Evolution von Krankheitsserregern (Wahl Mikrobiologie) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Stelle Dir eine Population von bakteriellen Krankheitserregern vor, die einer Antibiotikabehandlung ausgesetzt ist. In dieser Population tritt eine hohe genetische Diversität auf, die durch Mutation und andere Mechanismen erreicht wird. Du bist beauftragt, die evolutionären Mechanismen zu untersuchen, die es diesen Bakterien ermöglichen, unter solchen Bedingungen zu überleben und sich anzupassen.

a)

Teilaufgabe 1: Berechne die Mutationsrate in einer Population, in der 40 Mutationen über 1.000 Replikationszyklen beobachtet wurden. Diskutiere, welchen Einfluss Mutationen auf die Anpassungsfähigkeit der Krankheitserreger in vielschichtigen Umweltbedingungen wie Antibiotikabehandlungen haben können.

Lösung:

Teilaufgabe 1: Um die Mutationsrate in einer Population von bakteriellen Krankheitserregern zu berechnen, in der 40 Mutationen über 1.000 Replikationszyklen beobachtet wurden, können wir die Mutationsrate als Anzahl der Mutationen pro Replikationszyklus definieren.

• Beobachtete Mutationen: 40
• Anzahl der Replikationszyklen: 1.000

Die Mutationsrate (\text{rate}) kann wie folgt berechnet werden:

\[ \text{rate} = \frac{\text{Anzahl der Mutationen}}{\text{Anzahl der Zyklen}} = \frac{40}{1000} = 0.04 \]

• Die Mutationsrate beträgt also 0.04 Mutationen pro Replikationszyklus.

Diskussion über den Einfluss von Mutationen:

• Mutationen sind eine wesentliche Quelle genetischer Diversität. Sie erzeugen Varianten, die dann durch natürliche Selektion beurteilt werden können.
• In vielschichtigen Umweltbedingungen wie Antibiotikabehandlungen können Mutationen den Bakterien helfen, Resistenzen zu entwickeln. Dazu gehören unter anderem:
• Veränderungen in den Zielstrukturen der Antibiotika, die deren Wirksamkeit verringern
• Mechanismen, die das Eindringen von Antibiotika in die Zelle verhindern
• Enzyme, die die Antibiotika abbauen oder inaktivieren
• Einige Mutationen können neutrale oder negative Effekte haben, aber in der Gegenwart eines selektiven Drucks (wie Antibiotika) werden diejenigen Varianten begünstigt, die Überlebensvorteile bieten.
• Da Bakterien oft schnelle Reproduktionsraten haben, können vorteilhafte Mutationen schnell in der Population vorherrschen.
• Daher spielen Mutationen eine entscheidende Rolle bei der Anpassungsfähigkeit und dem Überleben von bakteriellen Krankheitserregern in sich ständig ändernden Umweltbedingungen.

b)

Teilaufgabe 2: Diskutiere den Einfluss der genetischen Diversität auf die Überlebensfähigkeit und die Anpassung von Krankheitserregern. Beziehe Dich dabei auf mindestens drei verschiedene Typen von Mutationen (Punktmutationen, Deletionen, Insertions) und deren mögliche Folgen in Bezug auf die Resistenzbildung.

Lösung:

Teilaufgabe 2: Der Einfluss der genetischen Diversität auf die Überlebensfähigkeit und die Anpassung von Krankheitserregern ist erheblich. Genetische Diversität erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass in einer Population Individuen existieren, die unter speziellen Umweltbedingungen überleben können. Zum Beispiel kann eine hohe genetische Diversität durch Mutationen erzeugt werden. Drei verschiedene Arten von Mutationen sind: Punktmutationen, Deletionen und Insertionen. Jede dieser Mutationen kann unterschiedliche Folgen haben, insbesondere in Bezug auf die Resistenzbildung gegen Antibiotika.

• Punktmutation: Eine Punktmutation ist eine Veränderung eines einzelnen Nukleotids in der DNA-Sequenz. Ein Beispiel wäre der Austausch eines Adenins (A) gegen ein Guanin (G). Die Folgen einer Punktmutation können unterschiedlich sein:
• Stille Mutation: Diese hat keine Auswirkung auf das Protein, da die betroffene Codon-Stelle für die gleiche Aminosäure kodiert.
• Missense-Mutation: Diese führt zu einer anderen Aminosäure im Protein, was dessen Funktion verändern kann. Dies könnte zur Bildung eines resistenten Proteins führen, das die Wirkung des Antibiotikums umgehen kann.
• Nonsense-Mutation: Diese erzeugt ein Stopp-Codon, was zu einem vorzeitigen Abbruch der Proteinsynthese führt. Dies kann das Bakterium schwächen, aber gelegentlich könnte dies die Erkennung durch das Antibiotikum verhindern.
• Deletion: Deletionen sind der Verlust eines oder mehrerer Nukleotide in der DNA-Sequenz. Die Folgen können variieren:
• Rahmenverschiebung: Wenn die Anzahl der gelöschten Nukleotide nicht durch drei teilbar ist, verschiebt sich das Leseraster und es wird ein völlig anderes Protein gebildet. Dies könnte zu einer kompletten Funktionsänderung führen, einschließlich der Möglichkeit zur Resistenz.
• Wenn genau drei oder ein Vielfaches von drei Nukleotiden gelöscht werden, bleibt das Leseraster erhalten, aber es fehlen einzelne oder mehrere Aminosäuren. Dies kann ebenfalls die Proteinstruktur und -funktion ändern und möglicherweise die Anfälligkeit für Antibiotika beeinflussen.
• Insertion: Insertionen fügen ein oder mehrere Nukleotide in die DNA-Sequenz ein. Die Folgen von Insertionen sind:
• Rahmenverschiebung: Ähnlich wie bei Deletionen führt eine Insertion von nicht durch drei teilbaren Nukleotiden zu einer Rahmenverschiebung, was zur Bildung eines vollständig anderen Proteins führt. Dies könnte unbeabsichtigterweise eine Resistenzausprägung ermöglichen.
• Einfügen von drei oder einem Vielfachen von drei Nukleotiden: Dies führt zur Hinzufügung von zusätzlichen Aminosäuren, was die Proteinstruktur und -funktion ändern kann. Dies könnte dazu führen, dass das Antibiotikum nicht mehr effektiv ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass genetische Diversität durch Mutationen wie Punktmutationen, Deletionen und Insertionen ermöglicht wird. Diese Mutationen können die Proteinstruktur und -funktion verändern, was dazu führen kann, dass Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln. Eine hohe genetische Diversität in der Bakterienpopulation erhöht somit die Überlebenschancen und die Anpassungsfähigkeit der Krankheitserreger unter Antibiotika-Behandlung.

c)

Teilaufgabe 3: Erkläre, wie horizontaler Gentransfer zur genetischen Diversität und Resistenz gegenüber Antibiotika beitragen kann. Nenne und beschreibe mindestens zwei Mechanismen des horizontalen Gentransfers bei Bakterien.

Lösung:

Teilaufgabe 3: Horizontaler Gentransfer (HGT) ist ein Mechanismus, durch den Bakterien genetisches Material direkt von anderen Bakterien oder der Umgebung aufnehmen und in ihr eigenes Genom integrieren können. Dies trägt erheblich zur genetischen Diversität und zur Resistenz gegenüber Antibiotika bei, da es Bakterien ermöglicht, genetische Informationen inklusive Resistenzgene schnell und effizient zu verbreiten. Hier sind zwei der wichtigsten Mechanismen des horizontalen Gentransfers:

• Konjugation:
• Konjugation ist ein Prozess, bei dem genetisches Material, meistens in Form von Plasmiden, durch direkten Zell-zu-Zell-Kontakt von einem Bakterium zu einem anderen übertragen wird.
• Ein Plasmid ist ein kleines, ringförmiges DNA-Molekül, das unabhängig vom bakteriellen Chromosom repliziert werden kann und oft Gene für Antibiotikaresistenz enthält.
• Der Donor-Bakterium bildet eine pilus-ähnliche Struktur, die als Konjugationsbrücke dient, um das Plasmid zum Empfänger-Bakterium zu übertragen.
• Die Integration der neuen DNA in das Genom des Empfängerbakteriums kann zur Expression von Resistenzgenen führen, was dem Bakterium einen Überlebensvorteil unter Antibiotikabehandlung verschaffen kann.
• Transformation:
• Transformation ist der Prozess der Aufnahme freier DNA-Moleküle aus der Umgebung durch ein Bakterium.
• Diese freie DNA kann aus lysierten (zerfallenen) Zellen stammen und Gene für Antibiotikaresistenz enthalten.
• Ein kompetentes Bakterium (eines, das zur Transformation fähig ist) nimmt die DNA auf und integriert sie in sein eigenes Genom.
• Die aufgenommenen Gene können dann exprimiert werden und zur Bildung von Resistenzproteinen führen, die dem Bakterium einen Überlebensvorteil gegenüber Antibiotika verschaffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass horizontaler Gentransfer durch Mechanismen wie Konjugation und Transformation erheblich zur genetischen Diversität und Antibiotikaresistenz in Bakterienpopulationen beiträgt. Diese Prozesse ermöglichen es den Bakterien, schnell neue genetische Informationen aufzunehmen und sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen, was ihre Überlebensfähigkeit in Gegenwart von Antibiotika erhöht.

Aufgabe 3)

Die Koevolution von Wirten und Erregern ist ein faszinierendes Thema, das die kontinuierliche Anpassung beider Seiten unter Selektionseinflüssen beschreibt. Diese wechselseitige Anpassung hat weitreichende Auswirkungen auf die Dynamik von Resistenz- und Virulenzfaktoren. Ein populäres Konzept in diesem Kontext ist die Red Queen Hypothese, die besagt, dass eine kontinuierliche Entwicklung notwendig ist, um die relative Fitness aufrechtzuerhalten. Ein weiteres Konzept ist das 'Arms Race', das die Eskalation von Abwehr- und Angriffswerkzeugen beschreibt. Sowohl genetische Faktoren als auch Umweltbedingungen spielen eine Rolle in diesem evolutionären Prozess. Ein gängiges Beispiel ist die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien.

a)

Teilaufgabe 1: Erkläre die Red Queen Hypothese im Kontext der Koevolution von Wirten und Erregern. Verwende dabei ein Beispiel aus der Natur, um das Konzept zu verdeutlichen. Inwiefern unterscheidet sich dieser Ansatz von einer statischen Sichtweise auf die Evolution?

Lösung:

Teilaufgabe 1: Die Red Queen Hypothese wurde von der Evolutionsbiologin Leigh Van Valen 1973 vorgeschlagen. Im Kontext der Koevolution von Wirten und Erregern beschreibt diese Hypothese, dass beide Seiten, um im evolutionären Wettlauf zu überleben, ständig neue Anpassungen entwickeln müssen. Dies liegt daran, dass wenn ein Wirt sich verbessert, um einen Erreger abzuwehren, muss der Erreger ebenfalls evolvieren, um weiterhin erfolgreich zu sein. Ein kontinuierlicher Kreislauf von Anpassung und Gegenanpassung tritt auf.

Ein anschauliches Beispiel aus der Natur ist die Beziehung zwischen Hasen und ihren Fressfeinden wie dem Luchs. Hasen entwickeln ständig neue Fluchtstrategien oder Tarnungen, während Luchse immer bessere Jagdtechniken entwickeln müssen, um Hasen zu fangen. Wenn ein Hase durch schnelleres Laufen oder bessere Tarnung entkommt, überleben die Luchse, die besser jagen können. Ebenso überleben die am besten tarnten oder schnellsten Hasen diejenigen Angriffe der Luchse.

Dieser dynamische Kreislauf der Evolution stützt die Red Queen Hypothese, denn beide Arten müssen kontinuierlich evolvieren, um ihre relative Fitness zu erhalten — „laufen möglichst schnell, um am gleichen Platz zu bleiben“.

Im Gegensatz dazu steht eine statische Sichtweise der Evolution, die vorschlägt, dass Arten Anpassungen entwickeln und dann stabil bleiben, solange die Umwelt unverändert bleibt. Die Red Queen Hypothese weist jedoch darauf hin, dass in einem ko-evolutionären Kontext die Umgebung nie wirklich statisch ist, da jede evolutive Veränderung bei einer Art Druck auf die andere ausübt, sich ebenfalls zu verändern.

• Beispiel: Beziehung zwischen Hasen und ihren Fressfeinden wie Luchsen.
• Dynamische Evolution: Kontinuierliche Anpassung notwendig.
• Statische Evolution: Anpassung und dann Stabilität bei unveränderten Umgebungbedingungen.

Aufgabe 4)

Stelle Dir vor, du bist ein Forscher, der die Evolution eines bestimmten Virus untersucht. Du denkst über die Mechanismen der genetischen Drift und des genetischen Shifts nach und wie sich diese auf die Evolution und Anpassung von Viren auswirken. Genetische Drift bezieht sich auf zufällige Änderungen in der Häufigkeit von Genvarianten in einer Population durch zufällige Mutationen, die oft klein und kontinuierlich sind, wie beim Influenza A Virus. Genetischer Shift hingegen sind größere genetische Veränderungen durch Rekombination oder Neuassortierung, die schnell und durch Zoonosen verursacht werden und zu größeren Veränderungen führen können, wie bei pandemischer Influenza.

a)

Teil 1: Erläutere, wie genetische Drift und genetischer Shift unterschiedliche Auswirkungen auf die Evolution und Anpassung von Viren haben. Diskutiere dabei die Unterschiede in Bezug auf Geschwindigkeit und Umfang der genetischen Veränderungen. Nenne ein konkretes Beispiel für jeden der beiden Mechanismen und beschreibe, wie sie zur Diversifikation des Virus beitragen.

Lösung:

Teil 1: Genetische Drift und genetischer Shift haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Evolution und Anpassung von Viren, da sie sich in Geschwindigkeit und Umfang der genetischen Veränderungen deutlich unterscheiden.

• Genetische Drift: Bei der genetischen Drift handelt es sich um zufällige, kleine und kontinuierliche Änderungen in der Häufigkeit von Genvarianten innerhalb einer Population. Diese Veränderungen treten durch zufällige Mutationen auf und bewirken eine langsame, aber konstante Evolution des Virus. Ein anschauliches Beispiel für die genetische Drift ist das Influenza A Virus, bei dem geringe Veränderungen (Antigendrift) in den Oberflächenproteinen des Virus, Hemagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA), durch Mutationen entstehen. Diese kleinen Veränderungen ermöglichen es dem Virus, der Immunantwort der Wirte zu entgehen und tragen somit zur kontinuierlichen Diversifikation und Anpassung des Virus bei.
• Genetischer Shift: Im Gegensatz dazu bezieht sich der genetische Shift auf größere genetische Veränderungen, die durch Rekombination oder Neuassortierung verursacht werden. Diese Veränderungen treten schnell auf und können dramatische Auswirkungen haben, da sie zu neuen Virusstämmen führen können, die die Bevölkerung nicht immun ist. Ein klassisches Beispiel für den genetischen Shift ist die pandemische Influenza, bei der durch die Neuassortierung von Genomen zwischen verschiedenen Influenza-Stämmen, insbesondere solchen aus unterschiedlichen Spezies (Zoonosen), neue, gefährliche Viren entstehen. Das H1N1-Virus, das 2009 zu einer Pandemie führte, ist ein Beispiel für einen solchen genetischen Shift, bei dem Gene von Schweinen, Vögeln und Menschen kombiniert wurden, um einen neuen und potenziell pandemischen Virusstamm zu erzeugen.

Während die genetische Drift eine langsamere, kontinuierliche Anpassung des Virus ermöglicht, kann der genetische Shift zu abrupten und bedeutenden Veränderungen führen, die oft schwerwiegendere Folgen für die menschliche Gesundheit haben.