Dauer der Aktivität: 30 Minuten
Altersempfehlung: ab 11 Jahren
Material: Murmeln in verschiedenen Farben (mindestens 9 verschiedene Farben), 7 Gläser und ein Taschenrechner.
Comparative genomicsQuest for orthologs
Bananensplit
- Jetzt sind Sie dran
Die Suche nach Murmeln!
Hintergrund
Das Ziel dieser Aktivität ist es, die Konzepte im Zusammenhang mit der vergleichenden Genomik und insbesondere die Suche nach Orthologen zu entdecken.
Am Ende dieser Aktivität werden Sie auch verstehen, wie Sie mit der Website OhMyGenes.org den Prozentsatz der gemeinsamen Gene zwischen Arten Ihrer Wahl bestimmen können… und so lustige Memes erstellen können.
Hilfreiche Informationen
Man kann Orthologe als ‘das gleiche’ Gen in verschiedenen Arten betrachten. Bitte sehen Sie die folgenden Themen und Geschichten an, um euch mit Orthologen vertraut zu machen und wie wir sie verwenden können:
EIN BISSCHEN EVOLUTION > Orthologie: ein weiterer wichtiger Begriff
Aktivität 1. Prinzip
Jede Art hat ihr Glas. Die verschiedenen Gene für jede Art werden durch Murmeln dargestellt. Die Anzahl der Murmeln ist proportional zur Anzahl der Gene in jeder Art: Jede Murmel entspricht etwa 1000 Genen. Die für jede Art spezifischen Gene werden durch die weissen Murmeln dargestellt. Die beiden Arten gemeinsamen orthologen Gene werden durch farbige Murmeln dargestellt.
Ziel: Berechnen Sie die Anzahl orthologer Gene.
Vergleichen wir Menschen mit Bananen.
Menschen haben ~ 20 430 Gene (20 Murmeln), von denen ~ 4963 (5 gelbe Murmeln) ortholog zur Banane sind.
Die Banane hat ~36 439 Gene (36 Murmeln), von denen ~9518 (9 gelbe Murmeln) mit Menschengenen ortholog sind.
Die Gesamtzahl der Gene und die Gesamtzahl der gemeinsamen Gene (Orthologe) sind proportional zu den realen Daten.
Fragen
- Wie viel Prozent der Gene beim Menschen sind ortholog zu denen der Banane?
- Wie viel Prozent der Gene in der Banane sind ortholog zu denen des Menschen?
Antworten und Erklärungen...
Menschen: 5 Murmeln / 20 = 25 % der menschlichen Gene sind ortholog zu denen der Banane.
Banane: 9 Murmeln / 36 = 25 % der Bananengene sind ortholog zu denen des Menschen.
OhMyGenes.org nimmt den Durchschnitt dieser 2 Prozentsätze, die unterschiedlich ausfallen können, je nachdem welche Arten verglichen werden.
Hinweis: Man hätte erwarten können, dass in den 2 Gläsern die gleiche Anzahl gelber Murmeln vorhanden ist. Aufgrund von Genduplikation kann ein gegebenes Gen jedoch in mehreren Kopien in einer anderen Art vorhanden sein und umgekehrt. Das Gen TUBB8 zum Beispiel kommt beim Menschen in einer einzigen Kopie vor, aber es gibt 18 ‘orthologe’ Kopien im Genom der Banane.
Vergleichen wir Mensch mit Hefe…
Die Hefe (Saccharomyces cerevisiae) ist ein einzelliger Pilz, der vor allem für seine Verwendung bei der Herstellung von Brot, Wein und Bier bekannt ist.
Menschen haben ~ 20 430 Gene (20 Murmeln), von denen ~ 6762 (7 blaue Murmeln) ortholog zu denen der Hefe sind.
Hefe hat ~6352 Gene (6 Murmeln), von denen ~2633 (3 blaue Murmeln) ortholog zu denen des Menschen sind.
Die Gesamtzahl der Gene und die Gesamtzahl der gemeinsamen Gene (Orthologe) sind proportional zu den realen Daten.
Fragen
- Wie viel Prozent der Gene beim Menschen sind ortholog zu denen der Hefe?
- Wie viel Prozent der Gene in Hefe sind ortholog zu denen des Menschen?
Antworten und Erklärungen…
Menschen: 7 Murmeln / 20 = ~35 % der menschlichen Gene sind ortholog zu denen der Hefe.
Hefe: 3 Murmeln / 6 = 50 % der Hefegene sind ortholog zu denen des Menschen.
OhMyGenes.org nimmt den Durchschnitt dieser 2 Prozentsätze: ~40 % (37,3 %, wenn wir die ‘exakten Werte’ nehmen).
Hinweis: Hefen (Pilz) sind aus evolutionärer Sicht dem Menschen näher als Pflanzen: Der gemeinsame Vorfahre von Mensch und Hefe lebte ‘vor weniger langer Zeit’ als der von Mensch und Banane!
Laut der Website www.timetree.org lebte der gemeinsame Vorfahre des Menschen (Homo sapiens) und der Hefe (Saccharomyces cerevisiae) vor ungefähr 1,105 Millionen von Jahren, während der gemeinsame Vorfahre des Menschen und der Banane (Musa acuminata) vor ungefähr 1,496 Millionen von Jahren lebte!
Aktivität 2. Vergleichen Sie die Arten ihrer Wahl…
und erstellen Sie das originellste Meme bei Oh My Genes!
Wie viel Prozent der Gene haben wir mit dem Hund, der Katze, der Tomate oder dem Delfin gemeinsam?
Leiten Sie die Untersuchung…und sobald Sie den Prozentsatz der Gene haben, die zwischen Menschen und den verschiedenen Arten ortholog sind, versuchen Sie ihre Ergebnisse in einem ähnlichen Baum wie diesem darzustellen:
Beispiele für Daten
Prozentsatz der Gene, die zu denen des Menschen ortholog sind
| Hund | Katze | Stechmücke | Hefe | Hühnchen | Delfin | Schimpanse | Fruchtfliege | Seepferdchen |
| 94,4 % | 94,3 % | 45,7 % | 37,5 % | 83,8 % | 95,6 % | 97,8 % | 45,2 % | 74,8 % |
Aktivität 3. Lasst uns 5 verschiedene Arten vergleichen…
Nehmen wir unser Beispiel noch einmal, aber diesmal mit 5 Arten: E.coli (ein Bakterium), Fruchtfliege, Banane, Mensch und Maus.
Jede Murmel repräsentiert 1000 Gene. Die Gesamtzahl der Gene und die Gesamtzahl der gemeinsamen Gene (Orthologe) sind proportional zu den realen Daten.
Die verschiedenfarbigen Murmeln stellen Gene dar, die verschiedenen Artengruppen gemeinsam sind oder die für eine einzelne Art spezifisch sind.
Fragen
- Welche Art hat die meisten Gene?
- Welche Art hat die wenigsten Gene?
- Wenn jede Murmel ungefähr 1000 Gene darstellt, wie viele Gene gibt es dann im menschlichen Genom?
- Wie viele Gene sind allen diesen Arten gemeinsam?
– Wie heisst der letzte gemeinsame Vorfahre aller Arten?
– Können Sie sich einige ‘universelle’ gemeinsame biologische Funktionen vorstellen? - Wie hoch ist der Anteil an Genen, die für Menschen (Primaten) spezifisch sind?
- Zu welcher grossen Artengruppe(n) könnten die blauen Murmeln, die grünen Murmeln und die lila Murmeln gehören?
- Wie viel Prozent der Gene haben Menschen und Bananen und Bananen und Menschen gemeinsam?
- Welche Arten sind sich in Bezug auf die Anzahl gemeinsamer Gene (Orthologs) am ähnlichsten?
– Was bedeutet das für die wissenschaftliche Forschung? - Erstellen Sie einen Stammbaum basierend auf der Anzahl gemeinsamer Gene (Orthologe).
Antworten & Erklärungen
- Die Banane ist die Art mit der höchsten Anzahl an Genen.
- Bakterien sind die Art mit der geringsten Anzahl an Genen.
- Das menschliche Genom enthält etwa 20 000 Gene (20 430 laut OMA)
- 1 rote Murmel oder etwa 1000 Gene sind all diesen Arten gemeinsam.
– Der Name für den gemeinsamen Vorfahren aller Organismen lautet LUCA (Last Unique Common Ancestor).
– Die universellen biologischen Funktionen sind zum Beispiel: Proteinsynthese, DNA-Replikation, Energiegewinnung, … - Etwa 1000 Gene / 20 000 (5 %) sind spezifisch für Menschen (Primaten). Diese Gene kodieren beispielsweise für Proteine, die an der Entwicklung von Neuronen beteiligt sind.
- Die blauen Murmeln stellen Gene dar, die Säugetieren gemeinsam sind; die grünen Murmeln gemeinsame Gene der Bilaterianer (Organismen mit Links-Rechts-Symmetrie); die lila Murmeln Gene, die Eukaryoten gemeinsam sind.
- 5 / 20 Murmeln (25 %) für Menschen; 10 / 37 Murmeln (27 %) für Banane.
- Mensch und Maus sind die ähnlichsten Arten in Bezug auf die Anzahl gemeinsamer Gene (Orthologe): zwischen 90 und 95 % ihrer Gene sind Orthologe.
– Die Maus wird häufig als biologisches Modell für die biomedizinische Forschung eingesetzt, beispielsweise bei der Suche nach neuen Medikamenten. - Stammbaum:
Beispiele für Gene und biologische Funktionen, die verschiedenen Artengruppen gemeinsam sind
| Ebene | Bakterien (E.coli) | Banane | Fruchtfliege |
Menschen | Maus | Biologische Funktion |
| LUCA | rplE | N/A | RL11 | RL11 | RL11 | Proteinsynthese (ribosomales Protein) |
| LUCA | groL | N/A | Hsp60B | CCT2 | CCT2 | Proteinfaltung (Chaperone) |
| LUCA | sucC | A0A804K6R6 | ScsbetaG | Sucla2 | Sucla2 | Energieproduktion (ATP) |
| Eukaryoten | – | N/A | SMU1 | SMU1 | SMU1 | mRNA-Reifung (Spleissen) |
| Eukaryoten | – | N/A | mei-W68 | Gos28 | Gos28 | Proteintransport innerhalb von Organellen |
| Mammals | – | – | – | SPATA31E1 | Gm30302 | Spermienproduktion |
| Säugetiere | – | – | – | IGKV2-24 | Gm20730 | Antikörper |
| Insekten | – | – | Acp36DE | – | – | an Verhaltensänderungen bei begatteten weiblichen Fliegen beteiligt |
| Insekten | – | – | Or33b | – | – | Geruchsrezeptor |
| Primaten | – | – | – | NPW | – | Neuropeptid, das an der Stimulierung des Wassertrinkens und der Nahrungsaufnahme beteiligt ist. |
Hinweis: Gennamen können von Art zu Art unterschiedlich oder noch nicht vergeben sein (N/A).
Um mehr über diese Gene und die entsprechenden Proteine zu erfahren, klicken Sie auf die Links, die Sie zur UniProtKB-Datenbank führen.
