Evolution. Veränderung erblicher Merkmale von Generation zu Generation

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1 Evolution Veränderung erblicher Merkmale von Generation zu Generation - Evolution des Menschen - Genom-Evolution - Chromosomen-Evolution - Gen-Evolution -- immunologische Individualität Populationsgenetik

2 Pan troglodytes vs. Homo sapiens: Genom-Unterschiede? mpg.de ARHGAP11B-Gen: differentiell gespleisst

3 Neanderthaler + Homo sapiens sapiens - Homo sapiens neanderthalensis / H. s. sapiens gemeinsam Jahre - gemeinsame (mitochondriale) Polymorphismen nachweisbare produktive Sexualkontakte

4 Neanderthaler + Homo sapiens sapiens verschlungene Wege der Evolution H. s. sapiens verließ Afrika vor Jahren in alle Erdteile und traf auf andere Nachkommen von H. heidelbergensis. H. sapiens kam aus Afrika nach Vorder- Asien, dann Europa und Südasien, schließlich nach Australasien und Amerika. vor Millionen Jahren Herkunft von H. floresiensis ist unbekannt, Skelettteile in Indonesien gefunden. H. erectus verbreitete sich nach Vorderasien, dann nach Ostasien und Indonesien. In Spanien wurde als Nachfahre H. antecessor identifiziert. H. heidelbergensis entwickelte sich aus H. erectus, breitete sich dann in Afrika aus sowie in Südasien und Südeuropa.

5 Neanderthaler-Fundorte + Genom-Daten Sima de los Huesos (1) Denisova (2) Denisova Vindija Mezmaiskaya

6 Neanderthaler- + H.s.s. Genom-Daten 0,3-0,7 x 10 6 Jahre H. s. Denisova 5-10 x 10 6 Jahre H. s. neanderthalensis Homo sapiens sapiens Bonobos 0,5-8% Schimpansen Gorilla Orangutan

7 Neanderthaler- + H.s.s. Genom-Daten 1x out of Africa 2x out of Africa Beimischung vor x1000 Jahren Auftrennung vor x1000 Jahren Beimischung (%) heute West-Afrika Yoruba? Europa Sarden Ostasien Han-Chin. Australien zentral heute Aborigines Australien (Malaspinas et al. 2016) Neanderthaler-DNA Denisovaner-DNA Migration früher genet. Flaschhals Kontinent-spezif.

8 übermäßige Effekte archaischer DNA in Homo sapiens sapiens EPAS1 Gen TLR Gene Callaway, Nature 2015

9 LTR Retrotransposons Transposons simple repeats segmentale Duplikationen SINES Human-Genom LINES Heterochromatin Einzelkopie- Sequenzen Protein-kodierende Exons Introns Evolution der Genome

10 Humangenom: nur 4 Basen? 5-Methylcytosin = 5. Base bestimmte Cytosine im Genom 70 % CpG-Nukleotide methyliert CpG-Inseln Genregulation - dauerhafte X-Chromosomen-Inaktivierung - genomic imprinting, gezielte Stilllegung bestimmter maternaler/paternaler Gene - pathophysiologische Veränderungen Epigenetik

11 DNA-Methylierung Epigenetik: sirna mrna mrna Histon Histon Histon- Modifikation Mechanismen Chromosom

12 geprägte Gene (imprinting) somat. Zellen primordiale Keimzellen Keimzellen Zygote Embryo normales imprinting Ø Entfernen d. imprinting: PWS Ø Etablieren d. imprinting: BWS, AS Ø Erhalten d. imprinting: AS

13 Mutter Fet (kinship theory) Effekte geprägter Gene auf Resourcen-Bereitstellung Placenta - +

14 evolutionäre Konflikte: Schwangerschaft Natürliche Selektion favorisiert Nachkommen, die genügend mütterliche Nährstoffe bekommen. Fetale Strategien: Nährstofffluss durch fetales Protein, das mütterlichen Blutdruck steigert Väterliche Genkopie inaktiviert, die Wachstum blockiert, Wachstum Primärkonflikt führt zu Konflikten wg. Blut Wachstum Natürliche Selektion favorisiert gesunde Mütter, die große Familien bekommen. Mütterliche Gegen-Strategien: Mütterliches Protein reduziert Blutdruck Nährstofffluss Mütterliche Genkopie inaktiviert, die Wachstum steigert Wachstum Baby-Strategie: Natürliche Selektion favorisiert Gene, die Füttern versprechen, u.u. zuungunsten anderer Kinder der Mutter. Füttern Gegen-Strategie der Mutter: Mütterliche Genkopie, die Füttern bewirkt, wird beim Kind inaktiviert Füttern D. Haig

15 Evolution - Evol. der Organismen - Genom-Evolution - Chromosomen-Evolution - Gen-Evolution -- immunolog. Individualität - Populationsgenetik

16 Primaten, Nager, Hasenartige + Carnivora etc. - Chromosomen-Evol. - Genom-Evol. - Gen-Evol. - Populationsgenetik carnivora, perissodactyla, artiodactyla, paenungulata, sirenia, tubulidentata homologe Synthenie- Blöcke

17 Evolution - Evol. der Organismen - Genom-Evolution - Chromosomen-Evolution - Gen-Evolution -- immunolog. Individualität - Populationsgenetik

18 aus Afrika: Adam + Eva

19 viele Mutationen sind jung Mutationsspektren heute und vor 300 Generationen sehr verschieden >86% deletärer Mutationen entstanden in den letzten Jahren kein Genom-Reinigen durch Selektion seltene Varianten Phänotyp-Variation, Krankheits-Disposition vorteilhafte Mutationen für adaptive Evolution in ferner Zukunft? Weltbevölkerung, Milliarden Genomprojekt PCs Mensch auf Mond DNA-Entdeckung 1. Agrar-Revolution 1. Schriften AD industrielle Revolution 2. Agrar-Revolution

20 Evolution - Evol. der Organismen - Genom-Evolution - Chromosomen-Evolution - Gen-Evolution -- immunolog. Individualität - Populationsgenetik

21 Genstruktur humaner MHC Genstruktur Maus-MHC

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23 Gendichte: HLA-Region vs. Dystrophin-Gen 70 Gene: 0,9 Mb Exon 1 Gen: Dystrophin

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25 HLA-Allele (akt ) HLA Klasse I-Allele HLA Klasse II-Allele HLA-Allele insgesamt andere Allele 178 MICA, MICB, TAP1, -2 HLA Klasse I Gene A B C E F G H J K L P Allele Proteine Null-Allele HLA Klasse II Gene DRA DRB DQA1 DQB1 DPA1 DPB1 DMA DMB DOA DOB Allele Proteine Null-Allele HLA-DRB Gene DRB1 DRB2 DRB3 DRB4 DRB5 DRB6 DRB7 DRB8 DRB9 Allele Proteine Null-Allele non-hla Gene Gene HFE MICA MICB TAP1 TAP2 Allele Proteine Null-Allele

26 Immunglobuline (Ig) und T-Zellrezeptoren (TCR) Ig B-Zell Differenzierung B-Zelle IgH Genrearrangement IgL Genrearrangement Hämatopoet. Stammzelle TZR β Genrearrangement Lymphoidprogenitor T-Zell Differenzierung TZR α Genrearrangement T-Zellrezeptor Helfer T-Zelle Killer T-Zelle

27 schwer leicht außen innen

28 IgH-Genelemente, V H n=40 Ig -Genelemente, V n=40 Ig -Genelemente, V n=30 Ig- und TCR- Gene rearrangieren somatisch enorme Zufallsvariabilität TZRα-, TZR -Genelemente, V α n=42; V n=3 TZRβ-Genelemente, V β n=43

29 T-Zellrezeptor -Region N Nukleotide nicht in Keimbahn zufällig eingefügt

30 Evolution - Evol. der Organismen - Genom-Evolution - Chromosomen-Evolution - Gen-Evolution -- immunolog. Individualität - Populationsgenetik

31 Populationsgenetik ist die Wissenschaft, die die genetische Struktur von Populationen beschreibt und die Kräfte analysiert, die sie Verändern Genetische Struktur: Allel-, Genotypfrequenzen

32 Definition Genotyp Genetische Information, die 1 genetischer Lokus (Genort), 1 Gruppe von Genorten oder Das gesamte Genom enthält

33 Definition Allele Verschiedene (durch Mutationen entstandene) Variationen ein und desselben Gens / genetischen Lokus Bevölkerung: viele Allele Individuum: 1 matern. + 1 patern.

34 Hardy Weinberg Gleichgewicht Annahmen - zufällige Paarung - sehr große Population - ø Mutation - ø Selektion - ø Migration

35 Hardy Weinberg Gesetz Allelhäufigkeiten 1 = p + q Genotypfrequenzen 1 = (p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2

36 Hardy Weinberg Gleichgewicht Mukoviszidose: Heterozygoten- Frequenz?

37 Basenpaare/$ dsdna-synthese ssdna-synthese DNA-Sequenzieren Jahr HGP-write 125 Mb 250 Mb HCV: x vergrößert Mycoplasma: 1000x vergrößert Hefe: 100x vergrößert Mensch: Basenpaare (3 000 Mb)