Einleitung Einige wichtige Methoden zur Untersuchung.?Q 2.i LI Elektrophorese 41

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1 Inhaltsverzeichnis Teil 1 Grundlagen 1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern... RolfKnippers 1.1 Einleitung Eukaryoten Prokaryoten DNA: Träger der genetischen Information. RolfKnippers Einleitung Einige wichtige Methoden zur Untersuchung von DNA 41 Bausteine: Nudeotide?Q 2.i LI Elektrophorese 41 DNA-Doppelhelix L2 Zentrifugation 42 Der Sedimentationskoeffizient oder S-Wert DNA-Helices: Flexibilität L3 Isopyknische oder Gleichgewichtszentrifugation Elektronenmikroskopie Denaturierung und Renaturierung L4 Enzyme als Hilfsmittel: Deoxyribonucleasen 46 Natürliche DNA-Moleküle 37 Endonucleasen, Exonucleasen 46 DNA-Ringe: Helix und Superhelix 39 Restriktionsendonucleasen RNA: Überträger und Regulator der genetischen Information Gunter Meister Einleitung Zelluläre Funktionen von RNAs Aufbau und räumliche Faltung von RNA-Molekülen , RNA-Klassen Proteine: Funktionsträger der Zelle RolfKnippers Einleitung Tertiärstruktur: komplexere Faltung der Aminosäurekette Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren Proteindomänen Aminosäuren Quartärstruktur: Aufbau aus Untereinheiten Peptidbindung Wechselwirkungen zwischen Aminosäureseitenketten Proteinfaltung Sekundärstruktur: a-helix und ß-Faltblatt a-helix 61 ß-Faltblatt 61 Molekulare Genetik 2015 digitalisiert durch: IDS Basel Bern

2 Transkription, Translation und der genetische Code Rolf Knippers Einleitung Transkription: die Synthese von RNA RNA-Polymerase Genanfang: der Promotor Ereignisse am Promotor Elongation der RNA-Kette Termination Stabile und nicht stabile RNA Ribosomen: eine kurze Beschreibung Proteinsynthese: Genauigkeit des Starts Initiation der Translation Elongation: die programmierte Verknüpfung von Aminosäuren Termination der Translation Geschwindigkeit und Genauigkeit der Translation Besonderheiten der Translation bei Bakterien Transfer-RNA (trna) und die Aktivierung von Aminosäuren Struktur der trna.. Beladung der trna. Translation: Ribosomen und Proteinsynthese Der genetische Code Rückblicke Codewörter Wobble" bei der Erkennung von Codon und Anticodon Der genetische Code in der Zelle Selenocystein und Pyrrolysin Verwendung von Codewörtern Escherichia coli und der Bakteriophage Lambda: Gene und Genexpression. Rolf Knippers Einleitung Exkurs: Bakteriophagen Vermehrung von Bakterien Ausblick Die DNA als Nucleoid Nucleoidassoziierte Proteine Organisation bakterieller DNA Das Genom Die biologische Genkarte und das F-Plasmid F'-Plasmide Konjugation und Genkartierung Grundlagen bakterieller Genregulation 110 Regulons: Gengruppen unter gemeinsamer Kontrolle 111 Beispiel: Hitzeschock-Gene 111 Alternative o-faktoren 113 Stringente Kontrolle 113 Negative und positive Genregulation: das /ac-operon als Bezugssystem 118 Die Genprodukte 118 Mutanten mit veränderter Cenregulation 119 Das Jacob-Monod-Modell 120 Der Lac-Repressor 121 Positive Regulation: das CRP-Protein Der Bakteriophage Lambda und seine Gene 129 Das Lambda-Genom 130 Proteincodierende Gene 130 Kontrollelemente Integration und Exzision Expression der Lambda-Gene 132 Frühe Transkription Entscheidung zwischen Lyse und Lysogenie.. Der Cll-Aktivator Der Lambda-Repressor Transkription des int-gens Induktion und lytischer Infektionsweg Wege der Lambda-Replikation Das Ende des lytischen Infektionswegs. 138 Entstehung der Phagenpartikel 138 Am Ende des lytischen Infektionswegs 139 ^9 10

3 DNA im Zellkern: Chromatin und Chromosomen. Elmar Schiebel Einleitung 141 Der Zellkern 141 Die Kernhülle 141 Der Innenraum des Zellkerns Modifikation von Histonen Posttranslationale Modifikation von Histonen. Veränderungen des Chromatins durch Histonmodifikationen Einige wichtige Nicht-Histonproteine... Chromatinfasern Das Chromatin Chromosomen Histone 146 Haupthistone 146 Histonsubtypen 147 Nucleosomen Chromosomen des Menschen. Chromosomensätze Polytäne Chromosomen Teil 2 8 Molekulare Dynamik chromosomaler DNA DNA-Replikation: Verdopplung der genetischen Information Peter Dröge Einleitung Molekulare Grundlagen der Replikation Erste Hinweise auf semikonservative Replikation Allgemeine Polymerisationsreaktion von Deoxynucleotiden Prokaryotische DNA-Polymerasen und wichtige replikative Hilfsproteine DNA-Poiymerase I DNA-Poiymerase II DNA-Poiymerase III Primase DNA-Ligasen DNA-Helikasen Eukaryotische DNA-Polymerasen Drei Phasen der DNA-Replikation Replikation des bakteriellen Genoms. Die Initiation bakterieller DNA- Replikation Elongationsphase bakterieller DNA- Replikation Beendigung (Termination) der bakteriellen DNA-Replikation Regulation der Initiation bakterieller Replikation Topologische Probleme während der Replikation 181 Topoisomerasen 181 Typ-I-DNA-Topoisomerasen 183 Typ-Il-DNA-Topoisomerasen 184 Topologische Probleme während der Initiation und der Elongation 185 Topologische Probleme während der Termination 187 Andere Probleme während der DNA- Replikation 187 Replikation des eukaryotischen Genoms 188 Replikationsstartpunkte 188 Aktivität von Replikationsstartpunkten 188 Replikation und Strukturen des Zellkerns 190 Nucleotidsequenzen von Replikationsstartpunkten 190 Initiation eukaryotischer Replikation 190 Elongationsphase eukaryotischer Replikation Termination eukaryotischer Replikation Telomere 193 Telomerasen 194 Replikation im Chromatin 196 Schwer zu replizierende Genomabschnitte

4 9 Segregation der Chromosomen: Zellzyklus, Mitose und Meiose. Elmar Schiebel Einleitung Zellzyklus Zellzyklusphasen Die G rphase Die S-Phase Die G 2-Phase Die Mitose Molekulares Verständnis des Zellzyklus. Zellzyklusgene G^S-Übergang Lizenzierung der DNA-Replikation in dertelophase/g^phase Regulation der DNA-Replikation Der Cohesinkomplex Der Condensinkomplex Der Eintritt in die Mitose Kontrollpunkte des Zellzyklus Zusammenbau der mitotischen Spindel Der Übergang von Metaphase zur Anaphase.. Der Spindelkontrollpunkt (spindle assembly Checkpoint, SAC) Cytokinese Defekte bei Chromosomentrennung und Cytokinese Zellzyklusregulation der Meiose. Meiose I Meiose II Meiose Rekombination der DNA Peter Dröge Einleitung Illegitime Rekombination Homologe Rekombination 220 Grundlagen der homologen Rekombination 221 Homologe Rekombination in prokaryotischen Zellen 222 Das RecA-Protein und der DNA-Strangaustausch 222 Das RecBCD-Enzym 225 Bewegliche Holliday-Strukturen und Genkonversion 226 Homologe Rekombination in eukaryotischen Zellen 227 Meiotische Rekombination 228 Genkonversionen in Eukaryoten 229 Ortsspezifische Rekombination Grundlagen der ortsspezifischen Rekombination 230 Ortsspezifische Rekombination in prokaryotischen Zellen Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien 232 Insertionssequenzen (IS-Elemente) 232 Transposons 233 Transponierbare Bakteriophagen 235 Ablauf der Transposition 235 Konsequenzen der Transposition: Veränderungen im Genom Bewegliche genetische Elemente bei Eukaryoten 237 Ac/Ds-Transpositionen in Pflanzen 238 TcJ/moriner-Transpositionen 239 P-Element Transpositionen im Drosophila-Ge- 239 Ortsspezifische Transpositionen in Immunzellen 240 Retrotranspositionen 243 Retroviren: ein Überblick 243 Retroviren: Struktur und Vermehrung 243 Retroviren: Integration 244 Retrotransposons Mutationen, DNA-Schädigungen und DNA-Reparatur. Peter Dröge Einleitung Arten von Mutationen 250 Chromosomen-Mutationen. 250 Allgemeine Grundlagen 250 Punktmutationen i

5 Insertionen und Deletionen 253 Reversionen und Suppressionen Mutationen in eukaryotischen Zellen 254 Mutationen in Körper- und Keimzellen 254 Rezessive und dominante Mutationen 255 Komplementationstests Häufigkeiten von Mutationen Spontan auftretende Mutationen Hot Spots spontaner Mutationen Entstehung und Vermeidung von Mutationen bei der DNA-Synthese Falscheinbauten von Deoxyribonucleotiden Korrekturlesen Falscheinbau von Ribonucleotiden in die DNA Mismatch-Reparatur Entstehung von Indels Mutationen durch Schäden von DNA-Basen AP-Stellen und Reparatur 264 Transläsionssynthese 265 Basenexzisionsreparatur Alkylierte DNA-Basen und Reparatur 267 Alkylierung von Basen 267 Reparatur der Basenalkylierung Oxidative Basenschäden und Reparatur Unförmige Anheftungen an DNA DNA-Schäden durch ultraviolettes Licht und ihre Reparatur 271 Photoreaktivierung 272 Nucleotid-Exzisionsreparatur bei Bakterien Reparatur durch Rekombination bei Bakterien. 274 Nucleotid-Exzisionsreparatur bei Eukaryoten Überschreitungen ohne Fehler und mit Fehlern Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen DNA-Schäden durch Strahlen DNA-Schäden durch gebremste Replikationsgabeln Reparatur von Doppelstrangbrüchen Zusammenfassung Teil 3 Gene und Genprodukte 12 Struktur eukaryotischer Gene Alfred Nordheim 12.1 Einleitung Definition des Genbegriffs Pol-l-transkribierte Gene Struktur der Pol-I-transkribierten Gene: rrna-gene Promotoren für die RNA-Polymerase Pol-ll-transkribierte Gene Struktur der proteincodierenden Pol-11- transkribierten Gene Promotoren für die RNA-Polymerase II Regulatorische Elemente der Pol-lI-Gene: Enhancer, Silencer 292 Proximale regulatorische Elemente 293 Distale regulatorische Elemente Nicht-proteincodierende Pol-II-transkribierte Gene Pol-lll-transkribierte Gene Struktur von Pol-Ill-Genen Promotoren für die RNA-Polymerase III Exons und Introns Exon-Intron-Struktur proteincodierender Gene am Beispiel von Globin-Genen Eigenschaften von Exons und Introns Vorkommen von Introns in eukaryotischen Genen Bedeutung von Introns CpG-lnseln Pseudogene Repetitive DNA-Elemente

6 13 Eukaryotische Transkription: Funktion und Regulation der RNA-Polymerasen Alfred Nordheim Einleitung 305 Allgemeine Prinzipien der eukaryotischen Transkription 305 RNA-Polymerasen Funktion der RNA-Polymerasen Struktur der RNA-Polymerasen Drei Phasen der Transkription Generelle und regulatorische Transkriptionsfaktoren Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol Regulation der Pol-I-vermittelten Transkription 313 Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase II Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol II 315 TFDD 315 TFIIA und TFIIB 318 TFIIE und TFIIF 318 TFIIH 318 TFIIS Interaktion von Transkriptionsfaktoren während der unterschiedlichen Phasen der Transkription 320 Zusammenbau des Präinitiationskomplexes (PIC) Signalgesteuerte Genregulation Alfred Nordheim 14.1 Einleitung Prinzipien der intrazellulären Signalübertragung MAPK-Signalkaskade: Genaktivierung innerhalb von Sekunden camp-signalgebung: CREB als Effektor des sekundären Botenstoffs camp Aktindynamik: Kommunikation zwischen Cytoskelett und Genom durch MRTF/SRF 342 Initiation der Transkription 320 Elongationsphase der Transkription 321 Terminierung der Transkription Regulation der Pol-Il-vermittelten Transkription Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase III Zusammenbau des Präinitiationskomplexes Regulation der Pol-lII-vermittelten Transkription Regulation eukaryotischer Transkription durch die Struktur des Chromatins Strukturmotive von DNA-bindenden Proteinen Homöodomäne Basische Helix-Loop-Helix-Domäne (bhlh-domäne) Basische Leucin-Zipper-Domäne (bzip- Domäne) Zinkfingermotiv Schleifenmotiv Das Transkriptom der eukaryotischen Zelle TGFß-Signalgebung: SMADs als regulatorische Transkriptionsfaktoren Wnt-Signalkaskade: ß-Catenin als Transkriptionsfaktor Sauerstoff: HIF als Sensor und Transkriptionsfaktor Steroide: nudeäre Hormonrezeptoren regulieren die Genexpression Signalgebung durch Abbau von Proteinen im Proteasom Cytokinsignalgebung JAK/STAT-Signalkaskade Aktivierung von NF-KB

7 15 RNA-Prozessierung. Alfred Nordheim Einleitung 358 Prozessierung von prä-rrna Prozessierung von prä-mrna Capping am 5'-Ende 359 Spleißen 360 Grundlagen zum Spleißmechanismus 361 Komponenten des Spleißapparats: das Spleißosom, ein komplexer snrnp Aufbau des Spleißosoms und Ablauf des Spleißens Selbstspleißen 367 Alternatives Spleißen trons-spleißen 374 Regulation des Spleißens 375 Polyadenylierung am 3'-Ende mrna-editing Koordination von Transkription und mrna-prozessierung mrna-stabilität und Abbau mrna-abbau durch destabilisierende Sequenzen Qualitätskontrolle und Eliminierung geschädigter mrna Beispiele regulierter mrna-stabilität mrna-export aus dem Zellkern Prozessierung von prä-trna Translation: Proteinsynthese in Eukaryoten.. Gunter Meister Einleitung 390 Das eukaryotische Ribosom 390 Aufbau des eukaryotischen Ribosoms Biogenese des eukaryotischen Ribosoms snornas (small nucleolar RNAs) Initiation der Translation in Eukaryoten.. Elongation, Termination und Ribosomenrecycling Peptidsynthese Ablauf der eukaryotischen Translation Regulation der eukaryotischen Translation. Gunter Meister Einleitung 398 Regulation der eukaryotischen Translationsinitiation 398 Regulation auf der Ebene der mrna- Sequenz 398 Regulation von eif4e 399 Regulation von eif Translation von sezernierten oder membranständigen Proteinen Komponenten der Proteintranslokationsmaschinerie Proteintranslokation Nonsense-vermittelter mrna-abbau (NMD) IRES - Initiation ohne Cap-Struktur NMD-Komponenten 405 Identifizierung eines PTCs und der Mechanismus des NMDs 405 NMD in der Hefe

8 18 Regulatorische RNAs. Gunter Meister Einleitung RNA-Interferenz (RNAi) Das CRISPR-System: eine Verteidigungslinie von Bakterien gegen Phagen sirnas (short inteifering RNAs) Mechanismen der RNA-Interferenz Genregulation durch mikrornas MikroRNA-Gene Biogenese von mikrornas 412 Regulation der mirna-biogenese Funktion von mirnas Virale mirnas pirnas Genomische Organisation eines CRISPR-Locus CRISPR-Aktivität und Phagenabwehr. Lange, nicht-codierende RNAs (IncRNAs) IncRNA-Gene Dosiskompensation und IncRNAs Genomische Prägung (Imprinting) und IncRNAs HOTAIR und IncRNAs Gene in Mitochondrien und Chloroplasten Rolf Knippers 19.1 Einleitung DNA in Mitochondrien Mütterliche Vererbung mtdna des Menschen Expression mitochondrialer Gene Der genetische Code in Mitochondrien Replikation mitochondrialer DNA Mitochondriale Krankheiten Sequenzunterschiede mitochondrialer Genome Formen mitochondrialer DNA RNA-Editing in Mitochondrien 431 C->U-Austausch in mitochondrialer RNA Einfügen von Nucleotiden: RNA-Editing in Mitochondrien von Trypanosomen 432 Evolution von Eukaryoten und Endosymbiosen 433 DNA in Chloroplasten 435 Allgemeine Merkmale der Chloroplasten- DNA 436 Anordnung und Funktion der Gene auf derctdna 436 Expression von Genen auf der ctdna Teil 4 Epigenetik 20 Epigenetische Mechanismen. Jörn Walter 20.1 Einleitung Molekulare Grundlagen: Modifikation chromosomaler DNA und Proteine Histonmodifikationen und epigenetische Prozesse Histonmodifikationen als epigenetisches Gedächtnis Histonmodifikationen und Genomstruktur Modelle der Vererbbarkeit von Histonmodifikationen Epigenetische Steuerung der Entwicklung durch PRC-Komplexe Etablierung von ortsspezifischem Heterochromatin durch histonmodifizierende Enzyme ^49 16

9 20.4 Regulatorische RNAs und epigenetische Prozesse 20.5 DNA-Methylierung Vorkommen und allgemeine Prinzipien Oxidierte Modifikationsformen von 5-Methylcytosin Auswirkung der DNA-Methylierung im Genom Welche Enzyme kontrollieren die DNA- Methylierung? Einfluss der DNA-Methylierung auf die genetische Information Methylierung der richtigen" DNA- Sequenzen RNA-abhängige DNA-Methylierung Epigenomforschung: ein Ausblick Epigenetische Kontrolle biologischer Prozesse Jörn Walter Einleitung 460 Genomweite epigenetische Reprogrammierung und Entwicklungsprozesse in Säugetieren Epigenetische Reprogrammierung im frühen Embryo Reprogrammierung in der Keimbahn Epigenetische Kontrolle der X-chromosomalen Gendosis Genomische Prägung Genomische Prägung in der medizinischen Genetik Teil 5 Genomik 22 Von der Genkarte zur Genomsequenz Martin Vingron/Rolf Knippers Einleitung Sequenzierung von Genomen Von der biologischen zur physikalischen Schrotschuss-Sequenzierung Hochdurchsatz-Sequenzierung Annotierung sequenzierter Genome Beispiele für Genomannotierungen Evolution von Genomen Ausblick Funktionelle Genomik Martin Vingron Proteomik 499 Massenspektrometrie 499 Expressionsanalytik Funktionelle Analytik 499 Chip-Technologie Yeast two hybrid-system 499 Tiling-Arrays Analyse der Genexpression durch RNA-Sequen Bestimmung der Bindungsstellen von Proteinen im Chromatin Systematischer Knock-down von Genen RNA-Analytik über quantitative RT-PCR Computergestützte Analyse von Genexpres

10 24 Variabilität des Genoms 506 Rolf Knippers 24.1 Einleitung Einzelnudeotid-Polymorphismen (SNPs) SNPs als DNA-Marker Haplotypen DNA-Chips Genotypisierung Kopienzahl-Varianten (CNVs) Mikrosatelliten-Polymorphismen Mikrosatelliten-DNA zur Identifizierung von Personen Mikrosatelliten in Genen: Trinucleotidfolgen Retrotransposon-Insertionspolymorphismen (RIPs) Teil 6 Schlüsseltechnologien 25 Bioinformatik Martin Vingron 25.1 Einleitung Sequenzvergleich Dotplot und Alignment Datenbank-Recherche Hochdurchsatz-Sequenzierung und die Kartierung der Teilsequenzen Information in Genfamilien Regulatorische DNA-Elemente Sequenzierung und Genom-Assemblierung Genvorhersage Proteinstrukturvorhersage und Homologiemodellierung Molekulare Evolution und phylogenetische Stammbäume DNA-Analysen 531 Rolf Knippers 26.1 Einleitung DNA-Sequenzierung Polymerasekettenreaktion (PCR) DNA-Sequenzierung nach der Kettenabbruch-oder Dideoxymethode Gentechnik oder das Klonieren von Sequenziermethoden der nächsten DNA-Fragmenten 531 Generation Traditionelles Klonieren und Herstellung 26.5 Expressionsanalytik durch RNA-Seq von Genombibliotheken cdna-klonieren PCR-Klonieren i

11 27 Funktionelle Genomanalysen Einleitung Induzierte pluripotente Stammzellen (ips-zellen) RNA-Interferenz: sirna/shrna-screens 543 Jörn Walter Gunter Meister 27.5 Proteomanalyse Knock-out-Technologie: homologe Alfred Nordheim Rekombination im Genom der Maus Alfred Nordheim Glossar einiger Begriffe aus der klassischen Genetik 552 Sachverzeichnis