Modern Topics in Evolutionary Biology (Wahl Genomik/Biostatistik) - Cheatsheet.pdf

Molekulare Grundlagen der Evolution

Definition:

Molekulare Mechanismen, die evolutionäre Veränderungen auf genetischer Ebene antreiben

Details:

• Mutationen: spontane oder induzierte Veränderungen in der DNA-Sequenz
• Rekombination: Austausch von DNA-Segmenten zwischen Chromosomen
• Genetischer Drift: zufällige Veränderungen in Allelfrequenzen in kleinen Populationen
• Natürliche Selektion: Überleben und Fortpflanzen der am besten angepassten Individuen
• Genfluss: Austausch von Genen zwischen Populationen
• Duplikation von Genen: führt zu neuen genetischen Funktionen
• Horizontaler Gentransfer: Genübertragung zwischen verschiedenen Spezies

Hardy-Weinberg-Gleichgewicht

Definition:

Hardy-Weinberg-Gleichgewicht beschreibt, wann die Allelfrequenzen in einer Population konstant bleiben, sofern keine evolutiven Kräfte wirken.

Details:

• Gilt unter idealisierten Bedingungen: keine Mutation, Selektion, Migration, genetische Drift, und zufällige Paarungen.
• Mathematische Darstellung: \[ p^{2} + 2pq + q^{2} = 1 \], wobei p und q die Allelfrequenzen sind.
• Dient als Nullhypothese zur Überprüfung evolutionärer Veränderungen.
• Hilft bei der Berechnung von Genotypfrequenzen aus Allelfrequenzen.
• Abweichungen deuten auf wirkende evolutive Kräfte hin.

Bioinformatik und Datenanalyse

Definition:

Anwendung von Informatik-Methoden zur Analyse biologischer Daten.

Details:

• Sequenzanalyse: Vergleich, Annotation und Funktionelle Analyse von DNA- und Proteinsequenzen
• Genexpressionsanalyse: Untersuchung von Genaktivität mittels Microarrays und RNA-Seq
• Strukturanalyse: Vorhersage von Proteinstrukturen und -interaktionen
• Phylogenetische Analysen: Bestimmung evolutionärer Beziehungen mittels molekularer Daten
• Datenintegration: Kombination von Daten aus verschiedenen Quellen
• Werkzeuge: BLAST, ClustalW, R, Python, Bioconductor
• Statistische Methoden: Hypothesentests, Regressionsanalyse, PCA

Selektionsmodelle in der Populationsgenetik

Definition:

Modelle zur Erklärung der Änderung von Allelfrequenzen in Populationen durch selektive Kräfte.

Details:

• Fitness: Maß für Reproduktionserfolg verschiedener Genotypen
• Selektionskoeffizient (s): Relative Minderfitness eines Genotyps \( 0 \leq s \leq 1 \)
• Dominanzkoeffizient (h): Grad der Dominanz eines Allels \( 0 \leq h \leq 1 \)
• Hardy-Weinberg-Gleichgewicht: Verteilung der Genotypen ohne Selektionsdruck \[ p^2 + 2pq + q^2 = 1 \]
• Wright-Fisher Modell: Diskretes Generationenmodell mit konstanten Populationsgrößen
• Selektionsdifferential: Differenz der mittleren Fitnesswerte
• Balancierende Selektion: Hält Variabilität innerhalb der Population durch z.B. Heterozygotenvorteil
• Positive Selektion: Bevorzugung vorteilhafter Allele
• Negative Selektion: Entfernen nachteiliger Allele

Genetische Drift und deren Auswirkungen

Definition:

Genetische Drift: Zufallsbedingte Änderungen der Allelfrequenzen in einer Population, besonders in kleinen Populationen.

Details:

• Wirkt unabhängig von Selektion
• Kann zu Verlust genetischer Variation führen
• Gründer-Effekt: Neue Populationen können andere Allelfrequenzen aufweisen
• Flaschenhals-Effekt: Populationsgröße wird stark reduziert, was die genetische Variation verringert
• Fixierung und Verlust von Allelen durch zufällige Schwankungen
• Wichtige Formeln: \[ N_e = \frac{4N_m N_f}{N_m + N_f} \] Effektive Populationsgröße \[ \text{Var}(\frac{\triangle p}{\triangle t}) = \frac{p(1-p)}{2N_e} \] Varianz der Allelfrequenzänderung

Genomsequenzierungstechnologien

Definition:

Technologien zur Bestimmung der Nukleotidsequenz eines Genoms.

Details:

• Sanger-Sequenzierung: Kettenabbruchmethode, niedriges Durchsatzverfahren
• Nächste-Generation-Sequenzierung (NGS): Hoher Durchsatz, Parallelisierung
• Illumina: Häufig verwendete NGS-Plattform, kurze Leseweiten, hohe Genauigkeit
• PacBio und Oxford Nanopore: Lange Leseweiten, nützlich für strukturelle Varianten
• Analysemethoden: Alignment, Assembly, Variant Calling
• Kosteneffizienz entwickelt sich schnell, wichtig für Populationsgenomik

Deskriptive Statistik und Hypothesentests

Definition:

Deskriptive Statistik beschreibt und fasst Daten zusammen; Hypothesentests überprüfen Annahmen über Daten.

Details:

• Deskriptive Statistik umfasst Mittelwert (\(\bar{x}\)), Median, Modus, Varianz (\(s^2\)), Standardabweichung (\(s\)).
• Visualisierungen: Histogramme, Boxplots, Streudiagramme.
• Hypothesentests: Nullhypothese (H0) vs. Alternativhypothese (H1).
• Teststatistik: Z-Wert, t-Wert, F-Wert.
• Signifikanzniveau: \(\alpha\) (häufig 0.05).
• p-Wert: Wahrscheinlichkeit, dass das beobachtete Ergebnis unter H0 auftritt.
• Vergleich der p-Wert gegen \(\alpha\): p-Wert < \(\alpha\), H0 verwerfen.
• Fehlerarten: Typ I Fehler (\(\alpha\)): H0 wird fälschlich verworfen; Typ II Fehler (\(\beta\)): H0 wird fälschlich beibehalten.

Analyse von epigenomischen Daten

Definition:

Analyse von epigenetischen Modifikationen in Genomen, oft durch Techniken wie Bisulfit-Sequenzierung (zur Detektion von DNA-Methylierung) oder ChIP-Sequenzierung (zur Identifizierung von Protein-DNS-Interaktionen).

Details:

• DNA-Methylierung: Cytosin zu 5-Methylcytosin (nach Bisulfit-Behandlung: unmethyliertes Cytosin -> Uracil)
• Histonmodifikationen: Acetylierung, Methylierung u.a., erkannt durch ChIP-Seq
• Differenzielle epigenomische Muster analysieren: Identifikation von Krankheitsassoziationen, Entwicklung und zelluläre Differenzierung
• Analyse-Tools: Bismark (Bisulfit-Sequenzierung), MACS (ChIP-Seq-Peak-Erkennung)