DNA-Kopienzahlrechner | Genomische Analysewerkzeug

DNA-Kopienzahl-Rechner

Ein DNA-Kopienzahl-Rechner schätzt, wie viele Kopien einer Zielsequenz in einer DNA-Probe vorhanden sind. Er verwendet die Konzentration und das Volumen der Probe sowie die Häufigkeit, mit der die Zielsequenz innerhalb der längeren DNA-Sequenz vorkommt. Molekularbiologische Labore nutzen diese Schätzung, um Experimente wie qPCR (quantitative Polymerase-Kettenreaktion) zu planen, bevor sie eine teurere und präzisere Analyse durchführen.

Bedeutung der DNA-Kopienzahl

Die DNA-Kopienzahl gibt an, wie oft eine bestimmte Sequenz in einem Genom oder einer Probe vorkommt. Ein typisches menschliches Gen kommt zweimal vor, jeweils einmal von jedem Elternteil geerbt. Verschiedene Faktoren können diese Anzahl verändern.

• Amplifikation: mehr als zwei Kopien. Krebszellen amplifizieren häufig wachstumsfördernde Gene, beispielsweise HER2 in manchen Brusttumoren.
• Deletion: weniger als zwei Kopien, manchmal keine. Deletionen können genetische Erkrankungen verursachen.
• Duplikation: Eine zusätzliche Kopie tritt dort auf, wo nur eine oder zwei vorhanden sein sollten.
• Kopienzahlvariation (CNV): ein normaler Unterschied der Kopienzahl zwischen Individuen, der in einem bedeutenden Teil des menschlichen Genoms vorkommt.

Formel für die DNA-Kopienzahl

Der Rechner wandelt die Anzahl der Sequenzvorkommen und die Probenmasse mit dieser Formel in eine Kopienzahl um:

$\text{Kopienzahl} = \frac{\text{Vorkommen} \times \text{Konzentration} \times \text{Volumen} \times N_A}{\text{DNA-Länge} \times 660 \times 10^{9}}$

Dabei gilt:

• Vorkommen — wie oft die Zielsequenz in der vollständigen DNA-Sequenz vorkommt; überlappende Treffer werden separat gezählt.
• Konzentration — DNA-Konzentration in Nanogramm pro Mikroliter (ng/μL), die gewöhnlich mit einem Spektrophotometer oder Fluorometer gemessen wird.
• Volumen — Probenvolumen in Mikrolitern (μL).
• $N_A$ — Avogadro-Konstante, 6,022 × 10²³ Moleküle pro Mol. Sie wandelt die Stoffmenge der DNA in eine Molekülzahl um.
• DNA-Länge — Länge der vollständigen DNA-Sequenz in Basenpaaren.
• 660 — durchschnittliche Molekülmasse eines DNA-Basenpaars in Gramm pro Mol (g/mol). Ein Basenpaar besteht aus zwei gepaarten Nukleotiden, jeweils einem von jedem DNA-Strang.
• 10⁹ — wandelt Nanogramm in Gramm um.

Die Formel wandelt zunächst die Masse der Probe in die Stoffmenge der DNA-Moleküle um, multipliziert diese mit der Avogadro-Konstante, um die Gesamtzahl der DNA-Moleküle in der Probe zu erhalten, und multipliziert sie anschließend mit der Anzahl der Vorkommen der Zielsequenz in jedem Molekül.

Das Werkzeug akzeptiert nur die Buchstaben A, T, C und G. Leerzeichen und Zeilenumbrüche werden ignoriert; Kleinbuchstaben zählen genauso wie Großbuchstaben.

Berechnung der DNA-Kopienzahl: durchgerechnetes Beispiel

Gegeben sei eine DNA-Sequenz mit 12 Basenpaaren, ATCGATCGATCG, mit einer Zielsequenz ATCG, einer Konzentration von 10 ng/μL und einem Volumen von 20 μL.

Schritt 1: Vorkommen zählen. ATCG kommt in ATCGATCGATCG 3-mal vor, an den Positionen 1, 5 und 9.

Schritt 2: Gesamtmasse der DNA bestimmen. Konzentration × Volumen = 10 × 20 = 200 ng.

Schritt 3: In Mol umrechnen. 200 ng = 2 × 10⁻⁷ g. Division durch (12 Basenpaare × 660 g/mol) = 7.920 g/mol. Daraus ergeben sich 2,53 × 10⁻¹¹ mol.

Schritt 4: In eine Molekülzahl umrechnen. Multiplikation mit der Avogadro-Konstante: 2,53 × 10⁻¹¹ mol × 6,022 × 10²³ Moleküle/mol ≈ 1,52 × 10¹³ DNA-Moleküle.

Schritt 5: Mit der Anzahl der Vorkommen multiplizieren. 3 × 1,52 × 10¹³ ≈ 4,56 × 10¹³ oder etwa 45.621.212.121.212 Kopien.

Diese Zahl wirkt sehr groß, weil eine 20 μL große Probe mit 10 ng/μL noch Billionen kurzer DNA-Moleküle enthält. In realen Proben sind die Sequenzen gewöhnlich viel länger, wodurch sich bei gleicher Masse die Molekülzahl verringert.

Anwendungsbereiche der DNA-Kopienzahlanalyse

Krebsdiagnostik. Pathologielabore bestimmen die HER2-Kopienzahl in Brusttumorgewebe. Eine normale Zelle trägt zwei Kopien. Ein amplifizierter Tumor kann sechs oder mehr tragen, was die Eignung für zielgerichtete Medikamente wie Trastuzumab beeinflusst.

Diagnostik genetischer Erkrankungen. Erkrankungen wie das DiGeorge-Syndrom gehen mit der Deletion eines Chromosomenabschnitts einher. Beim Down-Syndrom liegt eine zusätzliche Kopie des Chromosoms 21 vor (Trisomie 21). Das Zählen der Kopien hilft, diese Diagnosen zu bestätigen.

Quantifizierung von Transgenen und Plasmiden. Forschende prüfen, wie viele Kopien eines eingefügten Gens in eine pflanzliche, tierische oder bakterielle Zelle gelangt sind. Eine einzelne Kopie wird gewöhnlich bevorzugt, da mehrere Kopien die Zelle dazu veranlassen können, das Gen stillzulegen.

Überwachung von Krankheitserregern und Viruslast. Schätzungen der Kopienzahl zeigen, wie viel virale oder bakterielle DNA in einer Probe vorhanden ist. Dies wird bei der Überwachung von Infektionen und bei Umweltuntersuchungen eingesetzt.

Andere Methoden zur Messung der Kopienzahl

Dieser Rechner liefert anhand von Sequenz- und Konzentrationsdaten eine schnelle Schätzung. Labore, die eine höhere Präzision benötigen, verwenden typischerweise stattdessen eine der folgenden Methoden:

• Quantitative PCR (qPCR): amplifiziert und misst DNA in Echtzeit; bei einer guten Standardkurve auf etwa 15–20% genau.
• Digitale PCR (dPCR): teilt eine Probe für die direkte Zählung in Tausende winzige Reaktionen auf, ohne dass eine Standardkurve erforderlich ist.
• Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH): zählt Sequenzen direkt an Zellen oder Chromosomen unter dem Mikroskop; in vielen Labors der Krebsdiagnostik die Standardmethode.
• Sequenzierung der nächsten Generation (NGS): sequenziert die gesamte Probe und erstellt gleichzeitig ein Kopienzahlprofil für das gesamte Genom.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die DNA-Kopienzahl? Sie gibt an, wie oft eine bestimmte DNA-Sequenz in einem Genom oder einer Probe vorkommt. Die meisten menschlichen Gene kommen zweimal vor, jeweils einmal von jedem Elternteil. Zusätzliche oder fehlende Kopien können die Gesundheit und das Erkrankungsrisiko beeinflussen.

Wie genau ist dieser Rechner? Er liefert eine theoretische Schätzung auf Grundlage der eingegebenen Werte, keine Labormessung. Die Genauigkeit hängt davon ab, wie präzise die Konzentration gemessen wurde und wie spezifisch die Zielsequenz ist. Methoden wie die digitale PCR sind für veröffentlichte Ergebnisse präziser.

Kann dieser Rechner für RNA verwendet werden? Nein. RNA verwendet Uracil anstelle von Thymin und einen anderen Zucker, daher unterscheidet sich ihre Molekülmasse von der der DNA. RNA hat pro Nukleotid eine durchschnittliche Molekülmasse von etwa 330 g/mol, verglichen mit etwa 660 g/mol pro DNA-Basenpaar. Die Verwendung der DNA-Formel für RNA-Daten würde zu einem falschen Ergebnis führen.

Warum wird eine überlappende Sequenz mehr als einmal gezählt? Der Rechner zählt jede Position, an der die Zielsequenz übereinstimmt, auch wenn sich die Treffer Buchstaben teilen. In ATATAT stimmt die Sequenz ATA zweimal überein, an Position 1 und an Position 3, weil jede Startposition unabhängig geprüft wird.

Welcher DNA-Konzentrationsbereich funktioniert am besten? Konzentrationen von 10–100 ng/μL liefern auf üblichen Laborgeräten die zuverlässigsten Messwerte. Unter 10 ng/μL nimmt der Messfehler zu; daher wird anstelle eines herkömmlichen Spektrophotometers eine empfindlichere Methode wie ein Fluorometer empfohlen.

Kann dieser Rechner die Plasmidkopienzahl schätzen? Ja. Geben Sie die vollständige Plasmidsequenz als DNA-Sequenz und einen eindeutigen Bereich des Inserts als Zielsequenz ein, zusammen mit der gemessenen Plasmidkonzentration und dem Probenvolumen.