Evolution von Krankheitsserregern (Wahl Mikrobiologie) - Cheatsheet.pdf

Mutation und genetische Diversität bei Krankheitserregern

Definition:

Mutation: Änderungen im genetischen Material. Genetische Diversität: Vielfalt der Gene in einer Population von Krankheitserregern.

Details:

• Mutationen = Punktmutationen, Deletionen, Insertionen, Duplikationen, Umlagerungen.
• Ursachen: Fehler bei Replikation, Umwelteinflüsse, horizontale Genübertragung.
• Folgen: Anpassung an Wirt, Resistenz gegen Medikamente.
• Genetische Diversität = erhöhte Überlebensfähigkeit und Anpassungsfähigkeit.
• Evolutionsdruck durch Wirtsimmunität und Medikamenteneinsatz.
• Berechnung der Mutationsrate: \( \text{Mutationsrate} = \frac{\text{Anzahl der Mutationen}}{\text{Anzahl der Replikationszyklen}} \)
• Neutrale, schädliche, nützliche Mutationen -> Selektion.

Horizontale Gentransfer (HGT) und seine Rolle in der bakteriellen Evolution

Definition:

Horizontale Gentransfer (HGT): Übertragung genetischen Materials zwischen Organismen durch Mechanismen wie Transformation, Transduktion und Konjugation.

Details:

• Mechanismen:
• Transformation: Aufnahme freier DNA aus der Umgebung
• Transduktion: DNA-Transfer durch Bakteriophagen
• Konjugation: Plasmidtransfer durch direkten Zellkontakt
• Rolle in Evolution:
• Schnelle Anpassung und Erwerb neuer Eigenschaften
• Verbreitung von Antibiotikaresistenzen
• Erhöhung der genetischen Diversität

Koevolution von Wirten und Erregern

Definition:

Gegenseitige Anpassung von Wirten und Erregern über Zeit.

Details:

• Selektion bewirkt evolutionäre Veränderungen bei beiden Seiten.
• Dynamik von Resistenz- und Virulenzfaktoren.
• Red Queen Hypothese: kontinuierliche Entwicklung nötig, um relative Fitness zu erhalten.
• Arms Race: Eskalation von Abwehrmechanismen und Offensivstrategien.
• Genetik und Umwelt beeinflussen Koevolution.
• Beispiel: Antibiotikaresistenz bei Bakterien.

Genetische Drift und Shift bei Viren

Definition:

Genetische Drift: zufällige Änderungen in der Häufigkeit von Genvarianten in einer Population. Genetischer Shift: größere genetische Veränderungen durch Neuassortierung oder Rekombination von Genomen.

Details:

• Genetische Drift
• Zufällige Mutationen
• Veränderungen oft klein und kontinuierlich
• Bsp.: Influenza A Virus
• Genetischer Shift
• Rekombination oder Neuassortierung
• Schnelle, große Veränderungen
• Meist durch Zoonosen
• Bsp.: Pandemie Influenza

Mechanismen der Antibiotikaresistenz

Definition:

Mechanismen, durch welche Bakterien Antibiotika neutralisieren oder ihre Wirkung umgehen. Wichtig für das Verständnis der Evolution und Ausbreitung von Krankheitsserregern.

Details:

• Enzymatische Deaktivierung: Produktion von Enzymen, die Antibiotika zerstören (z.B. Beta-Laktamasen).
• Zielmodifikation: Veränderung der Zielstruktur des Antibiotikums (z.B. Veränderungen in Ribosomen durch Punktmutationen).
• Effluxpumpen: Aktive Ausweisung von Antibiotika aus der Bakterienzelle.
• Permeabilitätsbarrieren: Veränderung der Zellwandstruktur zur Verringerung der Antibiotikapenetration.
• Mutationen und Horizontaler Gentransfer: Übertragung von Resistenzgenen zwischen Bakterienarten durch Konjugation, Transformation oder Transduktion.
• Biofilm-Formation: Bildung von Biofilmen, die Antibiotikaresistenz durch physikalische Barrieren und veränderte mikrobielle Physiologie erhöhen.

Rekombination und reassortment von Virengenomen

Definition:

Rekombination: Austausch genetischen Materials zw. 2 Virusgenomen; Reassortment: Austausch von Genompaketen zw. segmentierten Viren

Details:

• Rekombination: häufig bei RNA-Viren, führt zu genetischer Vielfalt
• Reassortment: Bei Viren mit segmentierten Genomen (z.B. Influenza)
• Wichtig für die Evolution und Anpassung von Viren
• Kann zu neuen Pathogenitäten und Wirtspezifitäten führen
• Häufig bei Co-Infektionen von Wirtszellen
• Mechanismus: Homologe Rekombination, Nicht-Homologe Rekombination

Biofilmbildung und deren evolutionäre Vorteile

Definition:

Biofilmbildung ist die Fähigkeit von Mikroorganismen, auf Oberflächen anzuhaften und eine schützende Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) zu bilden.

Details:

• Schutz vor Antibiotika und Immunabwehr
• Erhöhte Nährstoffaufnahme
• Genetischer Austausch gefördert
• Stabilere Umweltbedingungen
• Ermöglicht Persistenz in unwirtlichen Umgebungen

Fallstudien zu aktuellen Ausbrüchen, z.B. COVID-19

Definition:

Analysiere spezifische Krankheitsausbrüche zur Untersuchung von Übertragungsmustern, Mutationen und Auswirkungen von Maßnahmen.

Details:

• Aufbau und Analyse von Genomdaten zur Nachverfolgung von Mutationen.
• Untersuchung der Übertragungswege und Super-Spreader-Ereignisse.
• Bewertung der Effektivität von Gesundheitsmaßnahmen (z.B. Lockdowns, Impfungen).
• Modellierung von Ausbreitung und Kontrollmaßnahmen durch epidemiologische Modelle.
• Vergleichende Analysen verschiedener Länder und Regionen zur Bestimmung effektiver Strategien.
• Untersuchung der Immunantwort und Langzeitfolgen von Infektionen.