Qualitätskontrolle für die Gensequenzierung

Forscher am Departement Biosysteme der ETH Z¨¹rich in Basel entwickelten eine neue Methode, mit der sie das riesige Sortiment an Antik?rpern eines Lebewesens auf einen Schlag genetisch erfassen k?nnen. Damit k?nnen sie beispielsweise sehr pr?zise nachverfolgen, wie das Immunsystem nach einer Impfung oder einer Infektion Antik?rper zur Abwehr eines Krankheitserregers herstellt. Die neue genetische Methode von Wissenschaftlern um Sai Reddy, Professor f¨¹r Biomolekulartechnik, liefert weit mehr Informationen als bisherige, seit Jahrzehnten existierende Techniken der Antik?rperbestimmung.

Die Technik der ETH-Wissenschaftler analysiert anstatt der Antik?rper-Proteine die Boten-RNA-Molek¨¹le, welche der k?rpereigenen Proteinherstellungsmaschinerie als Bauanleitung f¨¹r die Antik?rper dient. Um die Bauanleitungen zu entziffern sowie um deren Anzahl zu bestimmen, setzen Wissenschaftler die sogenannte RNA-Sequenzierung ein.

Grosse Zahl an Antik?rpern

?Die Wissenschaft machte bei der Sequenzierungstechnik in den vergangenen Jahren grosse Fortschritte. Sequenzierungen sind schneller und billiger geworden. Ausserdem k?nnen heute rechnergest¨¹tzt riesige Datenmengen verarbeitet und ausgewertet werden?, erkl?rt Reddy. ?Dennoch war die Methode f¨¹r die Analyse von Antik?rper-RNA bisher schlecht geeignet.?

Zu den grossen Herausforderungen geh?rt, dass die Zahl der Antik?rper im K?rper riesig ist ¨C Sch?tzungen zufolge gibt es davon mehrere Milliarden verschiedene Varianten. Deren Unterschiede auf genetischer Ebene sind zum Teil gering.

Genauigkeit als Herausforderung

Um RNA-Molek¨¹le f¨¹r die Sequenzierung vorzubereiten, kopieren Wissenschaftler deren genetischen Code zun?chst milliardenfach. Dabei k?nnen sich Fehler (Mutationen) einschleichen. Bisher war es f¨¹r Wissenschaftler nicht einfach zu entscheiden, ob zwei leicht unterschiedliche genetische Sequenzen tats?chlich f¨¹r zwei verschiedene Antik?rper stehen oder nicht doch f¨¹r einen einzigen Antik?rper, bei dem sich bei der Probenvorbereitung Mutationen eingeschlichen haben.

Ausserdem lieferte die Sequenzierung eines Gemischs von RNA-Molek¨¹len bisher nur sehr ungenaue Angaben ¨¹ber die H?ufigkeit der jeweiligen Molek¨¹le im Gemisch. Der Grund daf¨¹r: Beim erw?hnten Kopieren der RNA-Molek¨¹le werden nicht alle Molek¨¹le im genau gleichen Ausmass vervielf?ltigt.

?ber 98 Prozent der Fehler vermeiden

Um diesen Problemen zu begegnen erg?nzten Reddy und seine Kollegen die RNA-Sequenzierung nun mit einem Kontrollsystem, das auf genetischen Barcodes beruht. Damit und mit einer computergest¨¹tzten Auswertung der Sequenzierungsdaten ist es ihnen gelungen, die Genauigkeit der Sequenzierung massiv zu erh?hen, sowohl was k¨¹nstlich eingef¨¹gte Mutationen als auch die relative Konzentration der RNA-Molek¨¹le im Gemisch angeht. ??ber 98 Prozent aller Fehler merzen wir damit aus?, sagt Tarik Kahn, ein Postdoc in Reddys Gruppe.

Konkret wird im neuen Verfahren jedes RNA-Molek¨¹l vor der Vervielf?ltigung mit einem zuf?lligen aber einmaligen genetischen Barcode etikettiert. Zus?tzlich wird auch w?hrend der Vervielf?ltigung den Molek¨¹len ein einmaliger Barcode angeh?ngt.

Anhand der Barcodes k?nnen die Wissenschaftler in einer computerbasierten Auswertung der Sequenzierungsdaten die urspr¨¹nglichen Antik?rper-RNA-Molek¨¹le bestimmen (und sie von den im Sequenzierungsprozess mutierten Molek¨¹len unterschieden). Ausserdem k?nnen die Forscher anhand der Barcodes und mit einem Algorithmus die tats?chliche H?ufigkeit der Antik?rper-RNA-Molek¨¹le bestimmen.

Impfstoffentwicklung und Fr¨¹herkennung

Die neue Methode erlaubt nun den Einsatz der Sequenzierung von Antik?rper-RNA in der immunologischen Forschung. Hilfreich ist sie etwa f¨¹r die Entwicklung von Antik?rper-Medikamenten und Impfstoffen. Reddy arbeitet dabei mit verschiedenen Pharmafirmen zusammen. ?Man kann mit unserer Technik zum Beispiel sehr genau nachverfolgen, wie sich eine Immunantwort mit der Zeit ver?ndert, etwa in Patienten mit einer HIV-Infektion?, sagt der ETH-Professor, der f¨¹r seine Forschung k¨¹rzlich eines der begehrten Stipendien des Europ?ischen Forschungsrats ERC erhalten hat. ?Mit den bisherigen Messungen von Antik?rper-Proteinen haben Wissenschaftler vor allem die sehr h?ufigen Antik?rper entdeckt. Eine Immunantwort bringt jedoch immer eine ganze Reihe von leicht unterschiedlichen Antik?rpern hervor. Mit der Sequenzierung lassen sich auch die weniger h?ufigen darunter sehr genau ¨C und sehr schnell ¨C charakterisieren.?

Ausserdem kann man mit der Antik?rper-RNA-Sequenzierung bereits in einem fr¨¹hen Stadium geringe Mengen an Antik?per-RNA nachweisen, w?hrend man bei der Proteinmessung auf eine gen¨¹gend hohe Konzentration von Antik?rper-Protein im Blut angewiesen ist. Die Sequenzierung er?ffnet daher neue M?glichkeiten f¨¹r die Diagnose, zum Beispiel f¨¹r die Fr¨¹herkennung von Krebs oder von Autoimmunkrankheiten.