Lassen Sie uns zunächst mit den Grundlagen beginnen. Alle Lebewesen haben ein Genom.
Genome bestehen aus DNA. Jede Ihrer Zellen hat eine Kopie Ihres Genoms in sich verpackt. Sie können es sich wie eine Gebrauchsanweisung oder ein Rezeptbuch vorstellen. Das Genom enthält alle Anweisungen oder "Rezepte", die Ihr Körper braucht, um so zu funktionieren und auszusehen, wie er es tut.
Das menschliche Genom besteht aus einer Reihe von 3 Milliarden DNA-Basen in vier verschiedenen Typen. Jede Base kann durch einen der vier "Buchstaben" des DNA-Alphabets dargestellt werden. Der größte Teil Ihrer DNA sieht genauso aus wie die eines jeden anderen Menschen. Aber winzige Unterschiede in der Schreibweise oder Reihenfolge dieser Buchstaben in Tausenden von Genen in Ihrem Genom erklären zum Teil, was Sie einzigartig macht.
Auch Viren haben ein Genom. Ein Virusgenom kann aus DNA oder einem ähnlichen Molekül namens RNA bestehen. Im Vergleich zu Ihrem Genom ist das Genom eines Virus winzig. So haben beispielsweise Coronaviren wie der Erreger von COVID-19 ein RNA-Genom, das etwa 30 000 Buchstaben lang ist (das ist 100 000 Mal kleiner als das menschliche Genom). Das Genom des Influenza- oder Grippevirus ist mit etwa 13.500 RNA-Buchstaben sogar noch kürzer.
Nicht alle Viren machen den Menschen krank. Aber die Genome derjenigen, die krank machen, enthalten alle Anweisungen, die sie benötigen, um unsere Zellen zu infizieren, weitere Kopien von sich selbst herzustellen und sich zu verbreiten. Kleine Unterschiede in diesen Anweisungen können dazu führen, dass verschiedene Viren oder verschiedene Varianten oder Stämme desselben Virus unterschiedlich aussehen und sich auf unterschiedliche Weise verhalten. Wissenschaftler können viel über ein Virus lernen, wenn sie sein Genom untersuchen.
Was ist die Virusgenomsequenz oder die Sequenzierung des Virusgenoms?
Die Genomsequenz eines Virus ist die Abfolge oder Reihenfolge der Basen oder Buchstaben, aus denen das genetische Material eines Virus, sein Genom, besteht. Wenn Sie aufschreiben würden
die Genomsequenz eines bestimmten Coronavirus aufschreiben würde, wären es etwa 30.000 Buchstaben. Der Schlüssel liegt darin, sie in genau der Reihenfolge zu finden, in der sie in einem bestimmten Virus vorkommen.
Im Falle der RNA verwenden die Wissenschaftler die Buchstaben A, C, G und U, die für jede der vier RNA-Basen stehen: Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Bei der DNA ist es dasselbe, nur dass anstelle von Uracil ein T für Thymin steht. Das Verfahren, das Wissenschaftler anwenden, um die richtige Reihenfolge der Buchstaben in einer bestimmten Virusprobe herauszufinden, nennt man Genomsequenzierung.
Was sagt uns die Virusgenomsequenzierung?
Viren und Virusgenome verändern sich ständig. Der Grund dafür ist, dass Zellen manchmal Fehler machen.
Wenn ein virales Genom in einer infizierten Zelle kopiert wird, kommt manchmal ein "Tippfehler" durch. Meistens machen diese Rechtschreibfehler keinen großen Unterschied. Aber manchmal können sie das Aussehen oder Verhalten eines Virus auf eine Weise verändern, die sich als wichtig erweist. Niemand weiß genau, woher das Virus, das COVID-19 verursacht, stammt. Aber wahrscheinlich ist es aus einem Coronavirus in einem anderen Tier, z. B. einer Fledermaus, hervorgegangen, das versehentlich so verändert wurde, dass es Menschen infizieren konnte.
Mit Hilfe der Genomsequenzierung fanden Wissenschaftler dieses neue humane Coronavirus, kurz nachdem es bei Menschen aufgetaucht war. Zunächst wusste man nur, dass Menschen in China plötzlich an Atemwegssymptomen erkrankt waren. Also sequenzierten die Wissenschaftler das Genom einer Virusprobe, die von einer Person stammte, die auf einem Markt arbeitete, von dem sie vermuteten, dass das Virus stammen könnte. Durch den Vergleich der RNA-Sequenz mit anderen viralen Genomsequenzen, die ihnen aus früheren Studien vorlagen, konnten sie sofort feststellen, dass es sich um ein Coronavirus handelte, das sie bisher noch nicht bei Menschen gesehen hatten.
Obwohl es sich um ein für den Menschen neues Virus handelte, wussten sie anhand seines Genoms sofort eine Menge über es. Das liegt daran, dass die Wissenschaftler verwandte Coronaviren untersucht hatten, die bereits früher Ausbrüche bei Menschen verursacht hatten. Aus diesen Studien kannten sie einige wichtige Teile des Coronavirus-Genoms, darunter das Gen, das für das so genannte Spike-Protein kodiert.
Sie wussten, dass das Spike-Protein wichtig ist, damit das Virus unsere Zellen infizieren kann. Sie wussten auch, dass es ein nützliches Ziel für Impfstoffe oder andere Behandlungen sein könnte. All dies wussten sie schon bald nach der Entdeckung des Coronavirus, denn sie konnten sein Genom sequenzieren und mit anderen Virusgenomen vergleichen.
Die Genomsequenzierung kann also viele nützliche Informationen liefern.
Sie kann ein neues Virus identifizieren oder Aufschluss darüber geben, welche Art von Virus jemanden krank macht. Sie kann Wissenschaftlern Ideen liefern, wie ein Virus uns krank machen könnte, und zwar auf der Grundlage seiner Gene und der Proteine, für die sie kodieren, sowie von Möglichkeiten, es zu stoppen. Wenn sich ein Virus von Mensch zu Mensch auf der ganzen Welt ausbreitet, können Wissenschaftler anhand der Genomsequenzen seine Bewegungen und alle Veränderungen verfolgen.
Was ist der Zweck der Virusgenomsequenzierung bei COVID-19 und der Grippe?
Wissenschaftler verfolgen Grippeviren schon seit Jahrzehnten. Sie verwenden sie, um die heutigen Viren mit denen zu vergleichen, die es in der Vergangenheit gab. Anhand der Genomsequenzen suchen sie nach wichtigen Unterschieden in der Schreibweise bestimmter Gene. Einige Änderungen machen keinen großen Unterschied. Andere wiederum haben Einfluss darauf, wie leicht sich ein Virus von einer Person zur nächsten ausbreitet oder wie krank es die Menschen macht.
Jedes Jahr nutzen Wissenschaftler die Genomsequenzen der Grippeviren, um zu entscheiden, welche Viren sie in die Grippeimpfstoffe aufnehmen wollen. Da es diese Viren schon so lange gibt und sie sich ständig verändern, kann man selbst in Proben, die von einer einzigen Person mit Grippe stammen, leicht unterschiedliche Versionen finden. In einem normalen Jahr sequenzieren Wissenschaftler Tausende von Grippeviren, um auf dem Laufenden zu bleiben und Entscheidungen für die öffentliche Gesundheit treffen zu können.
Bei der COVID-19-Pandemie war die Genomsequenzierung von großer Bedeutung. Mit Hilfe der Genomsequenzen können die Wissenschaftler verfolgen, wie sich das Coronavirus ausbreitet und wie es sich verändert. Sie können Genomsequenzen auch untersuchen, um herauszufinden, welche Veränderungen besorgniserregend sind und welche wahrscheinlich nicht.
In einer Studie in Boston wurden beispielsweise etwa 800 virale Genome untersucht, um festzustellen, wie sich das Coronavirus dort schon früh ausbreitete. Anhand winziger Veränderungen in den Genomen konnten sie feststellen, dass das Coronavirus Dutzende Male aus Europa und Teilen der USA in die Region Boston gelangt war. Die Forscher konnten auch feststellen, dass eine einzige Konferenz zu Tausenden von Infektionen in Boston und anderen Orten auf der ganzen Welt geführt hatte.
Wissenschaftler sequenzieren weiterhin das Coronavirus, das COVID-19 verursacht, um zu verstehen, wie es sich fortbewegt, und um neue Varianten zu erkennen, sobald sie entstehen. Dieser Prozess wird als genomische Überwachung bezeichnet.
Bei der genomischen Überwachung werden viele Proben sequenziert. Dabei werden neue Varianten aufgedeckt, d. h. virale Genome, die eine oder mehrere Mutationen enthalten.
Einige Varianten, die auftauchen, verschwinden einfach oder machen keinen Unterschied. Wenn Veränderungen im Genom besorgniserregend erscheinen, klassifizieren die Wissenschaftler sie entweder als "Variante von Interesse" oder als "besorgniserregende Variante". Sie kennen wahrscheinlich Coronavirus-Varianten wie Delta oder Omicron.
Einer der Gründe, warum die Wissenschaftler schon früh über Omicron besorgt waren, ist, dass die Variante etwa 50 Tippfehler oder Mutationen in ihrem Genom aufweist. Viele dieser Mutationen befinden sich auch im Spike-Protein, dem Teil des Virus, der von Impfstoffen und unserem Immunsystem zur Bekämpfung des Virus verwendet wird.
Aufgrund dieser Veränderungen breitet sich Omicron schneller aus als das ursprüngliche Coronavirus, das COVID-19 verursacht. Die Wissenschaftler erwarten, dass immer wieder neue Varianten auftauchen werden. Durch kontinuierliche Genomsequenzierung und Überwachung können sie versuchen, dem Virus einen Schritt voraus zu sein. Mit Hilfe der Genomsequenzierung können Wissenschaftler jedes Virus, das sie interessiert, identifizieren und verfolgen.
Wie wird die Virusgenomsequenzierung durchgeführt?
Die Genomsequenzierung ist heute viel einfacher und billiger als früher. Virusgenome sind aufgrund ihrer geringen Größe auch einfacher zu sequenzieren als ein menschliches Genom. Hier sind die wichtigsten Schritte:
Extraktion
. Die Wissenschaftler extrahieren die RNA oder DNA aus einer virushaltigen Probe.
Vorbereitung der Probe
. Die Wissenschaftler bereiten die Probe vor. Zum Beispiel müssen sie die RNA oder DNA in kleinere Stücke schneiden oder bestimmte Fragmente an die Enden anhängen. Die einzelnen Schritte hängen davon ab, welche Art von Maschine die Wissenschaftler verwenden.
Sequenzierung
. Die Wissenschaftler geben die Probe in ein Sequenziergerät. Die Maschine liest Signale, die ihnen die Reihenfolge der Basen oder Buchstaben in der DNA oder RNA mitteilen.
Analyse
. Die Maschinen werden am Ende viele Buchstabenketten haben, die nicht einzeln das gesamte Genom abdecken. Mit Hilfe von Computern werden sie diese zu einer vollständigen Genomsequenz zusammensetzen und etwaige Unterschiede in der neuen Sequenz im Vergleich zu anderen identifizieren.
