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Ulrich Nübel Bakterielle Populationsstrukturen Burgstr. 37, Wernigerode.

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1 Ulrich Nübel Bakterielle Populationsstrukturen nuebelu@rki.de Burgstr. 37, Wernigerode

2 1. Mutation + Rekombination 2. Selektion 3. genetische Drift

3 1. Mutation + Rekombination 2. Selektion 3. genetische Drift

4 60 ST10 GAT ACA AAA GTA GTA CAA GAA CCT AAG ATA TCA AAG AAG TCT AAT AGT AAA GAC TTT TCT ST11............................................................ ST3..............................................C............. ST9....................G.....A................................. ST8..........................A...................C............. ST1..........................A................................. ST12..........................A................................. ST6..........................A................................. ST16..........................A................................. ST7..........................A........T........................ ST2..........................A....T............................ ST14..........................A....T............................ ST13......... T..........G.....A.....G.............C......T C..... 120 ST10 TCA TCA CAA GAG TTA TTC GGT TTT GAC GAA GCT ATG CTA ATT ACA GCA AAA GAA GAT GAG ST11............................................................ ST3............................................................ ST9............................................................ ST8..........................T................................. ST1............................................................ ST12.................T.......................................... ST6............................................................ ST16............................................................ ST7............................................................ ST2............................................................ ST14............................................................ ST13.................T........T.....G.....G..................... 180 ST10 GAA TAC TCT TTT GGT TTA CCG TTA AAA GAA AAA TAT GTT TTT GAT AGT TTT GTT GTT GGA ST11............................................................ ST3............................................................ ST9............................................................ ST8............................................................ ST1............................................................ ST12............................................................ ST6............................................................ ST16............................................................ ST7............................................................ ST2............................................................ ST14............................................................ ST13..............C.....A.......................C..C.....A...... 240 ST10 GAT GCT AAC AAA ATT GCT AGA GCA GCA GCT ATG CAG GTA TCG ATA AAT CCA GGT AAA TTA ST11............................................................ ST3............................................................ ST9............................................................ ST8............................................................ ST1............................................................ ST12..........................G................................. ST6..........................G................................. ST16..........................G................................. ST7..........................G................................. ST2..........................G................................. ST14..........................G................................. ST13...................................A..............T........G 300 ST10 CAT AAC CCT TTA TTC ATT TAT GGT GGT AGT GGT TTA GGT AAA ACT CAC TTA ATG CAA GCA ST11............................................................ ST3............................................................ ST9 T........................................................... ST8............................................................ ST1............................................................ ST12............................................................ ST6............................................................ ST16............................................................ ST7............................................................ ST2............................................................ ST14............................................................ ST13.................C....................A................... 360 ST10 ATA GGT AAT CAT GCA AGA GAA GTT AAT CCT AAT GCC AAA ATT ATT TAT ACA AAT TCA GAA ST11............................................................ ST3............................................................ ST9............................................................ ST8............................................................ ST1............................................................ ST12............................................................ ST6............................................................ ST16............................................................ ST7............................................................ ST2............................................................ ST14............................................................ ST13...................................T........C............... 420 ST10 CAA TTT ATT AAA GAT TAT GTA AAT TCT ATT CGT TTA CAA GAT CAA GAT GAG TTT CAA AGA ST11............................................................ ST3............................................................ ST9............................................................ ST8............................................................ ST1............................................................ ST12............................................................ ST6............................................................ ST16............................................................ ST7............................................................ ST2............................................................ ST14............................................................ ST13................................. C................A......... 470 ST10 GTT TAT AGA TCT GCG GAT ATA CTT TTG ATT GAT GAT ATT CAA TTT ATT GCT ST11...............................................C... ST3................................................... ST9...............................................C... ST8..............A.....T... C.T..A.................C... ST1...............................................C... ST12...............................................C... ST6...................................C...........C... ST16...................................C...........C... ST7...................................C...........C... ST2...................................C...........C... ST14...................................C...........C... ST13..............A.....T... C.T..A...........G.....C... Variabilität einer Gen-Sequenz

5 ? klonale Vermehrung

6 Gene mit Mosaikstruktur

7 Populationsgenetik von Bakterien Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) die wichtigsten Methoden: 70er bis 90er Jahre Multilocus-Sequenz-Typisierung (MLST) seit 1998 genomweite SNPs seit 2003

8 Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) Bakterienkultur Enzym-Extraktion Gelelektrophorese spezifische Enzymfärbung

9 Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) Mannitol 1-Phosphat Dehydrogenase Glucose 6-Phosphat Dehydrogenase Malat Dehydrogenase

10 MLEE -- Assoziation der Allele Allelprofile Allel-Häufigkeiten Distanzmatrix beobachtete Varianz: V obs ohne Kopplung der Allele erwartete Varianz: V exp

11 Assoziations-Index: V obs >> V exp V obs = V exp Kopplungsgleichgewicht: I A = V obs /V exp -1 I A = 0 I A >> 0 Kopplungsungleichgewicht: (entsteht durch freie Rekombination; z. B. Neisseria gonorrhoeae) MLEE -- Assoziation der Allele

12 I A >> 0 Kopplungsungleichgewicht entsteht durch: geringe Rekombinationsrate (z. B. E. coli, Salmonella spp.) unterteilte Populationen (z. B. "Rhizobium meliloti") epidemische Populationsstruktur (z. B. Neisseria meningitidis)

13 MLST -- eBURST-Algorithmus Punktmutation Rekombination neues Allel mit einem neuen Nucleotid innerhalb klonaler Komplexe gilt näherungsweise: neues Allel mit mehreren Unterschieden, kann in verschiedenen STs auftreten Vergleich Founder : SLVs r / m

14 Rekombinationsraten in verschiedenen Species Staphylococcus aureus r/m 0,1 Neisseria meningitidis 10 Streptococcus pneumoniae 5 Mycobacterium tuberculosis 0,0

15 trotz Rekombination können vorübergehend 'Klone' existieren

16

17 klonale Komplexe und Virulenz = virulente Klone

18 an Fortpflanzung gebunden optional zwei haploide Zellen verschmelzen zu einer diploiden kleiner Teil (100-1000 Basen) des Donor-Genoms wird in Rezipienten-Genom aufgenommen nur innerhalb einer Art auch zwischen entfernten Verwandten Rekombination: Unterschiede zwischen 'höheren' Eukaryonten Prokaryonten +

19 Nature Genetics Reviews 2: 634 (2001)


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