzen als auch Genformen hauptsächlich in Eukaryoten untersucht. Im Gegensatz zu Pflanzen-Pangenomen sind die veröffentlichten Tier-Pangenome stärker sequenzbasiert.

Wenn Sie an Pflanzen-Pangenomen interessiert sind, lesen Sie bitte unseren Artikel. Eine Überprüfung des Pflanzen-Pangenoms.

Quantitativ haben Pflanzen ein viel größeres Pan-Genom. Studien zu mehreren menschlichen Pangenomen haben 5 Mb zusätzliche Sequenzen in asiatischen und afrikanischen menschlichen Genomen im Vergleich zu menschlichen Referenzgenomen gefunden, die hauptsächlich auf Proben europäischer Herkunft basieren. Diese Studie zum gesamten menschlichen Genom zeigte, dass das gesamte menschliche Genom 10% mehr hat als das Referenzgenom. Andere tierische Pangenome umfassen Schweine (72,5 Mb zusätzliche Sequenzen) und Mäuse (14-75 Mb nicht-referenzieller Sequenzen in jeweils 16 Mäusen), die alle innerhalb des Dreifachen der Größe des menschlichen Pangenoms liegen.

Ein Überblick über die Baumethoden, Studiengebiete, Vorteile und Anwendungen des Pangenoms. (Gong et al., 2023)

Warum ist das Pflanzen-Pangenom viel größer als das Pangenom von Säugetieren?

Die Antwort auf diese Frage kann gefunden werden, indem man die mutations- und populationsgenetischen Prozesse betrachtet, die die Artenvielfalt erzeugen: Wie bei der Variation einzelner Nukleotide erscheinen strukturelle Variationen zunächst als Mutationen; neutrale Varianten unterliegen dem genetischen Drift, während andere Varianten entweder fixiert (positive Selektion) oder verloren gehen (negative Selektion). Daher sind die Schlüsselfaktoren für die Analyse des Pan-Genoms die Mutationsrate struktureller Varianten und die effektive Populationsgröße zur Kontrolle des genetischen Drifts, sowie der relative Anteil neutraler SVs. Im Vergleich zu Tieren haben Pflanzen mehr inbred Linien, besitzen mehr agronomische Merkmale, können auf vielfältigere Weise reproduzieren und haben daher einige numerische Vorteile, die die Erwartung unterstützen, größere Pan-Genome zu haben.

Auf mutationaler Ebene kann die große Anzahl kürzlich amplifizierter Transposons (TEs Sequenzduplikationen und -deletionen erzeugen, die reichlich Substrat für nicht äquivalente homologe Rekombination bieten. Aktive TEs können auch benachbarte Sequenzen mobilisieren und strukturelle Veränderungen hervorrufen. Die Hybridisierung mit anderen Taxa kann ebenfalls neue Taxa hinzufügen; aus der Perspektive der natürlichen genetischen Variation ist die Wirkung solcher Genmigration ähnlich der von Mutationen. Darüber hinaus könnte die verbleibende effektive Redundanz aufgrund der Geschichte alter Duplikationen bei blühenden Pflanzenarten mehr SV (insbesondere Deletionen) neutral ermöglichen. Ein zweiter wichtiger Parameter ist die effektive Populationsgröße, da größere Populationen mehr Mutationen produzieren und mehr persistente Variation aufgrund von Drift aufnehmen können. Die größere effektive Populationsgröße bei Pflanzen im Vergleich zu Säugetieren erklärt den mehr als 10-fachen Anstieg der persistierenden einzelner Nukleotidvariation.

Die Anwendung des Tier-Pangenoms

Für einige Tiere, die mit der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung verbunden sind, gibt es oft sehr viele Stämme/Unterarten/Varianten auf derselben intraspezifischen Ebene, die durch künstliches Eingreifen oder natürliche Umweltselektion entstanden sind. Die großen Unterschiede in Phänotypen und Genotypen zwischen diesen Populationen vor und nach der Domestikation könnten im Genom jedes Stammes verborgen sein, weshalb es besonders wichtig ist, ein Pan-Genom zu haben, das die Gemeinsamkeiten innerhalb dieser Tierstämme und die Unterschiede zwischen den Rassen widerspiegelt.

In der Regel werden neben dem Aufbau des Pan-Genoms auch Kern-, dispensable und private Gene untersucht, um artenbezogene agronomische Merkmale und funktionale Gene zu erforschen. Strukturelle Variation steht im Mittelpunkt der Pangenomforschung, und Informationen über strukturelle Variationen wie PAV (Präsenz- und Abwesenheitsvariationen), Inversionen, Translokationen und Kopienzahlvariationen werden verwendet, um die Schlüsselvariationsloci zu finden, die unterschiedliche Merkmale zwischen Stämmen verursachen. Darüber hinaus kann das Pan-Genom mit 3D-epistatischer Regulation kombiniert werden. populationsgenetische Evolution, genomweite Assoziationsanalyse, transkriptionale Koexpressiondifferenzielle Metaboliten sowie Datenbankkonstruktion und -speicherung für eine eingehende Datenanalyse.

Referenzen:

1. Golicz, Agnieszka A., et al. "Pangenomik wird erwachsen: von Bakterien zu Anwendungen in Pflanzen und Tieren." Trends in Genetics 36.2 (2020): 132-145.
2. Gong, Ying, et al. "Eine Übersicht über das Pangenom: Wie es unser Verständnis von genomischer Variation, Selektion und Zucht bei Haustieren beeinflusst." Journal of Animal Science and Biotechnology 14.1 (2023): 1-19.