13.1:

13.1: Evolutionäre Beziehungen durch Genomvergleiche

Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

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Molecular Biology

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Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

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13.2: Genome Copying Errors

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02:54 min

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April 07, 2021

Overview

Der Genomvergleich ist eine der besten Möglichkeiten, die evolutionären Beziehungen zwischen Organismen zu interpretieren. Das Grundprinzip des Genomvergleichs besteht darin, dass, wenn zwei Arten ein gemeinsames Merkmal haben, dieses wahrscheinlich von der DNA-Sequenz kodiert wird, die zwischen beiden Arten konserviert ist. Das Aufkommen von Genomsequenzierungstechnologien im späten 20. Jahrhundert ermöglichte es den Wissenschaftlern, das Konzept der Erhaltung von Domänen zwischen Arten zu verstehen und evolutionäre Beziehungen zwischen verschiedenen Organismen abzuleiten.

Der Genomvergleich kann drei Ebenen evolutionärer Beziehungen aufzeigen. Die erste Ebene bietet einen tiefen Einblick in Sequenzen und Proteindomänen, die in verschiedenen Gruppen von Organismen, wie z. B. Menschen und Fischen, konserviert sind. Die zweite Stufe erhöht die Auflösung weiter, um die einzigartigen DNA-Elemente zu identifizieren, die in den eng verwandten Spezies wie Menschen und Schimpansen vorhanden sind. Die dritte Stufe mit noch höherer Datenauflösung unterscheidet die genetischen Unterschiede innerhalb einer Art, wie zum Beispiel verschiedene Varianten und Subtypen eines Organismus. Diese hohe Auflösung kann Mutationen identifizieren, die für einzelne mikrobielle Stämme oder Cluster infizierter Fälle spezifisch sind, und so helfen, die Krankheitsausbrüche zu verfolgen.

Werkzeuge zur DNA-Sequenzierung

Es gibt verschiedene Methoden, um die DNA-Sequenzdaten zu erhalten, die für die Ableitung evolutionärer Beziehungen erforderlich sind. Unter ihnen ist die Ganzgenomsequenzierung oder WGS eine weit verbreitete Technik. Es liefert hochauflösende Daten, die äußerst hilfreich sind, um Mutationen und konservierte Sequenzen zwischen mehreren Organismen zu analysieren. Es kann auch die Ursache genetischer Störungen identifizieren, indem es die DNA-Sequenz von betroffenen Personen mit denen anderer nicht betroffener Personen vergleicht.

Tools zur Datenanalyse

Die mit WGS oder ähnlichen Sequenzierungsmethoden gewonnenen Daten werden mit geeigneten Softwaretools analysiert, um evolutionäre Zusammenhänge abzuleiten. Die molekulare evolutionsgenetische Analyse (MEGA) ist eines der am weitesten verbreiteten Software-Tools. Die in der MEGA vorhandenen Programme, wie z. B. die Ausrichtung von Assemblierungssequenzen, die Erstellung von Evolutionsbäumen, die Schätzung genetischer Entfernungen und die Berechnung evolutionärer Zeitbäume, ermöglichen es den Benutzern, die Rohdaten aus Sequenzierungstechniken zu kuratieren und zu interpretieren.

Transcript

Linnés traditionelle Klassifikation von Organismen wird als Kladistik bezeichnet und basiert auf den Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften der Organismen, und Wissenschaftler haben üblicherweise Bäume, sogenannte Dendrogramme, konstruiert, um diese Spaltungen und Gruppen visuell darzustellen.

Mit dem Aufkommen moderner Technologie ist der Vergleich der DNA jedoch zu einer gängigen Methode geworden, um solche Bäume zu bauen. Wenn Sequenzdaten für eine einzelne Spezies, wie den Menschen, untersucht werden, gibt es einen sehr hohen Grad an Ähnlichkeit im genetischen Code, etwa 99,9 %, da der genetische Code eines Organismus von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben wird.

Der Mensch teilt auch einen Großteil dieses DNA-Codes mit anderen Spezies wie Schimpansen und Mäusen, aber der Grad der Ähnlichkeit zwischen der menschlichen DNA und ihrer DNA ist deutlich unterschiedlich. Das bedeutet, dass Bäume für Gruppen von Arten auf der Grundlage der Ähnlichkeiten oder Unterschiede zwischen ihren genetischen Codes erstellt werden können. Dieses Gebiet der Analyse, das Statistik, mathematische Modellierung und Informatik kombiniert, ist Teil eines Gebiets, das als Bioinformatik bekannt ist.

Die genetischen Daten, die zur Erstellung dieser Bäume verwendet werden, können viele Formen annehmen. In der molekularen Phylogenie werden beispielsweise ein oder zwei wichtige genetische Loci sequenziert und dann über die interessierenden Spezies hinweg verglichen.

Da sich jedoch einzelne Gene oder genetische Regionen bei verschiedenen Arten sehr unterschiedlich schnell entwickeln oder sogar durch horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Arten ausgetauscht werden können, liefern diese kleinräumigen genetischen Untersuchungen möglicherweise nicht immer genaue Phylogenien.

In der bakteriellen Phylogenerie wird häufig eine Technik namens Multi-Locus-Sequenztypisierung (MLST) verwendet. Diese Methode erzeugt Sequenzen über mehrere genetische Regionen hinweg – typischerweise Haushaltsgene, die für die zelluläre Funktion unerlässlich sind und daher über Spezies hinweg konserviert sind.

Die Housekeeping-Gene können sich jedoch langsam entwickeln, daher ist es bei MLST schwierig, eine Auflösung auf Stammebene zu erhalten.

Schließlich kann die Ganzgenomsequenzierung (WGS) zur Aufklärung evolutionärer Zusammenhänge eingesetzt werden. Bei dieser Methode wird das gesamte Genom eines Organismus sequenziert, einschließlich der mitochondrialen DNA in Eukaryoten und sogar der Chloroplasten-DNA in Pflanzen.

WGS gleicht das gesamte Genom mit feinskaliger Auflösung ab und kann Mutationen oder artspezifische Marker, Verzweigungspunkte und sogar Stämme oder Populationen einer einzelnen Art identifizieren. Solche feinen Details können bei einer gezielteren Sequenzierung übersehen werden.

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Genomvergleich evolutionäre Beziehungen DNA-Sequenz Konservierung von Domänen Genomsequenzierungstechnologien verschiedene Organismen Proteindomänen einzigartige DNA-Elemente genetische Unterschiede Varianten und Subtypen hochauflösende Daten Gesamtgenomsequenzierung (WGS)