Meine Serie

Dies ist ein Beitrag in einer Reihe von Posts zu Populationsgenetik und molekularer Evolution. 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 beschrieb Godwael vor einigen Wochen 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.

Kommentare (13)

  1. #1 Jane
    März 13, 2009

    “Es ist also für viele Wissenschaftler ratsam sich in nächster Zeit etwas mit theoretischer Evolutionsbiologie zu beschäftigen.”
    Wird gemacht, Chef! 😉

  2. #2 Ingo
    März 13, 2009

    Und sagst Du dann auch mal irgendwas z.B. über Sean B. Carroll, dessen Hauptkritikpunkt am gegenwärtigen evolutionären Denken ist, daß Evolution zu häufig als mit Populationsgenetik identisch gesetzt wird und mit dem bloßen Wechsel von Genfrequenzen in Populationen?

    (z.B. in “Endless forms most beautifull” und an anderen Stellen; Stichwort: Evo-Devo)

    😉

  3. #3 Emanuel Heitlinger
    März 13, 2009

    Ja aber sicher! Über die Evolution von Genexpression arbeite ich ja! All diese Evo-Devo Genexpressions-Sachen sind aber auf letzter molekularer Ebene doch auch Populationsgenetik.

    Nur dass eine Mutation im Promotor (dem Regler vor dem Gen der bestimmt wie stark das Gen exprimiert wird) oder einem Transcriptionsfaktor (einem anderen Gen das die Expression eines Gens kontrolliert) zu finden ist heißt ja nicht, dass se nicht den Mendelschen Gesetzen unterworfen wäre…

  4. #4 Ingo
    März 14, 2009

    Ja, superspannend.

    Es KANN so sein wie Du sagst. Aber schlägt sich eigentlich JEDE erbliche Genablese-Änderung in der Gensequenz nieder? Ist das 100 % sicher beim derzeitigen Stand der Forschung?

    Und wie ist dann beispielsweise die konvergente Evolution bei den Buntbarschen zu erklären trotz unterschiedlicher Gensequenzen GLEICHER Phänotyp und trotz gleicher Gensequenzen extrem unterschiedlichen Phänotyp?

    Ich glaube, solche Dingen können einen auch stark zweifeln lassen. Was ist denn bspw. mit genomischer Prägung? Schlägt DIE sich denn in jedem Fall in der Gensequenz selbst nieder?

  5. #5 Emanuel Heitlinger
    März 14, 2009

    Es KANN so sein wie Du sagst. Aber schlägt sich eigentlich JEDE erbliche Genablese-Änderung in der Gensequenz nieder?

    Auch auf die Gefahr hin einen Sturm der Entrüstung bei Epigenetikern auszulösen: Ja, Sequenz(cis oder trans) -> Genexpression.

    Was du mit den Buntbarschen meinst weiß ich nicht… Am besten machen wir das so: Gib mir einen Link auf ein Paper und schreib möglichst kurz, was du denkst, was die Implikationen sind! Dann versuch ich weiterzuhelfen…

  6. #6 Ingo
    März 15, 2009

    Naja, ich bin ja einfach nur gespannt, ob Du damit recht behältst.

    Es könnte ja auch so sein: Über genomic imprinting werden neue Genablesemuster an die nächste Generation weitergegeben, OHNE die Gensequenz selbst zu verändern. Und die Gensequenz ändert sich dann erst als FOLGE der neuen Häufigkeit von Genablesung, das heißt: Es sammeln sich dort Mutationen an, wo sie gut zu der neuen Genablesung stammen und nicht im Widerspruch zu ihr stehen. (Ist das nicht eine tolle Idee? Und sei es nur, um Dein Amüsement zu steigern?)

    Die Buntbarsche sind in diesem Fall deshalb so wichtig, weil sie klar machen, daß mit wenig Gensequenz-Änderungen in wenigen zehntausend Jahren VIEL phänotypische Veränderung erklärt werden müßte, wenn es denn geht – zudem interessanterweise konvergente phänotypische Veränderung. Soweit ich den Buntbarsch-Spezialisten Axel Meyer verstanden habe, liegt aber eine solche Erklärung bislang nicht vor. Und er studiert zu diesem Zweck AUCH Sean B. Carroll, ohne die Erklärungsebene primärer Gensequenz-Änderungen aus dem Auge zu verlieren.

    Aber mal ganz locker gefragt: Sammeln sich in wenigen zehntausend Jahren genügend Mutationen an, um so VIEL phänotypische Veränderung erklären zu können wie man sie bei den Buntbarschen sehen kann? – Wohl eher nicht … (Und man beachte dabei immer noch die Konvergenz!)

    Wenn ich Meyer recht verstehe, sucht er nach Schlüsselstellen in Genablese-Kaskaden, also nach wenigen Mutationen, die viel phänotypische Veränderung hervorrufen. Hm, hm, hm … (Und dann auch noch konvergent? Hm, hm, hm.) (Konvergente Evolution der helle Hautfarbe beruht beispielsweise bei Asiaten und Europäern auf UNTERSCHIEDLICHEN Genen!!!!!!!!! Ich glaube: sehr typisch. Manchmal beruht konvergente Evolution auch auf gleichen Genen. “Die Natur ist witzig …” [Peer Gynt])

    (Grundlage meiner Ausführungen hier unter anderem meine beiden Beiträge hier

    http://studgendeutsch.blogspot.com/2009/02/darwin-das-hattest-du-nicht-gedacht.html

    und hier:

    http://studgenpol.blogspot.com/2009/02/das-geheimnis-der-artbildung.html )

    Also vor allem dieser Artikel:

    http://www.evolutionsbiologie.uni-konstanz.de/files/resourcesmodule/@random497d878e3708e/1232963492_KurakuMeyer08_CurrOpinGenDev_CichlidReviewFinal.pdf

  7. #7 Emanuel Heitlinger
    März 15, 2009

    Ingo,
    Der Informationsfluss läuft von DNA zu Proteinen, wenn du ein relevantes Paper kennst in dem das Gegenteil steht dann denk ich über deine Argumentation nach…
    Ich wär selbst nicht so unfreundlich aber: It’s the Sequence, Stupid!

    In der Sean Carroll vs. Jerry Coyne Debatte ging es nicht um Epigenetik oder Imprinting, sondern hauptsächlich um den Beitrag von trans- (Transcriptionsfaktoren; Carroll) oder cis-(Promtor, Enhancer; Coyne) regulatorischen Elementen zur Divergenz zweier neu entstehender Spezies.

    In den Buntbarsch -Papern ist nie die Rede von Epigenetics oder Imprinting, versuch nicht cleverer als die Autoren zu sein! Diese suchen die Grundlage der Beobachtungen in den genannten regulatorischen Elementen!

    Deine Ausführungen erinnern stark an das was Meyer auch bei Joachim Bauer als dummes Zeug kritisiert. Irgendwie lese ich bei dir zwischen den Zeilen heraus, die Evolutionsbiologie würde ein radikales Umdenken brauchen. Das ist Unfug!

  8. #8 Ingo
    März 16, 2009

    😉

    Axel Meyer hat grade eine Gruppe internationaler Wissenschaftler hier in Berlin um sich versammelt, in der einer (Francisco Ubeda de Torres) auch Gen-Regionen mit gehäufter genomischer Prägung untersucht, um an die Probleme heranzukommen. (Siehe der 2. von mir genannte Link.)

    Wir wissen es nicht, ob die Evolutionsbiologie ein ähnlich radikales Umdenken heute braucht, wie es die Atomphysik vor hundert Jahren brauchte. Aber wir sollten uns, wie ich denke, selbst auch für diese Möglichkeit ergebnisoffen halten. Joachim Bauer bringt viele gute Argumente dafür. Simon Conway Morris ebenfalls. Es wird wohl kaum eine Wissenschaft geben, in der es in den nächsten Jahren noch so viel recht grundlegend Neues geben wird wie in der Biologie.

    Jedenfalls: Nicht daß es uns geht wie jenem Physikprofessor, der Anfang des 20. Jahrhunderts seinen Studenten erzählte, es gäbe in der Physik nicht mehr allzu viel Neues zu entdecken …

    (Daß Meyer Bauer “dummes Zeug” vorwirft, ist hochgradig verwunderlich, schließlich ist er es selbst, der fast ALLE Gebiete, die Bauer in seinem neuen Buch behandelt, selbst auch schon behandelt hat, insbesondere auch das Thema Genom-Evolution und das Thema umfangreiche Genom-Verdoppelungen und Umarrangierung von Genomen.)

  9. #9 Ingo
    März 16, 2009

    Bauers zentrale These ist, daß Streß umfangreiche Genom-Veränderungen bewirkt (Barbara McClintock), und daß Genom-Verdoppelungen und Umgruppierungen der Gen-Aktivität und damit der Evolution ganz neue Möglichkeiten an die Hand gibt. Das war schon die These von Susumo Ohno.

    Brauchst nur das Literaturverzeichnis von Bauer zu nehmen: Da reiht sich Paper an Paper der letzten Jahre, die nahelegen, daß der “Informationsfluß” vom Umwelt-STRESS, auf den natürlich Streßhormone, Hitzeschock-Proteine reagieren, hin zu neuen Möglichkeiten der Gen-Ablesung geht und DAMIT dann zu neuen Möglichkeiten, zu steuern, wo, wann und wieviele Proteinen in welcher Mengenzusammensetzung und wie lang synthetisiert werden.

    Z.B. Paper, die eine Parallelität feststellen zwischen der Häufigkeit von Gen-Verdopplungen im Genom und den großen Streß- (d.h. Massenaussterbe-)Ereignissen in der Evolution. Das könnte im 62-Millionen-Takt geschehen sein, vielleicht ausgelöst durch irgend eine noch nicht bekannte astronomische Regelmäßigkeit. (Kreisen unserer Milchstraße?)

    Mein Blog-Beitrag dazu ist noch nicht fertig. Hier nur zwei Paper, die ich in dem Zusammenhang für erwähnenswert halte:

    2. Guohui Ding, Jiuhong Kang, Qi Liu, Tieliu Shi, Gang Pei, Yixue Li (2006). Insights into the Coupling of Duplication Events and Macroevolution from an Age Profile of Animal Transmembrane Gene Families PLoS Computational Biology, 2 (8) DOI: 10.1371/journal.pcbi.0020102

    http://dx.doi.org/10.1371/journal.pcbi.0020102

    3. Adrian L. Melott (2008). Long-Term Cycles in the History of Life: Periodic Biodiversity in the Paleobiology Database PLoS ONE, 3 (12) DOI: 10.1371/journal.pone.0004044

    http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0004044

    Andere Paper-Autoren aus dieser Liste, die man sich noch anschauen kann, sind: J. Brosius, E. Eichler, J.A. Shaprio, G.P. Wagner. Außerdem auch schon seit Jahren immer wieder gut zu diesen Themen der Genom-Evolution die Wissenschafts-Journalistin Elisabeth Pennisi in “Science”.

    Also noch einmal: Hier wird postuliert, daß Streßhormone Einfluß nehmen auf die Verdoppelung und Umgruppierung von Genomen. Hormone können unter Streß überhaupt starke Änderungen der Gen-Abrufzustände bewirken. Und grundsätzich ist erwiesen, daß diese sich auch über genomische Prägung auf die Keimbahn auswirken kann.

    Klar: Solche Ereignisse in einem 62-Millionen-Takt kann man natürlich nicht leicht auf der Petri-Schale “nachspielen”.

  10. #10 Emanuel Heitlinger
    März 16, 2009

    Ding et al.:

    suggesting that the transmembrane gene duplicates fixed frequently when the environment changed dramatically

    D.h. in dem Paper wird behauptet, dass mehr Geneduplikationen zu bestimmten Zeitpunkten fixiert wurde wenn die Muatationsrate durch äußere Einflüsse höher war. Das würde man unter Neutralität erwarten… womit wir wieder beim Thema wären, eine Fixierung alle 1/u. Keine Spur von “das Genom entscheidet selbst wann es mutieren will”!!!

    Genom Evolution ist eins meiner Lieblingsthemen. Ich finde es überhaupt nicht komisch, dass Meyer Bauers Buch schlecht rezensiert, gerade weil er auf all diesen Gebieten arbeitet! Ich will es auch nicht lesen, nach den Zitaten, die ich bisher daraus gelesen hab und nach dem was du so alles schreibst ist es einfach Unfug! Da kritisiert einfach ein Fachmann einen Laien!

    Das 63Mya Cycle-Thema ist ja wieder ein anderes…

  11. #11 Ingo
    März 18, 2009

    Entschuldigung. Aber man nehme doch nur mal diese Meldung aus “Nature” vom 5. März und denke sie zu Ende:

    http://www.nature.com/nature/journal/v458/n7234/full/458010f.html

    bzw. hier:
    http://www.nature.com/neuro/journal/v12/n3/abs/nn.2270.html

    Da verändert also Streß in der Kindheit dauerhaft den Methylierungszustand von Genen bei Mäusen (und Menschen). Das heißt, wenn jene Genbereiche, die zusätzlich methyliert wurden, von Zufallsmutationen heimgesucht werden (somatisch oder in der Keimbahn), dann kann doch angenommen werden, daß wenn jene bekannten Reperatur-Mechanismen, die schädliche Mutationen schnell wieder zuverlässig beseitigen, da sie sonst selektiv nachteilig wären (etwa Krebs erzeugen würden etc.), dies an dieser Stelle nicht mehr unbedingt so zuverlässig tun, dann dennoch nicht von der Selektion ausselektiert werden müßten – denn andere Auswirkungen auf die Körperfunktionen als OHNE diese Mutation hätte es dann ja auch nicht (den Genbereich wird ja nicht abgelesen ….). Das ist ist denkbar, wenn nicht plausibel – und sicherlich gibt es dafür auch schon mancherlei konkretere Hinweise, als ich das hier formuliere.

    Dann hätten wir also vorliegen die Fixierung einer Mutation, die durch Umwelteinflüsse zustande kam, hier durch Streß in der Kindheit.

    Und daß derartige Streßereignisse auch über die Keimbahn über die Generationen hinweg weitergegeben werden, ist ja schon bekannt.

    Ergo: Daß also der Informationsfluß NUR von der DNA zu den Proteinen verlaufen soll und nicht umgekehrt, eine solche Meinung würde ich meinerseits zunächst einmal für ziemlichen Unfug halten, solange sie ziemlich verbohrt dogmatisch vertreten würde und andere Möglichkeiten nicht zumindest als Möglichkeit zunächst gelten gelassen würden. (Obwohl: dem oftmaligen Gebrauch des Wortes “Unfug” hier in den Diskussionen wollte ich mich ja eigentlich gar nicht anschließen. Sachargumente selbst sollten ja eigentlich bei solchen Themen reichen.)

  12. #12 Emanuel Heitlinger
    März 18, 2009

    der Genbereich wird ja nicht abgelesen …

    Doch! bei dem von dir genannten Beispiel handelt es sich noch um Methylierung der Promoterregion!

    Der Glucocorticoid-Rezeptor wird nicht abgeschaltet! Nur weniger stark abgelesen! Er kann auch wenn sein Promotor methyliert ist nicht frei von Selektionsdruck mutieren.
    Das ist ja alles auch recht interessant und man könnte sich auch Szenarien ausdenken in denen sich das dann wirklich auf die Mutationsrate in dem Gen niederschlagen könnte.

    Aber: Betrachtet man die Mutationsrate in der gesamten Population wird diese eben durchaus von den Umwelteinflüssen mit geprägt. Ja diese schlagen sich dann über Mutation und Selektion in der Sequenz nieder…

    “Unfug” steht für “nicht mit der gegenwärtigen Lehrmeinung konform”.
    Leute wie Meyer, die auf dem Gebiet arbeiten kennen die relevante Literatur besser als wir beide. Wenn du dann behauptest dir wären in einem seiner Paper Interpretationen und Verknüpfungen zu anderen Themen aufgefallen, die er selbst übersehen hat, werde ich einfach misstrauisch!

    In den allermeisten Fällen wird die bestehende Lehrmeinung eben nicht von einem Außenseiter oder einem Doktoranden umgekrempelt. Vielleicht bin ich in dem Punkt einfach etwas bescheidener.

    Vielleicht solltest du dir auch einfach mal nen ordentlichen menschlichen Datensatz herunterladen und nach SNPs durchsuchen, dann bemerkst du wie schwer so etwas ist und warum man in einem Buntbarsch mit weiniger umfangreichen Daten eben die Muatationen, die den Unterschied zwischen zwei Arten ausmachen noch nicht gefunden hat.

  13. #13 Ingo Bad-ng
    Mai 15, 2009

    Lieber Emmanuel,

    falls hier noch gelesen wird, ein paar neue Gedanken zu Epigenetik, die mir gerade kamen (im Zusammenhang mit diesem neuen Science-Artikel:
    http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/324/5929/930 ):

    Wenn wir wissen, daß phänotypischer Wandel, der völlig äquivalent ist zu Artwandel (etwa Raupe zu Schmetterling, Kaulquappe zu sonstwas, Axolotl etc. pp.) ALLEIN durch Epigenetik herbeigeführt werden kann, allein durch Demethylierung und Methylierung von Gensteuerungs-Sequenzen, wie kann man sich da eigentlich so sicher sein, daß es … “die Sequenz ist, Blödmann!” (s.o.)?

    Habe grade festgestellt, daß sich damit auch Hölldobler und Wilson in ihrem neuen “Superorganisms” beschäftigt haben, nämlich daß es ein “soziales Gen” für soziale Insekten wahrscheinlich gar nicht gibt, da nach den – dort referierten neuesten Genom-Studien – arbeitsteilige Insekten offenbar im Wesentlichen die gleichen Gene benutzen wie singulär lebende. Ja, da wäre die Hauptvoraussetzung der gesamten Soziobiologie infrage gestellt, des ganzen “Dawkinismus”.

    – Aber was können Gen-Ablese-Steuerungs-Mutationen eigentlich ändern? Doch höchstens die “Ansprechbarkeit” der jeweiligen Methylierung auf demethylierende Faktoren. (- ???) Aber wie sollen sie denn DAS nun wieder machen?