Pan-Genom: Definition, Sequenzierungsmethoden und Anwendungen

Einführung in das Pan-Genom

Ein Pan-Genom (Pangenom oder Supragenom) ist die Gesamtheit der Gene aller Stämme innerhalb eines Klades in der Molekularbiologie und Genetik. Es ist die Summe der Genome eines Klades aus einer breiteren Perspektive. Das Pan-Genom wird in drei Abschnitte unterteilt: ein "Kern-Pangenom", das Gene enthält, die in allen Individuen vorkommen, ein "Shell-Pangenom", das Gene enthält, die in zwei oder mehr Stämmen vorkommen, und ein "Cloud-Pangenom", das nur Gene enthält, die in einem Stamm zu finden sind. Einige Autoren bezeichnen das Cloud-Genom als "Zugangsgenom", das "entbehrliche" Gene enthält, die nur in einer Teilmenge von Stämmen und stammspezifische Gene vorkommen. Zumindest in Pflanzengenomen wurde der Begriff "entbehrlich" in Frage gestellt, da Accessory-Gene "eine wichtige Rolle in der Genom-Evolution und dem komplexen Zusammenspiel zwischen Genom und Umwelt spielen."

Die Einführung der Next-Generation-Sequenzierung ermöglichte eine tiefere Untersuchung der Diversität mehrerer Bakterienstämme und erweiterte damit unser Verständnis des Begriffs Art. In der Folge sind vergleichende Studien zwischen Mitgliedern derselben Art oder Gattung zur gängigsten Methode geworden, um einzigartige Gene und Gene, die zwischen zwei oder mehr Arten geteilt werden, zu identifizieren sowie alle Gene zu charakterisieren, die unter allen bewerteten Individuen geteilt werden (homologe Gene). Diese Methode wird als Pan-Genom bezeichnet und verwendet derzeit eine Vielzahl von bioinformatischen Werkzeugen sowie verschiedene rechnerische Ansätze, um genomische Daten und die Menge von Genen zu identifizieren, die ein bestimmtes Taxon repräsentieren. Pan-Genom-Studien und ihre verschiedenen Techniken wurden sogar bei Eukaryoten, insbesondere beim Menschen, eingesetzt, um die genetische Variabilität, die zwischen Individuen existiert, besser zu verstehen.

Sequenzierungsmethoden, die in pangenomischen Studien verwendet werden

Einzelmolekül-Echtzeit (SMRT) Sequenzierung und Nanoporen-Sequenzierung kommerzialisieren derzeit Einzelmolekül-Long-Read-Technologien. SMRT-Sequenzierung ermöglicht (1) die Kultivierung von Pan-Genomen zur Klassifizierung der vollständigen genetischen Vielfalt innerhalb einer Art, (2) die Innovation populationsspezifischer Referenzgenome zur Förderung der Präzisionsmedizin und (3) die Konfiguration nahezu vollständiger mikrobieller Genome und ihrer Plasmide in einem einzigen Experiment mithilfe der Ganzgenomsequenzierung für die de novo Assemblierung. Während auch Methoden auf der Grundlage von Short-Read-Sequenzierungsansätzen etabliert werden, um langreichweitige Einzelmolekülinformationen anzubieten – beispielsweise die 10x Genomics verlinkte Lesemethodik.

Abbildung 1. Ein Referenz-Pan-Genom-Ansatz zur vergleichenden bakteriellen Genomik. (Méric, 2014)

Anwendungen des Pangenoms

Für die pan-genomische Analyse wurden eine Vielzahl von bioinformatischen Werkzeugen eingesetzt, die helfen könnten, Arten zu definieren. Es könnte möglich sein, Arten neu zu definieren und sie basierend auf ihrem genomischen Inhalt zu sortieren, indem alle genomischen Daten analysiert werden. Seit dem letzten Jahrzehnt haben pan-genomische Analysen den Weg für Forscher geebnet, universelle Impfstoffe zu entwickeln, die gegen alle Stämme einer Art oder sogar gegen mehrere verwandte Arten schützen könnten.

Das Gebiet der pathogenen Pan-Genomik wurde durch jüngste Fortschritte in der Genomsequenzierungstechnologie revolutioniert, die auch das Krankheitsmanagement in Aquakulturen beeinflusst haben. Die phylogenomische Vielfalt und mögliche evolutionäre Trends von aquatischen bakteriellen Pathogenstämmen werden durch routinemäßige Pan-Genomanalysen von genomisch abgeleiteten aquatischen Pathogenen sowie durch die Mechanismen der Pathogenese und die geschätzten Muster der Pathogenübertragung über epidemiologische Skalen hinweg abgeleitet.

Referenzen:

1. Sherman RM, Salzberg SL. Pan-Genomik im Zeitalter des menschlichen Genoms. Nature Reviews Genetics. 2020 Apr;21(4).
2. Tiwary BK. Evolutionäre Pan-Genomik und Anwendungen. In: Pan-Genomik: Anwendungen, Herausforderungen und zukünftige Perspektiven. 1. Januar 2020. Academic Press.
3. Méric G, Yahara K, Mageiros L, u. a.Ein referenzbasiertes Pan-Genom-Ansatz zur vergleichenden bakteriellen Genomik: Identifizierung neuartiger epidemiologischer Marker in pathogenen Campylobacter. PloS One2014, 27. März; 9(3).