Biologie für Nebenfächler Prof. Dr. W. Stephan 1. Genetische Vielfalt innerhalb einer Population Zentraler Begriff der Populationsgenetik und Evolutionsbiologie Ohne genet. Variation gäbe es keine Evolution (Darwin s erstes Prinzip), und ist Angriffspunkt für fortlaufende Selektion (Darwin s zweites Prinzip) Phänotypische Variation (Studenten im HS): Morphologisch (Größe, Haut- und Haarfarbe) Physiologisch (Blutdruck, Cholesterinspiegel) Ein Teil dieser phänotypischen Unterschiede sind nicht genetischer Natur: z.b. hängen Unterschiede in Größe und Cholesterin auch von Ernährung ab. Beispiele für genetisch bedingte morphologische Variation: Schneegans (beide Morphe in einer Brut, allelische Variation an einzigem Locus; siehe TAFEL 1 (Fig. 9.4, Fut.)) Amerikanische Königsnatter (1 Locus, 2 Alleles (TAFEL 1) (Fig. 9.4, Fut.)) Asiatischer Marienkäfer (eines der Lieblingsobjekte der Pop. genetik; 15 Alleles; TAFEL 2 (Fig. 9.5, Fut.)
Allozymvariation Beispiel: Phosphoglucomutase (PGM; TAFEL 3 (Fig. 69, Sper))
DNA Polymorphismus Beispiel: Alkoholdehydrogenase (ADH, TAFEL 4; und Codon Tabelle, TAFEl 5 (Fig. 9.1, Li))
2. Evolutionsfaktoren a) Mutation Punktmutationen in kodierenden und nicht-kodierenden Regionen; Mutationsrate 10-9 pro Generation pro Nukleotid; b) Rekombination Rekombinationsrate 10-8 pro Generation pro Nukleotid.
c) Genetische Zufallsdrift (TAFEL 9 (Fig. 2.3, Li)) d) Migration zwischen Unterpopulationen e) Demographische Ereignisse: Populations-Flaschenhals, Expansion f) Fortpfanzungssystem: Selbstbefruchter, Fremdbefruchter g) Natürliche Selektion: Durch die Selektion wird der Beitrag eines Genotyps zum Genpool, der die nächste Generation bestimmt, nicht dem Zufall (Drift) überlassen. Den einzelnen Genotypen kommen vielmehr unterschiedliche Chancen zu, fortpflanzungsfähige Nachkommen für die nächste und weitere Generationen zu produzieren.
3. Wichtigste Typen von Selektion mit Beispielen: Positiv gerichtete Selektion (fortwährende Selektionierung zugunsten eines bestimmten oder mehrerer Genotypen) a) Resistenzen bei Bakterien und Insekten: Es ist heute ein grosses medizinisches Problem, daß viele Bakterienstämme Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt haben, z.b. gegen Streptomycin oder Penicillin. Ähnliche Resistenzen gibt es bei Insekten gegen bestimmte Kontaktgifte wie DDT. Resistente Allele können sich wegen ihres hohen Selektionsvorteils in der Gegenwart von Insekticiden sehr schnell in einer Population durchsetzten (fixieren), z.b. innerhalb von 10 Jahren bei Drosophila. b) Industriemelanismus bei Schmetterlingen (TAFEL 13): Viele Arten von Nachtschmetterlingen, die tagsüber an Baumstämmen ruhen, sind in ihrer Flügelfarbe und muster diesem Untergrund angepaßt (z.b. Birkenspanner Biston betularia). In Industriegebieten sind dunkle Formen besser vor Fressfeinden geschützt, da die helle Flechtenbewachsung von Stämmen aufgrund der Verschmutzung abgenommen hat. Im englischen Industriegebiet um Manchester hat sich die dunkle Form (monogen, dominant) innerhalb eines Jahrhunderts (von 1848 bis 1960) von sehr niedriger Frequenz bis zu 98% durchgesetzt. In umliegenden ländlichen Gebieten gab es fast nur die helle Form. Kritik: Ruhestellen der Nachtfalter nicht bekannt; helle Formen nehmen zu in Frequenz bevor die hellen Flechten auf Bäumen zurückkehren.
Negative gerichtete Selektion a) Nicht-syn Stellen sind unter stärkerem Selektionsdruck als syn.; b) Funktionelle Bereiche von Proteinen evolvieren viel langsamer als linker Regionen Balancierende Selektion: Heterozygote Genotypen haben Vorteil gegenüber beiden Homozygoten (Heterosis). a) Sichelzellenanämie: Sichel-Allel entsteht durch Glu à Val Mutation in b- Globin (rezessiv). Homozygote Träger haben sichelförmige rote Blutkörperchen. Diese werden von weissen Blutkörperchen angegriffen. Es kommt zur Hämolyse und damit zur Anämie. Weitere Merkmale: Blutgerinnsel in Kapillaren. Heterozygote Träger habe diese Symptome in abgeschwächter Form. Jedoch hat das Sichel Allel auch den Vorteil der Resistenz gegen Malaria. In Malaria verseuchten Gebieten haben Heterozygote eine bessere Überlebenschance als beide Homozygote. b) Adh in D. melanogaster : F/S Polymorphismus in Population erhalten, Kline c) MHC: Da Antigene (viral!) sehr schnell evolvieren, ist es von Vorteil, verschiedene ARS-Allele zu besitzen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, Antigene binden zu können. 4. Erhaltung der genetischen Vielfalt Gerichtete Selektion und Drift sollten über kurz oder lang zur Homozygotierung einer Population führen. Was hält die genetische Vielfalt im Gleichgewicht? Mutation - Drift Mutation, Migration - Drift Mutation, Rekombination - Drift Mutation - negativ gerichtete Selektion Balancierende Selektion