Comparative Genomics

von Kirstin Meier (Laborjournal-Ausgabe 05, 2002)

Warum existieren verschiedene Arten von Blumen anstatt einer einzigen, überlegt Albert Camus 1942 und vermerkt diesen Gedanken in seinem Tagebuch. Die Vielfalt der Lebensformen bezaubert nicht nur den Dichter. Schon in der Antike studierten die Menschen Gestalt und Lebensweise von Pflanzen und Tieren, suchten Übereinstimmungen und entwickelten Theorien, wie diese Vielfalt zu erklären sei. Freilich überdauerte nicht jede Lehrmeinung; so verstand der Autor des "Physiologus", der mittelalterlichen Naturkunde, das Verhalten und Aussehen der verschiedenen Tiere als Muster der göttlichen Schöpfung, das es zu interpretieren galt. Carl von Linné untersuchte die anatomischen Ähnlichkeiten der Arten und beschrieb die Verwandschaftsbeziehungen mittels eines formalen Klassifikationssystems. Mit der Abstammungslehre Charles Darwins setzte sich langsam die Auffassung durch, dass die verschiedenen Arten das Ergebnis einer gemeinsamen Stammesgeschichte und nicht Folge göttlichen Wirkens sind. Doch auch wenn die Erklärungen der Artenvielfalt variierten, den Methoden ist eines gemeinsam: sie basieren auf dem Verfahren des Vergleiches. Die Sequenzierung zahlreicher Genome bietet neue Vergleichsmöglichkeiten. Nun versprechen sich die Forscher von der vergleichendne Genomanalyse einen gesicherten Stammbaum des Lebens.


Ungeahnte Beziehungen

Innerhalb der letzten Jahre haben sich die Methoden der Genomik und Bioinformatik auch zu einem effektiven Handwerkszeug der evolutionsbiologischen Forschung entwickelt. im Fortschrittstaumel der ersten Erfolge wurde von den jungen Forschungsdisziplinen nun die Lösung aller Probleme erwartet, während die Methoden der vergleichenden Morphologie mehr und mehr ins Hintertreffen gerieten. Nicht leicht tragen die neuen Disziplinen an den hoch gesteckten Erwartungen. Die Grundidee der vergleichenden Genomanalyse ist einleuchtend: da alle lebenden Organismen von gemeinsamen Vorfahren abstammen, müssen die Genome nahe verwandter Lebewesen viele, diejenigen von Lebewesen mit einem geringeren Verwandtschaftsgrad weniger gemeinsame Sequenzen aufweisen. Dazu werden heutzutage Genschnipsel verschiedener verfügbarer Organismen mit Hilfe von Hochleistungsrechnern positioniert, ausgewertet und verglichen. Das klingt einfach, ist in der Praxis aber weit komplizierter: Aus einer scheinbar sinnlosen Menge an genomischem Material eine sinnvolle Auswahl zu treffen bereitet Schwierigkeiten. Zum Beispiel treten in komplexen Genomen häufig Genverdopplungen auf, weshalb man etwa beim Sequenzvergleich von Maus und Mensch zwar um die Identität vieler Gene weiß, jedoch nicht, wie viele Duplikate eines Gens in jedem der beiden Organismen aktiv sind.

Den Problemen zum Trotz bieten die molekularen Vergleichsmöglichkeiten aber Erkenntnisse, die der morphologischen Betrachtung verborgen bleiben. Über die Gemeinsamkeiten von Hefe, Fisch und Mensch kann der Vergleich der Anatomie wenig aussagen. Adäquate Gensequenzen dagegen können diese drei Organismen zueinander in Beziehung setzen.

Mit diesen, auf den ersten Blick seltsam erscheinenden Untersuchungen soll zweierlei erreicht werden. Zum einen versprechen die Vergleiche zwischen unbekannten Gensequenzen beim Menschen sowie den entschlüsselten Sequenzen anderer Lebewesen einen Aufschluss über die Funktion der menschlichen Gene. Zum anderen finden sich mögliche Verwandtschaftsbeziehungen, die sich unter dem bisherigen Verständnis ausschließen würden. Bei der Rekonstruktion der genetischen Stammbäume kann jede Sequenz als einzeln untersuchbares Merkmal betrachtet werden. Somit liefern diese Daten einen großen Merkmalsumfang, eine feine Auflösung und zum Teil überraschende Ergebnisse.


Mikroben ohne Modelle

Einen Menschen von einem Schimpansen nach dem äußeren Erscheinungsbild zu unterscheiden bereitet keine Schwierigkeiten. Umso erstaunlicher ist der Blick auf das Genom: nur 1,3 Prozent seines Erbgutes teilt der Mensch nicht mit dem Schimpansen. Diese Gene müssen sich in einer rasend schnellen Evolution herausgebildet haben. Aber nicht nur die nahen Verwandten, auch Maus und Zebrafisch weisen große genetische Übereinstimmungen mit dem menschlichen Genom auf Die Ähnlichkeiten zeigen aber auch im Umkehrschluss, dass Gene und Genprodukte in einem komplexen Wechselspiel die vordergründig kleinen Unterschiede mit großer Wirkung potenzieren.

Ganz anders in der Welt der Mikroorganismen. Die unscheinbaren, ähnlich aufgebauten Organismen verblüffen durch eine enorme Variabilität der Genomgröße und der vollkommen unterschiedlichen Anzahl bestimmter Basenpaare. Vergleichsstudien ergaben, dass über 25 Prozent der codierenden Sequenz jeder Spezies einmalig sind und keine erkennbare Ähnlichkeit zu einer anderswoher bekannten Sequenz aufweisen. Die Idee, über Modellorganismen die Funktion der Gene zu ergründen, funktioniert im Bereich der Mikrobiologie daher wahrscheinlich nicht. Dafür haben die Vergleichsstudien der mikrobiellen Genome bereits zu Umstrukturierungen des Stammbaums der Mikroorganismen geführt. Und nicht zuletzt haben die modernen Sequenzanalysen von Bakterien, Archaebakterien und Eukaryoten die Einmaligkeit der Stammbaumlinie der Archaebakterien eindrucksvoll bestätigt.



Letzte Änderungen: 20.10.2004