7. Die Variabilität

7. Variabilität
Die Variabilität
DIA 48 Variabilität
Zwischen Mitgliedern der Populationen gibt es phänotypische Unterschiede. Mit Ausnahme
der eineiigen Zwillinge gibt es keine identischen Individuen. Die phänotypische Variabilität
wird durch genetische Variabilität und durch die Umgebung bestimmt. Eine wichtige Frage in
der Genetik ist, welche Art der genetischen Variabilität ist für die phänotypische Variabilität
verantwortlich.
DIA 50 Die Vorteilen der genetischen Rekombination, Die Vorteilen der sexuellen
Reproduktion
1, Erhöht die genetische Variabilität der Nachkommen und der Population.
2, Die voneinander unabhängig entstandenen nützlichen Mutationen können in einem Genom
vereint werden. (Bei asexuellen Reproduktion es ist unmöglich.)
1. Genetische Variabilität
DIA 51 Genetische Variabilität
Eine Population von Individuen unterscheiden sich voneinander in einem Basenpaar einer
bestimmten Genort -- Einzel-Nukleotid-Polymorphismus (SNP, Einzel-NukleotidPolymorphismus). Diese Art der genetischen Variabilität wird durch Punktmutationen
verursacht. Eine andere Art der Variabilität kann das Einbauen von DNA-Segmenten
(Insertionen) oder der Verlust (Deletion) (kurz: INDEL) sein. Die Anzahl der Kopien
einzelner Gene oder genomischen Regionen kann auch variabel sein (Copy Number
Varianten, CNV, copy number variation). Chromosomenveränderungen können auch
vorkommen.
DIA 52 SNPs, Indels, CNVs und Chromosomenaberrationen
Das Ziel der HapMap-Projekt (2002-2007) war die Einzel-Nukleotid-Polymorphismen
(SNPs) auf den menschlichen Genom zu kartieren. Das Programm entdeckte 3,1 Millionen
SNPs in vier geografische Regionen (Europa, Nordamerika, Nigeria und China) durch der
Untersuchung der DNA von 270 Menschen.
Die 1000Genome Project (2008-2010)
Das Genom von 900 Individuen aus verschiedenen Regionen der Erde (europäischen,
asiatischen und westafrikanischen) wurde sequenziert. Das Ziel war, die Variabilität des
menschlichen Genoms zu kennenlernen. Man suchte nicht mehr nur nach SNPs (übrigens
wurden 15 Millionen SNPs gefunden), sondern auch nach grössere strukturelle Varianten.
Eine Million kurze Insertionen und Deletionen bzw. Tausende von chromosomalen
Umlagerung wurden gefunden. Obwohl die Geschwindigkeit der DNA-Sequenzierung wächst
rasant, und die Kosten werden immer niedriger, ist noch die Sequenzierung ganzer Genome
teuer. Ein Genom sollte mindestens 30 Mal unabhängig sequenziert werden um mit eine
ausreichender Sicherheit fehlerfreie Basensequenz zu erhalten. In diesem Programm wurde
nur 3-fache Wiederholung erreicht, also die "Genotyp Genauigkeit" ist nicht perfekt. Das
1000 Genome-Projekt war vor allem durch das Potenzial für medizinische Anwendungen
motiviert. Ein Ziel des Projekts war, die individuelle genetische Marker mit dem
Erkrankungsrisiko zu assoziieren. Ein sekundäres Ziel war die Sammlung von genetischen
Daten mit deren Hilfe der genetische Hintergrund eines Menschen vorhersagbar wird,
EXTRA ANFORDERUNG
Vorlesung 10.
Boldogkői Zsolt ©
1
7. Variabilität
wodurch bestimmt werden kann, welche Art von Medikamenten bei der Behandlung eines
Patienten wirksam sein können (Pharmakogenomik und personalisierte Medizin).
Die Studie hat gezeigt, dass ein Mensch durchschnittlich 75 genetische Varianten trägt, die
mit Erbkrankheiten assoziiert sind Es können zwei Haupttypen von genetische Varianten
unterschieden werden, die Krankheiten verursachen können: (1) Seltene Varianten (weniger
als 1 Betroffene/1000 Personen), die schwere Symptome (Mukoviszidose, Chorea
Huntington) verursachen. Sie werden üblicherweise durch eine Genmutation verursacht. (2)
Häufige Varianten, die eine Krankheit (Diabetes, Herz-Kreislauferkrankungen, etc.) nur
prädisponieren, die in der Regel polygenetisch bestimmt wird. Die Ergebnisse der 1000Genom-Projekt in der medizinischen Anwendungen überschattet, dass die Datensammlung
"blind" gemacht wurde, man wollte aus irgendeinem Grund nicht wissen, ob der DNA-Donor
unter welchen Krankheit leidet.
DIA 53 Kopienzahlvariationen, Copy Number Varianten (CNV)
Es war gedacht, dass in allen Menschen alle DNA-Abschnitte (Gene) in jedem Fall
normalerweise in zwei Kopien vorkommen. Neuere Studien zeigen jedoch, dass innerhalb der
menschlichen Population DNA-Kopienzahl eine beträchtliche Variabilität aufweisst. Die
vorliegenden Daten zeigen, dass im Durchschnitt  100 CNVs/Person auftreten. Die
durchschnittliche Länge der grossen Wiederholungen ist 250.000 bp, während die
durchschnittliche Länge eines Gens ist über. 60,000 bp. Mit anderen Worten, eine Reihe von
Duplikationen erhöht die Kopienzahl der Gene. Manchmal kommt Verlust der Kopienzahl
vor. Die CNVs sind selten bei Genen der Onthogenese und der Zellzyklus, aber sind bei
Genen, die in das Immunsystem und in der Entwicklung des Gehirns beteiligt sind, üblich.
2. Genetischer Hintergrund der phänotypischen Variabilität
DIA 54 Ursprung der phänotypischen Variabilität
Was ist die genetische Grundlage der morphologischen, physiologischen und
Verhaltensvariabilität? Die Frage kann nicht nur auf das normale, sondern auch auf das
abnormale (kranke) Phänotyp bezogen werden. In den letzten Jahren entwickelte sich eine
Einigkeit (Übereinstimmung), wonach die Antwort in der Regulation der Transkription liegt,
oder genauer gesagt in der Variabilität der cis-regulatorische Sequenzen (Promotoren,
Enhancers). Die modernen Techniken bestätigen die Hauptrolle der genetischen Regulation,
aber zeigten, dass neben der Variabilität der cis-Sequenzen auch die trans-regulatorischen
Faktoren (Transkriptionsfaktoren, nicht-kodierende RNAs) sehr variabel sind. Darüber hinaus
wurde Variabilität von verschiedenen regulatorischen Proteinen (Transkriptionsfaktoren und
Proteine, die in Signalübertragung beteiligt sind) in den Phosphorylierungstellen, und anderen
post-translationale Modifikationen gefunden. Es wurde Variabilität in der DNA-Methylierung
der CpG-Stellen und in der Histon-und DNA-Methylierungsmuster beobachtet.
DIA 55 Variabilität in der kodierenden Regionen der Gene
In einer Population ist die Anzahl der nützlichen Mutationen in den kodierenden Regionen der
Gene sehr niedrig. Zwischen verwandten Arten gibt es mehrere Präzedenzfälle für solche
Mutationen, aber immer noch nicht groß genug, um den grossen phänotypischen Abstand zu
erklären. Beispiel: eine Mutation im Hämoglobin-Gens der Arten, die in hohen Bergen leben,
erhöht die Affinität des Hämoglobins für O2.
Um festzustellen, ob eine Mutation vorteilhaft für den Träger ist, können in der Regel keine
funktionelle Teste ausgeführt werden. Man kann aber untersuchen, wie schnell ein
bestimmtes Basensequenz sich im Laufe der Evolution verändert. Normalerweise ist der
Nukleotidaustausch in dritten Position des Codons (stille Codon-Positionen) sehr viel häufiger
EXTRA ANFORDERUNG
Vorlesung 10.
Boldogkői Zsolt ©
2
7. Variabilität
als der Nukleotidaustausch, die die kodierte Aminosäure verändert. Aus diesem Grund, wenn
die Veränderung einer Aminosäure bei einem Gen relativ häufig vorkommt, dann steht
meistens eine positive Selektion in den Hintergrund. Gene, die das Gehirn, die Sexualität und
das Immunsystem regulieren verändern sich relativ schnell bei den Menschen. Gene, die die
Ontogenese, die Kontrolle des Zellzyklus regulieren, sind extrem konservativ. Die Variabilität
in den Trinukleotid-Wiederholungen ist innerhalb der Population sehr wichtig. Das Mischen
der Exons (exon shuffling) ist in der Evolution sehr wichtig, aber spielt in der phänotypischen
Variabilität in einer Art keine Rolle.
DIA 56-57 Theorien der Genstruktur und der Genregulierung
In der Vergangenheit herrschte die Ansicht, dass die Variabilität in der Struktur der Gene
(Nukleotidreihenfolge) wäre die Ursache der phänotypischen Variabilität. In anderen Worten
bedeutet dies, dass in einer Population variabel Gene verschiedene Proteine kodieren, die in
ihrer Aminosäuresequenz und in ihrer Funktion vielfältig sind. Nach dieser Auffassung, die
phänotypische Variabilität wäre auf die funktionelle Variabilität von Proteinen
zurückzuführen. Moderne Methoden zeigten jedoch, dass während der Evolution hat sich
nicht der Protein-kodierende Teil der Gene und damit die Funktion der kodierten Proteine
geändert, sondern die Verwendung (Regulierung) von Genen. So, im Gegensatz zu der
technologischen Fortschritts, wo die alten Geräte verbessert werden können, kann die
Evolution die alten Gene nicht "wegwerfen", sondern nutzt sie anders.
DIA 58 Neutralitätstheorie
Moto Kimura (1968) hat gezeigt, dass die Proteine verschiedener Arten nicht funktionell
unterschiedlich sind. Die Aminosäueraustausche sind selten, und wenn es passiert, wird eine
konservative Substitution durchgeführt, d.h. chemisch ähnliche Aminosäuren ersetzen
einander (zu Arginin vs. Lysin, beide sind positiv geladen). Nach dem modernen Stand der
Kenntnisse, die genetischen Variabilität wird nicht unbedingt phänotypisch ausgeprägt. Das
hat die folgenden Gründe:
(1) Eine Punktmutation in den genetischen Code tritt in den stillen Stellen ein, so dass die
Mutation nicht zu einem Aminosäureaustausch führt.
(2) Aminosäuren werden ersetzt, aber die beiden Aminosäuren sind chemisch ähnliche oder
der Aminosäuren-austausch tritt an nicht kritischen Stellen auf, so wird die Funktion der
Proteine aufrecht erhalten.
(3) Eine Mutation tritt in einem nicht-kodierende DNA-Bereich auf, zB. in der
nichttranslatierten Region, in einem Intron, oder in einer intergenischen Region. Beachten Sie,
dass auch Mutationen in der nicht-kodierenden DNA können den Phänotyp beeinflussen
(siehe später)!
DIA 59 Die Regulierung der Gene
Nach der modernen Auffasung über der Regulation von Genen, haben die Gene die gleiche
Funktion auch bei sehr weit entfernten Verwandten. Einige Gene (zB. Hox-Gene), die eine
sehr wichtige Rolle in der Embryogenese haben, können zwischen der Maus und der Mücke
ausgetauscht werden, ohne dass es zu Problemen kommt. Die Frage ist dann, was die Ursache
der großen inter- und intraspezifischen phänotypischen Variabilität ist. Die Antwort ist, dass
die Regulierung der Gene verändert wurde. In anderen Worten, die gleichen Gene werden in
verschiedenen Arten in unterschiedlichen Mengen zu unterschiedlichen Zeiten (z. B. während
der Ontogenese) und in anderen Zellen und Geweben (räumliche Variation) exprimiert.
Genexpressionsanalyse der Affen (Rhesus-Makaken, Schimpansen, Orang-Utan), und der
Menschen ergab, dass in der menschliche Leber werden spezifische Transkriptionsfaktor
unterschiedlich exprimiert, als in den verwandten Arten. Andere Studien haben gezeigt, dass
EXTRA ANFORDERUNG
Vorlesung 10.
Boldogkői Zsolt ©
3
7. Variabilität
die Expression vieler Gene im menschlichen Gehirn sehr viel höher ist als bei Schimpansen.
Wie relevant diese Beobachtungen sind, können wir zur Zeit noch nicht genau wissen, aber
auf jeden Fall zeigen sie die Bedeutung der Regulation der Genexpression.
DIA 61 Die genetische Regulierung zählt!
Die zeitlichen Unterschiede bei der Genexpression zeigt der Fall des Zebra. Die Anzahl der
Streifen der drei Zebraarten hängt vom Starpunkt der Streifenbildung während der
embryonalen Entwicklung ab: Je später, desto dichter sind die Streifen. Dieser Fall ist ein
Beispiel dafür, dass eine kleine Änderung in der Regulation eines Gens verursacht eine
komplexe Veränderung des Phänotyps. Für die räumliche Veränderung der Genexpression ist
der Verlust der Beine von Schlangen ein hervorragendes Beispiel. Die Hoxc-6 und Hoxc-8Gene sind in den Schlangen in allen Körpersegmenten zusammen exprimiert, was bedeutet,
dass nur Rippen gebildet werden, Gliedmaßen aber nicht. Um die Beine zu wachsen, es ist
notwendig, dass die beiden Transkriptionsfaktoren alleine exprimiert werden: an der Stelle
der vorderen Beine nur Hoxc-6, auf der Rückseite nur Hoxc-8 darf aktiv sein.
DIA 62 Die Veränderung der Ontogenese
Die Veränderung der Ontogenese unterstützt die Genetischen-Regulierung –Hypothese. Der
Mensch hat viele jugendliche (juvenile) Merkmale: hohe Gehirn / Körpergewicht-Verhältnis,
unser Kopfform ist ähnlich wie der Chimpansenkindern usw. Das ist die Neotenie: Die
Verzögerung der Entwicklung, die juvenilen Merkmale bleiben bis ins Erwachsenenalter
bestehen. Die Mechanismen dahinter können die Allometrie und die Heterokronie sein. In
anderen Worten ist es denkbar, dass in der Hominisation/Anthropogenese die Veränderung
der zeitlichen und räumlichen Expression von Genen zu Veränderungen der menschlichen
Morphologie und des Verhaltens führte.
DIA 63 Variabilität der cis-Regulatoren
Wenn die Unterschiede in der genetischen Regulation für die phänotypischen Variabilität
verantwortlich sind, dann sollte das genetischen Spuren in der DNA haben. Eine erhebliche
Anzahl von sehr konservativen regulatorischen Sequenzen findet man in der Nähe von Genen,
die die Entwicklung steuern. Die Untersuchung von 2500 konservierten Maus-Sequenzen
zeigte, dass 50% dieser Sequenzen Enhancers sind, die in der Embryonalentwicklung aktiv
sind (auch die kodierenden Regionen dieser Gene sind sehr konservativ). Diese Daten zeigen,
dass die Unterschiede in den cis-Regulatoren gering sind. Eine weitere Studie zeigte jedoch,
dass die 32-40% der Transkriptionsfaktorbindungsstellen des Menschen funktioniert in der
Maus nicht, weil ihre Basensequenz unterschiedlich ist. Dies steht im Gegensatz zu den
früheren Daten, weil es eine grosse Variabilität der cis-Regulatoren bedeutet, obwohl
zwischen weit entfernten Spezies. Weitere Daten werden benötigt, um zu entscheiden ob
diese Variabilität der Genexpression durch die Polymorphismen von cis-regulatorischen
Sequenzen verursacht werden oder durch etwas anderes.
DIA 64 Variabilität der trans-Regulatoren
Die wichtigsten trans-regulatorische Varianten sind:
(1) Variabilität der Trinukleotid-Wiederholungen
(2) Variabilität der regulatorischen Proteine und ihrer Phosphorylierungsstellen
(3) andere Varianten, zB. Methylierung, Acetylierung, Ubiquitinierung, Proteintransport
DIA 65 Der Fall des Hundes - Genfunktion oder Regulierung?
Es stellte sich heraus, dass Transkriptionsfaktoren die die Entwicklung steuern Mutationen
haben die spezifisch für die Hundsorte sind. Eine bestimmte Mutation, die zehntausendmal
EXTRA ANFORDERUNG
Vorlesung 10.
Boldogkői Zsolt ©
4
7. Variabilität
häufiger vorkam als andere Punktmutationen, hat die Anzahl der Alanin- und Glutaminkodierende Triplets erhöht oder verringert. Diese Wiederholungen, abhängig von ihrer Länge,
haben die Effizienz der DNA-Bindung der Transkriptionsfaktoren beeinflusst. Es wurde
gefunden, dass die Anzahl der Wiederholungen auch die morphologischen Merkmale der
Hunde beeinflusst. Zum Beispiel, im Runx-2-Gen des Bullterriers ist in etwas mehr als 30
Jahren eine dreifache Wiederholung verschwunden (14 Alanin anstelle von 13). Diese
Mutation führte zu einer drastischen Veränderung des Schädels des Hundes. Bei Menschen
werden viele neurologische Krankheiten (zB. Morbus Huntington) durch die Veränderung der
Anzahl solcher Triplets.
DIA 66 Die Variabilität der nichtkodierenden RNAs (ncRNAs)
Es wurde in den letzten Jahren eine enorme Anzahl von Variationen ncRNAs entdeckt. Es
wurde klar, dass diese Moleküle in der Zelle ein komplexes regulatorisches Netzwerk bilden,
und in nahezu jeder Stufe der genetischen Regulation beteiligt sind. Es ist logisch zu fragen,
ob diese RNAs eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der phänotypischen Variabilität
spielen. Der Vergleich der menschlichen ncRNAs zu denen anderer Arten zeigte, dass einige
ncRNAs (zB HAR-1, HAR-2) während der Hominisation sehr schnell verändert wurden,
während in andere Arten sehr konservative Sequenzen haben. Diese Konservierung kann eine
wichtige Funktion bedeuten. Die beschleunigte Veränderung dieser ncRNAs während der
menschlichen Evolution kann ein Zeichen adaptiver Veränderungen sein.
DIA 67 Epigenetische Variabilität
Die epigenetische Programm selbst kann variabel sein. Theoretisch es genügt die
epigenetische Veränderung der Expression eines einzigen Transkriptionsfaktors (in unserem
Beispiel cyc), die die Veränderung einer Reihe von downstream- Prozessen verursacht. Die
Veränderung des epigenetischen Programms kann sowohl durch genetische als auch durch
Umweltfaktoren beeinflussen werden.
DIA 68 Alternative Gennutzung -- Ein Gen hat viele Funktionen.
Der Einsatz alternativer Gene bedeutet, dass ein einzelnes Gen kann mehrere Proteine
kodieren. Es gibt wahrscheinlich keine signifikanten Unterschiede innerhalb einer Art in den
folgenden alternativen Verfahren: Spleißen, Capping, Polyadenilierung, Promoter-Nutzung in
der gleichen Gewebetypen (in verschiedene Geweben, natürlich, gibt es einen Unterschied).
Zwischen den Arten jedoch, spielt alternative Gennutzung wahrscheinlich eine wichtige Rolle
bei der Gestaltung der phänotypischen Unterschiede.
Meine Notizen:
EXTRA ANFORDERUNG
Vorlesung 10.
Boldogkői Zsolt ©
5