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

hauptsächlich

Bestätigung durch dasHershey-Chase-Experiment

DNA

RNA:Meist einzelstängigRibose

statt Desoxyribose

Uracil

statt Thymin

5‘

3‘

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

Chromosom: 30% DNA, 10% RNA, 30% Histonproteine, 30% Nichthistonproteine

(Enzyme, Gerüstproteine)

Zellzyklus

Ein-Chromatid-Chromosomen

Zwei-Chromatid-Chromosomen

Mitose

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

3. Regel:Dihybrider

Erbgang

Zwei Merkmale:F2:

Aufspaltung 9:3:3:1(wenn Gene ungekoppelt)

S-Phase

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

1% Rekombinationsfrequenz

entspricht 1 Centi-Morgan

Abstand auf der Genkarte

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

Southern Blot

oder Markierung

mit Digoxigenin

oder Färbung mit Antikörper gegenDigoxygenin

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‘

(RNA-Polymerase)

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‘

Reparatur von DNA-Schäden

a) Photoreparatur

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

Transkription undTranslation

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?

Transkription

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

Elongation

Termination

Polysomen

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

Polymerase-Kettenreaktion

PCR

2 Primer (für jedes Ende einer), dNTPs, hitzestabile DNA-Polymerase

DNA-Sequenzierungnach Sanger:

SequenzspezifischerKettenabbruch durchZugabe von Fluoreszenz-

markiertenDideoxynukleotiden

Das Eukaryontengenom