Ab sofort gibt es alle meine Posts in deutscher Sprache auf dem Blog Alles-was-lebt.
Die Populationsgenetik-Serie wird dort fortgesetzt!
Hier auf Selective Sweep werde ich weiter auf Englisch schreiben, falls ich dazu komme.
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Freitag, 6. März 2009
Dienstag, 20. Januar 2009
Protein-Polymorphismus und die neutrale Theorie
Wie ich in früheren Posts bereits angedeutet habe, wurde in der Zeit bevor man schnell und günstig DNA sequenzieren konnte hauptsächlich eine auf Verschiedenheiten in Enzymen basierende Methode verwendet um Variabilität innerhalb von Populationen zu untersuchen. Masatoshi Nei und Dan Graur haben zu den so gewonnenen Daten, eine sehr fundierte und gut zu lesende Metaanalyse durchgeführt; sozusagen das letzte Wort zu diesen Daten in der Populationsgenetik...Sogenannte Allo(en)zyme katalysieren sehr grundlegende Stoffwechselprozesse und sind daher hoch konserviert, d.h in fast allen Lebewesen sind Orthologe vorhanden. Zerkleinert man gesamte Organismen, und lässt den entstehenden "Brei" in einem elektrischen Feld durch eine Gel laufen (Gelelektrophorese) trennen sich die Proteine, wie die interessierenden Enzyme, gemäß ihrer Ladung auf. Die dazu verwendeten Stärkegele werden dann mit dem Substrat für eines der Allozyme und einem Farbstoff, der ausfällt, wenn die entsprechende Reaktion stattfindet, gefärbt. Mit dieser Methode sind in dem meisten Organismen etwas mehr als 20 Enzyme analysierbar.
Auf den ersten Blick erscheinen diese evolutionär konservierten Moleküle aber nicht besonders geeignet um Unterschiede innerhalb einer Art auf Populationsebene zu untersuchen. Eine erstaunliche Entdeckung war daher, dass solche Enzyme innerhalb einer Art oft in unterschiedlichen Allelen vorkommen, sichtbar als unterschiedliche weit gelaufene Banden im Gel.
Seit Anfang der 1960 resultierte dies in einer Fülle von Studien, die diese Methode zur Anwendung brachten und für experimentell arbeitende Populationsgenetiker "find it, grind it" zur Losung machten.
Die Entwicklung der neutralen Theorie ist daher auch im Licht der so gewonnenen Daten zu sehen. Warum gibt es diese Variabilität in natürlichen Populationen? Wer seine Fliegen mit etwas Hintergrundwissen zerrieb, musste eine neutrale Erklärung in Betracht ziehen.
Schon vor der Untersuchung dieser ersten molekularen Polymorphismen war der Grad der innerhalb einer Art beobachteten Variabilität das beherrschende Thema der Populationsgenetik. Warum kommt es durch Selektion nicht zu einer vollständigen Optimierung des Phänotypes und damit zu einem Verschwinden der Variabilität?
Es können zwei Gruppen von Hypothesen getestet werden, die dieses Phänomen erklären könnten:
Zum Ersten die neutrale Erklärung: Es könnte einfach keine Selektion auf die interessierenden Merkmale gegeben sein und daher könnten zwei Allele durch Zufall zum gegebenen Zeitpunkt vorhanden sein.
Zum Anderen "selektionistische" Erklärungen, d.h. Selektion selbst könnte zwei unterschiedlich Merkmale begünstigen. Dies wird "balancing selection" genannt. Ein Paradebeispiel hierfür stellt Häufigkeits-abhängige Selektion dar. Spezielle Merkmale werden positiv selektiert weil sie selten sind, wird das entsprechende Allel häufiger, verschwindet dieser Vorteil und das alternative Allel hat den Vorteil. Der große Polymorphismus bei MHC Allelen lässt sich so beispielsweise sehr schlüssig mit Häufigkeits-abhängiger Selektion erklären.
Eine weitere "selektionistische" Erklärung wäre "Overdominance", dabei haben Heterozygote eine größere Fitness als die beiden möglichen Homozygoten, daher hält die Selektion beide Allele in der Population.
Betrachtet man die Theorien ohne jegliche Daten, muss man feststellen, dass die neutrale Erklärung die sparsamere und daher -falls sie ausreicht- bessere ist. Die auf Selektion basierenden Erklärungen sind etwas umständlicher wurden aber von vielen Biologen bevorzugt, da man neutrale Erklärungen oft als unschön empfand. Die selektionistischen Erklärungen wurden als "darwinistisch" verteidigt, neutrale Erklärungen schienen für viele in Widerspruch mit "Darwins Theorie" zu stehen. Wie sollte eine hauptsächlich neutrale Variabilität das "Substrat" für die allgemeine akzeptierte Evolution durch natürliche Selektion liefern?
Natürlich waren auch die Vertreter der neutralen Erklärungsversuche (wie Lewontin) im weiteren Sinne "Darwinisten", sie vertraten meist die Auffassung, dass selbst der in ihren Modellen unbedeutende kleine Teil der selektierten Merkmale ausreiche um "darwinistische" Evolution zu ermöglichen.
Eine weitere Warnung ist bei der Diskussion über sie neutrale Theorie angebracht:
Sie betrachtet speziell molekulare Polymorphismen. Grundlage dafür ist die Annahme, dass negativ selektierte Allele so schnell den Extremzustand "Verlust des Alles aus der Population" anstreben, dass sie zu vernachlässigen sind. Es ist nach diesen Annahmen einfach unwahrscheinlich, dass man gerade in dem kurzen Moment, in dem ein selektierter Locus in der Population polymorph ist die Daten erhebt. (Würde mann nur innerhalb der Population einer Art arbeiten könnte man in der neutralen Theorie auch ohne weiteres positive Selektion zulassen, schließlich würde das gleiche schnelle "Anstreben des Extremzustandes", diesmal der Fixierung auch für positive selektierte Allele zutreffen, die neutrale Theorie kann positive Selektion aber nicht zulassen, da sie auch einen Zusammenhang zwischen der Sequenz-Divergenz zwischen Arten und der Zeit seit der Divergenz vorhersagt, darauf werde ich noch eingehen).
Und eine weiter Warnung, dass die Theorie auf molekularer Ebene anzuwenden ist: Würde man phänotypische Merkmale, die zum Großteil von mehreren Genen kontrolliert werden, betrachten, müsste man auch Effekte der (nicht vollständigen) Erblichkeit dieser Merkmale und Interaktion mehrerer Loci bei ihrere Erzeugung mit einbeziehen. Solche Aspekte sind nicht Teil der neutralen Theorie, sondern der quantitativen Genetik.
Nach dieser langen Einleitung zurück zum besprochenen Paper. Nei und Graur untersuchten also ob der beobachtete Grad des Polymorphismus, der in Allozym-Studien als Heterozygotie (=Gendiversität; H) für einen Locus angegeben wird, den Voraussagen der neutralen Theorie entspricht. Sie wählten dafür Daten für 341 Spezies aus 77 Studien, in denen die Heterozygotie für mindestens 10 individuelle Genomen an 20 Protein-Loci ermittelt wurden.
Die Voraussagen der neutralen Theorie sind nun folgende:
- Die beobachtete mittlere Heterozygotie (über alle Loci) nimmt mit steigender Populationsgröße zu.
- Die beobachtete mittlere Heterozygotie ist gleich oder kleiner als der durch Formel [8] gegebene Erwartungswert.
Die effektive Populationsgröße (Ne) in Formel [8] muss man durch die Populationsgröße (N) ersetzen, da Ne nicht direkt messbar oder schätzbar ist.
Die erste Aussage basiert auf einer angenommenen Korrelation von Ne und N, diese reicht aus um nicht nur für Ne sondern auch für N eine positive Regression mit der Heterozygotie vorauszusagen.
Anders bei der zweiten Aussage: Das "oder kleiner" resultiert daraus, dass die effektive Populationsgröße (Ne) jeweils kleiner oder gleich der aktuellen Populationsgröße (N) ist. Muss man nun also Ne durch N ersetzen, ergibt die Formel keinen exakten Erwartungswert, sondern erlaubt nur das genannte "kleiner gleich".
Für alle 77 in die Analyse einbezogenen Studien mussten Nei und Graur nun also die Populationsgröße der jeweils zugrunde liegenden 341 Spezies abschätzen. Sie beschreiben für einzelne Spezies genau wie sie dies anstellten: Mit viel Sachverstand und Pedanterie...
Die erste Voraussage bewahrheitete sich im analysierten Datensatz oder wie die beiden Autoren etwas wissenschaftlicher schreiben: "Die erste neutrale Null-Hypothese konnte nicht abgelehnt werden". Die Regression von Populationsgröße (N) und Heterozygotie (H) war signifikant und der Regressionskoeffizient r = 0.65 sagt, dass 65% der Varianz in H oder N durch Covarianz von H und N erklärbar ist. Eine erstaunlich gute Regression, bedenkt man, dass N nur eine Schätzung und obendrein ein Ersatz für Ne ist.
Die zweite Aussage machte etwas mehr Probleme: Für zwei der 341 Spezies musste "diese Nullhypothese zunächst abgelehnt werden", sie zeigten signifikant höhere Diversität als vorausgesagt.
Die Ausreißer waren Drosophila engyochracea und D. mimica, hawaiianische Fruchtfliegen-Arten.
Für diese drei Spezies testeten die beiden Autoren alternative Hypothesen. Sie nahmen dazu die Verteilung der Allelfrequenzen genauer unter die Lupe. Diese entspricht in den zwei Spezies der unter Neutralität angenommenen Verteilung. De Facto erwartet man bei einer auf Overdominance basierenden Alternativhypothesen nicht die beobachtete Verteilung: In dieser sind die meiste Loci nicht polymorph und die Allelfrequenzen der polymorphen Loci gleichmäßig zwischen 0 und 1 verteilt (U-Form der Verteilung). Ovedrdominance wurde eine Clustern der Frequenzen um 0.5 produzieren.
In einer ausführlichen Diskussion stellen Nei und Graur dann dar warum eine heterogene Umwelt mit vielen verschiedenen Nischen nicht in der Lage ist über Adaptation an einzelne Nischen Variabilität zu erzeugen. Kurz gesagt lassen dies Genfluss, mendelsche Vererbung und finite Populationsgrößen in realistischen Modellen nicht zu.
Aus dem selben Grund aus dem die neutrale Theorie vorteilhafte Mutationen ignorieren kann, können sie auch nicht für den beobachteten Polymorphismus verantwortlich sein: Sie werden zu schnell fixiert. Dies mag zunächst wie ein Zirkelschluss erscheinen, allerdings sagen alle plausiblen Modelle für eine Fixierung von positiv selektierten Allelen eine extrem schnelle Fixierung voraus.
Würde man extrem kleine Selektionsvorteile und hohe Mutationsraten annehmen, könnte man zwar die beobachtete Variabilität erreichen, solche Prozesse würden dann aber zwischen Arten zu hohe Substitutionsraten ergeben. Substitution ist die Fixierung eines neuen Allels, wie sei nach einer Divergenz zweier Arten beobachtet wird. Da solche Substitutionsraten für phylogenetischen Studien benutzt werden, sind sie bekannt und man weiss, dass sie über den gesamten "Baum des Lebendigen" in der gleichen Größenordnung liegen.
Die beiden Autoren schließen, dass eine neutrale Erklärung auch für die beiden Ausreißer in Betracht kommt, da spezielle für diese Arten die Abschätzung der Populationsgröße sehr schwierig war und möglicherweise N schlicht unterschätzt wurde, was dann zu zu niedrigen Werten für die erwartete Diversität erbrachte.
Die Daten scheinen also mit der neutralen Theorie der molekularen Evolution gut übereinzustimmen.
Zu den Problemen der Neutralen Theorie komme ich erst im nächsten Post. Würde ich auf Englisch schreibe, hätte ich dafür auch schon einen Titel:
"The mean is not the message: The overdispersion of the molecular clock".
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Masatoshi Nei, Dan Graur (1984). Extent of protein polymorphism and the neutral mutation theory Evolutionary biology Link(kein DOI zu finden)
Sonntag, 30. November 2008
Google und die deutsche Evolutionsbiolgie
Zu meinem großen Erstaunen konnte ich eben feststellen, dass ich für den Suchbegriff
den Top-Hit von insgesamt 4010 Treffern auf Google habe. Die äquivalente Englischsprachige Suche ergibt 31300 Treffer mit einem Wikipedia-Eintrag an erster Stelle.
Sehr beunruhigend ist, dass kreationistische Texte wie das deutschen Intelligent-Design Lehrbuch "Evolution, ein kritisches Lehrbuch" von Reinhard Junker und Siegfried Scherer und eine positive Rezension zu diesem, zwei der ersten zehn Plätze einnehmen. Ein dritter Platz unter den ersten zehn bei dieser Suche geht an www.kritische-naturgeschichte.de, eine wissenschaftsfeindliche deutsche Seite, die - scheinbar ideologisch unabhängig - versucht die wissenschaftliche Methode als unanwendbar in der Biologie darzustellen.
Nach der ersten Freude über die Google-Suche, bin mir meiner Verantwortung bewusst, die "Fackel der Aufklärung" im deutschsprachigen Raum hochzuhalten.
Die nahezu neutrale Theorie der molekularen Evolution
den Top-Hit von insgesamt 4010 Treffern auf Google habe. Die äquivalente Englischsprachige Suche ergibt 31300 Treffer mit einem Wikipedia-Eintrag an erster Stelle.
Sehr beunruhigend ist, dass kreationistische Texte wie das deutschen Intelligent-Design Lehrbuch "Evolution, ein kritisches Lehrbuch" von Reinhard Junker und Siegfried Scherer und eine positive Rezension zu diesem, zwei der ersten zehn Plätze einnehmen. Ein dritter Platz unter den ersten zehn bei dieser Suche geht an www.kritische-naturgeschichte.de, eine wissenschaftsfeindliche deutsche Seite, die - scheinbar ideologisch unabhängig - versucht die wissenschaftliche Methode als unanwendbar in der Biologie darzustellen.
Nach der ersten Freude über die Google-Suche, bin mir meiner Verantwortung bewusst, die "Fackel der Aufklärung" im deutschsprachigen Raum hochzuhalten.
Populationsgenetik Serie: Organisatorisches
Ich werde hier in den nächsten Wochen und Monaten hauptsächlich über Populationsgenetik schreiben. Die betreffenden Posts tragen das entsprechende Label. Meine Motivation und meine generellen Hauptquellen dazu beschreibe ich in diesem Eröffnungspost.
Die Posts werden sich in vier Kategorien gliedern:
Gleiches gilt für Grafiken, die in geschweiften Klammern beschriftet werden z.B. {2}.
Grafiken werden von mir selbst mit Hilfe von R erstellt. Am Ende von Post, die mehr oder weniger aufwändige Plots enthalten wird der Leser einen Link zu einem funktionierenden R-script finden. Der Text aus diesen Google-Docs kann in einen Texteditor kopiert, modifiziert und danach in R zum erstellen eigener Grafiken benutzt werden.
Ich möchte dem interessierten Leser so die Möglichkeit geben selbst etwas mit den Formeln zu spielen und gleichzeitig -mit mir zusammen- einen Einstieg in R zu finden.
Ein Einführung in Populationsgenetik mit Hilfe von R - Eine Einführung in R mit Hilfe von Populationsgenetik.
Viel Spass!
Die Populationsgenetik Serie zieht um! Da die Beiträge untereinander sehr stark verknüpft sind und die Serie andernorts fortgesetzt wird, werde ich alle Posts der Serie in den nächsten Tagen auf den neuen Blog Alles was lebt bringen.
Die Posts werden sich in vier Kategorien gliedern:
- Grundlagen [Beispiel]
- Kernkonzepte, Modelle und Theorien [Beispiel]
- Paperdiskussion [Beispiel]
- Nebensächliches [Beispiel]
Gleiches gilt für Grafiken, die in geschweiften Klammern beschriftet werden z.B. {2}.
Grafiken werden von mir selbst mit Hilfe von R erstellt. Am Ende von Post, die mehr oder weniger aufwändige Plots enthalten wird der Leser einen Link zu einem funktionierenden R-script finden. Der Text aus diesen Google-Docs kann in einen Texteditor kopiert, modifiziert und danach in R zum erstellen eigener Grafiken benutzt werden.
Ich möchte dem interessierten Leser so die Möglichkeit geben selbst etwas mit den Formeln zu spielen und gleichzeitig -mit mir zusammen- einen Einstieg in R zu finden.
Ein Einführung in Populationsgenetik mit Hilfe von R - Eine Einführung in R mit Hilfe von Populationsgenetik.
Viel Spass!
Die Populationsgenetik Serie zieht um! Da die Beiträge untereinander sehr stark verknüpft sind und die Serie andernorts fortgesetzt wird, werde ich alle Posts der Serie in den nächsten Tagen auf den neuen Blog Alles was lebt bringen.
Die nahezu neutrale Theorie der molekularen Evolution
Eine elegante Erweiterung der neutralen Theorie haben Kimura und Ohta in den späten 1980ern entwickelt. Sie haben folgende die Gleichung für die Fixierungswahrscheinlichkeit von Mutationen, die schwach selektiert werden gefunden:
[9]
s ist dabei der sogenannte Selektionskoeffizient relativ zur durchschnittlichen Fitness. In dem zugrunde liegenden Modell hat das in der Population bereits vorhandene Allel die Fitness 1, Homozygote für die neue Mutation haben die Fitness 1+s, Heterozygote 1+s/2.
Folgendes Schaubild zeigt den Einfluss der Populationsgröße auf die Effektivität der Selektion. Der Selektionskoeffizient s ist dabei von -0.02 (2% schlechtere Fitness/Fortpflanzungswahrscheinlichkeit der Homozygoten für die Mutation, 1% der Heterozygoten ) bis 0,01 (1% besseres Abschneiden der Homozygoten, 0,5 der Heterozygoten) aufgetragen.
{2}
Deutlich wird, dass in grösseren Populationen die Selektion wirksamer ist. Nes sollte um die Formel interessant zu machen in der Nähe von 1 liegen, der von mir angenommene Selektionskoeffizient von -0.02 bis 0.01ist vergleichsweise groß und daher gibt die Formel für eher kleine Werte von N interessante Graphen. In realistischeren Situationen wird die Formel wohl eher bei um einige Zehnerpotenzen größeren Populationen angewandt deren Selektionskoeffizient um einige Zehnerpotenzen kleiner sind.
Schön zu sehen ist auch dass die Formel "im Limit" (s=0) die gleichen Werte gibt wie Formel [1].
Die R-Befehle gibt es hier als googledoc. Einfach in eine Textdatei einfügen. Das ganze als deinscript.R speichern. In R erzeugt das script mit source("deinpfad/deinscript.R") den Plot dieses Posts mit dem Namen nearlyneutralauto.jpg in dem Ordner in dem du R gestartet hast.
[9]s ist dabei der sogenannte Selektionskoeffizient relativ zur durchschnittlichen Fitness. In dem zugrunde liegenden Modell hat das in der Population bereits vorhandene Allel die Fitness 1, Homozygote für die neue Mutation haben die Fitness 1+s, Heterozygote 1+s/2.
Folgendes Schaubild zeigt den Einfluss der Populationsgröße auf die Effektivität der Selektion. Der Selektionskoeffizient s ist dabei von -0.02 (2% schlechtere Fitness/Fortpflanzungswahrscheinlichkeit der Homozygoten für die Mutation, 1% der Heterozygoten ) bis 0,01 (1% besseres Abschneiden der Homozygoten, 0,5 der Heterozygoten) aufgetragen.
{2}
Deutlich wird, dass in grösseren Populationen die Selektion wirksamer ist. Nes sollte um die Formel interessant zu machen in der Nähe von 1 liegen, der von mir angenommene Selektionskoeffizient von -0.02 bis 0.01ist vergleichsweise groß und daher gibt die Formel für eher kleine Werte von N interessante Graphen. In realistischeren Situationen wird die Formel wohl eher bei um einige Zehnerpotenzen größeren Populationen angewandt deren Selektionskoeffizient um einige Zehnerpotenzen kleiner sind.
Schön zu sehen ist auch dass die Formel "im Limit" (s=0) die gleichen Werte gibt wie Formel [1].
Die R-Befehle gibt es hier als googledoc. Einfach in eine Textdatei einfügen. Das ganze als deinscript.R speichern. In R erzeugt das script mit source("deinpfad/deinscript.R") den Plot dieses Posts mit dem Namen nearlyneutralauto.jpg in dem Ordner in dem du R gestartet hast.
Die neutrale Theorie der molekularen Evolution, Teil 2
Vielleicht ist es jemandem aufgefallen: Die Teilaspekte der neutrale Theorie, die ich im ersten Post vorgestellt hatte erlauben nicht unbedingt viele Voraussagen und wären zu Kimuras Zeit, vor Entwicklung der DNA-Sequenzierung, in dieser Form untestbar gewesen.
Wie ich bereits angedeutet habe hat die Theorie auch einen mathematisch etwas schwierigen Teil: Formel, die von Kimura aus Diffusionsgleichungen ableitete, da Mutationen ähnlich diesem physikalischen Prinzip in die Population "diffundieren". Für die durchschnittliche Zeit zwischen dem entstehen der Mutation und ihrer Fixierung konnte er 4Ne Generationen ermitteln.
Mutationen, die zum verschwinden verurteilt sind tun dies dagegen im Durchschnitt innerhalb von
[6]
Generationen.
Mutationen die verloren gehen tun dies als in wesentlich kürzerer Zeit, als solche die fixiert werden.
Nehmen wir nen weiter ein Modell mit unendlich vielen verschiedenen möglichen Allelen an, gibt
[7]
die erwartete Homozygotie unter Neutralität in einem Gleichgewichtszustand von Mutation und Verlust der Mutationen durch Drift. u ist dabei die wieder die neutrale Mutationsrate. Die Formel hat eine schöne Herleitung auf die ich in späteren Posts zurückkommen werde, da dafür noch weitere Konzepte erklärt werden müssen.
Homozygotie beschreit den Zustand eines Locus (Genort) an dem nur eine Allel in der Population vorhanden ist. Dieser "Zustand" ist heute erkennbar indem man den betreffenden Locus für genügend Individuen der Population sequenziert, diese Technik war allerdings erst seit den achtziger Jahren verfügbar und auch bis in die neunziger für eine breite Anwendung noch zu teuer und arbeitsaufwändig.
Man hat nun bereits zu Kimuras Zeit festgestellt, dass diese Voraussagen über Homozygotität für anhand von Allozym -Polymorphismen gewonnenen Daten nicht immer mit der Realität übereinstimmen. Allozyme waren in der Zeit nach der Entwicklung der Populationsgenetik lange Zeit das einzige Werkzeug um Einblicke in die Genetik jenseits von morphologischen, diskreten Merkmalen, wie sie Mendel benutzt hatte, zu erlangen. Ich sollte ihnen einen eigenen Post widmen...
Für die meisten Daten wird aus historischen Gründen, die wir noch kennen lernen werden, eher die die Heterozygotie als die Homozygotie angegeben. Da jeder Lokus entweder im einen oder im anderen Zustand vorliegt, ist der Zusammenhang zwischen beiden Messwerten aber ein einfacher: Die Heterozygotie (H) ist 1- die Homozygotie. Deshalb ist die einfache Umformung von Formel [7]:
[8]
Im nächsten Post werde ich zunächst auf die nahezu neutrale Version der Theorie eingehen, dann sind die Grundlagen vorhanden um einige Veröffentlichungen -auch aktuelle- zu besprechen.
Wie ich bereits angedeutet habe hat die Theorie auch einen mathematisch etwas schwierigen Teil: Formel, die von Kimura aus Diffusionsgleichungen ableitete, da Mutationen ähnlich diesem physikalischen Prinzip in die Population "diffundieren". Für die durchschnittliche Zeit zwischen dem entstehen der Mutation und ihrer Fixierung konnte er 4Ne Generationen ermitteln.
Mutationen, die zum verschwinden verurteilt sind tun dies dagegen im Durchschnitt innerhalb von
[6]Generationen.
Mutationen die verloren gehen tun dies als in wesentlich kürzerer Zeit, als solche die fixiert werden.
Nehmen wir nen weiter ein Modell mit unendlich vielen verschiedenen möglichen Allelen an, gibt
[7]die erwartete Homozygotie unter Neutralität in einem Gleichgewichtszustand von Mutation und Verlust der Mutationen durch Drift. u ist dabei die wieder die neutrale Mutationsrate. Die Formel hat eine schöne Herleitung auf die ich in späteren Posts zurückkommen werde, da dafür noch weitere Konzepte erklärt werden müssen.
Homozygotie beschreit den Zustand eines Locus (Genort) an dem nur eine Allel in der Population vorhanden ist. Dieser "Zustand" ist heute erkennbar indem man den betreffenden Locus für genügend Individuen der Population sequenziert, diese Technik war allerdings erst seit den achtziger Jahren verfügbar und auch bis in die neunziger für eine breite Anwendung noch zu teuer und arbeitsaufwändig.
Man hat nun bereits zu Kimuras Zeit festgestellt, dass diese Voraussagen über Homozygotität für anhand von Allozym -Polymorphismen gewonnenen Daten nicht immer mit der Realität übereinstimmen. Allozyme waren in der Zeit nach der Entwicklung der Populationsgenetik lange Zeit das einzige Werkzeug um Einblicke in die Genetik jenseits von morphologischen, diskreten Merkmalen, wie sie Mendel benutzt hatte, zu erlangen. Ich sollte ihnen einen eigenen Post widmen...
Für die meisten Daten wird aus historischen Gründen, die wir noch kennen lernen werden, eher die die Heterozygotie als die Homozygotie angegeben. Da jeder Lokus entweder im einen oder im anderen Zustand vorliegt, ist der Zusammenhang zwischen beiden Messwerten aber ein einfacher: Die Heterozygotie (H) ist 1- die Homozygotie. Deshalb ist die einfache Umformung von Formel [7]:
[8]Im nächsten Post werde ich zunächst auf die nahezu neutrale Version der Theorie eingehen, dann sind die Grundlagen vorhanden um einige Veröffentlichungen -auch aktuelle- zu besprechen.
Samstag, 29. November 2008
Grundlagen: Effektive Populationsgröße
Wie wir im ersten Post über die neutrale Theorie gesehen haben spielt bei Zufallsprozessen, wie genetischem Drift (der zufälligen Fixierung bestimmter Allele) , die Populationsgröße eine Rolle. Wir haben für diesen ersten Teil dieser Theorie lediglich die aktuelle Populationsgroesse N betrachtet, diese kann man "einfach" durch "zählen" der betreffenden Individuen der Population bestimmen. Dies funktioniert leider nur auf Kosten mehrerer Voraussetzungen, wie gleichbleibender Populationsgröße und zufälliger Paarung.
Wollen wir unsere Modelle nun aber auf realistischere Systeme anwenden, brauchen wir das Konzept der effektiven Populationsgröße(Ne).
Viele Population haben beispielsweise eine ungleiche Anzahl sich fortpflanzender Männchen und Weibchen. Dies ist bei starker männlicher Konkurrenz um die Weibchen der Fall, wo sich in jeder Generation nur ein Bruchteil der Männchen fortpflanzen.
In diesem Fall ist
[3]
Wobei Nm die Anzahl der sich fortpflanzenden Männchen, Nf die Anzahl der sich fortpflanzenden Weibchen ist.
Spielt man etwas mit dieser Formel, wir beim Einsetzen von Werten sehr schnell deutlich, dass wenn Nm sehr viel größer als Nf der Wert für Ne eher in der Nähe des kleinen Wertes liegt. Dies macht Sinn, da durch die wenigen sich paarenden Männchen in jeder neuen Generation eine Art Flaschenhals ensteht: Die Hälfte der autosomal weitergegebenen Allele wird durch einen kleinen Bruchteil der Individuen weitergegeben.
Ähnliches gilt aus den gleichen Gründen, wenn sich einzelne Individuen -unabhängig vom Geschlecht- sehr unterschiedliche Nachkommenzahlen haben, dann ist
[4]
wobei Vk die Varianz in der Nachkommenzahl ist. Da bei gleichbleibender Populationsgröße (bisher immer noch eine Ausgangsannahme) durchschnittlich zwei Nachkommen pro Elternteil entstehen, ist die Nachkommenanzahl bei zufälliger Fortpflanzung Poisson-verteilt mit einem Mittelwert und einer Varianz von 2. Größere Varianzen lassen in obiger Formel Ne kleiner als N werden.
Doch was passiert wenn sich die Populationsgröße über die Zeit ändert? Ganz einfach
[5]
d.h. Ne ist das harmonische Mittel der Populationsgrößen in n Generationen.
Ähnliche Gleichungen für die effektiven Populationsgrößen kann man auch für andere Abweichungen wie überlappende Generationen finden. In der Regel ist dabei die effektiven Populationsgröße kleiner als die aktuelle Populationsgröße.
Ausgerüstet mit diesem Handwerkszeug können wir uns nun Problemen widmen, die weniger strenge Annahmen verlangen.
Wollen wir unsere Modelle nun aber auf realistischere Systeme anwenden, brauchen wir das Konzept der effektiven Populationsgröße(Ne).
Viele Population haben beispielsweise eine ungleiche Anzahl sich fortpflanzender Männchen und Weibchen. Dies ist bei starker männlicher Konkurrenz um die Weibchen der Fall, wo sich in jeder Generation nur ein Bruchteil der Männchen fortpflanzen.
In diesem Fall ist
[3]Wobei Nm die Anzahl der sich fortpflanzenden Männchen, Nf die Anzahl der sich fortpflanzenden Weibchen ist.
Spielt man etwas mit dieser Formel, wir beim Einsetzen von Werten sehr schnell deutlich, dass wenn Nm sehr viel größer als Nf der Wert für Ne eher in der Nähe des kleinen Wertes liegt. Dies macht Sinn, da durch die wenigen sich paarenden Männchen in jeder neuen Generation eine Art Flaschenhals ensteht: Die Hälfte der autosomal weitergegebenen Allele wird durch einen kleinen Bruchteil der Individuen weitergegeben.
Ähnliches gilt aus den gleichen Gründen, wenn sich einzelne Individuen -unabhängig vom Geschlecht- sehr unterschiedliche Nachkommenzahlen haben, dann ist
[4]wobei Vk die Varianz in der Nachkommenzahl ist. Da bei gleichbleibender Populationsgröße (bisher immer noch eine Ausgangsannahme) durchschnittlich zwei Nachkommen pro Elternteil entstehen, ist die Nachkommenanzahl bei zufälliger Fortpflanzung Poisson-verteilt mit einem Mittelwert und einer Varianz von 2. Größere Varianzen lassen in obiger Formel Ne kleiner als N werden.
Doch was passiert wenn sich die Populationsgröße über die Zeit ändert? Ganz einfach
[5]d.h. Ne ist das harmonische Mittel der Populationsgrößen in n Generationen.
Ähnliche Gleichungen für die effektiven Populationsgrößen kann man auch für andere Abweichungen wie überlappende Generationen finden. In der Regel ist dabei die effektiven Populationsgröße kleiner als die aktuelle Populationsgröße.
Ausgerüstet mit diesem Handwerkszeug können wir uns nun Problemen widmen, die weniger strenge Annahmen verlangen.
Dienstag, 25. November 2008
Populationsgenetik, Now!
Meine Serie
Dies ist ein Beitrag in einer Reihe von Posts zu Populations- und quantitativer Genetik. Es gibt im deutschsprachigen Raum meines Wissens kein Lehrbuch zu diesem Thema. Dies ist wohl eine der Folgen des zu niedrigen Stellenwertes der Evolutionsbiologie an deutschen Hochschulen, wie ihn auch der VBIO beklagt.
Eine anderer möglicher Grund für die fehlende "quantitative Tradition" in der deutschen Evolutionsbiologie ist vielleicht auch, dass der bekannteste deutschsprachige Vertreter dieser Disziplin, Ernst Mayr nicht mit mathematischen Modellen arbeitete.
Die Posts dieser Reihe werde ich hauptsächlich mit Hilfe der Bücher "Principles of population genetics" von Daniel L Hartl und Andrew G. Clark, "Quantitative genetics" von Douglas S. Falconer und Trudy F.C. Mackay schreiben. Außerdem habe ich in den letzten Monaten eine Vorlesung bei Brian Charlsworth und Peter Keightley besucht, die Skripte und Aufzeichnungen aus diesen werde ich ebenfalls konsultieren.
Trotzdem werden die Posts natürlich nur einen winzigen Einblick in das große Feld verschaffen und sicher auch Fehler enthalten.
Warum sollte man sich gerade jetzt mit Populationgenetik beschäftigen?
In einem interessanten Post auf dem Fischblog beschreibt Godwael den großen zu erwartenden Erkenntnisgewinn aus der Sequenzierung hunderter kompletter menschlicher Genome. Dabei ist mir aufgefallen, dass die theoretischen Grundlagen der Populationsgenetik im deutschsprachigen Raum wohl eher unbekannt sind.
Wie breiten sich Mutationen aus? Wie ausgeprägt sind die Einflüsse von Migration, Drift und Selektion? All diese Fragestellungen müssen nicht anhand der an kompletten Genomsequenzen gewonnenen Daten untersucht werden, sondern es existiert eine unglaubliche Fülle an Modellen, die das das Zusammenspiel dieser Faktoren testen. Natürlich ist nicht auszuschließen, dass auch neue Modele entwickelt werden müssen, das Gros der neu gewonnenen Daten passt aber zu den bestehenden Erklärungsansätzen.
Welchen Nutzen ziehen Evolutionsbiologen also aus den neu gewonnenen Genom-Daten?
Einer der Hauptnutzen besteht darin, dass sie die Suche nach den am besten passenden Modellen für bislang ununtersuchte Genombereiche erlauben. Evolviert ein Bereich des Genoms dann anders als man es unter einem bestimmten Modell erwarten würde, ist die Verwendung eines anderen Modells mit veränderten Ausgangs-Annahmen nötig. Hat man dann ein Modell gefunden das die Daten anhand der der sparsamsten Parameter (Occam's Razor) bestmöglich beschreibt generiert dies wiederum neue Hypothesen.
Beispielsweise könnte es notwendig werden über historisch noch unbekannte Migrationsbewegungen menschlicher Populationen nachzudenken oder Selektion auf einen Bereich des Genoms in Betracht zu ziehen der zuvor als neutral galt. Je nachdem was die Modelle nahelegen können so beispielsweise Hypothesen für Historiker, Zellbiologen oder Biochemiker generiert werden. Die Fähigkeit der entsprechenden Wissenschaftler diese Implikationen der Evolutionsbiologie für ihr Forschungsfeld zu verstehen wird in einigen Beriechen sicher Entdeckungen fördern. Es ist also für viele Wissenschaftler ratsam sich in nächster Zeit etwas mit theoretischer Evolutionsbiologie zu beschäftigen.
Dies ist ein Beitrag in einer Reihe von Posts zu Populations- und quantitativer Genetik. Es gibt im deutschsprachigen Raum meines Wissens kein Lehrbuch zu diesem Thema. Dies ist wohl eine der Folgen des zu niedrigen Stellenwertes der Evolutionsbiologie an deutschen Hochschulen, wie ihn auch der VBIO beklagt.
Eine anderer möglicher Grund für die fehlende "quantitative Tradition" in der deutschen Evolutionsbiologie ist vielleicht auch, dass der bekannteste deutschsprachige Vertreter dieser Disziplin, Ernst Mayr nicht mit mathematischen Modellen arbeitete.
Die Posts dieser Reihe werde ich hauptsächlich mit Hilfe der Bücher "Principles of population genetics" von Daniel L Hartl und Andrew G. Clark, "Quantitative genetics" von Douglas S. Falconer und Trudy F.C. Mackay schreiben. Außerdem habe ich in den letzten Monaten eine Vorlesung bei Brian Charlsworth und Peter Keightley besucht, die Skripte und Aufzeichnungen aus diesen werde ich ebenfalls konsultieren.
Trotzdem werden die Posts natürlich nur einen winzigen Einblick in das große Feld verschaffen und sicher auch Fehler enthalten.
Warum sollte man sich gerade jetzt mit Populationgenetik beschäftigen?
In einem interessanten Post auf dem Fischblog beschreibt Godwael den großen zu erwartenden Erkenntnisgewinn aus der Sequenzierung hunderter kompletter menschlicher Genome. Dabei ist mir aufgefallen, dass die theoretischen Grundlagen der Populationsgenetik im deutschsprachigen Raum wohl eher unbekannt sind.
Wie breiten sich Mutationen aus? Wie ausgeprägt sind die Einflüsse von Migration, Drift und Selektion? All diese Fragestellungen müssen nicht anhand der an kompletten Genomsequenzen gewonnenen Daten untersucht werden, sondern es existiert eine unglaubliche Fülle an Modellen, die das das Zusammenspiel dieser Faktoren testen. Natürlich ist nicht auszuschließen, dass auch neue Modele entwickelt werden müssen, das Gros der neu gewonnenen Daten passt aber zu den bestehenden Erklärungsansätzen.
Welchen Nutzen ziehen Evolutionsbiologen also aus den neu gewonnenen Genom-Daten?
Einer der Hauptnutzen besteht darin, dass sie die Suche nach den am besten passenden Modellen für bislang ununtersuchte Genombereiche erlauben. Evolviert ein Bereich des Genoms dann anders als man es unter einem bestimmten Modell erwarten würde, ist die Verwendung eines anderen Modells mit veränderten Ausgangs-Annahmen nötig. Hat man dann ein Modell gefunden das die Daten anhand der der sparsamsten Parameter (Occam's Razor) bestmöglich beschreibt generiert dies wiederum neue Hypothesen.
Beispielsweise könnte es notwendig werden über historisch noch unbekannte Migrationsbewegungen menschlicher Populationen nachzudenken oder Selektion auf einen Bereich des Genoms in Betracht zu ziehen der zuvor als neutral galt. Je nachdem was die Modelle nahelegen können so beispielsweise Hypothesen für Historiker, Zellbiologen oder Biochemiker generiert werden. Die Fähigkeit der entsprechenden Wissenschaftler diese Implikationen der Evolutionsbiologie für ihr Forschungsfeld zu verstehen wird in einigen Beriechen sicher Entdeckungen fördern. Es ist also für viele Wissenschaftler ratsam sich in nächster Zeit etwas mit theoretischer Evolutionsbiologie zu beschäftigen.
Seeigelsex Protokoll
Als Ergaenzung zu Argent23's Post "Seeigelsex" auf Holiday Junction poste ich hier das original Protokoll der Giglio-Exkursion von 2006. Es soll ja Leute geben, die ein Mikroskop ihr eigen nennen und unter dieser einen Vorraussetzungen ist das Ganze eine wirklich spannende Urlaubsbeschaeftigung. Vielleicht stolpert ja auch der eine oder andere Kursteilnehmer bei der Vorbereitung der Versuche ueber diese Posts... Viel Spass!
Larvalentwicklung der Echinodermata
1. Einleitung
Stachelhäuter sind getrenntgeschlechtlich und pflanzen sich fort, indem sie Samenzellen und Eier direkt ins Wasser freisetzen. Das Geschlechterverhältnis ist dadurch bei vielen Arten zugunsten der Männchen auf etwa Drei zu Eins verschoben. Die meisten Arten haben pelagische Larven, die sich von Plankton ernähren. Im Gegensatz zu ihren Eltern sind die Larven bilateralsymmetrisch. Erst wenn sie sich auf dem Boden niederlassen verändert sich ihr Körper und zeigt die typische Radiärsymmetrie. In der Entwicklung der Larven wird außerdem der Urmund zum späteren After, und ein sekundärer Mund bildet sich, was die Echinodermata als Deuterostomier ausweist.
Seeigelembryonen werden daher, und weil sie leicht zugänglich und durchsichtig sind als Modellsystem für Entwicklungsvorgänge benutzt.
2.Gewinnung der Gameten
Wir benutzten für unseren Versuch den Schwarzen Seeigel, Arbacia lixula, der im Mittelmeerraum und so auch auf Giglio an allen Felsküsten häufig vorkommt.
Da die Tiere sehr empfindlich auf Kontakt mit der Luft reagieren, wurde einmal sofort am Strand versucht Eizellen und Sperma zu gewinnen, ein zweites Mal wurden andere Tiere erst im Labor der Prozedur unterzogen. Die Tiere wurden mit der Oralseite nach oben in ein Becherglas, gefüllt mit sterilfiltriertem Meerwasser, gesetzt. Zum Sterilfiltrieren hatten wir das Meerwasser mit einer Spritze und einem geeigneten Aufsatz durch einen Filter mit einer Maschenweite von 0,2μm gepresst.
Den Seeigeln wurde nun etwa 2ml Kaliumchlorid mit einer Injektionsspritze durch die Mundöffnung in die Leibeshöhle injiziert, was eine Depolarisation und ein Ausstoßen der Gameten bewirken sollte.
Dazu verwendeten wir am Strand versehentlich 30%iges (circa 5M) im Labor später 0,5 molares KCl. Trotzdem kam es bei beiden Ansätzen zu einem Ausstoßen von Gameten, wobei nicht alle Tiere wie gewünscht reagierten. Es zeigte sich dass eine schräge Injektion tief ins innere des Tieres die größte
Erfolgswahrscheinlichkeit mit sich bringt. Dies könnte daher rühren, dass so das Kaliumchlorid direkt in die Gonade seitlich unter der Apikalseite gespritzt wurde.
Folgende Tabellen zeigen die Anzahl männlicher und weiblicher Tiere, die Keimzellen ausstießen. Die Zahl in der Spalte BG gibt an wie viele Tiere weder Spermien noch Eizellen abgaben.
Strand
BG---männlich---weiblich
6------------3---------------2
Labor
BG---männlich---weiblich
4------------4---------------2
Durch die hohe Anzahl von Tieren unbestimmten Geschlechts macht eine Statistik der Geschlechterverteilung keinen Sinn. Die Gameten wurden mit einer Pipette vom Boden der Bechergläser entnommen und getrennt, gekühlt aufbewahrt.
Entwicklung der Embryonen
Wir gaben nun in zwei Petrischalen die am Strand erhaltenen Spermien zu den dort gewonnenen Eizellen und stellten eine der beiden Schalen kühl.
Ebenso verfuhren wir mit den erst im Labor erhaltenen Geschlechtszellen.
Nach der Befruchtung der bereits polar gebauten Eizelle(Polkörperchen am animalen Pol) wurde ein Eindringen weiterer Spermien durch eine Veränderung der Plasmamembran zur Befruchtungsmembran, die nun so genannte Corticalgranula als äußere Schutzschicht enthält, verhindert. Diese Befruchtungsmembran war bei allen Versuchsansätzen als dünner Kranz um die Zygote zu erkennen.
Auch die ersten beiden Furchungen, die das Ei entlang der animal-vegetativen Achse teilen konnten wir bei den bei Zimmertemperatur gelagerten Ansätzen nach ca.20 und 40 Minuten erkennen. Die im Kühlschrank gelagerten Embryonen erreichten nach etwa 20 Stunden dieses Stadium.
Nach etwa zwei Stunden hatten die Zimmertemperatur-Ansätze das 16-Zell-Stadium erreicht. Dieses entsteht nach der vierten inäqual verlaufenden Furchung und zeigt am vegetativen Pol vier kleine Mikromeren.
Nach etwa 5 Stunden befanden sich in den beiden bei Zimmertemperatur gelagerten Ansätzen bereits Blastulae. Auch die gekühlten Ansätze erreichten dieses Stadium, allerdings erst nach fünf Tagen.
Die darauf folgenden Stadien, zwischen Blastula und Larve, entwickelten sich über Nacht und konnten daher leider nicht dokumentiert werden.
Bei Beginn der Gastrulation wanderten vom vegetativen Pol etwa 40 primäre
Mesenchymzellen in das innere der Blastula. Dort stülpte sich der Darm ein, der dann mit dem Mund, der sich von der gegenüberliegenden Seite eingestülpt hatte, verschmolz.
Nach etwa 48 Stunden konnten wir im Ansatz, mit den am Strand gewonnenen
Gameten, der bei Zimmertemperatur gelagert wurde, Pluteuslarven entdecken.
Die Embryonen des im Labor gewonnenen Ansatzes waren von Pilzsporen oder
anderen Verunreinigungen zerstört. Auch die beiden im Kühlschrank gelagerten Ansätze starben nach fünf Tagen im Blastulastadium ab.
Wahrscheinlich war nur beim ersten Sterilfiltrieren des Meerwassers unser Filteraufsatz richtig dicht.
In unserem ersten Ansatz konnten wir nach drei Tagen sogar die beginnende
Metamorphose zum radiärsymmetrischen Tier beobachten. Es hatte sich am Boden der Petrischale mit einem radiärsymmetrischen Auswuchs angeheftet.
Larvalentwicklung der Echinodermata
1. Einleitung
Stachelhäuter sind getrenntgeschlechtlich und pflanzen sich fort, indem sie Samenzellen und Eier direkt ins Wasser freisetzen. Das Geschlechterverhältnis ist dadurch bei vielen Arten zugunsten der Männchen auf etwa Drei zu Eins verschoben. Die meisten Arten haben pelagische Larven, die sich von Plankton ernähren. Im Gegensatz zu ihren Eltern sind die Larven bilateralsymmetrisch. Erst wenn sie sich auf dem Boden niederlassen verändert sich ihr Körper und zeigt die typische Radiärsymmetrie. In der Entwicklung der Larven wird außerdem der Urmund zum späteren After, und ein sekundärer Mund bildet sich, was die Echinodermata als Deuterostomier ausweist.
Seeigelembryonen werden daher, und weil sie leicht zugänglich und durchsichtig sind als Modellsystem für Entwicklungsvorgänge benutzt.
2.Gewinnung der Gameten
Wir benutzten für unseren Versuch den Schwarzen Seeigel, Arbacia lixula, der im Mittelmeerraum und so auch auf Giglio an allen Felsküsten häufig vorkommt.
Da die Tiere sehr empfindlich auf Kontakt mit der Luft reagieren, wurde einmal sofort am Strand versucht Eizellen und Sperma zu gewinnen, ein zweites Mal wurden andere Tiere erst im Labor der Prozedur unterzogen. Die Tiere wurden mit der Oralseite nach oben in ein Becherglas, gefüllt mit sterilfiltriertem Meerwasser, gesetzt. Zum Sterilfiltrieren hatten wir das Meerwasser mit einer Spritze und einem geeigneten Aufsatz durch einen Filter mit einer Maschenweite von 0,2μm gepresst.
Den Seeigeln wurde nun etwa 2ml Kaliumchlorid mit einer Injektionsspritze durch die Mundöffnung in die Leibeshöhle injiziert, was eine Depolarisation und ein Ausstoßen der Gameten bewirken sollte.
Dazu verwendeten wir am Strand versehentlich 30%iges (circa 5M) im Labor später 0,5 molares KCl. Trotzdem kam es bei beiden Ansätzen zu einem Ausstoßen von Gameten, wobei nicht alle Tiere wie gewünscht reagierten. Es zeigte sich dass eine schräge Injektion tief ins innere des Tieres die größte
Erfolgswahrscheinlichkeit mit sich bringt. Dies könnte daher rühren, dass so das Kaliumchlorid direkt in die Gonade seitlich unter der Apikalseite gespritzt wurde.
Folgende Tabellen zeigen die Anzahl männlicher und weiblicher Tiere, die Keimzellen ausstießen. Die Zahl in der Spalte BG gibt an wie viele Tiere weder Spermien noch Eizellen abgaben.
Strand
BG---männlich---weiblich
6------------3---------------2
Labor
BG---männlich---weiblich
4------------4---------------2
Durch die hohe Anzahl von Tieren unbestimmten Geschlechts macht eine Statistik der Geschlechterverteilung keinen Sinn. Die Gameten wurden mit einer Pipette vom Boden der Bechergläser entnommen und getrennt, gekühlt aufbewahrt.
Entwicklung der Embryonen
Wir gaben nun in zwei Petrischalen die am Strand erhaltenen Spermien zu den dort gewonnenen Eizellen und stellten eine der beiden Schalen kühl.
Ebenso verfuhren wir mit den erst im Labor erhaltenen Geschlechtszellen.
Nach der Befruchtung der bereits polar gebauten Eizelle(Polkörperchen am animalen Pol) wurde ein Eindringen weiterer Spermien durch eine Veränderung der Plasmamembran zur Befruchtungsmembran, die nun so genannte Corticalgranula als äußere Schutzschicht enthält, verhindert. Diese Befruchtungsmembran war bei allen Versuchsansätzen als dünner Kranz um die Zygote zu erkennen.
Auch die ersten beiden Furchungen, die das Ei entlang der animal-vegetativen Achse teilen konnten wir bei den bei Zimmertemperatur gelagerten Ansätzen nach ca.20 und 40 Minuten erkennen. Die im Kühlschrank gelagerten Embryonen erreichten nach etwa 20 Stunden dieses Stadium.
Nach etwa zwei Stunden hatten die Zimmertemperatur-Ansätze das 16-Zell-Stadium erreicht. Dieses entsteht nach der vierten inäqual verlaufenden Furchung und zeigt am vegetativen Pol vier kleine Mikromeren.
Nach etwa 5 Stunden befanden sich in den beiden bei Zimmertemperatur gelagerten Ansätzen bereits Blastulae. Auch die gekühlten Ansätze erreichten dieses Stadium, allerdings erst nach fünf Tagen.
Die darauf folgenden Stadien, zwischen Blastula und Larve, entwickelten sich über Nacht und konnten daher leider nicht dokumentiert werden.
Bei Beginn der Gastrulation wanderten vom vegetativen Pol etwa 40 primäre
Mesenchymzellen in das innere der Blastula. Dort stülpte sich der Darm ein, der dann mit dem Mund, der sich von der gegenüberliegenden Seite eingestülpt hatte, verschmolz.
Nach etwa 48 Stunden konnten wir im Ansatz, mit den am Strand gewonnenen
Gameten, der bei Zimmertemperatur gelagert wurde, Pluteuslarven entdecken.
Die Embryonen des im Labor gewonnenen Ansatzes waren von Pilzsporen oder
anderen Verunreinigungen zerstört. Auch die beiden im Kühlschrank gelagerten Ansätze starben nach fünf Tagen im Blastulastadium ab.
Wahrscheinlich war nur beim ersten Sterilfiltrieren des Meerwassers unser Filteraufsatz richtig dicht.
In unserem ersten Ansatz konnten wir nach drei Tagen sogar die beginnende
Metamorphose zum radiärsymmetrischen Tier beobachten. Es hatte sich am Boden der Petrischale mit einem radiärsymmetrischen Auswuchs angeheftet.
Donnerstag, 20. November 2008
Statistik ist mehr als die drei Tests, und was ich im Moment so mache.
Der Hauptgrund warum hier nichts los ist hat nur einen Buchstaben: R.
Während meiner Diplomarbeit habe ich neben meinem Interesse an Genomik auch einen Hang zu quantitativem Arbeiten entwickelt. Genauer gesagt sollte ich damals die Darmwand "meines [1]" Wurms elektronenmikroskopisch untersuchen und verschiedene Parameter dieses Epithels aus verschiedenen "experimentellen Gruppen" vergleichen(d vermessen). Ich habe mir daraufhin ein Programm beschafft mit dem ich die digitalisierten Bilder vermessen konnte und habe so eine riesigen Datensatz generiert.
Die Analyse in SPSS gestaltete sich dann folgendermaßen:
Alles was nach den erste beiden Pfeilen steht ist dabei was die Vorgehensweise bei der Datenauswertung betrifft bestenfalls nicht besonders elegant [2]. Effekte aller Variablen habe ich nacheinander in willkürlicher Weise auseinander "seziert".
Die korrekte Vorgehensweise wäre ein statistisches Modell auf die Daten anzupassen. Dabei würden dann schrittweise von einem Maximalmodell ausgehend nicht signifikante Variablen ausgeschlossen.
Einer der vielen Vorteile von R ist nun, dass es die Datenanalyse geradezu in Richtung einer solchen Modellierung lenkt.
Der Datensatz meiner Diplomarbeit ist für meine derzeitigen Fähigkeiten trotzdem noch etwas zu kompliziert. Ich beschäftige mich hauptsächlich mit Infektionsdaten, die ich Anfang des Jahres in Taiwan gesammelt habe. Es geht darum den Zusammenhang von Kapseln in der Darm- und Schwimmblasenwand mit der Infektion zu testen (die Kapseln sind tote Larven!).
Neben meiner statistischen Modellierung amplifizieren und sequenzieren wir ("mein" Diplomand Dominik) im Moment aus den Kapseln einige Gene für die wir sehr Nematoden-spezifische Primer haben.
[1] Sobald "mein" Transkriptom online ist lass ich die Anführungszeichen weg ;-)
[2] Ich wurde gerade dafür trotzdem von den Gutachtern meiner Arbeit gelobt. Das Hauptproblem an diesem Datensatz ist auch wirklich die pseudo-Replikation, darum die vielen Mittelwerte.
Während meiner Diplomarbeit habe ich neben meinem Interesse an Genomik auch einen Hang zu quantitativem Arbeiten entwickelt. Genauer gesagt sollte ich damals die Darmwand "meines [1]" Wurms elektronenmikroskopisch untersuchen und verschiedene Parameter dieses Epithels aus verschiedenen "experimentellen Gruppen" vergleichen(d vermessen). Ich habe mir daraufhin ein Programm beschafft mit dem ich die digitalisierten Bilder vermessen konnte und habe so eine riesigen Datensatz generiert.
Die Analyse in SPSS gestaltete sich dann folgendermaßen:
Alles was nach den erste beiden Pfeilen steht ist dabei was die Vorgehensweise bei der Datenauswertung betrifft bestenfalls nicht besonders elegant [2]. Effekte aller Variablen habe ich nacheinander in willkürlicher Weise auseinander "seziert".
Die korrekte Vorgehensweise wäre ein statistisches Modell auf die Daten anzupassen. Dabei würden dann schrittweise von einem Maximalmodell ausgehend nicht signifikante Variablen ausgeschlossen.
Einer der vielen Vorteile von R ist nun, dass es die Datenanalyse geradezu in Richtung einer solchen Modellierung lenkt.
Der Datensatz meiner Diplomarbeit ist für meine derzeitigen Fähigkeiten trotzdem noch etwas zu kompliziert. Ich beschäftige mich hauptsächlich mit Infektionsdaten, die ich Anfang des Jahres in Taiwan gesammelt habe. Es geht darum den Zusammenhang von Kapseln in der Darm- und Schwimmblasenwand mit der Infektion zu testen (die Kapseln sind tote Larven!).
Neben meiner statistischen Modellierung amplifizieren und sequenzieren wir ("mein" Diplomand Dominik) im Moment aus den Kapseln einige Gene für die wir sehr Nematoden-spezifische Primer haben.
[1] Sobald "mein" Transkriptom online ist lass ich die Anführungszeichen weg ;-)
[2] Ich wurde gerade dafür trotzdem von den Gutachtern meiner Arbeit gelobt. Das Hauptproblem an diesem Datensatz ist auch wirklich die pseudo-Replikation, darum die vielen Mittelwerte.
Samstag, 8. November 2008
Das Volk hat gesprochen!
Ich beuge mich einer eindeutigen 2/3 Mehrheit und werde weiterhin auf Deutsch, Englisch und Denglisch bloggen! Sobald ich wieder dazu komme...
Mittwoch, 29. Oktober 2008
Promoting Science-Blogging!
Ich werde Ende Februar am "VW Foundation Evolutionary Biology Status Symposium" in Muenster teilnehmen.
Es gibt die Moeglichkeit Diskussionsgruppen (auch ausserhalb streng wissenschaftlicher Themenbereiche) vorzuschlagen, als habe ich eben an die Organisatoren geschrieben:
Mal gespannt wie der Vorschlag ankommt. Das ganze boete natuerlich die Moeglichkeit zu schamloser Eigenwerbung...
Es gibt die Moeglichkeit Diskussionsgruppen (auch ausserhalb streng wissenschaftlicher Themenbereiche) vorzuschlagen, als habe ich eben an die Organisatoren geschrieben:
I have registered for the symposium a few days ago. I just had an idea for a discussion group.
"Science 2.0: Blogging as a new way of science communication"All the best,
- A blog as a medium to publish your thoughts and for scientific discussion
- Examples of the English speaking science-blogging community
- Future directions, interaction with classical ways of science communication and publishing
Emanuel
Mal gespannt wie der Vorschlag ankommt. Das ganze boete natuerlich die Moeglichkeit zu schamloser Eigenwerbung...
Dienstag, 7. Oktober 2008
The Brian Charlsworth quote of the week
Ich bin sehr froh hier in Edinburgh Vorlesungen eines der bedeutendsten lebenden Evolutionsbiologen hören zu können. Und da der gute Mann immer für einen Lacher gut ist möchte ich hier jede Woche ein Zitat präsentieren. Für letzte Woche:
Die Woche davor war der beste Satz:
"Protein-biochemists don't understand proteins"Gemeint war, dass Proteinchemiker nicht verstehen, wie (dass) Selektionsdrücke auch auf scheinbar "gleichartige" (z.B. basische AS-> basische AS) Änderungen der Aminosäuresequenz wirken können. Das Zitat gefällt mir besonders, da man an meiner Heimatuni Karlsruhe fast nur von solchen umgeben ist.
Die Woche davor war der beste Satz:
"Zoologists are generally even more stupid than geneticists"Dieser Ausspuch gehörte in den Zusammenhang, dass viele Zoologen bis Mitte des letzten Jahrhunderts noch an der Vereerbung erworbener Merkmale und an "blending inheritance" festhielten.
Samstag, 27. September 2008
The Tuesday Nematode
Mit Gnathostoma spinigerum präsentiere ich heute zum ersten Mal in der "weekly Nematode"-Serie (ich sollte die Serie vielleicht mit etwas understatement in "The annual Nematode" umbenennen) einen spirurinen Nematoden. Spiruina bildet eine Schwestergruppe der Tylenchina (die beiden letzen Nematoden der Woche) und Rhabditina (meist freilebend; z.B. C. elegans). Diese Klade (Spirurina wird häufig auch einfach "Clade 3" genannt) wude erstmals 1998 entdeckt und umfasst die beiden früher auf Ordnungs-Ebene geführten Kladen Spirurida in Ascaridida.
Besonders interessant ist die Gattung Gnathostoma tatsächlich durch ihre phylogenetische Position. Da ich zurzeizeit Hilfe von einem Diplomanden habe, der sich um die Phylogeny der Gattung Anguillicola und um eine bessere Auflösung des Baums für die basalen Spirurina kümmern soll, gibt es hier eine Neuheit- einen Gastpost "meines" Diplomanden Dominik Laetsch:
Grund für unser Interesse an der Gattung Gnathostoma ist also -wie gesagt- zum einen die geringe phylogenetische Distanz der SSU-rDNA-Sequenz dieses Nematoden zu jener unseres "Lieblings-Wurms" Anguillicola crassus und die Tatsache, dass die Familien Gnathostomatidae und Aguillicolidae aufgrund jener Daten den basalen Zweig der Spirurina darzustellen scheinen [1], [2]. Bestimmte Vertreter der Gattung Gnathostoma werden uns daher auch als "Out-group" in der phylogenetischen Analyse des Genus Anguillicola dienen (was das Thema meiner Diplomarbeit darstellt).
Der Genus Gnathostoma gliedert sich in ca. 9 mehr oder weniger gut von einander abgegrenzten Arten, welche wie alle Spirurina parasitisch leben. Davon sind mindestens drei als humanpathogene Arten beschrieben: G. turgidum, G. doloresi und G. spinigerum. Der Lebenszyklus von G. spinigerum ist bekannt und umfasst die Entwicklung der L1-Larve zum, für den Endwirt infektiösen, dritten Larvenstadium in zwei aquatischen Zwischenwirten (Copepoden des Genus Cyclops bzw. Fische/ Amphibia/ Mollusca) und die anschliessende Entwicklung zum Adultus im Endwirt (Mammalia; oft Feliden, Caniden und Suiden). Paratenische Wirte stellen vor allem Fische und Vögel dar. Im Endwirt durchbohrt G. spinigerum nach der oralen Aufnahme infizierten Gewebes die Magenwand und bereist als Larva migrans für die nächsten 3 Monate dessen Gewebe und innere Organ bis er zurückkehrt und sich an die mucosale Magenwand heftet. Dort entwickelt er sich für weitere 6 Monate bis er beginnt unembryonierter Eier zu produzieren, welche durch mit dem Kot ausgeschieden werden. Im Wasser embryonieren diese Eier, und mit der Azfnahme durch den ersten Zwischenwirt ist der Kreislauf geschlossen.
Das klinische Bild wird unter dem Begriff Gnathostomiasis [3] zusammengefasst und kann sowohl bei Feliden, Caniden als auch Hominiden letal verlaufen. Erstmals beschrieben wurde dieses Krankheitsbild 1835 anhand eines Kadavers eines jungen Tigers des Londoner Zoos. In Menschen entwickelt sich G. spinigerum nicht zum Adultus sondern migriert durch das Körpergewebe für bis zu 10- 12 Jahre, wobei zwischen kutaner und viszeraler Larva migrans unterschieden wird. Ersteres beschreibt nur Hautexzesse, bedingt durch mechanische Zerstörung des Gewebes und Produktion von Proteasen, Hyaluronidasen und Hemolysin durch den Parasiten, sowie durch die Immunreaktion des Wirtes. Letzteres umfasst die selben Faktoren jedoch in Organen wie der Leber und dem ZNS. Diese Scäden führen zu einer Mortalität von 8-25 % der betrofenen Patienten. Desweiteren gibt es drei dokumentierte Fälle von intrauteriner Transmission.
Bis auf Thailand, wo sie die häufigste parasitäre Erkrankung des ZNS darstellt, ist sie jedoch selbst in ihren endemischen Gebieten (Japan, Korea, Laos, Malaysia, Taiwan, Thailand, Mexico, Ecuador) relativ selten.
FAZIT: ein gewiefter Parasit der nur mittels serologischem Test und Biopsien nachgewiesen werden kann. Vorsicht ist geboten bei "zu frischem" Fisch, dreckigem Wasser (Copepoden) und nicht garem Geflügel.
References:
[1] S. A. NADLER, R. A. CARRENO, H. MEJÍA-MADRID, J. ULLBERG, C. PAGAN, R. HOUSTON and J.-P. HUGOT (2007). Molecular phylogeny of clade III nematodes reveals multiple origins of tissue parasitism. Parasitology, 134 , pp 1421-1442
doi:10.1017/S0031182007002880
[2] Martina Wijova, Frantisek Moravec, Ales Horak, Julius Lukes, Evolutionary relationships of Spirurina (Nematoda: Chromadorea: Rhabditida) with special emphasis on dracunculoid nematodes inferred from SSU rRNA gene sequences, International Journal for Parasitology Volume 36, Issue 9, , August 2006, Pages 1067-1075.
doi:10.1017/S0031182007002880
[3] Moore DAJ, McCrodden J, DeKumyoy P, Chiodini PL. Gnathostomiasis: an emerging imported disease. Emerg Infect Dis [serial online] 2003 Jun
Besonders interessant ist die Gattung Gnathostoma tatsächlich durch ihre phylogenetische Position. Da ich zurzeizeit Hilfe von einem Diplomanden habe, der sich um die Phylogeny der Gattung Anguillicola und um eine bessere Auflösung des Baums für die basalen Spirurina kümmern soll, gibt es hier eine Neuheit- einen Gastpost "meines" Diplomanden Dominik Laetsch:
Grund für unser Interesse an der Gattung Gnathostoma ist also -wie gesagt- zum einen die geringe phylogenetische Distanz der SSU-rDNA-Sequenz dieses Nematoden zu jener unseres "Lieblings-Wurms" Anguillicola crassus und die Tatsache, dass die Familien Gnathostomatidae und Aguillicolidae aufgrund jener Daten den basalen Zweig der Spirurina darzustellen scheinen [1], [2]. Bestimmte Vertreter der Gattung Gnathostoma werden uns daher auch als "Out-group" in der phylogenetischen Analyse des Genus Anguillicola dienen (was das Thema meiner Diplomarbeit darstellt).
Der Genus Gnathostoma gliedert sich in ca. 9 mehr oder weniger gut von einander abgegrenzten Arten, welche wie alle Spirurina parasitisch leben. Davon sind mindestens drei als humanpathogene Arten beschrieben: G. turgidum, G. doloresi und G. spinigerum. Der Lebenszyklus von G. spinigerum ist bekannt und umfasst die Entwicklung der L1-Larve zum, für den Endwirt infektiösen, dritten Larvenstadium in zwei aquatischen Zwischenwirten (Copepoden des Genus Cyclops bzw. Fische/ Amphibia/ Mollusca) und die anschliessende Entwicklung zum Adultus im Endwirt (Mammalia; oft Feliden, Caniden und Suiden). Paratenische Wirte stellen vor allem Fische und Vögel dar. Im Endwirt durchbohrt G. spinigerum nach der oralen Aufnahme infizierten Gewebes die Magenwand und bereist als Larva migrans für die nächsten 3 Monate dessen Gewebe und innere Organ bis er zurückkehrt und sich an die mucosale Magenwand heftet. Dort entwickelt er sich für weitere 6 Monate bis er beginnt unembryonierter Eier zu produzieren, welche durch mit dem Kot ausgeschieden werden. Im Wasser embryonieren diese Eier, und mit der Azfnahme durch den ersten Zwischenwirt ist der Kreislauf geschlossen.
Das klinische Bild wird unter dem Begriff Gnathostomiasis [3] zusammengefasst und kann sowohl bei Feliden, Caniden als auch Hominiden letal verlaufen. Erstmals beschrieben wurde dieses Krankheitsbild 1835 anhand eines Kadavers eines jungen Tigers des Londoner Zoos. In Menschen entwickelt sich G. spinigerum nicht zum Adultus sondern migriert durch das Körpergewebe für bis zu 10- 12 Jahre, wobei zwischen kutaner und viszeraler Larva migrans unterschieden wird. Ersteres beschreibt nur Hautexzesse, bedingt durch mechanische Zerstörung des Gewebes und Produktion von Proteasen, Hyaluronidasen und Hemolysin durch den Parasiten, sowie durch die Immunreaktion des Wirtes. Letzteres umfasst die selben Faktoren jedoch in Organen wie der Leber und dem ZNS. Diese Scäden führen zu einer Mortalität von 8-25 % der betrofenen Patienten. Desweiteren gibt es drei dokumentierte Fälle von intrauteriner Transmission.
Bis auf Thailand, wo sie die häufigste parasitäre Erkrankung des ZNS darstellt, ist sie jedoch selbst in ihren endemischen Gebieten (Japan, Korea, Laos, Malaysia, Taiwan, Thailand, Mexico, Ecuador) relativ selten.
FAZIT: ein gewiefter Parasit der nur mittels serologischem Test und Biopsien nachgewiesen werden kann. Vorsicht ist geboten bei "zu frischem" Fisch, dreckigem Wasser (Copepoden) und nicht garem Geflügel.
References:
[1] S. A. NADLER, R. A. CARRENO, H. MEJÍA-MADRID, J. ULLBERG, C. PAGAN, R. HOUSTON and J.-P. HUGOT (2007). Molecular phylogeny of clade III nematodes reveals multiple origins of tissue parasitism. Parasitology, 134 , pp 1421-1442
doi:10.1017/S0031182007002880
[2] Martina Wijova, Frantisek Moravec, Ales Horak, Julius Lukes, Evolutionary relationships of Spirurina (Nematoda: Chromadorea: Rhabditida) with special emphasis on dracunculoid nematodes inferred from SSU rRNA gene sequences, International Journal for Parasitology Volume 36, Issue 9, , August 2006, Pages 1067-1075.
doi:10.1017/S0031182007002880
[3] Moore DAJ, McCrodden J, DeKumyoy P, Chiodini PL. Gnathostomiasis: an emerging imported disease. Emerg Infect Dis [serial online] 2003 Jun
Vergleichende Entwicklungsgenomik- Zwei Paper und massig Fehlinterpretationen
In diesem Post möchte ich anhand zweier Papern diskutieren, was Evo-Devo im allgemeinen ist und eine Unterdisziplin, die man im Deutschen wohl am besten "Vergleichende Entwicklungsgenomik" nennt, vorstellen. Außerdem möchte ich zeigen, warum Arbeiten auf diesem Gebiet für unser Verständnis der Evolutionstheorie wichtig sind. Zum Schluss möchte ich noch einen verwandten Beitrag auf dem deutschen Researchblogging kritisieren und zeigen warum dieser Fehlinterpretationen und schlichte Fehlinformation enthält.Evo-Devo (Evolutionary developmental biology) lässt sich am besten mit "Evolutionäre Entwicklungsbiologie" ins Deutsche übersetzen. Der Forschungszweig basiert darauf, dass natürliche Selektion oft nicht unmittelbar auf den Genotyp eines Individuums wirken kann, sondern auf den Phänotyp. Dieser Phänotyp wird durch ein komplexes genetisches Programm bei der Entwicklung des Organismus produziert. Bei einem solchen Entwicklungsprogramm sind die Mengen an Proteinen oder RNAs entscheidend; so können gewisse Schwellenwerte dieser Moleküle Zellschicksale beeinflussen und den Phänotyp bestimmen.
Eines der grundsätzlichsten Dogmen von Evo-Devo ist daher, dass Unterschiede in der Genexpression während der Entwicklung für unterschiedliche Phänotypen verantwortlich sind. Diese Expressionsunterschiede wiederum werden durch Unterschiede in nicht kodierenden, den Genen vorgelagerten (cis-)regulatorischen Sequenzen (hauptsächlich Promotoren und Enhancer) oder in den Protein-Sequenzen von übergeordneten Transkriptionsfaktoren verursacht (oder wiederum in der Expression dieser Transkriptionsfaktoren).
Evo-Devo will daher in die bisweilen postulierte Lücke zwischen Macro- und Microevolution vorstoßen. Gerade Experten auf dem Gebiet der Entwicklungsbiologie räumen mitunter die Möglichkeiten saltatorischer Evolution ein. Das heißt, sie halten Makromutationen für möglich, die in einem einzigen Mutationsschritt starke Änderungen des Phänotyps (sogenannte "Hopeful Monster") produzieren. Dies soll hauptsächlich durch Änderungen an wichtigen "Schaltstellen"-Transkriptinsfaktoren in den Entwicklungsprogrammen geschehen. Diese Sichtweise wird von der Mehrzahl der Evolutionsbiologen -bis auf Darwin selbst zurückgehend- abgelehnt. Die konventionelle Theorie besagt, dass Veränderungen durch graduelle Mutationen erfolgen, die sich über Generationen akkumulieren. Einzelne Wissenschaftler auf dem Gebiet der evolutionären Entwicklungsbiologie versuchen also mitunter Modifikationen an den bestehenden Fundamenten der Evolutionsbiolgie zu erreichen, was auf heftige Kritik (auch aus den eigenen Reihen) stößt. Wahrscheinlich ist Evo-Devo daher eines der lebendigsten Forschungsgebiete in der aktuellen Biologie.
Die von mir im Folgenden besprochenen Studie untersuchen beide dieses zentrale Dogma von Evo-Devo genauer und lassen meines Erachtens auch Schlüsse zur genannten Kontroverse zu.
Cretekos et al. benutzen dazu die Unterschiede im Wachstum der Vorderextremitäten zwischen Carollia perspicillata (einer Fledermaus) und der Maus. Beide Taxa stammen aus unterschiedlichen Ordnungen der Säugetiere Chiroptera (=Fledertiere) beziehungsweise Rodentia (=Nagetiere), teilen also einen gemeinsamen Vorfahren vor etwa 80-100 Millionen Jahren.
Die Studie betrachtet Veränderungen in Prx1, einem Transkriptionsfaktor, der durch klassische entwicklungsbiologische Methoden als wichtig in der Extremitätenentwicklung identifiziert wurde. Die Kollegen stellten beim Verglich der Gen-Sequenzen aus Maus und Fledermaus nur einen nicht-synonymen (in das Protein übersetzten)Unterscheid fest. Dieser Unterschied befindet sich in einem Bereich des Genes, der ohnehin wenig konserviert ist, und nicht mit der typischen Funktion des Traskriptionsfaktors in Verbindung gebracht wird.
Unterschiede in der Expression von Prx1 konnten in der späten Entwicklung der Vorderextremitäten festgestellt werden, in der Fledermaus war der Transkriptionsfaktor speziell im Bereich der Handwurzelknochen stärker exprimiert. Dieses Ergebnis korreliert gut mit dem zu diesem Zeitpunkt verstärkt auftretenden Längenwachstum in der Fledermaus.
Cretekos et al. betrachteten weiterhin also einen Enhancer "stromaufwärts" des Gens, der ebenfalls mit klassischen Methoden identifiziert worden war. Dieser Enhancer enthält zwei Bereiche die zwischen Nager und Fledertier relativ konserviert sind, in diesen wurde dann die Funktion vermutet. Um dies zu testen konnte die Gruppe die jeweilige Enhancer-Region an ein Reportegen koppeln und in Mäuse einbringen, dabei wurde stärkere Reporter-expression beim Chiroptera-Enhancer beobachtet.
Doch damit nicht genug, der Gruppe gelang es schließlich das Fledermaus-Kontrollelement in die Maus einzubringen, so dass es die Expression des Prx1-Gens steuert. Die entsprechenden Mäuse zeigten tatsächlich ein verstärktes Wachstum der Vorderextremitäten.
Die Studie konnte so eindrucksvoll das zentrale Dogma der evolutionären Entwicklungsbiologie bestätigen und weiterhin zeigen, dass die zugrunde liegenden Veränderungen im untersuchten Fall auf Enhancer-Elementen basieren.
Auch die Studie von Prabhakar et al. beschäftigt sich mit der Funktion von Enhancern, die betreffende genomische Region war aber mit anderen Mitteln identifiziert worden. Dabei wurden komplett sequenzierten Genome von Wirbeltieren nach konservierten, nichtkodierenden Sequenzen durchsucht. Aus diesen Sequenze wurden wiederum jene identifiziert, die in der Menschlichen Linie (entgegen des allgemeinen Trends) evolvieren. Diese Vorgehen basiert auf der Tatsache, dass Elemente mit einer bestimmten Funktion weniger evolvieren als funktionslose Elemente, ändern sie allerdings ihre Funktion erfolgt die Evolution sogar schneller als dies unter Neutralität (Funktionslosigkeit) der Fall wären. Die identifizierte Region liegt im Intron eines Gens, das mit der Funktion des Endosoms in Verbindung gebracht wird. Weier "stromäbwärts" befindet sich wieder ein Transkriptionsfaktor, dessen Wirkung die Entwicklung der Gliedmaßen beeinflusst. Die Expression welcher Gene genau der mögliche Enhancer beeinflusst ist also noch nicht geklärt.
Zur Untersuchung der Funktion der Enhancer-Region benutzten die Kollegen also wieder ein Reporterassay (ß-Galactosidase). Sie brachten die postulierten Kontrollelemente aus Rhesusaffen (Macaca mulatta), Schimpansen (Pan troglodytes) und dem Menschen (Homo sapiens) (Divergenz vor 6 bzw. 25 Mya) gekoppelt an das Reportergen, in Mäuse ein. So konnten die Forscher zeigen, dass die menschlichen Elemente im Vergleich zu denen aus beiden anderen Primaten, verstärkt Gene beim Wachstum der Extremitäten anschalten. Sie konnten so die durch den Genom-Verglich identifizierten Unterschiede bestätigen: Der Zustand und die Wirkung des Enhancers sind sich in nicht-menschlichen Affen ähnlich und entsprechen daher wahrscheinlich dem Zustand im gemeinsamen Vorfahren.
Mit sehr cleveren Experimenten bewiesen die Kollegen, dass genau die 13 Basen Unterschied im Menschen im Vergleich zu Schimpanse und Rhesusaffe den Unterschied ausmachen. Sie konstruierten Fragmente aus den beiden "Vierbeinern" in denen nur die betroffenen 13 Unterschiede eingebracht waren. Diese Konstrukte hatten die gleiche Wirkung wie das original-menschliche Element.
Die Studie konnte so, aufbauend auf dem zuvor beschriebenen zentralen Dogma von Evo-Devo, zeigen, dass durch Genomvergleiche die betreffenden Elemente identifiziert werden können. Ein denkbarer Name für ein solches Vorgehen ist "Vergleichende Entwiklungsgenomik" oder im Englischen "Comparative developmental genomics".
Weiter demonstrieren beide Studien eindrucksvoll die evolutionären Möglichkeiten für graduelle Veränderungen in Entwicklungsprogrammen. In beiden Beispielen konnte durch Veränderung einzelner Basen in regulativen Bereichen Unterschiede in der Genexpression erzeugt werden. Da es sich um Variationen in einzelnen Basenpaaren (SNPs) handelt, die langsam und nacheinander ins Genom einfließen, verlangen die hier beobachteten Unterschiede geradezu nach Gradualismus.
Fee hat vor einigen Wochen auf dem Blog Science-meets-spciety ebenfall über das letztere Paper geschrieben und ich möchte einige Fehler in diesem (auch auf Researchblogging erschienenen) Post abschließend korrigieren. Ich hoffe so eine Diskussion anzuregen, falls es im deutschsprachigen Raum genügend Interesse gibt.
S-M-S:
Wir teilen bis zu 98% der codierenden DNA mit unseren nächsten Verwandten, den Schimpansen (Pan troglodytes) und doch unterscheiden wir uns markant von ihnen.
Das stimmt nicht! Eine der grundlegendsten Entdeckungen der letzten Jahre waren Unterschiede in der Kopienzahl einzelner Gene im Menschlichen Genom. 2007 wurde so (Hauptsächlich durch den Vergleich der Genome von Venter und Watson) offensichtlich, dass einzelne Menschen sich in 2-3% ihres Genoms unterscheiden. Der Unterschied zu unseren nächsten interspeziefschen Verwandten dürfe daher mindestens 5% betragen.
S-M-S:
Der größte Teil der DNA in menschlichen Zellen ist nicht kodierend und wurde, als man dies entdeckte, fälschlicherweise als Junk-DNA (Abfall-DNA) verschrien.
Diese Sichtweise ist grundsätzlich falsch! Es wurden seit der Entdeckung nicht-kodierender Bereiche schon versucht Funktionen für diese für eine höhere Organisation zu postulieren. Vergleicht man aber unterschiedliche Organismen (z.B. der Zwiebel oder des Salamanders) mit der des Menschen oder der Kugelfische (Tetraodontidae; anderes Extrem) fällt schnell auf dass eine höhere Komplexität nicht mit der Genomgröße korreliert.
Die in Frage stehenden regulatorischen Elemente machen einen winzigen Teil des Genoms aus.
S-M-S:
Dabei stiessen sie auf einen Abschnitt von 546 Basenpaaren Länge, der sich seit der Entwicklung der Wirbeltiere nur wenig verändert hatte. Jedoch hatten sich in der relativ kurzen Zeit von 6 Millionen Jahren, seit sich die Entwicklungszweige von Mensch und Schimanse trennten, 16 Veränderungen etabliert, die alle in einem Abschnitt von 81 Basenpaaren clusterten. So etwas ist für einen genetischen Detektiv ein eindeutiges Indiz, dass weitere Untersuchungen gewinnbringend sein könnten.
Die Forscher wussten im Gegensatz zum Schreiber dieser Zeilen um die Existenz von Enhancen. Andernfalls hätten sie den entsprechenden Bereich nicht als solchen identifizieren können. In der besprochenen Studie wurden nicht zum ersten Mal Selektion auf einen nicht-kodierenden Bereich nachgewiesen. Ähnliche Fehlinterpretationen und die übertriebene Darstellung von Neuheiten (wissenschaftlichen Revolutionen) in der Wissenschaftsberichterstattung veranlassen auch beispielsweise Kreationisten regelmäßig zu ähnlichen Dummheiten.
S-M-S:
[...]so aktivierten alle die Expression von Genen in den Augen, Ohren und in den embryonalen Kiemenbögen, die später den Kiefer bilden.
Die Expression eines Reportergens! Dies ist im Vergleich zu den anderen Fehlern aber eher zweitrangig.
S-M-S:
Ein neuer Teilbereich der entwicklungsgenetischen Forschung, der bestimmt noch viele Überraschungen und neue Erkenntnisse birg.
Quatsch! "Vergleichende Entwicklungsgenomik" ist zwar ein recht neuer boomender Bereich der Entwicklunsbiologie, erfunden wurde er aber in diesem Paper nicht. Die Studie bestätigt vielmehr experimentell die Validität der zugrundeliegenden in silico Analysen.
Ich hab hier mal die jährliche Zähl an Veröffentlichungen, die "Comparative developmental genomics" im Volltext (Pub-med) erwähnen geplotet:
Dabei fällt auf, dass das erste Paper bereits aus dem Jahre 1988 stammt, als eigentlich noch keine Genome zum Vergleich bereitstanden. Veröffentlichungen vor dem Jahre 2001 können also wahrscheinlich als "Hintergrundrauschen" oder "Vorahnung" interpretiert werden, wirkliche "Comparative genomics" in dem heute etablierten Sinn waren damals noch kaum möglich. Ab diesem Zeitpunkt wurden dann anhand der vorhandenen Daten die betreffenden Methoden entwickelt. Prabhakar et al. haben also zwar eine schöne Studie angefertigt, mitnichten aber das "Teilgebiet" erfunden.
Kommentare/ Kritik erwünscht, ich bin kein Entwicklungsbiologe und habe sicher selbst Fehler gemacht!
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C. J. Cretekos, Y. Wang, E. D. Green, J. F. Martin, J. J. Rasweiler, R. R. Behringer (2008). Regulatory divergence modifies limb length between mammals Genes & Development, 22 (2), 141-151 DOI: 10.1101/gad.1620408
S. Prabhakar, A. Visel, J. A. Akiyama, M. Shoukry, K. D. Lewis, A. Holt, I. Plajzer-Frick, H. Morrison, D. R. FitzPatrick, V. Afzal, L. A. Pennacchio, E. M. Rubin, J. P. Noonan (2008). Human-Specific Gain of Function in a Developmental Enhancer Science, 321 (5894), 1346-1350 DOI: 10.1126/science.1159974
Freitag, 26. September 2008
Nochmal Aua: E.O. Wilson in der NYTimes
Schämen muss man sich eigentlich nicht wenn, man so nen Fehler macht. Fee ist in guter Gesellschaft, wie ich in diesem Post auf Myrmecos erfahren habe:
;-)
Given the antiquity of the lineage, the temptation to view Martialis as an ur-ant of sorts is strong. E.O. Wilson certainly felt that way when interviewed for a recent NYTimes article:With due respect to Wilson, such a view is a mistake. Martialis has over 120 million years’ separation since the ur-ant, plenty of time to develop along its own trajectory.Dr. Wilson…is trying to contain his excitement: the 14,001st ant species has just been discovered in the soils of a Brazilian forest. He steamrolls any incipient skepticism about the ant’s uniqueness — the new species is a living coelacanth of ants, a primitive throwback to the first ant, a wasp that shed its wings and assigned all its descendants to live in earth, not their ancestral air. The new ant is so alien, Dr. Wilson explains, so unlike any known to earthlings, that it will be named as if it came from another planet.
;-)
Dienstag, 23. September 2008
Keine Diskussion erwünscht?
Ein Post aus unerfreulichem Anlass... zunächst die Vorfälle in chronologischer Abfolge ohne Bewertung.
Durch den deutschen Arm von Research-Blogging bin ich Ende letzter Woche auf einen Post auf dem Blog Science-meets-Society aufmerksam geworden. Fee und Uli schreiben dort auf leicht verständliche Art über ein sehr breites Spektrum wissenschaftlicher Veröffentlichungen.
Bei einem kurzen Blick auf nur einen Post über den Fund einer neuen Ameisengattung (Paper) ist mir dann aber ein gewaltiger Fehler aufgefallen:
Mein erster Kommentar (genau wiedergeben kann ich diesen nicht, dazu später mehr) war aus Zeitmangel etwas barsch:
Meine Meinung dazu:
Im deutschsprachigen Raum fehlt bislang eine Diskussionskultur auf Wissenschaftsblogs. Researchblogging ist sicher ein guter Ansatz dies zu ändern. Kritik an Blogposts muss auch in ungeschminkter Form erlaubt sein (dieser Post ist übrigens genauso grottenschlecht, und wird von Argent23 "mit Samthandschuhen" kritisiert). Der Name des Blogs (Science-meets-society; science communication) ist im Zusammenhang mit der Löschung unerwünschter Kommentare geradezu lächerlich.
Ich bin ein großer Fan guter Vereinfachungen von komplexen Zusammenhängen in populärwissenschaftlichen Texten zur Evolutionsbiologie und allgemein von Wissenschaftsjournalismus. Allerdings braucht man um den betreffenden Sprachgebrauch zu beherrschen eine fundierte Kenntnis des Fachgebiets und einige Erfahrung (wegen letzterem lesen sich manche meiner Posts vielleicht auch etwas kryptisch). Gerade die Vereinfachung macht die Sache eben nicht leichter.
Zum thematischen Ursprung des Disputs noch soviel: Wer sich weiter informieren möchte kann dies auf deutschen Blogs noch nicht (falls doch bin ich dankbar für nen Link). Ich werd mich drum kümmern sobald ich etwas mehr Zeit hab! Über Fallstricke im Verständnis von Evolutionsbiologie kann man sich solange super (besser als ich das wahrscheinlich jemals hinbekommen werde) bei T. Tyan Gregory informieren.
Durch den deutschen Arm von Research-Blogging bin ich Ende letzter Woche auf einen Post auf dem Blog Science-meets-Society aufmerksam geworden. Fee und Uli schreiben dort auf leicht verständliche Art über ein sehr breites Spektrum wissenschaftlicher Veröffentlichungen.
Bei einem kurzen Blick auf nur einen Post über den Fund einer neuen Ameisengattung (Paper) ist mir dann aber ein gewaltiger Fehler aufgefallen:
Phylogenetische Analysen haben nun gezeigt, dass es sich bei Martialis wahrscheinlich um den ältesten bekannten Vorfahren der modernen Ameisen handelt, der in einem so stabilen Lebensraum wie dem Regenwaldboden, lange Zeit überdauern konnte. Dies wirft ein völlig neues Licht auf die Evolution und die Entwicklung von außergewöhnlichen Lebensweisen, heute bekannter Ameisen.
Mein erster Kommentar (genau wiedergeben kann ich diesen nicht, dazu später mehr) war aus Zeitmangel etwas barsch:
Aua! Fehler! Eine moderne (heute lebende) Ameisengattung kann niemals der Vorfahre aller heute lebender Ameisengattungen sein.Nach Lesen des Papers hab ich dann etwa folgendes geschrieben:
Die Autoren lehnen sich im "absract" weit aus dem Fenster indem sie- trotz sehr dürftiger Hinweise- spekulieren, die gefundene Ameisenart könnte ihrem mit allen anderen Ameisen gemeinsamen Vorfahren sehr ähnliche sein. In den "conclusions" relativieren sie dann allerdings ihre Hypothese wieder; " The exact nature of the ancestral ant remains uncertain given that the propensity for repeated evolution of an epigaeic lifecycle".Überraschenderweise waren diese beiden Kommentare Tags darauf aus dem Blog verschwunden.Seit dem habe ich zweimal versucht Fee und Uli zu kontaktieren, leider aber keine Antwort erhalten. Ein weiterer Kommentar wurde gelöscht.
Ähnliche Fehler wurden in der populärwissenschaftlichen Berichterstattung über das Platypus-Genom-Paper haufenweise gemacht und un z.B. von T.Ryan Gregory sehr gut diskutiert.
Meine Meinung dazu:
Im deutschsprachigen Raum fehlt bislang eine Diskussionskultur auf Wissenschaftsblogs. Researchblogging ist sicher ein guter Ansatz dies zu ändern. Kritik an Blogposts muss auch in ungeschminkter Form erlaubt sein (dieser Post ist übrigens genauso grottenschlecht, und wird von Argent23 "mit Samthandschuhen" kritisiert). Der Name des Blogs (Science-meets-society; science communication) ist im Zusammenhang mit der Löschung unerwünschter Kommentare geradezu lächerlich.
Ich bin ein großer Fan guter Vereinfachungen von komplexen Zusammenhängen in populärwissenschaftlichen Texten zur Evolutionsbiologie und allgemein von Wissenschaftsjournalismus. Allerdings braucht man um den betreffenden Sprachgebrauch zu beherrschen eine fundierte Kenntnis des Fachgebiets und einige Erfahrung (wegen letzterem lesen sich manche meiner Posts vielleicht auch etwas kryptisch). Gerade die Vereinfachung macht die Sache eben nicht leichter.
Zum thematischen Ursprung des Disputs noch soviel: Wer sich weiter informieren möchte kann dies auf deutschen Blogs noch nicht (falls doch bin ich dankbar für nen Link). Ich werd mich drum kümmern sobald ich etwas mehr Zeit hab! Über Fallstricke im Verständnis von Evolutionsbiologie kann man sich solange super (besser als ich das wahrscheinlich jemals hinbekommen werde) bei T. Tyan Gregory informieren.
Samstag, 20. September 2008
Powerful statistics
Jeder, der schonmal gedacht hat er hätte in einer Präsentation chronologische Daten optimal visualisiert sollte sich das hier mal anschauen...
Hans Rosling bei einem TED-Vortrag
Wie geil ist da eigentlich? Die Idee dahinter nennt sich Gapminder und ist als Google Gadget verfügbar. Jetzt brauch ich nur noch Wurm-Daten, die so ne Darstellung erlauben :-).
Hans Rosling bei einem TED-Vortrag
Wie geil ist da eigentlich? Die Idee dahinter nennt sich Gapminder und ist als Google Gadget verfügbar. Jetzt brauch ich nur noch Wurm-Daten, die so ne Darstellung erlauben :-).
Freitag, 19. September 2008
Montag, 8. September 2008
Würmer in Paris: Compatibility polymorphism in snail/trematode interactions
Christoph Grunau und Emmanuel Roger gaben die für mich beeindruckenste Präsentation der gesamten Konferenz. Sie stellten Ergebnissen aus ihrem Labor in Perpignan zu Untersuchungen an der Interaktion von Biomphalaria glabrata und Schistosoma mansoni vor. Die Interaktion von Trematoden und Schnecken beruht (nach der aktuellen Hypothese) darauf, dass das sich zur Muttersporocyste entwickelnde Miracidium des Parasiten den Wirt entweder aktiv in seiner Immunantwort beeinflusst, oder aber durch ein Mimikry von Wirtsepitopen vom Immunsystem unerkannt bleibt. Letzteres ist bei B. glabrata und S. mansoni der Fall.
Während bei einer Beeinflussung/Unterdrückung des Immunsystems in anderen Wirt/Parasit-Systemen generell von anfälligen und resistenten Wirten gesprochen werden kann, ist die Interaktion beim Mimikry von Wirtsepitopen komplizierter:
Die selbe Parasiten-Linie ist unterschiedlich kompatibel mit künstlich auf Resistenz oder Anfälligkeit selektierten Schnecken-Linien (Soweit wäre das natürlich auch durch bloße Resistenz der Schnecke erklärbar). Werden aber anderer Schnecken-Linien mit einer anderen Parasiten-Linie selektiert ist die in dieser künstlichen Co-Evolution resistente Schneckenlinie anfällig für die Parasiten-Linie aus der ersten Selektion. Ein schönes Schaubild dazu (Fig.3) kann man sich in diesem Paper anschauen, wenn man Zugriff hat.
Die Versuche der Gruppe zur Identifizierung der molekularen Grundlage dieser Interaktion wurden nun mit einem zu einer brasilianischen Schnecken-Linie kompatiblen Stamm von S. mansoni und einem inkompatiblen Stamm durchgeführt (Zur Vermehrung des inkompatiblen Stamms stand eine andere Schneckenlinie zur Verfügung).
Verwendet wurde ein proteomischer Ansatz (2D Gele) und es konnten sogenannte Schistosoma mansoni polymorphic mucin-like proteins (Sm PoMuc) als Hauptverdächtige identifiziert werden.
Mucine oder Mucin-ähnliche Proteine sind im Schleim (Mucus) vieler Organismen enthalten. Solcher Mucus wird oft von als Reaktion auf eine Infektion produziert, und kann dazu dienen Parasiten zu bekämpfen. Andererseits sekretieren Parasiten aber auch Mucin-ähnliche Moleküle um die Wirtsabwehr zu täuschen.
In Sm PoMucs werden fast ausschließlich in den in der Schnecke parasitierenden Stadien exprimiert. In den Miracidien werden sie in sogenannten Apicaldrüsen produziert und sekretiert. Möglicherweise kann sich der Parasit so in einem küstlichen Nebelschleier verbergen (im Deutschen klingt das schon fast poetisch; anders als das Englische "covered by a smoke screen").
Die Struktur der Sm PoMucs erwies sich als höchst polymorph. Gemeinsam haben alle Transkripte ein Signalpeptid (in Übereinstimmung mit der extrazellulären Lokalisation) gefolgt von einer Region bestehend aus einer variablen Anzahl von (3 leicht unterschiedlichen; r1, r1' und r2) 9-Aminosäuren-Repeats gefolgt von 3 leicht unterschiedlichen C-terminalen Regionen (1, 2, 3).
Eine unterschiedliche Kombination dieser Elemente kennzeichnet drei Gruppen von Sm PoMucs (die erste Gruppe und die zweite Gruppe haben nur r2 und unterschiedliche C-terminale Regionen 1 und 2; die dritte Gruppe hat R1' und R1 gefolgt von der C-terminalen Region 3).
Eine vierte Gruppe wiest eine wahrscheinlich durch alternatives Splicen noch stärker abweichende Sequenz auf.
Im Kompatiblen und inkompatiblen Parasiten-Stamm unterscheidet sich in allen drei Gruppen die Anzahl der Repeats. Codiert werden die drei Gruppen von jewels einem Gen. Die unterschiedliche Anzahl der Repeats entsteht ebenfalls durch alternatives splicen.
Besonders von Bedeutung ist weiterhin, das die Repeats Serin-, Threonin- und Prolin-reich sind, was als Zeichen für eine posttranslationale Glycolsylierung gilt.
So könnten möglicherweise speziell die unterschiedlich angefügten Zucker für die unterschiedlichen Eigenschaften der Moleküle in der Wirts-Parasit-Interaktion verantwortlich sein.
Für mich war der Vortrag deshalb so interessant, da er mir die Beschränkungen der in meinem Projekt verwendeten transkriptomischen Methoden vor Augen geführt hat:
Allein das Assembley der Repeats wäre aus 454-Pyrosequenz-Daten (bei der bisherigen read-Länge von 250 Basen) wahrscheinlich sehr schwierig bis unmöglich. Und selbst mit sehr viel längeren reads bräuchte man eine extrem hohe Coverage der betreffenden Regionen um ein solches Maß an Polymorphismus aufdecken zu können.
Außerdem interessant (und etwas beunruhigend, wenn man die Arbeit mit Proteinen nicht besonders mag) ist die Tatsache, dass ein wesentlicher Teil des Polymorphismus durch posttranslationale Modifikation entstehen kann. Generell neu und überraschend ist das natürlich nicht unbedingt, allerdings könnte es besonders im Co-Evolutions-Context eine gewaltige Rolle spielen.
Gerade in der Interaktion mit mehreren sympatrischen Wirtsarten könnten solche Mechanismen zu einer Evolution von Plastizität führen. Speziell diese Plastizität könnte als Gegenspieler von adaptiven Prozessen sympatrische, ökologische Artbildung von den an unterschiedliche Wirtsorganismen angepassten Parasiten-Stämmen verhindern.
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E ROGER, B GOURBAL, C GRUNAU, R PIERCE, R GALINIER, G MITTA (2008). Expression analysis of highly polymorphic mucin proteins (Sm PoMuc) from the parasite Schistosoma mansoni☆ Molecular and Biochemical Parasitology, 157 (2), 217-227 DOI: 10.1016/j.molbiopara.2007.11.015
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