A multi-tissue transcriptome and expression atlas of Astacus leptodactylus: assembly and annotation

Die Bibliothek der Baupläne des Lebens

Stellen Sie sich die gesamte Geschichte eines Lebewesens vor, geschrieben in einem einzigen, massiven Buch aus DNA. Dieses Buch, das Genom genannt wird, enthält die Anweisungen für den Bau von allem, vom winzigen Ameisenwesen bis zum riesigen Wal. Doch nur weil ein Buch existiert, bedeutet das nicht, dass jede Seite gleichzeitig gelesen wird. Tatsächlich sind die meisten Seiten geschlossen. Der Prozess, bestimmte Seiten zu öffnen, um die Anweisungen zu lesen und sie in Taten umzusetzen, wird als „Genexpression“ bezeichnet. Wissenschaftler untersuchen diese „offenen Seiten“ oft anhand eines Moleküls namens RNA, das wie eine Fotokopie der aktiven Anweisungen fungiert.

Lange Zeit verfügten Wissenschaftler über detaillierte „Bibliotheken“ dieser Fotokopien für berühmte Modelltiere wie Fruchtfliegen oder Mäuse. Aber für viele andere Kreaturen, insbesondere solche, die in der Wildnis leben, wie etwa Krebse, fehlen diese Bibliotheken entweder völlig oder sind sehr unvollständig. Ohne eine gute Bibliothek ist es schwer zu verstehen, wie diese Tiere die Welt wahrnehmen, ihre Muskeln bewegen oder auf ihre Umgebung reagieren. Diese Arbeit schließt diese Lücke, indem sie sich auf eine spezifische Art von Flusskrebchen konzentriert, den Schmalerdenkrebschen (Astacus leptodactylus), der sowohl für die Natur als auch für die lokale Fischereiindustrie in Regionen wie der Türkei und Osteuropa von großer Bedeutung ist. Das Ziel hierbei ist es, einen umfassenden „Expressionsatlas“ zu erstellen – eine Karte, die genau zeigt, welche Gene in welchen Teilen des Körper des Krebses aktiv sind, von seinen Augen bis hin zu seinen winzigen Sinnesnerven.

Den ultimativen Bedienungsanleitung für den Krebs erstellen

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern, die vollständigste jemals zusammengestellte Bedienungsanleitung für den Schmalerdenkrebschen (Astacus leptodactylus) zu erstellen. Stellen Sie sich den Körper des Krebses wie eine geschäftige Stadt mit zwölf verschiedenen Bezirken vor, von denen jeder eine sehr spezifische Aufgabe erfüllt: Einige kümmern sich um die Verdauung, andere steuern die Bewegung, und einige sind der Wahrnehmung der Welt durch Tastsinn und Sicht gewidmet. Die Forscher wollten genau wissen, welche „Arbeit“ in jedem einzelnen Bezirk verrichtet wurde.

Um dies zu erreichen, betrachteten sie nicht nur einen Teil des Krebses; sie sammelten Proben aus zwölf verschiedenen Geweben, darunter die Antennen, das Herz, den Magen und sogar einen sehr speziellen, winzigen Teil des Nervensystems, das „abdominale Rezeptorgan“. Dieses Organ ist wie ein hochtechnologischer Sensor, der dem Krebs hilft, Vibrationen und Bewegungen im Wasser zu spüren. Durch das Sammeln von Daten aus all diesen Orten zielte das Team darauf ab, das volle Spektrum der biologischen Aktivitäten des Krebses zu erfassen.

Der Prozess war ein wenig so, als versuchte man, eine zerrissene Enzyklopädie aus tausenden winzigen Papierschnipseln zu rekonstruieren. Die Forscher begannen damit, die RNA aus 37 verschiedenen Proben zu sequenzieren, wodurch eine gewaltige Menge an Daten generiert wurde – über 1,8 Milliarden Paare genetischer „Buchstaben“. Sie verwendeten dann drei verschiedene Computerprogramme, um zu versuchen, diese Schnipsel wieder zu vollständigen Sätzen (Transkripten) zusammenzufügen. Ein Programm versuchte, die Sätze von Grund auf neu zu erstellen (de novo), während ein anderes versuchte, einen groben Entwurf des Genoms des Krebses (den Master-Bauplan) als Leitfaden zu nutzen.

Das Team stellte fest, dass der Aufbau von Grund auf schwierig war, da das Genom des Krebses riesig ist und voller repetitiver Muster, was es leicht macht, sich zu verirren. Doch indem sie die Ergebnisse der verschiedenen Computerprogramme kombinierten und intelligente Filter verwendeten, um Duplikate oder unordentliche Teile zu entfernen, gelang es ihnen, eine endgültige Bibliothek mit 93.345 Transkripten zusammenzustellen. Diese Sammlung ist wie ein riesiges Wörterbuch der aktiven Gene des Krebses. Um zu überprüfen, ob ihr Wörterbuch gut war, verwendeten sie einen Standardtest namens BUSCO, der nach einem Satz von 1.536 Genen sucht, die fast alle Krebstiere besitzen sollten. Ihre Bibliothek war zu 89,5 % vollständig, was bedeutet, dass sie fast alle wesentlichen Gene, nach denen sie suchten, erfolgreich gefunden hatten.

Einer der spannendsten Teile dieses Projekts war die Einbeziehung der Nervensystemgewebe. Frühere Studien hatten diese ausgelassen, was eine große Lücke in unserem Verständnis darüber hinterließ, wie Krebse denken und fühlen. Die Fors viên suchten gezielt nach Genen, die mit Ionenkanälen zusammenhängen – winzigen Toren in Zellen, die Elektrizität und Bewegung steuern. Sie hatten zuvor zehn spezifische Ionenkanal-Gene dieser Krebsart geklont und nutzten diese als einen „Testschlüssel“, um zu sehen, ob ihre neue Bibliothek die richtigen Schlüssel enthielt. Das Ergebnis? Alle zehn dieser spezifischen Kanäle wurden in ihrer neuen Bibliothek gefunden, mit einer Übereinstimmungsrate von 84 % bis 100 %. Noch besser: Die Bibliothek zeigte, dass diese elektrischen Kanäle genau dort aktiv waren, wo sie sollten: Die Nervenkanäle waren in den Gehirnen und sensorischen Neuronen laut und deutlich präsent, während die muskelsteuernden Kanäle in den Muskeln „summen“. Dies bestätigte, dass ihre Karte nicht nur eine zufällige Sammlung von Wörtern war, sondern ein biologisch akkurater Leitfaden.

Die Forscher entdeckten zudem, dass etwa 25.729 dieser Transkripte mit bekannten Proteinen in anderen Tieren abgeglichen werden konnten, was ihnen Namen und Funktionen gab. Eine jedoch sehr große Menge der Bibliothek – etwa 67.616 Transkripte – entsprach keinem Eintrag in bestehenden Datenbanken. Zuerst könnte man befürchten, dass dies Fehler seien, aber das Team bewies, dass sie real waren, indem sie zeigten, dass sie perfekt mit dem eigenen DNA-Bauplan des Krebses übereinstimmten. Dies deutet darauf hin, dass der Krebs tausende von einzigartigen Genen besitzt, die noch nie zuvor gesehen wurden, wahrscheinlich weil sie spezifisch für Krebstiere sind und bisher noch nicht untersucht wurden.

Letztendlich stellt diese Arbeit eine grundlegende Ressource für Wissenschaftler bereit. Es ist nicht nur eine Liste von Genen; es ist ein funktionaler Atlas, der zeigt, wie der Körper des Krebses in Echtzeit arbeitet. Indem sie die Aktivität in den sensorischen Neuronen und anderen Geweben erfassten, die zuvor ignoriert wurden, haben die Forscher die Tür zum Verständnis darüber geöffnet, wie diese Kreaturen ihre Umwelt wahrnehmen, wie sie sich bewegen und wie sie auf Veränderungen in ihrem Ökosystem reagieren könnten. Die Daten sind nun öffentlich zugänglich und bereit, von anderen Wissenschaftlern als Ausgangspunkt für zukünftige Entdeckungen über diese faszinierenden Geschöpfe genutzt zu werden.