4a. Molekulare Evolution.word

4. Molekulare Evolution
Molekulare Evolution
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Technische vs. biologische Evolution
Die Evolution arbeitet aus gegebenen Materialien, das bedeutet die neuen Strukturen
(Gene, Organe, usw.) entstehen nur aus schon existierenden. Also zB. ein Gen steht niemals
aus zufälligen DNA Basensequenzen zusammen, sondern aus anderen Genen. Ähnlich wie die
neue Organen entstehen aus anderen Organen (zB. Lunge aus Luftsack der Fische)
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Die Entstehung von neuen Genen
Exon Verdoppelung
Exon Vermischung
Genverdoppelung
de novo (neu) Entstehung
Verdopplung des Genoms und/oder der Genom-Teile
Exon Verdopplung Ein Exon kodiert oft das funktionelle Domain eines Proteins.
So kommt es, dass, wenn sich ein Exon verdoppelt, sich auch das Domain des gegebenen
Proteins verdoppelt. Die zwei Domaine können beide dieselbe Funktion behalten; häufiger ist
jedoch, dass sich die der einen ändert.
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Exon Vermischung Ein Exon eines Gens gerät in ein anderes Gen, dadurch erhält
das andere Gen zur eigentlich vorhandenen Funktion eine weitere. Dieser
Mechanismus spielt wahrscheinlich eine grundsätzliche Rolle bei der Entstehung der neuen
Gene.
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Eine funktionelle Abtrennung nach Verdopplung der Gene ist die am meist
vorkommende Art der Entstehung der Gene. Das Schicksal der neu entstandenen Gene kann
sich wie folgt entwickeln. (1) Wird zum Pseudogen dies ist der am häufigsten vorkommende
Fall, im Laufe dessen die eine Kopie nach der Verdopplung sich Schritt für Schritt degradiert
indem sie Mutationen anhäuft. Aus perspektive der Evolution betrachtet gilt dies als schneller
Ablauf, da die überflüssige Kopie von der negativen Selektion nicht geschützt wird. (2)
Gewinn einer neuen Funktion Die in der kodierenden Region vorkommenden Mutationen
führen zur Entstehung einer neuen Funktion, währenddessen behält die andere Kopie ihre
originale Funktion. Die Entwicklung der neuen Funktion findet in mehreren Schritten statt,
jeder Schritt muss erst in der Population vertieft werden. Die neue Funktion ist meistens
ähnlich wie die vorige, der entstandene Gen nimmt in der Regel an demselben Prozess teil,
eventuell nur in einer anderen Phase dessen. Die zwei Gene werden als paralog bezeichnet
(gegenüber den ortologen Genen, welche die gleichen Gene in unterschiedlichen Arten sind).
(3) Alte Funktion andere Expression Eine in der regulierenden Region vorkommende
Mutation lässt die Funktion des Gens unberührt, sie wirkt statt dessen auf die Expression der
Gene, in Folge dessen können die beiden Gene in Zellen von unterschiedlichen Arten
ausgedrückt werden. Eine Art hierfür ist, wie auch auf dem Abbild zu sehen ist, wenn je ein
Konsensus Element vom Promoter oder Enhancer entfernt wird. Aber es kann auch
vorkommen, dass sich neue Konsensus-Elemente entwickeln. (4) Behalten der gleichen
Funktion Selten kann die Funktion des verdoppelten Gens als gleiche bewahrt werden, oder
als fast gleiche. Dies kommt dann vor, wenn in der Zelle Bedarf an eine grosse Menge an
Genprodukten besteht. In diese Kategorie gehören die rRNS und die Histon Gene.
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10. Vortrag
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4. Molekulare Evolution
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Verdopplung von grösseren genetischen Einheiten Dieser Prozess kann zur Verdoppelung
eines Chromosom-Segments führen, oder durch eine unebene Meiose zur Duplikation eines
Chromosoms (Aneuplodia) oder des ganzen Genoms (Poliploidia).
Die Duplikation des ganzen Genoms kann teilweise oder ganz ablaufen. Bei Pflanzen
kommt die Duplikation des ganzen Genoms häufig, bei Tieren sehr selten vor. Nach der 2R
Theorie, auf dem Weg, der zu den Wirbeltieren führte gab es zwei Duplikations-Prozesse,
bzw. den Fall der Knochenfische mit berechnet plus einen. Die erste seit 510, die zweite
Duplikation war seit 420 Million Jahre geschehen. Wir Menschen sind also auch in diesem
Sinn Poliploiden. Die totale Genom Duplikation ist eine effektive Art der Steigerung der
Komplexität. Gleich nach der Duplikation des Genoms beginnt die Diploidisation, das heißt
der Verlust der Mehrheit der Gene. Nach einer Zeit wird diese netto-Änderung nur im Fall
einiger Gene das Doppelte, bei den anderen bleibt wegen dem Genverlust die originelle
Anzahl. Die übriggebliebenen Gene divergieren funktionell.
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Austausch von chromosomalen Segmenten Der Vergleich von Chromosomen von
Säugetieren zeigt, dass die Reihenfolge der Gene in nur recht kleinen Segmenten
übereinstimmt, und sich die entfernten Gene an je anderen Chromosomen befinden (auch die
Chromosom-Anzahl ist unterschiedlich). Beim Vergleich von Mensch und Maus ist eine
Konserviertheit in eine ca. 10 Mb Region zu erkennen, das heisst, dass an so kurzen
Chromosom-Strecken dieselben Gene in den zwei Arten miteinander benachbart sind. Die
Gene des Menschen und der Maus stimmen also im Großen und Ganzen miteinander überein
( mit anderen Worten sind die den Genen des Menschen entsprechenden ortologen Gene auch
bei der Maus vorzufinden und umgekehrt), aber auch die Platzierung der Gene an den
Chromosomen ist sehr unterschiedlich. Chromosom X bildet eine interessante Ausnahme,
denn die am X Chromosom de Menschen platzierten Gene sind auch in der Maus an
demselben Chromosom zu finden. Der Grund für diese Erscheinung ist bislang noch
unbekannt.
Molekulare Phylogenetik
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Molekularer Stammbaum: Basiert auf dem Vergleich der Basisreihenfolge der DNS. Je
entfernter die zwei Arten voneinander sind, desto größer der unterschied in ihrer
Basisreihenfolge. An den stummen Orten des genetischen Kodes ist die Geschwindigkeit der
Änderung viel höher, als in den Aminosäuren-Änderungen verursachenden Positionen. Grund
dafür ist, dass die negative Selektion die Exemplare in einer Population nicht verbreiten lässt,
welche mutiertes Protein enthalten (meistens bedeutet solch eine Mutation einen selektiven
Nachteil). Hier muss bemerkt werden, dass die mit einem Aminosäuren-Austausch
verbundenen Mutationen meistens sogenannte konservative Austausche sind, was bedeutet,
dass die neue Aminosäure chemisch mit der ausgetauschten verwandt sind, der Austausch
verursacht also keine bedeutende funktionelle Änderung (z.B. Arg Lys; beide sind basische
Aminosäuren). Die Fälle, in denen in der Aminosäure-Änderung verursachenden Position die
Geschwindigkeit der Änderung höher ist wie an den stummen Orten, rufen die
Aufmerksamkeit auf das seltene Phänomen auf, dass auf die Evolution der Proteine die
positive Selektion gewirkt hat. Zum Feststellen der Abstammungs-Verhältnisse können wir
die DNS-e der Zellkerne, des Y-Chromosoms und des Mitochondriums verwenden (letztere
sind deshalb interessant, weil sie sich während der Fortpflanzung nicht vermischen).
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4. Molekulare Evolution
Molekulare Uhr ist die Basis bei der Bearbeitung eines molekularen Stammbaumes. Die
Anwendung der molekularen Uhr für das Feststellen von abstammungs-Verhältnissen, bzw.
von Zeitpunkten basiert auf der Hypothese, dass die Abschnittwechslungs-Geschwindigkeit
der untersuchten DNS in einem größeren Zeitintervall ständig ist. Die nicht-kodierenden
Regionen ändern sich in der Regel schneller, wie die kodierenden Abschnitte, der Grund
hierfür ist, dass letztere unter dem Schutz der negativen Selektion stehen. Die einzelnen Gene
ändern sich in unterschiedlichen Geschwindigkeiten: Hystone 1 Aminosäure/1 Milliarden
Jahre; Cytochrom C1 Aminosäure/ 10 Millionen Jahre (das ist der typische Fall); das
Fibrinopeptid 1 Aminosäure/1 Millionen Jahre.
Vererbungs Arten Auf dem Bild gehört zu einer Person eine Farbe, ein Chromosom ist
normal, eins gestreift. Man kann erkennen, dass sich der Stoff der Chromosomen nach einer
Zeit in den Abstammenden total vermischt. Dem gegenüber vermischt sich die DNS des Y
Chromosoms und des Mitochondriums während den Generationen nicht.
Mitochondriale DNS Zum feststellen der abstammungs- und verwandtschafts-Verhältnisse
wird das Cytochrom b Gen, bzw. die hypervariable Region des Mitochondriums zur
Vergleichung der Sequenzen verwendet.
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Y Chromosom ist zum feststellen der genetischen Entfernung verwendbar. Hierfür
verwenden wir die angewandten Methoden der Sequenz-Vergleichung (molekulare Uhr) oder
des genetischen Markers.
(1) Moleklare Uhr: basiert auf Vergleich der Sequenzen (siehe oben).
(2) Genetische Marker: die Mikrosatelliten (sich wiederholende, 1-4 Basenpaaren lange
Einheiten), bzw. die Ein-Nukleotid Polymorphismus (SNP; single nucleotide poymorphism)
Techniken werden verwendet. Bei den mikrosatelliten wird nicht die Basisreihenfolge
untersucht, sondern die Zahl der kurzen Wiederholungen (eher innerhalb einer Art, z.B.
Vaterschaftstests, Evolution): STR- (short tandem repeats) und VNTR (variable number of
tandem repeats) Analyse.
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VNTR Analyse Wenn sich zwei Allele (A und B) so voneinander unterscheiden, dass in
einem 2, im anderen 4 sich wiederholende Sequenzen sind, dann können diese voneinander
durch die PCR (Polymerase Kettenreaktion) und die Gelelektrophorese Techniken
abgesondert werden. Über die PCR Technik muss vorerst nur bekannt sein, dass mit zwei
Primersequenzen der zwischen diesen Sequenzen anwesende DNS-Abschnitt vermehrfacht
werden kann, welcher so genügend DNS produziert, und wir so diese durch Agarose-Gel
separieren, bzw. die zwei Varianten voneinander unterscheiden können: die kleinere Sequenz
läuft schneller/weiter wie die größere.
Notizen:
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