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by Anne N.

Metagenomic Libraries

genauer: 16S-Sequenzierung


Was ist 16S-rRNA-Sequenzierung?



Die 16S-rRNA-Sequenzierung ist eine spezifische Form der Metagenomik, die sich nur auf Bakterien (und teilweise Archaeen) konzentriert. Dabei wird gezielt ein einziges Gen untersucht: das 16S-rRNA-Gen, das in allen Bakterien vorhanden ist.


Dieses Gen ist ein Teil der ribosomalen RNA und wird deshalb häufig genutzt, weil:


  • Es in allen Bakterien vorkommt (konservierte Regionen),

  • Aber auch Abschnitte enthält, die sich zwischen Arten unterscheiden (variable Regionen → z. B. V1–V9),

  • Und es sich daher sehr gut zur Identifikation von Bakterien eignet.


Wie funktioniert der 16S-Test molekularbiologisch?



1. DNA-Extraktion:

Zunächst wird die gesamte DNA aus einer Probe (z. B. Stuhl, Wasser, Haut) isoliert – wie bei klassischer Metagenomik.


2. PCR-Amplifikation des 16S-rRNA-Gens:

Mit spezifischen Primern wird das 16S-rRNA-Gen (meist ein Teil davon, z. B. die V3–V4-Region) per PCR vervielfältigt.

→ Nur dieser Genabschnitt wird gezielt vervielfältigt – der Rest der DNA wird ignoriert.


Cleanup (z. B. mit magnetischen Beads):


  • Entfernt überschüssige Primer, dNTPs und kurze Artefakte.

  1. PCR

  • Jetzt werden sogenannte Index-Primer verwendet.

  • Diese enthalten:

    • Index 1 (i7) und Index 2 (i5) – eindeutige Barcodes für jede Probe.

    • P5 und P7 Sequenzieradapter – nötig für das Cluster-Setup auf dem Illumina-Flowcell.



→ Nach dieser PCR sind die Amplicons bereit zum Sequenzieren:

Sie tragen nun eine individuelle Probe-ID + Sequenzieradapter.



3. Sequenzierung (z. B. Illumina MiSeq):



Die PCR-Produkte (Amplicons) werden zu Sequenzierbibliotheken verarbeitet und sequenziert.



4. Bioinformatische Auswertung:



  • Die Sequenzen werden mit 16S-Datenbanken (z. B. SILVA, Greengenes) verglichen.


Prinzip der LibPreps

DNA wird so vorbereitet, dass sie Sequenzierbar wird. Dazu werden Illumina Adapter (passend zu Primern Flowcell) angebaut. Dann kommen noch Indizes dazu um Sequenzierung im Pool zu ermöglichen. Mit meherern Aufreinigungsschritten werden Größenselektion aber auch Entfernung von Sequenzieradaptern, PCR-Primern, dNTP, Enzymen und Pufferverunreinigungen ermöglicht. Es gibt dann noch ein Pooling und eine QC um Cluster optimal auszunutzen.

Sequenzierung (zum Durchlesen)

  • Flusszelle mit Primern

  • Adaptoren binden

    • durch 3’ und 5’ Primer auf der Flowcell gehen die Fragmente eine Brücke ein. Weil an zwei Seiten auf Platte gebunden

  • Durch PCR, entstehen neue Stränge.

  • Diese Binden wieder an neue immobilisierte Primer in der Nachbarschaft dadurch entsteht ein Cluster

  • Alle Sequenzen eines Clusters liefern das gleiche Signal, dadurch wird die Sequenz genauer

📚 Library Prep – Warum überhaupt?

🧠 Grundidee

Sequenzierer kann nicht einfach nackte DNA lesen.

Du musst:

  1. DNA fragmentieren

  2. Adapter anbauen (P5 / P7)

  3. Indizes hinzufügen

  4. Reinigen & Größen selektieren

👉 Du machst DNA „sequenzierbar“.

🎯 Anwendung

  • RNA-Seq → Genexpression global

  • small RNA → miRNA

  • Exom → codierende Bereiche

  • 16S → Bakterienidentifikation

🧫 Illumina Sequenzierung

DNA-Fragmente binden an Flowcell. Sie bilden eine Brücke. Werden vervielfältigt. Es entstehen Cluster identischer Sequenzen.

Warum?

Weil ein einzelnes Molekül zu schwach leuchtet. Viele identische zusammen → starkes Signal.

👉 Jeder Cluster = eine ursprüngliche DNA-Sequenz.

Das Gerät liest Base für Base durch Fluoreszenz.


qPCR

KASP-Genotypisierung

Was bedeutet AA, AG oder GG?

Du hast von jedem Gen 2 Kopien → eine von Mama → eine von Papa

Deshalb stehen da immer 2 Buchstaben.

  1. AA oder GG = homozygot → beide gleich

  2. AG = heterozygot → unterschiedlich

Du hast zwei spezielle Primer:

  • Primer 1 funktioniert nur wenn dort A ist

  • Primer 2 funktioniert nur wenn dort G ist

Und jetzt kommt der Trick:

  • Der A-Primer leuchtet grün (FAM)

  • Der G-Primer leuchtet gelb (HEX)

| Genotyp | Was leuchtet? |

| **AA** | nur FAM (grün) |

| **GG** | nur HEX (gelb) |

| **AG** | beide leuchten |

Wofür braucht man Positivkontrollen?

Du brauchst bekannte Proben:

  • eine sichere AA

  • eine sichere GG

  • eine sichere AG

👉 „so sieht AA im Gerät aus.“👉 „So sieht AG aus.“

Hier bedeutet:

  • A = Adenin (DNA-Basen)

  • G = Guanin (DNA-Basen)

Aminosäuren kommen erst später beim Protein.

🧠 Mini-Merkhilfe

SNP = 1 Buchstabe anders AA = beide gleich AG = gemischt qPCR = welcher Primer leuchtet?

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  • Single Nucleotid Polymorphism

  • Mutation in einem einzigen Basenpaar

  • wir wollten herausfinden ob eine DNA Probe in einem bestimmten SNP homozygot oder heterozygot ist

    • z.B. AA, GG oder AG

  • 2 Allel spezifische Primer

    • einer passt nur wenn A, der andere nur bei G


    1. Jeder Primer trägt einen unterschiedlichen Fluoreszenz-Marker:

      • z. B. FAM = A

      • HEX = G


    2. In der qPCR wird amplifiziert – nur der passende Primer funktioniert, je nach SNP.

    3. Die Fluoreszenz-Signale zeigen den Genotyp:

      • Nur FAM-Signal → Homozygot A/A

      • Nur HEX-Signal → Homozygot G/G

      • Beide Signale → Heterozygot A/G




    Rolle der Positivkontrollen:



    • Homozygote A/A, G/G und Heterozygot A/G → helfen sicherzustellen, dass dein Assay funktioniert → ermöglichen Zuordnung der Proben zu den richtigen Genotyp-Gruppen


  • Hersteller für spezifische Sonden:

    “SNP Assay Library“ beim Hersteller runter laden

  • Positivkontrollen: Homozygot für Allel 1 oder Allel 2 oder heterozygot angeben

  • KASP ist nur eine Chemie für SNP qPCRs

🧬 5️⃣ SNP-qPCR / KASP

🧠 Biologisches Prinzip

Ein SNP = Basenaustausch an einer einzigen Stelle. z. B. A statt G.

Du willst wissen:

  • AA

  • AG

  • GG ?

🧪 Technisch

Zwei allele-spezifische Primer:

  • einer bindet nur bei A

  • einer nur bei G

Jeder hat anderen Fluoreszenzfarbstoff (FAM / HEX).

Signal zeigt Genotyp.

🎯 Anwendung

Pharmakogenetik:

  • Hat Patient eine Variante im CYP-Gen?

  • Erhöhtes Nebenwirkungsrisiko?


Author

Anne N.

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