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Der Charme der Hochdurchsatzsequenzierung: Wie können RAD-Marker die Spielregeln der Genetik verändern?
Mit der rasanten Entwicklung der Genomik werden ständig neue Werkzeuge und Technologien für die Genforschung eingeführt, und das Aufkommen von Restriktionsstellen-assoziierten DNA-Markern (RAD) hat zweifellos revolutionäre Veränderungen auf diesem Gebiet mit sich gebracht. Dieser neue Typ genetischer Marker kann nicht nur die Assoziationskartierung, QTL-Kartierung, Populationsgenetik und andere Studien erleichtern, sondern zeigt auch großes Potenzial in der ökologischen Genetik und der Evolutionsgenetik.
Der Charme von RAD-Markern liegt in ihrer Fähigkeit, Polymorphismen im Genom schnell und effizient zu scannen, was ein beispielloses Mittel für die Genforschung darstellt.
Bei der RAD-Markierung besteht der Kernprozess darin, RAD-Tags zu isolieren, bei denen es sich um DNA-Sequenzen in der Nähe jeder spezifischen Restriktionsstelle eines Restriktionsenzyms im Genom handelt. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Forscher insbesondere Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) genauer identifizieren und genotypisieren können. Obwohl das Aufkommen der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie neue Herausforderungen mit sich brachte, hat es auch die Anwendung von RAD-Markern zu einer möglichen und kostengünstigen Option gemacht.
Der Trennungsprozess von RAD-Tags
Die Isolierung von RAD-Tags erfordert den Verdau der DNA mit spezifischen Restriktionsenzymen, gefolgt von der Ligation von Biotin-markierten Adaptern an Hänge. Bei diesem Verfahren wird die DNA nach dem Zufallsprinzip in Fragmente geschnitten, die kleiner als der Abstand zwischen den Restriktionsstellen sind, und dann werden Streptomycin-Kügelchen verwendet, um die mit Biotin beladenen Fragmente zu isolieren. Solche Vorgänge wurden ursprünglich für die Microarray-Analyse vorbereitet, aber mit der Weiterentwicklung der Technologie wird heute häufig Hochdurchsatzsequenzierung zur Durchführung dieses Prozesses verwendet, was die Verarbeitungsleistung und Genauigkeit der Daten erheblich verbessert.
Neue Verfahren zur Tag-Trennung sind ein wichtiger Bestandteil des Hochdurchsatz-Sequenzierungsprozesses und machen die Genomanalyse effizienter.
Nachweis und Genotypisierung von RAD-Markern
Nachdem die RAD-Tags wieder isoliert wurden, besteht der nächste Schritt darin, diese Tags zu verwenden, um Polymorphismen wie SNPs in der DNA-Sequenz zu identifizieren. Es ist erwähnenswert, dass frühere Microarray-Methoden aufgrund ihrer geringen Empfindlichkeit und der Unfähigkeit, alle polymorphen Veränderungen effektiv zu erkennen, bestimmte Einschränkungen bei der Identifizierung von RAD-Markern aufweisen. Andererseits kann mit der Förderung der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie eine höhere Genmarkerdichte erreicht werden, was es Forschern ermöglicht, die Vielfalt der Genome eingehend zu erforschen und ihr Verständnis der Beziehungen zwischen Arten zu beschleunigen.
Historischer Hintergrund und Entwicklung
Die erste Anwendung von RAD-Markern geht auf das Jahr 2006 zurück und wurde von Eric Johnson und William Cresko an der University of Oregon entwickelt. Zunächst verwendeten sie RAD-Marker, um Rekombinations-Breakpoints in Drosophila zu identifizieren und QTLs in Dreistachligen Tintenfischen nachzuweisen. Im Laufe der Zeit haben sich die RAD-Markierungstechnologien weiterentwickelt und sind leistungsfähiger und vielfältiger geworden, wie beispielsweise die Double-Digested-RADseq-Technologie (ddRADseq) im Jahr 2012, die ein kostengünstiges Scannen ermöglicht, insbesondere bei der Auswahl des gesamten Genoms und der Populationsanpassung.
Innovativer Ansatz: hyRAD
Im Jahr 2016 schlugen Forscher eine neue Methode namens Hybrid Capture RAD (hyRAD) vor, bei der mit Biotin markierte RAD-Fragmente als Sonden verwendet werden, um homologe Fragmente aus Genombibliotheken effektiv einzufangen, sodass auch bei der Analyse stark degradierter DNA-Proben dies möglich ist durchgeführt. Dieser Ansatz verringert nicht nur die Abhängigkeit von Restriktionsstellen, sondern ermöglicht es Forschern auch, die Vielfalt des Genoms umfassender zu erforschen.
Die Entstehung von hyRAD hat einen neuen Forschungsraum in verwandten Forschungsbereichen wie Paläontologie und Naturgeschichte eröffnet und uns mehr Möglichkeiten zum Verständnis des evolutionären Hintergrunds von Arten geboten.
Durch die Einführung der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie ist die Anwendung von RAD-Markern nicht mehr auf Forschungslabore beschränkt, sondern kann in der Ökosystemforschung umfassender eingesetzt werden. Sein Vorteil besteht darin, dass es mehrere Arten gleichzeitig analysieren und die Beziehung zwischen Genomdaten und biologischen Phänomenen effektiv verknüpfen kann. Welche Durchbrüche und Innovationen wird die Genforschung in Zukunft mit der Weiterentwicklung dieser Technologien bringen?
