Klausurfragen Flashcards
**
Def.
1) gDNA
2) mtDNA
3) cpDNA
4) AI
5) IVF
6) eDNA
1) gDNA- genomische DNA
2) mtDNA- mitochondriale DNA
3) cpDNA- Chloroplasten DNA
4) AI- artificial insemination
5) IVF- in vitro fertilization
6) eDNA- environmental DNA
eDNA pros& cons
- eine Mischung „freier“ genomischer DNAs aller Organismen, die man in einer Umweltprobe finden kann
- eDNA enthält in der Regel nur Spuren der Ziel-DNA
→ Überwachung invasiver Arten & Nachweis von seltenen oder schwer zu findenden Arten
Vorteil: Geringes Risiko von Falsch-Negativen
Nachteil: Hohes Risiko von Falsch-Positiven
Adaptabilität def.
(Anpassungsfähigkeit)
- Genetisches und phänotypisches Potential einer Art, angemessen und langfristig auf eine Umweltveränderung zu reagieren
Sensitivität Def.
Die Wahrscheinlichkeit, vorhandenes tatsächlich zu detektieren
→ Nachweis von „echt Positiven“
Spezifität Def.
Die Fähigkeit des Tests, nur das Gesuchte nachzuweisen
→ Vermeidung von „falsch Positiven“
Fis- Inzuchtkoeffizient
Allelverteilung von Individuum relativ zu Subpopulation
CRISPR/ CAS-System
Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR Associated Protein
Hauptkomponenten:
- CRISPR-Lokus (kurze Repeat-Palindrome wechseln sich mit viralen Sequenzen ab (sog. Spacer)
- cas-Lokus codiert für das CAS-Protein (eine Helicase/Nuklease)
- Lokus für TracrRNA
qPCR
- quantittave PCR oder real-time PCR (qRT-PCR)
- Eine Vervielfältigungsmethode für Nukleinsäuren, die auf dem Prinzip der herkömmlichen Polymerasen-Kettenreaktion (PCR) beruht und zusätzlich die **Quantifizierung der gewonnenen DNA ermöglicht.
→ Nachweis des Fluoreszenzsignals – keine Endpunktmessung, da nach jedem Zyklus die Fluoreszenz gemessen wird.
Metabarcoding
- Analyse von eDNA (environmental DNA sample)
- anders als DNA Barcoding, erlaubt Metabarcoding die Identifikation vieler Taxa innerhalb derselben Probe.
- Metabarcoding zielt auf die Bestimmung der Artenzusammensetzung in einer Probe ab.
Ablauf:
DNA-extraktion → PCR Vervielfältigung → Sequenzierung → Datenanalyse
Hardy Weinberg Equilibrium (HWE)
Das HWE-Prinzip besagt, dass unter bestimmten Annahmen die Allelfrequenzen in einer Population von einer Generation zur nächsten stabil bleiben, wenn keine Evolution stattfindet.
HWE Voraussetzungen, die ideale Population:
- random Mating
- “unendliche” /große Population
- keine Selektion
- keine Mutationen
- keine Migration
Für diesen Fall ergibt sich für jede beliebige Genotypverteilung der Elterngeneration eine nur von den Allelfrequenzen abhängige Genotypverteilung der ersten Tochtergeneration, die sich in den folgenden Generationen nicht mehr ändert.
Es ist zwar NICHT möglich, aus der Allelfrequenz die Genotypenfrequenz zu berechnen, aber es ist möglich, unter HWE aus der Allelfrequenz die Genotypenfrequenz der nächsten Generation zu berechnen!
HWE- Berechnungsformel für 2 Allele
p² + 2pq + q² = 1
p²= Häufigkeit von Homozygot dominantem genotyp
q²= Häufigkeit von homozygot rezessivem Genotyp
2pq= Häufigkeit von heterozygotem Genotyp
FIS– measuring inbreeding (and outbreeding, ranges from -1 to 1) FIS = (HS– HI) /HS
HS = expected frequency of heterozygotes
HI = observed frequency of heterozygotes
HS= 2pq
= 2*(frequncy of p) * (frequency of q)
Berechnung Allele nach Bottleneck
Es können immer nur ganze Allele vorkommen.
Abschätzung der verbleibenden genetischen Variabilität nach Bottleneck (%)
Var (%) = 1-1/(2N)
N= Populationsgröße nach Flaschenhalsereignis
Var (100%) = 100%- 100%/ 2xN
Auf welchen Ebenen lässt sich genetische Variation feststellen? (3P)
genetische Variation innerhalb eines Individuums (Heterozygotie)
- sexuelle Selektion (hohe Heterozygotie)
- Inzuchterscheinungen (niedrige Heterozygotie)
- Auswahl von Individuen für Zuchtprogramme
genetische Variation innerhalb einer Population
- Ziel von Schutzmaßnahmen (Erhalt einer hohen Variabilität)
- ´One Plan Approach´(OPA)
genetische Variation zwischen Populationen
- Ziel von Managementprogrammen
Individuum hat nur zwei allele aber innerhalb einer Population gibt es ggfls sehr viele
Welche Möglichkeiten gibt es um auf Umweltveränderungen zu reagieren. (langfristig & kurzfristig)
Abgesehen von Aussterben
Kurzfristig: Migration, Herunterfahren des Metabolismus, energetisch kostspieliges Verhalten einstellen. (phänotypische Plastizität)
- epigenetische Modifikation
Langfristige Anpassung: Veränderung der DNA
Was ist genetische Diversität?
= genetisches Potential für Anpassungen!
… genetische Diversität spiegelt den Grad der Verschiedenheit aller Elemente der genetischen Ausstattung der Mitglieder innerhalb einer Art, einer Artengemeinschaft oder eines Systems wider.
Sie beschreibt damit das Potential einer Art, einer Artengemeinschaft oder eines Systems, adäquat auf sich verändernde Umweltbedingungen reagieren zu können.
Man kann Allele besitzen, die man momentan nicht braucht, um zu überleben aber bei Umweltveränderungen helfen diese adäquat darauf zu reagieren.
Welche Prozesse beeinflussen genetische Diversität?
- Flaschenhalseffekte (Populationseinbrüche = Bottleneck)
- Genetische Drift (zufälliger Verlust von Allelen)
- Inzucht (Verlust von Allelen, Anreicherung = Frequenzerhöhung von „schädlichen“ Allelen)
- Selektion
Was sind die Folgen für genetische Diversität bei Habitatzerstörung?
- Reduzierte genetische Variabilität
- Zunahme fixierter Positionen
Reduktion der Populationsgröße (Verringerung des Genpools) und verringerte Ausbreitungsmöglichkeit (Genfluss)
→ erhöhte Aussterbewahrscheinlichkeit!
→ Aussterbestrudel
…kleine, isolierte Populationen reagieren empfindlicher auf: Umweltveränderungen, demografische Schwankungen, natürliche Katastrophen und haben insgesamt geringere Resilienz wegen verlust von genetischer Variabilität.
Was sind die Kennzeichen vom Verlust genetischer Diversität?
- Allelanzahl und Alleldiversität sind reduziert
- Abnahme des Heterozygotiegrades (=Diversität). Dieser ist mit Fitnessparametern korreliert.
- erhöhte Fixierungswahrscheinlichkeit schädlicher Allele
- höheres Risiko für Inzuchtdepression
Bsp. Erhöhte Nachwuchssterblichkeit
→ geringere Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Umweltbedingungen, da das Potential für evolutive Veränderungen von der genetischen Variabilität der Population (=Genpool) abhängt.
→ erhöhte Aussterbewahrscheinlichkeit!
Was beeinflusst genetische Variation negativ?
1) Flaschenhalseffekte (Populationseinbrüche = Bottleneck)
2) Genetische Drift (zufälliger Verlust von Allelen)
3) Inzucht (Verlust von Allelen, Anreicherung = Frequenzerhöhung von „schädlichen“ Allelen)
4) Mutationen
- können Selektionsprozessen unterworfen sein - können auch zufällig sein - sind immer ungerichtet
5) Asexuelle Vermehrung
6) niedrige Rekombinationsrate
- das Potential für evolutive Veränderungen wird durch Rekombination der Gene stark erhöht
Auswirkungen von Inzucht (mind. 2)
Erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Individduen paaren, die beide heterozygot für ein nahteiliges Allel sind
-> Fitnessverlust sowohl für ein homozygotes Individuum mit nachteiligem Allel, als auch für die durchschnittliche Fitness der betroffenen Population
-> erhöhte Nachwuchssterblichkeit
sinkender Heterozygotiegrad (= Diversität)
-> Populatoin kann schlechter auf Schwankungen in Umwelt und Demographie reagieren.
Tabelle zu:
Sanger, 454, Illumina
Flourenzenzmarkiert, Alle Nukleotide gleichzeitig zugeben, zerkleinern, ddNTPs und Terminatoren
Flourenzenzmarkiert: Sanger, Illumina
Alle Nukleitide gleichzeitig zugene: Sanger, Illumina
Zerkleinern: 454, Illumina
ddNTPs: Sanger
Terminatoren: Sanger, Illumina
Berechnung der verbleibenden Variabilität nach Bottleneck bei N = 25
Var(100%)= 100% - 100 %/(2*25)
= 100 % - 2 %
= 98 %
Das errechnete Ergebnis sagt noch nichts über die Größe der Variabilität innerhalb der Population aus, nur wie viel von der ursprünglichen Variation übrig ist. Das Ergebnis kann allerdings mit der Ausgangsvariabilität einer Population multipliziert werden.
Berechnung der Variation bei N=100 nach 5 Generationen
Genetische Drift:
Var (%)= (1-1/(2N))^t
N- Populationsgröße nach Bottleneck
t- Anzahl der Generationen
Var(%) = (1 – 1 /(2* 100))^5
= (1- 0,005)^5
= 0,995^5
= 0,975
= 97,5 %
Wie viel genetische Variation (in %) bleibt wenn nach 10 Generationen 90 Individuen im Population übrig bleiben?
Var% = (1 – 1/(2*90))^10 = (1 – 0,055)^10 = 0,9445^10 = 0,565 = 56,5 %
Genetische Drift reduziert die genetische Diversität in kleinen Populationen stärker/schneller als in größeren!!!
Was sind Generalisten und Spezialisten?
Generalist: häufig hohe Resilienz, in einem breiten Spektrum biotischer und abiotischer Bedingungen lebens- und fortpflanzungsfähig, Fitnessvorteil wenn wenn Nischen relatv instail sind, können mit alternativen Habitaten und Nahrungsquellen überleben
Spezialist: meist geringe Resilienz, nur in engem Spekturm biotischer und abiotischer Bedingungen lebens unf fortpflanzungsfähig, Vorteil wenn Nische relativ stabil bleibt über langen Zeitraum, Änderung der Nische verringert Überlebenswahrscheinlichkeit stark
ESU und MU
Evolutionary significant unit (ESU)
-bestehen oft aus mehreren MUs
Managnement Units (MU)
- sind lokal isoliert,
- im Gegensatz zu ESUs nicht langfristig und unabhängig evolviert und haben keine starke adaptive Differenzierung
- kleiner als ESUs
- für das langfristige Überleben einer Art ist der Erhalt mehrerer Populationen (nicht nur 1-2) erforderlich
Was ist Resilienz vs. Resistenz?
Resilienz
Widerstandsfähigkeit im Sinne von „Elastizität“
- Fähigkeit und Geschwindigkeit, mit der Populationen/Arten nach einer Umweltveränderung zu dem Zustand zurückkehren, den sie vorher hatten – dabei muss der vorher nachher Zustand nicht identisch sein.
- Grad der Fähigkeit einer Population, sich nach Umweltveränderung wieder erholen zu können.
Resistenz
Geschwindigkeit in der Umweltveränderung Effekte zeigt.
Welche Bedingungen müssen gegeben sein damit sich invasive Arten etablieren können? (min. 2)
- Im eroberten Gebiet gibt es keine /weniger Krankheitserreger oder Parasiten für die die Invasoren anfällig sind
- Die Invasoren haben keine/nur wenige Fressfeinde im neuen Gebiet
- Einheimische Arten haben kein Anti-Prädator-Verhalten, (wenn die Invasoren Predatoren sind.)
- Invasoren sind besser an das eroberte Habitat angepasst als die einheimischen Arten:
→ höhere Fitness!!
Merkmale mitochondrialer DNA
Besitzen alle Eukaryoten (idR rel. Kleines Genom, <20kb)
- KEINE vererbung nach Mendelschen Regeln
- MATERNALE VERERBUNG (mtDNA wird über die Eizelle vererbt)
- HAPLOID (nicht di-, oligo- oder polyploid)
- keine chromosomale Anordnung, sondern rinförmig!
Was ist Emulsion-PCR (emPCR)?
Klonale Amplifizierung der an die Beads gebundenen Fragmente in den „Mikroreaktoren“ Schritte:
1) Erzeugung einer Fragment-„Bibliothek“ (library)
- Zufallszerkleinerung der gDNA in ähnlich große Fragmente (z.B. mit Nebulizer)
- Ligation von Adaptoren für das Vermehren mittels emPCR und Sequenzieren
2)Kopplung an Kügelchen (Beads)
3) Emulsion-basierte, klonale Vermehrung der Library (emPCR)
4) Ion- Semiconductor- DNA Sequenzierung
5) Datenerfassung und -analyse mit verschiedenen bioinformatischen „Werkzeugen“ (Software)
Was für Unterschiede gibt es zwischen normaler PCR und Sanger-Sequenzierung?
Bei der Sanger Sequenzierung wird im Gegensatz zur PCR:
-Nur 1 Primer hinzu gegeben (keine exponentielle Amplifikation)
- ddNTPs von jeder Base hinzugegen (für jede Base mit einem anderem Floureszenzmarker versehen) -> Kettenabbruchmethode
Bisulfit Sequenzierung (Ablauf)
- Bisulfitbehandlung der DNA: Die DNA wird zuerst mit Bisulfit behandelt. Bisulfit wandelt nicht methylierte Cytosinreste in Uracil um (Konversion), während methylierte Cytosinreste unverändert bleiben. Dies ermöglicht es, den Methylierungsstatus der DNA zu unterscheiden.
- PCR-Amplifikation:
- Sequenzierung: Durch den Vergleich der erhaltenen Sequenzen mit der Referenzsequenz kann festgestellt werden, welche Cytosinreste in der ursprünglichen DNA methyliert waren und welche nicht.
Durch die Kombination mit bioinformatischen Analysen können spezifische DNA-Methylierungsprofile identifiziert werden, die mit verschiedenen physiologischen Zuständen oder Krankheiten in Verbindung gebracht werden können.
9 fundamentale Prozesse für die Erde als System
