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Biologically-motivated probabilistic evolutionary models and their use for genomic analyses

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Ein molekularer Blick auf die Evolution 

Veränderungen im DNA-Code sind die Basis des evolutionären Wandels. Eine europäische Studie untersucht nun kleine DNA-Veränderungen, die zwar keinen Einfluss auf Proteine haben, aber dennoch für die Genfunktion wichtig sind.

Gesundheit

Ein Codon ist ein Basentriplett, das für eine einzelne Aminosäure kodiert und aus drei Nukleotiden besteht. Eine sogenannte synonyme oder stille Substitution in dieser Einheit hat keine Wirkung auf die Aminosäure, die es kodiert. Die nicht-synonyme Substitution bewirkt Veränderungen der Aminosäure und hat daher größeren Einfluss auf die Selektion und damit Evolution. Das EU-finanzierte Forschungsprojekt REALISTIC CODON MODE (Biologically-motivated probabilistic evolutionary models and their use for genomic analyses) sollte ein Evolutionsmodell entwickeln und die bisherige Annahme widerlegen, dass alle synonymen Substitutionsraten für alle Sequenzorte gleich sind. Anhand dieses Modells lassen sich dann Effekte der Selektion auf Nukleotidebene bestimmen. Durch Verknüpfung von Evolutionsbiologie und Genomik können Anpassungsprozesse bis hinunter auf Molekülebene untersucht werden. In der ersten Projektphase wurde das Evolutionsmodell eines Codons fertiggestellt. Verwendung des Modells zeigte, dass es bei der Basisrate der DNA/RNA-Substitutionsrate in der kodierenden Datensequenz von Wirbeltieren eine verbreitete Variation gibt. Dies spiegelt wahrscheinlich unterschiedliche Selektionsgrade auf der Nukleotidebene wieder. Die Projektforscher erweiterten das Codon-Modell und entwickelten ein Mischmodell, das die genauen Orte für das jeweilige Merkmal aufzeigt. Tests der Genauigkeit des neuen Modells mit Simulationsmodellen ergaben, dass diese steigt, je mehr Daten verfügbar sind (etwa zur Baumgröße). Das Modell wurde auf die Genomevolution des Human Immunodeficiency Virus Typ 1 angewandt. Die Forscher entwickelten ein validiertes Werkzeug, um funktionelle DNA-Sequenzen innerhalb Protein-kodierender Bereiche zu vorherzusagen. Zudem bestätigten Analysen des Ks-Verhältnis das Vorhandensein von DNA-Regionen, die zwar offenbar keine Funktion haben, aber unter Selektionsdruck stehen. Mutageneseexperimente für eine dieser Regionen im Gen Pol ergaben keinen eindeutigen Effekt auf die virale Replikation. Über den Projektzeitraum von REALISTIC CODON MODE wurden 12 Diplomanden, 5 Doktoranden und 3 Post-Doktoranden in diesem Bereich ausgebildet. Ähnliche Untersuchungen mit diesen wahrscheinlichkeitsbasierten Evolutionsmodellen an der Universität Tel Aviv wurden auf mehreren internationalen Konferenzen vorgestellt.

Schlüsselbegriffe

Entwicklung, Selektion, Codon, Substitution, Artenanpassung, wahrscheinlichkeitsbasiertes Evolutionsmodell

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