DNA ist nicht einfach eine lineare Abfolge genetischen Codes; Es handelt sich um eine komplexe, dreidimensionale Struktur, die in jeder Zelle aufwendig gefaltet ist. Folglich müssen die Werkzeuge, die wir zur Untersuchung der DNA verwenden, ebenso ausgereift sein und nicht nur den Code selbst, sondern auch seine räumliche Anordnung interpretieren können.
Die Herausforderung der Analyse der DNA-Faltung
Forscher der Case Western Reserve University haben verschiedene Computertools verglichen, mit denen analysiert werden kann, wie sich DNA innerhalb einzelner Zellen faltet und interagiert. Ihre in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zielen darauf ab, unsere Fähigkeit zu verbessern, die genetische „Bedienungsanleitung“ des Körpers zu verstehen, insbesondere bei der Entwicklung von Krankheiten oder der Zelltransformation während des Wachstums.
„Die 3D-Struktur der DNA beeinflusst, wie Gene interagieren, ähnlich wie der Grundriss eines Hauses die Art und Weise beeinflusst, wie sich Menschen darin bewegen“, erklärt Fulai Jin, Professor für Genetik und Genomwissenschaften an der Case Western Reserve School of Medicine. „Das Verständnis dieser Struktur ist entscheidend für das Verständnis der Krankheitsentwicklung und möglicher Behandlungen.“
Ein wesentliches Hindernis, das das Team identifizierte, war die Inkonsistenz der Ergebnisse bestehender DNA-Strukturanalysetools – ein Problem, das damit vergleichbar ist, wenn sich mehrere Übersetzer nicht auf einen fremden Text einigen können.
Analysetools testen und verfeinern
Die Studie, an der Jing Li und Yan Li beteiligt waren, ging diese Herausforderung an, indem sie 13 Softwaretools anhand von 10 Datensätzen von Mäusen und Menschen testete. Die Untersuchung ergab, dass verschiedene Computertools mit unterschiedlichen Datentypen optimal funktionieren. Darüber hinaus hat die Aufbereitung der Daten vor der Analyse erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse, wobei Programme der künstlichen Intelligenz besonders bei Datensätzen geringerer Qualität oder bei komplexen Datensätzen wirksam sind.
„Wir helfen Wissenschaftlern im Wesentlichen dabei, bessere ‚Mikroskope‘ zu identifizieren oder zu entwickeln, um zu beobachten, wie DNA in einzelnen Zellen funktioniert“, sagte Jin. „Dieses verbesserte Verständnis kann zu Erkenntnissen über genetische Krankheiten und potenzielle neue Therapien führen.“
Anwendungen zum Verständnis und zur Behandlung von Krankheiten
Die Forschung zeigt mehrere mögliche Anwendungen auf:
- Identifizierung aktiver Gene: Verbesserte Tools können aufdecken, welche Gene in erkrankten Zellen ein- oder ausgeschaltet sind.
- Erklärung des Ansprechens auf die Behandlung: Die Tools können helfen zu erklären, warum bestimmte Behandlungen bei manchen Patienten wirksam sind, bei anderen jedoch nicht.
- Verfolgung der Zellentwicklung: Sie können verfolgen, wie sich Zellen während der frühen Entwicklung verändern.
Ein Softwarepaket für optimale Analyse
Das Forschungsteam erkannte den Bedarf an einer benutzerfreundlichen Lösung und entwickelte ein Softwarepaket, das es anderen Wissenschaftlern ermöglicht, die beste Analysemethode für ihre spezifische Forschung zu ermitteln – analog dazu, wie eine GPS-App die beste Route zu einem Ziel findet.
„Statt dass Forscher raten müssen, welches Tool am besten funktioniert, kann unsere Software mehrere Ansätze testen und den optimalen empfehlen“, sagte Jin.
Open Access und zukünftige Auswirkungen
Die Methoden stehen Wissenschaftlern weltweit über GitHub, einer Open-Source-Plattform für die Codeerstellung, -speicherung und -freigabe, frei zur Verfügung. Jin glaubt, dass diese umfassende Zugänglichkeit das Potenzial hat, Entdeckungen in verschiedenen Bereichen der biomedizinischen Forschung erheblich zu beschleunigen.
„Dies ist ein bedeutender Schritt, um die riesigen genetischen Daten, die durch moderne Sequenzierungstechnologien generiert werden, zu verstehen – und um wirklich zu verstehen, wie unser genetischer Bauplan funktioniert.“ – Fulai Jin
Letztendlich verspricht die Entwicklung dieser verbesserten Werkzeuge ein tieferes Verständnis unseres genetischen Codes zu ermöglichen und den Weg für wirksamere Behandlungen für eine Vielzahl von Krankheiten zu ebnen. Diese Forschung stellt einen entscheidenden Fortschritt in der Fähigkeit dar, die komplexen Anweisungen zu interpretieren, die in unserer DNA kodiert sind.
