Übersicht
Unter vergleichender Genomik versteht man die Analyse von Genomsequenzen mehrerer Arten, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zu identifizieren, die die Evolutionsgeschichte, konservierte Funktionselemente und abstammungsspezifische Anpassungen aufdecken. Durch die Ausrichtung und den Vergleich von Genomen können Forscher Sequenzen, die durch natürliche Selektion erhalten wurden – und daher wahrscheinlich funktionsfähig sind – von Sequenzen unterscheiden, die neutral driften. Die Verfügbarkeit Tausender sequenzierter Genome, von Bakterien bis hin zu Menschen, hat die vergleichende Genomik zu einem leistungsstarken Motor für biologische Entdeckungen gemacht. Es bietet den evolutionären Rahmen, der für das Verständnis der Struktur und Funktion des Genoms unerlässlich ist.
Methoden
Zu den wichtigsten Techniken der vergleichenden Genomik gehört das Whole-Genome-Alignment, das syntenische Blockaden und Umlagerungen zwischen Arten identifiziert. Werkzeuge wie MAUVE, MUMmer und LASTZ führen Ausrichtungen in verschiedenen Maßstäben durch. Phylogenomik rekonstruiert Evolutionsbäume anhand genomweiter Daten anstelle einzelner Gene und liefert so robuste Artenphylogenien. Orthologiezuordnung (mit Tools wie OrthoFinder oder InParanoid) identifiziert Gene, die durch Artbildungsereignisse divergierten, während Paralogs aus Genduplikationen innerhalb einer Abstammungslinie entstehen. Evolutionsratenanalyse berechnet dN/dS-Verhältnisse, um Gene unter positiver oder reinigender Selektion zu erkennen. Die Conservation Track-Analyse über mehrere Alignments hinweg identifiziert regulatorische Elemente und funktionelle nichtkodierende RNAs.
Anwendungen
Die vergleichende Genomik hat wichtige Aspekte der Biologie beleuchtet. Es identifizierte das 1 % des menschlichen Genoms, das evolutionären Zwängen unterliegt, und hob kritische regulatorische Regionen hervor. Es verfolgt die Entwicklung der Pathogenität in der [Bakteriengenetik](/guides/bakterielle-genetics.html) durch den Vergleich virulenter und nicht virulenter Stämme. In der Virologie deckt der Vergleich der Virusstruktur und -klassifizierung über Familien hinweg konservierte Replikationsmechanismen auf. Vergleichende Ansätze unterstützen die Annotation neu sequenzierter Genome durch den Transfer von Wissen aus gut untersuchten Modellorganismen. Da die Kosten für die DNA-Sequenzierung weiter sinken, wird die vergleichende Genomik immer leistungsfähiger und ermöglicht Analysen auf Populationsebene und sogar Pangenomanalysen bei Tausenden von Individuen innerhalb einer Art.
Praktisches Protokoll
Für die Ausrichtung des gesamten Genoms zwischen zwei Arten bietet „MUMmer“ eine schnelle Ausrichtung über Suffixbaum-basierte Maximal Unique Matches (MUMs). Führen Sie „nucmer –maxmatch -p Output Reference.fasta query.fasta“ aus, um eine Delta-Datei zu generieren. Filtern Sie nach zuverlässigen Alignments mit „delta-filter -l 1000 -i 90 Output.delta > filtered.delta“, was Alignments von mindestens 1000 bp mit 90 % Identität erfordert. In Koordinaten konvertieren und mit „mummerplot“ visualisieren: „mummerplot -l -p output filtered.delta -R reference.fasta -Q query.fasta –postscript“. Für die Syntenieanalyse auf Chromosomenebene verwenden Sie „MCScanX“ für annotierte Genome. Bereiten Sie BLASTP-Ergebnisse zwischen allen Proteinpaaren aus beiden Genomen vor: „blastp -query query.pep -db reference.pep -outfmt 6 -out blow.out“. Führen Sie „MCScanX“ aus, um kollineare Blöcke zu identifizieren: „MCScanX ./blast_output“. Untersuchen Sie Synteny-Dot-Plots und Karyotyp-Visualisierungen mit „RIdeogram“ in R oder „JCVI“ in Python (unter Verwendung des Moduls „jcvi.graphics.karyotype“). Um konservierte nichtkodierende Elemente (CNEs) zu identifizieren, richten Sie Genome mit „LASTZ“ oder „WGA“ aus und extrahieren Sie intergene und intronische Regionen aus dem Alignment. Filtern Sie dabei nach Sequenzen mit >70 % Identität über mindestens 50 bp zwischen Arten, die vor >50 Millionen Jahren divergierten, was auf eine reinigende Selektion hinweist. PhastCons oder PhyloP aus dem PHAST-Paket berechnen Erhaltungswerte über mehrere Ausrichtungen hinweg: „phastCons –target-coverage 0.3 –expected-coverage 2.5 –msa-format MAFalignment.mafconservation.bed“. Führen Sie für die Pangenomanalyse innerhalb einer Art „Panaroo“ auf Bakteriengenomen aus: „panaroo -i *.gff -o pangenome_output –clean-mode strict“ und untersuchen Sie die Kern-/Zusatzgenmatrix. Die Orthologiezuordnung über viele Genome hinweg verwendet „OrthoFinder“: „orthofinder -f proteomes_dir -t 8“.
