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MOLEKULARBIOLOGISCHE METHODEN ZUR BESTIMMUNG DER ARTENVERWANDTSCHAFT
DNA-Sequenz-Analyse ist kein sehr geläufiger Begriff. Die meisten von uns können sich dennoch etwas darunter vorstellen, wenn als konkrete Anwendungsbeispiele die Begriffe "Vaterschafts-Test" und "genetischer Fingerabdruck" angeführt werden! Jeder weiß, dass man eine mögliche Vaterschaft zweifelsfrei durch Vergleiche von DNA-Sequenzdaten zwischen einem Kind und seinem vermuteten Vater feststellen kann! Ebenso kann man im Rahmen kriminalistischer Ermittlungen durch den sog. "genetischen Fingerabdruck" die Anwesenheit einer verdächtigen Person an einem Tatort nachweisen, wenn sie dort Körperflüssigkeiten, Haare oder Hautschuppen zurückgelassen hat! Hierfür müssen die isolierte DNA aus den Proben am Tatort mit jener des Verdächtigen übereinstimmen. Ein weiteres, allgemein bekanntes Beispiel solcher Analysen bezieht sich generell auf Untersuchungen auf Blutverwandtschaft. Wenn ich behaupten würde, ich stamme von Napoleon Bonaparte ab, so könnte man diese Aussage anhand von DNA-Vergleichen überprüfen! Voraussetzung wäre, dass man von Überresten Napoleon`s noch DNA isolieren kann. Es würde aber auch genügen, wenn meine DNA mit derjenigen von anderen (toten oder noch lebenden) Personen verglichen würde, die unzweifelhaft von Napoleon abstammen! Die dahinter stehenden Methoden lassen sich aber noch ausweiten! Man kann durch Vergleiche von Nucleinsäure- Sequenzen die Artenverwandtschaft von Tier- und Pflanzengattungen ermitteln! Was aber wird da genau untersucht? Wie aussagekräftig sind solche Untersuchungen? Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir ein gewisses Verständnis um gewisse biologische Zusammenhänge erlangen! Wir benötigen insbesondere eine Ahnung davon, was Nucleinsäuren sind, was Zellen sind, welche Zelltypen es gibt, welche Zellorganellen ("Zell-Organe") in den Zellen welche Funktionen ausführen und wie genetische Information in reale Biofunktionen umgewandelt wird! Lauft jetzt bitte nicht davon! Das hört sich viel wilder an als es ist! Die blauen Kapitel in nachfolgender Übersichtstabelle beinhalten das "Grundwissen", ohne das man sich nur ganz furchtbar schwer eine Vorstellung über die Methode und Aussagekraft von Sequenzanalysen machen kann! Die überwiegend sehr kurzen, teilweise sogar nur aus einem einzigen erläuternden Satz bestehenden Texte beschränken sich auf das Notwendigste und haben zumeist Stichwort-Chrakter! Die roten Kapitel beinhalten die eigentliche Kernthematik! Nachfolgende Übersichtstabelle hat Link-Funktion! Ich würde aber gerne darum bitten, alles von vorneweg zu lesen! Der hierfür erforderliche Gesamt-Zeitaufwand beträgt bei normaler Lesegeschwindigkeit knapp 18 Minuten! Im Word-Format bei Schriftgröße 12 betrüge der Gesamtumfang des reinen Textes ca. 16 Seiten.
NUCLEOTIDBASEN, DNA, RNA, GENOM, GENE, ALLELE
Ein NUKLEOTID
Immer drei aufeinanderfolgende Buchstaben innerhalb der DNA bilden ein Wort, eine kleinste Informationseinheit – im Fachausdruck CODON genannt!
Die DESOXYRIBONUCLEINSÄURE (DNA) DNA oder DNS- je nachdem ob man die deutsche oder englische Abkürzung bevorzugt- enthält die genetische Information über alle Merkmale und Funktionen eines Organismus. Diese wiederum steckt in den einzelnen Genen.
Ein GEN entspricht einer Sequenz (Abfolge) von Nukleotidbasen innerhalb der DNA, die eine Erbinformation enthält (im Gegensatz zu nicht kodierenden Sequenzen"). Das GENOM Die Gesamtheit aller Gene eines einzelnen Organismus oder einer einzelnen Person bezeichnet man als dessen Genom.
Die RIBONUCLEINSÄURE (RNS) Die RNA ist wie die DNA eine Nukleinsäure, d.h. eine Kette aus vielen Nukleotiden. Sie ist wesentlich an der Umsetzung von genetischer Information in Proteine beteiligt. Dies geschieht innerhalb der sog. "Proteinbiosynthese", ein Prozeß den wir gleich kennen lernen. In dieser Funktion entspricht eine RNS einer flüchtigen Kopie eines kodierenden DNA-Abschnittes. Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
DIE GENPRODUKTE Die häufigsten und wichtigsten Genprodukte (=real umgesetzte genetische Informationen) sind Aminosäuren und Proteine! AMINOSÄUREN Der Ausgangsstoff oder Grundbaustein für Proteine aller Art sind die Aminosäuren! Das sind kleine organische Moleküle.
PROTEINE Proteine oder sog. „Eiweiße“ sind Makromoleküle, also Moleküle, die aus vielen gleichen oder verschiedenen Bausteinen (Atomen) bestehen! Sie gehören zu den Grundbeausteinen aller Zellen! Sie sind nicht nur am Aufbau der Zellen beteiligt! Sie fungieren auch als molekulare „Maschinen“, die Stoffe transportieren, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen! Katalysieren bedeutet, das ein Stoff (Katalysator) die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selber verbraucht zu werden! Ohne Proteine geht null komma nix im menschlichen oder irgendeinem anderen lebenden Körper !!! Ob sie nun als Zellbausteine, als Blutkörperchen, als Hormone, als Immunzellen oder sonst was fungieren: Alles hat irgendwie mit Proteinen zu tun! Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
ZELLEN UND ZELLTYPEN Zellen Zelltypen Es gibt nur zwei Grundtypen von Zellen: Die
PROTOCYTEN Die
EUCYTEN
("echte Zellen") Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
CHROMOSOMEN Die Gesamtheit aller Gene die ein Lebewesen besitzt bezeichnet man als dessen Genom. Die Gene bzw. das vollständige Genom befindet sich in jeder einzelnen Körperzelle und dort wiederum auf den sog. Chromosomen. Chromosomen sind also Strukturen, die Gene enthalten.
Sie befinden sich im Zellkern und bestehen aus jeweils 1 Molekül DNA,
das mit vielen Proteinen verpackt ist. Der Mensch hat 24 Chromosomen. Man differenziert zwischen den sog. Autosomen und Gomosomen. Zweiteres sind die Geschlechtschromosomen die rein über die Geschlechtlichkeit des Lebewesens bestimmen, ersteres sind alle anderen. Wenn sich Körperzellen teilen passiert mit den Chromosomen etwas ganz besonderes. Sie verdoppeln sich zunächst, schnüren sich dann in der Mitte durch und teilen sich anschließend, so dass beide Zellen (Mutter- und Tochterzelle) wieder das gesamte Genom und sämtliche Chromosomen besitzen.
GRÖSSE UND GENDICHTE Das menschliche Genom (=Gesamtlänge der DNA) umfasst 3,2 Milliarden Basenpaare mit - nach neuesten Quellen - etwa 33.000 Genen. Die Basen entsprechen den einzelnen Nucleidsäure- Molekülen. In der Molekularbiologie wird die genetische Information durch die vier Nukleotidbasen Adenin (A), Cytosin (C), Thymin (T), und Guanin (G) repräsentiert. Nicht alle Abschnitte des Genoms bestehen aus kodierenden Genen! Es gibt auch viele - wie man vereinfachend zu sagen pflegt - "Schrott- DNA" - Abschnitte! Menschen haben zwei vollständige Chromosomensätze und folglich auch zwei Kopien des gesamten Genoms bzw. sämtlicher Gene in jeder Zelle. Ein Chromosomensatz stammt von der Mutter, einer vom Vater. Die einzelnen Chromosomen haben unterschiedlich lange Basenpaare und unterschiedlich viele Gene! So hat etwa das menschliche Chromosom 19 ganze 64 Mbp (Megabasenpaare) in denen 3000 Gene gepackt sind, das Chromosom 18 hingegen nur 76 Mbp und 600 Gene. Das Y-Chromosom (ein Geschlechtschromosom.) mit nur 58 Mbp und 200 Genen enthält die geringste Menge an genetischer Information! Verschiedenen Tiergattungen haben jeweils eigene Relationen bezüglich Chromosomenzahl, Zahl der Gene und Zahl der Basenpaare! Die Hausmaus hat übrigens bereits 24400 Gene - also gar nicht so viel weniger als ein Mensch. Auch die Zahl der Chromosomensätze variiert innerhalb der verschiedenen Tier- und Pflanzenarten!
GESCHLECHTSBESTIMMUNG
Bei manchen Tieren erfolgt die Geschlechtsbestimmung durch Umweltbedingungen wie Temperatur während der Embryonalentwicklung. So verhält es sich etwa bei den Krokodilen. Die im Sand eingegrabenen Eier bringen je nach Umgebungstemperatur männliche oder weibliche Individuen hervor. Die allermeisten Tiere aber haben - wie die Menschen- ein chromosomales Geschlecht, d.h. das jeweilige Geschlecht wird ausschließlich durch die vererbten Chromosomen bestimmt. Bei Menschen und Säugetieren ist das sog. XY/XX-System vorhanden: Die Weibchen haben zwei gleiche Geschlechtschromosomen (nämlich X-Chromosomen) und werden deshalb als homozygot bezeichnet, die Männchen hingegen jeweils ein X- und ein Y-Chromosom. Das nennt man hemizygot. Alle anderen Chromosomen (Nicht-Geschlechtschromosomen bzw. Autosomen) sind in jeweils 2 Kopien vorhanden! Von der Mutter können wir nur ein X-Chromosom abkriegen, vom Vater erhalten wir (zufallsbedingt) entweder ein X-oder ein Y-Geschlechtschromosom. Je nachdem wie das Schicksals-Roulette ausgeht liegen wir dann in rosa oder in blauen Höschen in der Wiege! Bei Menschen kann nur männlicher Nachwuchs entstehen, wenn ein Y-Chromosom vorhanden ist weil sich hierauf das sog. „SRY-Gen“ befindet welches hierfür erforderlich ist!
CHROMOSOMENZAHL Der Begriff Karyotyp bezeichnet alle Chromosomen, die in einem Individuum vorkommen. Lebewesen derselben Art und desselben Geschlechts haben normaler Weise dieselbe Ausstattung an Chromosomen und damit denselben Karyotyp.
Bei Menschen und vielen Tieren finden sich im Karyotyp, abgesehen von den Geschlechtschromosomen im hemizygoten Geschlecht (dies sind bei den Meisten Arten die Weibchen), immer zwei homologe Chromosomen. Dies sind solche, die die gleichen Gene tragen. Man spricht daher von einem doppelten oder diploiden Chromosonensatz (Abgekürzt 2n). Bei sich geschlechtlich vermehrenden Organismen wurde von beiden Elternteilen je einer vererbt.
WEITERGABE DER CHROMOSOMEN ZUR NÄCHSTEN GENERATION Die Chromosomenzahl darf sich von Generation zu Generation nicht erhöhen. Was muß deshalb geschehen, wenn ein Kind gezeugt wird? Nun folgendes: Wir wissen dass sich in jeder Körperzelle 2 Chromosomensätze und ergo 2 DNA-Stränge befinden! Bei der „normalen Zellteilung“ die sich stetig in allen unseren Organen und Geweben abspielt, teilt sich zunächst auch das Chromosom um sich anschließend zu verdoppeln, d.h. aus der sich teilenden Mutterzelle werden zwei identische Tochterzellen mit jeweils demselben Ursprungsgenom! Wenn aber KEIMZELLEN (das sind männliche Spermien und weibliche Eizellen) gebildet werden, passiert etwas anderes! Aus dem doppelten Chromosomensatz wird ein einfacher! Dabei vollzieht sich ein Roulette-Spiel weil nur 50% aller Allele (ein ALLEL ist eine von 2 homologen Genvarianten) eines Chromosomensatzes in das Genom der Keimzelle eingebaut werden können! Man nennt diesen Vorgang in der Biologie „Rekombination“. Folgende Bild-Analogie soll den Sachverhalt veranschaulichen: Stellen wir uns eine zweispurige Fahrbahn vor, auf der zwei PKW-Schlangen (die beiden Chromosomensätze mit der jeweiligen Gesamt-DNA) mit jeweils 24 Autos exakt nebeneinander herfahren! Die Autos beider Kolonnen sind in Bezug auf die Marke absolut identisch! Vorne weg fährt bspw. ein Audi A4, dahinter ein BMW 320, danach ein Golf, ein Fiat,…. Die Fahrzeuge der linken Schlange sind jedoch alle gelb (das sind die A- Allele), die der rechten allesamt rot (die B-Allele). Nun verengt sich die Fahrbahnbreite an einem Punkt so stark, dass sie nur noch für ein Fahrzeug ausreichend breit ist (analog: die Keimzellenbildung). Die Autos fädeln aber nicht ein wie beim Reißverschlußverfahren, sondern sie stoßen sich gegenseitig links oder rechts von der Straße runter, so dass zufallsbedingt immer nur eines von 2 identischen Fahrzeugtypen weiterfährt! Danach gibt es nur noch eine der ursprünglich 2 Autoschlangen und zwar in ihrer ursprünglichen Länge, aus denselben Fahrzeugtypen bestehend, in der nun jedoch rote und gelbe Autos gemischt sind! Folgendes ist zu beachten: Die Keimzellenbildung vollzieht sich innerhalb von 2 Phasen! In der ersten kommt es zu einer intrachromosomalen Rekombination, die man auch als "crossing over" bezeichnet. Die metaphorischen Autos stehen hier nicht für komplette Chromosomen, sondern nur für Allele, also für Abschnitte der DNA bzw. für Basensequenzen! In der 2. Phase hingegen erfolgt die Rekombination interchromosomal, d.h. dass nur vollständige Chromosomen selektiv in jenen Chromosomensatz der Keimzelle eingebaut werden! Hier stehen die bildhaften, sich gegenseitig abdrängenden Autos für komplette Chromosomen!
Kommen männlicher Samen und weibliche Eizelle im Mutterleib zusammen, dann verdoppelt sich auch das Genom dieser Gamete (=befruchtete Eizelle) wieder auf zwei Chromosomensätze, von denen jeder einzelne im Vorfeld durch crossing-over und Rekombination im väterlichen bzw. mütterlichen Körper aus ursprünglich 2 Sätzen gebildet wurde! Auch diese Wieder-Zusammenführung der 2 elterlichen Chromosomensätze in der befruchteten Eizelle nennt man RE-KOMBINATION!
NICHT DIPLOIDE ZAHL VON CHROMOSOMENSÄTZEN Die Mehrzahl der Tiere und Pflanzen sind diploid (2n), weil sie zwei Chromosomensätze haben. Es gibt aber auch etliche mit anderen Ploidiergraden. Man unterscheidet haploid (1n), triploid (3n), tetraploid (4n), hexaploid(6n) oder spricht allgemein von Ployploid (Ausnahme 1n). Also die Zahl und das dahinter stehende n bezeichnet jeweils die Anzahl der jeweiligen Chromosomensätze! Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
Die MITOCHONDRIEN und der ZELLSTOFFWECHSEL MITOCHONDRIEN Eine Mitochondrie ist eine ZELLORGANELLE. Eine Organelle entspricht innerhalb der Zelle dem, was analog dazu ein Organ im Körper entspricht! Es handelt sich also um eine untergeordnete Funktionseinheit! Die Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle. In menschlichen und tierischen Körperzellen vollziehen sie die Zellatmung, sowie die Energiegewinnung aus dem Enzym ATP (Adenosinphosphat) welches sie synthetisieren. ATP ist die universelle und unmittelbar verfügbare Energie in jeder Zelle und gleichzeitig ein Regulator energieliefernder Prozesse! In der Pflanzenzelle gibt es außer den Mitochondrien auch noch die Chloroplasten! Sie haben den gleichen Status wie Mitochondrien (semiautonome Organellen) und sind für die Photosynthese, also die Gewinnung organsicher Stoffe innerhalb der Pflanze aus Lichtenergie zuständig. Die Mitochondrien (und Chloroplasten) verdienen aus einem bestimmten Grund besondere Beachtung: Bei allen Lebewesen ist die Erbinformation in den Basen-Sequenzen der DNA im Zellkern gespeichert! Diese kleinen Scheißerchen von Mitochondrien haben keinen abgegrenzten Zellkern, dafür aber ein eigenes Genom, eine eigene, ringförmige DNA- gerade so als wären sie Lebewesen in einem Lebewesen! Ihr Aufbau entspricht dem typischer Protocyten (die einfachere von zwei existierenden Zell-Grundtypen). Das hat evolutionsgeschichtliche Hintergründe, auf die wir später noch eingehen werden. Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
Die RIBOSOMEN und die PROTEINBIOSYNTHESE RIBOSOMEN Auch Ribosomen sind Zellorganellen, also untergeordnete Strukturen die innerhalb der Zelle analog betrachtet denselben Status wie ein Organ in einem Körper haben! Sie sind jene mystischen Orte innerhalb der Zelle, an denen genetische Informationen (DNA-Code) in handfeste Proteine und somit in aktive Körpervorgänge umgewandelt wird.
Wie werden aus genetischen Informationen in der DNA reale biologische (Körper)funktionen? Diese geschieht innerhalb eines besonderen, überaus komplexen Prozesses, nämlich jenem der
PROTEINBIOSYNTHESE Für jede Art von Vorgang im Körper (Hormonbildung, Zellaufbau, etc,etc…) müssen eigens Proteine gebildet, bzw. kodiert oder synthetisiert werden! Die Proteinbiosynthese bezeichnet die Herstellung eines Proteins in einem Lebewesen. Proteine und Polypeptide sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden auf Grund der in der DNS (=Desoxyribonukleinsäure) gegebenen ERBINFORMATION an den „Ribosomen“ innerhalb der Zellen gebildet. RNA Ribonukleinsäure Die RNA ist wie die DNA eine Nukleinsäure, d.h. eine Kette aus vielen Nukleotiden. Ihre wesentlichste Funktion besteht in der Umsetzung von genetischer Information in Proteine. Diese Umsetzung erfolgt innerhalb mehrerer Schritte. Deshalb gibt es auch verschiedene Varianten von RNA.
STUFEN DER PROTEINBIOSYNTHESE TRANSKRIPTION (wörtlich etwa: „hinüberschreiben“) Dieser Begriff steht für die Synthese von RNA aus DNA. Dies geschieht bei mehrzelligen Lebewesen im Zellkern. Bei der Transkription wird ein Gen abgelesen und als mRNA (messenger- oder Boten-RNA) – Molekül vervielfältigt, d.h. ein spezifischer DNA-Abschnitt dient als Vorlage zur Synthese eines neuen RNA- Strangs. Bevor die codierte mRNA nun den Zellkern verlässt, wird sie noch spezifisch enzymatisch verändert, man spricht vom Prozessieren. Ich erinnere daran: So wie auf der gesamten menschlichen DNA (bestehend aus 3,2 Millarden Basenpaaren) „nur“ etwa 33.000 Gene liegen, so sind auch innerhalb der Gene nicht codierende Abschnitte vorhanden (hier ist das Verhältnis freilich anders)! Die nicht codierenden Segmente sind die Introns. Diese Introns werden nun aus der mRNA rausgefizelt. Und das wiederum nennt man SPLICING! Nach dem Splice- Vorgang darf die codierte mRNA den Zellkern verlassen und sich auf den Weg zu einem Ribosom begeben!
TRANSLATION (wörtlich: "übersetzen") Dieser Begriff bezeichnet die Synthese eines Proteins aus der sog. Boten- bzw. "messenger-RNA" (mRNA). Dazu wird die in der mRNA zwischengespeicherte Information von den Ribosomen schrittweise abgelesen und und in eine Folge von Aminosäuren umgesetzt. Dies geschieht durch die Transport-RNA (tRNA). Die vier „Buchstaben“, die Basen der DNA Adenin A, Guanin G, Cytosin C und Thymin T bilden die „Schrift“ der Gene. Die „Worte“ sind je drei Buchstaben lang (ein sogenanntes CODON), etwa GAT. Zum Beispiel "Ein/Gen/ist/aus/DNS". Fällt nun etwa das G von Gen weg, ergibt es ein anderes Leseraster: Ein/eni/sta/usD/NS. Immer in dreier Schritten. Wie bereits dargestellt wird jedes dieser Codons auf die mRNA kopiert und schließlich von Ribosomen in eine bestimmte Aminosäure übersetzt. Übertragen werden die Aminosäuren mit Transfer-RNAs (t-RNA). Die tRNA ist an die mRNA gebunden und verknüpft die gebildete Aminosäure mit einer vorhergehend synthetisierten. Die Aminosäurenkette wächst, bis ein sog. „Stoppcodon“ dem Ribosom miteilt, dass es jetzt aufhören darf. Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
MOLEKULARBIOLOGISCHE STAMMBAUMERMITTLUNG - DIE SEQUENZVERGLEICHSANALYSEN
Wir haben bereits mehrere Varianten von Nucleinsäuren kennen gelernt! Diese sind Informationsträger. Ihr Informationsgehalt ist in der Abfolge der einzelnen Nucleotid-Basen verschlüsselt. Fassen wir nochmal kurz zusammen: Die DNA enthält das Kerngenom des Organismus. Die ringförmige Mitochondrien- DNA enthält das Genom der "Zellkraftwerke". Die RNA ist im Gegensatz zur DNA nur ein "flüchtiger Informationsspeicher". Sie kopiert Abschnitte der DNA damit diese im Rahmen der Bioproteinsynthese in reale Produkte (Aminosäuren, Peptide, Proteine) umgewandelt werden können. Weil diese Prozesse sehr komplex sind, werden dabei verschiedene Varianten von RNA`s benötigt, nämlich messenger- oder Boten-RNA (mRNA) und Transport-RNA (tRNA). Die bisher noch nocht angesprochene ribosomale RNA gewährleistet die Funktion der Ribosomen. Wenn man nun evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Tier- und Pflanzenarten ermitteln will, muß man sich die Übereinstimmungen bzw. Unterschiede in den Sequenzen der jeweiligen Nucleinsäuren ansehen. Ein Blick auf die Chromosomen erlaubt bereits einige vage Rückschlüsse dieser Art. Auf den Chromosomen eines Organismus ist dessen gesamtes Genom verteilt. Die Gesamtheit der Chromosomen eines Individuums bezeichnet man als dessen Karyotyp. Ähnlich wie bei den Sequenzen einzelner Gene lässt sich auch bei den Chromosomen die Stammesgeschichte nachvollziehen. Die des Menschen (46) sind jenen der großen Menschenaffen (Schimpansen, Gorillas, und Orang-Utas, je 48 ) sehr ähnlich. Es gibt innerhalb dieser Artengruppe nur 2 zwischen-chromosomale Umbauten. Spezifisch menschlich ist das Chromosom 2. Die genannten Affen haben an dessen Stelle zwei kleinere Chromosomen. Auf diesen beiden Affen-Chromosomen befinden sich aber exakt die Gene, die der Mensch auf seinem Chromosom 2 hat! Gorillas haben eine Translokation zwischen jenen Chromosomen, die beim Menschen dem Chromosom Nr. 5 und Nr. 17 entsprechen. Daraus ergibt sich der ursprüngliche Karyotyp der Gruppe mit 48 Chromosomen (so wie er heute bei Schimpansen und Orang Utans vorhanden ist).
DIE MOLEKULARE UHR Je näher zwei noch heute lebende Organismen miteinander verwandt sind, umso kürzer liegt der Zeitpunkt zurück, zu dem der letzte gemeinsame Vorfahr gelebt hat! Bei naher Verwandtschaft sind die DNA- und RNA- Sequenzen ziemlich ähnlich, mit abnehmenden Verwandtschaftsgrad werden sie immer verschiedener. Dafür haben Mutationen (und Rekombinationen) im Laufe der Generationenfolge gesorgt! Mittels spezieller Computerprogramme kann man den Zeitpunkt einer evolutiven Aufspaltung errechnen. Diese Methode nennt man auch "molekulare Uhr". Die Uhr wird zu Beginn der Analyse mit einem sicheren Fossil-Alterswert kalibriert (Divergenzzeit von zwei großen Organsimengruppen; Einheit: Millionen Jahre). Die Gensequenzdaten ermöglichen dann eine Abschätzung des Zeitpunktes, seit dem keine weitere Vermischung der untersuchten Spezies mehr erfolgt ist. Somit weiß man ungefähr die Zeitspanne, die seit der Aufspaltung einer Art in zwei abgeleitete Spezies bis heute vergangen ist. Die mit Hilfe verschiedener "molekularer Uhren" ermittelten Zeitpunkte der Artaufspaltungen stimmen i.d.R. näherungsweise mit den geochronologisch datierten Fossilreihen überein. Bezüglich der Altersbestimmung von Fossilien mittels radiometrischer Untersuchungsmethoden führe ich an dieser Stelle nichts mehr weiter an (siehe hierfür Hauptkapitel 1).
RIBOSOMALE RNA Die ribosomale RNA eignet sich in besonderer Form als "molekulare Uhr"! Sie kodiert nicht, d.h. sie trägt keine genetische Information, die in Proteine umgeschrieben wird, sondern ist als RNA-Molekül in der Zelle aktiv. Sie ist am Aufbau und der enzymatischen Funktion des Ribosoms beteiligt! r-RNA war wahrscheinlich bereits Bestandteil der ersten lebenden Einheiten auf der Erde und gehört zur Grundausstattung jeder heute noch lebenden Zelle. Zudem hat sie in allen Organismen die gleiche Funktion. Es gibt sehr stark konservierte r-RNA-Abschnitte und solche, die weitaus variabler sind. Die hochkonservierten Bereiche sind in ihrer Struktur für die Funktion der Ribosomen unverzichtbar und stimmen daher in allen Lebewesen nahezu unverändert überein. Veränderungen in der Basenabfolge dieser Bereiche wären tödlich oder jedenfalls nachteilig, weshalb nur sehr selten eine Fixierung einer solchen Mutation in einer Population erfolgt. Die schwach konservierten rRNA-Abschnitte sind nicht so extrem wichtig! Mutationen in diesen Bereichen können kompensiert werden. Solche Mutationen können sich in einer Population oder einer ganzen Art durchsetzen. Eine dritte Kategorie an r-RNA-Abschnitten stellen jene dar, die nahezu beliebig variieren können, ohne die Funktionsweise der Ribosomen zu beeinträchtigen. Diese Regionen unterliegen kaum einer Selektion und mutieren tausendmal häufiger, als konservierte Abschnitte. Beim Vergleich von rRNA`s verschiedener Lebewesen geht man davon aus, dass die Anzahl fixierter Mutationen (Veränderungen in der Basensequenz) proportional mit der Zeit zunimmt. Wenn man nah verwandte Organismen untersucht, schaut man auf die hochvariablen Bereiche der rRNA, weil sich nur hier informative Sequenzunterschiede finden. Entfernt verwandte Organismen hingegen analysiert man anhand stärker oder hoch konservierter Sequenzabschnitte. Sind zwei Arten sehr eng miteinander verwandt, so haben sie stammesgeschichtlich erst vor kurzer Zeit eine eigenständige Entwicklung genommen. In dieser kurzen Zeitspanne sind kaum Veränderungen in den rRNA-Sequenzen beider Arten aufgetreten. Die Sequenzen können problemlos aneinander ausgerichtet werden (Alignment), sie sind quasi deckungsgleich. Einzelne Sequenzunterschiede können dann relativ leicht erkannt werden. Beispiel: Sequenz von Art A: ... UAGCUAAGGUGAACAC Sequenz von Art B: ... UAGCUAACGUGAUCAC ...
Vergleicht man jedoch die rRNAs von zwei entfernt verwandten Arten, ist das Alignment schwierig. Die Sequenzen sind zu verschieden, um sie ohne weiteres aneinander ausrichten zu können. Nur die hoch konservierten funktionellen Abschnitte geben noch Aufschluss, wie die Sequenzen zusammen passen. Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
DER URSPRUNG DES MENSCHEN: "MITOCHONDRIALE EVA" UND "Y-ADAM" Die Untersuchung der mitochondrialen DNA (mt-DNA) ist ein weiteres wichtiges Werkzeug der molekularen Evolutionsforschung. Jede Eucyte (="echte Zelle" mit Kern) enthält in ihrem Plasma zahlreiche Mitochondrien. Diese "Kraftwerke" produzieren das für den Zellstoffwechsel notwendige Enzym ATP. Die Mitochondrien werden bei Säugetieren über die Eizelle der Mutter vererbt, die - im Gegensatz zum männlichen Spermium- Mitochondrien enthält. In der befruchteten Eizelle vermehren sie sich durch Teilung und sind schließlich in allen Körperzellen als sog. "Endosymbionten" (=ein Symbiosepartner, der mit dem Wirt-Körper verschmolzen ist) vorhanden. Durch Vergleich der mt-DNA-Sequenzen von Menschen aus aller Welt konnte eine weibliche Linie (Mutter- Tochter/ Mutter- Tochter usw.) rekonstruiert werden, die nach Afrika führt. Molekularanthropologen schlußfolgern, das die "Mitochondrien-Eva" vor 100.000 bis 200.000 Jahren in Afrika gelebt hat.
DIE MITOCHONDRIALE EVA ist die Frau, aus deren mitochondrialer DNA (mtDNA) die mitochondriale DNA aller heute lebenden Menschen hervorgegangen ist. Damit ist aber keine Einzelperson gemeint (die einzige oder erste Frau zu einem bestimmten Zeitpunkt), sondern eine bestimmte mitochondriale Erblinie die im Gegensatz zu anderen mitochondrialen Erblinien nicht ausstarb! Wie kommt man überhaupt darauf, dass es eine Mitochondriale Eva gegeben haben könnte? Das hat mit der "Gendrift" zu tun! Im Verlauf der Evolution nimmt nämlich die Häufigkeit der unterschiedlichen Varianten eines DNA-Moleküls (ALLELE) in der Population durch Zufall zu oder ab. Stellen wir uns eine Population mit 100 Frauen vor, bei der 50 ein ALLEL A und 50 ein ALLEL B in der mtDNA tragen. In der folgenden Generation sind die Anteile durch den zufälligerweise etwas größeren Reproduktionserfolg der "Allel-A-Frauen" geringfügig verschoben, z.B. 51-mal Allel A und nur 49-mal Allel B, in der darauffolgenden Generation liegen 48-mal Allel A und 52-mal Allel B vor. Statistisch haben nach etwa 100 Generationen alle Individuen in der Population entweder Allel A oder B. Eines der Allele ist infolge des Gendrifts in der Population ausgestorben und das andere wurde fixiert. Im Unterschied zur Selektion, die dazu führt, dass nur die für das Überleben vorteilhaften Allele im Genpool verbleiben, führt Gendrift zum zufälligen Aussterben oder Überleben bestimmter Allele in einer Population. Allgemein erfolgt die Fixierung durch Gendrift viel langsamer als durch positive Selektion. Je größer die effektive Populationsgröße, desto geringer die Gendrift und desto länger datiert die Fixierung eines Allels. Gendrift wird manchmal auch Gründereffekt genannt, weil sie bei kleinen Populationen, wie Gründerpopulationen, stärker zur Geltung kommt Die Gendrift führt in jeder Population zu einer Reduktion der genetischen Vielfalt. Dennoch bleibt die Diversität erhalten, da aus Mutationen ständig neue Allele hervorgehen. In der oberen Modell-Population sind nach etwa 100 Generationen, alle mtDNAs in der Population Kopien des selben DNA-Moleküls, welches etwa 100 Generationen zuvor von einer einzigen Frau an ihre Töchter vererbt wurde. Sie unterscheiden sich lediglich durch die Mutationen die seitdem aufgetreten sind. Man hat mtDNA von Personen aus unterschiedlichen Teilen der Welt extrahiert. Die mtDNA`s wurden entstprechend ihrer Ähnlichkeit auf einem Stammbaum angeordnet und die Wurzel des Stammbaums ermittelt. Von dieser Wurzel zweigten zwei Haupt-Äste ab: auf einem fanden sich nur Afrikaner, auf dem anderen Personen aus allen Erdteilen. Diese deutet auf einen afrikanischen Ursprung der Menschheit! Zudem wurde mittels einer molekularen Uhr errechnet, wann die mitochondriale Eva gelebt hat. Aus vorhandenen Daten über die mtDNA von Fischen, Vögeln und manchen Säugetieren weiß man, dass diese sich etwa um 2 bis 4 Prozent pro Million Jahre verändert. Mit diesen Daten kalibrierte man die molekulare Uhr. Da die menschliche mtDNA`s sich um durchschnittlich 0,57 % unterscheiden, ergibt sich daraus, das die Mitochondriale Eva vor etwa 200.000 Jahren gelebt haben muß! Die Fixierung dieser mitochondrialen Erblinie muß erfolgt sein ehe die Menschen Afrika verlassen hatten, da sie in einer expandierenden Population sehr unwahrscheinlich wäre (man beachte die Rolle der "räumlichen Isolation" die im 2.Hauptkapitel unter den Evolutionsfaktoren erläutert wird)!
DER "Y-ADAM" Es gibt natürlich ein "Gegenstück" zur Mitochondrialen Eva! Den nennt man den "Y-Adam". Ich erinnere: Die sog. "X"-und "Y"-Chromosomen sind die Geschlechtschromosomen (Autosomen) und bestimmen beim Menschen und den meisten Säugern, ob männlicher oder weiblicher Nachwuchs aus der befruchteten Eizelle entsteht! Die Geschlechtszellen oder Gameten (männliche Spermien und weibliche Eizellen) sind "haploid", d.h. sie haben nur einen Chromosomensatz mit 22 Chromosomen plus Geschlechtschromosom. Eizellen enthalten immer ein X-Geschlechtschromosom, während Spermien ein X-oder Y-Geschlechtschromosom haben können! Nach der Befruchtung entsteht eine "diploide" Zygote - also eine befruchtete Eizelle mit 2 Chromosomensätzen (44Chromosomen) die nun bezüglich der Geschlechtschromosomen die Kombination XX- oder XY aufweist! Aus den "44+XX-Zygoten" werden immer Mädels, während die "44+XY-Zygoten" zwangsläufig zu Söhnen heranwachsen! Jungens erhalten somit ihr Y-Chromosom immer vom Vater! Im Prinzip kann über Analyse der Y-Chromosom-DNA eine männliche Linie rekonstruiert werden (Vater - Sohn/ Vater - Sohn usw.). Als genetische Y-DNA-Marker wurden Chromosomen-Regionen ausgewählt, die nicht für Proteine kodieren („DNA-Schrott") und von Individuum zu Individuum variieren (DNA-Polymorphismus). Durch Analyse dieser Y-Chromosomen- DNA-Polymorphismen verschiedener Homo -sapiens-Populationen aus aller Welt konnte ein „Y-Adam" rekonstruiert werden, der - wie die Mitochondrien-Eva" - vor etwa 100 000-200 000 Jahren in Afrika lebte. Übersichtstabelle (der aktuellen Seite)
"ENDOSYMBIONTEN-THEORIE" UND "RNA-WELT-HYPOTHESE" Wir sind bereits auf den Umstand aufmerksam geworden, dass die Mitochondrien eine eigenständige DNA haben! Ferner haben sie einen anderen Zellaufbau als "normale Körperzellen"! Diesbezüglich haben wir bereits die verschiedenen Zelltypen ( Prokaryoten und Eukaryoten) kennen gelernt. Die Endosymbiontehtheorie besagt, dass eine Form von prokaryotischen Zellen während der Evolution von Eukaryoten durch Endocytose (= "Einstülpungsvorgang", etwa in der Art wie Einzeller u.a. auch Nährstoffe verschlingen) aufgenommen wurden und sich co-evolutionär entwickelt haben. KERNAUSSAGE Die Endosymbiontentheorie geht davon aus, dass Mitochondrien und Plastiden (= Zellorganellen mit ringförmigen Genom; in diesem Zusammenhang wohl primär auf photosynthesebetreibende Organellen bezogen) sich aus eigenständigen prokaryontischen Lebewesen entwickelt haben. Im Zuge des Evolutionsprozesses sind diese Einzeller eine Endosymbiose mit einer eukaryontischen Zelle eingegangen, das heißt, sie leben in ihrer Wirtszelle zum gegenseitigen Vorteil. Auch heute noch kann man beobachten, dass amöboide Einzeller (also solche mit einer „weichen“ Membran) Cyanobakterien (=Blaualgen) aufnehmen, ohne sie zu verdauen. Das Zusammenspiel der beiden zellulären Organismen hat sich dann im Verlauf der Evolution zu einer gegenseitigen Abhängigkeit entwickelt, in der keiner der beiden Partner mehr ohne den anderen überleben konnte, das heißt, es entstand eine Symbiose. Diese wird Endosymbiose genannt. Die Abhängigkeit geht so weit, dass die Organellen Teile ihres (nicht mehr benötigten) genetischen Materials verloren oder die entsprechenden Gene teilweise in das Kern-Genom integriert wurden. Einzelne Protein-Komplexe in den Organellen, werden so zum Teil aus kernkodierten, zum Teil aus mitochondrial kodierten Untereinheiten zusammengesetzt Man kann heute bei unterschiedlichen Lebewesen verschiedene Stadien zwischen Symbiose und Endosymbiose beobachten. 1. Korallen, einige Muscheln, ..... aber zum Beispiel auch Blattläuse leben in Symbiose mit Algen oder Bakterien, die im Zellinneren ihrer Wirte leben. Bei den endosymbiotischen Bakterien der Blattläuse werden Beschleunigungen der Evolutionsraten einhergehend mit Genverlusten ....... beobachtet, wie sie auch bei Zellorganellen zu finden ist.
Die Wurzeln einiger Pflanzen leben in Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien (Rhizobien).
Der Süßwasserpolyp (Hydra viridissima) kann durch Endocytose ("Einstülpen") Zoochlorellen (=einzellige Grünalge) aufnehmen und mit deren Hilfe Photosynthese betreiben.
Plastiden und Mitochondrien sind von ihrem Aufbau her
Prokaryonten: kein Zellkern, ringförmige
DNA, .etc. Die
Größe entspricht der von kleinen Bakterien. Sie stellen ihre eigenen Proteine her,
wobei sie einen prokaryotischen Proteinbiosyntheseapparat besitzen. Ihre
Ribosomen
ähneln denen der Bakterien, nicht denen der Wirtszelle. Die DNA-Sequenzen der Mitochondrien ähneln denen der α-Proteobakterien (=stickstoffoxidierende Bakterien), während Plastiden-DNA-Sequenzen mitten im Cyanobakterien (Blaualgen)-Stammbaum platziert werden. Ein Vergleich mit der Wirts-DNA weist auf keine Abstammung der Organellen vom Wirt hin.
Primäre Plastiden und Mitochondrien sind von
Doppelmembranen
umgeben, wobei, der Hypothese entsprechend, die äußere beim "Verschlucken"
des Bakteriums hinzugekommen ist. Die innere entspricht der von Bakterien,
die äußere der von Eukaryoten.
Mitochondrien und Plastiden vermehren sich durch Teilung und werden bei Teilung der Wirtszelle auf die Tochterzellen verteilt. Sie entstehen nicht de novo, d.h. sie können von der Zelle bei zufälligem Verlust auch nicht neu gebildet werden.
DIE RNA-WELT-HYPOTHESE Im ersten Hauptkapitel (Welt-und Lebensentsetehung) haben wir uns mit der möglichen (natürlichen) Lebensentstehung auseinandergesetzt und u.a. festgestellt, dass eine "spontane Lebensentstehung" unter heutigen Bedingungen allein schon wegen des Luftsauerstoffs nicht mehr möglich sein kann. In den "Miller-Experimenten" versuchte man die Bedingungen der "Ursuppe" zu simulieren und erzeugte tatsächlich experimentell wichtige Biomoleküle und brisante organische Strukturen, die für die Entstehung des Lebens unerläßlich waren! Die Evolutionskritiker zerreden diese erstaunlichen Befunde u.a. mit dem Hinweis, dass kein vollständiges Lebewesen aus dem Reagenzglas gehüpft ist! Das ist in der Tat richtig. Man sollte bedenken das die chemische Evolution allein schon 500 Millionen Jahre gedauert hat und die historischen Bedingungen der Lebensentstehung sich innerhalb gewaltiger Volumenverhältnisse eingestellt haben! Es gibt aber eine durchaus ernstzunehmende Hypothese wie die Geburt der allerersten Lebewesen erfolgt sein könnte! Man spricht berechtigter Weise von einer Hypothese, für die Formulierung einer gegenüber seriösen Einwänden durchwegs bestandfähigen Theorie reichen die Indizien und Befunde (noch) nicht aus! Wir kennen die RNA - zumindest jene Varianten die beim Prozess der Proteinbiosynthese entscheidend beteiligt sind - als eine "instabile" und kurzlebige Form der Nucleinsäure, die im Gegensatz zur DNA nur vorübergehend genetische Informationen speichert (kopiert), damit aus diesen Kopien wiederum reale Produkte (Proteine, u.a.) erzeugt werden können. Die RNA-Welt-Hypothese besagt, das RNA-Moleküle die Vorläufer der Organismen wahren. Ihre "Eignung" besteht in deren Fähigkeit, Informationen zu speichern, zu übertragen, zu vervielfältigen und chemische Reaktionen zu katalysieren (d.h. zu beschleunigen ohne sich dabei selber zu "verbrauchen"). Es gibt auch Gründe für die Annahme, RNA sei älter als DNA. Ribose (ein Zucker aus dem RNA u.a. besteht) wird schneller gebildet als Desoxyribose (ein Bestandteil der DNA). Auch startet die heutige DNA-Replikation mit RNA-Synthese. Ausgangspunkt der RNA-Evolution sind einfache, sich selbst replizierende ("kopierende") RNA-Moleküle. Einige davon erhalten die Eigenschaft, die Synthese von Proteinen zu katalysieren, die selbst wieder die Synthese der RNA und ihre eigene Synthese katalysieren (Entwicklung der Translation). Einige RNA-Moleküle lagern sich zu doppelsträngigen RNA-Molekülen zusammen, die sich zu DNA-Molekülen und Trägern der Erbinformation weiterentwickeln (Entwicklung der Transkription). Es gibt mittlerweile stichhaltige Befunde und Beobachtungen die belegen, dass RNA-Moleküle prinzipiell in der Lage sind, Aminosäuren zu Proteinen zu verketten!
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