Kurzfassung

In dieser „Jugend forscht“-Arbeit habe ich mich mit der Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen bei Primaten anhand der Nukleotidsequenzanalyse ausgewählter Gene auseinandergesetzt.

Einleitung und Fragestellung: Ich habe mich zunächst mit der Evolutionstheorie nach CHARLES DARWIN (Umgestaltung der Lebewesen durch Mutationen und anschließende Selektion) und deren Übertragung auf die genetische Ebene (Synthetische Evolutionstheorie) vertraut gemacht. Des Weiteren beschäftigte ich mich mit der Phylogenese (Stammesentstehung = evolutionäre Entwicklung der Lebewesen im Laufe der Erdgeschichte). Eine solche Entwicklung wird u.a. durch vergleichende Betrachtung der verschiedenen Lebensformen erkennbar (fossil u. rezent). Zum Vergleich kann man unterschiedliche Merkmale heranziehen, z. B. Nukleotidsequenzen. Um eine solche Untersuchung mit Hilfe von genetischen Daten vorzunehmen, müssen die zu analysierenden Gene aber in allen Organismen, die untersucht werden sollen, vorhanden sein und als Sequenz vorliegen. Um die Phylogenie des Menschen anhand eines solchen Vergleiches zu rekonstruieren, habe ich 10 Primaten ausgewählt, da sie mit uns, den Menschen, am nächsten verwandt sind. Ich habe für die Untersuchung das ND3-Enzym codierende Gen (Untereinheit eines Enzyms der Atmungskette) und das 12S rRNA codierende Gen (Baustein des mitochondrialen Ribosoms) der mtDNA ausgewählt, da hierfür die o.g. Bedingungen erfüllt sind.

Methodik: Die benötigten Nukleotid- und Aminosäuresequenzen wurden aus der Datenbank GenBank (www.ncbi.nlm.nih.gov) heruntergeladen und in das benutze Alignment-Programm (BioEdit) importiert. Beim Alignieren homologisiert man die einzelnen Sequenzpositionen. Da Nukleotidabfolgen von Organismen nicht identisch sind, sucht man gleiche oder zumindest ähnliche Nukleotidabschnitte und ordnet sie durch Verschieben (unter Beibehaltung der Reihenfolge) einander zu. Dies habe ich in manueller „Kleinarbeit“ durchgeführt. Mit dem Programm Treecon wurde aus den alignierten Sequenzen mithilfe eines bestimmten Substitutionsmodells (nach Jukes-Cantor) und bestimmter eingestellter Algorithmen eine Distanzmatrix ermittelt. Auf deren Grundlage konnten dann die phylogenetischen Bäume dargestellt werden. So wurden drei sich leicht in ihrer Topologie unterscheidende Bäume (ein ND3-Baum, ein 12 S-Baum und ein entsprechender AS-Baum) erstellt. Diese wurden in einem sogenannten Consensus Tree vereint, der gleiche Verzweigungen aller drei Bäume übernimmt und sich widersprechende Verzweigungen als unaufgelöst darstellt.

Ergebnisse: Das Alignment der AS-Sequenz des ND3-Enzyms erwies sich als relativ unproblematisch, da sich im Laufe der Entwicklungsgeschichte strukturell wenig verändert zu haben scheint. Das Alignment der Nukleotidsequenzen des ND3-Enzym codierenden Gens war schon umfangreicher, aber auch wenig problematisch. Am problematischsten war das 12S rRNA Gensequenzalignment war, da es dort erhebliche Sequenzunterschiede zwischen den Lebewesen gibt und somit homologe Sequenzbereiche schwer zu finden waren. Hier musste daher die entsprechende Sekundärstruktur dieses RNA-Moleküls zur Homologisierung der Sequenzen mit herangezogen werden. Die letztlich ermittelten Stammbäume weisen viele Gemeinsamkeiten, aber auch einige Unterschiede in der Topologie (= Aufzweigungsabfolge) auf. Überall einheitlich gut abgegrenzt wurde die Gruppe bestehend aus Mensch, Schimpanse und Bonobo. Beim AS-Baum fand aber beispielsweise keine eindeutige Zuordnung des Weißhandgibbons statt. Er wurde hier näher zu den geschwänzten Affen eingeordnet, obwohl er eher zu den ungeschwänzten Menschenaffen zählt. Dies zeigen die anderen beiden Bäume dafür deutlicher.

Diskussion: Trotz der Verwendung eines stark vereinfachenden Evolutionsmodells (nach Jukes-Cantor) sind die ermittelten Ergebnisse plausibel und stimmen weitgehend den Ergebnissen anderer Forschungsarbeiten, die mit anderen Gensequenzen und anderen zum Teil wesentlich aufwendigeren Algorithmen-Modellen ermittelt wurden, überein. Dennoch sollte man wissen, dass die Auswahl bestimmter Gene, wie in meiner Arbeit, immer nur sehr kleine Ausschnitte eines Genoms darstellen und damit nicht zwingend repräsentativ für die stattgefundene Evolution des kompletten Genoms sind. Zusammenfassend kann man feststellen, dass meine Untersuchung gezeigt hat, dass die fortschreitende Entwicklung der Gensequenzierung sehr hilfreich zur Klärung von Verwandtschaftsbeziehungen ist und die klassischen Methoden (vergleichende Morphologie, Embryologie, etc.) sehr gut ergänzt.


von Claudia Haase (Jugend forscht)



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