Ein Unkraut als Modell für Pflanzengenome

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1 Grafik: Hans Guldner Arabidopsis thaliana Ein Unkraut als Modell für Pflanzengenome Klaus Mayer Das zwanzigste Jahrhundert begann mit der Wiederentdeckung der Mendelschen Regeln über die Vererbung bei Erbsen und es endete mit der Aufklärung der vollständigen DNA-Sequenz eines pflanzlichen Genoms: Im Dezember des Jahres 2000 wurde die vollständige DNA-Sequenz von Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, veröffentlicht. Warum wurde gerade diese Pflanze ein recht unscheinbares Unkraut, das fast ausschließlich Pflanzenbiologen bekannt ist für das Sequenzierprojekt gewählt und welche grundlegenden Erkenntnisse wurden durch die Sequenzierung gewonnen? 65

2 Arabidopsis thaliana Arabidopsis ist ein Kohlgewächs und nahe verwandt mit Raps, Blumenkohl und Broccoli. Pflanzenbiologen schätzen Eigenschaften wie kurze Generationszeiten, Anspruchslosigkeit, Diploidie (doppelter Chromosomensatz) und die kleine Genomgröße. Arabidopsis, die alle diese Eigenschaften in sich vereint, wurde deshalb zu dem wohl wichtigsten Modellorganismus der Pflanzenbiologie und hat damit für diese Disziplin eine ähnliche Bedeutung wie die Maus für die Säugetierforschung. Das Arabidopsis-Genom verteilt auf fünf Chromosomen ist elegans (Fadenwurm), ist aber rund zehnmal größer als das Genom der Hefe. In Pflanzen variieren Genomgrößen bis zum tausendfachen und im Vergleich zu anderen Wildund Nutzpflanzen ist das Arabidopsis-Genom ein Winzling. Nutzpflanzengenome wie beispielsweise die von Mais, Weizen und Gerste sind um ein Vielfaches größer. Im Vergleich zu den Genomsequenzen anderer vielzelliger eukaryotischer Organismen hat das veröffentlichte Arabidopsis-Genom einen ungewöhnlich hohen Qualitätsstandard. Große Bereiche der hochrepetitiven subzentromerischen Regionen wurden ermittelt und neben den fünf Zentromeren sind nur sechs kleine Lücken in der genomischen Sequenz vorhanden. Bei anderen Genomen vergleichbarer Größe waren es zum Teil mehr als 1000 Lücken, die zum Zeitpunkt ihrer Publikation noch geschlossen werden mussten. 115 wurden auch für die Auswertung und Analyse der Sequenz zugrunde gelegt. Aufwändige bioinformatische Analysen und individuelle Beurteilung jedes einzelnen detektierten Gens stellten sicher, dass der höchstmögliche Qualitätsstandard für die mehr als Gene erreicht wurde. Zusammen mit den Analysen, die auf Ebene der individuellen Chromosomen und des ganzen Genoms durchgeführt wurden, stellt das Arabidopsis- Genom ein Modell für Genome höherer Pflanzen und gleichzeitig einen Meilenstein in der Pflanzenbiologie dar. Alle im Rahmen des Genomprojektes entstandenen Sequenzen und Analysedaten sind öffentlich frei verfügbar. Das Genom im Überblick Genomgrößen Die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, ist ein Kohlgewächs (Brassicaceae) und naher Verwandter von Raps, Blumenkohl und Broccoli. Das Kerngenom von A. thaliana ist eines der kleinsten bekannten pflanzlichen Genome und wurde als erstes Pflanzengenom praktisch vollständig sequenziert. Foto: DHGP Organismus Genomgröße Anzahl der Gene Bakteriophage (Lambda) 48 kb 70 Bakterium (Escherichia coli) 4,6 Mb Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) 12,5 Mb Fadenwurm (Caenorhabditis elegans) 97 Mb Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) 125 Mb Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) 180 Mb Reis (Oryza sativa) 430 Mb ~ Maus (Mus musculus) ~2 500 Mb ~ Mais (Zea mays) ~2 500 Mb ~ Mensch (Homo sapiens) Mb ~ Weizen (Triticum aestivum) Mb ~ (?) Genomgrößen und Anzahl der Gene einiger Organismen im Vergleich. Die Genomgrößen sind in Kilobasen (kb; 1000 Basen) beziehungsweise Megabasen (Mb; Millionen Basen) angegeben. Die Tabelle illustriert, dass keine lineare Korrelation zwischen Genomgröße und Genanzahl besteht. eines der kleinsten bisher bekannten Pflanzengenome und umfasst rund 1,25 x 10 8 Basenpaare (125 Megabasen, Mb). Die Genomgröße bewegt sich damit in der Größenordnung anderer vollständig sequenzierter Modellgenome wie die von Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) und Caenorhabditis der etwa 125 Mb des Arabidopsis- Genoms wurden ermittelt, nur die zwei jeweils etwa 3,5 bis vier Megabasen umfassenden und aus hochrepetitiven rdna bestehenden Nucleolus organisierenden Regionen (NORs) und die Kernzentromere wurden nicht sequenziert. Ähnliche qualitative Standards Wie ist das Arabidopsis-Genom strukturiert und welche Besonderheiten besitzt es? Die erheblichen Unterschiede in der Größe von Pflanzengenomen werden zum Teil auf das Vorhandensein großer Mengen repetitiver Elemente und mobiler Elemente (Transposons) zurückgeführt. Auch in Arabidopsis finden sich Bereiche vor allem rund um die Zentromere, die zu einem großen Teil aus repetitiven Ele- 66 mensch+umwelt spezial 17. Ausgabe 2004/2005

3 Proteintypen und -familien Das Genom von Arabidopsis thaliana in Zahlen. menten zusammengesetzt sind. Etwa 14 Prozent des Genoms bestehen aus Transposons, die jedoch teilweise stark degeneriert und nicht mehr funktional sind. Trotzdem können manche dieser Elemente unter bestimmten Bedingungen wieder aktiv werden, das heißt, an einem anderen Ort im Genom integrieren. In den subzentromerischen Regionen ist die Gendichte deutlich niedriger als in den übrigen Bereichen obwohl auch hier eine Reihe von Genen mit essenzieller Bedeutung für die Pflanze lokalisiert wurde. Trotz der relativen Genarmut der Subzentromerbereiche sind diese Sequenzen nicht gleichbedeutend mit genomischem Müll oder informationsloser Struktur-DNA, da diese Bereiche vermutlich wichtige Funktionen bei der korrekten Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen haben. Mehr Gene als in der Fruchtfliege Besonderheiten des Arabidopsis- Genoms zeigen sich im Vergleich mit anderen bekannten Genomen. Es ist nicht überraschend, dass die Anzahl der Gene mit zunehmender Komplexität der Organismen zunimmt. So enthält das Arabidopsis-Genom etwa die vierfache Anzahl an Genen im Vergleich zum einzelligen Modellorganismus Hefe. Überraschend ist jedoch die größere Anzahl an Genen im Vergleich zu Drosophila melanogaster und Caenorhabditis elegans, obwohl die Genomgrößen vergleichbar sind. So kodiert das C. elegans-genom auf rund 100 Mb für etwa Gene, der genreiche Anteil des Drosophila-Genoms auf 120 Mb für etwa Gene, während das Arabidopsis-Genom auf 125 Mb für über Gene kodiert. Was haben Pflanzen und Tiere hinsichtlich ihrer genetischen Grundausstattung gemeinsam und was unterscheidet sie voneinander? Benötigen Pflanzen ein größeres Genrepertoire, um wegen ihrer sesshaften Lebensform angemessen auf biotische und abiotische Umwelteinflüsse reagieren zu können? Trotz der größeren Anzahl an Genen findet sich in Arabidopsis eine ähnliche Anzahl von Proteintypen wie in Drososphila und C. elegans (zirka ). Unter Proteintypen versteht man die Summe aus der Zahl der Proteinfamilien und der Zahl der Proteine, die keiner Familie angehören. Im Vergleich zu anderen Organismen gehört in Arabidopsis ein weit kleinerer Prozentsatz an Genen keiner Genfamilie an, andererseits ist ein weit größerer Anteil mit einem oder mehreren (sequenz-)homologen Familienmitgliedern im Genom vorhanden. Dies beruht zum einen auf zahlreichen Genfamilien, die weit mehr Mitglieder haben als in anderen Reichen des Lebens und möglicherweise während der Evolution erweitert wurden. Zum anderen finden sich im Arabidopsis-Genom auch zahlreiche Duplikationen, entweder als Tandems, also als zwei oder mehrere sequenzhomologe Gene, die direkt aufeinander folgend auf dem Genom angeordnet sind, oder in Form von segmentalen Duplikationen. Homologien und Duplikationen Als segmentale Duplikationen werden große genomische Segmente bezeichnet, die an anderer Stelle des Genoms eine sehr ähnliche Entsprechung haben. Rund 60 Prozent des Genoms sind Teil solcher segmentaler Duplikationen. Die beobachteten Muster können sehr komplex sein. Sowohl die Orientierung als auch die Abfolge einzelner Unterbereiche einer größeren Region können verändert sein und duplizierte Bereiche können ihr Gegenstück auf dem selben 67

4 Arabidopsis thaliana Chromosom oder auf einem anderen Chromosom haben. Mehr als Gene liegen in diesen segmental duplizierten Bereichen, von denen etwa Gene ein hochhomologes Pendant im korrespondierenden Segment haben. Bei genauerer Analyse der Feinstruktur der einzelnen segmental duplizierten Bereiche findet man, dass sequenzhomologe Bereiche mit solchen, die keine Entsprechung haben, abwechseln. Grundsätzlich gibt es zwei Erklärungsmöglichkeiten für diese Beobachtungen. Zum einen können Duplikationen einzelner Bereiche unabhängig voneinander stattgefunden haben oder es gab während der Evolution von Arabidopsis mindestens einmal eine Polyploidisierung, das heißt, eine Verschmelzung zweier Genome. Einige Beobachtungen sprechen für die zweite Hypothese, obwohl der erste Mechanismus oder das gleichzeitige Wirken beider Mechanismen nicht ausgeschlossen werden kann. Polyploidisierung ist ein sehr häufig beobachtetes Phänomen in Pflanzen und viele unserer Nahrungsmittel basieren auf polyploiden Kulturpflanzenvarianten wie zum Beispiel Weizen und Kartoffeln. Auf den ersten Blick ist es schwer zu erklären, wie die fünf Chromosomen des Arabidopsis- Genoms durch Verschmelzung zweier Genome zustande gekommen sein sollen. Interessanterweise haben jedoch die meisten der mit Arabidopsis nahe verwandten Arten acht Chromosomen. Das heutige Arabidopsis-Genom kann deshalb durch Verschmelzung zweier Genome mit jeweils vier Chromosomen und nachfolgender Reorganisation und Fusion von ganzen Chromosomen oder Chromosomenteilen entstanden sein. Als ein Beleg dafür kann das Duplizierte Segmente im A. thaliana-genom. Die fünf Chromosomen sind als graue waagrechte Balken dargestellt. Die farbigen Bänder entsprechen duplizierten Segmenten, das heißt, Bereichen mit hoher Sequenzähnlichkeit und einer konservierten Abfolge ähnlicher Gene. Die Bänder sind verdreht dargestellt, wenn die Segmente entgegengesetzt orientiert sind. Der Maßstab ist in Millionen Basenpaaren angegeben. Duplikationsmuster von Chromosom 1 gewertet werden, auf dem große Teile auf demselben Chromosom dupliziert sind. Arabidopsis-Chromosom 1 kann deshalb durch Verschmelzung sich entsprechender Chromosomen entstanden sein. Ein weiterer Fingerzeig sind teilweise noch vorhandene Reste von repetitiven Telomereinheiten, die sich im Gegensatz zu Die detaillierte Analyse der A. thaliana-genomsequenz wurde im Dezember 2000 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das GSF-Institut für Bioinformatik/MIPS war an der Analyse des Genoms maßgeblich beteiligt. ihrer normalen Position an den Enden der Chromosomen innerhalb einzelner Chromosomenarme befinden und als Überbleibsel von Chromosomenfusionen gedeutet werden können. Ob solch eine Polyploidisierung durch eine Fusion identischer Genome (Autopolyploidie) oder zweier verwandter Genome (Allopolyploidie) entstanden ist, kann nur spekuliert werden. Einerseits können bei Verschmelzung nicht identischer Genome die oben beschriebenen Feinstrukturunterschiede sich entsprechender Bereiche bereits vorhanden gewesen sein, andererseits verblieb nach der(n) Verschmelzung(en), die vor etwa 100 bis 130 Millionen Jahren stattgefunden hat, genügend Zeit, um durch Geninsertionen und Genverlust die gefundenen Feinstrukturunterschiede herauszubilden. Genom und Lebensstil Was lernen wir vom Genom über die Eigenheiten des pflanzlichen Lebensstils? Zunächst ist da die große Anzahl von zellkernkodierten Proteinen, die potenziell in die Chloroplasten transportiert werden und mittel- oder unmittelbar zum autotrophen Lebensstil beitragen. Etwas 68 mensch+umwelt spezial 17. Ausgabe 2004/2005

5 Genom-Sequenzierungen im Überblick Grafik: Hans Guldner Eine Genomsequenzierung zielt darauf ab, die Kluft zwischen zytologischer Beobachtung (Chromosomen), genetischen Analysen (genetische Karte) und der molekularen Analyse und Beschreibung von Beobachtungen (einzelne Gen- und Proteinsequenzen) zu überbrücken. Zwei unterschiedliche Vorgehensweisen zur Sequenzierung sind gebräuchlich: die hierarchische Sequenzierung und die shotgun ( Schrotschuss ) Sequenzierung. Bei der shotgun Sequenzierung wird das zu sequenzierende Genom zum Beispiel durch Ultraschall in ungeordnete, aber handhabbare Teile zerlegt, und diese kleinen Genombruchstücke werden anschließend sequenziert. Spezielle Computerprogramme erlauben es dann, aus Millionen kleiner Sequenzfragmente die vollständige Genomsequenz zu rekonstruieren (Assemblierung). Ähnlich einem Puzzlespiel werden dabei Überlappungen zwischen den einzelnen Bruchstücken zum Zusammenfügen der Einzelteile zu einem Ganzen verwendet. Das klingt zunächst einfach: wenn die Fragmente überlappen, hängt man sie aneinander. Die Aufgabe ist aber viel schwieriger, da einerseits die überlappenden Sequenzläufe nicht immer die hundertprozentig identische Sequenz ergeben, andererseits an einer anderen Stelle im Genom eine sehr ähnliche Sequenz vorkommen kann, so dass irrtümlich nicht zueinander gehörende Fragmente zusammengesetzt werden. Das führt zu großen Schwierigkeiten, wenn es sich um so genannte repetitive DNA Sequenzen, die mit oft nur geringen Abwandlungen viele Male in einem Genom vorkommen handelt. Um dieses Problem zu reduzieren, kann man das so genannte hierarchische oder clone-by-clone Verfahren anwenden. Zufällig erzeugte Fragmente des Genoms werden in Vektoren kloniert, die eine einfache Vervielfältigung im Labor erlauben. Am gebräuchlichsten hierfür sind künstliche Bakterienchromosomen, kurz BAC für bacterial artificial chromosome, die etwa 150 kb große DNA-Fragmente enthalten. Dann werden zuerst diese Klone entlang der Chromosomen angeordnet, wobei Restriktionsenzymkartierung (fingerprinting), BAC-Enden-Hybridisierung und Verankerung mittels genetischer Marker angewendet werden. Ein Satz möglichst wenig überlappender Klone wird ausgewählt, der das gesamte Genom repräsentiert. Diese Klone werden dann einzeln sequenziert. Anschließend müssen jeweils nur die Sequenzläufe für einen einzelnen Klon zusammengesetzt werden. Das shotgun Verfahren beruht dagegen darauf, aus dem ganzen Genom zufällig gewonnene Sequenzläufe erst im Computer wieder anzuordnen. Dadurch wird viel Zeit (und Geld) gespart, denn das aufwändige Kartieren der BAC-Klone entfällt. Es ist zwar nachtei- 69

6 Genom-Sequenzierungen im Überblick (Fortsetzung) lig, dass repetitive Bereiche des Genoms oft überhaupt nicht wieder zusammengesetzt werden können und dass Ergebnisse erst verfügbar sind, nachdem die gesamte Sequenzierung abgeschlossen ist (beim cloneby-clone Verfahren repräsentiert dagegen schon jeder einzelne Klon ein Stück fertiger Genomsequenz). Da aber das Hauptinteresse bei der Genomanalyse auf die genkodierenden Abschnitte gerichtet ist und gerade diese sich mit dem Computer meist wieder gut zusammensetzen lassen, ist das shotgun Verfahren die Methode, mit der schnell und kostengünstig alle Sequenzen, die Gene repräsentieren, bestimmt werden können. Nichtsdestotrotz hat die Vorgehensweise auch Nachteile, da sich die DNA Sequenz nicht immer einfach mit der genetischen Karte in Deckung bringen lässt, was jedoch eine wichtige und für viele Fragestellungen essenzielle Information ist. Für kleine Genome, beispielsweise Bakteriengenome, wird routinemäßig das shotgun Verfahren verwendet. Die Firma Celera in den USA hat das Drosophila-Genom sequenziert, um zu beweisen, dass auch ein eukaryotisches Genom dieser Größenordnung erfolgreich im shotgun Verfahren entschlüsselt werden kann. Im Fall des dreißigmal größeren Humangenoms sind jedoch Zweifel geäußert worden, ob der Zusammenbau der shotgun Sequenzen ohne die Daten des öffentlich geförderten Humangenomprojekts, die im clone-by-clone Verfahren ermittelt wurden, möglich gewesen wäre. Um überhaupt erfolgreich shotgun Sequenzen eines Genoms zusammensetzen zu können, ist eine aufwändige bioinformatische Prozessierung notwendig. Dabei werden Vektorsequenzen entfernt, Bereiche niedriger Sequenzqualität markiert und schließlich alle Sequenzen miteinander verglichen, um mögliche Überlappungen zu identifizieren. Besondere Bedeutung hat die Behandlung von repetitiven Regionen. Diese werden einerseits durch Vergleich mit Datenbanken bekannter repetitiver Elemente, beispielsweise Transposons, erkannt und maskiert, andererseits aufgrund des überdurchschnittlich häufigen Auftretens von Ähnlichkeiten ausgefiltert. Die Sequenzierung kompletter Genome erfordert einen erheblichen technischen, zeitlichen und personellen Aufwand und ist daher natürlich sehr kostenintensiv. Es existieren jedoch Verfahren, die einen guten Überblick über das Genrepertoire eines Organismus geben und doch relativ kostengünstig sind. Wie bereits erwähnt, stehen bei jeder Genomanalyse die genkodierenden Bereiche der Erbinformation im Mittelpunkt des Interesses. Diese können zumindest zu großen Teilen durch die sogenannte EST- Sequenzierung gefunden werden. EST steht für expressed sequence tags. Das sind kurze cdna-fragmente, die durch Überschreiben der mrnas eines Organismus den Botenmolekülen für die Proteinbiosynthese erhalten werden. ESTs sind daher charakteristische Marker für die kodierenden Abschnitte eines Genoms, die Gene. Diese Sequenzstücke sind zwar meist kurz und oft auch nicht fehlerfrei, können aber zur Rekonstruktion vollständiger Gene verwendet werden. Zwei weitere Methoden kommen vor allem bei der Sequenzierung von genkodierenden Regionen von Pflanzen zum Einsatz. Eine beinahe klassisch zu nennendes Verfahren, das in den letzten Jahren eine erstaunliche Renaissance erfahren hat, ist die sogenannte C 0t-Filtrationsmethode. Sie beruht auf dem seit langem bekannten Phänomen, dass repetitive Genombereiche nach thermischer Aufschmelzung (Denaturierung) wesentlich schneller wieder doppelsträngige DNA-Moleküle bilden (renaturieren) als Genomabschnitte, die nur in einfacher oder geringer Kopienzahl vorliegen. Da komplexe Genome zu großen Teilen aus nichtkodierenden repetitiven Sequenzen bestehen und die kodierenden Bereiche zumeist in Einzahl oder nur kleiner Kopienzahl vorhanden sind, kann ein solcher experimenteller Ansatz zur Erstellung von Sequenzierbibliotheken verwendet werden. Durch Wegfiltrieren der hochrepetitiven Sequenzen erhält man genomische Bereiche, die an kodierenden Sequenzen angereichert sind. Diese Sequenzierbibliotheken werden dann zur Erstellung einer großen Zahl von Sequenzierreaktionen verwendet und die Sequenzen anschließend ähnlich der Vorgehensweise bei ESTs durch Zusammenfügen überlappender Bereiche und bioinformatische Analysen zu vollständigen Genen zusammengefügt. Besonders in der Pflanzengenomforschung hat in den letzten Jahren eine Methode für Furore gesorgt, bei der man sich eine besondere Eigenheit der pflanzlichen DNA zunutze macht. In Pflanzen sind Bereiche mit hochrepetitiver DNA oft chemisch durch Methylgruppen modifiziert. Diese Markierung kann genutzt werden, um repetitive (methylierte) von genkodierender (unmethylierter) DNA zu trennen (zum Beispiel durch bestimmte Restriktionsenzyme). Anschließend werden nur die genhaltigen Fragmente sequenziert. Ein vollwertiger Ersatz für die Sequenzierung des kompletten Genoms kann diese Methode zwar nicht sein, aber sie liefert besonders bei begrenzten finanziellen Mitteln ein Maximum an genomischer Information. 70 mensch+umwelt spezial 17. Ausgabe 2004/2005

7 verborgenere Einsichten liefern speziesübergreifende Vergleiche bezüglich Häufigkeit und Vorhandensein spezifischer funktioneller Domänen. Vergleiche mit Drosophila, C. elegans und Hefe zeigen, dass bestimmte funktionelle Domänen in Arabidopsis wesentlich häufiger oder weniger häufig sind, nur bei Pflanzen vorkommen oder gar völlig fehlen. Dies zeigt, dass bestimmte Funktionen in Pflanzen eine andere Gewichtung haben und lässt Rückschlüsse über die evolutionäre Entstehung dieser Domänen zu. Beispielsweise sind die Cytochrom P450-Proteine, die eine Vielzahl von sekundärmetabolischen Reaktionen katalysieren, im Vergleich zu anderen Organismen überrepräsentiert, was mit dem weit ausgeprägteren Sekundärstoffwechsel in Pflanzen zusammenhängt. Ein weiteres Beispiel sind bestimmte Familien von Transkriptionsfaktoren (regulatorische Proteine), die in Arabidopsis überrepräsentiert sind, in anderen Organismen aber gar nicht gefunden werden. Ähnlichkeiten mit Krankheitsgenen Auf den ersten Blick überraschend ist die große Anzahl von Arabidopsis-Genen, die Ähnlichkeiten zu solchen Genen des Menschen aufweisen, die bei der Entstehung von Erbkrankheiten und Krebserkrankungen eine Rolle spielen. Was aber hat Arabidopsis mit menschlichen Erbkrankheiten und Krebs zu tun? Oft stellt sich bei genauerer Analyse der betreffenden Gene schnell heraus, dass sie an grundlegenden zellulären Mechanismen beteiligt sind und sich daher im Laufe der Evolution nur wenig verändert haben. Beispielsweise sind eine Reihe dieser Gene beziehungsweise die von ihnen kodierten Proteine an der Reparatur von UV-Licht geschädigter Erbsubstanz beteiligt. Es verwundert nicht, dass ähnliche molekulare Funktionen auch in Pflanzen vorhanden sind. Bemerkenswert sind Homologien von Arabidopsis-Genen zu menschlichen Krankheitsgenen, für die in anderen Modellorganismen keine Entsprechung gefunden wurden, wie beispielsweise zu BRCA1 und 2, die an der Entstehung einer Form von Brustkrebs beteiligt sind. Bisher ist der Grund für diese Homologie noch unbekannt, aber das Beispiel zeigt, dass Pflanzen uns in molekularer Hinsicht manchmal näher stehen als wir vermuten. Bauplan bekannt alle Rätsel gelöst? Die Analyse des Arabidopsis-Genoms hat erstmals einen tiefen Einblick in das Genrepertoire gewährt, das für das Leben höherer Pflanzen notwendig ist. Wir haben gelernt, dass zusätzlich zu den schon zuvor experimentell identifizierten Genen weitere Gene in Arabidopsis vorhanden sind. Dies ist ohne Zweifel ein Meilenstein in der Pflanzenbiologie. Trotzdem ist unser Wissen nach wie vor eingeschränkt. Die Daten, über die wir nun verfügen, lassen sich mit der Liste von Einzelbauteilen einer Maschine vergleichen. Ohne das Wissen, wie die einzelnen Komponenten zueinander montiert werden müssen, wie sie ineinander greifen und welche Abhängigkeiten zwischen den Einzelteilen und Modulen herrschen, ist ein Verstehen des Gesamtapparates nicht möglich. Auf die Biologie übertragen heißt dies, dass die Verzahnung der einzelnen Gene zu spezifischen pathways (Signale, Metabolismus, Regulation etc.) und deren komplexes Ineinandergreifen Literaturhinweise: The Arabidopsis Genome Initiative: Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature 408, (2000) Internet: MIPS Munich Information Center for Protein Sequences. Die MIPS/IBI Arabidopsis- Genom-Datenbank und weitere Pflanzengenom-Ressourcen TAIR The Arabidopsis information resource Unentbehrliche Hilfsmittel bei der Genomsequenzierung: Sequenzierroboter, die den Wissenschaftlern zahlreiche Routineschritte abnehmen. Foto: Bernd Müller die große Maschine Pflanze bilden. Rolle und Funktion der überwiegenden Anzahl von Genen ist bisher weitgehend unbekannt. Teilweise können zwar Aussagen über die Funktion gemacht werden, diese betreffen jedoch nur das isoliert betrachtete Gen, nicht aber den funktionellen Kontext. So wissen wir beispielsweise nur in den wenigsten Fällen, welche Gene durch bestimmte Transkriptionsfaktoren reguliert werden, mit welchen Faktoren diese interagieren und welchen Regulationsmechanismen sie unterliegen. Es wird das Ziel der kommenden Jahre sein, die Rolle und Funktion jedes einzelnen Gens zu untersuchen und so den Bauplan für den korrekten Aufbau des Apparates Pflanze zu ergründen. 71