Übersicht über Tandemwiederholungen

Was sind Tandem-Wiederholungen?

Tandem-Wiederholungen sind DNA-Sequenzen, die aus zwei oder mehr Nukleotiden bestehen und sich auf einem Chromosom in einer kontinuierlichen, Kopf-an-Schwanz-Anordnung nacheinander replizieren. Diese sich wiederholenden Einheiten, oft als Wiederholungsmotive bezeichnet, zeigen Variabilität und reichen von nur wenigen Wiederholungen bis hin zu potenziell Hunderten an einem bestimmten chromosomalen Standort.

Die verschiedenen Arten von Tandemwiederholungen

Tandemwiederholungen zeichnen sich durch ihre vielfältige Klassifikation aus, die Mikroformen, kurze und lange Varianten sowie Mikrosatelliten umfasst.

Die beiden Hauptkategorien für tandem Wiederholungen sind wie folgt:

• Kurze Tandemwiederholungen (STR) oder Mikrosatelliten

Mikrosatellitenauch bekannt als einfache Sequenzwiederholungen (SSRs), bezeichnen tandemartige Wiederholungen von DNA mit Motivgrößen von 1 bis 6 Basenpaaren (bp).

Analyse
• Variable Anzahl von Tandemwiederholungen (VNTR)

Als Minisatelliten und Mikrosatelliten werden VNTRs interchangeabel bezeichnet und sind Tandemwiederholungseinheiten von DNA mit einer Motivgröße von ≥7 bp. Obwohl einige Literatur Motive ≥100 bp als Mikrosatelliten bezeichnet, fehlt dieser Gebrauch an Konsistenz und klassifiziert sie weiterhin unter den definierten Kriterien als VNTRs.

Entscheidend ist, dass die Klassifizierung von Tandemwiederholungen unabhängig von der Anzahl der Wiederholungen der Einheit ist. Bemerkenswerterweise bleibt ein drei Basenpaare langes STR (z. B. "ACG"), das 10.000 Mal in Tandem wiederholt wird (insgesamt 30.000 Basenpaare), als STR klassifiziert. Ebenso würde ein Motiv von 50 Basen, das nur dreimal wiederholt wird (insgesamt 150 Basenpaare), trotz seiner kürzeren Gesamtlänge im Vergleich zum ersten Beispiel weiterhin als VNTR betrachtet werden. Diese Klassifizierung unterstreicht die Betonung der Größe der wiederholenden Einheit und ihrer einzelnen Einheiten, unabhängig von der Gesamtanzahl der Kopien.

Der Ursprung von "Satelliten-DNA"

Der Ursprung des Begriffs "Satelliten-DNA" lässt sich auf eine Zeit zurückverfolgen, als die DNA-Sequenzierung nicht so fortgeschritten, zugänglich oder verbreitet war wie heute. Vor der Ära der präzisen und weit verbreiteten DNA-Sequenzierung verwendeten Forscher alternative Techniken, um die Zusammensetzung des Genoms eines Organismus zu erkennen. Die Terminologie, einschließlich "Satelliten-DNA", "Mikrosatellit" und "Minisatellit", entstand aus der anfänglichen Charakterisierung spezifischer genomischer DNA-Segmente während der Dichtegradientenzentrifugation.

In der Mitte des 20. Jahrhunderts nutzten Wissenschaftler die Dichtegradientenzentrifugation, um DNA zu isolieren. Während dieses Prozesses stellten sie fest, dass genomische DNA ausgeprägte Bänder mit unterschiedlichen Dichten aufwies. Einige dieser Bänder traten als Satelliten auf, die von dem primären genomischen DNA-Band getrennt waren. Nach der Sequenzierung dieser DNA-Satellit Forschern gelang es, die Anwesenheit von Tandemwiederholungen unterschiedlicher Größen zu entdecken, die nun gemeinsam als Satelliten-DNA bezeichnet werden.

Die Unterscheidung zwischen Tandemwiederholungen von ≥7 bp, die als "variable Anzahl" Tandemwiederholungen (VNTRs) bezeichnet werden, und kleineren Wiederholungen, die als kurze tandemwiederholungen (STRs) impliziert nicht eine inhärente Variabilität zwischen den einen und den anderen. Die Nomenklatur ist nicht indikativ für einen Unterschied in der Veränderlichkeit oder Variabilität zwischen VNTRs und STRs, einschließlich der Häufigkeit von Punktmutationen innerhalb ihrer Motive oder der Variabilität in der Anzahl der Wiederholungen im Genom. Diese Klassifikation basiert auf der Größe der sich wiederholenden Einheit, nicht auf dem Grad der Variabilität, und betont einen historischen und beschreibenden Ansatz anstelle einer direkten Reflexion ihrer dynamischen Eigenschaften.

Warum es wichtig ist, den Mechanismus von Tandemwiederholungen zu studieren?

Die Bedeutung von Tandemwiederholungen reicht über ihre überwiegende Präsenz in nicht-kodierenden Genregionen hinaus und spielt eine entscheidende Rolle in der Biologie mit weitreichenderen Implikationen, als zunächst ersichtlich. Sie machen über 3 % des gesamten menschlichen Genoms aus und haben einen erheblichen Einfluss auf strukturelle genomische Variationinsbesondere für Sequenzen, die 50 Basenpaare überschreiten. Die ausgeprägte Variabilität innerhalb dieser tandemwiederholten Regionen unterstreicht ihre entscheidende Rolle bei der Prägung der Phänotypen zahlreicher eukaryotischer Organismen.

Darüber hinaus erweisen sich Tandemwiederholungen als einflussreiche Faktoren im Bereich der menschlichen Gesundheit. Sie wurden als Schlüsselspieler beim Auftreten verschiedener genetischer Erkrankungen identifiziert, was ihre Bedeutung in der biomedizinischen Forschung erhöht. Tandemwiederholungssequenzen, die mit Veränderungen der Genexpression verknüpft sind, wurden mit zahlreichen Krebsarten in Verbindung gebracht und stehen im Zusammenhang mit mehr als 50 neurologischen Störungen, wie ALS, FXS, Ataxie, Autismus-Spektrum-Störungen und Schizophrenie. Dies unterstreicht ihre Relevanz für das Verständnis der molekularen Grundlagen von Krankheiten.

Die Identifizierung, präzise Abgrenzung und Katalogisierung von Tandemwiederholungssequenzen die grundlegenden Schritte zur Entschlüsselung ihrer krankheitsverursachenden Mechanismen dar. Diese komplexe Untersuchung birgt das Potenzial, mögliche Biomarker zu enthüllen, Wirkstoffziele zu erläutern und die Entwicklung von Therapeutika zu fördern – ein unerlässlicher Weg zur Verbesserung unseres Verständnisses und der Behandlung verschiedener medizinischer Zustände.

Die Merkmale wiederholter Sequenzen

Im Vergleich zu anderen genomische StrukturenWiederholte Sequenzen weisen charakteristische Merkmale auf, die sie in verschiedenen biologischen Anwendungen nützlich machen:

• Beschleunigte evolutionäre Rate und artspezifische Marker

Wiederholende Sequenzen entwickeln sich schneller, wobei bestimmte Sequenzen artspezifisch sind. Diese artspezifischen repetitiven Elemente dienen als wertvolle genetische Marker und erleichtern das Studium der phylogenetischen Beziehungen zwischen verschiedenen Arten.

• Chromosomenfingerabdruck und Karyotypanalyse

wiederholte Sequenzen spielen eine entscheidende Rolle bei der Chromosomenfingerabdruckanalyse und der Karyotypanalyse. Dies hilft bei der genauen Lokalisierung exogener Chromosomensegmente. Darüber hinaus, SSR-Sequenzen Von repetitiven Elementen abgeleitete werden in der Konstruktion genetischer Karten, der Genlokalisierung, der Sortenidentifikation und verwandten Anwendungen eingesetzt.

• Erkennung und Identifizierung von exogenem genetischem Material

Wiederholte Sequenzen, insbesondere solche, die im gesamten Genom verstreut sind, dienen als Sonden zur Erkennung und Identifizierung von exogenem genetischem Material in verschiedenen Arten.

• Epigenetische Modifikation und Regulation der Genexpression

Wiederholende Sequenzen tragen zu epigenetische Modifikationen, was die Regulation von eingefügten oder benachbarten Genen beeinflusst. Dies wiederum moduliert die Genexpression, wirkt sich auf individuelle Phänotypen aus und beeinflusst die Anpassungsfähigkeit.

Jedoch erschwert die komplexe Natur des Genoms, zusammen mit dem Polymorphismus repetitiver Sequenzen und den Herausforderungen bei der Assemblierung, deren Identifizierung. Trotz dieser Herausforderungen haben Fortschritte in Hochdurchsatz-SequenzierungstechnologieDie sinkenden Kosten für die Sequenzierung und die kontinuierliche Entwicklung ausgeklügelter Softwarealgorithmen überwinden zunehmend diese Hürden. Infolgedessen wird die Identifizierung repetitiver Sequenzen, insbesondere solcher mit häufigen Vorkommen im Genom, immer machbarer und verspricht ein verbessertes Verständnis des Genoms.

Revolutionierung der Forschung zu Tandemwiederholungen mit Langsequenzierung und bioinformatischer Analyse

Im Gegensatz zu veralteten Dichtegradientenzentrifugationsmethoden nutzen moderne Wissenschaftler fortschrittliche DNA-Sequenzierungstechnologien, um die Komplexität von Tandemwiederholungen zu entschlüsseln. Besonders, Long-Read-Sequenzierungsplattformen wie zum Beispiel PacBio HiFi-Sequenzierung und Nanoporen-Sequenzierung sind unverzichtbar geworden. Diese Technologien, die durch verlängerte Leselängen gekennzeichnet sind, ermöglichen es Forschern, Basen präzise zu identifizieren, während sie nahtlos umfangreiche Arrays von sich wiederholenden Sequenzen mit erheblichen Überschneidungen in den Leselängen durchqueren.

Die Landschaft der Forschung zu Tandemwiederholungen hat einen transformativen Wandel durchlaufen, der durch die Integration von bioinformatischen Analysetools vorangetrieben wurde, die darauf ausgelegt sind, zu ergänzen. PacBio HiFi-SequenzierungDieser innovative Ansatz umgeht die Herausforderungen traditioneller Methoden und bietet Forschern umfangreiche Lesungen von über 10.000 Basenpaaren, mit hohen Genauigkeitslevels (99,9%) und einer Reihe spezialisierter Analysetools, die in der Lage sind, die Komplexität von Tandemwiederholungsuntersuchungen zu bewältigen.

Wichtige Anwendungen, die durch diesen fortschrittlichen Ansatz ermöglicht werden, umfassen:

• Größen-Genotypisierung und Mosaikschätzung

Genau Bestimmung der Tandemwiederholungsgrößen und Schätzung von Mosaikmustern innerhalb genomischer Sequenzen.

• Sequenzkompositionsanalyse

Detaillierte Analyse von Sequenzkompositionen, einschließlich der Identifizierung von Brüchen und Regionen, die mehrere Wiederholungen enthalten.

• 5mC CpG-Methylierungserkennung

Präzise Identifizierung und Charakterisierung der CpG-Methylierung auf der 5mC-Ebene.

• Haplotype-resolviertes Lesen-Stapeln und Visualisierung des Methylierungsstatus

Umfassende Untersuchung des haplotypaufgelösten Read-Stackings, verbunden mit Visualisierungstools zur Erkennung des Methylierungsstatus.

Die Synergie zwischen Langzeit-Sequenzierung und die Analyse biologischer Daten stellt einen Wandel von früheren mathematischen Herausforderungen dar. Forscher verfügen nun über die Mittel, um zentrale Fragen zur Rolle dieser wichtigen genomischen Regionen in einem Spektrum genetischer Phänomene zu beantworten, das von der Evolution von Merkmalen bis zur komplexen Biologie erblich bedingter Krankheiten reicht.