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Genetik-Übersicht

Reaktionsnorm: Fähigkeit eines bestimmten Genotyps, auf seine Umgebung in unterschiedlicher Weise zu reagieren. (siehe Modifikation)
- Es gibt z.B. eine temperaturabhängige Zahl der Ommatidien in Komplexaugen
 
Mikromilieuunterschiede: immer vorhanden, nicht kontrollierbar (z.B. zwischen dem rechten und dem linken Auge kann es zu einer
unterschiedlichen Ommatidienzahl kommen)
 
Phänokopien: umweltbedingte, nichterbliche Nachahmungen von Phänotypen, die aber alternativ auch durch bestimmte erbliche
Konstitutionen (Vorhandensein best. Allele) hervorgerufen werden können.
- Bei der Erbse findet man folgendes Merkmal: Achsellänge lang (dominant) kurz (rezessiv)
Man fand heraus, daß die Hybriden größer sind als beide Homozygoten. Man bezeichnet diese Erscheinung, daß ein Hybrid in seiner Erscheinungsform die Homozygoten übertrifft, als Heterosis oder Überdominanz.

Intermediärer Erbgang: unvollständige Dominanz

Codominanz: z.B. Blutgruppensystem

Es besteht keine Entweder- Oder-Antwort; bei Heterozygose bilden sich beide Merkmale vollständig aus. Die Ausprägung kommt voll zur Geltung, egal ob das Merkmal homo- oder heterozygot vorliegt. Man kann hier nicht von dominant oder rezessiv sprechen.

IA/IA ; IB/IB ; IA/IB ; I0/IA ; I0/IB ; I0/I0

Genotyp:

Oberflächenantigen:

Antikörperbildung:

IA/IA oder IA/I0

A

Anti-B

IB/IB oder IB/I0

B

Anti-A

IA/IB

A und B

-

I0/Io

0

Anti-A und Anti-B

Penetranz: vergleicht man Individuen hinsichtlich der Ausprägung eines bestimmten Merkmals, so kann man zum Teil feststellen, daß sich
die Intensität der Ausprägung unterscheidet. Zeigt ein Teil der Individuen gleicher Genotypen die erwartete Merkmalsform nicht, so spricht man von unvollständiger Penetranz. Sind alle identisch, ist die Penetranz vollständig.

Expressivität: Veränderlichkeit in der Ausprägungsintensität. Diese kann auch innerhalb eines Individuums möglich sein.

Polygenie: Merkmale werden durch das Zusammenwirken mehrerer Gene bestimmt
Spielen 2 Gene eine Rolle, so erhält man in der F2 ein Verhältnis von: 1:4:6:4:1
Spielen 3 Gene eine Rolle, so erhält man in der F2 ein Verhältnis von: 1:6:15:20:15:6:1
Man kann also quantitativ feststellen, wieviele Gene an der Ausprägung eines Merkmals beteiligt sind.

Heterosis: Überdominanz: Heterozygote haben ein ausgeprägteres Merkmal als Homozygote für das gleiche Merkmal

Pleiotropie: Ein Gen wirkt sich auf mehrere Merkmale aus. Als Beispiel dient die Sichelzellanämie (Anämie, Sichelzellen, Müdigkeit...)

Epistasie: Unterdrückt ein Gen die Ausprägung anderer, nicht-alleler Gene, so spricht man von Epistasie. Wird zum Beispiel in einer
Enzymwirkkette ein Enzym ausgeschaltet, so kann ein weiteres nicht aktives Gen, welches in der kette weiter hinten liegt, gar nicht erkannt werden. Mit Hilfe der Epistasie ist es oft möglich, Hierarchien in Genwirkungsketten aufzuklären

Mitose:

- Interphase: dekondensierte Chromosomen liegen vor
 
- Prophase: beginnende Kontraktion der Chromosomen
Nukleolus bildet sich zurück
Kernmembran löst sich auf
Centriolen wandern zu entgegengesetzten Positionen an der Kernmembran
- Prometaphase:  Spindeln bilden sich aus
Chromosomen wandern in die Äquatorialebene
- Metaphase: Kondensation abgeschlossen
    Chromosomen liegen in der Äquatorialebene vor
 
- Anaphase: beginnende Trennung der Chromatiden
    Chromatiden erreichen Spindelpole
    Zelle beginnt, sich in der Mitte zwischen Polen zu teilen
 
- Telophase: Spindel löst sich auf
    Chromatiden dekondensieren
    Bildung neuer Kernmembran
    Neuer Nukleolus
    Cytokinese

 

Meiose:
 
- Synapsis: homologe Chromosomen paaren sich in der Prophase, trennen sich aber in der Anaphase und wandern zu entgegengesetzten
    Spindelpolen
- Tetrade: 2 gepaarte homologe Chromosomen
 
Prophase I: Chromosomen werden sichtbar
- Leptotän: langgestreckte Chromosomen, deren 2 Chromatiden noch nicht getrennt erkennbar sind perlschnurartiges Aussehen, durch Verdickungen (Chromomeren)
    oft sind die Chromosomenenden der Kernmembran angelagert
 
- Zygotän: Homologen paaren sich an einzelnen Stellen mit fortschreitender Kondensation
    Paarung schreitet über die gesamte Länge fort. Aneinanderlagerung mit hoher Präzision. Einzelne Gene in Tetrade.
- Pachitän: Homologen sind vollständig gepaart (Synapsis)Bivalente (= 2 gepaarte homologe Chromosomen, bei denen keine Schwesterchromatiden erkennbar sind)
    Synaptonemaler Komplex., in dem die beiden Chromosomen die Ränder eines Bandes werden, wie Reißverschluß
 
- Diplotän: Schwesterchromatiden später erkennbar (=Tetrade); Chiasmata erkennbar
    Chromosomen kondensieren weiter; Die Homologen beginnen sich zu trennen, werden an den Chiasmata noch zusammengehalten.

- Diakinese: Kondensation abgeschlossen; Nukleolus nicht mehr erkennbar; Spindeln bilden sich

 

Interferenz: ein Crossing-Over kann die Wahrscheinlichkeit eines 2. Crossing-Overs in seiner unmittelbaren Nachbarschaft entweder
    erhöhen (negative Interferenz) oder erhöhen (positive Interferenz)

Attached X-Chromosom: X-Chromosomen, die im Centromer miteinander verschmolzen sind und sich daher wie ein einziges Chromosom verhalten

Mitotische Rekombination: Crossing-Over bei somatischen Zellen. Es kann dadurch zu regionalen Mutationen kommen. Individuen mit sich regional unterschiedlichen Genotypen         werden Mosaike genannt.

Vorwärtsmutation: vom normalen Allel zum Defekt

Rückwärtsmutation: vom defekten Allel zum normalen Allel

Inversion: - paracentrisch: Inversion umschließt das Centromer nicht

pericentrisch: Inversion umschließt das Centromer

Euploidie: gesamte Chromosomensätze sind betroffen, 1 Satz reduziert oder vermehrt

Allopolyploidie: nicht alle Chromosomen sind von einer Art; Hybride zweier Arten

Amphidiploid: doppelt diploid

Aneuploidie: nur 1 Chromosom betroffen

Gynandromorphe: Mosaike, die teils männlich oder weiblich sind

Segmentierungsgene :

  1. Koordinatengene : Es gibt zwei Arten, die einen sind für die Festlegung der anterior-posterioren Achse zuständig, die anderen für die dorso-ventrale Achse.
  2. Gap-Gene : Die Gap-Gene werden auch Kardinalgene genannt, weil sie die ersten Gene sind, die auf die durch die maternalen Genprodukte festgelegte positionelle Information reagieren. Embryonen, die homozygot mutant für eines der gap-Gene sind, fehlt ein großer, durchgehender Abschnitt der A/P-Achse, sie weisen eine Lücke auf (daher der Name). In der verschiedenen Gap-Gen Mutanten sind verschiedene Bereiche betroffen.
  3. Paarregel-Gene : Durch die Gap-Gene wird nur eine grobe Unterteilung entlang der A/P-Achse vorgenommen. Eine weitere Einteilung erfolgt durch die Paarregel-Gene. Mutationen in diesen führen zur Entwicklung von Embryonen, die nur halb so viele Segmente wie der Wildtyp haben. Dabei gibt es Mutationen, die führen zum Ausfall aller gradzahligen Segmente, in anderen Fällen fehlen alle ungradzahligen Segmente.
  4. Segmentpolaritätsgene : Diese Gene haben die Aufgabe, das Zellmuster innerhalb eines Segmentes zu kontrollieren. Demgemäß führen Mutationen in diesen Genen zu Deletionen, Duplikationen oder veränderten Polaritätsmustern der Zellen innerhalb eines Segments. Segmentspolaritätsgene werden also in allen Segmenten benötigt.
  5. Homöotische Gene : Nachdem durch die Aktivität der Segmentierungsgene eine Unterteilung der Embryos in eine definierte Anzahl von Segmenten erfolgt ist, muß nun jedem Segment eine spezifische Identität verliehen werden. Ein kurzer Blich auf eine Fliege läßt erkennen, daß jeder Bereich (Kopf, Thorax, Abdomen) durch spezifische Anhänge (Beine, Flügel, Haltern), Borsten, Haare, oder Pigmentierung gekennzeichnet ist. Wenn auch nicht ganz so offensichtlich, so kann man auch in der Larve solche Unterschiede ausmachen. Mutationen in einem Homöotischen Gen verändern die Identität eines oder mehrerer Segmente, sie ändern aber nicht deren Anzahl. In homöotischen Mutanten nimmt ein Segment den Charakter eines anderen Segments an (=homöotische Mutation), wobei sich entweder mehr anteriore oder mehr posteriore Merkmale entwickeln.

Maternale Gene: Bereits während der Oogenese aktiv. Bestimmen also auch die Wirkung von zygotischen Genen. Wirken sich nicht im Individuum selbst aus, sondern nur in den Nachkommen. Die Genprodukte maternaler Gene sind im Ei spezifisch lokalisiert und kontrollieren damit die ortsspezifische Funktion bestimmter zygotischer Gengruppen.

Spaltungsregel : siehe Uniformitätsregel.

Uniformitätsregel : Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, das beide Individuen reinerbig aufweisen, so sind die Individuen der F1-Generation im betrachteten Merkmal gleich. Uniformität tritt auch bei einer reziproken Kreuzung auf - man bezeichnet daher die Uniformitätsregel auch als Reziprozitätsregel.

Spaltungsregel : Kreuzt man diese Mischlinge unter sich, so spalten in der Enkelgeneration (F2) die Merkmale im Zahlenverhältnis 1:2:1 oder 3:1 wieder auf. Die Vererbung von Merkmalen gehorcht statischen Gesetzen.

Mendelsche Regeln

  1. Die 1. Mendelsche Regel (Uniformitäts- oder Reizprozitätsregel) besagt, daß reizproke Kreuzungen reiner Linien stets Nachkommen mit gleichen Merkmalen ergeben.
  2. Die 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel) besagt, daß Kreuzungen der zuvor beschriebenen F1-Generation untereinander zur Aufspaltung in verschiedene Phänotypen mit genau festgelegter Häufigkeitsverteilung führen.
  3. Die 3. Mendelsche Regel (Prinzip der unabhängigen Segregation von Merkmalen) besagt, daß Merkmale im Prinzip unabhängig voneinander auf die Nachkommen übertragen werden.

Ergänzungen zu den Mendelschen Regeln

Manche Gene können in mutanter Form die Ausprägung anderer Gene unterdrücken. Man spricht dann von Epistasie.

Möglichkeiten des Gentransfers:

Ausnahmen von der reziproken Uniformität:

Non-disjunction: Nichttrennung homologer Chromosomen

Bei einer Kreuzung von Weibchen, die für das x-chromosomale Gen white homozygot das Wildtypallel besaßen (+/+), mit
weißäugigen Männchen (w/Y), traten, entgegengesetzt der Erwartung, gelegentlich weißäugige Männchen auf, die aber steril waren. Umgekehrt fand man in der F1 einer Kreuzung homozygot weißäugiger Weibchen (w/w) mit rotäugigen Männchen (+/Y) männliche Tiere mit roten Augen und Weibchen mit weißen Augen, die beide fertil waren. Beide Erscheinungen sind auf Non-disjunction zurückzuführen.

Extrachromosomale Vererbung: Ergeben reziproke Kreuzungen unterschiedliche Phänotypen, oder wird der Phänotyp ausschließlich vom mütterlichen Phänotyp bestimmt, so kann es sich um extrachromosomale Vererbung handeln. Man nennt diese Eigenart auch "Matrokline Vererbung". (Dieser Begriff ist nicht mit dem der maternalen Effekte zu verwechseln, welche sich nur als entwicklungsphysiologische Effekte erweisen, und nicht weitervererbt werden.) Diese Vererbung funktioniert über Chloroplasten/Plastiden oder Mitochondrien, welche ein eigenes Minigenom, das sogenannte Plastom besitzen.

Dosiskompensation: Die unterschiedliche Konstitution der Geschlechtschromosomen in den beiden Geschlechtern hat zur Folge, daß die Anzahl der Kopien auf diesen Chromosomen gelegenen Gene im männlichen und weiblichen Geschlecht unterschiedlich ist. Bei der Frau gibt es das X-Chromosom zweimal, daher würde die auf im gespeicherte Information doppelt so stark zum tragen kommen als beim Mann, der das X-Chromosom nur einmal besitzt. Die Natur hat sich deshalb zwei Mechanismen einfallen lassen, um diesen "Fehler" zu beheben :

Dieser wird bei Drosophila und wahrscheinlich bei anderen Insekten gefunden. Er beruht auf einer Verdopplung der Aktivität X-chromosomaler Gene im Männchen im Vergleich zur Aktivität dieser Gene im Weibchen.Bei Säugetieren wird eines der beiden X-Chromosomen beim Weibchen inaktiviert, so daß ein der hemizygoten X- Chromosomenkonstitution des männlichen Geschlechts funktionell gleichwertiger Zustand zustandekommt.Je eines der X-Chromosomen wird als Barr-Körper inaktiviert. Jetzt kann man sich die Frage stellen, welches der beiden Chromosomen inaktiviert wird, und ob es in jeder Zelle das gleiche ist. Dazu untersucht man Markergene, die zellautonom sind, dessen Genprodukte also auf die Zelle beschränkt bleiben, in denen das Gen stoffwechselaktiv ist. Die Antwort läßt sich sehr einfach an Markergenen ablesen, die die Fellfarbe von Mäusen bestimmen. Sieht man sich ein für ein solches Gen heterozygotes Mäuseweibchen an, so erkennen wir eine gefleckte Färbung des Fells. Dieses Muster beantwortet zwei Fragen: Erstens kann offenbar jedes der beiden X-Chromosomen inaktiv werden. Zweitens betrifft die Inaktivierung jeweils Gruppen benachbarter Zellen, bei denen dasselbe X-Chromosom inaktiv ist, wie die fleckenförmige Verteilung des Ausprägungsmusters beider Allele belegt. Wie erklärt sich die Bildung von homogenen Bereichen, die sich mit Bereichen der Ausprägung des alternativen Allels abwechseln? Es zeigt sich, daß Gruppen miteinander verwandter Zellen, sogenannte Zellklone, bestimmte Gewebe, Organe oder andere Unterteile eines Organismus bilden. Übertragen wir dieses Schema einer klonalen Zelldifferenzierung auf die Inaktivierung des X-Chromosoms, so gelangen wir zu der Erkenntnis, daß Gruppen benachbarter Zellen, die eine einheitliche Genexpression des einen Allels zeigen, in der Ontogenese des Organismus aus einer gemeinsamen Ursprungszelle stammen müssen, in der die Entscheidung über die Aktivität oder Inaktivität eines bestimmten Allels erfolgt ist. Diese Entscheidung muß, wenn man das Fleckenmuster betrachtet, irreversibel sein, da offensichtlich innerhalb eines Farbbereiches kein Umschlag zur Expression des anderen Allels erfolgt. Zudem kann man erkennen, daß die Größe eines Farbfleckes uns Informationen über den Zeitpunkt der Inaktivierung des anderen X-Chromosoms vermittelt: Ist der Fleck groß, so sind viele Mitosen nach dieser Entscheidung erfolgt.

 

Populationsgenetik:

Hardy-Weinberg-Regeln:

Beschreibt man die Häufigkeit zweier Allele A und B in einer Population mit p und q, wobei deren Summe natürlich 100% ergeben muß (also p + q = 1), so läßt sich die Verteilung dieser Allele in einer Population, die den zuvor beschriebenen Kriterien entspricht, wie folgt beschreiben:

pA2 + 2(pA qB) + qB2 = 1

Diese mathematische Formulierung läßt sich unmittelbar aus einem Punnett-Viereck verstehen, wenn wir diesem die Häufigkeiten der Allele hinzufügen. Dieses Kreuzungsschema veranschaulicht, daß die Allelenfrequenzen und Allelenverteilung in aufeinanderfolgenden Generationen unverändert bleiben müssen.

 

0,4 A

0,6 a

0,4 A

0,4 x 0,4

AA

(=0,16)

0,4 x 0,6

Aa

(=0,24)

0,6 a

0,4 x 0,6

Aa

(=0,24)

0,6 x 0,6

aa

(=0,36)

Beispielrechnung:

Als eine wichtige autosomal-rezessive Erbkrankheit haben wir die Phenylketonurie (PKU) kennengelernt. Diese tritt in europäischen Populationen mit einer Häufigkeit von etwa 1 Homozygoten in 10000 Individuen auf. Die Häufigkeit des PKU-Allels in Homozygoten ist also qPKU2 = 2/20000 oder qPKU = Ö 10-4. Die Allelenfrequenzen sind also qPKU = 0,01 und p = 0,99. Die Häufigkeit des PKU-Allels in Heterozygoten ist damit 2 x 0,01 x 0,99 = 0,0198. Bei einer geringen Allelenfrequenz befindet sich der größere Anteil dieses Allels in Heterozygoten ( in diesem Beispiel: 2% Heterozygote gegenüber 0,01% Homozygote).

In diesem Beispiel haben wir uns mit der Frequenzverteilung unterschiedlicher Allele autosomaler Gene befaßt, d.h. von Genen, die stets mit zwei Allelen im Genom vertreten sind. Die quantitative Verhältnisse ändern sich jedoch, wenn wir die Allelenverteilung geschlechtsgebundener Gene betrachten. Es ist offensichtlich, daß in einem solchen Fall die genetische Konstitution des Individuums des hemizygoten Geschlechts stets direkt im Phänotyp zum Ausdruck kommt. Das hat zur Folge, daß wir die Frequenzen beider Allele eines geschlechtsgebundenen Gens direkt aus den relativen Häufigkeiten beider Allele im hemizygoten Geschlecht ablesen können. Als Beispiel für ein X-chromosomales Gen des Menschen dient hier die Rot-Grün-Farbenblindheit. Die Häufigkeit des Allels für den Protantyp bei europäischen Männern beträgt 2 %, die des Allels für Deutanomalie 6%. Demgemäß sind die Häufigkeiten homozygoter Ausprägung von Protanomalie in Frauen 0,04 %, die von Deutanomalie 0,36%.

Die Konsequenz von kleinen Populationsgrößen auf die Allelenverteilung lassen sich in populationsgenetischen Experimenten veranschaulichen. In solchen Experimenten macht man Gebrauch von Populationskäfigen, in denen bestimmte Anzahlen von Individuen mit anfangs genau festgelegter genetischer Konstitution, in diesem Beispiel Heterozygotie für das Gen brown (bw) von Drosophila, gehalten werden. Entnimmt man jeder neuen Generation eine kleine Anzahl von Individuen zur Ermittlung ihrer genetischen Konstitution, so kann man den Verlauf zufälliger Veränderungen in der Allelenzusammenstellung verfolgen. Es wird deutlich, daß nach anfänglicher Heterozygotie aller Individuen sehr bald große Unterschiede in der Allelenfrequenz zwischen den verschiedenen Populationen entstehen. Bereits nach relativ wenigen Generationen (in diesem Beispiel in der 6. Generation) gibt es einzelne Populationen, in denen nur noch eines der ursprünglichen zwei Allele vorhanden ist. Die Anzahl solcher homozygoter Populationen nimmt sehr schnell zu. Hierbei werden beide möglichen homozygoten Konstitutionen mit gleicher Wahrscheinlichkeit erreicht. Man nennt diesen Vorgang Fixierung eines Allels. Verantwortlich ist hierfür allein die zufällige Veränderung der Allelenzusammenstellung, die man insbesondere in kleinen Populationen leicht verfolgen kann. Der Prozeß wird als genetischer Zufallsdrift bezeichnet.

Das Beispiel zeigt, daß Zufallsänderungen in kleinen Populationen eine wesentliche Auswirkung auf die Zusammensetzung des genetischen Materials haben. Letztlich führen sie zu einer Verarmung der genetischen Vielfalt, da alle Allele entweder fixiert oder eliminiert werden.

Selektionstypen:

  1. Gerichtete Selektion: Bestimmte Phänotypen werden in der Fortpflanzung bevorzugt.
  2. Stabilisierende Selektion: Ausselektion der Extremtypen. Eine Anreicherung des Mittelwertes und damit eine Verminderung der Vielfalt resultiert.
  3. Diruptive Selektion: Beide Extreme werden bevorzugt. Der Mittelwert wird vermindert.

Fitneß (W): Selektion hat zur Folge, daß sich bestimmte Individuen einer Population besser fortpflanzen als andere. Man kann diesen Unterschied in der Fortpflanzungsfähigkeit quantitativ erfassen, indem man die relativen Beiträge der verschiedenen Genotypen der Individuen zur Nachkommenschaft zueinander in Beziehung setzt. Fitneß ist ein Maß für den relativen Fortpflanzungserfolg eines bestimmten Genotyps in einer bestimmten Umwelt. Individuen mit der relativ höchsten Fortpflanzungsrate erhalten W = 1 (100%), während alle übrigen Genotypen eine dazu in Bezug gesetzte niedrigere Fitneß besitzen. Die Fitneß von Individuen in unterschiedlichen Populationen ist nicht vergleichbar.

Selektionskoeffizient (s): Ein zur Fitneß in Bezug stehender Parameter. Er ergibt sich aus der Fitneß W nach der Gleichung s = 1 - W

Heterozygotenvorteil: = Heterosis, Überdominanz z.B. Sichelzellanämie. Wendet man auf solche Populationen die Hardy-Weinberg-Regel an, so stellt sich heraus, daß Heterozygote überrepräsentiert sind.

Heterozygotennachteil: z.B. Rhesusfaktor. RhMütter nach der Geburt eines Rh+-Kindes bilden Antikörper gegen den Rhesusfaktor des Kindes. Während einer weiteren Schwangerschaft mit einem Rh+-Kind kommt es zu Abwehrreaktionen und infolgedessen zu schweren Hämolyseerscheinungen.

- Die Schnelligkeit der Selektion für oder gegen ein Allel ist in starkem Maße davon Abhängig, ob es rezessiv oder dominant ist. Rezessive Allele ändern ihre Frequenz nur langsam, solange sie einen relativ niedrigen Anteil ausmachen, während dominante Allele in gleichem Fall schnell in ihrer Frequenz ansteigen.

Genetische Bürde: Rezessive Allele kommen in vielen Fällen zumeist in Heterozygoten vor. So entstehen Homozygote für das rezessive Gen, die die Gesamtfitness der Population senken und somit eine Belastung darstellen.

Founder-Effekt: (Gründer-Effekt) Durch die Isolation einiger Individuen einer Population kann es zur Neugründung von Populationen mit verändertem Genpool kommen. z.B. kann eine geringe Anzahl von Individuen, die gewöhnlich den Anstoß zur Entstehung einer solchenPopulation geben, genetisch repräsentativ für den Genpool der neuen Population sein, was sie normalerweise in ihrer Ursprungspopulation nicht sind.

Flaschenhalseffekt: Ähnlich sind Situationen, in denen lokale Populationen plötzlich zusammenbrechen und danach aus wenigen Individuen neu aufgebaut werden.

 

Molekulargenetik:

Chromosomengestalt:

 

Nukleolus: Die sekundäre Einschnürung (Konstriktion) in manchen Chromosomen kennzeichnet die chromosomale Region, in der während der Interphase der Nukleolus gebildet wird. Sie wird daher auch als Nukleolusbildungsort oder Nukleolusorganizerregion (NOR) bezeichnet. Der Nukleolus ist ein Organell, dessen Bildung den funktionellen Zustand der betreffenden Gene anzeigt. Man findet nicht unbedingt so viele Nukleoli, wie NOR, da sie dazu neigen, zu verschmelzen, und da oft nicht alle NOR aktiviert werden.

Satelliten: Sekundäre Konstriktionen am terminalen Ende können kurze chromosomale Bereiche abtrennen

Telomeren: Ende eines Chromosomenarmes

Heterochromatin: Chromosomen sind in kompaktere (besser anfärbbare) und weniger kompakte Regionen unterteilt. Stärker kompakte Bereiche werden als Heterochromatin bezeichnet. Diese Bereiche nehmen normalerweise nicht am Kondensations- und Dekondensationsprozess teil, sondern verbleiben in ihrer Struktur Heterochromatische Bereiche sind normalerweise funktionell inaktiv.

Euchromatin: im Gegensatz zum Heterochromatin aktives Chromosom

Färbemuster der Chromosomen:

 

Repetitive DNA: Teils identisch, teils strukturell voneinander abweichend, aber ähnliche Kopien in großer Zahl. Ein Teil dieser DNA, vor
allem hochrepetitive Sequenzen, ist in heterochromatischen Abschnitten lokalisiert. Andere sind in einzelne Kopien über das ganze Genom
verstreut.

Eigenschaften eukaryotischer DNA: Hybridisiert man nicht vollständig komplementäre Nukleinsäurestränge, so findet man in Hybriden

"mismatches". Man spricht von Heteroduplex. Ungenau gepaarte Stränge sind weniger stabil. Die Stabilität eines Doppelstranges kann beispielsweise durch thermische Denaturierung ermittelt werden, da der Verlauf der temperaturanhängigen Denaturierung neben der Basenzusammensetzung von der Stabilität der Doppelhelix, also vom Anteil gepaarter und ungepaarter Basen abhängig ist. Aus einer thermischen Schmelzkurve kann man daher Rückschlüsse auf die Genauigkeit der Basenpaarung von Doppelsträngen erhalten. Je größer der Anteil ungepaarter Basenpaare ist, desto niedriger ist der Schmelzpunkt, die Temperatur, bei der 50% der Doppelstränge geschmolzen sind.

C/C0 = 1/1+kc0t

In Abbildung 8.2 ist die Reaktionskinetik auf der Grundlage dieser Gleichung als Prozentsatz der Renaturierung in Abhängigkeit vom

Produkt aus der Anfangskonzentration c0 (von Nukleotiden in M * l-1 in den Nukleinsäureeinzelsträngen) und der Zeit t (in s) in einer semilogarithmischen Graphik dargestellt. Der Vorteil dieser Darstellung ist, daß Reaktionskinetiken ohne eine Korrektur für unterschiedliche Anfangskonzentrationen von Einzelsträngen direkt vergleichbar sind, da sich Anfangskonzentration und Reaktionszeit umgekehrt proportional zueinander verhalten. Ebenfalls ist zu erkennen, daß mit Hilfe des c0t-Wertes, bei dem die Hälfte der Einzelstränge zum Doppelstrang reassoziiert ist (genannt cot1/2-Wert), die relative kinetische Komplexität eines Genoms beschrieben werden kann. Hat man mehrere Reaktionskinetiken unter gleichen Bedingungen (Ionenstärke, Temperatur, Länge der renaturierenden Stränge) ermittelt, so kann durch Vergleich der cot1/2-Werte der verschiedenen Reaktionskinetiken direkte Informationen über die relativen kinetischen Komplexität der untersuchten Genome erhalten.

 

 

Repetitive DNA: Die Untersuchung von Reaktionskinetiken von eukaryotischer DNA ließ bereits frühzeitig erkennen, daß aufgrund unterschiedlicher Sequenzhäufigkeiten mehrere DNA-Sequenzfraktionen unterschieden werden müssen. Am auffälligsten in einigen Organismen waren DNA-Anteile, die besonders schnell renaturierten und einen relativ großen Anteil an der Gesamt-DNA umfassen können. Man bezeichnete diese repetitiven DNA-Fraktionen daher als hochrepetitive DNA. Hochrepetitive DNA-Sequenzen bestehen meist aus sehr einfachen, tandemartig wiederholt angeordneten DNA-Sequenzen. Viele Anzeichen, darunter insbesondere ihre chromosomale Lokalisation, deuten in erster Linie auf strukturelle Aufgaben hochrepetitiver DNA im Chromosom als auf wesentliche stoffwechselphysiologische Funktionen. Damit stimmt überein, daß man solche hochrepetitiven DNA-Sequenzen bevorzugt in Centromeren- und Telomerenbereichen findet. Neben hochrepetitiver DNA enthalten Eukaryotengenome noch erhebliche Anteile von niederrepetitiven DNA-Sequenzen. Die meisten dieser DNA-Sequenzen sind über das gesamte Genom verstreut zu finden, bilden aber bisweilen ähnliche tandemartige Anordnungen, wie das für hochrepetitive DNA die Regel ist. Zuerst ausführlich untersucht wurde eine hochrepetitive DNA-Fraktion der Hausmaus, Mus musculus, die bereits zuvor als Satelliten-DNA engl.(,,satellite DNA") bekannt gewesen war, durch G. Flamm, E. M. Southern und P.M.B. Walker Ende der 60er Jahre. Die Bezeichnung Satelliten-DNA ist durch die analytische Methodik bedingt, die zur Entdeckung dieser DNA-Fraktion geführt hat. In den frühen 60er Jahren war Gleichgewichtsultrazentrifugation, vor allem in CsCl oder CsSO4, von DNA eine der wenigen verfügbaren Methoden, um DNA zu fraktionieren. Grundlage der Fraktionierung ist in solchen Experimenten die mittlere Basenzusammensetzung der DNA, da das Kriterium der Trennung die Schwimmdichte (engl. ,,buoyant density") ist. Die Schwimmdichte wird durch die Basenzusammensetzung bestimmt. Während der Zentrifugation stellt sich im Zentrifugenröhrchen ein Gradient aus Cs+-Ionen ein, der schließlich ein Gleichgewicht erreicht, bei unveränderten Zentrifugationsbedingungen unverändert bleibt und unbegrenzt stabil ist. Da die Schwimmdichte der DNA mit abnehmendem AT-Gehalt steigt, erfolgt eine Trennung der DNA-Moleküle nach ihrem mittleren AT (oder GC-) Gehalt. Es zeigt sich, daß bei praktisch allen Eukaryoten der Hauptanteil der DNA-Moleküle einen mittleren GC-Gehalt von etwa 40% hat. In CsCI-Gradienten bedingt das bei 20 °C eine Schwimmdichte von 1,701 g x cm-3. Neben dieser Hauptfraktion, der sogenannten Hauptbande (engl. ,,main band"), findet man beinahe immer zusätzliche kleinere Fraktionen, die sich in ihrem jeweiligen GC-Gehalt deutlich von dem der Hauptbande unterscheiden und dadurch eine andere Schwimmdichte besitzen. Im Gleichgewichtsgradienten erscheinen sie daher auch als getrennte Fraktionen, sogenannte Satellitenfraktionen oder Satellitenbanden, da sie von der Hauptmenge der DNA abgetrennt sind. Satellitenbanden können, je nach GC-Gehalt, eine niedrigere oder höhere Schwimmdichte besitzen und daher im Zentrifugenröhrchen über oder unter der Hauptbande erscheinen. Man spricht demgemäß auch von leichten (niedriger GC-Gehalt) oder schweren (hoher GC-Gehalt) Satelliten-DNAs.Da die Häufigkeit solcher DNA-Sequenzen im allgemeinen sehr viele niedriger ist als die der hochrepetitiven Sequenzfraktionen, unterscheidet man etwas willkürlich "mittelrepetitive" und "niedrigrepetitive" Anteile. Der Hauptanteil an der mittelrepetitiven DNA besteht aus Transponsons, also DNA-Sequenzen, die ihre Position im Genom verändern können. Ein kleiner Teil eukaryotischer DNA-Sequenzen zeichnet sich durch intramolekulare gegenläufig komplementäre Sequenzbereiche ("inverted repeats") aus. Die gebildeten Molekülstrukturen, sogenannte "fold-back"-Elemente (Palindrome), vermögen durch Basenpaarungen Einzelstrangschleifen ("hairpin loops") zu formen. Viele solcher Sequenzen stehen in Zusammenhang mit der Beweglichkeit bestimmter DNA-Elemente im Genom. Andere repräsentieren Regulationssequenzen.

Auszüge aus Molekulargenetikbüchern:

2) SINE (short interspersed repetitive elements): 100-500 Bp (z.B. Alu-Familie bei Säugern); belegen bis

zu 20% des Säugetiergenoms

3) LINE (long interspersed repetitive elements): 6000-7000 Bp, aber auch kürzer; 10% des

Säugergenoms

                          a -Untereinheit: Hält die Struktur des Enzyms zusammen; Vermittelt Kontakte zu regulatorischen Proteinen

                          s -Untereinheit: Aufgabe bei der Erkennung von Startstelle der Transkription (-10 und –35-Region)

Die enzymatische Polymerisierung von Desoxynukleosid-triphosphaten erfolgt in Einzelschritten:

  1. Korrekte Bindung des Enzyms an die DNA, wobei deren 3´-OH-Ende im aktiven Zentrum zu liegen kommt.
  2. Leitung eines dNTP an die Nucleotid-Bindestelle des Enzyms. Der entscheidende Vorgang ist hier die Anpassung des
  3. hereinkommenden Desoxynucleotids über Basenpaarung an die komplementäre Base im Matrizen-Strang. Wenn das vorhandene Desoxynucleotid paßt, reagiert das Enzym mit einer Änderung seiner Konformation.

  4. Die Konsequenz ist ein nucleophiler Angriff des 3´-OH-Primer-Endes auf das a -Phosphat des freien Nucleotids und die Bildung einer Phosphodiester-Bindung unter Freisetzung von Pyrophosphat.
  5. Abstoßen des Pyrophosphats und Rückbildung der ursprünglichen Konformation. Das Enzym orientiert sich neu, so daß das neue 3'-OHPrimer-Ende ins aktive Zentrum gelangt. Das bedeutet, daß die DNA-Polymerase sich um die Länge eines Basenpaars an der DNA entlang bewegt. Dabei kann das Enzym an der DNA bleiben, bis schließlich alle vorhandenen Einzelstrangbereiche in Doppelstränge überführt sind. Man spricht dann von einer prozessiven DNA-Synthese.

Viele DNA-Polymerasen fallen aber nach einigen wenigen Polymerisationsschritten von der DNA ab und müssen zum Start eines neuen Synthesezyklus erst wieder an das Primer-Ende binden. Dabei handelt es sich um eine nichtprozessive DNA-Synthese.

    1. Topoisomerase I: Überführen superhelikale DNA durch vorübergehende Spaltung einer der beiden DNA-Stränge. Bei jeder Reaktionsrunde verändert sich die Verknüpfungszahl um 1.
    2. Topoisomerase II: Diese spalten vorübergehend beide DNA-Stränge. Benötigen ATP. Die Verknüpfungszahl ändert sich in Schritten von 2. Die bakterielle Topoisomerase wird meist Gyrase genannt.

 

               

Photometrie: Untersuchung von DNA bei 260nm, wobei ss-RNA deutlich höhere Werte aufweist als Ds-DNA. Man spricht von Hyperchromatizität. Proteine werden im Bereich von 170-240 nm untersucht. RNA-Polymerase wird bei 280 nm untersucht und weist 2 Peaks auf, die von den beiden Domänen gebildet werden.

Doppelsträngige RNA ist stabiler als DNA mit der gleichen Sequenz.

Konditionelle Mutationen: Nur unter bestimmten Bedingungen treten die Effekte der Mutation auf, z.B. bei bestimmten Temperaturen, bei denen Proteine vorzeitig denaturieren.

Fluktuationstest: Beweis für die spontane Natur von Mutationen. Man untersucht Bakterienkulturen. Je früher die Mutation auftritt, desto mehr Zellen einer Kolonie sind davon betroffen. Legt man mehrere Kolonien an, so muß man also auch in jeder Kolonie einen unterschiedlichen Prozentsatz betroffener Bakterien finden.

Ames-Test: Mutagenitätstest. Dazu benutzt man Salmonellenstämme, die unterschiedliche Mutationen im his-Gen besitzen, einen Fehler in ihrem Reparatur-System, wodurch sie besonders empfindlich gegenüber Mutagenen sind, zusätzliche erbliche Defekte in der Zellwand, so daß diese besonders gut permeabel sind, und ein Plasmid besitzen, das die mutagene Wirkung durch Plasmidgene verstärkt. Der Test beruht auf der Suche nach Revertanten von einer his--Konstitution zur his+-Konstitution. Da man in verschiedenen Salmonellen-Stämmen unterschiedliche his-Mutationen verfügbar hat, kann man unterschiedliche Arten der mutagenen Wirkung erfassen.

Lambert-Beer´sches Gesetz: E = e × c× d E = optische Dichte e = molarer Extinktionskoeffizient c = Konzentration der Substanz d = Schichtdicke

Fluoreszenz-In-situ-Hybridisierung: Metaphasen-Chromosom wird denaturiert. Verwendung von Nukleotiden mit fluoreszierenden Seitengruppen. Entsprechend markierte DNA-Sonden hybridisieren gut mit der chromosomalen DNA, die in einer Gegenfärbung mit interkalierenden Verbindungen sichtbar gemacht wird. Nachweis im Fluoreszenzmikroskop.

RFLP: Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismen: Durch die Zugabe von Restriktionsenzymen erhält man unterschiedlich lange DNA-Fragmente, die im Gel aufgetrennt werden. Durch den Vergleich mit anderen Enzymen kann man Restriktionskarten herstellen, die einem sagen, wo Gene liegen und wo nicht.

Genomgrößen:

Mensch: ca. 3× 109 Bp ca. 1 m Länge

E.Coli: 4,1× 106 bp ca. 1,4 mm also 1 bp = 0,000000034cm

Drosophila: 1,75× 108 6cm

gram-Färbung: Kristallviolett, dann Jod ® Lack, der bei gra+ mit Alkohol nicht abgelöst wird (blau).

Murein: Heteropolymer aus N-Acetylglucosamin mit N-Acetylmuraminsäure b -1,4-glykosidisch verknüpft. Bildet gerade Kette, das Grundgerüst des Mureins. Muraminsäureglieder über Lactylgruppe mit Aminosäuren peptidisch verknüpft. Dazu gehören L-Alanin, D-Glutaminsäure, meso-Diaminopimelinsäure... .Diese kann mit ihren zwei Aminogruppen mehrere Ketten miteinander verbinden, so daß mehrere Schichten Entstehen. Man spricht vom Murein-Sacculus.