Funktionelle Genomforschung

Methoden Microarray, NGS, RNA, DNA, etc.

Methoden Microarray, NGS, RNA, DNA, etc.


Theresa Weiss
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die funktionelle Genomforschung auf Universitätsniveau. Sie behandeln die Analyse von DNA-Sequenzen, Genexpression und Proteininteraktionen, wobei Techniken wie CRISPR, TALEN und Zinkfinger-Nukleasen im Fokus stehen. Die Karteikarten erklären auch Methoden zur Einführung von Mutationen und zur gezielten Genexpression, wie Tetrazyklin-abhängige und Ecdyson-induzierte Systeme. Ideal für Studierende und Forscher, die sich mit modernen genomischen Technologien und deren Anwendungen vertraut machen möchten.
Flashcards
64
Students
3
Language
German
Category
Biology
Level
University
Created / Updated
24.06.2016 / 23.06.2020

Flashcards

Was ist ein Microarray und nach welchem Prinzip funktioniert er?

Feste, nicht verformbare Oberfläche mit einem Raster, auf dem man Gene (meist Oligonukleotide oder cDNA) geordnet aufbringt

Jeder Spot trägt 1000de Kopien eines spezifischen Target Moleküls à 3000-32000 Gene pro Chip

Wie werden Microarrays hergestellt?

Spotted Array

  • fertig-synthetisierte Sequenzen werden auf den Array gespotted

Oligo-Array

  • Sequenzen werden direkt auf dem Array synthetisiert (meist mittels Photolithographic deprotection)

Wie funktioniert die Analyse eines Microarrays?

auf jedem Spot des Microarrays befindet sich ein anderes Gen

Die zu analysierende DNA-Probe wird auf den Microarray gegeben. Probe hybridisiert an den Stellen wo eine komplementäre Sequenz gespotted ist

der Rest wird weggewaschen.

Hybridisierte Sequenzen werden nachgewiesen (je nach Markierung)

Welche Arten von Microarrays gibt es und was analysieren sie?

  • Comparative genome hiybridization (CGH)
    Vergleich von DNA in gesundem und krankem Gewebe
  • Differential Hybridization
    Vergleich der Gen-Expression in gesundem und krankem Gewebe
    relative Genexpressionsstärke
  • Tiling Arrays
    absolute Stärke der Genexpression
  • SNP-Chips
    Analyse des SNP Musters des gesamten Genoms eines Organismus

Wie funktioniert FISH?

= Fluorescence in situ hybridisation

wird verwendet um Sequenz-Abschnitte auf den Chromosomen nachzuweisen (direkt im Gewebe oder Zellkern)

DNA-Sonde wird Fluoreszenz-markiert und dann hybridisiert --> leuchtet = DNA-Sequenz vorhanden

 

 

Wie funktioniert RNA-ISH?

= RNA in situ hybridization

Analyse der mRNA Expression spezifischer Gene im Zellverband.

Genspezifische anti-sense Sonde komplementär zur mRNA

Gleichzeitig histologische Untersuchungen des Schnittes --> Expression zu Zelltypen zugeordnet (spezifisches Expressionsmuster)

Wie funktioniert CGH?

Um Duplikationen/Deletionen im Genom zu erkennen

  • DNA Proben werden aus gesunden und kranken Gewebe (z.B: Tumor) entnommen
  • werden in unterschiedlichen Farben gelabelled (gesund: grün, tumor:rot)
  • zusammengemischt
  • auf Microarray hybridisiert (Microarray enthält ganzes Genom, oder spezifische Sequenzen

Farbe des Spots analysiert

grün: dieses Gen ist in gesundem mehr vorhanden als im tumor (deletion)
rot: im tumor mehr vorhanden (amplifikation)
gelb: beide gleich viel --> Gen ist nicht spezifisch für den Tumor
 

wie funktioniert differential hybridization?

zum Vergleich von mRNA Expression zwischen gesundem/kranken Gewebe = relative Expression

  • mRNA uas gesundem und krankem Gewebe isoliert und in cDNA revers transkribiert
  • fluorescenz oder radioaktiv markiert

kann auf mehrere Arten gescreent werden

  • cDNA Phagen-Library (cDNA musste zuvor hineinkloniert werden)
  • Microarray (unterschiedlich gelabelled, wie CGH)

Was ist ein Tiling Array?

Misst die absolute Genexpressionsstärke. Um Regionen des Genoms zu untersuchen, die zwar sequenziert, aber deren Funktion noch nicht charakterisiert ist.

Das Genom wird in regelmäßige sich überlappende Abschnitte unterteilt. So wird das gesamte Genom miteinbezogen. Auch non-coding DNA wird in die Analyse miteinbezogen. Statt cDNA werden Oligonukleotid-Sonden verwendet. Einzelsträngig (können auch mit sich selbst hybridisieren)

Werden mit RNA aus verschiedenen Zelllinien und Geweben hybridisiert.

Dadurch das das gesamte Genom auf dem Chip ist, und die gesamte RNA (außer rRNA) auf den cHip gegeben wird, kann man sehen wie stark jedes Gen exprimiert ist.

Wozu wird der tiling arry verwendet?

  • Katalogisieren von genetischen Variationen & Polymorphismen (SNP’s, VNTR’s (variable number tandem repeat) und repetitive Elemente)
  • Identifikation von unbekannten Exons
  • Identifizierung von methylierten Regionen im Genom Die genomische DNA wird mit Natriumhydrogensulfit behandelt, nicht methyliertes Cytosin wird dadurch zu Uracil desaminiert. Dieses bindet beim Hybridisieren nicht an die komplementäre Sequenz, da nur die Basenpaarung U-A und nicht die Basenpaarung U-G möglich ist. Methylierte Sequenzen hingegen binden noch immer sehr gut an komplementäre Sequenzen. Diese können dann durch Analyse des Arrays mit einem Laser detektiert werden

Was ist ein SNP-Chip?

EIn Microarray bei dem die selbe Sequenz aufgetragen ist, nur dass die SNP-Stelle immer woanders ist

  • Probe wird aufgetragen
  • umso heller es leuchtet, umso besser die Hybridisierung
  • umso besser die Übereinstimmung

Je nachdem wie gut die Hybridisierung ist, stimmt das Muster überein

Welche Erkenntnisse können mit dem SNP-CHIP erlangt werden?

  • studying slight variations between whole genomes
  • determining disease susceptibility 
  • measuring the efficacy of drug therapies designed specifically for individuals
  • SNPs to be used as markers for genetic diseases that have complex traits.
  • study loss of heterozygosity (LOH).

 

Was ist RNA sequencing?

Eine Methode um folgende Fragen zu beantworten

  • Was wird exprimiert?
  • Welche Gene?
  • Welche Allele?
  • Wie stark wird exprimiert?

Wie funktioniert RNA sequencing?

  • RNA isoliert
  • DNA contamination wird mir DNAse entfernt
  • RNA wird in short fragments gespalten
  • Fragmente werden zu cDNA revers transkribiert
  • sequencing adaptors dran ligiert
  • fragment size selection (Gel-Elektrophorese)
  • Enden der cDNAs werden sequenziert (next-generation sequencing) --> viele kurze Sequenzen
  • Wenn beide Enden der cDNAs sewuenziert werden paired-end reads generit
  • reads are then assembled into transcripts
  • the expression level of each transcript is then estimated by counting the number of reads that align to each transcript

Welche Vorteile bietet RNAseq.?

  • High-throughput sequencing
  • Auch unbekannte Sequenzen, Entdecken neuer Sequenzen
  • Simulatneously map transcribed regions & gene expression
  • Distinguish allelic expression
  • Low amount of RNA
  • Relatively low costs

Was ist SAGE?

Serial Analysis of Gene Expression

Open System, auch noch unbekannte Gene, oder Gene, von denen nicht erwartet wurde, sie vorzufinden, detektiert und ausgewertet werden können.

Ähnlich des RNAseq

Wie funktioniert SAGE?

  • Reverse transcription der mRNA
  • conversion to double stranded cDNA
  • immobilization to streptavidin beads
  • Cut all ds cDNA with an anchoring restriction enzyme (AE)
  • ligation of linkers that contain a type IIS restriction site
  • Cut with the tagging restriction enzyme (TE) (recognition within the linker but cut 10-14 bp downstream (type IIS !)) to  make blunt ends
  • Ligation of fragments
  • PCR Amplification
  • Cut with AE
  • clone into vector for sequencing

Mit welchen Methoden kann man Sequenzen quantitativ bestimmen?

  • qPCR
  • SAGE
  • RNAseq
  • Tiling Array?

Mit welchen Methoden kann man Sequenzen zwischen Gesund/Krank unterscheiden?

  • CGH (Gene)
  • differential hybridization (Genexpression)

Wie kann man feststellen ob ein Gen exprimiert wird?

  • Microarray
  • RNA-ISH

Wie können Sequenzabschnitte im Genom nachgewiesen werden?

  • FISH
  • Microarrays

Was ist ein Proteomic Array?

Quantitative description of all proteins and their isoforms representing a cell and its status at a given situation

Welche Vorteile/Nachteile hat die Proteoms-Analyse?

Vorteile

  • proteins are the true gene products
  • only the proteome reveals posttranslational modifications and isoforms (alternative splicing)

Nachteile

  • there are no simple “generic” methods for proteins
  • difficult to assay large numbers of proteins
  • difficult to quantify (mass spectroscopy)
  • Antikörper Antigen Affinität ist zwar spezifisch aber immer unterschiedlich (Gegensatz: Watson-Crick = sehr zuverlässig)

Was ist ChIP-Sequencing?

Chrmoatin-Immuno-Präzipitation-DNA-Sequencing

Das gereinigte rekombinante Protein wird mit der DNA vermischt oder in vivo gebunden, mit Formaldehyd reversibel quervernetzt. Anschließend erfolgt eine Fragmentierung per Ultraschall und eine Immunpräzipitation der vernetzten Protein-DNA-Komplexe mit einem Antikörper gegen das rekombinante Protein oder sein Protein-Tag. Abschließend erfolgt die thermische Freisetzung der DNA und eine DNA-Sequenzierung im Hochdurchsatz.

Wozu dient ChIP-Sequencing?

Zur Analyse von Protein-DNA Inteeraktionen

DNA-Protein-Interaktionen kommen bei Bindungssequenzen für Transkriptionsfaktoren, Promotoren, Enhancer, Repressoren, Silencer, Isolatoren sowie bei Bindungssequenzen für die DNA-Replikation vor.

Diese Regionen könne durch die Sequenzierung gefunden werden

was beduetet reverse genetics?

Das Gen ist zwar bekannt, aber die Funktion nicht.
Man mutiert das Gen und schaut, was für ein Phänotyp dabei heraus kommt.

Was bedeutet forward genetics?

Klassische Genetik. Die Identifizierung eines Genotyps anhand eines Phänotyps.
z.B. Behandlung von C.elegans mit Mutagenen. Genetic screening der Nachkommen mit einem bestimmten Phänotyp,
à alle Gene die Einfluss darauf haben gefunden.

was ist functional genomics?

Wenn wir wissen was in einem Organismus passiert, wenn es in gewissen Genen mutiert ist, können wir darauf schließen, was dieses Gen in seinem unmutierten (wild-type) Zustand macht.

Wie funktioniert die photolithographische deprotection?

  • Enden sind maskiert
  • durch Lichteinstrahlung demaskiert
  • Nukleotid-Lösung hinzugegeben
  • angeheftet
  • Rest weggewaschen
  • neue Nt's wieder maskiert
  • freie OH's werden mit etwas anderem maskiert, damit sie nicht weiter an der Reaktion teilnehmen können
  • nächster Zyklus

 

Wie funktioniert die Sequenzierung nach Sänger?

=Kettenabbruch-Methode

man braucht:

  • Template
  • DNA-Polymerase
  • Primer
  • dNTPs
  • ddNTPs (di-deoxy = kein 3'OH)

DNA wird zeurst 5' radioaktiv markiert, damit sie nachher nachgeweisen werden kann. DNA wird auf 4 Probengefäße aufgeteilt. In jedes der Probengefäße werden Pol. , Primer, und dNTPS hineingegeben, ABER nur ein ddNTP.

Wenn ddNTP eingebaut wird, bricht der Strang ab ---> keien eLongation.

Am Ende hat man in jedem Tube Fragmente, die unterschiedlich lang sind, aber immer mit dem selben NT aufhören (dem zugegebenen ddNTP).

Die Tubes werden elektrophoretisch aufgetrennt. Auf Grund der Länge der Fragmente kann man die Basensequenz ablesen.

     

    Wie funktioniert die Methode nach Max-Gilbert?

    Methode des chemischen Abbaus.

    DNA wird durch chemische Reagenzien gespalten, die immer nur an bestimmter Base spalten. Fragmente unterschiedlich lang, aber enden immer mit der selben Base.

    elektrophoretisch aufgetrennt --> abgelesen

    Welche Arten des NGS gibt es?

    • Pyrosequenzierung
    • 454-Methode
    • Solexa/Illumina
    • SOLID

    Welchen Vorteil hat die Fluoreszenz-Sequenzoerung gegenüber Sanger?

    Fluoreszenzmarkierte ddNTPS, alle ddNTPs können in ein Reaktionsgefäß gegeben werden. Laser erkennt unterschiede in verschieden-farbig gelabelten dNTPS.

    Wie funktioniert Pyrosequenzierung?

    Polymerase-Aktivität gemessen

    Bei Einbau eines komplementären Nukleotids durch die DNA-Polymerase wird Pyrophosphat (PPi) freigesetzt. Das Pyrophosphat wird durch die ATP-Sulfurylase zu Adenosintriphosphat (ATP) umgesetzt. Das ATP treibt die Luziferase-Reaktion an, wodurch Luziferin in Oxyluziferin umgesetzt wird. Dies resultiert wiederum in einem detektierbaren Lichtsignal – dessen Stärke proportional zum verbrauchten ATP ist.

    dNTPs werden nacheinander ausprobiert -> richtiges = Lichtblitz.

    Was ist die 454-Medthode?

    Pyrosequenzierung, aber in hohem Durchsatz.

    DNA wird zuerst auf beads amplifiziert, jedes bead in einem "Reaktiosngefäß", enthält viele Kopien des selben Gens.

    Danach Pyrosequenzierung

    Wie funktioniert SOLiD

    Die Zwei-Basen-Sequenzierung (engl. Sequencing by Oligo Ligation Detection, SOLiD) von Applied Biosystems ist eine Variante der Sequencing by Ligation.[16][17] Eine DNA-Bibliothek wird verdünnt und mit einer DNA-Polymerase an microbeads gekoppelt, anschließend werden in einer Emulsion-PCR die DNA vervielfältigt. Dadurch enthält jedes Microbead mehrere Kopien jeweils nur einer DNA-Sequenz

    Wie funktioniert Illumina/Solexa?

    Die zu sequenzierende doppelsträngige DNA wird bei der Sequenzierung mit Brückensynthese von Solexa/Illumina an beiden Enden mit je einer unterschiedlichen Adapter-DNA-Sequenz ligiert. Anschließend wird die DNA denaturiert, nach Verdünnung einzelsträngig auf eine Trägerplatte ligiert und per Brückenamplifikation in situ vervielfältigt.[15][16] Dadurch entstehen auf der Trägerplatte einzelne Bereiche (cluster) mit vervielfältigter DNA, die innerhalb eines clusters die gleiche Sequenz aufweisen. In einer sequencing by synthesis-verwandten PCR-Reaktion mit vier verschiedenfarbig fluoreszierenden Kettenabbruchsubstraten wird in Echtzeit die jeweils eingebaute Nukleinbase pro Zyklus in einem cluster bestimmt.

    Welche Arten des Sequenzing gibt es? (Nicht Methoden!!)

    • paired-end-reads
    • deep-sequencing
    • shot-gun-sequencing
      • whole genome shot.gun
      • hierachical shot-gun

    Was ist shot-gun sequencing?

    Die DNA wird zufällig in kleine Fragmente zerstückelt (Endonukleasen, mechanische Scherkräfte)

    Diese Fragmente können einzeln und gleichzeitig sequenziert werden

    Die Fragmentierung und Sequenzierung wird mehrmals wiederholt, somit entstehen overlapping reads, diese werden sie wieder zu einer langen Sequenz zusammengesetzt.

    Was ist Hierachical sequenzing?

    • das gesamte Genom wird in Fragmente geschnitten (150 000 bp)
    • Diese Fragemente werden in BAC-Libraries kloniert, jedes Fragment in einer Library hat einen Marker, damit es genau identifiziert werden kann.
    • Die Enden der Fragmente sind überlappenden --> Karte eines Chromosoms kann erstellt werden.
    • Diese Fragment werden dann in kleiner Fragment zerschnitten und in M13 Phagen kloniert.
    • Diese kleinen Fragmente werden seqeunziert
    • und können dann zuerst in den, den BACs entsprechenden Fragmenten alligned werden
    • Danach können alle BACs zum gesamten Genom zusammen gesetzt werden.

    Study