Generelle Aspekte

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2. Das Genom
Generelle Aspekte
„Kompaktheit” des Genoms
- Gene sind nicht gleichmäßig durch das Genom verteilt, sondern bilden Oasen (clusters) in der Wüste
der nichtkodierenden DNAs. Diese Gene sind oftmals funktionell verwandt.
Eigenschaft
Gendichte (durchschnittl. No./MB)
Intron/exon (Durchschn.)
Verhältnis von Repeats(%)
Hefe
496
0.04
3.4
Fruchtfliege
76
3
12
Mensch
11
20
51.5
Menschliche Gene werden auf grössere DNA-Abschnitte verteilt, als Hefe- oder Fliege-Gene, und
enthalten viel mehr Wiederholungen.
Phenotyp-Komplexität
Was ist die genetische Basis des komplexen Phenotyps?
1. Erhöhte Genanzahl?
2. verbesserte Genfunktion?
3. komplizierter Genfunktion?
4. Veränderung im Gebrauch der Gene?
5. Veränderung der Genexpression?
(1)Genanzahl und Komplexizität
Der Nematode (Wurm) C. Elegans besteht aus ~1000 Zellen, hat aber kaum weniger Gene als der
Mensch. Das Fruchtfliege-Genom hat etwa die Hälfte der Gene des Menschen. Während Evolution
wächst die Genanzahl weit weniger als die Phenotypkomplexität. Daher hängt die Genomkomplexizität
eher vom Gebrauch der Gene als von der Neogenese von Genen ab.
(2) Genomgröße und Komplexität
Es gibt einen, wenn auch nicht strengen, Zusammenhang zwischen Genomgröße und Anzahl der Gene.
Es ist wahr, das primitivere Lebewesen ein kleines Genom haben (Eine Ausnahmen ist zb die Amoebe),
aber der Zusammenhang ist eher locker: Ändert sich die DNA-Menge fast unabhängig von der
phänotypischen Komplexität.
(3) C – Wert Paradoxon
Das Genom-Größe ist nicht mit dem phänotypischen Komplexität korreliert, da viele
primitiven
Organisma
besitzten
ein
Genom
größer
als
ein
Mensch
(Früher dachte man, dass die Zahl der Gene in das Genom proportional zur Größe ist). C – Wert
Geheimnis, Enigma: Warum gibt es so viele nicht-kodierenden DNA im Genom der höheren Arten
und warum gibt es so große Unterschiede zwischen den Arten?
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2. Das Genom
(3) Säugetierische Gene sind komplizierter
Erhöhung der Phenotyp-Komplexität während der Evolution wurde durch Genfunktion-Erhöhung,
mehrerer Exons, mehrerer Wechselwirkungen unter Genprodukte und regulatorischer Unterschiede der
Genexpression verursacht. Hinweis: Phänotypische Variabilität innerhalb einer Art ist auf
genregulatorische Unterschiede gegründet; Unterschiede der Genkomplexität gilt unter großen
evolutionären Distanzen.
Die Rolle der nichtkodierenden DNA
Über die Rolle der nicht-kodierenden DNA gibt eine ständige Debatte; die wichtigsten Ideen sind unten
erwähnt.
(a) Genetischer Abfall-Hypothese
Die nicht-codierende DNA hat keine Funktion. Da jedoch nicht allzu schlecht ist, wird nicht von
Wirtsgenom freigelassen.
(b) Die egoistische DNA-Hypothese besagt, dass die nicht-kodierenden Sequenzen ihre eigenen
Interessen gegen des gastgebenden Organismus darstellen. Vermehren sich in der Wirts-DNA, wodurch
die Zellen und den Körper schädigen. Die egoistische DNA-Hypothese sollte nicht mit der Theorie von
Richard Dawkins egoistisches Gen (Selfish Gene) verwechselt werden, da alle egoistischen DNASequenzen, einschließlich derjenigen Gene, die zusammenarbeiten/kooperieren, um die
Körperfunktionen harmonisch gewährleisten zu können.
(c) Die massenmässige DNA-Hypothese ist, dass die Genomgrösse übt direkte Wirkung auf die Zelle
und den Zellkern aus, welche die Zellteilungsrate und das Tempo der Embryogenese bestimmt. Die
Annahme ist, dass die Größe der DNA unter positiver Selektion steht um diese Besonderheiten zu
optimieren.
(d) Die plastisches-Genom Hypothese vermutet, dass die springenden Elemente des Genoms tun es
plastisch, so dass die genomische Umstrukturierungen leichter stattfinden und eine schnellere Evolution
ermöglichen.
(e) Nützliche Sequenzen. Eine weitere Idee vermutet, dass einige nicht-kodierende DNA-Sequenzen
nützlich sein kann. Dies sind wie folgt:
-Spleissen der Introns Stabilisiert die mRNA (den Grund für diese verstehen wir nicht, aber dies der Fall
ist).
-Im Sinne der Regulierung kann es wichtig sein: In dieser Region befinden sich Enhancers und Gene für
regulatorische RNAs.
-Die beweglichen/springenden Elemente Mutationen und Transduktion der zellulären Gene verursachen
können. Diese Funktion in Bezug auf einzell-Personen in der Regel nachteilig sein kann, weil es
Krankheiten in der Bevölkerung verursacht. Dies aber auf Population-Ebene kann nützlich sein, da sie
verbreiten vorteilhafte Mutationen in der Bevölkerung.
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2. Das Genom
Schimpanse - Mensch Unterschied. Der Mensch und die Schimpansen weisen erhebliche
Unterschiede bezüglich ihrer anatomischen Struktur und das Verhalten auf. Derzeit verstehen wir nicht
die biologischen Gründe. Die folgende Tabelle stellt den Vergleich zwischen Menschen und
Schimpansen-Sequenzen dar:
- Punktmutationen (komplettes Genom)…… 1,23%
- Punktmutationen (kodierende Sequenzen)….1%
- Duplikationen:…………………………2,7%
- Insertionen, Deletionen:…………………3,0%
- Rearrangement einiger Chromosomen
- Weniger nicht-synonyme Mutationen bezüglich Gehirm als im Schimpansen
- Mensch: Propagation von Line-1 und Alu Sequenzen
-Das menschliche Chromosom 2 ein Fusionsprodukt zweier Schimpansenchromosomen ist
Was macht uns menschlich? Beim Menschen und anderen Spezies die DNA-Bestimmungen
machen es möglich, die DNA-Sequenzen zu vergleichen. Ein Vergleich der kodierenden DNASegmenten die einfachste Aufgabe ist; es ist kein Zufall, dass es vor allem die Rolle einzelner Gene
lieferten Gründe an Erklärungshypothesen der menschlichen Evolution. Die Gene die in der Funktion
des menschlichen Gehirns teilnehmen weisen mehrere Aminosäureaustauschmutationen auf, die darauf
hindeutet, dass die Proteine funktionell verändert geworden sind. Die Größe des Gehirns (ASPM) und
die Sprache (FOXP2) beeinflussende Gene beim Menschen eine rasche Entwicklung unterworfen. Das
Gen FOXP2 Verständnis von Grammatik und Artikulation steuert. Eine englische Familie, FOXP2-Gens
Störungen zeigt. Diese Menschen zeigen zwei typische Symptome: Sie können nicht richtig Grammatik
verwenden und kämpfen mit Artikulation-Probleme. Viele Forscher glauben, dass in der Entwicklung
der Sprache die Evolution des FOXP2-Gens wichtig ist. Dieses Gen ist sehr konservativ ist, Maus und
Menschenaffen weisen nur eine einzige Änderung in der Aminosäuresequenz auf, tragen aber 131 stille
Mutationen. Beim Menschen gab es zwei Aminosäureaustausche und 0 stille Mutation in den letzten
200.000 Jahre. (In der Regel die stille Mutationen sind häufiger, weil die Aminosäureänderungen die
negative Selektion eliminiert, sie können sich nicht in der Bevölkerung verbreiten). Der NeandertalerMensch trug das selbe FOXP2-Allel wie die heutigen Menschen. Das ASP-Gen Microcephalie (Kleine
Gehirn-Grösse) verursacht. Eine Hypothese vermutet es, dass die veränderte AminosäureZusammensetzung zu einer Erhöhung des Gehirns führte. Die Amylase-Enzym verantwortlich für die
Stärke-Abbau und kodiert durch das AMY1-Gen. Das AMY1-Gen tritt in der DNA von Säugetieren in
mehrere Kopien auf, insbesonders beim Menschen. Man kann es annehmen, da Mensch effektiv die
Stärke verdaut, ermöglichte es ein Lebensmittel-Wechsel in Fleisch-Mangel auf stärkehaltigen Kerne.
Die Spaltung des Milchzuckers ermöglicht das Enzym Laktase, das durch die LCT-Gen kodiert wird.
Normalerweise steht Milch für Säugetieren nur nach dem Geburt zur Verfügung, und deshalb
Erwachsenen hören mit der LCT-Genexpression auf. Der Mensch hat eine Mutation im
genregulatorischen Region (die europäischen und afrikanischen Populationen unabhängig voneinander),
die Produktion des Enzyms Laktase kontinuierlich sicherzustellen. Die Mutation hat einen klaren
Vorteil, da die Milch, als neue Nahrungsquelle vorhanden war. Die HAR1 (human beschleunigte
Region) RNA-Genen (nicht Protein-codierendes) ein 118 bp RNA-Molekül ist, das für die Entwicklung
des zerebralen Kortex des Gehirns verantwortlich ist, exprimiert wird in Neuronen (falls diese Neuronen
nicht richtig funktionieren, die Gehirn-Oberfläche bleibt glatt). Die HAR1 bei den Menschen änderte
sich rasch; in anderen Wirbeltieren ist sehr konservativ: der Schimpanse- und Huhn- 118 Bp Abschnitt
(vor 300.000.000 Jahre getrennt) ist nur in 2 Basen unterschiedlich, während der Schimpanse und
Mensch (vor 6.000.000 Jahre getrennt) haben einen 18-Basen-Unterschied. Die HAR2 RNA-Gen
exprimiert sich in Zellen des Handgelenks und der Finger. Die Beschleunigung der Entwicklung dieses
Moleküls beim kann mit der Werkzeug-Verwendung gekoppelt sein. Die vorgestellten Hypothesen
halten vor allem Änderungen in der Genprodukte (RNA, Proteine) wichtig; die meisten Experten sehen
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2. Das Genom
jedoch eine Veränderung in der Regulation von Genen wichtiger. Aber, wir wissen nicht viel über
genetische Unterschiede in der Regulierung.
Wie codiert die DNA?
Die erwachsenen menschlichen (und tierischen) Körper ist während der Ontogenese gebildet.
Offensichtlich findet bei der Ontogenese ein genetisches Management-Programm statt. Die Frage ist,
welche Grundsätze die DNA im Laufe der Ontogenese leitet. Das Baustein-Modell besagt, dass jede
kleine Stücke des Organismus einen geplanten Verlauf der Ontogenese folgt. Diese Idee ähnelt an
Lego-Bausteine. Ein ähnliches Konzept reflektiert das Zeichnung-Modell: Der Phänotyp befindet sich in
vorgefertigten Formen im Genom. Das Rezept-Modell zeigt Ontogenese als aufeinander folgende
Schritte. Dieser Ansatz wird in der Küche dargestellt. Das Rezept-Modell stellt die regulatorische
Funktion der DNA richtig während der Ontogenese dar.
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