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PopDel

Neue Software zur Erkennung von DNA-Genmutationen (Deletionen)


9. Februar 2021

Das menschliche Genom enthält etwa drei Milliarden Basenpaare. Im Durchschnitt unterscheiden sich die Genomsequenzen zweier Menschen in etwa einem von 1.000 Basenpaaren voneinander. Dabei treten unterschiedliche Varianten auf. Von ausgetauschten Basenpaaren bis hin zu ganzen fehlenden DNA-Abschnitten. Wissenschaftler:innen des Regensburger Centrums für Interventionelle Immunologie (RCI) und des Berlin Institute of Health (BIH) haben gemeinsam mit isländischen Forscher:innen „PopDel“ entwickelt, eine Software, die zuverlässig und schnell große Mutationen in Zehntausenden von Genomen gleichzeitig identifiziert. PopDel kann eine Grundlage für die Identifizierung von Mutationen sein. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Das menschliche Genom enthält rund drei Milliarden Basenpaare und ist auf 46 Chromosomen verteilt. Doch die genetische Variation von Mensch zu Mensch ist sehr gering:. Manchmal werden einzelne Basenpaare im Genom ausgetauscht, ein anderes Mal werden ganze Abschnitte verschoben. „Große strukturelle Veränderungen sind viel seltener als Veränderungen einzelner Basenpaare, aber sie haben oft einen größeren Einfluss auf die Ursache von Krankheiten", sagt Dr. Birte Kehr, seit kurzem Professorin für Algorithmische Bioinformatik am Regensburger Centrum für Interventionelle Immunologie (RCI). Diese Veränderungen sind jedoch schwieriger zu erkennen. Um mehr über diese größeren Veränderungen zu erfahren, ist es hilfreich, große Datenbanken zu nutzen. Über eine solche Datenbank verfügt die isländische Firma deCODE Genetics. Deren Datenbank enthält rund 50.000 menschliche Genomsequenzen. „Wir hatten immer vor, in dieser Datenbank nach Mutationen zu suchen, aber wir hatten kein Programm, das diese riesigen Datenmengen zuverlässig und schnell verarbeiten konnte", erklärt Professorin Kehr.


Die bisher verfügbaren Programme zur Identifizierung von Strukturvarianten konnten nur die Daten weniger Individuen gleichzeitig verarbeiten. Bei großen Datensätzen mussten die Ergebnisse dann kombiniert werden, was ein umständlicher und fehleranfälliger Prozess war. „Ziel war es, zunächst ein statistisches Modell zu entwickeln, mit dem wir Informationen aus allen Genomen gleichzeitig auswerten können", berichtet Sebastian Niehus, der Erstautor der Studie. „Dazu musste das Programm so gestaltet werden, dass ein Computer schnell große Datenmengen durchforsten kann."


Nachdem PopDel entwickelt war, musste es sich in verschiedenen Szenarien gegen andere Programme beweisen. "Es gelang uns zu zeigen, dass PopDel schnell, zuverlässig und ressourceneffizient gute Ergebnisse liefert, sowohl mit den Daten einer einzelnen Person als auch mit den Daten der größten Kohorten", so Niehus weiter. Kehr ergänzt: „PopDel brauchte nur zwei Tage, um die Genome von 150 Personen zu analysieren. Andere Programme nahmen dazu vier Wochen in Anspruch. Und auch die Ergebnisse von PopDel waren besser." Die Wissenschaftler:innen haben PopDel nun über das Paketmanagementsystem „Conda“ für die wissenschaftliche Gemeinschaft öffentlich zugänglich gemacht. Der Quellcode ist auf Github unter https://github.com/kehrlab/PopDel zu finden.
Allerdings kann PopDel nur gelöschte DNA-Abschnitte erkennen, nicht aber genetische Varianten, bei denen Abschnitte verdoppelt, invertiert oder transloziert wurden. Die Forscher:innen hoffen, die Software weiterentwickeln zu können, um künftig all diese Arten von genetischen Strukturvarianten zu erkennen. Langfristig sollen die gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Therapien führen, hofft Professorin Kehr.


„Wir hoffen, dass wir mit PopDel neue genetische Varianten identifizieren können, die für die Verbesserung von Immunzellfunktionen verantwortlich sind. Die Nachbildung solcher Mutationen mit Hilfe modernster Gen-Editing-Technologien würde dem RCI innovative zelluläre Plattformen für die Behandlung von Krebs und immunbezogenen Krankheiten wie Autoimmunität und Graft-versus-Host-Disease liefern", sagt Professor Philipp Beckhove, Direktor des RCI.

Über das RCI
Das RCI Regensburger Centrum für Interventionelle Immunologie ist ein außeruniversitäres Forschungszentrum mit Fokus auf die translationale Immunologie in den Bereichen Krebsimmuntherapie, chronische Entzündung und Autoimmunität. Ziel ist es, effektive zelluläre Immuntherapien in diesen Bereichen zu entwickeln.

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