Institut für Mikrobiologie und Genetik Abt. Genetik eukaryotischer Mikroorganismen Grisebachstr. 8 2.Etage Raum 241

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1 Prof. Dr. Stefanie Pöggeler Institut für Mikrobiologie und Genetik Abt. Genetik eukaryotischer Mikroorganismen Grisebachstr. 8 2.Etage Raum 241 Sprechstunde: nach Vereinbarung Tel.: spoegge@gwdg.de 1

2 Genetik Wissenschaft von der Erzeugung Aufklärung der Regeln und Mechanismen der Vererbung Unterschiede in der genetischen Ausstattung verschiedener Organismen (funktionelle Genomforschung) Schließt alle Organismenklassen ein: Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und Mensch Schnittpunkte mit: Zellbiologie, Entwicklungsbiologie, Molekularbiologie, Gen- und Biotechnologie 2

3 Bücher: Ausreichend für die Ringvorlesung Campbell & Reece 6. aktual. Aufl. (2006) (Kapitel III Gene) Pearson Studium 99,95 Eur Purves et al. 7. Aufl. (2006) (Teil II Information und Vererbung) Elsevier/Spektrum 89,95 Eur 3

4 Für Spezialisten: Graw 4. Auflage (2006) Springer Verlag 44,95 Eur Seyffert 2. Auflage (2003) Elsevier/Spektrum 39,50 Eur 4

5 Weitere Bücher: Janning & Knust 1. Auflage (2004) Thieme Verlag Eur Brown TA 2. Auflage (1999) Spektrum-Verlag 41,00 Eur 5

6 Prokaryonten vermehren sich durch Zweiteilung Replikation Zellteilung bei dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa Segregation Cytokinese Purves et al. 7. Auflage Abb

7 Das Genom der Eukaryotenzelle ist auf mehrere Chromosomen verteilt - Aufteilen der Chromosomen in der Mitose Centromer Verteilung der Chromatiden als Chromosomen auf die Tochterzellen Chromosomenverdopplung Schwesterchromatiden 0,5 µm Campbell Abb

8 Die DNA in einem Chromosom ist dicht gepackt 8 Purves et al. Abb. 9.6

9 Im Zellzyklus wechseln Mitose und Interphase ab Purves et al. Abb

10 Kinetochor: Ansatzstelle der Spindelfasern am Chromosom im Centromerbereich Mitose: Form der Zellteilung, die zu zwei Zellen führt, die mit der elterlichen Zelle identisch sind Purves et al. 9.7a) 10

11 Phasen der Mitose Interphase Prophase Prometaphase Pflanzenzelle mit Centriolen Centiolenpaar Centriolen: Element aus MT bilden Teilungsspindel Purves et al. Abb

12 Phasen der Mitose Metaphase Anaphase Telophase Äquatorialplatte Purves et al. Abb

13 Molekulare Prozesse bei der Zusammenlagerung und Trennung der Chromatiden Separase Securin Purves et al. Abb

14 Cytokinese: Teilung des Cytoplasmas Furchung einer Tierzelle Bildung der Zellplatte in einer Pflanzenzelle Campbell

15 Fortpflanzung (Reproduktion): Erzeugung von Nachkommen nicht identisch mit Vermehrung! Asexuelle, ungeschlechtliche, vegetative Fortpflanzung: Erzeugung identischer Nachkommen (Klone) -> Mitose Sexuelle, geschlechtliche Fortpflanzung Erzeugung von Nachkommen, die sich von den Eltern unterscheiden Rekombination des genetischen Materials -> Meiose 15

16 Menschliche Zellen besitzen 46 Chromosomen Purves et al

17 Karyotyp: Allium cepa Haploider Chromosomensatz: n Diploider Chromosomensatz: 2n Mensch: n=23 2n=46 17

18 Jede somatische Zelle des Menschen besitzt 46 Chromosomen Darstellung der Chromosomen -> Karyotyp 18

19 Chromosomen, die ein Paar bilden (Länge Bandenmuster, Centromerposition gleich) sind homologe Chromosomen Autosomen Geschlechtschromosomen 19

20 Diplontischer Enrtwicklungszyklus Purves et al

21 Purves et al

22 Meiose Der diploide Chromosomensatz wird zum haploiden reduziert Campbell Abb

23 Meiose I Purves et al. Abb

24 Meiose I frühe Prophase I mittlere Prophase I späte Prophase I Centrosomen mit Centriolen Purves et al. Abb in der Lilie 24

25 Meiose I Metaphase I Anaphase I Telophase I Purves et al. Abb

26 Meiose II Prophase II Metaphase II Anaphase II Purves et al. Abb

27 Meiose II Telophase II Ergebnis = Tetrade Purves et al. Abb

28 Rekombination durch a) alternative Anordnung der Chromosomen in der Metaphase der Meiose I Zwei gleich wahrscheinliche Anordnungen Metaphase II Campbell

29 b) Crossing over während der Prophase der Meiose I tauschen nicht Schwester-Chromatiden eines Chromosomenpaares homologe Abschnitte aus Purves Abb

30 Mitose ursprüngliche Zelle erzeugt zwei genetisch identische diploide Tochterkerene Meiose ursprüngliche Zelle erzeugt vier genetisch verschiedene Tochterkerne Purves Abb

31 Nondisjunktion führt zur Aneuploidie Nondisjunktion: Chromosomepaar wird in Meisoe I Oder Chromatidenpaar in Meiose II nicht getrennt Aneuploidie: Fehlen von Chromosomen oder Überzähligkeit von Chromosomen 31

32 Chromosomenanomalien Numerische Chromosomenanomalien Vervielfachung des Chromosomensatzes Polyploidie z. B 3n Triploidie Einzelnes Chromosom in seiner Zahl erhöht = Hyperploidie z. B. 2n + 1 Trisomie Einzelnes Chromosom in seiner Zahl erniedrigt = Hypoploidie z.b. 2n-1 Monosomie Gleichgewicht der Chromosomen gestört = Aneuploidie Bei Menschen: Monosomien mit Ausnahme des X-Chromosoms grundsätzlich letal Trisomien nur lebensfähig, wenn sie die Chromosomen 21, 18, 13 oder die Geschlechtschromosomen betreffen 32

33 Trisomie 21, das Down-Syndrom: mentale Retardation, verzögerte Entwicklung des Skeletts, Verminderung des Tonus der Muskulatur, abnormaler Verlauf der Falten auf der Handinnenfläche, Herzanomalien, Störungen des Immunsystems 33

34 Häufigkeit des Down-Syndroms in Abhängigkeit vom Lebensalter der Mutter Graw Abb. 14b 34

35 Graw Tab

36 Geschlechtschromosomenaberrationen Aneuploidie des Y-Chromosom z. B. XYY: fertile Männer, verringerte Intelligenz? Trisomie des X-Chromosoms XXX: weitgehend normale Frauen, Veranlagung zu mentaler Retardation Klinefelter-Syndrom XXY: männliche Individuen, aber steril, mental retardiert Turner Syndrom XO: weibliche Individuen, weitgehend normal, jedoch steril 36

37 Mögliche Entstehung von chromosomalen Anomalien Nondisjunction in der Oognese 1. Meiose 2. Meiose Nondisjunction in der Spermatogenese 1. Meiose 2. Meiose 37

38 38

39 Gregor Mendel ( ) Versuche über Pflanzenhybriden (1865) 39

40 Pisum sativum: -monözisch, selbstbefruchtend -künstliche Fremdbestäubung nach Entfernen der Staubblätter -reine Inzuchtlinien durch Selbstung (homozygote Linien) Mendels methodische Ansätze: 1) Wahl eindeutiger klar abgrenzbarer Merkmale 2) Verwendung statistischer Methoden 40

41 Monohybride Kreuzung Parentalgeneration (P) 1. Filialgeneration (F1) 41

42 dominant: sichtbare Merkmalsform rezessiv: unsichtbare Form des Merkmals Mendelsche Regel: Uniformitätsregel Nachkommen von Kreuzungen reiner Linien besitzen einen einheitlichen Phänotyp 42

43 Allel: alternative Form eines Gens A oder a Allel für purpurfarbene Blüten Locus für Blütenfarbe Homologe Chromosomen Allel für weiße Blüten Campbell Abb

44 Molekulare Erklärung für Dominanz und Rezessivität Brown

45 Molekulare Erklärung für Dominanz und Rezessivität 45

46 Verhältnis der Phänotypen in der F2 Generation 3:1 Campbell Abb

47 1. Mendelsche Regel: Spaltungsregel Kreuzungen der heterozygoten Nachkommen (F1) zweier reinerbiger Elternlinien untereinander führen zur Aufspaltung der Phänotypen im Verhältnis 3:1 in der F2-Generation 47

48 homozygot: pp oder PP heterozygot: Pp oder pp Zellen: diploid pp oder PP oder Pp oder pp Gameten: haploid p oder P Erscheinungsbild: purpurfarbene Blüten Allelkombination: Gameten: weiße Blüten Erscheinungsbild: Allelkombination: Gameten: purpurfarbene Blüten F1-Eizellen F1-Pollen Punnett-Quadrat Campbell Abb

49 Genotyp Phänotyp PP (homozygot) purpurfarben Pp (heterozygot) purpurfarben Pp (heterozygot) purpurfarben pp (homozygot) weiß Campbell Abb Verhältnis 1:2:1 Verhältnis 3:1 49

50 Rückkreuzung zur Bestimmung des Genotyps Punnett-Quadrat Campbell Abb

51 Dihybride Kreuzung Verhältnisse der Phänotypen? 51

52 (a) Hypothese: abhängige Segregation (b) Hypothese: unabhängige Segregation Campbell Abb

53 Trihybrider Ergbgang AaBbCc x AaBbCc 53

54 Trihybride Kreuzung Aufspaltung in der F2 in 8 verschiedene Phänotypenklassen: 27 DDD : 9 DDR : 9 DRD : 9 RDD : 3 DRR : 3 RDR : 3 RRD : 1 RRR 54

55 2. Mendelsche Regel: Unabhängigkeitsregel Allele verteilen sich im Prinzip unabhängig voneinander und unabhängig von den Allelen anderer Gene auf die Nachkommen. 55

56 Mendels Regeln und menschliche Stammbäume Dominante Vererbung z.b. Chorea Huntington Purves et al Rezessive Vererbung z.b. Albinismus Purves et al

57 Mendelsche Regeln können nicht alle Beobachtungen zur Vererbung von Merkmalen erklären, daher: Ergänzungen zu den Mendelschen Regeln 1900 Wiederentdeckung der Mendelschen Regeln Carl Correns 57

58 Unvollständige Dominanz: Heterozygote Allele erzeugen einen neuen Phänotyp, der eine Mischung der Eigenschaften hervorruft (intermediärer Erbgang) 58

59 Gendosiseffekt beim intermedären Erbgang 59

60 Kodominanz: Heterozygote Allele prägen ihren jeweiligen Charakter nebeneinander aus Allele Genprodukte (Blutproteine) Phänotyp M Phänotyp N Phänotyp MN Brown Abb

61 Multiple Allelie: Ein Gen kann in mehr als zwei Allelen vorliegen. Durch multiple Allelie erhöht sich die Anzahl möglicher Phänotypen (z.b. Fellfarbe bei Kaninchen) 4 Allele verschiedene Kombinationen von 2 Allelen führen zu 5 verschiedenen Fellfarben) Hierarchie der Dominanz: C>c ch >c h >c 61

62 ABO-Blutgruppen des Menschen: Multiple Allelie; Dominanz und Kodominanz Brown Abb

63 Sichelzellanämie (Mutation β-kette Hämoglobin Glu 6 nach Val, Kristallisation Hb) Pleiotropie: Ein Gen beeinflusst verschiedene Merkmale zugleich primär: Bildung von Sichelzellen sekundär: Sauerstoffmangel weitere: Akkumulation Sichelzellen Anämie Herz- Nierenfehler, Hirnschäden Milzschäden 63

64 Epistasie: phänotypische Ausprägung eines Gens wird von einem anderen unabhängig vererbten Gen beeinflusst (d. h. überdeckt oder zunichte macht) A: Pigment B: Bänderung in den Haaren AABB ->agouti aabb ->albino Aabb ->? schwarz AaBb ->? agouti Purves et al. Abb

65 Heterosis = Überdominanz Heterozygote übertreffen in ihrer Erscheinungsform die homozygoten Eltern 65