Grundlagen Genetik 08 - Uni Trier: Willkommen · PDF fileBiopsychologie Vertiefung WS 07/08 Gliederung •„Teachingresourcesforgenetics“-interessante Webseiten •Wiederholung

Grundlagen Genetik

Dipl.- Psych. Silja Bellingrath

Biopsychologie Vertiefung WS 07/08

• Dauer: 11/2 Stunden (maximal)

• Keine Noten, nur bestanden versus nicht bestanden

• Inhalt: Grundlage sind die Folien zum Seminar;

geprüft werden alle Themen, außer Immunologie

• Raum: HS 5 Mittwoch 13.02.08 16:15- 17:45

• Format: entspricht der Vordiplomsklausur– 1. Teil: Multiple Choice (25 Fragen)– 2. Teil: offene Fragen (3 Fragen; 6 stehen zur Auswahl)

Scheine können ca. 4 Wochen nach der Klausur im Biopsychologie-Institut (Johanniterufer 15) abgeholt werden!

Di-Nachmittags (14-18Uhr) oder Mi-Vormittag (9:30-12:30) bei Bellingrath oder Pütz!

Infos zur Klausur


Gliederung

• „Teaching resources for genetics“ - interessante Webseiten

• Wiederholung Begriffe der Genetik

• Human Genome Project

• Genetische Variabilität

o Anzahl und Art von genetischer Variabilität

o Konsequenzen von genetischer Variabilität

o - Exkurs:Regulation der Genexpression -

• Methoden der Verhaltensgenetik


„Teaching resources for genetics“

Links:

DNA Interactive

Genetic Interest Group

Informationen zum Human Genome Project

The Human Genome (Wellcome Trust)

Weitere Links finden Sie hier


Begriffe der Genetik

Chromosomen

• Frauen haben 23 Chromosomen, von denen jedes zweimal vorkommt.

• diploider Chromosomensatz = 46 Chromosomen in jeder Körperzelle

• Eines dieser homologen Chromosomen stammt von mütterlicher, eines von väterlicher Seite.



Chromosomen

• Bei den Männern ist eines der Chromosomenpaare ist nicht gleich (XY) → Geschlechtschromosomen: Gonosomen

• Alle anderen Chromosomen: Autosomen

• In Gameten (Keimzellen: Ovum, Spermium) kommt nur ein einfacher, haploider Chromosomensatz vor

• Der Geschlechtsvorgang besteht aus einer Verschmelzung von zwei Gameten und wird Gametogamie genannt.

• Das Verschmelzungsprodukt nennt man Zygote.


• Chromosomen bestehen aus verschiedenen Proteinen und aus einer sehr langen Sequenz von Desoxyribonukleinsäure (DNS) englisch: DNA

DNA

• DNA besteht aus Nukleotiden

• 3 Bestandteile der Nukleotide: Zuckermoleküle (Desoxyribose),Phosphatgruppen und stickstoffhaltige Basen

• 4 Nukleinbasen der DNA: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T)

• DNA-Moleküle liegen in Doppelsträngen vor, die Basen jedes Nukleotids sind über Wasserstoffbrücken nach einer festen Regel miteinander verbunden

• Basenpaarung: A-T und G-C bilden jeweils komplementäre Basenpaare



• Ferner ist die DNA verdrillt: Doppelhelix

• 10 Basenpaare pro Wendelgang

• Das Strukturmodell der DNA

stammt von Watson und Crick (1953)

Nobelpreis für Physiologie und Medizin 1962



Gene:

• Gene befinden sich auf Chromosomen. Sie haben dort einen festen Platz: Genlocus

• heterozygot: ein Mensch hat auf beiden homologen Chromosomen am betreffenden Genlocus zwei unterschiedliche Allele eines Gens

• homozygot: zwei gleiche Allele des betreffenden Gens

• Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA-Doppelhelix, der ein spezifisches Polypeptid codiert und somit die funktionellen Proteine einer Zelle herstellt.

• Proteine übernehmen im Körper eine ganz spezifische Funktion, die auch als Merkmal bezeichnet werden kann.

• Gene werden auch als Erbanlage bezeichnet, da die in ihnen enthaltene Erbinformation durch Reproduktion an die

Nachkommen weitergegeben werden.



Wie kommt nun die Information der DNA aus der Zelle und wird in Proteine umgesetzt?

• Proteinbiosynthese:– 1. Schritt Transkription: ein Gen auf der DNA wird abgelesen und in ein mRNA-Molekül transkribiert.

– 2. Schritt Translation: die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins, an den Ribosomen



Einschub: RNA

• Vom Aufbau her ist die RNA (Ribonukleinsäure) der DNA ähnlich. RNA-Moleküle sind – im Gegensatz zur doppelsträngigen DNA –in der Regel einzelsträngig.

• unterschiedliche Funktionen von RNA-Molekülen:

Übertragen genetischer Information

Übersetzung dieser Information in Proteine

Regulation der Genexpression

katalytische Funktionen ähnlich einem Enzym

• Uracil ist eine der 4 Nukleinbasen der RNA. In der Basenpaarung tritt sie an die Stelle des Thymin.



Transkription:



Transkription:

1. Das Enzym RNA-Polymerase setzt sich an den Promoter

2. die DNA-Doppelhelix wird durch Lösen der Wasserstoffbrücken in zwei DNA-Einzelstränge aufgetrennt

3. Am codogenen Strang der DNA lagern sich durch Basenpaarung komplementäre Ribonukleotide an

4. Die RNA-Polymerase kann aufgrund ihres Aufbaus nur eine Seite (Richtung) des DNA-Stranges "ablesen", diese ist die 3'-5'-RichtungDadurch ist die Bildungsrichtung des RNA-Stranges in die entgegengesetzteRichtung festgelegt, also 5'-3'-Richtung. Einfach gesagt, das 5'-Ende der RNA wird zuerst synthetisiert

5. Die Öffnung der DNA-Doppelhelix erfolgt nur in einem kurzen Bereich (Transkriptionsblase). Der bereits synthetisierte Teil der mRNA hängt aus dieser Öffnung heraus und zwar mit dem 5'-Ende der mRNA voran

5. Am Terminator wird die Transkription beendet. Danach wird das mRNA-Transkript entlassen und die Polymerase löst sich von der DNA



Translation:



Translation: Die aus der DNA entstandene mRNA enthält die genetische Information für den Aufbau eines Proteins.

Dabei codieren jeweils drei aneinanderfolgende Nukleotide der mRNA(Codons oder Basentripletts) eine bestimmte Aminosäure aus denen das Protein sequentiell aufgebaut wird → Genetischer Code

1. Als Aminosäuren-„Transporter“ dient die tRNA: Ihr Anticodon dockt an je genau einem der Codons auf der mRNA an.

2. Das Ribosom bringt die 1. mRNA und 2. eine freie tRNA, die eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mRNA ein komplementäres Anti-Codon der tRNA anlagert.

3. Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert wandert immer um ein Codon auf der mRNA weiter, so lange, bis die Information der mRNAvollständig abgearbeitet ist (Stop-Codon).



Wiederholung: Begriffe der Genetik

Gene bestehen aus Desoxyribonuklein-säure (DNA), einem fadenartigen, doppel-helikalangeordneten Makromolekül

Die in der DNA enkodierte Information ist in der Sequenz von Nukleotiden gespeichert

Ein Chromosom besteht aus einem (sehr langen) DNA Molekül

Der Mensch besitzt 23 Chromosomenpaare, diese konstituieren das Genom

Gene sind funktionale Einheiten chromosomaler DNA


Die meisten Gene enkodieren Polypeptide und stellen somit die funktionellen Proteine einer Zelle her.

Die biologischen Eigenschaften einer Zelle werden hauptsächlich durch die aktiven Proteine bestimmt, die in dieser Zelle exprimiert werden.

Proteine bestimmen:

- Einen Großteil der zellulären Architektur

- Die enzymatische Aktivität der Zelle

- Die Interaktion mit der zellulären Umgebung

- Sowie eine Reihe weiterer physiologischer Eigenschaften


Da die Eigenschaften von Zellen die Eigenschaften eines Organismus bestimmen, gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Genen und der Struktur und Funktion eines Organismus.


...ein paar Zahlen

• Basenpaare pro Zelle (haploid / diploid)

2 840 000 000 (2,84 Mrd)

5 680 000 000 (5,68 Mrd.)

• Eine menschliche Zelle enthält 2,244 m DNA

(Verpackt in einem Zellkern von 0.006 mm Durchmesser)

• Der menschliche Körper besteht aus ca. 1013 Zellen

� der Körper enthält insgesamt ca. 2,244 x 1013 m DNA

2,244 x 1013 m DNA = 224 400 000 000 000 m


Human Genome Project:

• 1990 initiiert

• Februar 2001 wurde ein erstes „rough draft“ vom International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) und von Celerapräsentiert

• 90% des Genoms sequenziert, 30.000-35.000 Gene

• Rohfassung wies 150.000 Lücken auf

• Oktober 2004

„Finishing the euchromatic sequence of the human genome“

Nature 431, 931-945 (2004)

• Über 99% des Humangenoms entziffert

• nur noch 341 Unterbrechungen

• 2,85 Milliarden Nucleotide

• neue Schätzung: 20.000 – 25.000 Gene


Das Human Genome Projekt lieferte nicht nur die Information über die genaue Sequenz unseres Genoms, sondern auch Informationen über Unterschiede zwischen den Genomen einzelner Individuen

1. Wieviel Variation / Unterschiede gibt es?

2. Was bringt uns diese Information?

3. Welche Art von genetischer Variabilität gibt es?

4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität?


Die Unterschiede zwischen den Genomen von verschiedenen Menschenwerden u.a. bestimmt durch einzelne Basendifferenzen (Single Nucleotide Polymorphism, SNP)

(Chakravarti 2001, Hinds et al. 2005)


• SNPs sind die häufigste Form von DNA Variation im humanen Genom

• Es gibt insgesamt etwa 10 Millionen Positionen, die zwischen Individuen variieren


...und ohne Polymorphismen?


Oooops!



• Untersuchung genetischer Variation�� erlaubt die Abschätzung des Einflusses einzelner DNA Polymorphismen auf inter-individuelle Variabilität in...

• ... der Anfälligkeit für bzw. Protektion gegen eine Vielzahl von (komplexen) Erkrankungen

• ...der Ansprechbarkeit auf Medikamente (Stichwort personalisierte Medizin)

• Birgt die Möglichkeit, den Anteil einzelner Gene bei der Entstehung von Krankheiten mit komplexer und multigener Basis zu entschlüsseln

„...promises to provide unprecedented opportunitiesto explore the genetic basis of individualdifferences in complex behaviors and vulnerabilityto neuropsychiatric illness“ (Hariri, Br Med Bull 2003)


Monogene versus „komplexe“ Erkrankungen

Monogene Erkrankungen

• Schwerwiegendes Krankheitsbild

• Früher Erkrankungsbeginn

• Selten

• Mendelsches Vererbungsmuster

• Beispiele: Cystische Fibrose, Progressive Muskeldystrophie...

• Ursache: Mutationen

Ein Gen � eine Krankheit

„komplexe“ Erkrankungen mit multigener Basis

• „Mildes“ Krankheitsbild

• Später Erkrankungsbeginn

• Weit verbreitet

• Komplexes Vererbungsmuster

• Beispiele: Diabetes, Depression, Schizophrenie, Krebs, CVD...

• Ursachen: Interaktion von genetischer Ausstattung mit Umweltvariablen (multiplikative Effekte)


Polymorphismus:

Kommen in einer Population multiple funktionelle Allelevor, die alternative Aktivitäten darstellen und nicht den Verlust oder Gewinn einer Funktion, spricht man von genetischem Polymorphismus. Häufigkeit von mehr als 1% in der Population

SNPs: Single Nucleotide Polymorphisms

Repeats: Repetetive DNA-Segmente

Strukturelle Variation



Single Nucleotide Polymorphisms

SNPs („Snips“): sind Variationen, bei denen ein Basenpaar durch ein anderes ersetzt wird

1A 1B 1C 3 4 5 7 82 9α 9β65´ 3´

ACTCGGTAGGAGAGGCTGGAATGCGCGTGCGACCTGGTCT

ACTCGGTAGGAAAAGCTGGAATGCGCGTGCGACCTGGTCT

22/23


Polymorphismus:






Repeats

Microsatellites: zwei bis vier Basenpaare lang (Di-/ Tri-/ Tetranucleotid repeats)

Minisatellites: auch variable number of tandem repeats(VNTR), bestehen aus einer variablen Anzahl repetetiverElemente


Polymorphismus:







Variationen, die größere DNA

Abschnitte betreffen

DNA-Abschnitt geht verloren

Ein DNA-Abschnitt wird

„eingebaut“

Die Abfolge eines DNA-

Abschnitts kehrt sich um

DNA-Abschnitte wiederholen sich


Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation


Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen:

Regulatorische Region:

Empfängt und reagiert auf Signale aus dem Genom selbst oder aus der Umwelt

5´ 3`





Exons:

DNA Segmente, die in mRNA umgeschriebenwerden. Konstituierendie eigentlichekodierende Region

5´ 3`





Zwischen Genen befindet sich DNA, derenFunktion größtenteils unbekannt ist. Nur 1,2% des Genoms bestehen aus Exons!

Introns:

DNA Segmenteunbekannter Funktion, eingestreut zwischenden Exons. Enthaltenkeine Information fürdas funktionelleGenprodukt. Werdentranskribiert � aus demprimären Transkript“herausgespleisst”

5´ 3`


5´ 3`

RNA Prozessierung

Primäre mRNATranskripte (mehrere Zwischenstufen)

Funktionale mRNA(Introns herausgespleißt)

Transkription

Transkription

Translation

Polypeptidkette


Grundlegende Mechanismen der Genregulation :

Nochmals eine Definition:

Ein Gen ist eine Region chromosomaler DNA, die zur richtigen Zeit und am richtigen Ort in funktionale mRNA umgeschrieben werden kann.

� Regulatorische Region:

• DNA Segment mit einer spezifischen Nukleotidsequenz

• empfängt Signale aus dem Genom selbst oder aus der Umwelt

Jede Zelle besitzt die gesamte genetische Information, die imGenom enkodiert ist.


Grundlegende Mechanismen der Genregulation :

ABER � Nur eine kleine Anzahl von Genen wird abgelesen!

Selektive Aktivierung bzw. Repression von Genen muss zwei Kriterien erfüllen

1.Transkription von spezifischen Genen oder Gruppen von Genen muss reversibel „an- und abschaltbar“ sein

2.Auf spezifische Signale aus der Umwelt bzw. des physiologischen Kontextes muss reagiert werden können

Letztendlich werden diese Signale in regulatorische Proteine übersetzt �binden an der regulatorischen Region des Gens � initiieren Transkription


Zwei Arten von DNA-Protein Interaktion müssen stattfinden:

a) Die eine determiniert WO die Transkription beginnt

b) Die andere OB Transkription stattfindet

Ad a) Promoter und RNA Polymerase:

Bindet RNA Polymerase an den Promoter, so wird die Transkription ein paar Basenpaare stromaufwärts initiiert.

Jedes Gen muss einen Promoter haben, sonst kann es nicht transkribiert werden

Ad b) Aktivatoren / Repressoren:

DNA Segmente in der Nähe des Promoters fungieren als Bindungsstellen für regulatorische Proteine


a) Promoter und RNA Polymerase:Bindet RNA Polymerase an den Promoter, so wird die Transkription ein paar Basenpaare stromaufwärts initiiert. Jedes Gen muss einen Promoter haben, sonst kann es nicht transkribiert werden.

Regulatorische Region

Bindungsstellen für Transkriptions-faktoren

AP-1

AP-1

Transkriptions-faktor

Promoter

Koaktivatoren

RNA

Polymerase

Transkriptions-initiation

Kodierende Region


b) Aktivatoren / Repressoren

DNA Segmente in der Nähe des Promoters fungieren als Bindungsstellen für regulatorische Proteine

Regulatorische Region

Bindungsstellen für Transkriptions-faktoren

AP-1

AP-1

Transkriptions-faktor

Promoter

Koaktivatoren

RNA

Polymerase

Transkriptions-initiation

Kodierende Region


…und noch etwas genauer:



Die funktionellen Konsequenzen von genetischen Varianten sind abhängig von ihrer Lokalisation.

Beobachtet werden Varianten in:

•Nicht kodierenden Regionen zwischen Genen: Konsequenzen nicht bekannt

•Introns: Konsequenzen unklar

•Kodierenden Regionen: Veränderungen des Genprodukts

durch Aminosäuretausch � somit Veränderung der Proteinstruktur

•Regulatorischen Regionen: Veränderung der Menge des exprimierten Gens oder des zeitlich-örtlichen Expressionsmusters



Mögliche Folgen von DNA Polymorphismen in kodierenden Regionen:

ATG CGG TCG GAG AGG CTG GAC GCG TGAMet AspArg Leu StopAlaGluSerArg

ATG CGG TAG GAG AGG CTG GAC GCG TGAMet StopArg

ATG CGG TCG GAA AGG CTG GAC GCG TGAMet AspArg Leu StopAlaGluSerArg

ATG CGG TCG GAG AGC CTG GAC GCG TGAMet AspSer Leu StopAlaGluSerArg

ATG CGG TCG GAG AGG ACT G GA C GC G TG AMet GlySer Thr ValArgGluSerArg

AspArg Leu StopAlaGlu


Mögliche Folgen von DNA Polymorphismen in kodierenden Regionen:

• Synonymer Austausch: ein Basenaustausch führt zu keinem

Aminosäuretausch, da beide Kodons für die gleiche AS

kodieren

• Nicht-Synbonymer Austausch (missense): ein Kodon für eine

Aminosäure wird durch ein Kodon für eine andere Aminosäure

ersetzt � Aminosäuretausch im Genprodukt

• nonsense: führt ein Stopkodon ein � beendet Transkription

• frameshift / insertion / deletion: Reading Frame wird

verändert � Aminosäuresequenz weist keinerlei Ähnlichkeit

mit der eigentlichen Aminosäuresequenz auf


Konsequenzen von Punktmutationen im Promoter des β-globin Gens. Punktmutationen der nahezu gesamten Promoterregion und ihre Aus-wirkungen auf die Transkriptionsrate

Beispiel: Auswirkung von Punktmutationen in der Promoterregion


Methoden der Verhaltensgenetik:

• Zwillingsstudien

• Adoptionsstudien

• Familienstudien

• Linkageanalysen

• Assoziationsstudien

Designs ohne (Molekular)-Genetik

Designs mit (Molekular)-Genetik


3. Einfluss ja / nein

1. Kandidatengen(e) aussuchen

2. auf Varianten prüfen (ausreichende Prävalenz?)

Gruppe A

(Variante A)

Gruppe B

(Variante B)

Assoziationsstudie


Zusammenfassung:

• Das menschliche Genom ist nahezu entschlüsselt

• Es gibt eine Vielzahl von interindividuellen Unterschieden bzgl. der genetischen Ausstattung

• Die Kenntnis dieser Variabilität ist für die bio-medizinische und neurowissenschaftliche Forschung von enormen Wert und…

...eröffnet die bisher nicht da gewesene Möglichkeit, die genetische Basis von individuellen Unterschieden im komplexen Verhalten undder Anfälligkeit für (neuropsychiatrische) Krankheiten zu ergründen

Ausblick auf die nächste Stunde:

Beispiele von für die (Bio-)Psychologie relevanten genetischen Studien

(Varianten in Neurotransmittersystemen und deren Einfluss auf Persönlichkeit / psychische Krankheit)



Einschub: Sequenzhomologie


Einschub: Sequenzhomologie

Homologie der DNA-Sequenz mit anderen Spezies:

• 60% Huhn

• 88% Nagern

• >98% Schimpansen

...Was macht uns zum Menschen?

• 35 Millionen Veränderungen der Basenabfolge

• 5 Millionen Insertionen / Deletionen

• Viele chromosomale Veränderungen

• „...the question of what genetic changes make us human is far more complex [than the mere comparison of sequence]“

Li & Saunders (2005). The chimpanzee and us. Nature 437 (7055):50-51.


...Was macht(e) uns zum Menschen? 3 Hypothesen

Proteinevolution:

Eher unwahrschein-lich (in Einzelfällen wichtig, z.B. FOXP2)

„Weniger ist mehr“:

Adaptiver Verlust von Genen

Sehr wahrscheinlich

Veränderung der Genregulation:

Sehr wahrscheinlich: Gilad et al. (2006)Expression profiling in primates reveals a rapid evolution of human transcription factors. Nature 440: 242-245.


...zurück zum Menschen

Das Human Genome Projekt lieferte nicht nur die Information über die genaue Sequenz unseres Genoms, sondern auch Informationen über Unterschiede zwischen den Genomen einzelner Individuen





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