Applications of Comparative Genomics: Dissemination and Phylogeny of Coding and Non-Coding Gene Families

Die vergleichende Genomik ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, in dem die genetische Zusammensetzung mehrerer Arten verglichen wird. Sie zielt darauf ab, die Ähnlichkeiten und Unterschiede in den Genomen verschiedener Organismen zu verstehen, um Erkenntnisse über ihre evolutionären Beziehungen, funktionellen Merkmale und Anpassungen zu gewinnen. Zu den wichtigsten Anwendungen der vergleichenden Genomik gehören die phylogenetische Rekonstruktion, bei der Wissenschaftler Evolutionsbäume konstruieren, um die Evolutionsgeschichte von Arten oder Genen zu veranschaulichen, und Orthologiebestimmungen, bei denen homologe Gene mit gemeinsamer Abstammung und ähnlichen Funktionen in verschiedenen Organismen identifiziert werden. In dieser Arbeit werden zwei biologisch motivierte Projekte hervorgehoben, bei denen bioinformatische Werkzeuge aus der vergleichenden Genomik zum Einsatz kommen. Außerdem führen Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie dazu, dass enorme Mengen an genomischen Daten erzeugt werden. Einerseits bietet diese Datenflut Wissenschaftlern in der vergleichenden Genomik beispiellose Möglichkeiten, um die genomische Vielfalt in großem Maßstab zu erforschen. Auf der anderen Seite stellt die immense Menge an Daten jedoch auch eine große Herausforderung für die Datenverarbeitung und -speicherung dar. Das erste Projekt dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Kiwellin- Proteinfamilie in Pflanzen, die eine entscheidende Rolle bei der Interaktion zwischen Pflanzen und Krankheitserregern spielt. Ziel des Projektes war es, die strukturellen Merkmale dieser Proteinfamilie zu verstehen und sie von den eng verwandten Barwin-like Proteinen zu unterscheiden. Die Ergebnisse wurden in der Publikation “Evolutionary reconstruction, nomenclature and functional meta-analysis of the Kiwellin protein family” veröffentlicht, in der eine systematische Nomenklatur entwickelt wurde, die drei verschiedene Unterklassen innerhalb der Kiwellin-Familie aufzeigen konnte. Darüber hinaus ergab eine Meta- Analyse öffentlich zugänglicher Transkriptomdaten spezifische Reaktionen von Kiwellinen in verschiedenen Pflanzengeweben und -sorten sowie ihre Reaktionen auf biotische und abiotische Stressfaktoren. Dies deutet darauf hin, dass diese Proteinfamilie möglicherweise als ein allgemeines Kommunikationsmolekül in Pflanzen fungiert. Diese Forschung bietet eine wertvolle Grundlage für weitere Untersuchungen der Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben. Das zweite Projekt befasste sich mit der kleinen nicht-kodierenden RNS, der so genannten 6S RNS, die mit Stressbewältigungsmechanismen in Bakterien in Verbindung gebracht wird. Innerhalb der Bakterien spielt die vielfältige Gruppe der Milchsäurebakterien (LAB) eine wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie, in der sie u.a. als Starterkulturen für Fermentationsprozesse oder als Probiotika fungieren. Einige LAB können jedoch auch als Krankheitserreger wirken und stellen somit eine potenzielle Bedrohung dar. Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, die 6S RNS zu identifizieren und ihre Eigenschaften in LAB zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden in der Veröffentlichung “Insights into 6S RNA in lactic acid bacteria (LAB)” publiziert. Die Forschung umfasste verschiedene Methoden, darunter sekundärstrukturgeleitete Alignments, Synteny-Klassifizierungen, phylogenetische Rekonstruktion und einen Leitfaden zur Identifizierung der 6S RNS. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit bieten wertvolle Einsichten für die Optimierung von Fermentationsprozessen, die Entwicklung von Markern für das Wachstumsstadium oder die Entwicklung möglicher Antibiotikazusätze. Das dritte Projekt drehte sich um das Tool zur Vorhersage von Orthologien, Proteinortho, das in der vergleichenden Genomik von großer Bedeutung ist, insbesondere in Bezug auf die beiden o.a. Projekte. Orthologe sind homologe Gene, die sich aus einem Speziationsereignis entwickelt haben und von denen man annimmt, dass sie ähnliche Funktionen artenübergreifend beibehalten haben. Die Bestimmung von Orthologen ist ein entscheidender Schritt bei zahlreichen Anwendungen, wie z.B. der Genomannotation, der phylogenetischen Analyse und der Supertree-Analyse. Aufgrund der bereits oben angesprochenen raschen Zunahme genomischer Daten ist es erforderlich, die Tools der Datenverabeitung stetig zu optimieren. In diesem Projekt haben wir eine algorithmische Aktualisierung von Proteinortho durchgeführt, mit besonderem Schwerpunkt auf der Verbesserung seiner primären Phasen: dem Sequenzvergleich und dem Clustering. Die Ergebnisse dieses Projekts sind in dem Artikel “Proteinortho6: Accelerating graph-based detection of (co-)orthologs in large-scale analyses” zu finden. Unsere Verbesserungen haben die Gesamtleistung und Skalierbarkeit des Tools für aktuelle Datensätze und verfügbare Rechenressourcen erheblich verbessert. Darüber hinaus wurden durch diese Aktualisierung die Verfügbarkeit, Interoperabilität und Benutzerfreundlichkeit des Tools verbessert, wodurch es für Wissenschaftler im Bereich der vergleichenden Genomik leichter handhabbar wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten Projekte dazu beitragen, ein klareres Bild der 6S RNS und der Kiwellinfamilie im Hinblick auf potentielle industrielle Anwendungen zu zeichnen und Verbesserungen an einem etablierten Tool aus dem Forschungsbereich der vergleichenden Genomik hervorzuheben.