Grundlagen der Genetik - Vorlesung WS 2012/2013

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1 Grundlagen der Genetik - Vorlesung WS 2012/2013 Vorlesung Grundlagen der Genetik Zeit: Dienstags 10:15-11:45 Uhr Mittwochs 8:30-10:00 Uhr (8:15-9:45) Uhr Ort: Gebäude A1 7, großer Hörsaal Prof. Dr. Jörn Walter Dr. Martina Paulsen <j.walter@mx.uni-saarland.de> <m.paulsen@mx.uni-saarland.de> Die in der Übersicht dargestellten Themenbereiche sind Grundlage für die Klausur. Die Folien der Vorlesungen werden nach den Vorlesungen ins Netz gestellt und sind passwordgeschützt als PDF herunterzuladen. Im Anhang der Folien werden zu jeder Vorlesung mehrere Fragen zur Selbstarbeit angeführt, die eine Orientierung für die Abschlussklausur bieten. Die Fragen können im Rahmen eines freiwilligen Tutoriums (voraussichtlich Ende Januar) mit den Tutoriumsleitern diskutiert werden jörn VL1 Einführung in Genetik: DNA als vererbendes Makromolekül Defintion des Begriffs und der Bedeutung von Genetik und der DNA als vererbende Substanz. Kurzer historischer Abriss zur Entdeckung der DNA, (Miescher, Griffith, Avery, Hershey-Chase, Watson/Crick, Sanger, Mullis) Purin und Pyrimidin-Struktur, Zucker-Phosphat-Rückgrat, glykosidische Bindung, Nucleosiden und Nukleotiden, Polarität der Basenabfolge und Richtung der Basenverknüpfung. Prinzipien der Basen- Paarung und Komplementarität, Wasserstoff-Brückenbindung, jörn VL2 Aufbau und Struktur der DNA I Prinizipien der DNA-Struktur: Aufbau und Kennzahlen der Doppelhelix, Antiparallelität des Aufbaus der Stränge, große und kleine Furchung der DNA, Strukturen und Geometrien verscheidener Helix-Formen (A-, B- und Z-DNA). Bedeutung der Basenpaarung, Basenabfolge und Basenzusammensetzung für die Stabilität der DNA. Molekulare Prinzipien der Helixstruktur: Basenpaarung, Base-Stacking etc.. Stabilität der Helix-Strukturen, Denaturier- und Renaturierbarkeit der DNA-Doppelstränge, Organisation in größeren Molekülen: Chromosomen (Bakterien, Eukaryoten). Linear und Ringförmige DNA, Chromosomenstruktur in Eukaryoten (Telomer, Zentromer, Chromatide) Bakterienchromosom und Plasmide: Spiralisierung ringförmiger DNA (Supercoiling), Enzyme und Mechanismen. Grundprinzipien der DNA-Analyse: Isolation von DNA, DNA-Spaltung durch DNA-Endonukleasen (Restriktionsenzyme), Trennung von DNA- Fragmenten in Gelelektrophorese.

2 jörn VL3 Transkription: Expression der genetischen Information in Prokaryoten Zentrales Dogma - DNA-RNA-Protein. Genetischer Code (Definition, Universalität), Vergleich der Unterschiede von RNA und DNA (Uracil vs. Thymin, Desoxyribose vs. Ribose, Stabilität der RNA Definition des Gen-Begriffs: Strukturgen + Regulationsbereiche (Promoter, Terminator, ORF=offener Leserahmen,). Kolinearität von ORF und Gen in Bakterien, Anordnung von Genen, polycistronische messenger RNA in Bakterien Martina VL4 Transkription: Expression der genetischen Information in Eukaryoten Gen-Struktur, Intron-Exon, kodierende und nicht kodierende Bereiche, Größe von Genen, Transkriptionsstart und Ende, Hinweis auf die Schwierigkeiten Gene (in silico) zu identifizieren. Verhältnis der genomischen Gengröße zur reifen mrna, mrna Prozessierung: Polyadenylierung, Splicing und Capping, Mechanismen des Spleißen, alternatives Spleißen und Genvariabilität, RNA-Editing als postgenomische Veränderung der genetischen Information Unterschiede der Genfunktion und Genstruktur: RNA-codierende Gene (rrna, trna), Spezifität und Unterschiede der (eukaryotischen) RNA-Polymerasen Martina VL5 Translation: Die Übersetzung der genetischen Information in Proteine Der genetische Code, Nirenberg-Experiment, Transport der m-rna ins Cytoplasma und an die Ribosomen, Aufbau pro- und eukaryotischer Ribosomen (Bedeutung von rrna), Prinzipien der Proteinsynthese: Initiation, Elongation und Termination der Translation, trna Funktion, Beladung von trna, Wobble-Position, Mechanismen des Peptidyltransfers. Besonderheiten der Translation in Eukaryoten: Besonderheiten der Initiation und Synthese, sowie kurz IRES und nonsense mediated decay Funktionen von RNAs Faltung von einzelsträngiger RNA: RNA:RNA-Hybride, Funktion von dreidimensionalen Strukturen). Vielfalt von RNA-Formen und Funktionen: t-rna, r-rna, mrna, Funktionen nur kurz RNA-Formen und Funktion: RNAs als wesentliche Bestandteile von Ribosomen, Spliceosomen, Compensasomen. RNA als Katalysator Martina VL6 Replikation der genetischen Information in Bakterien Allgemeine Prinzipien der Replikation: Prinzip der semikoservativen Vermehrung, Meselson/Stahl Experiment, Initiation der Replikation in Bakterien (origin of replication), Organisation der Replikationsgabel, Unterschiede der leading-lagging strand Synthese, Okazaki-Fragmente Initiation der Replikation, beteiligte Enzyme: DNA-Polymerasen (Funktionen), Topoisomerasen, Helicase, Primasen, SSBs. Initiation der Replikation am Ori-C in E.coli (Organisation am ori und der Replikationsgabel), Replikation und Fehleinbau (Reparatur), Steuerung der Replikationshäufigkeit und Timing. Unterschiedliche Replikationsmechanismen rolling circle vs. theta-sigma Replication.

3 Martina VL7 Replikation der genetischen Information in Eukaryoten Vergleich von pro- und eukaryotischer Replikation: Unterschiede: Replikation von linearen vs zirkulären Chromosomen; Bedeutung der Telomer-Replikation Struktur der Replikations-Maschinerie, Regulation und Koordination der Replikation in Eukaryoten, Synchronisation multipler Origins, Trennung von früh und spätreplizierenden Origins/Regionen; Auswirkungen fehlerhafter Replikation auf Mutationen jörn VL8 Einführung in die Prinzipien der Vererbung I Chromosomentheorie der Vererbung (Correns, Tschermak, de Vriess), Mendel: Uniformitätsregel (Reziprozitätsregel), Dominanz, Rezessivität, Spaltungsregel, Homozygotie, Heterozygotie, Genotyp, Phänotyp, mono-, di-hybride Kreuzungen, Unabhängige Segregation von Merkmalen (Begriffe: Zygote, Haploidie, Diploidie) Jörn VL 9 Prinzipien der Vererbung II Unvollständige Dominanz, Codominanz, Allel-Begriff, Penetranz und Expressivität, Polygenie, Heterosiseffekte, Pleiotropie, Epistasie, Wechselwirkung Genetik-Umwelt, Statistische Methoden in der Genetik: Zufallsschwankungen, Normalverteilung, Wahrscheinlichkeitsberechnungen, x2-analyse, Freiheitsgrade Jörn VL10 Prinzipien der Rekombination Einteilung der Rekombinationsereignisse: Allgemeine, homologe, sequenzspezifische und illegitime Rekombinationsereignisse mit kurzen Beipielen (ganz grob) Molekulare Prinzipien der DNA-Rekombination am Beispiel der homologen Rekombination: Strangbruch, Paarung und Invasion, Strangwanderung (Holliday- Struktur). Enzyme der Rekombination. Experimente zur Detektion von Rekombinationsereignissen, Konsequenzen der Rekombination: Genkonversion; Rekombinationsreparatur und Doppelstrangbrüche; Meiose und homologe Rekombination; Martina VL11 Springende Elemente Illegitime Rekombination und Genomstabilität, Zusammensetzung menschlicher Chromosomen: Anteil und Verteilung einzigartiger und wiederholter Sequenzen. Ursprung und Vorkommen transposabler Elemente in unserem Genom: Retroviren, Retroposons, Retrotransposons, simple repeats (HERVs, LINEs, ALUs,... Chromosomale Veränderungen durch bewegliche genetische Elemente: Transposition (bakterielle IS und TN s, Struktur, Funktionen, Intergration und Excision). Eukaryotische Transposons und Retroviren. Transposons und genetische Veränderungen: Virale Onkogene, Transposons als gentechnische Hilfsmittel (P-Elemente, Retrovirale Vektoren) Martina VL 12 Chromosomale Basis der Vererbung I (Zytogenetik):

4 Zellzyklus (kurz). Mechanismen der Mitose. Prinzipien der Chromosomenkondensation. und Meiose Stadien der Reduktionsteilung, Aufteilung der genetischen Information (Chromosomen/Chromatiden), Rekombination elterlicher Chromosomen, Chiasma (Crossing Over), Rekombinations-knoten, Schwesterchromatiden, Homologe Paarungen, Synaptonemaler Komplex mit Proteinen, Martina VL 13 Chromosomale Basis der Vererbung (Zytogenetik II) Aufbau der Chromosomen, Zentromer, Telomer Centromer-, Kinetochor-Funktionen, Formen der Kondensation (Interphase, Metaphase). Feinstruktur der Chromosomen: Histone, Nukleosomen, Rolle von Nicht-Histon-Proteinen und Modifikationen für die Chromatinstruktur. Eu- und Heterochromatin, konstitutives und fakultatives Heterochromatin. Bedeutung der Kompartimentalisierung durch den Zellkern, Aufbau des Zellkerns, Kernstrukturen/Kerngerüste, Martina VL 14 Genom und Chromosomen-Veränderungen I Generelle Prinzipien der Genomveränderungen: Effekte in Mitose und Meiose. Gen und Genomduplikationen als Prinzip der Evolution. Polyploidien (Unterscheidung Allo- und Autopolyploidie) und deren Bedeutung für Kulturpflanzen. Kombination von unterschiedlichen Chromosomen in Hybriden und Sterilität. Chromosomenveränderungen: Generelle Definition von Aneuploidien, Auswirkungen auf die Meiose und Fertilität. Genomveränderungen im Menschen: Aneuploidien im Menschen: Trisomien (Chrom.21), Klinefelter-Syndrom, Monosomien: Turner Syndrom beim Menschen. Prinzipien zytogenetischer Diagnostik durch Chromosomenbänderung (Giemsa, R-Banden, Chromosomen-paints), Jörn VL 15 Genom und Chromosomen-Veränderungen II Strukturellen Abberationen an Chromosomen: Insertionen, Deletionen, Duplikationen, Inversionen, Translokationen (balancierte/unbalancierte). Auswirkungen chromosomaler Veränderungen: Gen-Funktionsverlust/veränderung (Translokationen, Insertionen), Gen- Dosis-Effekte (Duplikationen/Deletionen), Positionseffekte (Translokationen), Funktions- Verlust (Telomer/Centromer-Deletionen) Ursachen für Translokationen etc. Kleiner Exkurs in die Strahlenbiologie, Primär- und Sekundärschäden von radioaktiver Strahlung Jörn VL16 Ursachen von Punkt-Mutationen Grundbegriffe der Veränderungen im Basenbereich: Basenaustausche (Transition, Transversion), Strukturelle Veränderungen in der Basensequenz (Inversionen, Deletionen), Auswirkungen von Basenveränderungen auf die genetische Information: Stille Mutationen, Missense-,Nonsense- und Frameshift- Mutationen. (Tautomere Formen, Depurinierung und Desaminierung, Basenanaloge, 5-Methyl- Cytosin) Induzierte Mutationen: Mutagene Substanzen wie z.b. Strahlen (UV-, Radioaktive-), DNA schädigende Chemikalien.

5 Genetische und molekulare Methoden zur Identifizierung von Mutationen: Kreuzung und Selektion, Stammbaumanalysen, Dominanz, Rezessivität, konditionale Mutationen zur Untersuchung von lethalen Phänotypen Martina VL17 Reparatur von Punkt-Mutationen Reparaturantworten auf Mutationsereignisse: Unterscheidung von replikativen und postreplikative Reparaturprozessen. Basen-Excisionsreparatur,Nukleotidexcisionsreparatur, Photo- Excision-Repair, Doppelstrangbruchreparatur (nonhomologous-endjoining). Beispiele aus Bakterien für SOS-Reparatur, Short patch mismatch Reparatur (Mut H,L,S), Martina VL18 Mechanismen der Genregulation in Prokaryoten: Kontrolle der Genexpression in Bakterien: Definitionen von Genstruktur. Transkriptionsstart/ende, Translationsstart/ende, Promotor, Operator, Repressor. Regulation durch Transkriptionskontrolle am Beispiel des Lac-Operons. (lysogener und lytischer Zyklus bei lambda Phagen) Jörn VL19 Allgemeine Prinzipien der Genregulation in Eukaryoten: Eukaryotische Gen-Regulation: generelle Prinzipien und Unterschiede zu Bakterien. Rolle und Definition der verschiedenen RNA-Polymerasen und Promoterstrukturen. Rolle von allgemeinen und speziellen Transkriptionsfaktoren. Prinzip der Kombinatorik von Transkriptionsfaktoren, Aktivatoren, Mediatoren etc.. Genstruktur und Kontrollelemente differentieller Genexpression: Enhancer, Silencer, Boundary Elemente Jörn VL 20 Grundlegende Mechanismen der differentiellen Genregulation in Eukaryoten Epigenetische Mechanismen und Chromatinstruktur (kurz Histon-Modifikationen und DNA Methylierung). Steuerung von Gen-Aktivität im Verlauf der Entwicklung über genetische und epigenetische Mechanismen am Beispiel des Globin Lokus. Grundprinzipien von RNAi Jörn VL21 Bedeutung extranukleärer Vererbung Generelle Aspekte der Plastidenvererbung, Mitochondriale und Chloroplasten-Genome, Gen-Anzahl und Funktion, Verschiedenheit des genetischen Codes, Endosymbionten- Hypothese, RNA-Editing, Replikationsunterschiede zum Nukleären Genom, Mitochondriale Erkrankungen Jörn VL22 Asexuelle und sexuelle Neukombination von genetischen Informationen Prinzipien der Konjugation, Transformation, Transduktion. Ausfühlicher: Transformation (natürlich/induziert), Unterschiede natürlicher und induzierter Kompetenz, Transformation von chromosomaler vs Plasmid DNA, Grenzen genetischen Austausches: Abwehr fremder DNA durch Restriktion/Modifikations-Systeme.

6 Gentechnologische Bedeutung von Transformationen: Konstruktion von Plasmiden: Verknüpfung durch DNA-Ligasen, Trennung von DNA-Fragmenten in Gelelektrophorese, Grundprinzipien der gentechnologischen Veränderung: Plasmide als Vektoren zur Klonierung (Vermehrung in Bakterien). Ganz kurz das Prinzip einer Knockout-Maus Martina VL23 Geschlechtsbestimmung bei Eukaryoten + elterliche Prägung Einführung in die Mechanismen sexueller und nicht sexueller Vermehrung in Eukaryoten: Wechsel zwischen haploiden und diploiden Lebenszyklen. Wechsel zwischen geschlechtlicher und ungeschlechtlicher Vermehrung bei einzelligen Eukaryoten und Pilzen. Fakultativ geschlechtlich: Pilze (Hefe, Clamydomonas, Neurospora, (Pflanze). Unterschiedliche Formen der Geschlechtsbestimmung. Verschiedene Formen der genetischen Geschlechtsbestimmung, Grundprinzip der umweltinduzierten Geschlechtsbestimmung Martina VL24 Populationsgenetik Erbkrankheiten und Stammbaumanalysen, Zufallsschwankungen, Normalverteilung Hardy-Weinberg-Regel, Genetic drift, Selektionsfaktoren, Heterozygtie: Vorteil und Dominanz, Fitness, Genetic load, Eugenik Martina VL25 Die Evolutiongeschichte des Menschen Einführung in die grundlegenden Modelle der Primaten-Evolution. Genetische Grundlagen der menschlichen Evolution. Die Bedeutung der Primaten-Genomprojekte für das Verständnis der menschlichen Evolution. Die Interaktion zwischen genetischer Ausstattung und natürlicher Selektion am Beispiel des menschlichen Genoms VL26 Thema noch nicht festgelegt zur freien Verfügung Vorschlag (noch nicht festgelegt): Tutorium Tutorium Große Fragestunde Klausur: 8-10 Uhr Großer Hörsaal in A1.7