DNA als Erbsubstanz

• DNA (Desoxyribonukleinsäure)• Träger der Erbsubstanz• Informationen im genetischen Code

verschlüsselt• Makromolekül besteht aus den

chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Suaerstoff, Phosphor und Stickstoff

DNA als Erbsubstanz

Funktion:

• Autokatalytische Funktion: Replikation

• Heterokatalytische Funktion: Übersetzung der Geninformation in Proteine (Transkription und Translation)

Bausteine der DNA

Bausteine der DNA - Basen

Purinbasen

Pyrimidinbasen

Mögliche Basenpaarungen

Basen bilden Wasserstoff-brückenbindungen aus

• zwischen Stickstoff und Wasserstoff oder

• zwischen Sauerstoff und Wasserstoff

Erhöhung der Stabilität

Mögliche Basenpaarungen

Jeweils Pyrimidinbase-Purinbase

δ+

δ+

δ+

δ+

δ+

δ-

δ-

δ-

δ-

δ-

Bausteine der DNA - Ribose

Bausteine der DNA - Phosphorsäure

Man nehme:

DesoxyribosePhosphorsäure

Doppelhelix - Struktur

• Stränge verlaufen antiparallel

• 5´-3´-Richtungen• Vollständige Windung

verläuft über 3,4nm und enthält 10 Basenpaare

Unterschiede DNA - RNA

• DNA liegt doppelsträngig vor

• RNA baut statt Thymin Uracil ein

• Ribose statt Desoxyribose

Problem:Wie kommen mehrere

Meter DNA in eine Zelle ?!?

Lösung:

DNA muss dichter gepackt bzw. kondensiert werden!!!

Das Chromatin besteht deshalb aus folgendenKomponenten:

• DNA-Faden• aus einer Gruppe basischer Proteine, Histone• aus Nicht-Histon-Chromatin-Proteinen

Histone

• Histone sind basische Proteine, die ca. die Hälfte des Chromatins ausmachen

• 5 Klassen: H1, H2A, H2B, H3, H4• Sie bilden das „Rückgrat“ des

Chromosoms bzw. des Chromatins, das aus elementaren Untereinheiten, den Nucleosomen besteht

Nucleosomen

Bestehen aus• Histon-Oktamer

( je 2x H2A, H2B, H3 und H4)

• 1x H1• 200bp DNA

Die Verpackung geht weiter…

…bis zum Chromosom

DNA-Doppelhelix Ǿ2nm 10bp/Windung

Nukleosomen-Kerne Ǿ10nm 80bp/Windung

Solenoid Ǿ30nm 1200bp/Windung

Chromatin-Schleifen Ǿ250nm 100000bp/Schleife

Chromosomentypen

Realer männlicher Karyotyp

Visualisierung des Heterochromatins

oder

C-Banding

Färbungsmethode zur Visualisierung von konstitutivem

Heterochromatin

Konstitutives Heterochromatin (=20% des menschlichen Genoms)spät replizierendwenig Gene höchst polymorphwahrscheinlich nie transkribiert

Lokalisierung von Heterochromatin

rund um die Centromer-Region (peri-zentrische oder proximale Banden)

( v.a. in Chromosomen 1,9 und 16) an den Chromosomenenden

( telomerische oder distale Banden)im langen Arm des Y-Chromosoms

Verwendung

1. Zur Identifizierung überzähliger oder fehlender Chromosomen2. Zur Identifizierung von Inversionen in Chromosom 93. Zur Identifizierung von Verkürzungen/ Verlängerungen der

heterochromatischen Regionen in Chromosomen 1, 9 oder 16

C-Banding Lymphozyten

9

16

1

1

16

9

G-Banding Lymphozyten

FISH – Fluorescence in situ hybridisation

Denaturierung (Hitze)

DNA-Strang

Hybridisierung mit Probe

Detektion

Zur Markierung einzelner Chromosomen

2x

2x

Zellzyklus

Was ist ein Zellzyklus?

• Weg von Zellteilung zu Zellteilung• Setzt sich aus unterschiedlichen Phasen

zusammen• Kontrolle der einzelnen Phasen• Verhindern von fehlerhafter Zellteilung

durch z.B. beschädigte DNA• Kontrollfehler: KREBS

Zellzyklusphasen

Mitose oder wie teilt sich eine Zelle?

Die Mitose-Stadien

Mitose – Animation

Wie wird eigentlich DNA verdoppelt/repliziert?!?

Theoret. Replikationsmöglichkeiten

semikonservativ

konservativ

dispersiv

Replikation• Aufwindung durch Helicase, es entsteht

eine Replikationsgabel, • Trennung der komplementären

Nukleotidstränge (jeder Strang als Matrize für die Bildung eines neuen DNA-Strangs = semikonservativ)

• Polymerase III katalysiert die Replikation von 5´nach 3´. Am führenden Strang ist die Replikation kontinuierlich

• Am rückläufigen Strang erfolgt die Replikation diskontinuierlich, ausgehend von Primern

• Die Primer dienen als Startpunkt für die DNA-Polymerase III, die mit der DNA-Replikation beginnt (Okazaki-Fragmente). Die Lücken zwischen den Teilstücken werden durch DNA-Polymerase I aufgefüllt und gleichzeitig die Primer wieder entfernt

• Teilstücke werden mittels Ligase kovalent verknüpft

Replikation - Animation

Beweis der semikonservativen

ReplikationSCE-Banding

Während des Zellzyklus wird ein markierter Farbstoff angeboten, der in den neuen Strang eingebaut wird

Unter dem Fluoreszenz-mikroskop ist der ein-gebaute Farbstoff zu erkennen

Fehler im Zellzyklus/ in der Mitose1. Fehler beim Spindelapparat

Fehlverteilung der Chromosomen

z.B.Trisomie 21

aber: in Landwirtschaft oft polyploide Pflanzen

2. Fehler in der S-Phase

Überproduktion von DNA

Tumorbildung

Fehler im Zellzyklus/ in der Mitose

Genetik ( z.B. an der Uni)

• Verschiedenste Fragestellungen

( Wie ? Wo ? Wann ?)• Verschiedenste Teilgebiete ( Bakterien, Mensch, Pflanzen )

Pflanzenphysiologie

• Wo wird welche DNA bzw. wo werden welche Proteine ge-braucht?

DNA wird mit Reportergen

( Farbstoff) versehen

d.h. hergestellte Proteine haben bestimmten Farbstoff

Pflanzenphysiologie Modellpflanze Arabidopsis

thaliana

Frage: Wann wird ProteinAtGRP7 zum Schutz vorUV-Strahlung hergestellt?

Konjugativer Gentransfer bei Bakterien

Frage: Warum wirken Antibiotika bald nicht mehr?

Zufällig resistente Bakterien geben ihre DNA ( und damit die Gene für Resistenz) über Plasmabrücken an andere Bakterien weiter, die diese in ihr Genom einbauen

Alles klar ?!?