Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Allgemeine Zoologie und Genetik

Transkript

1 Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Allgemeine Zoologie und Genetik Vorlesung "Grundlagen der Biologie I" WS 2009/10 Molekulargenetik Püschel 2009

2 Vorlesung Grundlagen der Biologie I Molekulargenetik Teil 1 1 Einführung: Das Dogma der Molekularbiologie Teil 1 Molekulargenetik der Prokaryonten 2 Organisation des bakteriellen Genoms 3 Replikation des Genoms 4 Transkription I: Prokaryonten 5 Genregulation I: Prokaryonten 6 Translation in Prokaryoten 7 Rekombinante DNA I Teil 2 Molekulargenetik der Eukaryonten 8 Organisation des Genoms und Struktur der Chromosomen I 9 Organisation des Genoms und Struktur der Chromosomen II 10 Zellzyklus, Mitose, Meiose 11 Meiose und sexuelle Fortpflanzung 12 Formale Genetik: Mendel I 13 Formale Genetik: Mendel II 14 Transkription II: Eukaryoten 15 Genregulation II: Transkriptionsfaktoren 16 Genregulation III: Spleissen 17 Genregulation IV: Translation in Eukaryoten 18 Rekombinante DNA II 1

3 Literatur zur Vorlesung Vorlesung Purves Kapitel , , 10, , 16, 17 Empfehlung Biologie. Markl, Jürgen (Hrsg.); Purves, William K.; Sadava, David; Orians, Gordon H.; Heller, H. Craig. Spektrum Verlag, ISBN: Der Stoff der Vorlesung deckt sich weitgehend mit dem Lehrbuch Biologie ("Purves"). Die Kapitel 9 bis 17 beihalten den Stoff der Teils Molekulargenetik. Der Inhalt diser Kapitel ist Prüfungsstoff, unabhängig davon ob er in der Vorlesung explizit diskutiert wurde. 2

4 Einführung 1 Das Dogma der Molekularbiologie Replikation DNA Transkription RNA Translation Protein 2

5 Phosphat Gruppe Nucleotide O O=P-O O Zucker (Deoxyribose) 5 CH2 C 4 O C 3 C 2 C 1 N Base (A, G, C, T) 3 RNA DNA Purine Pyrimidine Purine Pyrimidine Adenin Uracil Adenin Thymin Guanin Cytosin Guanin Cytosin 4

6 Röntgenstrukturanalyse Strahlungsquelle Kristall 5 Basenpaarungen komplementärer Basen H-Brücken G C A G T C T A DNA: Polymer aus vier Bausteinen (A, G, C, T) Doppelhelix mit komplementären und antiparallelen Strängen 6

7 Was ist ein Gen? Die Definition änderte sich mit der Entwicklung der Genetik: 1) Ein Gen = Ein Merkmal (ein vererbbares Kennzeichen eines Organismus) 2) Ein Gen = Ein Protein (ein DNA-Abschnitt, der die Information für die Synthese eines Proteins trägt ) 3) Ein Gen = Eine Transkriptionseinheit (ein DNA-Abschnitt, der als ganzes transkribiert wird und die Information für ein Protein oder eine RNA enthält ) 7 Drei Reiche des Lebens Eubakterien Eukaryonten Archaea Chloroplasten Mitochondrien Endosymbiontentheorie 8

8 Organisation und Replikation des bakteriellen Genoms 9 Replikation 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5' Komplementarität der DNA-Stränge ermöglicht Replikation der Erbinformation 10

9 -DNA-Polymerasen benötigen zur Synthese: 3'-OH Ende Template 5' 3' OH C dgtp PP 5' G-3' OH C 11 Replikation in E. coli 1) Initiation 2) Elongation 3) Termination 12

10 Das Genom der Prokaryoten ist zirkulär oric bp E. coli terc Das Genom hat einen Origin of Replication 13 1) Initiation DNA Replikation ist bidirektionell 5' 3' 5' Replikationsgabel 5' 3' Replikationsblase 5' Initiation der Replikation: Replikationsursprung (Origin of replication) 14

11 2) Elongation RNA-Polymerase (Primase) synthetisiert einen RNA-Primer -> 3'OH-Ende 5' 3' OH nt 5' 15 DNA Replikation ist diskontinuierlich lagging strand (Folgstrang) Okazaki-Fragmente Bewegung der Replikationsgabel leading strand (Leitstrang) 16

12 DNA Replikation ist diskontinuierlich leading strand: kontinuierliche Synthese ine Initiation durch Primase lagging strand: Synthese in Fragmenten (Okazaki Fragmente) wiederholte Initiation durch Primase 17 DNA Polymerasen in Prokaryoten (E. coli) DNA-Polymerase I DNA-Polymerase III DNA-Reparatur, DNA-Replikation eine Untereinheit mit 5'->3' Exonuklease und 3'->5' Exonuklease DNA-Replikation, Core-Enzym aus 3 Untereinheiten 3'->5' Exonuklease 18

13 Synthese des "lagging strand" 1) Synthese des RNA-Primers durch eine RNA-Polymerase (Primase) 2) Verlängerung des RNA-Primers durch DNA-Polymerase III 3) Entfernen des RNA-Primers und Auffüllen der Lücke durch DNA- Polymerase I 4) Verknüpfung der Fragmente durch DNA-Ligase 19 Replikationskomplex Helicase lagging strand (Folgstrang) SSB ATP SSB Helicase leading strand (Leitstrang) ADP DNA-Polymerase 20

14 DNA-Polymerase III besteht aus mehreren Untereinheiten!-Untereinheit: Katalytischer Core "-Untereinheit: Dimerisation #-Untereinheit: Prozessivität, ("Clamp") $-Komplex (5 Proteine): Assemblierung #-Ring auf DNA ("Clamp-loader") 21 DNA-Polymerase Holoenzym #! " # $ "! 2!-Untereinheiten: katalytischer Core 2 "-Untereinheiten: Dimerisation 2 #-Untereinheiten: Clamp 1 $-Komplex: "Clamp-loader" 22

15 Topoisomerasen Gyrase ATP ATP Topoisomerase I 23 DNA-Replikation ist: 1) Semikonservativ 2) Bidirektional 3) Diskontinuierlich 24

16 Transkription I: Prokaryonten 25 5' 3' codierender Strang codogener Strang 3' 5' DNA 5' 3' Template Strang 3' 5' 5' 3' mrna 26

17 RNA-Polymerase: DNA-abhängige RNA-Polymerase RNA-Polymerasen kopieren den codierenden Strang Initiation codierende Region Termination Promotor RNA-Polymerase 5' 3' Transkript = mrna Promotor: Sequenzen, die es der Polymerase erlauben den Anfang des Gens zu erkennen Terminator: Sequenzen, die es der Polymerase erlauben das Ende des Gens zu erkennen 27 Initiation CAC DNA +1 AC mrna ATG Promotor AUG codierende Region Transkript mrna DNA 28

18 -35 Region -10 Region Initiation TCTTGACA TATAAT------CAT ATG Promotor kodierende Region 29 Der Sigma-Faktor erlaubt die Erkennung der Promotor-Region RNA-Polymerase - Untereinheiten:! # #' Core-Enzym!, #, #' % % % Holoenzym 30

19 Initiation der Transkription 12 bp ' 3' % 3' 5' Template Strang -55 offener Promotor-Komplex Elongation 5' 3' % Template Strang 3' 5' % Transkript 5' 3' Template Strang 3' 5' 32

20 Termination Zwei Mechanismen der Termination in E. coli 1) Rho-unabhängige Termination: "Stem-Loop"-Struktur der mrna, bei der Mehrzahl der E. coli Gene zu finden 2) Rho-abhängigen Termination: Bindung des Rho-Protein an die mrna führt zur Termination 33 Prokarotische Gene - Alle Gene durch die gleiche RNA-Polymerase transkribiert - %-Faktor : Erkennung von Promotoren - Termination: RNA-Pol. terminiert an einer definierten Position 34

21 polycistronische mrna in Prokaryoten Initiation kodierende Region Termination Promotor Transkript -10-Region: Pribnow-Box oder TATA-Box -35-Region 35 36

22 Genregulation I: Prokaryonten 37 Enzyme des Lactose-Stoffwechsels #-Galactosidase Lactose-Permease Transacetylase lacz lacy laca in Lactose-freiem Medium nicht exprimiert Lactose als einzige C-Quelle: Induktion der Enzyme von einem Promotor transkribiert: P lac P lac lacz lacy laca 38

23 Das Lac-Operon P i laci P lac O lac lacz lacy laca P i P i : Promotor des Lac-Repressor O lac laci Gen für Lac-Repressor O lac : Operator Regulatorgen P lac lacz lacy laca P lac : Promotor des lac-operons Strukturgene 39 P i laci P lac O lac lacilaci lacilaci lacz lacy laca laci laci laci laci lacilaci lacilaci 40

24 P i laci P lac O lac lacz lacy laca laci LacZ LacY LacA laci laci laci lacilaci lacilaci Induktor 41 Das Lac-Operon P i laci P lac O lac lacz lacy laca P i : Promotor des Lac-Repressor Lac-Repressor O lac : Operator P lac : Promotor des lac-operons Regulationseinheit in Bakterien, die aus Promotor, Operator und Strukturgenen besteht, die gemeinsam reguliert werden. Folge von Strukturgenen als polygenische (= polycistronische) mrna trankribiert 42

25 Das Lac-Operon Jacob-Monod-Modell In Abwesenheit des Induktors (Lactose) bindet der Lac-Repressor an den Operator und reprimiert das Lac-Operon Die RNA-Polymerase wird daran gehindert die Strukturgene zu transkribieren Der Induktor bindet an den Lac-Repressor -> Konformationsänderung Der Repressor ist nicht mehr in der Lage den Operator zu binden -> RNA-Polymerase kann die Transkription initiieren 43 Lac-Repressor Dimere bilden eine funktionelle Einheit zwei Dimere -> Tetramer modularer Aufbau DNA-Bindungsdomäne flexibler Linker Induktor-Bindung Tetramerisierung 44

26 P i laci O lac P lac O lac lacz lacy laca ca. 90 bp +1 ca. 400 bp P i laci O lac P lac O lac lacz Zwei intakte Operatoren für vollständige Repression notwendig 45 tetramerer Lac-Repressor kann zwei Operator-Sequenzen gleichzeitig binden, für vollständige Repression notwendig -> DNA-Schleife Olac lacilaci lacilaci P lac O lac laci Pi lacz 46

27 Katabolit-Repression des lac-operons durch Glucose Katabolit-Repression: Glucose-Repression der Lactose Verwertung. In Anwesenheit von Glucose wird das lac-operon nicht transkribiert Signal: camp (Adenosin-3'-5'-Monophosphat) 47 Katabolit-Repression des lac-operons durch Glucose camp bindet an CAP (catabolite activator protein) = CRP (camp receptor protein) camp-bindung -> Konformationsänderung CAP camp erkennt DNA-Sequenz 5' des lac Operators P i laci O lac CAP P lac O lac lacz CAP camp fördert die Bindung der RNA Polymerase an den Promotor des lac Operons 48

28 Katabolit-Repression des lac-operons durch Glucose Glucose ATP Adenylat-Cyclase camp PP Glucose: inaktive Cyclase geringe camp-konzentration - : aktive Cyclase hohe camp-konzentration 49 RNA-Polymerase laci O lac CAP P lac lacz O lac 50

29 P i laci CAP P lac O lac lacz lacy laca CAP Glucose Lactose 51 Glucose Glucose + Lactose Lactose [camp] [camp] [camp] CAP inaktiv CAP inaktiv CAP aktiv Repressor aktiv Repressor inaktiv Repressor inaktiv lac Operon nur aktiviert wenn Glucose fehlt UND Lactose vorhanden ist 52

30 Operons ermöglichen koordinierte Regulation von Genen positive Kontrolle: Aktivierung des Promotors durch CAP camp negative Kontrolle: Repression des Promotors durch lac-repressor 53 DNA-Bindungsdomäne : Helix-Turn-Helix-Motiv ein Monomer bindet jeweils eine Hälfte der Bindungsstelle Bindung des Induktors -> Konformationsänderung -> Bindung an die Erkennungssequenz verhindert 54

31 P i trpr P trp O trp trpe trpd trpc P i P i : Promotor des Trp-Repressor O trp trpr Gen für Trp-Repressor trp : Operator Regulatorgen P trp trpe trpd trpc trpb trpa P trp : Promotor des trp-operons Strukturgene 55 P i trpr P trp O trp trpe trpd trpc TrpE TrpD TrpC 56

32 P i trpr P trp O trp trpe trpd trpc TrpE TrpD TrpC Tryptophan (Korepressor) 57 P i trpr P trp O trp trpe trpd trpc 58

33 P i trpr P trp O trp trpe trpd trpc Trp 59 Lac-Operon Trp-Operon Lac Repressor Induktor: Allolactose Induktion Induktor verhindert Bindung an Operator Trp Repressor Korepressor: Tryptophan Repression Korepressor induziert Bindung an Operator 60

34 Translation in Prokaryoten 61 5' ccatgaccgagcggcccgagatgcaggccatcaagtgatt ggtactggctcgccgggctctacgtccggtagttcactaa M T E R P E M Q A I K * V - 3' ORF DNA- und Proteinsequenz sind kolinear Ein Triplett (Codon) -> eine Aminosäure Start und Stop Codon legen Anfang und Ende der kodierenden Region fest Open Reading Frame (ORF) (offenes Leseraster) 62

35 5'-AUG UGG UAG -3' 3'-UAC UCC AUC -5' 5'-AUG UGG UAG -3' M T * 3'-UAC UCC AUC -5' H P L 63 3 Leseraster 5' tgccattgctgcaggtcgacggatccggggaattcccggggatcccgtcg acggtaacgacgtccagctgcctaggccccttaagggcccctagggcagc 5' 3 Leseraster 64

36 RNA übernimmt drei verschiedene Rollen bei der Proteinbiosynthese (Translation) 1) mrna: Anweisung für die Art und Reihenfolge der Aminosäuren 2) trna: entziffert mrna und trägt die Aminosäuren 3) rrna: bildet zusammen mit Proteinen die Ribosomen, die Proteinsynthesemaschine 65 Anticodon 3' 5' C G G mrna 5' G C C 3' Codon 66

37 Aminoacyl-tRNA-Synthetase Vernüpfung von Aminosäure und trna, mindestens 20 verschiedene Enzyme eines für jede Aminosäure trna Aminosäure ATP Aminoacyl-tRNA 67 Prokaryotische Ribosomen 50S-Untereinheit: 23 S, 5 S rrna 50 S 30S-Untereinheit: 16 S rrna 60% RNA 40 % Protein 30 S 70 S 68

38 Translation: Initiation, Elongation und Termination Shine-Dalgarno-Sequenz Initiation Sequenz im 5'-nichtcodierenden Bereich der mrna Ribosomen-Bindungsstelle ATTCCTCCACUAG AGGAGGU 16 S rrna 3' 5' AUG 3' mrna 69 Die drei Phasen der Translation werden durch Initiationsfaktoren Elongationsfaktoren und Terminationsfaktoren gesteuert Initiationsfaktoren verhindern die vorzeitige Bindung der 50 S Untereinheit Elongationsfaktoren sorgen für den geordneten Ablauf der Elongation 70

39 Synthese: N-Terminus -> C-Terminus 5' 3' N NH 2 - C -COOH 1. Aminosäure = 1. Codon 71 Expression von rekombinantem Insulin in Bakterien Protein DNA Sequenz Expression in Bakterien 72

40 Expression von rekombinantem Insulin in Bakterien Protein DNA Sequenz Expression in Bakterien ATG TAG Insulin 73 Eco RI ist eine Endonuclease, die eine palindromische Sequenz erkennt 5' ----GAATTC---- 3' ----CTTAAG G -OH P- ----CTTAA AATTC---- G---- "klebrige (sticky) Enden" 74

41 m 5' ----GAATTC---- 3' ----CTTAAG---- m Methylierung der Erkennungssequenz GAATTC durch die EcoRI-Methylase blockiert die Hydrolyse durch Eco RI 75 "Chromosom" F-Plasmid ("extrachromosomales" autonomes genetisches Element) ca. 100 kb 76

42 Klonierungsvektoren Plasmide: episomale (= extrachromosomale Elemente) autonom replizierende zirkuläre DNA-Moleküle F-Plasmid: enthält Gene für Übertragung von DNA-Molekülen zwischen Bakterien R-Plasmid: enthält zusätzlich Gen für Antibiotika-Resistenz Klonierungsvektor: Origin of replication Selektierbarer Marker (Antibiotika-Resistenz) Region zur Insertion fremder DNA 77 Transposon: ein mobiles genetisches Element, das an beliebigen Stellen eines Genoms inserieren kann Transposon 78

43 replikative Transposition das Transposon wird kopiert, die Zahl der Transposons nimmt zu nicht-replikative Transposition das Transposon wird als Einheit bewegt, die Zahl der Transposons bleibt konstant 79 Bakterielle Transposons Insertionssequenzen (IS-Elemente) (1-2 kb) Transpoase kodierende Region 5 bis 10 bp direct repeat 9-50 bp inverted repeat IS 5 nicht-replikative Transposition 80

44 Bakterielle Transposons Beispiel: Tn9 (zusammengesetztes Transposon) Transposon IS IS Antibiotika- Resistenzgen duplizierte 5 bp 81 Klonierungsvektor EcoRI pbr bp Ori amp R 82

45 EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI Restriktionsverdau Ligation EcoRI 83 Verdau eines Genoms mit EcoRI Restriktionsfragmente EcoRI Transformation 84

46 Restriktionskarten EcoRI HindIII HindIII EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI HindIII HindIII EcoRI HindIII HindIII EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI EcoRI HindIII HindIII + 1: Grössen- Standard 2: unverdaut 3: EcoRI 4: HindIII 86

47 Expressionsvektor MCS pet-3 Ori p T bp amp R p T7 : Promotor, T7 Phage MCS: Multiple cloning site 87 Verdau eines Genoms mit EcoRI Restriktionsfragmente EcoRI Transformation 88

48 Bakteriophagen virulente Phagen: Infektion hat immer Zellyse zur Folge temperente Phagen: neben lytischer Vermehrung Lysogenisierung als alternativer Vermehrungsweg 89 Der lytische Replikationszyclus des E. coli Bacteriophagen T4 Lyse der Zelle Infektion Replikation 90

49 & Phage E. coli Genom integrierter & Phage (Prophage) 91 Der Bacteriophage & hat zwei Möglichkeiten Infektion Replikation Integration ins Wirtsgenom lytischer Zyklus lysogener Zyklus Lyse Replikation zusammen mit Bakterien-Genom 92

50 Verdau EcoRI Restriktionsfragment rekombinante &-Phagen Infektion '... CCTGTGCGGCTCACACCTGGTGGAAGCTCTCTACCTAGTGTGGGGGAAC TGTGGACCACCTTCGAGAGATGGATCACA 5'

51 Fragen zur Vorlesung Grundlagen der Biologie I Molekulargenetik 1) Formulieren Sie in einem Satz das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Gibt es Ausnahmen von diesem Dogma? 2) Benennen sie die Schritte, in denen die genetische Information umgesetzt wird. Welche Makromoleküle sind an den einzelnen Schritten beteiligt? 3) Das Polynucleotid 5'-GGACCTGACAAAGTCAAGTCTT-3' ist Bestandteil einer kodierenden Sequenz. Beantworten Sie folgende Fragen: a) Wie ist die Sequenz des komplementären Stranges, in 5'->3' Richtung geschrieben? b) Wie lautet die Sequenz der entsprechenden mrna? c) Die vorliegende Sequenz ist Teil eines offenen Leserasters. Können Sie aus dieser Sequenz mit Hilfe einer Codon-Tabelle eindeutig ableiten wie die Sequenz des Proteins lautet? Begründung? 4) An welchen zellulären Prozessen sind RNA-Moleküle beteiligt? Nennen Sie mindestens 3 derartige Prozesse. 5) Nennen Sie vier Eigenschaften, die die Struktur der DNA beschreiben. 6) Definieren Sie den Begriff Gen. 7) Welche Voraussetzungen braucht eine DNA-Polymerase um DNA replizieren zu können? 8) Wodurch unterscheiden sich "leading" und "lagging strand"? 9) Beschreiben Sie die Schritte bei der Synthese des "leading" und des "lagging strand". 10) Die DNA-Helicase entwindet bei der Replikation die DNA. Benötigt sie dazu Energie? Begründung? 11) Nennen Sie drei Stichworte, die die Replikation charakterisieren. 12) Welche der folgenden Sequenzen sind Bestandteil eines prokaryotischen Promotors? a) -10 Region b) Pribnow-Box c) CAAT-Box d) GC-Box e) Shine-Dalgarno-Sequenz f) terc-sequenz g) -35 Region h) Costello-box 13) Welchen Strang der DNA benutzt die RNA-Polymerase als Template, den codogenen oder den codierenden Strang? 14) Was ist ein Sigma-Faktor und was ist seine Funktion? 15) Die Transkription kann in drei Phasen unterteilt werden. Welche sind dies und wodurch sind sie charakterisiert? 3

52 16) Wie erfolgt die Termination der Transkription in Bakterien? 17) Was ist der Unterschied zwischen virulenten und temperenten Phagen? 18) Skizzieren Sie den Aufbau des lac-operons. 19) Definieren Sie die Begriffe Induktor, Repressor, Operator und Operon. 20) Was ist der Unterschied zwischen Regulator- und Strukturgenen? 21) Beschreiben Sie die Prozesse, die zur Transkription des lac-operons führen. 22) Skizzieren Sie die Struktur des Lac-Repressors. Was ist die Funktion der einzelnen Protein-Domänen? 23) Was ist die Funktion des Lac-Repressors? 24) Was bedeutet der Begriff Katabolit-Repression? 25) Sie lassen E. coli in drei verschiedenen Nährmedien wachsen und messen die Aktivität des lac-operons. Welche Ergebnisse würden Sie bei den folgenden Medien erwarten und warum? a) Mininalmedium mit Glucose b) Mininalmedium mit Lactose c) Mininalmedium mit Glucose und Lactose 26) Welche Konsequenzen haben folgende Mutationen für die Regulation des lac-operons: a) Eine Mutation im lac-operator, die die Bindung von LacI verhindet. b) Eine Mutation in lacz, die die Bindung von Lactose verhindert. c) Eine Mutation in laci, die die Bindung des Induktors verhindert. d) Eine Mutation in laci, die die DNA-Bindung verhindert. e) Eine Mutation in der CAP-Bindungsstelle. 27) Skizzieren Sie den Aufbau des trp-operons. 28) Wie unterscheidet sich die Regulation des trp-operons von der des lac-operons? 29) Welche Sequenzen der mrna legen ein Leseraster fest? 30) Welche RNA-Moleküle sind an der Translation eines Proteins beteiligt und was ist ihre Funktion? 31) Definieren Sie die Begriffe Codon und Anticodon. 32) Beschreiben Sie die Vorgänge während der Elongationsphase der Translation. 33) Wieviel Bindungsstellen für trnas hat ein Ribosom? Was ist deren Funktion? 34) Welche der folgenden DNA-Sequenzen sind palindromische Sequenzen? a) GAACCT b) GACGTC c) TTAAGC d) GAATTC e) GGATCC f) GATC g) CGAT h) AAGTTC 4

53 i) AACGTT h) GTTAAG i) TTATAA j) TTATTA 35) Was sind Restriktionsenzyme? 36) Sie haben die Aufgabe ein Plasmid mit einem Restriktionsenzym in möglichst viele Fragmente zu zerlegen. Zur Auswahl haben Sie die folgenden Enzyme: HindIII (Erkennungssequenz: AAGCTT), HaeIII (GGCC) und NotI (GCGGCCGC). Welches Enzym würden Sie auswählen und warum? 37) Was sind Plasmide? Welche Merkmale müssen Sie aufweisen, um als Klonierungsvektoren zu dienen? 38) Definieren Sie die Begriffe Euchromatin und Heterochromatin. 39) In Eukaryoten ist die DNA mit Proteinen zum Chromatin verpackt. Welche der folgenden Aussagen sind falsch und warum? a) Das Chromatin dient zum Schutz vor DNasen. b) Das Chromatin ermöglicht eine kompakte Organisation der DNA im Zellkern. c) Das Chromatin ermöglicht eine Grobkontrolle der Genexpression. d) Im Chromatin ist die DNA einmal um ein Histonoktamer gewunden. e) Das Heterochromatin enthält die aktiven rrna Gene. 40) Nennen Sie drei Elemente, die für die stabile Weitergabe von Chromosomen bei der Zellteilung notwendig sind. 41) Was ist die Funktion des Centromers? 42) Was ist die Funktion des Telomers? 43) Welche besondere Struktur zeichnet ein Telomer aus? 44) Welche Funktion hat die Telomerase? 45) Die Telomerase ist eine a) DNA-abhängige DNA-Polymerase b) RNA-abhängige DNA-Polymerase c) DNA-abhängige RNA-Polymerase d) RNA-abhängige RNA-Polymerase e) DNA-unabhängige RNA-Polymerase f) reverse Transkriptase g) inverse Transkriptase 46) Definieren Sie die folgenden Begriffe: Nucleoid, Nucleotid, Nucleosid, Nucleosom, Nucleolus, Nucleus, Nuclease. Welche dieser Verbindungen oder Strukturen sind in einer eukaryotischen Zelle zu finden? Welche dieser Verbindungen oder Strukturen enthält DNA, welche RNA? 47) Wie unterscheiden sich pro- und eukaryotische Genome? Nennen Sie mindestens 4 Merkmale. 5

54 48) Welche der folgenden Bestandteile der Zelle haben ein eigenes Genom? a) Ribosomen b) Mitochondrien c) Golgi-Apparat d) Centriolen e) Chloroplasten f) Tonoplast g) Endoplasmatisches Reticulum 49) Welche der folgenden Aussagen sind falsch und warum: a) Chloroplasten haben eine eigene Transkritpions- und Translationsmaschinerie. b) Die Erbinformation der Chloroplasten enthält alle Gene, um die vollständige Struktur dieses Organells aufzubauen. c) Die Gene der Chloroplasten werden unabhängig von denen des Zellkerns vererbt. d) Das Genom der Chloroplasten ist im Lauf der Evolution aus dem Genom des Zellkerns ausgelagert worden. 50) Zur Klärung der Verwandtschaftsverhältnisse von Homo sapiens sapiens und Homo sapiens neanderthalensis wurden mitochondriale DNA-Sequenzen isoliert und bestimmt. Weswegen eignen sich diese wesentlich besser zur Gewinnung von DNA-Sequenzinformation aus fossilen Proben als Sequenzen des nucleären Genoms? 51) Skizzieren Sie den Aufbau eines Retrovirus. Woraus besteht das Genom des Virus und wofür kodiert es? 52) Wie erfolgt die Replikation eines Retrovirus? 53) Was ist eine Reverse Transkriptase? 54) Was ist ein Retrotransposon? 55) Welche Ereignisse charakterisieren die einzelnen Phasen einer Mitose? 56) Wie ändert sich der DNA-Gehalt einer Zelle während des Zellzyklus? Wie die Chromosomenzahl? 57) Welche Ereignisse charakterisieren die einzelnen Phasen einer Meiose. 58) Wodurch unterscheidet sich die erste meiotische Teilung von einer mitotischen Zellteilung? 59) Erläutern Sie die Begriffe Synapsis, synaptonemaler Komplex, Cross-over und Chiasma. 60) Wie unterscheiden sich die Produkte von Mitose und Meiose? Nennen Sie mindestens drei Unterschiede. 61) Wodurch kommt es bei der Meiose zur Neuordnung des genetischen Materials? 61) Wie verändern sich DNA-Gehalt und Chromsomenzahl während der Meiose? 62) Fehler bei der Verteilung von Chromosomen in der Meiose haben schwere 6

55 Erbkrankheiten zur Folge. Ein Beispiel dafür sind Turner's Syndrom (Geschlechtschromosomen XO) und Klinefelter's Syndrom, (Geschlechtschromosomen XXY). Wie nennt man die Störung der Meiose, die für eine Fehlverteilung der Chromosomen verantwortlich ist? Wieviel Chromosomen enthalten diese Chromosomensätze? Welches Geschlecht haben Individuen mit diesen Chromosomensätzen? 63) Für die Gene A, B, C wurden folgende Rekombinationsfrequenzen ermittelt: A/B: 2%, A/C: 5%, B/C: 7%, Stellen Sie mit Hilfe dieser Angaben eine Genkarte auf und begründen Sie Ihr Ergebnis. 64) Weibliche Calico-Katzen zeigen oft dreifarbig geflecktes Fell. Die schwarzen und orangene Fellfarbe wird durch ein X-chromosomales Gen bestimmt, für das zwei Allele bekannt sind, die für unterschiedliche Farben verantwortlich sind. Erläutern Sie warum ein dreifarbig geflecktes Fell nur bei weiblichen Katzen auftritt. 65) Definieren Sie die Begriffe Allel, homozygot und heterozygot. 66) Formulieren Sie die Mendelschen Gesetze. 67) Was besagt die Uniformitätsregel? 68) Was besagt die Spaltungsregel? 69) Was bedeutet der Begriff Reziprozität? Gilt dieses Prinzip für alle Erbgänge? 70) Wie spalten sich bei einem monohybriden dominant-rezessiven Erbgang die Phenotypen in der F2 auf? Wie würden sie sich bei einem dihybriden Erbgang aufspalten? 71) Erläutern Sie mit Hilfe eines Punnetschen Quadrats die in der F1 auftretenden Phenotypen bei der folgenden Kreuzung: WWvv x WwVv Die Allele W und V sind dominant über die Allele w und v. 72) Das Gen gbr bestimmt die Federfarbe einer seltenen Papageienart. Expression des dominanten Allels Gbr führt zu grünen Federn, des rezessiven Allels gbr zu blauen Federn. Bei der Kreuzung eines Männchens mit grünen Federn und eines Weibchens mit blauen Federn zeigten die Nachkommen güne und blaue Federn im Verhältnis 1:1. Was können Sie daraus über den Genotyp des Männchens schliessen? 73) Definieren Sie die Begriffe Mutation, Wildtyp und Polymorphismus. 74) Eine Mutation in einer codierenden Sequenz hat die Insertion von 3 Basenpaaren zur Folge. Welche Konsequenzen hat dies? 75) Können Mutationen ausserhalb der codierenden Sequenz Folgen für die Expression eines Gens haben? Begründung? 76) Welche Folgen haben die folgenden Mutationen (Bearbeitung mit Hilfe einer Codontabelle): a) CGA -> GGA b) CGA -> TGA c) CCA -> CCG 7

56 d) CCC -> CGCC 77) Was unterscheidet die Transkription in Pro- und Eukaryoten? 78) Welches Enzym synthetisiert die mrna in Eukaryoten? 79) Was ist eine TATA-Box? 80) Was ist die Funktion eines Promotors, was die eines Enhancers? 81) Welche Funktionen haben allgemeine Transkriptionsfaktoren? 82) Was ist TFIID? 83) Eukaryotische Gene, die von der RNA Polymerase II transkribiert werden, können folgende Sequenzelemente enthalten: Enhancer, "Hormone-responsive Element" und Promotor. Was ist die Funktion dieser Sequenzen für die Kontrolle der Genexpression? 84) Eukaryotische Transkriptionsfaktoren sind modular aufgebaut. Welche Funktion können Protein-Domänen dabei übernehmen? Skizzieren Sie die Struktur eines eukaryotischen Transkriptionsfaktors. 85) Wie wird die Transkription eines eukaryotischen Gens durch camp reguliert? 86) Was bewirken Histon-Acetyltransferasen? Nennen Sie eine Beispiel für ein Protein mit Histon-Acetyltransferase Aktivität. 87) Wie stellt man sich die Wirkung von Enhancern vor? 88) Wodurch unterscheiden sich Pro- und Eukaryoten in der Regulation der Transkription? 89) Wie wird das 3'-Ende eines Transkriptes der Polymerase II erzeugt? 90) Was ist eine Polyadenylierung? 91) Definieren Sie die Begriffe Intron und Exon. 92) Warum ist kein Energieaufwand beim Spleissen von Transkripten notwendig? 93) Was ist ein Lariat? 94) Welche Schritte folgen in Eukaryoten auf die Transkription zur Erzeugung einer reifen mrna? 95) Wodurch unterscheiden sich die mrnas von Eubakterien und Eukaryoten? 96) Wodurch unterscheidet sich die Translation in Eubakterien und Eukaryoten? 97) Was ist ein Signalpeptid? 98) Wie wird ein Membranprotein bei der Translation in die Membran inseriert? 8

57 99) Welche Faktoren sind während der Translation für die Insertion eines Membranproteins in die Membran notwendig? 100) Ist das Signalpeptid Bestandteil des reifen Proteins? Was ist seine Funktion? 101) Auf welchem Prinzip beruht die PCR? 102) Aufgrund welchen Prinzips kann man in einem Southern-Blot ein spezifisches Gen nachweisen? 9