Biopsychologische Messmethoden B - Methodenblock 2 - Genetik - PDF

Klinische Psychologie und Psychotherapie Biopsychologische Messmethoden B Methodenblock 2 Genetik Modul: 200e705l / HS2024 Verantwortliche: Dr. phil. Janek Lobmaier M. Sc. Michèle Schneeberger 10/3/2024...

Klinische Psychologie und Psychotherapie Biopsychologische Messmethoden B Methodenblock 2 Genetik Modul: 200e705l / HS2024 Verantwortliche: Dr. phil. Janek Lobmaier M. Sc. Michèle Schneeberger 10/3/2024 Page 1 Klinische Psychologie und Psychotherapie Agenda 1. Grundlagen Genetik (Wiederholung) 2. Deskriptive genetische Methoden Familien-, Zwillings-, Adoptionsstudien 3. Molekularbiologische Methoden Kandidatengen Assoziationsstudien, Polymorphismus Studien, Genomweite Assoziationsstudien, Knock-out Studien 4. Molekulargenetische Verfahren PCR, Gelelektrophorese, Karyogramm 10/3/2024 Page 2 Klinische Psychologie und Psychotherapie Grundbegriffe der Genetik DNA Chromosom Gen Allel 10/3/2024 Page 3 Klinische Psychologie und Psychotherapie DNA DNA (deutsch: DNS) - Deoxyribonucleic Acid (Desoxyribonukleinsäure) − Träger der Erbinformationen (Gene) − Bausteine der DNA: Nukleotide, welche aus einem Phosphat-, Zucker- und Basenanteil bestehen Vier Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) − zwei komplementäre Stränge mit Zucker-Phosphat Rückgrat − Bindung der Stränge über Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen (A – T / G – C) − Struktur: Doppelhelix https://med lineplus.gov/ge netics/understanding /ba sics/dn a/, 27.09.22 Page 4 Klinische Psychologie und Psychotherapie https://my.clevelan dclin ic.org/hea lth/bod y/2306 4-dna-gen es--chromosomes, 27.09.22 Chromosom − «verpackte», kondensierte Form der DNA Menschliche Körperzellen: − Doppelter Chromosomensatz (diploid, 2n) Insgesamt 46 Chromosomen (44 Autosomen, 2 Gonosomen: XX oder XY) − Ausnahme: In den Keimzellen (Eizelle und Spermium) liegt ein einfacher Chromosomensatz vor (haploid, 1n) Vergleich der Chromosomenanzahl unterschiedlicher Spezies: Abb ildung: https://ib.bioninja.com, 02.10.23 https://flexikon.docche ck.com/de/Chromosomenana lyse, 0 2.1 0.2 3 Page 5  https://my.clevelandclinic.org/health/body/23064-dna-genes--chromosomes, 27.09.22 Klinische Psychologie und Psychotherapie Gen, Allel Gen − Abschnitt auf der DNA der für ein bestimmtes Enzym kodiert − Genetische Information liegt in der Abfolge der Basenpaare ein Gen (eine Basenpaarabfolge) kodiert für ein spezifisches Enzym − Beim Menschen wurden bisher 30‘000 bis 40‘000 Gene identifiziert Allel − verschiedene Variationen eines Gens − Enthalten prinzipiell dieselbe Information, Funktionalität kann aber abweichen DNA = Sprache Gen = Begrüssung Allel = Variation «Hallo» «Guten Tag» «Hey Alter» Page 6 Klinische Psychologie und Psychotherapie Warum genetische Forschung in der Biopsychologie? Untersuchung von Merkmalen (Phänotyp) und zugrunde liegender genetischer Unterschiede (Genotyp) – Wieso wirkt ein bestimmtes Medikament nur bei gewissen Personen? – Wahrscheinlichkeiten für Ausprägungen (z.B. psychische Erkrankung) – Wieso entwickeln bestimmte Personen leichter eine Suchterkrankung? Besseres Verständnis von Gen-Umwelt-Interaktionen – Multifaktorielle Bedingung von Krankheit / Gesundheit Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse im Bereich der Prävention und Intervention Page 7 Klinische Psychologie und Psychotherapie Deskriptive genetische Methoden Klinische Psychologie und Psychotherapie Familienstudien Beobachten des Vorkommens eines Merkmals in einer gesamten Familie (=mehrere Generationen) – Abstammungsuntersuchung / Stammbaumanalysen − Rückschlüsse auf genetische Komponente hinter einer Ausprägung (=„familiäre Häufung“) → Was fällt euch auf beim folgenden Stammbaum? → Welche Aussagen lassen sich über die genetische Komponente der Krankheit treffen? gesund erkrankt 10/3/2024 Klinische Psychologie und Psychotherapie Zwillings- und Adoptionsstudien Varianz (Unterschiede) eines Merkmals kommen zustande durch: − Gene − geteilte Umwelt − nicht geteilte Umwelt Vergleich eines Merkmals zwischen mono- und dizygoten Zwillingspaaren − bei gleicher Umgebung (z.B. gemeinsames Elternhaus, dieselbe Schule) – bei unterschiedlicher Umgebung = Adoptionsstudien →Zuordnung von Ähnlichkeiten zu genetischen Komponenten oder Umweltfaktoren →Berechnung der Heritabilität mittels statistischer Modelle 10/3/2024 Page 10 Klinische Psychologie und Psychotherapie (Maier et al. 2017) 10/3/2024 Page 11 Klinische Psychologie und Psychotherapie Molekularbiologische Methoden Klinische Psychologie und Psychotherapie Kandidatengen-Assoziationsstudien Identifizierung von Genen oder Genkomplexen, die mit einer spezifischen Erkrankung oder Vulnerabilität assoziiert sind Anwendung: − Erkenntnisse zu Ursachen und Verlauf einer Krankheit − (Prä-)Diagnostik Methode zur Identifikation von Kandidatengenen: − SNP-Analysen, Polymorphismus Studien 10/3/2024 Page 13 Klinische Psychologie und Psychotherapie SNP – single nucleotide polymorphism Polymorphismus = verschiedene Variationen (Allele) eines Gens Sequenzvariation eines Gens Single nucleotide polymorphism (SNP) = – häufigste genetische Variation – Austausch einer einzelnen Base: „Punktmutation“ – Grossteil der Varianz im menschlichen Erbgut Bereits mehr als 2 Millionen SNP‘s identifiziert 10/3/2024 Page 14 Klinische Psychologie und Psychotherapie Variabilität im menschlichen Genom Neben SNP’s gibt es noch viel weitere Variationen im menschlichen Genom, z.B.: – Kopienzahlvarianten, z.B. STR (short tandem repeats) Unterschiedliche Anzahl Wiederholungen einer bestimmten Sequenz, kann in kodierenden oder nichtkodierenden Abschnitten liegen. – Insertions- oder Deletionspolymorphismen: INDELs 10/3/2024 Page 15 Klinische Psychologie und Psychotherapie Polymorphismus Studien Können bestimmte Polymorphismen (Allele eines Gens) ein Merkmal erklären? – Wichtiges Anwendungsgebiet: Pharmakogenetik − Interindividuelle Unterschiede in der Wirksamkeit / Metabolisierung von Medikamenten, Nebenwirkungen etc. 10/3/2024 Page 16 Klinische Psychologie und Psychotherapie Beispiel Polymorphismus Studie Wie hängen Polymorphismen im Östrogenrezeptor-Gen (ESR2) mit psychischen Störungen zusammen? 10/3/2024 Page 17 Klinische Psychologie und Psychotherapie Genomweite Assoziationsstudie Genomweit: − Untersuchung des gesamten Genoms auf Polymorphismen Assoziation: − Suche nach Zusammenhängen zwischen bestimmten Polymorphismen und Merkmalsausprägungen (z.B. Vorliegen einer bestimmten psychischen Störung) Achtung: Studien sind explorativ und ermöglichen i.d.R. nur korrelative Aussagen Keine klare Aussage zu Kausalität Keine klare Aussage zu zugrundeliegenden Mechanismen (Wie genau führen die bestimmten Polymorphismen zur Ausprägung von Krankheit XY?) 10/3/2024 Page 18 Klinische Psychologie und Psychotherapie Knock-out Studien „Ausschaltung“ bestimmter Gene mittels molekularbiologischer Verfahren (gene targeting) – Rückschluss auf von diesem Gen ausgeführter Funktion durch Inaktivität – Vergleich der Versuchsgruppe vs. „wild type“ Beispiel: Ausschaltung des Leptin Rezeptor Gens (knock-out) führte bei Mäusen zur Entwicklung einer Adipositas (Ren et al., 2020) − Leptin: Hormon zur Regulierung des Energiehaushalts und Hungergefühls Aber: «Consequently, gene knockout per se is not sufficient to assess gene function and must be integrated into a more global approach for determining biological functions.» Bouché & Bouchez (2001) 10/3/2024 Page 19 Klinische Psychologie und Psychotherapie Molekulargenetische Verfahren Klinische Psychologie und Psychotherapie Polymerase-Kettenreaktion (PCR) − Methode zur Vervielfältigung genetischen Materials DNA wird in mehreren Zyklen mittels eines Enzyms (DNA-Polymerase) künstlich verdoppelt Voraussetzung für viele genetische Analysen (z.B. Gelelektrophorese oder Genomsequenzierung) 10/3/2024 Page 21  Klinische Psychologie und Psychotherapie Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 1. Denaturierung: Die doppelsträngige DNA wird erhitzt, um die Stränge zu trennen. Die Wasserstoffbrücken, die die beiden DNA-Stränge zusammenhalten, werden aufgebrochen. 2. Annealing: Temperatur gesenkt und auf einem Wert gehalten, der eine spezifische Anlagerung der Primer an die DNA erlaubt 3. Elongation: Die DNA-Polymerase ergänzt den Einzelstrang mit freien Nukleotiden zum Doppelstrang. Sie beginnt am angelagerten Primer und folgt dann dem DNA-Strang. Der Primer wird nicht wieder abgelöst, er bildet den Anfang des neuen Einzelstrangs. Dauer ca. 30 Sekunden je 500 Basenpaare Zyklus wird mehrmals wiederholt 10/3/2024 Page 22 https://www.genome.gov/  Klinische Psychologie und Psychotherapie Gelelektrophorese − Methode, um DNA-Fragmente nach Grösse aufzuteilen − Prinzip: DNA besitzt eine negative elektrische Ladung und wandert in einem Agarose-Gel vom Minus- zum Pluspol Kurze Abschnitte wandern schneller durch das Gel als längere Abschnitte →Auftrennung nach Grösse − Mit der Zeit lagern sich Moleküle gleicher Grösse und Ladung in sogenannten Banden zusammen spezifisches Bandenmuster 10/3/2024 Page 23 Klinische Psychologie und Psychotherapie Gelelektrophorese Ablauf: − DNA in Fragmente unterschiedlicher Länge schneiden mit Restriktionsenzymen →Fragmentierung − DNA markieren (z.B. mit Farbstoff) − gelelektrophoretische Auftrennung der einzelnen DNA-Fragmente nach ihrer Grösse − Das Bandenmuster ist spezifisch für jede Probe 10/3/2024 Page 24 Klinische Psychologie und Psychotherapie Gelelektrophorese - Anwendung – Test der genetischen Verwandschaft Z.B. Vaterschaftstests – Forensik Vergleich von Genmaterial am Tatort mit der verdächtigen Person – Gensequezierung (Sanger-Sequenzierung https://www.youtube.com/watch?v=JcfnrJDTPG0) – Gelelektrophorese kann auch zur Auftrennung anderer Moleküle verwendet werden, z.B. Enzyme (Western Blot) 10/3/2024 Page 25 Klinische Psychologie und Psychotherapie Wer ist der Vater? 10/3/2024 Page 26 Klinische Psychologie und Psychotherapie Gensequenzierung/ Sequencing – Bestimmung von Abschnitten der DNA → genaues Profil aus einzelnen Basenpaaren und Abfolgen Identifizierung von Kandidatengenen, Polymorphismen, SNP‘s – 2003: Erstmalige Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms im Rahmen des „Human Genome Project“ − Vergleich des Genoms innerhalb und zwischen Spezies (genetische Ähnlichkeit): Mensch – Mensch 99.9% Mensch – Schimpansen 96.0% Mensch – Maus 70.0% Menschen – Bananen 60.0% https://www.genome.gov/human-genome-project 10/3/2024 Page 27 Klinische Psychologie und Psychotherapie Karyogramm / Karyotypisierung – Zur mikroskopischen Analyse der Chromosomen – Chromosomen werden eingefärbt, fotografiert und paarweise angeordnet – Nachweis chromosomaler Veränderungen z.B. Trisomie 21, Turner Syndrom (Monosomie X ), Klinefelter Syndrom (XXY) 10/3/2024 Page 28 Klinische Psychologie und Psychotherapie 10/3/2024 Page 29 Klinische Psychologie und Psychotherapie Nächstes Mal: Gastreferat mit Dr. phil. Andreas Walther Methodenblock 3: Reaktivitätstest Hausaufgabe: Selbstlernteil Reaktivitätstest beim Menschen Powerpoint auf OLAT im Sitzungsordner 04 10/3/2024 Page 30 Klinische Psychologie und Psychotherapie Referenzen Bouché, N., & Bouchez, D. (2001). Arabidopsis gene knockout: phenotypes wanted. Current opinion in plant biology, 4(2), 111-117. Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2006). Biologie. (J. Markl, Hrsg.) (6. Aufl.). München [u.a.]: Pearson Studium. Maier, W., Giegling, I., Rujescu, D. (2017). Genetik und Gen-Umwelt-Interaktionen bei psychischen Erkrankungen. In: Möller, HJ., Laux, G., Kapfhammer, HP. (eds) Psychiatrie, Psychosomatik, Psychotherapie. Springer Reference Medizin. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642- 45028-0_5-2 Passarge, E. (2008). Taschenatlas Humangenetik. Georg Thieme Verlag. Ren, Z., Liu, Y., Hong, W., Pan, X., Gong, P., Liu, Q., Zhou, G., & Qin, S. (2020). Conditional knockout of leptin receptor i n neural stem cells leads to obesity in mice and affects neuronal differentiation in the hypothalamus early after birth. Molecular Brain, 13(1). https://doi.org/10.1186/s13041-020- 00647-9 http://www.drmgenomic.com/blog/article/Lessons-from-the-Human-Genome-Project https://www.genome.gov/ Zur Wiederholung und Veranschaulichung – PCR: https://www.youtube.com/watch?v=OwFMJC7SQ_I – Gelelektrophorese: https://www.youtube.com/watch?v=jlb5F4IfeSo – Sequenzierung: https://www.youtube.com/watch?v=Z_podTzgO0M 10/3/2024 Page 31