SNVs vs. SNPs

Was ist ein einzelner Nukleotidpolymorphismus (SNP)?

Einzelne Nukleotid-Polymorphismen, allgemein als SNPs (ausgesprochen "snips") bezeichnet, stellen die vorherrschende Form genetischer Variation im menschlichen Genom dar. Wenn eine Zelle sich teilt, um eine neue Zelle zu produzieren, dupliziert sie zunächst ihr DNA, um sicherzustellen, dass jede neue Zelle einen vollständigen Satz genetischer Anweisungen erbt. Fehler können jedoch während dieses Replikationsprozesses auftreten, ähnlich wie typografische Fehler, was zu Veränderungen in der DNA-Sequenz an bestimmten Punkten führt, die als einzelne Nukleotid-Polymorphismen oder SNPs bekannt sind. Jeder SNP bezeichnet eine Abweichung in einem einzelnen DNA-Baustein oder Nukleotid. Zum Beispiel könnte ein SNP ein Cytosin (C)-Nukleotid durch ein Thymin (T)-Nukleotid innerhalb eines bestimmten DNA-Fragmentes ersetzen. SNPs sind in der menschlichen DNA weit verbreitet und treten im Durchschnitt etwa einmal alle 1.000 Nukleotide auf, was zu ungefähr 4 bis 5 Millionen SNPs im Genom eines Individuums führt. Um als SNPs klassifiziert zu werden, müssen diese Variationen in mindestens 1 % der Bevölkerung vorhanden sein, und Wissenschaftler haben über 600 Millionen SNPs in globalen Populationen identifiziert.

Primär treten SNPs in den nicht-kodierenden Regionen der DNA zwischen Genen auf. Sie dienen als wertvolle Biomarker, und wenn sie sich in regulatorischen Regionen innerhalb oder in der Nähe von Genen befinden, können sie die Genfunktion direkt beeinflussen, was potenziell die Anfälligkeit für Krankheiten und deren Verlauf beeinflussen kann.

Während viele SNPs vernachlässigbare Auswirkungen auf die Gesundheit oder Entwicklung zeigen, haben sich bestimmte genetische Variationen als entscheidend in der Gesundheitsforschung herausgestellt. SNPs spielen eine wichtige Rolle bei der Vorhersage der Reaktion eines Individuums auf bestimmte Medikamente, der Empfindlichkeit gegenüber Umweltfaktoren wie Toxinen und der Anfälligkeit für Krankheiten. Darüber hinaus dienen SNPs als wertvolle Werkzeuge zur Verfolgung der Übertragung genetischer Varianten, die mit Krankheiten in familiären Linien verbunden sind.

Arten von SNPs

Einzelne Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) werden basierend auf den spezifischen Nukleotidersetzungen, die sie beinhalten, kategorisiert. Hier sind die gängigen Typen von SNPs:

• Transition: Transition-SNPs stellen die häufigste Variation dar und beinhalten Substitutionen innerhalb derselben chemischen Klasse. Dazu gehören Austausch zwischen Purinen (Adenin [A] und Guanin [G]) oder zwischen Pyrimidinen (Thymin [T] und Cytosin [C]). Zum Beispiel A↔G oder C↔T.
• Transversion: Transversions SNPs hingegen bezeichnen Substitutionen zwischen Purinen und Pyrimidinen. Beispiele sind A↔C, A↔T, G↔C oder G↔T. Diese Substitutionen treten seltener auf als Transitionen aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften von Purinen und Pyrimidinen.

Neben Nukleotid-Substitutionen können SNPs auch basierend auf ihrem genomischen Standort oder ihrem potenziellen Einfluss auf die Genfunktion klassifiziert werden. Einige bemerkenswerte Kategorien sind:

• Synonyme SNPs: Diese SNPs befinden sich im kodierenden Bereich eines Gens, verändern jedoch nicht die kodierten Aminosäuren. Sie werden oft als stille Mutationen bezeichnet, da sie die resultierende Proteinsequenz nicht beeinflussen.
• Nicht-synonyme SNPs: Diese SNPs treten im kodierenden Bereich auf und führen zu Aminosäureaustauschen im übersetzten Protein. Je nach Art des Austauschs können sie die Struktur und Funktion des Proteins beeinflussen.
• Unsinnige SNPs: Unsinnige SNPs führen zu vorzeitigen Stoppcodons innerhalb der kodierenden Sequenz, was zu verkürzten und normalerweise nicht funktionalen Proteinen führt.
• Promoter-SNPs: Diese SNPs befinden sich im Promotorbereich eines Gens, beeinflussen den Beginn der Transkription und damit die Genexpressionsniveaus.
• Intron-SNPs: Intron-SNPs befinden sich in den nicht-kodierenden Regionen (Introns) eines Gens und können das mRNA-Spleißen oder andere regulatorische Prozesse beeinflussen.

Das Verständnis der verschiedenen Arten und Auswirkungen von SNPs ist entscheidend, um ihre Rolle in der genetischen Vielfalt, der Krankheitsanfälligkeit und individuellen Merkmalen zu entschlüsseln.

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Ein Überblick über SNP-Genotypisierungstechnologien.
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Was sind Einzel-Nukleotid-Varianten (SNVs)?

Einzelne Nukleotidvarianten (SNVs) stellen Veränderungen dar, die ein einzelnes Nukleotid innerhalb einer DNA-Sequenz betreffen und in drei Hauptmustern auftreten: Einzel-Nukleotid-Substitution, Einzel-Nukleotid-Löschung und Einzel-Nukleotid-Einfügung. Die Substitution umfasst die Mutation eines Nukleotids in ein anderes, die Löschung beinhaltet die Entfernung eines einzelnen Nukleotids an einem bestimmten genomischen Ort, und die Einfügung bezeichnet das wiederholte Auftreten eines einzelnen Nukleotids an einer bestimmten genomischen Stelle.

Im Bereich der Analyse genomischer Variationen bei Krebs bezeichnet eine einzelne Nukleotidvariante, die für Krebszellen im Vergleich zu normalem Gewebe charakteristisch ist, eine somatische Mutation, die als SNV bezeichnet wird.

Arten genetischer Variation. (Nesta et al., 2021)

SNP vs. SNV

SNP oder Einzel-Nukleotid-Polymorphismus bezieht sich auf die Substitution einer spezifischen Position in der DNA-Sequenz durch ein anderes einzelnes Nukleotid (Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin). Es ist die häufigste Form der Variation im Genom.

SNV (einzelner Nukleotidvariant): Dieser Begriff bezeichnet eine Variante an einer einzelnen Nukleotidposition im Genom, unabhängig von ihrer Häufigkeit in der Population. Er dient als neutraler Beschreiber, der eine Abweichung von der Referenzsequenz anzeigt.

SNP (einzelner Nukleotid-Polymorphismus): Bezeichnet auch eine Variation an einer einzelnen Nukleotidposition, charakterisiert SNP eine Variation, die in der Bevölkerung weit verbreitet ist. Typischerweise muss die Häufigkeit eines Variants in einer bestimmten Population über 1% liegen, damit es als SNP bezeichnet wird.

Alle SNPs sind SNVs, da sie alle eine Variation an einem einzelnen Nukleotid bezeichnen. Allerdings qualifizieren sich nicht alle SNVs als SNPs, da nicht alle einzelnen Nukleotidvarianten in der Bevölkerung verbreitet sind.

Unterschiede zwischen SNPs und CNVs

Copy-Nummer-Variation (CNV) bezieht sich auf Veränderungen in DNA-Segmenten innerhalb des Genoms, die jeweils tausend Basenpaare oder mehr umfassen. Diese Variationen können dazu führen, dass Individuen entweder mehr, weniger oder keine Kopien eines bestimmten Gens oder DNA-Segments im Vergleich zu den typischen zwei Kopien besitzen. CNVs können gesamte Gene oder größere genomische Regionen umfassen, was potenziell die Gen-Dosierung und -Funktion beeinflussen kann.

SNPs (einzelne Nukleotid-Polymorphismen) und CNVs (Copy Number Variationen) stellen unterschiedliche Formen genetischer Vielfalt dar, haben jedoch beide einen erheblichen Einfluss auf das Genotyp und das potenzielle Phänotyp eines Individuums. Bei der Untersuchung der genetischen Grundlagen bestimmter Krankheiten oder Merkmale erforschen Forscher oft die Beziehung zwischen diesen beiden Variationen. Die Integration von Erkenntnissen aus sowohl SNPs als auch CNVs ermöglicht ein umfassenderes Verständnis der genetischen Faktoren.

In genomischen Assoziationsstudien, SNP-Arrays dienen als unschätzbare Werkzeuge, die nicht nur SNPs, sondern auch CNVs erkennen können. Durch die Nutzung dieser Arrays können Forscher gleichzeitig die Auswirkungen beider Arten von genetischen Varianten innerhalb derselben Studienkohorte bewerten. Dieser integrierte Ansatz verbessert die Tiefe und Präzision genetischer Untersuchungen und beleuchtet das komplexe Zusammenspiel zwischen SNPs und CNVs bei der Gestaltung biologischer Merkmale und der Anfälligkeit für Krankheiten.

SNP und CNV. (Mérot et al., 2020)

Die Bedeutung der SNP- und SNV-Genotypisierung

Die Bedeutung der SNP- und SNV-Genotypisierung liegt in ihrer Fähigkeit, die komplexe genetische Landschaft, die Eigenschaften, Krankheiten und individuelle Variationen zugrunde liegt, zu entschlüsseln.

• Krankheitsanfälligkeit: Viele Krankheiten, einschließlich komplexer Störungen wie Krebs und Diabetes, werden durch genetische Variationen beeinflusst. SNP-Genotypisierung Forschern ermöglichen, spezifische genetische Marker zu identifizieren, die mit der Anfälligkeit für Krankheiten verbunden sind. Dieses Wissen unterstützt die Risikobewertung, die frühzeitige Erkennung und die Entwicklung gezielter Behandlungen.
• Pharmakogenomik: Individuelle Reaktionen auf Medikamente können aufgrund genetischer Unterschiede erheblich variieren. SNP- und SNV-Genotypisierung helfen dabei, vorherzusagen, wie Individuen Medikamente metabolisieren, wie wahrscheinlich sie unerwünschte Wirkungen erfahren und wie gut sie auf bestimmte Medikamente ansprechen. Dieser personalisierte Ansatz in der Medizin, bekannt als Pharmakogenomik, verbessert die Wirksamkeit der Behandlung und minimiert unerwünschte Reaktionen.
• Bevölkerungsstudien: SNV und SNP-Genotypisierung großangelegte Bevölkerungsstudien erleichtern, die darauf abzielen, genetische Vielfalt, Abstammung und evolutionäre Geschichte zu verstehen. Durch die Analyse genetischer Variationen in verschiedenen Populationen gewinnen Forscher Einblicke in Migrationsmuster, Bevölkerungsvermischung und genetische Veranlagungen für bestimmte Merkmale oder Krankheiten.
• Präzisionsmedizin: Die Ära der Präzisionsmedizin betont die Anpassung von Gesundheitsinterventionen an individuelle genetische Profile. SNP-Genotypisierung spielt eine entscheidende Rolle in diesem Paradigma, indem sie genetische Marker identifiziert, die mit bestimmten Krankheiten oder Therapieansprechen assoziiert sind. Durch die Einbeziehung genetischer Informationen in die klinische Entscheidungsfindung optimiert die Präzisionsmedizin therapeutische Ergebnisse und minimiert unerwünschte Wirkungen.
• Biomarker-Entdeckung: SNPs und SNVs dienen als wertvolle Biomarker für die Krankheitsdiagnose, Prognose und Behandlungsüberwachung. Durch die Identifizierung genetischer Variationen, die mit dem Krankheitsverlauf oder der Behandlungsreaktion assoziiert sind, können Forscher biomarkerbasierte Tests zur frühzeitigen Erkennung, Krankheitsüberwachung und Bewertung der therapeutischen Wirksamkeit entwickeln.
• Funktionelle Genomik: SNP- und SNV-Genotypisierung tragen zu funktionellen Genomikstudien bei, die darauf abzielen, zu verstehen, wie genetische Variationen die Genexpression, die Proteinfunktion und zelluläre Signalwege beeinflussen. Durch die Korrelation von Genotyp und Phänotyp erhellen Forscher die molekularen Mechanismen, die der Krankheitsentstehung zugrunde liegen, und identifizieren potenzielle therapeutische Ziele.

Vergleich von SNP- und SNV-Genotypisierungstechniken

• PCR-RFLP (Polymerase-Kettenreaktion-Einschränkungsfragmentlängenpolymorphismus)

PCR-RFLP ist eine klassische Methode zur SNP-Detektion. Zunächst wird das Zielfragment durch PCR amplifiziert, gefolgt von der Verdauung des PCR-Produkts mit einer spezifischen Restriktionsendonuklease. Sollte ein SNP vorhanden sein und die Schnittstelle der Endonuklease verändern, ändert sich die Länge des verdauten Fragments. Diese Veränderungen sind durch Elektrophorese erkennbar, was die Identifizierung von SNP-Variationen ermöglicht.

• TaqMan-Sondenmethode

Der TaqMan-Ansatz verwendet einen speziellen fluoreszenzmarkierten Sonden, um SNPs zu erkennen. Während der PCR, wenn die Ziel-SNP-Stelle perfekt mit der Sonde übereinstimmt, erfolgt eine Dissoziation, die Fluoreszenz freisetzt. Die Intensität dieser Fluoreszenz dient als Indikator zur Bestimmung der SNP-Art und bietet eine empfindliche und genaue Genotypisierungs-Lösung.

• Hochdurchsatz-Sequenzierung (NGS)

Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie haben die gleichzeitige Erkennung von Tausenden von SNPs ermöglicht. Die Tiefensequenzierung des gesamten Genoms oder spezifischer Genregionen erleichtert die Identifizierung einer Vielzahl von SNPs und bietet umfassende Einblicke in genetische Variationen und deren Auswirkungen.

Prinzip der WGS-SNP-Strategie. (Doitsidou et al., 2010)

• Gen-Mikroarray

Gen-Mikroarray stellt eine weitere Hochdurchsatzmethode dar, die in der Lage ist, Millionen von SNPs gleichzeitig zu detektieren. Die DNA der Probe wird fragmentiert und mit vorab entworfenen Sonden hybridisiert. Durch die Bewertung der Signalintensität nach der Hybridisierung kann der Typ des SNPs schnell und effizient bestimmt werden.

Empfohlene Lektüre: Die Anwendungen von SNP-Mikroarray.

• Sanger-Sequenzierung

Sanger-SequenzierungEine traditionelle DNA-Sequenzierungstechnik bleibt ein zuverlässiges Verfahren zur SNP-Erkennung. Zunächst wird die Zielregion durch PCR-Amplifikation vor der Sequenzierung nach der Sanger-Methode amplifiziert. Durch den Vergleich der Sequenzierungsergebnisse mit einer Referenzsequenz können SNPs genau identifiziert werden, was wertvolle genetische Informationen liefert.

Zusammenfassend bieten verschiedene Genotypisierungstechniken unterschiedliche Ansätze zur Erkennung von SNPs und SNVs, von denen jede spezifische Vorteile hinsichtlich Sensitivität, Durchsatz und Genauigkeit aufweist. Diese Methoden spielen eine entscheidende Rolle beim Entschlüsseln der Komplexität genetischer Variationen und fördern somit unser Verständnis von Genetik und Genomik.

Referenzen:

1. Doitsidou, Maria, et al. "Identifizierung von C. elegans-Mutanten mit einer Ein-Schritt-Whole-Genome-Sequencing- und SNP-Kartierungsstrategie." PloS eins 5.11 (2010): e15435.
2. Mérot, Claire, et al. "Ein Fahrplan zum Verständnis der evolutionären Bedeutung struktureller genomischer Variation." Trends in Ökologie & Evolution 35,7 (2020): 561-572.
3. Nesta, Alex V., Denisse Tafur und Christine R. Beck. "Hotspots menschlicher Mutation." Trends in Genetics 37,8 (2021): 717-729.