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Genetik im Bachelorstudiengang, 2. SemesterE. Buchner
Anmerkung zur Klausur: Es wird erwartet, dass der Stoff der Vorlesung
anhand der entsprechenden Kapitel im Lehrbuch Purves
et al. oder
Campbell & Reece, Biologie, vertieft und erweitert wird. Die Klausur geht
also über den Inhalt der Kapitel, die wir in diesem Semester besprechen.
Im 3. Semester wird die Vorlesung über die restlichen Kapitel dann
fortgesetzt. (Insgesamt 18 Vorlesungsstunden, ca. 270 Seiten im
Lehrbuch, arbeiten Sie jeden Tag ca. 15 Seiten durch).
ÜbungenDienstag: 22. 6., 29. 6. und 6. 7.: Übungsaufgaben
(Theorie, üben von Klausurfragen)4 Gruppen: Gruppe-1: 13:00-14:30, Gruppe 2: 14:45-16:15 Uhr Gruppe 3: 16:30-18:00, Gruppe 4: 18:15-19:30 Uhr
Mittwoch: 23. 6., 30. 6. und 7. 7.: Experimente (Birgit Michels) 2 Gruppen: Gruppe A: 13:00 –
16:00 Uhr
Gruppe B: 16:30 –
19:30 UhrListen zum Eintragen liegen ab heute Mittag vor dem
Sekretariat des LS Neurobiologie und Genetik aus.
Evolutionäre Grundlagen des LebensNothing
in biology
makes
sense
except
in the
light of evolution
(Dobzhansky)
Alter des Lebens: ca. 4 Milliarden Jahre (letzter großer Meteoriteneinschlag)
Hypothese zur Entstehung des Lebens: Reduzierende Atmosphäre (Methan, Amoniak, Wasserstoff)
plus elektrische Entladungen Aminosäuren, NucleotidvorstufenWie entsteht ein sich selbst replizierendes System?
Protein, DNA: Henne-Ei Problem, was war zuerst da?
RNA-Welt
vor DNA-Protein-Welt (katalytische RNAs, Selbst-Spleißen)
Erste Zellen:vor 3,5 Milliarden Jahren ähnlich Cyanobakterien
mit Photosynthese
Sauerstoffproduktion Bakterien, Archaeoten, Eukaryoten
Mehrzeller
Evolutionäre Grundlagen des LebensNothing
in biology
makes
sense
except
in the
light of evolution
(Dobzhansky)
Alter des Lebens: ca. 4 Milliarden Jahre (letzter großer Meteoriteneinschlag)
Hypothese zur Entstehung des Lebens: Reduzierende Atmosphäre (Methan, Amoniak, Wasserstoff)
plus elektrische Entladungen Aminosäuren, NucleotidvorstufenWie entsteht ein sich selbst replizierendes System?
Protein, DNA: Henne-Ei Problem, was war zuerst da?
RNA-Welt
vor DNA-Protein-Welt (katalytische RNAs, Selbst-Spleißen)
Erste Zellen:vor 3,5 Milliarden Jahren ähnlich Cyanobakterien
mit Photosynthese
Sauerstoffproduktion Bakterien, Archaeoten, Eukaryoten
MehrzellerHorizontaler Gentransfer
Universalität des genetischen Codes (mit
Ausnahmen!). Verwandte Aminosäuren haben verwandte Codons.
Kambrische
Explosion
vor ca. 560 Mio
Jahren heutige Vielfalt
Massensterben vor 225 Mio
Jahren (Trilobiten), vor 65 Mio
Jahren (Ammoniten, Dinosaurier)
Verbreitung der Säuger, vor 30 bis 50. Mio
Jahren mehrere Linien Hominiden,
Homo sapiens sapiens, Homo sapiens neandertalensis, Homo floresiensis
(Indonesien), Homo erectus.
Vermischung oder Verdrängung?
Mitochondriale
DNA: Ausbreitung des Homo sapiens sapiens
erst vor 100 –
200 Tausend Jahren
Träger der genetischen Information
Griffith 1928: „Transformierender Faktor“
Avery
1944: Isolierung und Charakterisierung des transformierenden Faktors: Protease-Verdau, RNase-Verdau, DNase-Verdau: DNA
Struktur der DNA: Chargaff‘sche
Regel,
Röntgenbeugung (R. Franklin)
Doppelhelix
(Watson und Crick)
5‘
3‘
5‘
3‘Stränge verlaufen antiparallel
DNA in Eukaryontenzellen
Im Zellkern (Chromosomen) Vererbung nach Mendel
In den Mitochondrien (stammen von Bakterien ab, Symbiontentheorie)Maternale
Vererbung (nur von der Mutter)
Funktion der Mitochondrien: Energielieferant für die ZelleMutationen: Zahlreiche Krankheiten
In den Chloroplasten
(stammen von Cyanobakterien
ab)Funktion der Chloroplasten:PhotosyntheseMutationen: Zahlreiche Pflanzenkrankheiten
Meiose I
Meiose II
Prophase
I
Metaphase I Anaphase I Telophase
I
Prophase
II Metaphase II Anaphase II
Telophase
II
Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der für eine funktionelle RNA kodiert
Protein-kodierende
Gene: Ein Gen –
mehrere Proteinisoformen
Nicht-Protein-kodierende
Gene: tRNAs, rRNAs, snRNAs, miRNAs
Vergleich von reifer mRNA und genomischer
DNA Exons und
Introns.Alternatives Spleißen (Entfernen der Introns) einer prä-mRNA: Ein Gen –
verschiedene Proteinisoformen
Transkriptionseinheiten (Gene) bei Eukaryonten:Exons:
Sequenzen, die in reifer mRNA vorkommen
Introns:
Sequenzen, die transkribiert werden, aber bei der Reifung der mRNA entfernt werden
Allele eines Gens:Varianten, die sich in mindestens 1 Base unterscheiden
Start TranskriptionEnhancer
Promotor
Start Translation (AUG) Stop (UAG) (Enhancer) TerminationRegulationssequenzen
5‘UTR Intron
3‘UTR AATAAA 11-30 bp
vor Poly-Ahn
RNA
reife
mRNA Cap
AAAAAA
Spleißen
ExonsIntronskodierendPrimärtranskript
DNA
Genetische Variabilität:1)
Freie Kombination der elterlichen Chromosomen: Neukombination, Mensch: 223
(8x106) Möglichkeiten2)
Crossing-over: Homologe Rekombination, Mensch: 2 –
3 Crossing-
over
pro Chromosomenpaar Mischung von mütterlichen und väterlichen Genen desselben
Chromosoms3)
Zufälligkeit der Befruchtung: 246
Möglichkeiten (+ Crossing-over), Geschwister genetisch ungleich
Aufgrund von Mutationen vor allem in den Vorfahren liegen auf den homologen Chromosomen für zahlreiche Gene unterschiedliche Allele
ca. 30% der menschlichen Gameten tragen homozygot letale Allele Inzest-Tabu
Genetische Vielfalt in der Population: Voraussetzung für evolutionäre Anpassung. Mutationsrate in Evolution eingestellt.
Drei Haupttypen von Entwicklungszyklen der geschlechtlichen Vermehrung
Diplo-haplo-Generationswechsel
Mendel‘sche
Regeln
1.
Regel:F1: Uniformitätsregel Reinheit der Gameten
2. Regel:F2: Spaltungsregel
Genotyp: 1:2:1Phänotyp: 3:1 Punnett-Quadrat
Reale Kreuzungen Auszählung Abweichungen.
Ein Grund: Aufspaltung der Chromatiden bei Meiose sowie Vereinigung der Gameten Zufallsprozesse Zahlenangaben nur Wahrscheinlichkeiten, zufällige Abweichungen.
Zweiter möglicher Grund: Theorie ist auf diese Kreuzung nicht anwendbar.
Frage: Bei welcher Abweichung von Vorhersage ist Theorie noch anwendbar? Entscheidung durch „Chi-Quadrat“-Test
Beispiel:
Sie zählen bei einer F1-Kreuzung von rot-
und weiß-blühenden
Pflanzen 100 F2 Pflanzen aus. Sie beobachten:
32 rote, 47 rosa, 21 weiße
Nach der 1:2:1 Regel erwarten
Sie: 25 rote, 50 rosa, 25 weiße
Frage: Ist die Abweichung zufällig oder folgt der Erbgang nicht der 2. Mendel‘schen
Regel?
Chi-Quadrat
= oi
= beobachtete Werte
n = 3, Freiheitsgrade = 2ei
= erwartete Werte (muss > 5 sein für alle Klassen)
(32 –
25)2
(47 –
50)2
(21 –
25)2
25 50 25 + + = 2,78
Ergebnis: die Wahrscheinlichkeit, dass diebeobachteten Abweichungen von der 1:2:1Erwartung zufällig auftreten, ist ca. 25%, d.h. die Beobachtung weicht nicht signifikant von der Vorhersage ab. Zählen wir in einer anderen Kreuzung32 rote, 54 rosa, 14 weiße Pflanzen, chi2
= 7,12Hier ist die Wahrscheinlichkeit für eine zufällige Abweichung ca. 0,03, d.h. die Abweichung ist signifikant, der Erbgang folgt nicht der 2. Regel.
Abweichungen von Mendel‘schen
Regeln1.) Rekombination
Bei dihybrider
Kreuzung gekoppelter Merkmale finden wir im Widerspruch zur Theorie Ab-
und aB-
Phänotypen
Beispiel „Rückkreuzung“
AaBb
x aabb
Gameten: AB ab ab
ab
Ab
aB
AaBb
AaBb
aabb
aabb
Aabb
aaBb
Phänotyp: AB
ab
Ab
aB
theoretisch: 50%
50%
experimentell: 48%
48%
2%
2%
Häufigkeit für Crossing-over
artkonstant, etwa gleichmäßig über Länge des Chromosoms verteilt
je weiter 2 Gene auf einem Chromosom voneinander entfernt liegen, desto größer Wahrscheinlichkeit für Crossing-over
zwischen ihnen Genkartierung
2.) Letalfaktoren
Maus, Fellfarbe grau, Wildtyp AA
Allel
zu A: ay
(a-yellow)
Aay
Heterozygote: Fellfarbe gelblich
ayay
Homozygote: Sterben in utero
Kreuzung Aay
x Aay
Gameten A ay
A ay
AA Aay
Aay
ayay
Phänotyp: grau
gelblich letal
25%
50% 25%
33,3% 66,7%
1 : 2
Nach Mendel hätten wir 1:3 erwartet.
ay
rezessiv in Bezug auf Letalität; dominant in Bezug auf Fellfarbe
Mögliche Erklärung für das Ergebnis des 2. Beispiels der Pflanzenkreuzung: weißblühende
Pflanzen sind weniger „fit“ (subletal).
Dominant letale Mutationen möglich, wenn Tod erst nach Erreichen
des Fortpflanzungsalters eintritt
Beispiel: Chorea Huntington (Veitstanz), Degeneration des Nervensystems. Symptomeinsatz: mit 35-40 Jahren
a = Wildtypallel
A = dominantes Chorea Huntington-
Allel
aa
x Aa
aA
aa Jugend: 1:1
Alter: 0:1 (krank : gesund)
krank gesund
3.) Subletalfaktoren – Heterosis
Viele rezessive Gene, die homozygot die Vitalität beeinträchtigen. Inzucht bei Tier- und Pflanzenzüchtung wichtig optimale Eigenschaften. Heterozygote aus 2
Inzuchtstämmen oft besser als jeder Elternstamm. „Heterosis“
oder „hybrid vigor“. Heute praktisch aller Mais aus Hybrid-Saatgut Ertrag verdreifacht.
Mensch: 1/4 -
1/3 aller Gameten tragen homozygot letale Mutationen. Deshalb: Inzucht durch Tabu und Gesetz unterbunden. Kleine geschlossene
Dorfgemeinschaft oder 1. Ordnung Cousin-Cousine-Ehe problematisch.
4.) Geschlechtsgekoppelte Vererbung
Geschlechtsdetermination
a) genetisch
1 Chromosomenpaar ungleich (bei ): Heterosomen
(Gonosomen)
Alle anderen Chromosomen: Autosomen
XY-Typ: XX, XY, Eizelle X, Sperm
X oder Y
Entscheidung über Geschlecht bei Befruchtung.
ZW-Typ: Vögel, Fischarten, Schmetterlinge: ZW , ZZ
XO-Typ: Orthopteren: Y fällt weg XO , XX
Hymonopteren: Bienen, Wespen, Hummeln: diploid, haploid, keine Geschlechtschromosomen
b) durch Umwelteinflüsse
z.B. durch Hormone bei Ringelwürmern, Temperatur bei einigen Reptilien
X-gekoppelte
Vererbung
sind hemizygot
bezüglich der Gene auf X- Chromosom. Vererbung X-gekoppelter
Gene weicht von Mendel‘schen
Regeln ab.
Beispiel: Drosophila white
Gen
W = Wildtyp-Allel, dominant (Y
= Y-Chromosom)
w mutiertes Allel, homozygot oder hemizygot
weiße Augen
WW, Ww, WY
rotäugig, ww, wY
weißäugig
weiß ww
x WY
rot
wW
wY
F1:
rot
weiß
Uniformitätsregel verletzt
Geschlechts-bestimmender
Faktor:
Säuger: SRY-Gen (sex-determining
region
on Y) auf dem Y-Chromosom, kodiert für Transkriptionsfaktor, Differenzierung der Gonadenanlage zu Hoden, Testosteron
Ohne SRY-Gen: Differenzierung der Gonadenanlage zum Ovar, Östrogene X0 (Turner Syndrom) ist weiblich, XXY (Klinefelter) ist männlich.
Drosophila: Transkriptionsfaktor, der durch das Verhältnis von Zahl der X-Chromosomen zur Zahl der Autosomensätze
geregelt wird
weiblich: 2 X / 2 A = 1, männlich: 1 X / 2 A = ½
X0 ist männlich, XXY ist weiblich.
Mendel-Genetik: Wahrscheinlichkeiten, Multiplikationsregel, Additionsregel
Ob Allel
dominant oder rezessiv ist, hängt davon ab, welches Phän
(Merkmal) betrachtet wird.
Beispiel: Sichelzellanämie
Gen kodiert für β-Kette des Hämoglobins (2
+ 2
Untereinheiten).
Sk
Wildtypallel, sk
mutiertes Allel: 1 Aminosäure verändert
Sk
Sk
normal, Sk
sk
„Sicklämiatyp“, klinisch gesund, Überträger, sk
sk
Homozygote Anämie
Klinischer Phänotyp: sk
rezessiv, Sk
dominant
Elektrophorese:
codominant
bzgl. elektrophoretischem
Sk
Sk
sk
sk Sk
sk
Merkmal
Sicklämiatyp
Sk
sk
besitzt Teil-Immunität gegen Malaria. Für dieses Merkmal ist sk
„dominant“
Weitere Auswirkungen
des defekten Gens (sk
Allel)
im homozygoten Zustand: sk
sk: Anämie Mattigkeit, Schwäche, Sichelerythrozyten
verklumpen Verstopfung der Blutgefäße Nierenversagen, Herzbeschwerden, cerebrale Symptome
Mutation eines Gens viele Effekte „Pleiotropie“
oder Polyphänie(oft Kausalbeziehung unbekannt, nur Merkmale und Vererbung)
Umgekehrt: Ein Merkmal von mehreren Genen beeinflusst: „Heterogenie“
Komplexes Merkmal von vielen Genen beeinflusst: „Polygenie“Beispiele:
An Syntheseweg mehrere Enzyme beteiligt: Heterogenie
Komplexe Phäne, wie Physiognomie, Intelligenz: Polygenie
„Additive Polygenie“: Vollresistenz von Bakterien gegen Penicillin entsteht, wenn mehrere Gene mutieren (5-6)
Niedrige Dosis teilresistente Bakterien (1 Mutation)
Überleben schrittweise Ausbildung der Vollresistenz.
Deshalb: Antibiotika nicht zu gering dosieren, nicht zu früh absetzen.
Codominanz:
Beispiel AB0 Blutgruppen
Umwelteinflüsse auf den Phänotyp: Bandbreite des Phänotyps = „Reaktionsnorm“Reaktionsnorm hängt vom betrachteten Gen und Allel
ab: schmal z.B. für Augenfarbe, breit für Größenwachstum von Pflanzen.
Epistasis:Wechselwirkung zweier nicht-allelischer
Gene, wobei meist
das eine Gen die Wirkung des anderen unterdrückt.Beispiel: Das white
Gen von Drosophila kodiert für einen
Transporter, der Pigmente in die Pigmentzellen transportiert. In homozygoten w-/w-
Mutanten (weiße Augen) wirken sich daher
Mutationen in Genen für Pigmentsyntheseenzyme nicht aus.Genwirkkette: S E1 ZP E2 EPGen für E1 ist epistatisch
über Gen für E2
Epigenetik:(außerhalb der normalen Genetik)Veränderungen der DNA, die nicht die Sequenz betreffen, z.B. DNA-Methylierung
veränderte Genexpression
Beispiele: X-Inaktivierung (Barr
Körper)
Genomische
Prägung, Imprinting
Genomische
Prägung: Inaktivierung durch Methylierung, unterschiedlich bei väterlichen und mütterlichen Chromosomen.
Prägung wird in jeder Generation in der Keimbahn gelöscht und entsprechend dem Geschlecht neu vorgenommen.
Häufige Beobachtung: Gene mit genomischer
Prägung an Embryonalentwicklung beteiligt, Gen auf väterlichem Chromosom fördert
Wachstum, Gen auf mütterlichem
Chromosom reguliert
Wachstum. Hypothese: Väter haben „Darwin’sches Interesse“ an großen Babys, Mütter „wollen“
Ressourcen für weitere Babys sparen. Dies ist für
Mütter ein Vorteil (im Darwin’schen Sinn), da 90 % der menschlichen Gesellschaften polygam sind. Es gibt aber auch Beispiele von genomischer
Prägung ohne Einfluss
auf Wachstum.
Weitere Beispiele:
Turner-Syndrom: XO
Xp
vom Vater, Xm
von der Mutter
Xp
O
–
Mädchen verhalten sich eher sozialverträglich
Xm
O
–
Mädchen verhalten sich eher aggressiv
Mäuse: Männchen groß, Weibchen klein, Xp
O
–
Tiere klein, Xm
O
–
Tiere groß
Hypothese: Prägung Teil des Dosis-Kompensationsmechanismus
Xm
Xp
Xm
Y
Xp
–
Genkopien
sind weniger aktiv.
Erbkrankheiten beim Menschen:Meist rezessiv: rot-grün-Blindheit
(Sehpigment defekt), Mucoviszidose
(Zystische
Fibrose; Chlorid-Kanal defekt)oft Enzyme: Phenylketonurie
(Phenylalanin
Hydroxylase
defekt),
Bluterkrankheit (Gerinnungsfaktor defekt)Halbe Gendosis
reicht für normale Funktion
Dominante Krankheiten: mutieres
Protein oft toxisch: Chorea Huntington, Alzheimersche Krankheit, Nervenzellen sterben ab
Multifaktorielle
Krankheiten: komplex, Herz-Kreislauf, Diabetes, Krebs
Pränatale Diagnostik: Amniocentese, Chorionzotten-Biopsie biochemische Tests, Karyotypanalyse,
PCR bei molekular charakterisierter Krankheit
Auffinden des Gens für unbekannte Erbkrankheit: Genkartierung
durch Kopplungsanalyse
Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus
(RFLP). Restriktionsenzyme: schneiden DNA an spezifischer Sequenz. Eine Base verändert kein Schnitt, größeres Fragment, Detektion
mit DNA-Sonde im Southern Blot
DNA-Sonde 1
2
3
Sonde1
2
3
Beispiel: Identifikation des Gens für Chorea Huntington:
Eingrenzung des Genlokus
durch Kopplungsanalyse auf ca. 4 Mb, enthält ca. 100 Gene, Huntingtin-Gen: enthält CAG Triplet-Repeats
(Glutamin Codons):
< 40 in Gesunden, > 40 in Kranken Huntingtin
Protein mit mehr als 40 Glutamin-Resten ist toxisch
Haplotyp
Gene sind ungleichmäßig auf der DNA verteilt, zwischen eng benachbarten Genen tritt selten crossing-over auf. Allelkombinationen
von nahe benachbarten Genen auf einem Chromosom werden meist gemeinsam vererbt, daher spricht man in solchen Fällen von einem Haplotyp.
1.) Exonucleasen:
Abbau vom Ende her, entweder 5‘
oder 3‘, durch Spaltung der Phosphodiesterbindung, Einzelstrang oder Doppelstrang, Ringe nicht
2.) Endonucleasen:
Erzeugen Strangunterbrechnung
(„nick“) an Einzel-
oder Doppelstrang, durch Erkennen von:
-
Fehlerstellen (Verformung der DNA) Reparatur
-
Spezifischer Basensequenz „Restriktions-Endonucleasen“. Erkennen von Fremd-DNA
Zerstören z.B. Virus-DNA
in Bakterien
Eigene DNA wird an entsprechenden Stellen durch Methylierung* (CH3
-Gruppen) von bestimmten Basen durch entsprechende Methylase
geschützt.
Enzyme des Nucleinsäure-StoffwechselsNucleasen
AbbauPolymerasen
SyntheseLigasen
Strangverbindung
1.) Exonucleasen:
Abbau vom Ende her, entweder 5‘
oder 3‘, durch Spaltung der Phosphodiesterbindung, Einzelstrang oder Doppelstrang, Ringe nicht
2.) Endonucleasen:
Erzeugen Strangunterbrechnung
(„nick“) an Einzel-
oder Doppelstrang, durch Erkennen von:
-
Fehlerstellen (Verformung der DNA) Reparatur
-
Spezifischer Basensequenz „Restriktions-Endonucleasen“. Erkennen von Fremd-DNA
Zerstören z.B. Virus-DNA
in Bakterien
Eigene DNA wird an entsprechenden Stellen durch Methylierung* (CH3
-Gruppen) von bestimmten Basen durch entsprechende Methylase
geschützt.
EcoRI …G*A A T T C…
…C T T A A G*…
„sticky
ends“
SmaI …C C C G G G…
…G G G C C C…
stumpfe Enden
Enzyme des Nucleinsäure-StoffwechselsNucleasen
AbbauPolymerasen
SyntheseLigasen
Strangverbindung
3.) Methylasen: Zu jeder Restriktionsendonuclease
entsprechende Methylase
Schutz vor Abbau eigener DNA
4.) Ligasen: Bildung von Phosphodiesterbindung
unter Energieverbrauch. Verbindung von Einzelsträngen, stumpfen Enden, Schließen von Brüchen
5.) Topoisomerasen: Öffnen und Schließen des Doppelstranges ohne Energieverbrauch, z.B. bei Entspiralisierung
der DNA
6.) DNA-Polymerasen: Pol-, Pol-DNA-abhängige DNA-PolymerasenReverse Transkriptase: aus Retroviren = RNA-abhängige DNA-PolymeraseTelomerase
7.) RNA-Polymerasen: a) DNA-abhängig. Z.B. Pol-II: Erkennungsstelle auf DNA = Promotor, Terminationsstelle
auf DNA = TerminusPrimase: Synthese des Primers
bei DNA-Replikationb) RNA-abhängig. RNA-Polymerase: +-Strang -
Strang +-Strang
8.) Helikasen: Öffnen des Doppelstrangs
DNA-Replikation
Beginn am Replikationsursprung
(origin)Erkennungskomplex (origin
recognition
complex), Regelung durch Phosphorylierung
DNA-Polymerasen:
Verlängerung nur in 5‘3‘-Richtung.
Keine Initiierung; Vorlage (Matrize) und freies 3‘-OH-Ende (Primer aus RNA!) sind notwendig.
„Korrektur-Lesen“.
3‘
5‘
5‘
3‘
Replikationsrate
ca. 30 000 bp/min (E. coli); 3 000 bp/min (Eukaryonten)
Entspiralisierung
E. coli
ca. 3000 Umdrehungen/min, 50 U/sec (Helikase
und Topoisomerase)
Verlängerung nur in 5‘3‘-Richtung Okazaki-Fragmente
DNA-Polymerasen: Nur Verlängerung, keine Initiierung Primer aus RNA
Replikationsrate
ca. 30 000 bp/min (E. coli); 3 000 bp/min (Eukaryonten)
Entspiralisierung
E. coli
ca. 3000 Umdrehungen/min, 50 U/sec (Helikase
und Topoisomerase)
Verlängerung nur in 5‘3‘-Richtung Okazaki-Fragmente
DNA-Polymerasen: Nur Verlängerung, keine Initiierung Primer aus RNA
Trennung der verdoppelten DNAProkaryonten: spezifische Membranbindungsstellen für DNA, daher außer Chromosom nur wenige stabile DNA-Stücke (Plasmide) pro Zelle
Eukaryonten: Centromer: DNA-Sequenz, hier Anlagerung des Kinetochors
(Proteinkomplex) = Ansatzpunkt für Spindelfasern bei der Trennung der Schwesterchromatiden in Mitose und 2. meiotischer
Teilung bzw. der homologen Chromosomen bei der 1. meiotischen
Teilung
Telomere2 Funktionen:a)
Versiegelung der Chromosomen-Enden
b)
Verhinderung der Verkürzung linearer DNA-Moleküle bei der Replikation
Zu a): Chromosomenstücke ohne Telomer
sind reaktiv („klebrig“).
Enden von intakten Zell-DNA-Molekülen
bestehen aus langen Serien von repetitiven
kurzen
Sequenzen (tandem
repeats
= Telomer): z.B. CCCCAA, CCCCAAAA, CCCTA, CCACACA, TTAGGG (Säuger).
Zu b): Lineare DNA-Moleküle können nicht bis zum Ende repliziert werden, da am 3‘- Ende immer ein RNA-Primer benötigt wird.
Die Telomerase, ein Enzymkomplex aus Protein und RNA, verlängert DNA am 3‘- Ende unter Verwendung ihrer RNA als Matrize (reverse
Transkription):
Anfügung von GGGTTA durch EnzymDNA:
5‘
TTAGGGTTAGGGTTA 3‘
Telomerase-RNA
3‘
AAUCCCAAU 5‘
Mensch: Erbkrankheit Xeroderma
pigmentosum
= Defektmutation der Endonuclease
II
Haut-Tumoren bei UV-Bestrahlung
b) Exzisionsreparatur
Abb. Reaktionsablauf einer Rekombinationsreparatur
der DNA.
a)
Ein Pyrimidindimer
ist vor Einsetzen der DNA-
Replikation nicht beseitigt worden und hat
b)
im neu synthetisierten Schwesterstrang zu einer dem Dimer
gegenüberliegenden Stranglücke geführt. Die Strangunterbrechung wird
c)
durch Rekombination
mit dem homologen Mutterstrang geschlossen. Die in dieser dadurch entstandenen Lücke wird
d)
unter Benutzung des komplementären Abschnittes des anderen neu synthetisierten durchgehenden Schwesterstranges als Matrize durch Reparaturarbeiten geschlossen. Der kovalente
Strangschluss wird schließlich
e)
durch Ligase
katalysiert. Einer der beiden Doppelstränge enthält nach Beendigung der Rekombinationsreparatur
noch das Thymindimer
und weist damit die Ausgangskonfiguration für eine Photoreparatur oder Exzisionsreparatur
(s.o.) auf.
c) Rekombinationsreparatur
Proteine Struktur: Knorpel, Sehnen, Haare, Nägel
Funktion: Enzyme, Transportmoleküle, Rezeptormoleküle
Bausteine: Aminosäuren
Aminogruppe
(NH2
), Säuregruppe (Carbonylgruppe
–C ) + SeitenketteO
OH
NH2
O
R C C
20 verschiedene R 20
H OH verschiedene Aminosäuren
z.B. R = H: Glycin
CH3
: Alanin
HS-CH2
: Cystein
Primärstruktur: Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur: α-Helix
oder β-Faltblatt (Collagen)
Tertiärstruktur: Faltung der α-Helix
Quartärstruktur: Zusammenlagerung mehrerer Ketten
z.B. Hämoglobin: 4 Ketten, 2 - + 2 -Globinketten
Umsetzung DNA Protein: 2 Stufen
1.
Transkription
DNA mRNA
2.
Translation
mRNA Protein
Regulationssequenzen
Start TranskriptionStart Translation (AUG) Stop (UAG) (Enhancer) Termination
Enhancer
Promotor
5‘UTR 3‘UTR AATAAA 11-30 bp
vor Poly-Aprä-mRNA
reife
mRNA Cap
AAAAAA
Spleißen
ExonsIntronskodierendPrimärtranskript
DNA
Was gehört alles zu einem eukaryontischen
Gen, das für ein Protein kodiert?
Spleißen der prä-mRNA
Präzision (Leserahmen)
Zusammenfügen der Exon-Enden
durch
snRNP
small
nuclear
ribonucleo- proteins
Prozessierung der mRNA1.) „capping“: Modifikation am 5‘-Ende2.) Polyadenylierung: Modifikation am 3‘-Ende3.) Herausschneiden der Intronsequenzen: „Spleißen“
RNA + Protein: „Spleißosom“
Medizin: Lupus
erythematosus
Patienten bilden Antikörper gegen snRNP
3-Thalassemie: Fehlspleißen der β-Globulin-mRNA
Rasterschub
35 statt 141 As
Manche Introns können sich selbsttätig herausspleißen
Ribozyme RNA-Welt vor DNA-Protein-Welt (Henne-Ei-Problem)
Translation
1.) Decodierung: t-RNA + Aminosäure + Aminoacyl-t-RNA-Synthetase
2.) Peptidsynthese: Ribosom
rRNA
= Ribozym
Initiation
Der genetische Code:degeneriert, Dialekte, Universalität, Selektionsdruck durch horizontalen Gentransfer
Satelliten-DNA: hochrepetitive
kurz DNA Wiederholeinheiten (1 –
10 bp), bis zu 10 Millionen bp
Eingestreut repetitive
DNA: Wiederholeinheit 100 –
10 000 bp, bis zu 1 Million Wiederholungen. Z.B. Transposons
(Alu-Elemente)
Mittelrepetitive
DNA: Multigenfamilien: rRNA-Gene, tRNA-Gene, Histongene
Entstehung durch Genduplikation
Beispiel:Globingene
Mechanismus:Ungleiches c.o.
2 oder mehr Kopien eines Gens: „nicht-allelische“
Kopien-cluster: 5 Gene à
600 bp in 50 kb. Funktion der übrigen DNA?
Vergleich Globin-Gen
Cluster verschiedener Säugerspezies:konservierte Sequenz, konservierte Intron-Exon
Struktur
Umordnung der Gene in Zeitraum von ~85 Mio
Jahren
Mechanismus für Umordnung: ungleiches crossing
over, führt zu Duplikation und Deletion; Translokation
normales
crossing over
ungleiches
crossing over
Gen 1
Gen 2
1 2
Deletion
1 2 1
2
Duplikation
Wie entsteht erste Duplikation
? Durch mobile DNA-Elemente (Transposons):
ME
ME
Drosophila: 50 Transposon-Familien, Mensch: alu-Familie ~100 000 Kopien
Deletion auch auf einem
Chromosom durch Rekombination
zwischen nicht- allelischen
Kopien (oder Transposons) möglich:
Translokationen
durch Rekombination
zwischen Transposons
auf verschiedenen Chromosomen
Evolutions-Baum: Alle Globin-Gene
sind in der Evolution durch eine Serie von Duplikationen, Transpositionen
und Mutationen aus einem einzigen ursprünglichen
Gen entstanden.
Pflanzen: Leghämoglobin:1 Intron mehr
DNA-Sequenzierungnach Sanger:
SequenzspezifischerKettenabbruch durchZugabe von Fluoreszenz-
markiertenDideoxynukleotiden