Genetik

Jochen Graw

Genetik6., überarbeitete und aktualisierte Auflage

Mit 610 Abbildungen

Jochen GrawHelmholtz-Zentrum MünchenNeuherberg, Deutschland

ISBN 978-3-662-44816-8 978-3-662-44817-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-44817-5

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Planung und Lektorat: Stefanie WolfRedaktion: Annette HeßEinbandgestaltung: deblik BerlinEinbandfoto: Sebastian Schreiter, Springer-Verlag

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

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V

Vorwort zur 6. Auflage

Die GENETIK hat sich in den letzten Jahren zu einem der Standardwerke für den universitären Genetik-Unterricht im deutschsprachigen Raum entwickelt, und diese Tatsache hat den Verlag und auch mich ermutigt, den Weg weiterzugehen und eine neue, aktualisierte und überarbeitete Auflage vorzulegen. Das Tempo, in dem die Genetik sich auf allen Feldern weiterentwickelt, ist atemberaubend – und das soll sich auch in dieser Auflage widerspiegeln.

Eine der spannenden aktuellen Entwicklungen be-trifft die Epigenetik: Dieser Teildisziplin ist jetzt ein eigenes Kapitel gewidmet. Es sind viele Aspekte, die vorher an verschiedenen Stellen des Buches verstreut waren, jetzt im Kapitel 8 unter einem gemeinsamen Dach vereint, aktualisiert und deutlich ergänzt wor-den. So kamen in den früheren Auflagen die langen, nicht-codierenden RNAs (lncRNAs) nur im Zusam-menhang mit der Inaktivierung des X-Chromosoms und der genetischen Prägung (engl. imprinting) vor – heute wissen wir, dass die Zahl der Gene für lncRNAs die Zahl der Protein-codierenden Gene deutlich über-steigt. Und so zeigt sich hier die Dynamik der Genetik in besonderem Maße: Was gestern noch ein »ungesi-chertes Konzept« oder »spekulativer Ausblick« war, gehört heute schon zum Grundwissen.

Die Genetik geht immer auf ’s Ganze: Ziel ist der ganze Organismus - die ganze Pflanze oder das ganze Tier. Deswegen gibt es auch einen neuen Abschnitt bei den Modellorganismen: die Ratte. Die Ratte war lange Zeit in vielen Teilbereichen der biomedizini-schen Wissenschaften ein beliebter Modellorganis-mus und ist durch die besseren Möglichkeiten der Mausgenetik etwas in den Hintergrund gedrängt wor-den. Jetzt hat sich aber der genetische Werkzeugkas-ten für die Ratte deutlich verbessert, und sie beginnt allmählich, ihre frühere Rolle als Modellorganismus wieder zurückzugewinnen. Damit wird aber auch deutlich: Genetik braucht das ganze Tier – Zellkultu-ren sind für Biochemie und Zellbiologie durchaus vernünftige Modelle, aber wenn es um die Auswir-kungen einer Keimbahnmutation geht, dann müssen wir das ganze Tier (oder die ganze Pflanze) betrach-ten, denn selten hat eine Mutation nur in einem Ge-webe pathologische Konsequenzen. Und manchmal ist es noch komplexer: Dieselbe Mutation kann in einem Gewebe einen dominanten Phänotyp haben und in einem anderen einen rezessiven, oder das komplexe Zusammenspiel mehrerer Gene ist für eine pathologische Situation verantwortlich – wie will man das in der Zellkultur untersuchen? Oder epigeneti-sche Phänomene, die sich über mehrere Generatio-

nen erstrecken? Oder die Bedeutung expandierender Mutationen?

Die technische Entwicklung beschleunigt sich weiter und treibt damit natürlich auch die Möglichkeiten voran, Fragen zu beantworten, die zwar lange gestellt waren, aber methodisch nicht beantwortbar waren. Ein Beispiel dafür sind die Sequenziertechniken, die unter dem Stichwort »next generation sequencing« zu-sammengefasst werden. Das bedeutet nicht nur eine grundsätzliche Neuorientierung in der humangeneti-schen Diagnostik, sondern hat auch in der »Archäo-genetik« zur Klärung vieler Fragestellungen beigetra-gen: Die Denisova-Menschen, die im Altai-Gebirge lebten, wurden alleine aufgrund ihrer DNA-Sequen-zen als weitere menschliche Population neben den Neandertalern und den modernen Menschen charak-terisiert! Die entsprechenden neuen Technikboxen zeigen, wie’s geht (die Technikboxen stehen in be-währter Weise am Ende der Kapitel und erläutern wichtige genetische Methoden).

Die neuen Methoden des »Editierens« des Genoms machen es erstmals möglich, die DNA gezielt zu ver-ändern, ohne dass Vektoren in die Zellen eingeführt werden müssen. Die »Zauberworte« der neuen Tech-niken heißen Zinkfinger-Nuklease, TALENs und CRISPR/Cas – auch diesen Methoden sind neue Technikboxen gewidmet. Allerdings ergeben sich aus der Anwendung dieser Techniken nicht nur neue Möglichkeiten in der experimentellen Genetik zur Funktionsanalyse von Genen sowie in der Züchtungs-technik zum Optimieren von Nutzpflanzen und -tieren, sondern es ist zu erwarten, dass sie auch in der Humangenetik eingesetzt werden. Von ersten der-artigen Versuchen in China wurde Ende April 2015 berichtet – allerdings zunächst »nur«, um die Me-thode zu optimieren (Liang et al. (2015) Protein Cell 6:363–372). Auch hier gilt der Satz aus Dürrenmatts Die Physiker: »Alles Denkbare wird einmal gedacht. Jetzt oder in der Zukunft.«

Bleiben wir aber in der Gegenwart: Mit dieser Auflage hat sich der Verlag das ehrgeizige Ziel gesetzt, dass das Buch als E-Book auf allen Endgeräten in gleich guter Weise zu lesen sein soll – auf dem PC wie auf dem Reader als auch auf dem Smartphone. Deshalb mussten die alten größeren Symbole weichen – die »Eule« (für eher noch ungesicherte Aussagen) und die »Blüte« (für besonders wichtige Experimente), um neuen kleineren E-Book-Symbolen Platz zu machen. Die »Blüte« konnte verkleinert in eine mobil kompa-tible Form ( ) übernommen werden, aber statt der

VI Vorwort zur 6. Auflage

»Eule« gibt es jetzt eine »erhobene Hand« ( ), und die Zusammenfassungen am Ende eines Abschnitts sind an dem » >«-Zeichen erkennbar.

Mein besonderer Dank gebührt dem bewährten Team, das auch dieses Mal wesentlich dazu beigetra-gen hat, dass dieses Buch erscheinen konnte: in erster Linie Stefanie Wolf von der Lehrbuchabteilung des Springer-Verlages und Annette Heß, die das gründ-liche Lektorat besorgte; Detlef Maedje war von Seiten des Springer-Verlages für die Herstellung (und das neue Layout) verantwortlich. Tim Reichenthaler (lr-werbeagentur) hat viele der neuen Bilder reprodu-ziert, und die Produktion lag dieses Mal in den Hän-den von Peter Grumbach (Fotosatz-Service Köhler GmbH). Schließlich gilt mein Dank auch den vielen Fachkolleginnen und -kollegen, die mich mit Rat und Tat, Bildern und Vorschlägen für gute Formulierun-gen sowie inhaltlichen Hinweisen unterstützt haben.

Nach der 5. Auflage habe ich Verbesserungsvorschlä-ge und Kommentare aus allen Bereichen der »commu-nity« erhalten, die nach Maßgabe der Möglichkeiten umgesetzt wurden. Ich wünsche auch der 6. Auflage der GENETIK, dass sie weiterhin erfolgreich verwen-det wird – und Ihnen, liebe Leserin und lieber Leser, wünsche ich, dass Sie dadurch den Zugang zu einem faszinierenden Gebiet der Biologie finden mögen.

Jochen Graw Neuherberg/Unterschleißheim, im Mai 2015

VII

Vorwort zur 5. Auflage

»Gründlich, solide, humorfrei«, so beschrieb ein Re-zensent die letzte (4.) Auflage der GENETIK. Ich neh-me das als ein Kompliment (wenn man »humorfrei« mit »sachlich« übersetzt), denn genauso war das Buch konzipiert ‒ und offensichtlich wurde das auch so ver-standen. Vor dem Hintergrund des rasanten Fort-schritts der modernen molekularen Genetik habe ich mich deshalb gerne entschlossen, eine wiederum stark aktualisierte 5. Auflage herauszubringen. Dabei habe ich das bewährte Grundkonzept beibehalten, um so einen Eindruck von der Breite der Genetik zu vermitteln. Entsprechend wurden im Gesamtaufbau nur geringfügige Umstellungen vorgenommen: So wurde ein (Unter-)Kapitel zu den wichtigsten Modell-organismen der Genetik hinzugefügt (Kapitel 5.4); das frühere Kapitel über die Zukunft der Genetik wurde dagegen weitgehend in den übrigen Text inte-griert und durch ein neues Abschluss-Kapitel »Gene-tik und Anthropologie« ersetzt. Auf diesem Gebiet erwarte ich (ebenso wie in dem Bereich der Verhal-tens- und Neurogenetik, Kapitel 13) in den nächsten Jahren Ergebnisse, die unser Bild vom Menschen ver-ändern können.

Im Wesentlichen unverändert bleibt die Vielfältigkeit der Lernhilfen und der grafischen Gestaltung mit einem Überblick am Anfang eines Kapitels, mit Merk-sätzen, Blüten und Eulen zwischendurch sowie den Kernaussagen am Ende eines Kapitels sowie mit den Technik-Boxen, die eine kurze Einführung in tech-nisch-methodische Aspekte geben.

Gründlich verändert und aktualisiert wurde in dieser Auflage das Bildmaterial. Dabei spielte die Überle-gung eine wichtige Rolle, den Dozenten aussagekräf-tige Abbildungen für den Unterricht zur Verfügung stellen zu können. An dieser Stelle sei daher allen Kol-leginnen und Kollegen sowie denjenigen Verlagen gedankt, die ihr Bildmaterial kostenlos zur Verfügung gestellt haben; die entsprechenden Verweise sind bei den jeweiligen Bildern direkt zu finden. Nur so wurde auch für diese Auflage ein günstiger Preis möglich. Der aufmerksamen Leserin (und natürlich auch dem aufmerksamen Leser) wird es dabei nicht entgehen, dass einige renommierte Verlage nicht zu finden sind. Dies ist der jeweiligen Verlagspolitik geschuldet, die eine kostenfreie Weitergabe in der elektronischen und gedruckten Form leider nicht möglich machte.

In meinen Dank schließe ich auch die Personen ein, die ganz wesentlich zum Gelingen dieser Auflage bei-getragen haben. Dazu gehören in erster Linie Stefanie Wolf von der Lehrbuchabteilung des Springer-Verlags sowie das gründliche Lektorat von Annette Heß, aber auch die gewissenhafte Erstellung des Stichwortver-zeichnisses durch Dr. Sabine Herold und die Produk-tion durch Tim Reichenthaler (lr-werbeagentur). Schließlich gilt mein Dank auch den vielen Fach-kolleginnen und -kollegen, die mich mit Rat und Tat, Bildern und Vorschlägen für gute Formulierungen sowie inhaltlichen Hinweisen unterstützt haben.

Ein Lehrbuch kann immer nur die historisch gewach-sene und damit die aktuelle Summe des Wissens eines Fachs darstellen (und davon vieles auch nur exemplarisch). Insofern bin ich mir natürlich dessen bewusst, dass manche Kolleginnen und Kollegen die eine oder andere Facette ihres jeweiligen Spezial-gebiets vermissen werden. Auf der anderen Seite ist insbesondere die moderne Genetik eine sehr dynami-sche Disziplin, sodass manches, was heute noch als »ungesichertes Konzept« oder »spekulativer Aus-blick« gilt (das ist die Definition der »Eulen« in die-sem Buch), morgen schon zum Grundwissen gehören kann. Insofern spiegelt auch diese Auflage eine Mo-mentaufnahme aus dem Frühjahr 2010 wider – und ich bin gespannt darauf, was uns die nächsten Jahre an neuen und spektakulären Erkenntnissen der Genetik bescheren werden. Selbstverständlich bin ich immer offen und dankbar für weitere Verbesserungsvor-schläge und Kommentare aus allen Bereichen der community und wünsche auch der 5. Auflage der GENETIK, dass sie weiterhin erfolgreich verwendet wird – und Ihnen, liebe Leserin und lieber Leser, wünsche ich, dass Sie dadurch den Zugang zu einem faszinierenden Fach finden mögen.

Jochen Graw Neuherberg/Unterschleißheim, im April 2010

IX

Vorwort zur 4. Auflage

Nach drei erfolgreichen Auflagen der von Wolfgang Hennig begründeten GENETIK hat mich der Sprin-ger-Verlag gebeten, eine aktualisierte 4. Auflage zu erstellen. Ich habe diese Herausforderung gerne ange-nommen, weil ich in meinen Vorlesungen immer das Gefühl hatte, dass das Fach Genetik besonders dann gut vermittelt werden kann, wenn man die verschie-denen Teildisziplinen in einen engen Zusammenhang stellt. So wächst zwar das Wissen in unserem Fachge-biet derzeit explosionsartig, aber gerade darum treten viele Phänomene klarer hervor. Cytologische, mor-phologische oder auch formale Argumente bekom-men plötzlich einen molekularbiologischen Unterbau und lassen sich leichter verstehen.

Wie Wolfgang Hennig in seinem Vorwort zur 1. Auf-lage schrieb, ist es schwierig, als Einzelautor geneti-sche Fragestellungen vollständig darzustellen. Den-noch ist es mir wichtig, den Studenten der Biologie im Grund- und Hauptstudium (oder wie es im Rahmen des Bologna-Prozesses jetzt heißt: in den Bachelor- und Master-Studiengängen) auch einen Eindruck von der Breite der Genetik zu vermitteln. Ich habe deshalb den historischen Bezug sehr knapp gehalten und die Genetik zunächst einmal von der molekularen Seite her entwickelt. Es folgt dann die Einbindung in die zellulären Strukturen der Pro- und Eukaryoten, so dass die formalen Aspekte (auch die der Popula-tionsgenetik) vor der molekularbiologischen Grund-lage (und auch mit dem molekularbiologischen methodischen Repertoire) leichter zu verstehen und zu bearbeiten sind. Die als Genomforschung in den letzten Jahren massiv vorangetriebenen Aspekte der modernen Genetik haben große Auswirkungen auf unser Wissen in den Bereichen der Entwicklungs- und Humangenetik. Weitere Modellsysteme haben sich mit neuen Techniken etabliert (z. B. Arabidopsis, der Zebrafisch und die Maus) und sind aus der mo-dernen genetischen Forschung nicht mehr wegzuden-ken. Dem trägt die neue Auflage deutlicher als bisher Rechnung. Im Wesentlichen unverändert bleibt die Vielfältigkeit der Lernhilfen und der graphischen Ge-staltung mit einem Überblick am Anfang eines Kapi-tels, mit Merksätzen, Blüten und Eulen zwischen-durch sowie den Kernaussagen am Ende eines Kapi-tels und den Technik-Boxen, die eine kurze Einfüh-rung in technisch-methodische Aspekte geben. Allerdings wurden auch hier die Inhalte gründlich aktualisiert.

Die Erkenntnisse der modernen Genetik wirken sich zunehmend auf unseren Alltag aus. Ich möchte daher nicht nur an die Fragen zur Lebensmittelherstellung

durch gen-technisch veränderte Pflanzen und Tiere in der Landwirtschaft (und den verarbeitenden Be-trieben) erinnern, sondern auch an die Fragen zur conditio humana, den Bedingungen, unter denen wir Menschen uns in der Vergangenheit entwickelt haben und wohin wir uns entwickeln können. Das schließt nicht nur die mögliche Beantwortung der Frage ein, welchen Weg die ersten Menschen aus Afrika heraus eingeschlagen haben (war das »die Vertreibung aus dem Paradies«?). Wir können auch nicht bei der Frage nach der Individualität (Stichwort hier: genetischer Fingerabdruck) oder bei der Frage der genetischen Diagnostik und Therapie stehen bleiben, sondern be-kommen zunehmend auch den Bereich der geneti-schen Bedingungen unseres Verhaltens in den Blick. Erstaunlicherweise finden wir auch hier beim Men-schen ähnliche Genkaskaden wie bei den »üblichen Modellsystemen« Drosophila und der Maus. Das gilt sowohl für Grundzüge des Lernens und des Gedächt-nisses, für Angst- und Suchtverhalten als auch für neurodegenerative Erkrankungen. In vielen Fällen beginnen wir gerade, solche Mechanismen als kom-plexe genetische Modelle zu beschreiben. Wenn wir uns der molekularen Grundlagen, Bedingungen und Grenzen unseres Verhaltens immer bewusster wer-den, zeigt das aber auch, dass unsere Freiheit nicht unbegrenzt ist, sondern sich »nur« im Rahmen vorge-gebener Möglichkeiten entfalten kann – »Freiheit als Einsicht in die Notwendigkeit«? Ich erwarte daher in den nächsten Jahren intensive Diskussionen darüber, was Pädagogik und Psychiatrie leisten können (und sollen).

Damit möchte ich schließlich noch einen Aspekt auf-greifen, der in den letzten Wochen vor Drucklegung des Buches die Debatte der Feuilletons verschiedener renommierter deutscher Zeitungen beherrscht hat, nämlich die Frage nach dem »intelligenten Designer« – oder ob nicht die ganze Darwin’sche Abstammungs-lehre auf den Müllhaufen der Geschichte zu schmei-ßen und durch die biblische Schöpfungsgeschichte zu ersetzen sei. Dem muss natürlich im Vorwort eines Genetik-Lehrbuches insofern widersprochen werden, als in den Naturwissenschaften – und die Genetik gehört hier zweifellos dazu – die »Arbeitshypo these Gott« nicht vorkommt. Das hat nun nichts damit zu tun, dass alle Naturwissenschaftler gottlos seien, sondern es ist »nur« eine methodische Beschrän-kung  auf messbare und reproduzierbare Parameter. Dennoch gelingt es mit diesem »beschränkten« An-satz, eine Vielzahl von Mechanismen plausibel zu verstehen und zu begründen – Mechanismen, die eben vor 2000 Jahren noch unverstanden waren.

X Vorwort zur 4. Auflage

Genauso gibt es heute noch offene Fragen, die viel-leicht erst bei der nächsten Auflage der GENETIK beantwortet werden können – z. B., ob tatsächlich Mutationen in einem Gen (hier FOXP2) für die Aus-prägung von Sprache verantwortlich sind, oder splice- Varianten in einem anderen Gen (hier: fruitless bei Drosophila) für die geschlechtsspezifische Ausprä-gung des Balzverhaltens.

Ich möchte dieses Vorwort nicht schließen, ohne den Personen meinen Dank abzustatten, die zum Gelin-gen nicht unwesentlich beigetragen haben. Dazu ge-hören natürlich in erster Linie die Mitarbeiterinnen der Lehrbuchabteilung des Springer-Verlages, Iris Lasch-Petersmann, Stefanie Wolf und Elke Werner sowie in den Anfängen Manuela Kratz; dazu gehört auch das gründliche Lektorat von Bettina Holzhei-mer. Herr Bernd Reichenthaler (ProEdit) hat es ver-standen, auch die letzten »last minute« Ergänzungen noch einzuarbeiten. Ebenso dankbar bin ich Dr. Christine Schreiber (BIOspektrum/Elsevier) und be-sonders Dr. Tanita Casci (Redaktion Nature Reviews Genetics), die mich bei der Suche nach Bildern tat-kräftig unterstützt haben. Schließlich gilt mein Dank den vielen Fachkolleginnen und -kollegen, die mir mit Rat und Tat, Bildern und Vorschlägen für gute Formulierungen zur Seite gestanden sind.

Dieses Buch ist in vielen Bereichen eine Moment-aufnahme aus dem Sommer 2005. Ich bin immer offen und dankbar für weitere Verbesserungsvor-schläge und Kommentare aus allen Bereichen der »community« und wünsche der 4. Auflage der GENETIK, dass sie weiterhin erfolgreich verwendet wird und den Lesern den Zugang zu einem faszinie-renden Fach ermöglicht.

Jochen Graw Neuherberg/Unterschleißheim, im Juli 2005

XI

Vorwort zur 3. Auflage

Die schnelle Entwicklung der Biologie in den letzten Jahrzehnten findet keine Parallele in der Geschichte der Naturwissenschaften. Die Genetik hat an dieser Entwicklung einen maßgeblichen Anteil. Es ist sicher-lich für jeden Biologen faszinierend, diese Entwick-lung miterleben zu können. Gleichzeitig kann man sich aber auch eines Gefühls der Hilflosigkeit nicht ganz erwehren, wenn man versucht, diese Entwick-lungen in eine Form zu bringen, die es gestattet, das Fachgebiet in der Ausbildung von Studenten sach-gemäß und in sinnvoller Weise darzustellen. Die Not-wendigkeit der Beschränkung auf die Darstellung von Grundprinzipien wird stets ausgeprägter, und es er-fordert ständige kritische Reflektion, was man über-haupt in den akademischen Unterricht einbeziehen will. Ein Lehrbuch soll dazu dienen, der/dem Studie-renden einen Zugang zu seinem Fach dadurch zu schaffen, daß es ihr/ihm ermöglicht, sich mit den Grundlagen vertraut zu machen, die es schließlich gestatten, tiefer in Spezialgebiete des Faches einzu-dringen. Dennoch erwartet man, auch neue Entwick-lung zumindest angedeutet zu finden und häufig ge-brauchte Fachbegriffe wiederzufinden. Grenzen hier-für lassen sich heute nur noch willkürlich ziehen.

Ich habe mich, ausgehend von solchen Überlegungen, in dieser neu bearbeiteten Auflage bemüht, wichtige neue Befunde einzuarbeiten, ohne in viele Details der neu erkannten molekularen Mechanismen einzudrin-gen. Manche Bewertungen haben sich geändert und »Schleiereulen« haben ihre Nistplätze verloren oder neue gefunden.

Erneut haben mich viele Kollegen mit Hinweisen, Kommentaren und Material unterstützt. Ihnen gilt mein besonderer Dank! Ich hoffe, daß die Genetik auch in dieser Auflage wieder positiv aufgenommen wird.

Wolfgang HennigShanghai, Oktober 2001

XIII

Vorwort zur 2. Auflage

Die freundliche Aufnahme eines Lehrbuches durch die Benutzer ruft bei einem Autor eine besondere Motivation für Bemühungen zur Verbesserung her-vor. In einem Fach, das sich so schnell entwickelt wie die Genetik, bringt das aber auch besondere Probleme mit sich: Eine Neuauflage müßte eigentlich teilweise neu geschrieben werden. Das ist aus vielerlei Grün-den schwierig, wenn nicht unmöglich: Der Autor wäre in diesem Falle außerstande, noch anderes zu tun als sich ständig mit Teilgebieten des Lehrbuches zu beschäften. So bleibt nur ein Kompromiß möglich. Für die 2. Auflage habe ich eine gründliche Überar-beitung und Korrektur vorgenommen. Das Kapitel »Humangenetik« habe ich aktualisiert und in diesem Zusammenhang Kapitel zum Human-Genom-Pro- jekt und zur Gentechnologie hinzugefügt.

Ich bin allen, die mich auf Fehler aufmerksam ge-macht haben und die mir Anregungen und Hinweise gegeben haben, zu Dank verpflichtet. Nicht alle Vor-schläge habe ich berücksichtigen können, und ich habe mich auch nicht allen Änderungsvorschlägen zuwenden wollen – ganz abgesehen von sachlich fal-schen Änderungsvorschlägen (ein Beispiel, das wie-derholt kritisiert wurde: es muß richtig Promoter heißen, n-i-c-h-t Promotor!). Ein Grundlagen-Lehr-buch kann einen bestimmten Rahmen nicht über- schreiten, wenn es dem Leser Einblicke in Basiswissen zu allen Teilgebieten der Genetik vermitteln soll. Eine wesentliche Umfangserweiterung der »Genetik« ist aus der Sicht des Einzelautors auch nicht erstrebens-wert. Es liegt mir aber daran festzustellen, daß der Verlag allen Vorschlägen zur Gestaltung von meiner Seite her sehr positiv gegenübersteht.

Ich hoffe, daß die »Genetik« weiterhin gern gebraucht wird, und ich bin weiterhin für jeden Kommentar, vor allem auch von studentischer Seite, sehr dankbar.

Wolfgang HennigMainz, Januar 1998

XV

Vorwort zur 1. Auflage

Dieses Lehrbuch ist aus meiner Genetik-Grundvorle-sung entstanden und reflektiert deren Struktur, wie sie sich im Laufe mehrerer Jahre aufgrund der Erfah-rung in Prüfungen und durch Gespräche mit Studen-ten entwickelt hat. Hauptanliegen ist es mir stets ge-wesen, molekulare und klassische genetische und cytologische Gesichtspunkte soweit wie irgend mög-lich zu integrieren. Die Entwicklung der Genetik bie-tet hierzu immer bessere Möglichkeiten. Die Frage, ob der Genetik-Unterricht auf der klassischen Genetik oder auf den Kenntnissen der Molekulargenetik auf-bauen soll, wird damit zum Teil gegenstandslos. Der sinnvolle Zugang zur Genetik ergibt sich in meinen Augen von selbst: Der logische Einstieg in das Denk-gebäude der Genetik ist am einfachsten, wenn man deren historischer Entwicklung folgt. Wie wäre auf der molekularen Ebene zu erkennen, ob DNA-Verän-derungen sich im Phänotyp auswirken? Die Aufklä-rung elementarer Mechanismen der Frühentwicklung bei Drosophila in den letzten Jahren hat für jeden deutlich werden lassen, daß der Bezug zum Phänotyp, also der Morphologie, die entscheidende Rolle für den Zugang zu den wesentlichen biologischen Frage-stellungen spielt.

Für einen einzelnen Autor ist es heute wohl unmög-lich, in einem Grundlehrbuch der Genetik eine Voll-ständigkeit in der Darstellung der Fragestellungen anzustreben. Ich habe es als mein Ziel angesehen, grundlegende Mechanismen, deren Verständnis un-abdingbar ist, an geeigneten Beispielen darzustellen. Deren Besprechung ergibt sich oft aus einem allge-meineren biologischen Zusammenhang. Ich habe mich daher nicht unbedingt von der Vorstellung lei-ten lassen, daß zusammengehörige Themen auch an einer Stelle besprochen werden müssen. Ein Beispiel dafür ist das Kapitel 5 über Steuerung der Genfunk-tion auf chromosomalem Niveau, das mir als Ein-führung dieser Problematik wichtig erschien, dessen molekulare Grundlagen aber erst später ausgeführt werden. Mein Bemühen war es daher auch, durch ausführliche Querverweise die Erarbeitung einer zu-sammenhängenden Sicht zu erleichtern.

Ich habe in diesem ersten Ansatz darauf verzichtet, Fragen der Verhaltensgenetik und der Evolutionsfor-schung einzubeziehen. Im allgemeinen sind diese dem Fortgeschrittenenstudium zuzuordnen und hät-ten den Rahmen des vorliegenden Bandes damit überschritten. Die Populationsgenetik ist nur in sehr kurzer Form angesprochen, da hier das sehr über-sichtliche deutschsprachige Lehrbuch von D. Sperlich zur Verfügung steht.

Um von Beginn an den Zugang zur Fachliteratur zu erleichtern, habe ich im Text durchgehend für alle wichtigen Fachbegriffe die jeweilige englische Ter-minologie angeführt. Zudem sind häufig geeignete deutsche Begriffe nicht verfügbar. In solchen Fällen habe ich grundsätzlich die englische Terminologie verwendet. Ich finde beispielsweise durch nichts ge-rechtfertigt, den Begriff »single copy DNA« durch eine so abstruse »Übersetzung« wie »unikale DNA«, der man gelegentlich begegnet, zu ersetzen. Für Fach-begriffe habe ich im Glossar deren sprachlichen Ur-sprung und seine Bedeutung vermerkt, um damit das Verständnis der Begriffe zu erleichtern.

Die Frage, ob es sinnvoll ist, die Namen von Forschern anzuführen, wurde von mir positiv beantwortet: Es sind Menschen, die die entscheidenden Beobachtun-gen gemacht haben oder Wesentliches zu unserem Verständnis beigetragen haben. Warum sollten sie nicht genannt werden? In Einzelfällen wird diese Zu-ordnung vielleicht nicht immer der wissenschaftli-chen Prioriät entsprechen, aber ich hoffe, daß diese sich als Ausnahmen erweisen. Wo irgend möglich, habe ich mich bemüht, mir eine Einsicht in die Origi-nallite ratur zu verschaffen. Die Angabe der Lebens-daten der Forscher soll es dem Leser erleichtern, Parallelitäten in der Forschungsgeschichte der Gene-tik zu erkennen und die Befunde historisch einzuord-nen. Umgekehrt habe ich Daten der Veröffentlichung bewußt überall da weggelassen, wo diese zur histori-schen Einordnung nicht notwendig sind.

Die starke Verwobenheit der Genetik mit anderen biologischen Disziplinen führt zwangsläufig zu der Situation, daß ein umfassendes Genetiklehrbuch, schon durch die damit verbundene zeitliche Belas-tung, kaum noch von einem Einzelnen zu schreiben ist. Wenn ich dieses Wagnis dennoch unternommen habe, dann in der Hoffnung, daß es dadurch gelingt, eine möglichst einheitliche Konzeption in der Wahl und Darstellung der Inhalte sowie in der didaktischen Behandlung zu verwirklichen. Es muß dabei zuge- standen sein, daß Schwerpunkte nach persönlichen Gesichtspunkten gesetzen werden. Dieses selektive Lehrprinzip entspricht dem Konzept, das Wagen-schein unter dem Begriff »exemplarisches Lehren« vorgestellt hat und das künftig auch in der universitä-ren Ausbildung wohl die einzige Lösung angesichts der Fülle des Stoffes bleibt. In diesem Zusammenhang war ich immer wieder versucht, Ausflüge in die allge-meine Biologie zu unternehmen. Das aber ist nur ein Zeichen dafür, wie Genetik heute eigentlich zu ver- stehen ist, nämlich als allgemeine Biologie.

XVI Vorwort zur 1. Auflage

Für alle Verbesserungsvorschläge, Hinweise auf Feh-ler und Anregungen, insbesondere auch von jenen, denen dieses Buch in erster Linie helfen soll, sich in der immer komplexeren Wissenschaft der Genetik zurechtzufinden – den Studenten der Biologie – wer-de ich besonders dankbar sein. Kommentare von mei-nen Studenten während der Entstehung des Buches haben bereits einen Niederschlag gefunden. Insbe-sondere sind auch didaktische Elemente wie z. B. die Technikboxen, das Glossar, die Zusammenfassung der Kapitel in Kernaussagen und die Hervorhebungen durch die Piktogramme auf Anregungen von Studen-ten entstanden. Meine positiven Erfahrungen im Grundunterricht mit ausführlichen Illustrationen der behandelten Problematik haben mich veranlaßt, den vorliegenden Text so sorgfältig und vollständig wie möglich durch Abbildungen und Tabellen zu unter-stützen. Die erschöpfenden Legenden sollen den Text ergänzen und die Erarbeitung spezieller Punkte an-hand der Abbildungen ermöglichen. Ebenso sind in einigen der Tabellen die experimentellen Schritte aus-geführt (z. B. bei den Mendelschen Regeln). Zur Er-leichterung der Handhabung des Textes und zur Er-höhung seiner Übersichtlichkeit habe ich Beispiele und Experimente durch ein Blütenpiktogramm (es handelt sich um die Blüte einer Walderdbeere) ge-kennzeichnet. Textbereiche, in denen Fragen erörtert, ungelöste Probleme vorgestellt oder mehr spekulative Aussagen gemacht werden, sind durch das Pikto-gramm der Schleiereule hervorgehoben.

Ich hoffe, daß die Einarbeitung der didaktischer Ele-mente das Buch auch für Biologielehrer zum Nach-schlagen und zur Anregung geeignet macht. Der schnelle Fortschritt der Genetik zwingt zur ergänzen-den Information bereits kurze Zeit nach Beendigung der universitären Ausbildung. Weiter hoffe ich, daß in dieser Hinsicht auch das abschließende Kapitel, das sich mit Fragen der Gentechnologie beschäftigt, be-sondere Aufmerksamkeit findet, selbst wenn es bei Erscheinen des Buches teilweise bereits überholt sein mag.

Viele Kollegen haben mir mit Rat und Vorschlägen sowie durch Material zur Verfügung gestanden. Ihnen gilt mein herzlicher Dank. Wilfried Janning (Müns-ter), Erwin Schmidt (Mainz), Rolf Nöthiger (Zürich), Klaus Rajewsky und Matthias Cramer (Köln), Tho-mas Börner (Berlin), Peter Huijser (Köln), Klaus Cichutek (Frankfurt), Johannes Löwer (Frankfurt), Koos Miedema (Nijmegen) und Ron Hochstenbach (Nijmegen) haben Teile des Textes kritisch gelesen und wichtige Vorschläge zur Änderung und Ergän-zung gemacht. Frau Seipp (Heidelberg) hat den ersten Teil des Manuskriptes mit viel Sorgfalt kommentiert. Weiterhin möchte ich für Materialien und Hilfe dan-ken: Nicole Angelier (Paris), Rudi Appels (Canberra),

Dietrich Arndt (BGA Berlin), David Bazett-Jones (Calgary), Hans Becker (Heidelberg), Wolfgang Beer-mann (Tübingen), Ann Beyer (Baltimore), Harald Biessmann (Irvine), W. Burkart (BfS Salzgitter), Wer-ner Buselmaier (Heidelberg), B.M. Cattanach (Oxon), P. Colman (Melbourne), Thomas Cremer (Heidel-berg), Christine Dabauvalle (Würzburg), Tara Devi (Delhi), John Doebley (St. Paul), William C. Earn-shaw (Baltimore), Jan-Erik Edström (Lund), Hans Erni (Luzern), Elvira Finke (BGA Berlin), H. Frank (Tübingen), Joseph G. Gall (Baltimore), Walter Gehring (Basel), Susan Gerbi (Providence), David Glover (London), H. K. Goswami (Bhopal), Caspar Grond (Heidelberg), Rudolf Hagemann (Halle), Bar-bara Hamkalo (Irvine), Daniel L. Hartl (Boston), Martin Heisenberg (Würzburg), Daniele Hernandez- Verdun (Paris), W. Hilscher (Neuss), Ch. Holderegger (Zürich), Joel Huberman (Buffalo), Peter Huijser (Köln), Bernard John (Caldicot), Eberhard Kalt-schmidt (Lüneburg), A. Kleinschmidt (Mainz), R. Koopman (Nijmegen), Christian Krause (Berlin), Peter Lawrence (Cambridge), Ruth Lehmann (Cam-bridge), Maria Leptin (Tübingen), Markus Lezzi (Zürich), John Lucchesi (Atlanta), Alfred Maelicke (Mainz), Oscar L. Miller, Jr. (Charlottesville), Peter Moens (Toronto), Christiane Nüsslein-Volhard (Tü-bingen), B. A. Oostra (Leiden), J. B. Rattner (Calgary), Georg Redei (Columbia), Wolf Reik (Cambridge), Ulrich Scheer (Würzburg), H. Schuhmacher (Braun-schweig), Heinz Schwarz (Tübingen), Uli Schwarz (Tübingen), Dieter Schweizer (Wien), Dominik Smeets (Nijmegen), Günter Steinbrück (Tübingen), S. Takayama (Tokio), Diethard Tautz (München), Herbert Taylor (Tallahassee), William Theurkauf (Stony Brook), Michael Trendelenburg (Heidelberg), E. Trifanov (Rehovot), Friedrich Vogel (Heidelberg), Peter Vogt (Heidelberg), Eric Weinberg (Philadel-phia), Dieter von Wettstein (Kopenhagen), H. Win-king (Lübeck) und Ute Wolf (BGA Berlin).

Nach vieljähriger Unterbrechung hat sich Herr Ober-studiendirektor B. Gotthardt, Berlin, noch einmal die Mühe gemacht, meine Altsprachenkenntnisse (im Glossar) zu überprüfen und zu ergänzen. Auch ihm möchte ich an dieser Stelle nochmals herzlich danken. Im Verlag bin ich Frau Anne C. Repnow und Frau Manuela C. Wolf für die ausgezeichnete, für beide Seiten unerwartet lange Zusammenarbeit und die vielfachen Hilfen sehr zum Dank verpflichtet. Frau Isolde Gundermann hat das Projekt herstellerisch be-treut. Auch meinen vielen, sehr diskreten Gestal-tungswünschen haben sie stets positiv gegenüberge- standen, und sie haben durch Gestaltungsvorschläge viel zur endgültigen Form des Buches beigetragen. Insbesondere die didaktischen Elemente im Text ha-ben erst durch diese Kommunikation ihre endgültige Gestalt gefunden. Frau Christiane von Solodkoff hat

XVIIVorwort zur 1. Auflage

die computergraphische Überarbeitung der Abbil-dungen ausgeführt.

Ein besonderes Anliegen ist mir die Feststellung, daß die Zusammenarbeit mit Sibylle Erni (Luzern) bei der Anfertigung der Abbildungen ein besonders motivie-render Teil der Arbeit an diesem Buch war. Sie hat in vielen Fällen eigene Vorschläge zur Anordnung und Ausführung verwirklicht und Fehler in meinen Vor-lagen aufgespürt. Ihr gilt mein besonders herzlicher Dank für ihren Einsatz, ihre Ausdauer und ihre Sorg- falt. Ihre Zusage, die Illustrationen auszuführen, hat meinen Entschluß zur Arbeit an diesem Buch ent-scheidend beeinflußt.

Wolfgang HennigKranenburg, September 1994

XIX

Hinweise zum Gebrauch und zur didaktischen Konzeption

Vielfältige Lernhilfen und die optische Gestaltung dieses Lehrbuches bieten dem Leser die Möglichkeit, sich dem komplexen Stoffgebiet Genetik auf verschiedene Weise bzw. auf verschiedenen Leseebenen zu nähern. Für den optimalen Gebrauch – sowohl zum intensiven Studium als auch zur schnellen Information über Teil-bereiche – sollen die didaktischen Elemente und die Gliederung des Buches hier erläutert werden.

Jedes Hauptkapitel wird durch eine inhaltlich charak-teristische Abbildung eröffnet, die das Interesse am Thema wecken und zum Weiterlesen motivieren soll.

Es folgt eine Zusammenfassung des Kapitelinhaltes in einer sehr allgemein gehaltenen Form. Durch die fort-laufende Lektüre dieser Abschnitte kann ein guter Überblick über die Teilprobleme der Genetik erhalten werden. Das erleichtert es auch, Zusammenhänge über die Kapitel hinweg zu erkennen. Die allgemeine Form soll das Interesse an der Detailinformation wecken.

> Die Fragestellungen der Genetik betreffen die Aufklärung der Regeln und Mechanismen der Vererbung. Die Genetik hat aber heute auch das Ziel, die Unterschiede in der genetischen Ausstattung verschiedener Organismen funk-tionell zu erklären.

Innerhalb der Kapitel sind kurze Zusammenfassun-gen der wichtigsten behandelten Punkte hervorgeho-ben, damit sie auf den ersten Blick erkennbar sind. Diese Merksätze sollen die systematische Erarbeitung des Stoffes erleichtern. Sie eignen sich insbesondere auch zum schnellen Wiederholen.

Fachbegriffe sind, ebenso wie die Hauptstichworte des jeweiligen Textabschnitts, durch halbfetten Druck hervorgehoben und bilden eine Art roten Faden durch das Buch. Dies trägt zur Übersichtlichkeit und besseren Gliederung des Lehrstoffes bei.

Die Gesamtheit der genetischen Informationen fasst man unter dem Begriff Genom zusammen.

Beispiele, die den theoretischen Hintergrund erläu-tern oder die Erarbeitung einer Fragestellung erleich-tern sollen, sind im Textbereich durch eine Blüte gekennzeichnet und erlauben so ein schnelles Auf-finden.

Durch ein einfaches Beispiel wird uns verdeutlicht, dass die Variabilität der Erscheinungsformen bestimmten Gesetz-mäßigkeiten gehorcht: Trotz aller Vielfalt in der Individua li-tät verschiedener Menschen ist der Mensch als einheitliche Organismengruppe deutlich gegenüber allen anderen Orga-nismengruppen abgegrenzt. Stark ab weichende Gestalt-formen, wie sie beispielsweise bei fehlerhafter Embryonal-entwicklung auftreten können, sind im Allgemeinen nicht lebensfähig.

Um zu überprüfen, ob die Greifvögel und Eulen und die einzelnen Unterarten jeweils monophyletische Gruppen bil-den (d. h. eine Abstammungsgemeinschaft mit einem ge-meinsamen Vorfahren darstellen), wurden jeweils ein Gen der Mitochondrien und eines aus der Kern-DNA sequenziert.

Abweichend von üblichen Lehrbuchdarstellungen sind in den Text bisweilen auch ungesicherte Kon-zepte oder Vorstellungen oder auch weitgehend spe-kulative Ausblicke sowie offene Fragestellungen aufgenommen. Sie werden durch das Symbol einer Hand angezeigt, das auf die Grenzen des gegenwärti-gen Wissens aufmerksam machen soll.

Überblick

Dieses Kapitel ist ein Versuch, sich der Frage nach der conditio humana von der genetischen Seite zu nähern. Der Blick des Genetikers wird dabei notwendigerweise etwas eingeschränkt sein, da er sich im Wesentlichen auf das beschränkt, was seine Thematik ist: die Beob-achtung der Veränderung des Erbmaterials in der Zeit, aber auch in verschiedenen geographischen Bereichen.

XX Hinweise zum Gebrauch und zur didaktischen Konzeption

Abbildungslegenden sind so gehalten, dass Abbil-dungen auch ohne Rückgriffe auf den Text verständ-lich sind. Sie enthalten bisweilen auch Einzelheiten, die im Text nicht erwähnt werden, für ein tiefer gehen-des Studium jedoch notwendig sind. Der fortlaufende Zusammenhang des Textes wird dadurch besser ge-wahrt, ohne durch allzu viele Teilaspekte zu unüber-sichtlich zu werden.

Kernaussagen 5 Die Genetik beschreibt die Regeln und Mechanis-

men der Vererbung und erklärt funktionell die Unterschiede in der genetischen Ausstattung ver-schiedener Organismen.

Tabellen wurden überall dort eingesetzt, wo es erfor-derlich erschien, Zahlenmaterial oder andere Daten zum besseren Verständnis besonders übersichtlich und prägnant darzustellen oder zum Nachschlagen zusammenzufassen.

Jedes Kapitel schließt mit einer Aufzählung von Kern-aussagen, die den Inhalt des Kapitels nochmals in konkreten Punkten zusammenfassen. Es soll hier-durch erleichtert werden, nach der Bearbeitung des Kapitels zu prüfen, ob die wesentlichen Gesichts- punkte des Kapitels erfasst worden sind.

Übungsfragen am Ende eines Kapitels sollen zum kritischen Lesen ermuntern und ein Verständnis für wichtige Begriffe und Zusammenhänge entwickeln. Um das Spicken zu vermeiden, finden sich die Ant-worten am Ende des Buches im Serviceteil.

Die Literaturübersicht am Kapitelende soll es einer-seits erleichtern, wichtige Originalarbeiten aufzufin-den, andererseits aber auch Hinweise auf jüngere Re-views oder Originalarbeiten geben, die zur Vertiefung des Studiums von Teilaspekten geeignet sind. Eine Vollständigkeit ist nicht angestrebt.

Methoden der Genetik werden in getrennten Technik-boxen dargestellt, auf die im Text verwiesen wird. Sie sind in unterschiedlichen Zusammenhängen wichtig. Eine Übersicht über die Technikboxen ist im An-schluss an das Inhaltsverzeichnis gegeben, sodass ein Überblick über die wichtigsten methodischen An-sätze so leicht möglich ist.

Im Glossar sind die wichtigsten Fachbegriffe zusam-mengestellt und kurz in ihrem sprachlichen Ursprung erklärt. Es folgt oft ein Verweis auf die Textstelle, an der der Begriff fachlich erläutert bzw. eine Definition gegeben wird. Dieses Verfahren erscheint besser ge-eignet als eine kurzgefasste Wiederholung. Es erlaubt eine schnelle Orientierung über wesentliche Be griffe und ihre Bedeutung.Das Sachverzeichnis ist bewusst sehr ausführlich ge-halten und soll das Lehrbuch auch zum Nachschlagen geeignet machen. Die zahlreichen Querverweise im laufenden Text dienen dazu, besprochene Begriffe und Fragen, die auch in anderem Zusammenhang re-levant sind oder vertieft werden, schnell aufzufinden.

. Tab. 1.1 Kurze Geschichte der Genetik

Jahr Ereignis

1866 Mendel veröffentlicht seine Schrift Versuche über Pflanzenhybriden

1871 Miescher entdeckt Nukleinsäuren

. Abb. 1.2 a Johann Gregor Mendel (Augustinerpater und Begründer der modernen Genetik, 1822–1884). b James Watson und Francis Crick vor dem DNA-Modell

Übungsfragen1. Erläutern Sie die Bedeutung der Fusion zweier

Chromosomen der Affen zum Chromosom 2 des Menschen für die Evolutionslinie des Menschen.

2. Erläutern Sie die genetischen Argumente der Out-of-Africa-Hypothese.

Technikbox 1

Isolierung genomischer DNAAnwendung: Genomische DNA ist Ausgangsmaterial für viele genetische Verfahren: Klonierung von DNA-Fragmenten, Southern-Blot-Analyse, PCR-Analyserung.Methode: DNA liegt im Zellkern als extrem langes, aber sehr dünnes Fadenmolekül vor.

XXI

Inhaltsverzeichnis

1 Was ist Genetik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Gegenstand der Genetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 Kurzer Abriss der Geschichte der Genetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Das Genom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.3 Der Genbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.4 Nomenklatur-Regeln in der Genetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Konstanz und Variabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.1 Umweltbedingte Variabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.2 Genetisch bedingte Variabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3 Theoriebildung in der Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4 Genetik und Gesellschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Technikbox 1: Isolierung genomischer DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Technikbox 2: Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Molekulare Grundlagen der Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1 Funktion und Struktur der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.1 DNA als Träger der Erbinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.2 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.3 Konfiguration der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.4 Physikalische Eigenschaften der Nukleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2 Die Verdoppelung der DNA (Replikation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.1 Semikonservative Replikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.2 Mechanismen der Replikation bei Prokaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.3 Mechanismen der Replikation bei Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Technikbox 3: Renaturierungskinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Technikbox 4: Polymerasekettenreaktion (PCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Technikbox 5: Markierung von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Technikbox 6: Klassische DNA-Sequenzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Technikbox 7: Sequenzierung der nächsten Generation (next generation sequencing) . . . . . . . . . . . . . . . 53

3 Verwertung genetischer Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1 DNA, genetische Information und Informationsübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.2 Der genetische Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.2.1 Die Entschlüsselung des Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.2.2 Beweis der Colinearität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.3 Allgemeingültigkeit des Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.3 Transkription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.1 Allgemeiner Mechanismus der Transkription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.2 Transkription bei Prokaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.3.3 Transkription Protein-codierender Gene bei Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.4 Reifung eukaryotischer mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.3.5 Spleißen eukaryotischer prä-mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.3.6 Editieren eukaryotischer mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.4 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.4.1 Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.2 Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.4.3 Termination und Abbau der mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.5 RNA-codierende Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.5.1 5,8S-, 18S- und 28S-rRNA-Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.5.2 5S-rRNA-Genfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.5.3 tRNA-Genfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

XXII Inhaltsverzeichnis

3.5.4 Katalytische RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Technikbox 8: Isolierung von mRNA, cDNA-Synthese und RACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Technikbox 9: In-vitro-RNA-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Technikbox 10: RNA-Sequenzierung der nächsten Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4 Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.1 Bakterien als genetisches Modellsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2 Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.2.1 F-Plasmid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.2.2 Andere Plasmide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.3 Bakteriophagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.3.1 Vermehrungszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.3.2 Bakteriophage λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.3.3 Andere Bakteriophagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.4 Transformation und Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.4.1 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.4.2 Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334.5 Genstruktur und Genregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384.5.1 Das lac-Operon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.5.2 Das Operonmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.5.3 Das trp-Operon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.5.4 RNA-codierende Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.5.5 Kommunikation in Bakterien: Quorum sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.6 Regulation im Genom des Phagen λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.6.1 Regulation des lytischen Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1524.6.2 Regulation des lysogenen Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1534.6.3 DNA-Protein-Interaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Technikbox 11: Klonierung von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Technikbox 12: Two-Hybrid-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Technikbox 13: Restriktionsanalyse von DNA und Southern-Blotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Technikbox 14: Northern-Blotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

5 Die eukaryotische Zelle und Modellorganismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.1 Die eukaryotische Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.1.1 Die Entdeckung der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.1.2 Die Struktur der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.1.3 Chloroplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1685.1.4 Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.1.5 Der Zellkern und seine dynamische Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.2 Der Zellzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1805.2.1 Kontrolle des Zellzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1815.2.2 Verschiedene Wege zum programmierten Zelltod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855.2.3 Genetik des Alterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885.3 Wichtige eukaryotische Modellorganismen in der Genetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905.3.1 Hefen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905.3.2 Der Schimmelpilz Neurospora crassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925.3.3 Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1945.3.4 Der Fadenwurm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1975.3.5 Die Taufliege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985.3.6 Der Zebrafisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2005.3.7 Die Hausmaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045.3.8 Die Ratte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Technikbox 15: Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

XXIIIInhaltsverzeichnis

6 Eukaryotische Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

6.1 Das eukaryotische Chromosom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146.1.1 Chromosomen als Träger der Erbanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146.1.2 Morphologie der Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166.1.3 Centromer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2226.1.4 Telomer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2246.2 Organisation der DNA im Chromosom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2276.2.1 Chromosomale Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2286.2.2 Nukleosomen und Chromatinstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.3 Mitose, Meiose und chromosomale Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.3.1 Mitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.3.2 Meiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2366.3.3 Rekombination bei Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2426.3.4 Genkonversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2476.4 Variabilität der Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2486.4.1 Polytäne Chromosomen (Riesenchromosomen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2486.4.2 Lampenbürstenchromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2506.4.3 Überzählige und keimbahnlimitierte Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2516.4.4 Geschlechtschromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Technikbox 16: Chromosomenbänderung und chromosome painting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Technikbox 17: Homologe Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

7 Molekulare Struktur und Regulation eukaryotischer Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

7.1 Protein-codierende Gene (I): Einzelkopiegene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2627.1.1 Fibroin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2627.1.2 Proopiomelanocortin – ein polycistronisches Gen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2667.1.3 Titin – ein Riesengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2677.2 Protein-codierende Gene (II): Multigenfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.2.1 Globin-Genfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.2.2 Histon-Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.2.3 Tubulin-Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2757.2.4 Kristallin-Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2777.3 Regulation eukaryotischer Genexpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2797.3.1 Promotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2797.3.2 Transkriptionsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.3.3 Enhancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2857.3.4 Locus-Kontrollregionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Technikbox 18: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (I): Gel-Retentions-Assay . . . . . . . . . . . . . 289 Technikbox 19: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (II): ChIP-chip und ChIP-Seq . . . . . . . . . . . 290

8 Epigenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

8.1 Chromatin und epigenetische Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2938.1.1 Euchromatin und Heterochromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2938.1.2 Methylierung der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.1.3 Modifikation der Histone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2988.2 Regulatorische RNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3008.2.1 Mechanismen der RNA-Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3018.2.2 Kleine interferierende RNA (siRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3048.2.3 Mikro-RNA (miRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3068.2.4 Piwi-interagierende RNA (piRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3088.2.5 Viroide: kleine infektiöse RNA-Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3098.2.6 Lange, nicht-codierende RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3118.2.7 Das Geheimnis der Paramutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3138.3 Dosiskompensation der Geschlechtschromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3168.3.1 Dosiskompensation bei Drosophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

XXIV Inhaltsverzeichnis

8.3.2 Dosiskompensation bei Säugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3188.4 Epigenetik und genetische Prägung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258.4.1 Was ist genetische Prägung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258.4.2 Mechanismen der genetischen Prägung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3278.4.3 Genetische Prägung und Umweltfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Technikbox 20: RNAi: spezifische Inaktivierung von Transkripten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Technikbox 21: Genomweite Analyse von DNA-Methylierungsmustern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

9 Instabilität, Flexibilität und Variabilität des Genoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

9.1 Transposons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3409.1.1 Prokaryotische Transposons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3419.1.2 Eukaryotische Transposons (mit terminalen invertierten Wiederholungseinheiten) . . . . . . . . . . . . . . . . . 3459.2 Retroviren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519.2.1 Genomstruktur von Retroviren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3529.2.2 Humanes Immundefizienz-Virus (HIV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3559.2.3 Retroelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3589.2.4 Mobile Elemente in Introns der Gruppe II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3659.3 Umlagerung von DNA-Fragmenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3669.3.1 Kerndualismus: Mikro- und Makronuklei in einer Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3669.3.2 Chromatinelimination und -diminution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3709.3.3 DNA-Amplifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3729.3.4 Wechsel des Paarungstyps bei Hefen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3789.3.5 Oberflächenantigene von Trypanosoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3829.4 Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3859.4.1 Funktion des Immunsystems der Säuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3859.4.2 Immunglobulin-Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3879.4.3 Klassenwechsel, Hypermutation und Genkonversion bei Immunglobulin-Genen . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Technikbox 22: Verwendung von Balancer-Chromosomen (Drosophila) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Technikbox 23: P-Element-Mutagenese (Drosophila) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Technikbox 24: Enhancer-Trap-Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

10 Veränderungen im Genom: Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

10.1 Klassifikation von Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40110.2 Chromosomenmutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40410.2.1 Numerische Chromosomenaberrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40410.2.2 Polyploidie in der Pflanzenevolution und Pflanzenzucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.2.3 Strukturelle Chromosomenaberrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41010.3 Spontane Punktmutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.3.1 Fehler bei Replikation und Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.3.2 Spontane Basenveränderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.3.3 Dynamische Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.4 Induzierte Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41810.4.1 Mutationen durch ultraviolette Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41810.4.2 Mutagenität ionisierender Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41910.4.3 Chemische Mutagenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42410.5 Mutagenität und Mutationsraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42910.5.1 Mutagenitätstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42910.5.2 Mutationsraten und Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43510.6 Reparaturmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43710.6.1 Reparatur UV-induzierter DNA-Schäden durch Photolyasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43710.6.2 Exzisionsreparaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43810.6.3 Fehlpaarungsreparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44210.6.4 Homologe Rekombinationsreparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44310.6.5 Nicht-homologe Verbindung von DNA-Enden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44410.6.6 SOS-Rekombinationsreparatur oder postreplikative Reparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

XXVInhaltsverzeichnis

10.7 Ortsspezifische Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44610.7.1 Gentechnische Modifikationen von Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44610.7.2 Gentechnische Modifikationen von Tieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 Technikbox 25: SSCP-Analyse (single strand conformation polymorphism-Analyse) . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 Technikbox 26: Transgene Mäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Technikbox 27: Geninaktivierung bei Mäusen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

11 Formalgenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

11.1 Grundregeln der Vererbung: die Mendel’schen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46111.2 Statistische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.2.1 Mathematische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.2.2 Die χ2-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47111.3 Mendel aus heutiger Sicht – Ergänzungen seiner Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47311.3.1 Unvollständige Dominanz und Codominanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47311.3.2 Multiple Allelie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47611.3.3 Der Ausprägungsgrad von Merkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47811.3.4 Polygene Vererbung – Genetik quantitativer Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48111.3.5 Pleiotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48511.4 Kopplung, Rekombination und Kartierung von Genen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48611.4.1 Geschlechtsgebundene Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48611.4.2 Kopplung von Merkmalen auf autosomalen Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48611.4.3 Klassische Dreipunkt-Kreuzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49011.4.4 Moderne genomweite Kartierung mit Mikrosatelliten- und SNP-Markern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49311.4.5 Kartierung von quantitativen Merkmalen und Modifikator-Genen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49611.5 Populationsgenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49811.5.1 Hardy-Weinberg-Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49811.5.2 Genetische Zufallsveränderungen (random drift) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50211.5.3 Natürliche Selektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50311.5.4 Migration und Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50811.6 Evolutionsgenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51111.6.1 Der letzte gemeinsame Vorfahre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51111.6.2 Genetische Aspekte der Artbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 Technikbox 28: Kartierung genetischer Merkmale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 Technikbox 29: Immunologische Nachweismethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

12 Entwicklungsgenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525

12.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52712.2 Entwicklungsgenetik der Pflanze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52712.2.1 Musterbildung in der frühen Embryogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52812.2.2 Wurzel-, Spross- und Blattentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53012.2.3 Blütenentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53412.3 Entwicklungsgenetik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54212.3.1 Embryonalentwicklung von C. elegans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54212.3.2 Organentwicklung bei C. elegans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54412.4 Entwicklungsgenetik von Drosophila melanogaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54512.4.1 Keimbahnentwicklung bei Drosophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54512.4.2 Der frühe Embryo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54712.4.3 Ausbildung der anterior-posterioren Körperachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54912.4.4 Ausbildung der dorso-ventralen Körperachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55212.4.5 Segmentierung bei Drosophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55412.4.6 Imaginalscheiben, Metamorphose und Organentwicklung bei Drosophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56112.5 Entwicklungsgenetik bei Fischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56612.5.1 Allgemeine Embryonalentwicklung des Zebrafisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56612.5.2 Frühe Embryonalentwicklung des Zebrafisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56712.5.3 Organentwicklung bei Zebrafischen: Herz und Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569

XXVI Inhaltsverzeichnis

12.6 Entwicklungsgenetik bei Säugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57012.6.1 Embryonalentwicklung von Säugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57012.6.2 Entwicklung von Zwillingen beim Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57312.6.3 Teratogene Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57412.6.4 Organentwicklung bei Säugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57612.6.5 Keimzellentwicklung und Geschlechts determinierung bei Säugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58112.7 Stammzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58512.7.1 Totipotenz von Zellkernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58512.7.2 Embryonale Stammzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58712.7.3 Somatische Stammzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590 Technikbox 30: In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Technikbox 31: Morpholinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

13 Genetik menschlicher Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

13.1 Methoden der Humangenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59713.1.1 Molekulare Diagnostik, Familienberatung und Reihenuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59813.1.2 Zwillingsforschung und Geschwisterpaar-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60113.1.3 Stammbaumforschung und Kartierung von Erbkrankheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60413.1.4 Genetische Epidemiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60913.2 Chromosomenanomalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61113.2.1 Numerische Chromosomenanomalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61113.2.2 Strukturelle Chromosomenanomalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61513.3 Monogene Erbkrankheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61613.3.1 Autosomal-rezessive Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61713.3.2 Autosomal-dominante Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62113.3.3 X-chromosomale Krankheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62813.3.4 Y-chromosomale Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63513.3.5 Mitochondriale Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63613.4 Komplexe Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63913.4.1 Gene und Krebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63913.4.2 Asthma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64813.4.3 Diabetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65113.5 Genbasierte Therapieverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65513.5.1 Gentechnische Aspekte bei der Herstellung von Medikamenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65513.5.2 Pharmakogenetik, Pharmakogenomik und personalisierte Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65613.5.3 Somatische Gentherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65713.5.4 Genetik und Reproduktionsmedizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660 Technikbox 32: Differenzielle Genexpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 Technikbox 33: Gezieltes Editieren von Genomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664

14 Verhaltens- und Neurogenetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667

14.1 Visuelles System und endogene Rhythmik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66914.1.1 Genetik des visuellen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66914.1.2 Zugverhalten bei Vögeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67214.1.3 Zirkadiane Rhythmik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67714.1.4 Schlafstörungen des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68314.2 Lernen und Gedächtnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68414.2.1 Lernverhalten von Drosophila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68414.2.2 Lernverhalten bei Mäusen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68814.2.3 Kognitive Störungen bei Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69114.3 Angst, Sucht und psychiatrische Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69314.3.1 Angst und Depression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69314.3.2 Suchtkrankheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69914.3.3 Schizophrenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70714.4 Neurologische Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710

XXVIIInhaltsverzeichnis

14.4.1 Rett-Syndrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71014.4.2 Migräne und Epilepsie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71314.4.3 Autismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71614.5 Neurodegenerative Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71714.5.1 Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71814.5.2 Alzheimer’sche Erkrankung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72014.5.3 Parkinson’sche Erkrankung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730 Technikbox 34: In-vivo-Reportergen: das grün-fluoreszierende Protein (GFP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 Technikbox 35: Mikroarrays und DNA-Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734

15 Genetik und Anthropologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737

15.1 Genetische Aspekte zur Evolution des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73815.1.1 Menschen und Affen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73915.1.2 Out of Africa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74415.1.3 Neandertaler: ausgerottet oder assimiliert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75215.1.4 Die Unterschiedlichkeit moderner Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75615.1.5 Die bunte Menschheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76415.2 Der Mensch und sein Gehirn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76815.2.1 Evolution des menschlichen Gehirns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76815.2.2 Genetische Aspekte zur Evolution der Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77315.2.3 Genetische Aspekte zu aggressivem Verhalten des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77715.2.4 Genetische Aspekte der Geruchswahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78015.2.5 Genetische Aspekte des Bewusstseins am Beispiel der Sehbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78315.3 Quo vadis, Homo sapiens? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789

Serviceteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791

Antworten zu den Übungsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799 Personenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 810

XXIX

Übersicht über die Technikboxen

Technikbox 1: Isolierung genomischer DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Technikbox 2: Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Technikbox 3: Renaturierungskinetik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Technikbox 4: Polymerasekettenreaktion (PCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Technikbox 5: Markierung von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Technikbox 6: Klassische DNA-Sequenzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Technikbox 7: Sequenzierung der nächsten Generation (next generation sequencing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Technikbox 8: Isolierung von mRNA, cDNA-Synthese und RACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Technikbox 9: In-vitro-RNA-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Technikbox 10: RNA-Sequenzierung der nächsten Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Technikbox 11: Klonierung von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Technikbox 12: Two-Hybrid-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Technikbox 13: Restriktionsanalyse von DNA und Southern-Blotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Technikbox 14: Northern-Blotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Technikbox 15: Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212Technikbox 16: Chromosomenbänderung und chromosome painting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Technikbox 17: Homologe Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260Technikbox 18: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (I): Gel-Retentions-Assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289Technikbox 19: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (II): ChIP-chip und ChIP-Seq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Technikbox 20: RNAi: spezifische Inaktivierung von Transkripten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336Technikbox 21: Genomweite Analyse von DNA-Methylierungsmustern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337Technikbox 22: Verwendung von Balancer-Chromosomen (Drosophila) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396Technikbox 23: P-Element-Mutagenese (Drosophila) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397Technikbox 24: Enhancer-Trap-Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398Technikbox 25: SSCP-Analyse (single strand conformation polymorphism-Analyse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456Technikbox 26: Transgene Mäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

XXX Übersicht über die Technikboxen

Technikbox 27: Geninaktivierung bei Mäusen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458Technikbox 28: Kartierung genetischer Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522Technikbox 29: Immunologische Nachweismethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523Technikbox 30: In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593Technikbox 31: Morpholinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594Technikbox 32: Differenzielle Genexpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663Technikbox 33: Gezieltes Editieren von Genomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664Technikbox 34: In-vivo-Reportergen: das grün-fluoreszierende Protein (GFP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733Technikbox 35: Mikroarrays und DNA-Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734