Artbildung: von Populationsgenetik zu Phylogenetik (Wahl Genomik/Biostatistik) - Cheatsheet.pdf

Natürliche Selektion und Adaptation

Definition:

Prozess, durch den Organismen mit vorteilhaften Merkmalen wahrscheinlicher überleben und sich fortpflanzen.

Details:

• Natürliche Selektion erhöht Allelfrequenzen, die die Fitness steigern.
• Adaptation: Anpassung eines Organismus an seine Umwelt durch Selektion vorteilhafter Merkmale.
• Formel (Fitness w): \[ w = \frac{\text{Lebensfähigkeit} \times \text{Fruchtbarkeit}}{\text{Durchschnittliche Fitness in der Population}} \]
• Selektionskoeffizient (s): \[ s = 1 - w \]
• Stabilisierende, gerichtete und disruptive Selektion als Haupttypen.
• Adaptationsprozesse führen zu evolutionären Veränderungen und Artenbildung.

Hardy-Weinberg-Gleichgewicht

Definition:

Gleichgewichtszustand in einer idealen Population, in dem die Allelfrequenzen von Generation zu Generation konstant bleiben.

Details:

• Keine Mutation, Migration, Selektion.
• Zufällige Paarung.
• Große Population.
• Genotypfrequenzen: \(p^2, 2pq, q^2\)
• Allelfrequenzen: \(p + q = 1\)

Maximum Likelihood und Bayesian-Methoden

Definition:

Methoden zur Schätzung von Evolutionsmodellen und phylogenetischen Bäumen.

Details:

• Maximum-Likelihood-Methode: Findet die Parameter, die die Beobachtungswahrscheinlichkeiten maximieren.
• Formel: \(\theta_{ML} = \text{argmax}_\theta L(\theta|x)\)
• Bayes'sche Methoden: Nutzen Vorwissen (Prior) und Daten (Likelihood), um die Posterior-Verteilung zu berechnen.
• Formel: \(\text{Posterior} = \frac{\text{Likelihood} \times \text{Prior}}{\text{Evidenz}}\)
• Vergleich: ML fokussiert auf Punktparameterwerte, Bayes auf Verteilungen.

Techniken der Genomsequenzierung

Definition:

Methoden zur Bestimmung der Nukleotidsequenz in der DNA.

Details:

• Sanger-Sequenzierung: Kettenabbruchmethode, gute Genauigkeit, begrenzte Fragmente.
• Nächste-Generation-Sequenzierung (NGS): hohe Durchsatzrate, parallelisierte Ausführung, z.B. Illumina, Roche 454.
• Dritte-Generation-Sequenzierung: Einzelmolekül-Sequenzierung, lange Reads, z.B. PacBio, Nanopore.
• Anwendungen: Genomik, Diagnostik, Evolution, Populationsgenetik, Phylogenetik.
• Fehlerquellen: Durchsatz, Genauigkeit, Bias, Leseabdeckung.

Probabilistische Modelle und Hypothesentests

Definition:

Verwendung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen, um genetische Daten zu modellieren und Hypothesen über die Evolution und Artbildung zu testen.

Details:

• Wahrscheinlichkeitsverteilungen: z.B. Binomial-, Poisson- oder Normalverteilung.
• Hypothesentests: z.B. p-Wert, Konfidenzintervall, Fehler 1. und 2. Art.
• Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE): Verfahren zur Schätzung von Modellparametern.
• Bayes'sche Methoden: Integration von Vorwissen und Daten zur Modellanpassung.
• Anwendung: Modellierung von Populationsstrukturen, Testen von Selektionshypothesen, Konstruktion phylogenetischer Bäume.
• Wichtige Formel:
  • Likelihood-Funktion: \[ L(\theta) = P(Daten|\theta) \]

Sexuelle Selektion und Fortpflanzungsstrategien

Definition:

Prozess, bei dem Individuen bestimmte Partner wählen, basierend auf attraktiven Merkmalen, die den Fortpflanzungserfolg erhöhen.

Details:

• Intersexuelle Selektion: Wahl des Geschlechtspartners durch Präferenzen (z.B. Pfauenschwanz).
• Intrasexuelle Selektion: Konkurrenz zwischen Individuen desselben Geschlechts (z.B. Geweih der Hirsche).
• Fortpflanzungsstrategien: Monogamie, Polygamie (Polygynie, Polyandrie), Promiskuität.
• Energieaufwand und -aufteilung: Investition in Nachwuchs, Geschlechterunterschiede.
• Theorie: Handicap-Prinzip (teure Merkmale signalisieren Fitness), Gute-Gene-Hypothese (attraktive Merkmale als Indikator für genetische Qualität).

Genfluss und Migration

Definition:

Genfluss: Austausch von Genen zwischen Populationen durch Migration.

Details:

• Verhindert genetische Divergenz zwischen Populationen.
• Fördert genetische Vielfalt.
• Migration: Bewegung von Individuen zwischen Populationen.
• Mathematisch dargestellt durch Migration Rate m und Frequenzänderung p(t+1):

\[ p(t+1) = (1-m) p(t) + m p_m \]

Konstruieren und Interpretieren von Stammbaumen

Definition:

Erstellen und Analysieren von phylogenetischen Bäumen, um die evolutionären Beziehungen zwischen Arten oder Genen zu verstehen.

Details:

• Wurzel: Gemeinsamer Vorfahr
• Knoten: Divergenzpunkte
• Äste: Evolutionäre Wege
• Blätter: Repräsentieren existierende Arten oder Sequenzen
• Parsimony: Prinzip der geringsten Veränderung
• Maximum Likelihood: Wahrscheinlichkeitsbasierte Methode
• Bayesian Inference: Wahrscheinlichkeit und Priorwissen
• Bootstrapping: Statistische Validierung