Jochen Graw. Genetik. 4., vollständig überarbeitete Auflage. Mit 516 vorwiegend farbigen Abbildungen, 72 Tabellen und 30Technik-Boxen.

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1 Jochen Graw Genetik 4., vollständig überarbeitete Auflage Mit 516 vorwiegend farbigen Abbildungen, 72 Tabellen und 30Technik-Boxen 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Was ist Genetik? Gegenstand der Genetik Kurzer Abriss der Geschichte der Genetik Molekulare Struktur des Genoms Der Genbegriff Konstanz und Variabilität Umweltbedingte Variabilität Genetisch bedingte Variabilität Theoriebildung in der Biologie 15 Technik-Box 1 Isolierung genomischer DNA 18 Kapitel 2 Molekulare Grundlagen der Vererbung Funktion und Struktur der DNA DNA als Träger der Erbinformation Chemische Zusammensetzung Konfiguration der DNA Physikalische Eigenschaften der Nukleinsäuren Die Verdoppelung der DNA (Replikation) Semikonservative Replikation Mechanismen der Replikation 35 Technik-Box 2 Renaturierungskinetik-Experimente 53 Technik-Box 3 Gelelektrophorese 54 Kapitel 3 Verwertung genetischer Informationen DNA, genetische Information und Informationsübertragung Der genetische Code Die Entschlüsselung des Codes Beweis der Colinearität Allgemeingültigkeit des Codes Transkription 65

3 XVIII Inhaltsverzeichnis Allgemeiner Mechanismus der Transkription Transkription bei Prokaryoten Transkription ribosomaler Gene Transkription Protein-kodierender Gene bei Eukaryoten Reifung eukaryotischer mrna: Spleißen und Editieren Translation Initiation Elongation Termination 96 Technik-Box 4 Polymerasekettenreaktion (PCR) 99 Technik-Box 5 Markierung von DNA: Nick Translation, Random Priming 101 Technik-Box 6 Isolierung von RNA, cdna-synthese und RACE 102 Technik-Box 7 /«-Wfro-RNA-Synthese 104 Kapitel 4 Genome von Prokaryoten und ihren Viren Bakterien Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide F-Plasmid Andere Plasmide Bakteriophagen Vermehrungzyklus Bakteriophage X (Lambda) Bakteriophage Pl Bakteriophage T Bakteriophage <X>X Transformation 132 Technik-Box 8 Klonierung von DNA 135 Technik-Box 9 Two-Hybrid-Systeme 138 Kapitel 5 Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene Kontrollmechanismen Genstruktur und Genregulation Das lac-operon Das Operonmodell Weitere Regulationsmechanismen Quantitative Kontrolle von Biosynthesewegen Das trp-operon 149

4 Inhaltsverzeichnis XIX Attenuation Regulation im X-Genom Regulation des lytischen Zyklus Regulation des lysogenen Zyklus DNA-Protein-Interaktionen 156 Technik-Box 10 Restriktionsanalyse von DNA und Southern-Blotting 159 Technik-Box 11 Northern-Blotting 161 Kapitel 6 Zelle, Zellteilungen und Zellzyklus Rückblick Die eukaryotische Zelle Die Struktur der Zelle Keimbahnzellen und somatische Zellen Piastiden und Mitochondrien DerNukleolus Der Zellzyklus Mitose Meiose Rekombination Genkonversion Genetische Mosaike Kontrolle des Zellzyklus Kontrollierter Zelltod: Apoptose Lebenszyklen von Eukaryoten 213 Technik-Box 12 Homologe Rekombination 222 Kapitel 7 Molekulare Struktur eukaryotischer Chromosomen Das eukaryotische Chromosom Chromosomen als Träger der Erbanlagen Morphologie der Chromosomen Das Centromer DasTelomer Repetitive DNA Variabilität der Chromosomen und Dosiskompensation Die Variabilität der Chromosomen Dosiskompensation bei Drosophila Dosiskompensation bei Säugern Organisation der DNA im Chromosom Chromosomale Proteine Nukleosomen Organisation der Nukleoproteinfibrillen 277

5 XX Inhaltsverzeichnis Chromosomale Territorien und Architektur des Zellkerns 278 Technik-Box 13 Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen 285 Technik-Box 14 Chromosomenbänderung und Chromosomenpainting 286 Kapitel 8 Molekulare Struktur und Regulation eukaryotischer Gene RNA-kodierende Gene: Ribosomale DNA RNA-kodierende Gene: Die 5S-rRNA-Genfamilie RNA-kodierende Gene: Die trna-genfamilien Protein-kodierende Gene: I. Multigenfamilien Die Globingenfamilie Histongene Tubulingene Protein-kodierende Gene: II. Einzelkopiegene Die Genstruktur cytoplasmatischer Organellen Regulation und Initiation eukaryotischer Genexpression Der Promotor Transkriptionsfaktoren Enhancer Locus-Kontroll-Regionen 328 Technik-Box 15 DNA-Sequenzierung 331 Technik-Box 16 Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen 333 Kapitel 9 Instabilität des Genoms: Transposons und Retroviren Allgemeine Eigenschaften von Transposons Prokaryotische Transposons Eukaryotische Transposons Fold-back-Elemente Weitere Transposons mit terminalen invertierten Repeats Retrotransposons Retroposons Prozessierte Pseudogene Funktionelle Bedeutung von Transposons Retroviren 355 Technik-Box 17 Verwendung von Balancer-Chromosomen 363 Technik-Box 18 P-Element-Mutagenese 364 Technik-Box 19 Enhancer-trap-Experimente 366

6 Inhaltsverzeichnis XXI Kapitel 10 Veränderungen im Genom: Mutationen Klassifikation von Mutationen Spontane Mutationen Fehler bei Replikation und Rekombination Spontane Basenveränderungen Dynamische Mutationen Chromosomenmutationen Numerische Chromosomenaberrationen Polyploidie in der Pflanzenzucht Strukturelle Chromosomenaberrationen Induzierte Mutationen Mutationen durch ultraviolette Strahlung Mutagenität ionisierender Strahlung Chemische Mutagenese Reparaturmechanismen Photoreaktivierung Exzisionsreparaturen Rekombinationsreparatur oder postreplikative Reparatur SOS-Reparatur Mutagenität und Mutationsraten Mutagenitätstests Mutationsraten und Evolution 422 Technik-Box 20 SSCP-Analyse (Single Strand Conformation Polymorphism-Analyse) Kapitel 11 Formalgenetik Grundregeln der Vererbung: Die Mendel'schen Regeln Statistische Methoden Mathematische Grundlagen Die % 2 -Methode Mendel aus heutiger Sicht - Ergänzungen seiner Regeln Unvollständige Dominanz und Codominanz Multiple Allelie Der Ausprägungsgrad von Merkmalen Polygene Vererbung - Genetik quantitativer Merkmale Pleiotropie Kopplung, Rekombination und Kartierung von Genen Geschlechtsgebundene Vererbung Kopplung von Merkmalen auf autosomalen Chromosomen Klassische Dreipunkt-Kreuzung Kartierung von Genen durch Tetradenanalyse Moderne genomweite Kartierung mit Mikrosatelliten-Markern Kartierung von quantitativen Merkmalen und Modifikator-Genen Populationsgenetik Die Hardy-Weinberg-Regel Genetische Zufallsveränderungen (Random Drift) 488

7 XXII Inhaltsverzeichnis Natürliche Selektion Migration und Isolation 498 Technik-Box 21 Kartierung genetischer Merkmale 502 Kapitel 12 Genetische Kontrolle zellulärer Differenzierung Stammzellen Totipotenz von Zellkernen Embryonale Stammzellen Somatische Stammzellen Epigenetik und genetische Prägung Was ist genetische Prägung? Methylierung als epigenetische Markierung Wann erfolgt genetische Prägung? RNA-Interferenz Mechanismus der RNA-Interferenz RNA-Interferenz in verschiedenen Organismen Umlagerung von DNA-Fragmenten Kerndualismus: Mikro-und Makronuclei in einer Zelle DNA-Amplifikation Chromatinelimination und -diminution Veränderungen des Paarungstyps bei Hefen Die Oberflächenantigene von Trypanosoma Das Immunsystem Funktion des Immunsystems der Säuger Entwicklung und Struktur der Immunoglobulingene Molekularer Aufbau der L-Ketten Molekularer Aufbau der H-Ketten Antikörperklassenwechsel (dass switching) Transkription der Immunoglobulingene Die Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst Allgemeine Gesichtspunkte des Säugerimmunsystems 559 Technik-Box 22 RNAi: Spezifische Inaktivierung von Transkripten 561 Technik-Box 23 Immunologische Nachweismethoden 562 Kapitel 13 Entwicklungsgenetik Entwicklungsgenetik der Pflanze Musterbildung in der frühen Embryogenese Wurzel-, Spross-und Blattentwicklung Blütenentwicklung Entwicklungsgenetik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans Embryonalentwicklung von C. elegans 580

8 Inhaltsverzeichnis XXIII Organentwicklung bei C. elegans Entwicklungsgenetik von Drosophila melanogaster Keimbahnentwicklung und Geschlechtsdetermination bei Drosophila Maternale Gene Anteriore Determinanten des Drosophila-Embryos Posteriore Determinanten und Ausbildung der anterior-posterioren Achse Die dorso-ventrale Körperachse Segmentierung bei Drosophila Imaginalscheiben, Metamorphose und Organentwicklung bei Drosophila Entwicklungsgenetik bei Fischen Embryonalentwicklung des Zebrafischs Genetische Experimente mit Zebrafischen Entwicklungsgenetik bei Säugern Embryonalentwicklung von Säugern Entwicklung von Zwillingen beim Menschen Teratogene Effekte Organentwicklung bei Säugern Keimzellentwicklung und Geschlechtsdeterminierung bei Säugern. 646 Technik-Box 24 in-sz'fw-hybridisierung von Nukleinsäuren 652 Technik-Box 25 Morpholinos 653 Kapitel 14 Das menschliche Genom - Grundlagen menschlicher Vererbung Methoden der Humangenetik Zwillingsforschung Stammbaumforschung Das Human Genome Project Kartierung von Erbkrankheiten Chromosomenanomalien Numerische Chromosomenanomalien Strukturelle Chromosomenanomalien Monogene Erbkrankheiten Autosomal-rezessive Erkrankungen Autosomal-dominante Erkrankungen X-chromosomale Krankheiten Y-chromosomale Gene Besonderheit: Expandierende Triplettwiederholungen Vielfalt: Mutationen in den Globingenen Komplexe Erkrankungen Gene und Krebs Diabetes 710

9 XXIV Inhaltsverzeichnis Technik-Box 26 Differenzielle Genexpression 716 Kapitel 15 Neurogenetik und die Genetik des Verhaltens in 15.1 Endogene Rhythmik Zugverhalten bei Vögeln Zirkadiane Rhythmik Schlafstörungen des Menschen Lernen und Gedächtnis Lernverhalten von Drosophila Lernverhalten bei Mäusen Kognitive Störungen bei Menschen Angst und Sucht Angst und Depression Suchtkrankheiten, z.b. Alkoholismus Neurodegenerative und psychiatrische Erkrankungen Die Alzheimer'sche Erkrankung Die Parkinson'sche Erkrankung Psychiatrische Erkrankungen, z.b. Schizophrenie 755 Technik-Box 27 Transgene Mäuse 759 Technik-Box 28 Geninaktivierung bei Mäusen 761 Kapitelle Die Zukunft der Genetik - zwischen Gentechnik und Genomforschung Gentechnik und Biotechnologie Gentechnische Modifikationen von Pflanzen Gentechnik in der Tierzucht Gentechnische Aspekte bei der Behandlung von Krankheiten Genomforschung Pharmakogenomik und individualisierte Medizin Populationsgenetik Vergleichende Genomforschung - Evolution der Entwicklung Humangenetik und Anthropologie Molekulare Diagnostik, Familienberatung und Reihenuntersuchungen Genetik und Reproduktionsmedizin Quo vadis, homo sapiens? 778 Technik-Box 29 m-vzvo-reportergen: das grün-fluoreszierende Protein (GFP) 781 Technik-Box 30 Mikroarrays und DNA-Chips 782

10 Inhaltsverzeichnis XXV Literaturverzeichnis 786 Glossar 803 Quellenverzeichnis 811 Personenverzeichnis 817 Stichwortverzeichnis 821