7. Die Variabilität
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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
