DNA-Sequenzierung

DNA-Sequenzierung – Biologie

Die Sequenzierung der DNA dient nicht nur der Entschlüsselung unserer genetischen Information, sie liefert auch viele wichtige Erkenntnisse über unsere Geschichte: So spielt die sogenannte DNA-Sequenzierung eine wichtige Rolle in der Evolutionsforschung. Im Folgenden schauen wir uns an, was genau die DNA-Sequenzierung ist und wie das gängigste Verfahren der DNA-Sequenzierung – die Didesoxymethode nach Sanger – funktioniert.

DNA-Sequenzierung – Definition und Anwendung

Die DNA-Sequenzierung ist ein Analyseverfahren, bei dem die Nukleotidabfolge eines DNA‑Moleküls bestimmt wird. Dabei wird in der ermittelten Sequenz das Nukleotid durch die zugehörige Base beschrieben.

Wir erinnern uns an den Aufbau der DNA: Die DNA besteht aus zwei Strängen, die zueinander komplementär sind. Jeder Einzelstrang setzt sich aus aneinandergereihten Nukleotiden zusammen. Ein Nukleotid wiederum setzt sich aus einem Zucker, einem Phosphatrest und einer von vier Nukleinbasen zusammen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) oder Thymin (T). Die Abfolge von Nukleotiden und der darin enthaltenen Nukleinbasen legt unseren genetischen Code fest und gibt letztendlich vor, wie unsere Erbinformation in Proteine übersetzt wird.

Mithilfe der DNA-Sequenzierung kann man nicht nur das menschliche Genom, sondern die Erbinformation eines jeden Organismus entschlüsseln. Sie gibt Aufschluss über die genetische Zusammensetzung eines einzelnen und auch über Verwandtschaftsgrade verschiedener Organismen. So lässt sich zum Beispiel herausfinden, welche Arten im Laufe der Evolution aus anderen Arten hervorgegangen sind. Die DNA-Sequenzierung findet außerdem großen Nutzen in der medizinischen Forschung: So können mit ihrer Hilfe Proteine und ihre Funktionen, aber auch genetische Ursachen für Fehlbildungen oder -funktionen verstanden werden.

DNA-Sequenzierung nach Sanger

Die Didesoxymethode nach Sanger wurde in den 1970er-Jahren entwickelt und ist noch heute das gängigste Verfahren der DNA-Sequenzierung. Sie wird auch als Kettenabbruch-Methode bezeichnet – der Grund hierfür wird im Folgenden verdeutlicht.

DNA-Sequenzierung nach Sanger – Prinzip

Ausgangspunkt der DNA-Sequenzierung nach Sanger ist ein DNA-Einzelstrang, dessen Nukleotidabfolge bestimmt werden soll. Dazu wird ein zu dem Einzelstrang komplementärer Strang synthetisiert, also hergestellt. Diese Synthetisierung wird bei einer bestimmten Base abgebrochen. Dadurch dass man weiß, welche Base zuletzt – vor dem Abbruch – in den synthetisierten Strang eingebaut wurde, kann man Rückschlüsse auf die Position der jeweiligen Base in dem zu untersuchenden Strang ziehen. Wiederholt man diesen Vorgang sehr häufig und für unterschiedliche Abbruchbasen, lassen sich immer mehr Nukleotide des DNA-Strangs bestimmen und letztendlich kann man auf seine Zusammensetzung schließen.

DNA-Sequenzierung nach Sanger – Ablauf

Nun wollen wir uns den Ablauf der Kettenabbruch-Methode genauer ansehen. Zunächst wird der zu analysierende DNA-Doppelstrang erwärmt, wodurch man einen Einzelstrang erhält. Dieser wird mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt.
Die identischen Kopien der DNA werden im Folgenden auf vier verschiedene Probenansätze verteilt. Jeder Probensatz enthält die vier Nukleinbasen in Form von Desoxynukleosidtriphosphaten (dNTPs), die spezifisch an die Basen des Einzelstrangs binden (Thymin an Adenin und Cytosin an Guanin), wobei jeweils eine der vier Basen zusätzlich als Didesoxynukleosidtriphosphat (ddNTP) modifiziert vorliegt. So enthält beispielsweise einer der vier Ansätze ddATP, ein weiterer ddCTP usw.
Außerdem enthält jeder Ansatz das Enzym Polymerase und bekannte Primersequenzen, die den Startpunkt des Kopiervorgangs festlegen.
Nun erfolgt in jedem Probenansatz die Synthese komplementärer DNA-Stränge mit einer Besonderheit: Den ddNTPs fehlen die Bindungsstellen (Hydroxygruppe am Zuckermolekül) für das nächste Nukleotid, sodass nach ihrem Einbau die Synthese abgebrochen wird.

An einer willkürlichen Stelle des DNA-Strangs bindet eine modifizierte Base an den DNA-Strang. Dadurch dass viele DNA-Stränge vorliegen, findet man in jedem Probenansatz synthetisierte Stränge vor, die an unterschiedlichen Stellen abgebrochen wurden. An jeder Abbruchstelle wurde die Base gleicher Art als ddNTP verbaut. So verhält es sich für jeden Probenansatz – nur eben für unterschiedliche Abbruchbasen.

Nun müssen die abgebrochenen Sequenzen noch analysiert werden. Dafür wird häufig die sogenannte Gelelektrophorese eingesetzt. Zuerst werden die synthetisierten Stränge eingefärbt, dann durchlaufen sie ein Gel. Dieses Gel wirkt wie ein Sieb, das die Moleküle – je nach Länge – aufhält. Durch ihre Einfärbung hinterlassen die Sequenzen genau dort in dem Gel eine Markierung, wo sie aufgehalten wurden. Für jeden der Probenansätze wird diese Analyse durchgeführt und man erhält unterschiedliche Bandenprofile. Anhand dieser kann man auf die Zusammensetzung der zu untersuchenden DNA schließen.

DNA-Sequenzierung – Zusammenfassung

Nun wollen wir die wichtigsten Erkenntnisse aus diesem Video noch einmal stichpunktartig zusammenfassen:

• Die DNA-Sequenzierung liefert wichtige Erkenntnisse über die Erbinformation eines jeden Organismus und wird unter anderem in der Evolutionsforschung und Medizin eingesetzt.
• Die DNA-Sequenzierung ist ein Analyseverfahren, mit dem die Nukleotidabfolge der DNA bestimmt werden kann.
• Die gängigste Methode ist die Didesoxymethode nach Sanger. Sie wird auch als Kettenabbruch-Methode bezeichnet.

In diesem Video wird dir die DNA-Sequenzierung auf einfache Weise erklärt. Dazu werden unter anderem die Fragen Was ist die DNA-Sequenzierung? und Warum macht man die DNA‑Sequenzierung? beantwortet. Auch zu diesem Thema findest du interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt, sodass du dein neu gewonnenes Wissen direkt testen kannst.