Letzte Aktualisierung: November 2021
Comparative genomicsQuest for orthologs
Bananensplit - Geschichte
Wussten Sie, dass wir ungefähr 98 % unserer Gene mit Schimpansen teilen? Aber wie viele mit der Banane?
Hintergrund
Wir teilen etwa 98 % unserer Gene mit den Schimpansen. Schimpansen werden oft als unsere nächsten ‘Cousins’ betrachtet. Das scheint jedem klar zu sein, der den Film Planet der Affen gesehen hat: Schimpansen und Menschen haben viele Eigenschaften gemeinsam.
Aber wussten Sie, dass wir auch einige unserer Gene mit der Banane teilen? Die Existenz dieser gemeinsamen Gene ist ein Beweis für die Verwandtschaft, die zwischen allen lebenden Organismen besteht.
Mensch, Schimpanse und Banane
Menschen und Schimpansen haben einen grossen Anteil von gemeinsamen Genen, weil sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, der vor etwa 6 Millionen Jahren lebte.
Die gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Banane lebten vor etwa 1,5 Milliarden Jahren – kurz vor dem ‘Bananensplit’.
Es ist also zu erwarten, dass Mensch und Banane deutlich weniger gemeinsame Gene haben!
Wie viel Prozent Banane sind Sie?
Eine einfache Suche im Internet führt Sie zu zahlreichen Websites, die erwähnen, dass Mensch und Banane zwischen 17 % und 50 % der DNA gemeinsam haben.
Ist das richtig? Warum sind die Werte so unterschiedlich? Was bedeutet es, wenn wir von “Prozentsatz gemeinsamer DNA” sprechen? Wie kann dieser Prozentsatz berechnet werden?
Quelle: "Neil Saunders: 50% banana" - "Do humans share 50 % of their DNA with bananas?" - "The banana conjecture"
Gemeinsame DNA … oder gemeinsame Gene?
Eine Möglichkeit, um den Prozentsatz der gemeinsamen DNA zwischen Mensch und Banane zu berechnen wäre, die beiden Genome in ihrer Gesamtheit untereinander aufzureihen. Wir könnten also ALLE 3 Milliarden Buchstaben A, T, C und G der menschlichen Genomsequenz mit ALLEN 472 Millionen Buchstaben A, T, C und G der Bananengenomsequenz vergleichen und so den Prozentsatz der Ähnlichkeit bestimmen.
Diese Vergleiche wurden durchgeführt, indem das menschliche Genom mit dem vollständigen Genom anderer Arten verglichen wurde. Das Ergebnis: Beim Vergleich ganzer Genome ähnelt das menschliche Genom zu 91 % dem des Schimpansen, zu 33 % dem der Maus und zu 1 % dem des Zebrafischs.
Quelle: Ensembl Compara (Human-Chimp, Human-Mouse, Human-Zebrafish)
Je weiter entfernt zwei Arten vom Standpunkt der Evolution aus sind, desto kleiner ist der Teil ihrer Genome, der direkt verglichen werden kann. Für Pflanzen beträgt dieser Prozentsatz somit weniger als 1 %.
Das gesamte menschliche Genom mit dem der Banane (das ca. 6-mal kleiner ist) in Einklang zu bringen, ist daher eine entmutigende Aufgabe…und in unserem Fall nicht unbedingt sinnvoll.
Wieso denn?
Ähnlich wie die verschiedenen Kapitel in einem Rezeptbuch, bestehen Genome aus verschiedenen Regionen, die jeweils eine spezifische biologische Funktion haben. In den Genomen verschiedener Arten sind diese Regionen nicht unbedingt in der gleichen Reihenfolge angeordnet. Einige wurden verdoppelt, andere sind im Laufe der Zeit verschwunden. Und es gilt, Vergleichbares zu vergleichen.
Um auf das Rezeptbuch zurückzukommen, es wäre sinnlos, das von Auguste Escoffier vorgeschlagene Rezept eines Schokoladenkuchens mit dem Rezept für Mayonnaise oder Bananensplit von Paul Bocuse zu vergleichen, selbst wenn sie auf derselben Seite stünden!
Aber vor allem entwickeln sich nicht alle Regionen eines Genoms gleich schnell! Die für Proteine kodierenden Regionen, die Gene – und insbesondere die als Exons bezeichneten Regionen der Gene – unterliegen einem grösseren Selektionsdruck und akkumulieren im Laufe der Zeit weniger Mutationen als die Regionen des Genoms, die zwischen den Genen oder in Introns liegen.
Die kodierenden Regionen – und insbesondere die Exons – sind daher im Allgemeinen stärker konserviert zwischen den Arten. Sie entsprechen einem sehr kleinen Prozentsatz der DNA-Sequenz des gesamten Genoms (weniger als 2 % beim Menschen), aber sie sind vergleichbar, und ihr Vergleich ermöglicht es, den höchsten Prozentsatz an Konservierung zu erhalten…und dieser Prozentsatz ist derjenige, der am meisten Sinn macht in unserer Geschichte!
Diese Berechnungen des ‘% der DNA-Sequenz von Exons beim Menschen, die mit der DNA-Sequenz von Exons in anderen Arten abgeglichen werden können (% Abdeckung)’ wurden für die folgenden Arten durchgeführt: Mensch-Schimpanse (~100 %), Mensch-Maus (97 %) und Mensch-Zebrafisch (58 % ).
Um den Prozentsatz gemeinsamer DNA zwischen Mensch und Banane zu berechnen, haben wir uns entschieden, die Anzahl der Gene zu bestimmen, die beiden Arten ‘gemeinsam’ sind. Diese Gene, die beiden Arten gemeinsam sind, werden Orthologe genannt.
Die Suche nach Orthologen zwischen Mensch und Banane
Die von uns verwendeten Programme zum Nachweis von Orthologen vergleichen nicht die DNA-Sequenzen von Genen (Exons), sondern die Aminosäuresequenzen der entsprechenden Proteine. Jedes Gen ist einer ‘repräsentativen’ Proteinsequenz zugeordnet, was es ermöglicht, von der Anzahl der orthologen Proteine auf die Anzahl der orthologen Gene zu schliessen.
Wir verglichen 20 430 menschliche Proteinsequenzen paarweise mit 36 439 Proteinsequenzen der Banane.
Wir haben dann drei bioinformatische Methoden ausprobiert, um Orthologe zu finden: OMA, OrthoInspector, und BLAST.
Bei allen verwendeten bioinformatischen Methoden bestimmt die Ähnlichkeit zwischen den Sequenzen (und mehrere statistische Kriterien), ob zwei Gene in verschiedenen Arten Orthologe sind.
Hier ist ein Teil der paarweisen Anreihung zwischen einem menschlichen Protein und einem Protein der Banane, die ‘Orthologe’ sind (Gen TUBB8). Findet die Unterschiede! (Quelle)
Wir haben dann die Anzahl der gefundenen Orthologe durch die Gesamtzahl der Gene im Genom jeder der beiden Arten geteilt und den Durchschnitt genommen, um den Prozentsatz gemeinsamer Gene zu erhalten.
Beispiel einer Berechnung:
Jeder Kreis repräsentiert ~ 1000 Gene.
Die gelben Kreise stellen die Gene dar, die Mensch und Banane gemeinsam haben.
Frage:
1. Wie viel Prozent der menschlichen Gene stimmen mit den Genen der Banane überein?
2. Wie viel Prozent der Bananengene sind den Genen des Menschen gemeinsam?
Jedes Gen kann in einer anderen Spezies in mehreren Kopien vorhanden sein: Das ist der Grund, warum die Anzahl der gelben Kreise (Orthologe) beim Menschen und bei der Banane nicht gleich ist!
Antwort
5000 Gene / 20 000, also 25 % der menschlichen Gene sind ‘gemeinsam’ mit denen der Banane.
9000 Gene / 36 000, also 25 % der Bananengene sind ‘gemeinsam’ mit denen des Menschen.
Für die Berechnungen haben wir uns entschieden, den Durchschnitt dieser 2 Prozentsätze zu nehmen.
Ergebnisse der Experten
Je nach verwendeter Methode haben Menschen und Bananen zwischen 3400 und 4900 gemeinsame Gene. Das entspricht zwischen 17 % und 25 % der menschlichen Gene.
Wir haben 98 % der Gene gemeinsam mit dem Schimpansen, 94 % der Gene gemeinsam mit der Maus, 72 % der Gene gemeinsam mit dem Zebrafisch …. Und somit etwa 25 % der Gene gemeinsam mit der Banane (OMA-Methode).
Obwohl weniger als 2 % des menschlichen Genoms (kodierende Regionen/Exons) analysiert wurden, um diesen Prozentsatz der Konservierung zu berechnen, ist diese Zahl nicht zu vernachlässigen!
Es bedeutet, dass die orthologen Gene von Mensch und Banane während 1,5 Milliarden Jahren Evolution konserviert blieben!
Was ist die Funktion von Mensch/Bananen-Orthologen?
Wir haben uns die Funktion angesehen, die mit jedem der orthologen Gene verbunden ist. Diese Informationen finden sich in einer spezialisierten Datenbank wie UniProtKB.
Wenig überraschend sind die gemeinsamen Proteine von Mensch und Banane vor allem an grundlegenden Stoffwechselprozessen beteiligt, wie der Genexpression, dem Fettstoffwechsel oder der Modifikation von RNA (Spleissen).
Obwohl sich Menschen und Bananen vor 1.5 Milliarden Jahren von einander 'abgespalten' haben (der 'Bananensplit'), sind bemerkenswerterweise 25 % unserer Gene ähnlich geblieben. Diese gemeinsamen Gene sind für die biologischen Funktionen verantwortlich, die für das Leben aller eukaryotischen Organismen wesentlich sind. Das ist verrückt!
