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Yellow dots

Bananensplit
- Jetzt sind Sie dran

Die Suche nach Murmeln!

Dauer der Aktivität: 30 Minuten
Empfohlenes Alter: ab 11 Jahren
Material: Murmeln in verschiedenen Farben (mindestens 9 verschiedene Farben), 7 Gläser und ein Taschenrechner.
Comparative genomicsQuest for orthologs

Bananensplit

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 werdet ihr 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 seht euch 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

EIN BISSCHEN BIOINFORMATIK > Wie findet man Orthologe?

BANANENSPLIT – Geschichte

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 1.000 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: Berechnet die Anzahl orthologer Gene.

Vergleichen wir Menschen mit Bananen.

Menschen haben ~ 20.430 Gene (20 Murmeln), von denen ~ 4.963 (5 gelbe Murmeln) ortholog zur Banane sind.

Die Banane hat ~36.439 Gene (36 Murmeln), von denen ~9.518 (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.

Human Banana Marbles Jar

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 ~ 6,762 (7 blaue Murmeln) ortholog zu denen der Hefe sind.

Hefe hat ~6,352 Gene (6 Murmeln), von denen ~2,633 (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 Vorfahr von Mensch und Hefe lebte ‘vor weniger langer Zeit’ als der von Mensch und Banane!

Laut der Website  www.timetree.org lebte der gemeinsame Vorfahr des Menschen (Homo sapiens) und der Hefe (Saccharomyces cerevisiae) vor ungefähr 1,105 MYA (Millionen von Jahren), während der gemeinsame Vorfahr des Menschen und der Banane (Musa acuminata) vor ungefähr 1,496 MYA lebte!

Aktivität 2. Vergleicht die Arten eurer Wahl…

und erstellt 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?

Leitet die Untersuchung…und sobald ihr den Prozentsatz der Gene habt, die zwischen Menschen und den verschiedenen Arten ortholog sind, versucht eure 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

  1. Welche Art hat die meisten Gene?
  2. Welche Art hat die wenigsten Gene?
  3. Wenn jede Murmel ungefähr 1000 Gene darstellt, wie viele Gene gibt es dann im menschlichen Genom?
  4. Wie viele Gene sind allen diesen Arten gemeinsam?
    – Wie heißt der letzte gemeinsame Vorfahre aller Arten?
    – Könnt ihr euch einige ‘universelle’ gemeinsame biologische Funktionen vorstellen?
  5. Wie hoch ist der Anteil an Genen, die für Menschen (Primaten) spezifisch sind?
  6. Zu welcher großen Artengruppe(n) könnten die blauen Murmeln, die grünen Murmeln und die lila Murmeln gehören?
  7. Wie viel Prozent der Gene haben Menschen und Bananen und Bananen und Menschen gemeinsam?
  8. Welche Arten sind sich in Bezug auf die Anzahl gemeinsamer Gene (Orthologs) am ähnlichsten?
    – Was bedeutet das für die wissenschaftliche Forschung?
  9. Erstellt einen Stammbaum basierend auf der Anzahl gemeinsamer Gene (Orthologe).

Antworten & Erklärungen

  1. Die Banane ist die Art mit der höchsten Anzahl an Genen.
  2. Bakterien sind die Art mit der geringsten Anzahl an Genen.
  3. Das menschliche Genom enthält etwa 20,000 Gene (20,430 laut OMA)
  4. 1 rote Murmel oder etwa 1,000 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,…
  5. Etwa 1,000 Gene / 20,000 (5%) sind spezifisch für Menschen (Primaten). Diese Gene kodieren beispielsweise für Proteine, die an der Entwicklung von Neuronen beteiligt sind.
  6. 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.
  7. 5 / 20 Murmeln (25%) für Menschen; 10 / 37 Murmeln (27%) für Banane.
  8. 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.
  9. 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.

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