16.3 Unterrichtsmaterialien

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1 16.3 Unterrichtsmterilien Vness D.l. Pfeiffer, Christine Glöggler, Stephnie Hhn und Sven Gembll Mteril 1: Alignieren von Nukleotidsequenzen für die Verwndtschftsnlyse Für eine Verwndtschftsnlyse vergleicht mn unter nderem Nukleotidsequenzen miteinnder. Für einen solchen Vergleich müssen zuvor llerdings die entsprechenden DNA-Abschnitte ligniert werden. Aufgbe 1 Erstelle mit frbigen Büroklmmern Modelle für die in Tbelle 16.6 gezeigten DNA-Teilstränge des Hämoglobins von Mensch, Schimpnse, Gorill und eines hypothetischen Vorfhren (fossile, usgestorbene Art). Verwende für jede Bse eine ndere Frbe und mrkiere die Richtung von Bse 1 nch Bse 20. Tb. 16.6: Ausschnitt us der für ds Protein Hämoglobin kodierenden DNA von Mensch, Schimpnse, Gorill und einem hypothetischen gemeinsmen Vorfhren. Position Mensch A G G C A T A A A C C A A C C G A T T A Schimpnse A G G C C C C T T C C A A C C G A T T A Gorill A G G C C C C T T C C A A C C A G G C C hypothetischer Vorfhr A G G A A C C C G C T C C C A A C C A G G C C Aufgbe 2 Lies den folgenden Text und beschreibe den Vorgng des Alignierens in eigenen Worten. Ws ist ein Alignment? Bei einem Alignment werden die Bsensequenzen verschiedener Arten möglichst pssgenu übereinndergelegt. Die Reihenfolge der Bsensequenz drf dbei nicht verändert werden. Eine Ausgngssitution für ein Alignment ist in Tbelle 16.6 drgestellt. D Gene nicht nur durch Punkt-, sondern uch durch Rstermuttionen verändert werden, ist n mnchen Stellen ds Einfügen von Lücken notwendig, um eine höchstmögliche Pssgenuigkeit zu erzielen. Die Kunst, ein gutes Alignment zu erstellen, besteht drin, diese Lücken n den richtigen, d.h. in den evolutionsbiologisch whrscheinlichsten Stellen einzufügen. Diese werden bei proteinkodierender DNA durch die Übersetzung des Strnges in Aminosäuren und deren Bedeutung für die Funktionlität des Proteins ermittelt. Dmit sich ds Leserster nicht verschiebt und ein völlig verändertes Protein resultiert, treten Lücken meist ls Vielfches des Triplettrsters uf. Im folgenden Beispiel-Alignment (Tb. 16.7) kennzeichnet ds Symbol * eine Punktmuttion und der Unterstrich _ eine Deletion oder Insertion. I

2 16 Wie DNA helfen knn, die Verwndtschft der Menschenffen zu verstehen Tb. 16.7: Beispiel-Alignment mit Punktmuttionen (*) und Deletionen oder Insertion ( _ ) Bsensequenzen Art 1 A T C G G A T A C Art 2 A T T G G C A G A T A C Muttion * * _ b Erstelle nun mithilfe der Büroklmmer-Sequenzen us Aufgbe 1 ein Alignment für die DNA- Teilstränge des Hämoglobins von Mensch, Schimpnse, Gorill und des hypothetischen Vorfhren. Ermittle die whrscheinlichen Deletionen. Aufgbe 3 Lies den folgenden Text und beschreibe ds Prsimonie-Prinzip in eigenen Worten. Prsimonie-Prinzip. Mithilfe der lignierten Sequenzen knn mn nch dem sogennnten Prsimonie-Prinzip (engl. prsimony = Sprsmkeit) einen Stmmbum erstellen. Lut Prsimonie- Prinzip ist derjenige Stmmbum der whrscheinlichste, bei dem die Summe der Merkmlsänderungen beziehungsweise Substitutionen von einer Art zur nderen möglichst klein ist. b Vergleiche die lignierten Sequenzen us Aufgbe 2b mit dem in Tbelle 16.8 vorgegebenen Rster. Erstelle unter Verwendung des Prsimonie-Prinzips einen Stmmbum. Tb. 16.8: Zu erstellende Übersicht über die Anzhl der richtig beziehungsweise flsch geprten Bsen des Alignments zum Vergleich der einzelnen Sequenzen. Deletionen sollen bei der Auszählung nicht berücksichtigt werden. Anzhl nicht übereinstimmender Bsen Anzhl übereinstimmender Bsen DNA Mensch verglichen mit DNA Schimpnse DNA Gorill DNA gemeinsmer Vorfhr verglichen mit DNA Mensch DNA Schimpnse DNA Gorill II

3 16.3 Unterrichtsmterilien Mteril 2: Von der Gensequenz zum Stmmbum Bei den unten stehenden Aufgben sollen Gensequenzen ermittelt, verglichen (ligniert) und nschließend eine Verwndtschftsnlyse durchgeführt werden, d.h. ein Stmmbum selbst erstellt werden. Aufgbe 4 Verwende die Dtenbnk GenBnk, um die Mitochondrien-DNA von Mkke, Gibbon, Mensch, Schimpnse, Gorill und Orng-Utn zu suchen (Signturen siehe Tb. 16.9). Lde die Sequenzen unter Verwendung der Clipbord-Funktion ls eine FASTA-Dtei uf deinen Computer. Tb. 16.9: Übersicht über diverse Signturen bei GenBnk für die Mitochondrien-DNA von verschiedenen Arten Gttung wissenschftlicher Artnme Signtur bei GenBnk Mkke Mcc sylvnus AJ Gibbon Hylobtes lr NC_ Mensch Homo spiens D38112 Schimpnse Pn troglodytes D38113 Gorill Gorill gorill gorill X93347 Orng-Utn Pongo pygmeus D38115 Gehe folgendermßenvor: Sequenzen lden mit GenBnk GenBnk ist eine öffentlich zugängliche Gendtenbnk, die Gensequenzen von mehr ls Orgnismen wie Bücher in einer Bibliothek gespeichert ht. Unter knn mn Gensequenzen zu bestimmten Orgnismen suchen und herunterlden. Entsprechend den Büchern in einer Bibliothek ist bei GenBnk jeder Sequenz eine Signtur zugeordnet. Tbelle 16.9 gibt einen Überblick über die Signturen, die bei GenBnk für die Mitochondrien-DNA der verschiedenen Affenrten und den Menschen stehen. Wähle Serch: Nucleotide und gib die Signtur der gewünschten Art ein. Du wirst dnn zu einem Link mit der pssenden Sequenz weitergeleitet. Mit Disply Settings: Summry und Send to: Clipbord kopierst du den gefundenen Link in eine persönliche Ablge. Setze die Suche nch den nderen Signturen uf derselben Seite fort und kopiere die Ergebnisse ebenso in die persönliche Zwischenblge. Wähle die Krteikrte Clipbord und setze bei llen Dteien, die du zusmmenfssen möchtest, ein Häkchen. Mit Disply Settings: FASTA und Send: File speicherst du die DNA-Sequenzen ls eine FASTA-Dtei. III

4 16 Wie DNA helfen knn, die Verwndtschft der Menschenffen zu verstehen Aufgbe 5 Aligniere die Sequenzen der FASTA-Dtei mithilfe von ClustlX. Gehe dbei folgendermßen vor: Alignieren mit ClustlX Öffne ds Progrmm ClustlX und wähle im Menü über File lod sequences die zuvor ngelegte FASTA-Dtei. Diese erscheint nun im Arbeitsfenster. Bei der Mode-Einstellung wähle Multiple Alignment Mode und bei Font 10. D ds Alignieren der gesmten Sequenzen zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde, mrkiere nur die ersten 1000 Bsen der Sequenzen. Klicke dfür uf die erste Bsensplte und ziehe bei gedrücktem rechten Muszeiger die Mrkierung nch rechts bis zur Bsensplte Ds Alignieren strtest du im Menü mit Alignment relign selected residue rnge. Öffne im Menü mit File sve sequences s ein neues Fenster und speichere ds Alignment der ersten 1000 Stellen unter use rnge informtion ls nexus-dtei b. IV

5 16.3 Unterrichtsmterilien Aufgbe 6 Stmmbumhypothese 1 Mkke Gibbon Orng-Utn Gorill Schimpnse Mensch Die nch dem Prsimonie-Prinzip durch ds Progrmm McClde ermittelte treelength für Stmmbumhypothese 1 beträgt: Stmmbumhypothese 2 Mkke Gibbon Orng-Utn Gorill Schimpnse Mensch Die nch dem Prsimonie-Prinzip durch ds Progrmm McClde ermittelte treelength für Stmmbumhypothese 2 beträgt: b Stmmbumhypothese 3 Mkke Gibbon Orng-Utn Gorill Schimpnse Mensch Die nch dem Prsimonie-Prinzip durch ds Progrmm McClde ermittelte treelength für Stmmbumhypothese 3 beträgt: c Abb Links die drei unterschiedlichen Hypothesen zur Verwndtschft der großen Menschenffen. Auf der rechten Seite können die mit McClde ermittelten treelengths eingetrgen werden. V

6 16 Wie DNA helfen knn, die Verwndtschft der Menschenffen zu verstehen Vergleiche die in Abbildung drgestellten Stmmbumhypothesen, indem du mit dem Progrmm McClde die zugehörigen treelengths ermittelst. b Beurteile die drei Hypothesen nch dem Prsimonie-Prinzip und treffe eine begründete Entscheidung bezüglich des nächsten Verwndten des Menschen. Gehe folgendermßen vor: Verwndtschftsnlyse mit McClde Öffne im Progrmm McClde die vorbereitete nexus-dtei. Die Sequenzen erscheinen ls Mtrix. Über Windows tree window und der Whl Defult Ldder im erscheinenden Fenster erhältst du einen Vorschlg für einen Stmmbum. Aktiviere in der Werkzeugplette von McClde durch Anklicken ds Werkzeug <Move Brnch> (Symbol Pfeil ). Nun knnst du durch Anklicken und Hlten der Mustste die einzelnen Äste des Stmmbums verschieben und so neue Stmmbäume generieren, um deren treelength ( Stmmbumlänge ) zu vergleichen. VI