Document

Department of
Psychobiology
Infos zur Klausur
• Dauer: 11/2 Stunden (maximal)
• Keine Noten - nur bestanden versus nicht bestanden
• Inhalt: Grundlage sind die Folien zum Seminar
Die Klausur findet statt am Donnerstag, den 10.7.2008
• Zeit: 8.30 - 10.00
• Ort: Konferenzraum Johanniterufer 15, 54290 Trier
• Format: Multiple Choice
Department of
Psychobiology
Verhaltensgenetik
Sommersemester 2008
Seminar Biopsychologie – Ausgewählte Probleme
Department of
Psychobiology
•
Begriffe der Genetik
Chromosomen bestehen aus verschiedenen Proteinen
und aus einer sehr langen Sequenz von
Desoxyribonukleinsäure (DNS) englisch: DNA
DNA
• DNA besteht aus Nukleotiden
• 3 Bestandteile der Nukleotide: Zuckermoleküle
(Desoxyribose), Phosphatgruppen und
stickstoffhaltige Basen
• 4 Nukleinbasen der DNA: Adenin (A), Guanin (G),
Cytosin (C), Thymin (T)
• DNA-Moleküle liegen in Doppelsträngen vor, die Basen
jedes Nukleotids sind über Wasserstoffbrücken nach
einer festen Regel miteinander verbunden
• Basenpaarung: A-T und G-C bilden jeweils
komplementäre Basenpaare
Department of
Psychobiology
Begriffe der Genetik
• Ferner ist die DNA verdrillt: Doppelhelix
• 10 Basenpaare pro Wendelgang
• Das Strukturmodell der DNA
stammt von Watson und Crick (1953)
Nobelpreis für Physiologie
und Medizin 1962
Department of
Psychobiology
Wiederholung: Begriffe der Genetik
Gene bestehen aus Desoxyribonukleinsäure (DNA), einem fadenartigen,
doppel-helikal angeordneten
Makromolekül
Die in der DNA enkodierte Information ist
in der Sequenz von Nukleotiden
gespeichert
Ein Chromosom besteht aus einem
(sehr langen) DNA Molekül
Der Mensch besitzt 23
Chromosomenpaare, diese konstituieren
das Genom
Gene sind funktionale Einheiten
chromosomaler DNA
Department of
Psychobiology
Begriffe der Genetik
Wie kommt nun die Information der DNA aus der Zelle
und wird in Proteine umgesetzt?
• Proteinbiosynthese:
– 1. Schritt Transkription: ein Gen auf der DNA wird abgelesen und in ein
mRNA-Molekül transkribiert.
– 2. Schritt Translation: die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in
die Aminosäuresequenz des Proteins, an den Ribosomen
Department of
Psychobiology
Begriffe der Genetik
Einschub: RNA
• Vom Aufbau her ist die RNA (Ribonukleinsäure) der DNA
ähnlich. RNA-Moleküle sind – im Gegensatz zur
doppelsträngigen DNA – in der Regel einzelsträngig.
• unterschiedliche Funktionen von RNA-Molekülen:
Übertragen genetischer Information
Übersetzung dieser Information in Proteine
Regulation der Genexpression
katalytische Funktionen ähnlich einem Enzym
• Uracil ist eine der 4 Nukleinbasen der RNA. In der
Basenpaarung tritt sie an die Stelle des Thymin.
Department of
Psychobiology
Human Genome Project:
• 1990 initiiert
• Februar 2001 wurde ein erstes „rough draft“ vom International Human Genome
Sequencing Consortium (IHGSC) und von Celera präsentiert
• 90% des Genoms sequenziert, 30.000-35.000 Gene
• Rohfassung wies 150.000 Lücken auf
• Oktober 2004
„Finishing the euchromatic sequence of the human genome“
Nature 431, 931-945 (2004)
• Über 99% des Humangenoms entziffert
• nur noch 341 Unterbrechungen
• 2,85 Milliarden Nucleotide
• neue Schätzung: 20.000 – 25.000 Gene
Department of
Psychobiology
Wieviel Variation / Unterschiede gibt es?
Die Unterschiede zwischen den Genomen von verschiedenen Menschen
werden u.a. bestimmt durch einzelne Basendifferenzen
(Single Nucleotide Polymorphism, SNP)
• SNPs sind die häufigste Form von DNA Variation im humanen Genom
• Es gibt insgesamt etwa 10 Millionen Positionen, die zwischen Individuen
variieren
(Chakravarti 2001, Hinds et al. 2005)
Department of
Psychobiology
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP
• Build 129, released on April 28, contained many
instances where multiple human rs numbers mapped to
the same location due to underclustering of new
submitted SNPs (ss). This update fixes the
underclustering problem. During this update many ss
have been merged to preexisting refSNP (rs) numbers,
thereby reducing the total number of rs.
• RS counts for human:
– Total in Build 129 (April release): 18,045,964
– Total in Build 129 Update (Current release): 14,708,770
– New rs included since Build 129 (Current release): 28,780
Department of
Psychobiology
Strukturelle Variation
Variationen, die größere DNA
Abschnitte betreffen
DNA-Abschnitt geht verloren
Ein DNA-Abschnitt wird
„eingebaut“
Die Abfolge eines DNA-Abschnitts
kehrt sich um
DNA-Abschnitte wiederholen sich
Department of
Psychobiology
Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus
genetischer Variabilität?
Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation
Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen:
3`
5´
Regulatorische Region:
Empfängt und reagiert auf
Signale aus dem Genom
selbst oder aus der
Umwelt
Department of
Psychobiology
Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus
genetischer Variabilität?
Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation
Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen:
3`
5´
Exons:
DNA Segmente, die in
mRNA umgeschrieben
werden. Konstituieren die
eigentliche kodierende
Region
Department of
Psychobiology
Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus
genetischer Variabilität?
Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation
Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen:
3`
5´
Introns:
Zwischen Genen befindet sich DNA, deren Funktion
größtenteils unbekannt ist.
Nur 1,2% des Genoms bestehen aus Exons!
DNA Segmente
unbekannter Funktion,
eingestreut zwischen
den Exons. Enthalten
keine Information für
das funktionelle
Genprodukt. Werden
transkribiert  aus dem
primären Transkript
“herausgespleisst”
Department of
Psychobiology
Assoziationsstudie
1. Phänotyp definieren / Gibt es einen generellen genetischen Einfluss auf
den Phänotyp, der untersucht werden soll?
2. Kandidatengen(e) aussuchen: Kann man dem Phänotyp ein zu
Grunde liegendes biologisches System zuordnen? Welche Gene sind
beteiligt?
3. auf Varianten prüfen (ausreichende Prävalenz?)
Gruppe A
Gruppe B
4. Einfluss einer bestimmten genetischen Variante, wenn diese signifikant
häufiger in einer untersuchten Gruppe (im Vgl. zu einer Kontrollgruppe)
auftritt
Department of
Psychobiology
Überblick Kandidatengene - Persönlichkeitsforschung
Neurotransmitter System
Kandidatengene
Serotonerges System
Serotonin Transporter (5HTT)
5HT-Rezeptoren
Tryptophan Hydroxylase
Dopaminerges System
Dopamin Rezeptoren
Dopamintransporter
Tyrosin Hydroxylase
Monoaminmetabolismus
Monoamin Oxidase A
Catechol-O-Methyltransferase
Weitere Gene
Glucocorticoidrezeptor
GABA-A Rezeptor
BDNF...
Department of
Psychobiology
Kandidatengene in der Persönlichkeitsforschung
Neurotransmitter System
Kandidatengene
Polymorphismen
Persönlichkeitseigenschaft
Psychopathologie
Serotonerges
System
Serotonin
Transporter
(5HTT)
44bp Insertion /
Deletion in
Promoterregion
Short (s) / long (l)
Allel
Kurzes Allel assoziiert mit
• Neurotizismus
↑
• erhöhter
Amygdalaaktivierung
↑
• depressiven Episoden bei
frühen Stresserfahrungen
• Ängstlichkeit
→
5HT1B Rezeptor
5HT2C Rezeptor
G861C
Cys23Ser
C-Allel assoziiert mit
• Antisozialem
Alkoholismus
• Antisozialer
Persönlichkeitsstörung
↑
↑
↑
5HT2C 23Ser & DRD4 long
repeat Träger
• erniedrigte „Persistance“ ↑
Quelle: Noblett & Coccaro (2005) Molecular Genetics of Personality Current Psychiatry Reports 7: 73-80.
Department of
Psychobiology
Genetische Aspekte der
Persönlichkeitsforschung
Grenzen und Ausblick
• Persönlichkeit ist multideterminiert:
komplexe Interaktion zwischen biogenetischen und Umweltvariablen,
die ein nicht minder komplexes Spektrum von Persönlichkeitsdimensionen erzeugen.
• In neueren Studien zeigen sich immer häufiger signifikante
Interaktionen zwischen genetischen Polymorphismen.
Dieser Ansatz geht über den „Ein-Gen“ Ansatz hinaus, da er eine
komplexere Dynamik zwischen verschiedenen Neurotransmittersystemen berücksichtigt.
Forschungsansätze, die Gen-Gen Interaktionen einerseits und
Gen-Umwelt Interaktionen andererseits berücksichtigen,
legen einen erweiterten konzeptuellen Rahmen zu Grunde,
welcher der Komplexität einer multideterminierten Persönlichkeit
eher gerecht wird.
Department of
Psychobiology
DNA Microarray
Department of
Psychobiology
DNA Microarray
• Sammelbegriff für unterschiedliche Methoden  „GeneChip®“
ist ein Sonderbegriff der Firma Affymetrix
• Vorgehen:
– auf einer Silicon/Glas-Platte (fingernagelgroß, ca. 1,3 X 1,3 cm) wird
einsträngige DNA „befestigt“  verschiedene Techniken
– diese einsträngige DNA kann sowohl künstlich hergestellt sein, als auch
durch biochemische Verfahren „chipgerecht“ aufgearbeitet werden
• Photolithographie
• Pin Array (in situ Synthese)
Department of
Psychobiology
Photolithographie
•
•
•
•
Auf dem Array werden kurze Verbindungsmoleküle kovalent befestigt, deren freies
Ende jeweils durch eine photolabile Gruppe gegenüber Bindungsreaktionen
geschützt ist
Mittels Lichtmasken können die verschiedenen Spots selektiv belichtet werden. Nach
Belichtung wird die protektive Gruppe am freien Ende des Verbindungsmoleküls
abgespalten, dieses reagiert dann mit dem zuvor zugesetzten, gewünschten
Nukleotid.
Das freie Ende dieses Nukleotids ist wiederum durch eine photoreaktive Gruppe vor
Anlagerung geschützt
Kettenlänge (Länge der Oligonukleotide) bei den meisten Anwendungen: 15 bis 35
Nukleotide
Stephen Fodor
Department of
Psychobiology
in situ Synthese
Patrick O. Brown
mRNA wird aus Zelle isoliert
biochemische Besonderheit eukariotischer RNA:
Poly-A tail am 3‘ Ende
hier setzt der Primer (synthetisch hergestellter
Oligo-dT-Nukleotid) an
die Reverse Transkriptase (RT) ist ein Enzym,
welches RNA zu DNA „umschreibt“ – setzt am
Primer an, und verlängert dann die
komplementäre Sequenz mithilfe synthetischer
Einzelnukleotide
AAAAAn: Poly-A tail
dTTTTTT15: 15 Desoxythymidin
durch alkalische Reaktion wird die instabile
mRNA von der stabileren cDNA (complementary
DNA) getrennt
Department of
Psychobiology
Aufbereitung der Proben
• aus dem entnommenen Gewebe wird mRNA isoliert
• diese wird mittels reverser Transkriptase in einen (zur
mRNA) komplementären Strang umgeschrieben 
cDNA – steht für complementary DNA
• cDNA wird mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert
und auf den Chip aufgebracht
• Überstand wird abgewaschen
• Fluoreszenzsignal wird gemessen
Department of
Psychobiology
in situ Synthese
Department of
Psychobiology
Photolithographie
Department of
Psychobiology
mögliche Fragestellungen
• SNPs: ein Feld des Arrays trägt die Information
über einen SNP – Patienten-DNA wird mit der
gesunder Kontrollen verglichen
• mRNA: durch welche Bedingung ändern sich die
Expressionsraten von Genen? Welche Gene
sind betroffen?
hier häufig in situ Synthese: auf dem Chip befindet
sich cDNA, als Probe wird mRNA biochemisch
aufbereitet und aufgetragen
auch Chips, hergestellt durch Photolithographie –
dann wird mRNA vor dem Auftragen in cDNA
umgewandelt
Department of
Psychobiology
Ablesen eines DNA Microassays
gelb: keine Unterschiede zwischen
Patienten und Kontrollen bzw. zwischen
zwei Bedingungen
rot: Proben von Patienten (SNP Analyse)
oder einer bestimmten Bedingung (Gen
Expression)
grün: Proben von gesunden Kontrollen
(SNP Analyse) oder einer bestimmten
anderen Bedingung (Gen Expression)
Department of
Psychobiology
Bis hier sind die Folien relevant für die Klausur.
Alles, was ab hier kommt können sie sich natürlich
trotzdem gerne ansehen.
Viele Grüße und gutes Gelingen!!!
Department of
Psychobiology
Also: genomweite Assoziationsstudien
Papassotiropoulos et al., Science 2006
• Stichprobe: 341 junge Erwachsene (240 weiblich, 111
männlich; Alter: 22 Jahre (MW), range: 18-48 Jahre)
– Lernen von 6 Wortlisten à 5 Wörtern
– episodischer Gedächtnistest: freier Abruf (unangekündigt) nach
5 Min. und 24 h
• US Kohorte: 256 gesunde Teilnehmer (171 weibl., 85
männl.; Alter: 55 Jahre (MW), range: 20-81 Jahre)
–
–
–
–
Auditory Verbal Learning Task
Buschke’s Selective Reminding Test
Wisconsin Card Sorting Test
Paced Auditory Serial Attention Task
• Schweizer Kohorte 2: 424 junge Erwachsene (316
weibl., 108 männl.; Alter: 21 Jahre, range: 18-28 Jahre)
– Präsentation von 10 semantisch unähnlichen Worten  free
recall nach 10 Min. (episodisches Ged.)
– d2‘ Test (Aufmerksamkeit, Konzentration)
– Digit Span Task (Arbeitsgedächtnis)
Department of
Psychobiology
Kohorte 1 (Schweiz)
• Genotypisierung anhand eines DNA Chips mit
insgesamt 502,627 SNPs (synthetische Oligonukleotide,
aufgetragen werden entnommene DNA Proben)
– die statistische Analyse der „signifikanten“ SNPs
• gemessen wird die Assoziation von SNPs mit dem
episodischen Gedächtnis
• Vergleich anhand der Testergebnisse: die besten 50%
mit den schlechtesten 50%  Gesamtstichprobe
• Vergleich der besten 25% mit den schlechtesten 25%
 Extremwerte
 2 SNPs, die signifikant mit Arbeitsgedächtnis
assoziiert sind
 rs17070145 (KIBRA); rs6439886 (CLSTN2)
Department of
Psychobiology
Kohorte 1 (Schweiz)
• Träger des T Allels in KIBRA:
– 24% besser im freien Abruf nach 5 Min. (P=0.000004)
– 19% besser im freien Abruf 24 Stunden nach
Präsentation der Wörter (P=0.0008) als Non-Carrier
• für SNP rs6439886 in dieser Stichprobe ähnliche
Resultate, aber insgesamt geringere
Unterschiede, als für den KIBRA SNP
• keine Unterschiede im direkten Abruf
(Wiederholen der Wörter)  keine
Konfundierung mit Aufmerksamkeit, Motivation
Department of
Psychobiology
Kohorte 2 (US Amerikaner)
• signifikante Unterschiede zwischen Trägern des
T-Allels des KIBRA SNP und Non-Carriern in
– Auditory Verbal Learning Task
– Buschke’s Selective Reminding Test
• keine Unterschiede in:
– Wisconsin Card Sorting Test (exekutive Funktionen)
– Paced Auditory Serial Attention Task
(Arbeitsgedächtnis)
Unterschiede nur in Aufgaben, die sich auf das
episodische Gedächtnis beziehen
 in dieser (älteren) Kohorte keine
Zusammenhänge mit rs6439886 (CLSTN2)
Department of
Psychobiology
Kohorte 3 (Schweiz)
• Präsentation von 10 semantisch unähnlichen
Worten  freier Abruf nach 10 Min.
(episodisches Ged.)
nur bei diesem Test signifikante Unterschiede
zwischen Trägern des selteneren Allels und
Homozygoten Trägern des häufigeren Allels
• d2‘ Test (Aufmerksamkeit, Konzentration)
• Digit Span Task (Arbeitsgedächtnis)
 keine Unterschiede zwischen den genetischen
Gruppen
Department of
Psychobiology
Imaging Genomics
• das seltenere Allel des SNPs in KIBRA ist assoziiert mit
einer schlechteren Leistung in Tests zum episodischen
Gedächtnis
• Leistung in Tests zum episodischen Gedächtnis korreliert
mit Aktivität des Hippocampus
 ist also vielleicht der KIBRA Genotyp mit der Aktivität
des Hippocampus assoziiert?
Department of
Psychobiology
Gen Expressions Analyse
Department of
Psychobiology
Gen Expressions Analyse
Segman et al. 2005
• Untersuchung an einer Stichprobe von Menschen, die
ein akutes Trauma erlitten haben  hohe Prävalenz für
die Entwicklung einer Post Traumatic Stress Disorder
(PTSD)
• Lebenszeit Prävalenz für PTSD: 9-14%
• gekennzeichnet durch:
– Wiedererleben des traumatischen Erleignis
– Vermeidung
– erhöhte Wachsamkeit und Erregbarkeit
• im Tierversuch kann nachgewiesen werden, dass akute
Stressbelastung andauernden Einfluss auf eine Vielzahl
biologischer Mechanismen nimmt (auch im Gehirn)
• Stress beim Menschen?
Department of
Psychobiology
Der aktivierte GR verändert das Ablesen der DNA
Glucocorticoide
Zellmembran
HSP
HSP
GR
GR
Kernmembran
„An- und
Abschalten“ der
Gentranskription
Department of
Psychobiology
Einschub: Gesundheitsstörungen mit StressBezug
Schlafstörungen
Metabolisches Syndrom
Depression
Gastrointestinale
Erkrankungen
Burnout
Posttraumatische
Belastungsstörung
Kardiovaskuläre
Erkrankungen
Anorexia Nervosa
Fibromyalgie
Rheumathoide Arthritis
Chronisches
Müdigkeitssyndrom
Atopische Dermatitis
Department of
Psychobiology
Fragestellung:
Kann man beim Menschen in
mononuklearen Zellen aus peripherem
Blut ein „Expressions Muster“ von Genen
finden, welches spezifisch für die
Entwicklung oder Aufrecherhaltung von
PTSD ist?
Department of
Psychobiology
Stichprobe
• Überlebende von Unfällen (45-130 Min. nach
dem Ereignis)
• 18-65 Jahre
• Gruppe PTSD: nur die Personen, die in der
Notaufnahme, nach einem Monat und/oder nach
vier Monaten bei den Nachfolgeuntersuchungen
eine PTSD (nach DSMIV) aufwiesen  N=24
• Kontrollgruppe: Überlebende, die zu keinem
Zeitpunkt eine diagnostizierbare PTSD
aufwiesen
• Methoden:
– diagnostisches Interview zu PTSD in der
Notaufnahme und nach 1 Woche, 1 Monat, 4
Monaten
– Blutabnahme zu jedem dieser Zeitpunkte
Department of
Psychobiology
Gen Expressionsprofile:
4512 aktive Gene
 bei diesen Genen sieht man Unterschiede in der Expressionsrate zwischen
Gesunden und Kontrollen (Richtung der Veränderung ist an der Farbe zu
erkennen)
Department of
Psychobiology
Department of
Psychobiology
Department of
Psychobiology
Department of
Psychobiology
Zusammenfassung der Ergebnisse
• Es gibt eine Reihe von Genen, die nach dem Erleben
eines Unfalls in ihrer Transkriptionsrate verändert
werden.
• Es gibt unterschiedliche Expressionsmuster, durch die
man zwischen Menschen, die in Folge eines Unfalls eine
PTSD entwickeln und denen, die trotz Unfall keine PTSD
entwickeln, unterscheiden kann.
• Außerdem gibt es Gene, die in ihrer Expressionsrate mit
der Schwere der PTSD korrelieren
• Viele dieser Gene haben eine Bedeutung für die
Regulation endokriner und neuronaler Prozesse