Hochwertige Referenzgenom-Assemblierung der Nilratte erleichtert die Diabetesforschung

Modellorganismen sind für die biomedizinische Forschung unerlässlich und haben viele wichtige wissenschaftliche Entdeckungen ermöglicht. Die Fähigkeit, die Genome dieser Modelle zu sequenzieren, ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der genetischen Faktoren, die sich auf die menschliche Gesundheit auswirken.

Die Hausmaus (Mus musculus) und die Spitzratte (Rattus norvegicus) werden aufgrund ihrer genetischen Ähnlichkeit mit dem Menschen häufig in der Forschung eingesetzt. Aber ein anderes Nagetier steigt durch die Reihen -; Arvicanthis niloticus, die Nilratte.

Neue Forschungsergebnisse, die heute in BMC Biology veröffentlicht wurden, liefern eine hochwertige Referenzgenomanordnung für die Nilratte und erweitern ihr Potenzial als Modellorganismus.

Wir brauchen Forschungswerkzeuge, die es uns ermöglichen, mit der Nilratte die gleichen Dinge zu tun, die wir mit der Labormaus gewohnt sind. Das Referenzgenom zu haben, ist ein Fortschritt in Richtung dieses Ziels.“

Yury Bukhman, Computerbiologe in der Stewart Computational Biology Group in Morgridge und leitender Autor des Projekts

Insbesondere dient die Nilratte als alternatives Modell in zwei Forschungsbereichen, in denen Labormäuse und Ratten Einschränkungen haben -; Typ-2-Diabetes und Störungen im Zusammenhang mit einem gestörten zirkadianen Rhythmus.

Mäuse und Ratten sind nachtaktive Tiere, daher sind sie weniger wertvoll bei der Modellierung menschlicher zirkadianer Zyklen. Darüber hinaus können sie mit einer fettreichen Ernährung prädiabetische Symptome entwickeln, entwickeln aber selten langfristige diabetische Komplikationen wie Menschen mit der Krankheit.

„Man kann ihre Gene verändern, man kann ihnen übertriebene Mengen an Fett geben oder Chemikalien verwenden, um den Prozess zu beschleunigen. Aber das sind eine Menge zusätzlicher verwirrender Faktoren, die man in das Tiermodell hineindrückt, um das zu bekommen, was man will“, sagt der Erstautor Huishi Toh, ein Assistenzprojektwissenschaftler an der University of California Santa Barbara, der mit Jamie Thomson, emeritierter Direktor für regenerative Biologie bei Morgridge und Professor an der UCSB, zusammengearbeitet hat.

Die Nilratte ist tagaktiv und tagsüber aktiv wie der Mensch. Es hat jedoch im Vergleich zu nachtaktiven Nagetieren auch mehr Photorezeptoren in seinem Auge, was es für die Untersuchung menschlicher Netzhauterkrankungen relevant macht -; einschließlich diabetischer Retinopathie.

„Es gibt noch viel Raum für Entdeckungen bei Typ-2-Diabetes mit schwer zu beantwortenden Fragen. Deshalb dachten wir, dass es vielleicht an der Zeit ist, ein neueres Tiermodell zu riskieren“, sagt Toh. „Bedeutet es, dass es genauer ist oder dass Sie andere Modelle ersetzen können? Nein, natürlich nicht. Aber Sie können auch andere Informationen finden, die nützlich sein können.“

Ein weiterer Vorteil der Nilratte besteht darin, dass sie als Auszuchtmodell dient, was bedeutet, dass ihre Genetik eine vielfältige Population widerspiegelt. Viele Stämme von Labormäusen werden seit Generationen durch Inzucht gezüchtet, wodurch stabile Populationen entstanden, die genetisch nahezu identisch sind. Dies ist nützlich, um die experimentelle Variabilität zu reduzieren, aber weniger nützlich, wenn die komplexen genetischen Faktoren untersucht werden, die zu Krankheiten beitragen.

„Wir wissen auch, dass Epigenetik wirklich wichtig ist – die Kreuzung der Umwelt mit den genetischen Komponenten –, also müssen wir beide untersuchen. Deshalb benötigen wir ein sehr hochwertiges Genom, um dies zu ermöglichen“, sagt Toh.

Das Genom der Nilratte ist das Ergebnis einer umfangreichen internationalen Zusammenarbeit, an der das Vertebrate Genomes Project beteiligt war, ein Konsortium von Forschern, das darauf abzielt, Genome aller Wirbeltierarten in Referenzqualität zusammenzustellen.

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Die Technologie zur Herstellung einer vollständigen und hochgenauen Genomsequenz ist relativ neu. Um ein großes Genom zu sequenzieren, muss die DNA-Sequenz normalerweise in kürzere Längen zwischen 100 und 300 Nukleotiden zerhackt und dann wieder zu längeren zusammenhängenden Sequenzen (Contigs) zusammengesetzt werden. Aber dieser Ansatz neigt dazu, viele Lücken zu hinterlassen.

„Ein wichtiges Maß für die Qualität des Genoms ist die Länge eines durchschnittlichen Contigs. Grundsätzlich gilt: Je länger es ist, desto weniger Lücken hat man“, sagt Bukhman. „Unsere ist eine der längsten.“

Das Forschungsteam wandte die Long-Read-Sequenzierungstechnologie an, um längere Contigs aus Reads mit einer Länge von etwa 10.000 bis 20.000 Nukleotiden zusammenzusetzen. Sie verwendeten auch mehrere Technologien, um Contigs zu Gerüsten zu verbinden, die sich über die Länge eines Chromosoms erstrecken. Schließlich konnten sie zwei Kopien des Genoms vollständig auflösen -; diejenige, die das sequenzierte Individuum von seiner Mutter und diejenige von seinem Vater geerbt hat.

„Diese Technologien entwickeln sich sehr schnell“, sagt Bukhman. „Ich denke, der heilige Gral wäre, einfach ein ganzes Chromosom sequenzieren zu können, und zwar genau. Das ist jedoch noch nicht geschehen.“

Ein weiterer Maßstab ist die Vollständigkeit des Genoms. Das Team analysierte ihre Nilrattensequenz durch eine Datenbank namens BUSCO (Benchmarking Universal Single Copy Orthologe), die eine Reihe von Genen bereitstellt, die häufig in der interessierenden phylogenetischen Gruppe, in diesem Fall Nagetieren, vorkommen.

„Wir spielen im Grunde in derselben Liga wie die anderen Nagetier-Modellorganismen“, sagt Bukhman. „Wir finden vollständige Sequenzen von 99 % der BUSCO-Gene, sodass uns nicht viele proteincodierende Sequenzen fehlen.“

Mit einer qualitativ hochwertigen Sequenz in der Hand suchten die Forscher nach Mustern im Genom, wie zum Beispiel Genen, die bei Nilratten eine andere Anzahl von Kopien aufweisen als bei Hausmäusen, die Kandidaten für zukünftige Studien sein könnten.

Sie verwendeten auch Kinderminer und Serial KinderMiner (SKiM) -; Anwendungen, die von der Stewart Computational Biology Group in Morgridge entwickelt wurden; um PubMed-Abstracts abzufragen und mit Typ-2-Diabetes assoziierte Gene zu identifizieren.

„Zu diesem Zeitpunkt haben wir noch keine ‚rauchende Waffe'“, sagt Bukhman. „Sie können immer eine Liste von Genen bekommen. Aber woher wissen Sie dann, dass sie bei Diabetes wirklich wichtig sind? Das wird jahrelange experimentelle Arbeit erfordern.“

Da die Nilratte nun über ein qualitativ hochwertiges Referenzgenom verfügt, hoffen Bukhman und Toh, dass die Art in der biomedizinischen Forschung weiter verbreitet wird.

„Die Leute wehren sich dagegen, neue Tiermodelle zu verwenden, weil es viel Geld, viel Mühe und viel Risiko bedeutet“, sagt Toh. „Aber wir haben uns entschieden, den unkonventionellen Weg einzuschlagen. In der Forschung besteht Überleben meiner Meinung nach darin, unterschiedliche Geschmacksrichtungen, unterschiedliche Flugbahnen zu finden. Und wir haben einen Teil dieses Risikos beseitigt.“

Als unabhängige Forschungsorganisation erkundet das Morgridge Institute for Research wissenschaftliches Neuland, um die Heilmittel von morgen zu entdecken. In Zusammenarbeit mit der University of Wisconsin-Madison unterstützen wir Forscher, die einen furchtlosen Ansatz verfolgen, um die menschliche Gesundheit in aufstrebenden Bereichen wie der regenerativen Biologie, dem Stoffwechsel, der Virologie und der biomedizinischen Bildgebung voranzubringen. Darüber hinaus arbeiten wir durch öffentliche Programme daran, die wissenschaftliche Neugier im Alltag zu wecken.

Quelle:

Morgridge Institut für Forschung

Referenz:

Toh, H., et al. (2022) Ein Haplotyp-aufgelöster Genomaufbau der Nilratte erleichtert die Erforschung der genetischen Grundlagen von Diabetes. BMC-Biologie. doi.org/10.1186/s12915-022-01427-8.

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