1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern DNA: Träger der genetischen Information... 29

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1 Teil 1 Grundlagen 1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern Einleitung Eukaryoten Prokaryoten Literatur DNA: Träger der genetischen Information Einleitung Bausteine: Nucleotide DNA-Doppelhelix DNA-Helices: Flexibilität Denaturierung und Renaturierung Natürliche DNA-Moleküle DNA-Ringe: Helix und Superhelix Einige wichtige Methoden zur Untersuchung von DNA Elektrophorese Zentrifugation Der Sedimentationskoeffizient oder S-Wert Isopyknische oder Gleichgewichtszentrifugation Elektronenmikroskopie Enzyme als Hilfsmittel: Deoxyribonucleasen Endonucleasen, Exonucleasen Restriktionsendonucleasen Literatur RNA: Überträger und Regulator der genetischen Information Gunter Meister 3.1 Einleitung Aufbau und räumliche Faltung von RNA-Molekülen Zelluläre Funktionen von RNAs Literatur RNA-Klassen Proteine: Funktionsträger der Zelle Einleitung Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren Aminosäuren Peptidbindung Wechselwirkungen zwischen Aminosäureseitenketten Sekundärstruktur: α-helix und β-faltblatt Tertiärstruktur: komplexere Faltung der Aminosäurekette Proteindomänen Quartärstruktur: Aufbau aus Untereinheiten Proteinfaltung Literatur α-helix β-faltblatt

2 5 Transkription, Translation und der genetische Code Einleitung Transkription: die Synthese von RNA RNA-Polymerase Genanfang: der Promotor Ereignisse am Promotor Elongation der RNA-Kette Termination Stabile und nicht stabile RNA Transfer-RNA (trna) und die Aktivierung von Aminosäuren Struktur der trna Beladung der trna Translation: Ribosomen und Proteinsynthese 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 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 Literatur Escherichia coli und der Bakteriophage Lambda: Gene und Genexpression Einleitung Vermehrung von Bakterien 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 Regulons: Gengruppen unter gemeinsamer Kontrolle Beispiel: Hitzeschock-Gene Alternative σ-faktoren Stringente Kontrolle Negative und positive Genregulation: das lac-operon als Bezugssystem Die Genprodukte Mutanten mit veränderter Genregulation Das Jacob-Monod-Modell Der Lac-Repressor Positive Regulation: das CRP-Protein Exkurs: Bakteriophagen Ausblick Der Bakteriophage Lambda und seine Gene Das Lambda-Genom Proteincodierende Gene Kontrollelemente Integration und Exzision Expression der Lambda-Gene Frühe Transkription Entscheidung zwischen Lyse und Lysogenie Der CII-Aktivator Der Lambda-Repressor Transkription des int-gens Induktion und lytischer Infektionsweg Wege der Lambda-Replikation Das Ende des lytischen Infektionswegs Entstehung der Phagenpartikel Am Ende des lytischen Infektionswegs Literatur

3 7 DNA im Zellkern: Chromatin und Chromosomen Elmar Schiebel 7.1 Einleitung Der Zellkern Die Kernhülle Der Innenraum des Zellkerns Das Chromatin Histone Haupthistone Histonsubtypen Nucleosomen Modifikation von Histonen Posttranslationale Modifikation von Histonen Veränderungen des Chromatins durch Histonmodifikationen Einige wichtige Nicht-Histonproteine Chromatinfasern Chromosomen Chromosomen des Menschen Chromosomensätze Polytäne Chromosomen Literatur Teil 2 Molekulare Dynamik chromosomaler DNA 8 DNA-Replikation: Verdopplung der genetischen Information Peter Dröge 8.1 Einleitung Molekulare Grundlagen der Replikation Erste Hinweise auf semikonservative Replikation Allgemeine Polymerisationsreaktion von Deoxynucleotiden Prokaryotische DNA-Polymerasen und wichtige replikative Hilfsproteine DNA-Polymerase I DNA-Polymerase II DNA-Polymerase 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 Topoisomerasen Typ-I-DNA-Topoisomerasen Typ-II-DNA-Topoisomerasen Topologische Probleme während der Initiation und der Elongation Topologische Probleme während der Termination Andere Probleme während der DNA- Replikation Replikation des eukaryotischen Genoms Replikationsstartpunkte Aktivität von Replikationsstartpunkten Replikation und Strukturen des Zellkerns Nucleotidsequenzen von Replikationsstartpunkten Initiation eukaryotischer Replikation Elongationsphase eukaryotischer Replikation Termination eukaryotischer Replikation Telomere Telomerasen Replikation im Chromatin Schwer zu replizierende Genomabschnitte 197 Literatur

4 9 Segregation der Chromosomen: Zellzyklus, Mitose und Meiose Elmar Schiebel 9.1 Einleitung Zellzyklus Zellzyklusphasen Die G 1 -Phase Die S-Phase Die G 2 -Phase Die Mitose Molekulares Verständnis des Zellzyklus Zellzyklusgene G 1 /S-Übergang Lizenzierung der DNA-Replikation in der Telophase/G 1 -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 Meiose Zellzyklusregulation der Meiose Meiose I Meiose II Literatur Rekombination der DNA Peter Dröge 10.1 Einleitung Homologe Rekombination Grundlagen der homologen Rekombination Homologe Rekombination in prokaryotischen Zellen Das RecA-Protein und der DNA-Strangaustausch 222 Das RecBCD-Enzym Bewegliche Holliday-Strukturen und Genkonversion Homologe Rekombination in eukaryotischen Zellen Meiotische Rekombination Genkonversionen in Eukaryoten Ortsspezifische Rekombination Grundlagen der ortsspezifischen Rekombination Ortsspezifische Rekombination in prokaryotischen Zellen Illegitime Rekombination Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien Insertionssequenzen (IS-Elemente) Transposons Transponierbare Bakteriophagen Ablauf der Transposition Konsequenzen der Transposition: Veränderungen im Genom Bewegliche genetische Elemente bei Eukaryoten Ac/Ds-Transpositionen in Pflanzen Tc1/mariner-Transpositionen P-Element Transpositionen im Drosophila-Genom Ortsspezifische Transpositionen in Immunzellen Retrotranspositionen Retroviren: ein Überblick Retroviren: Struktur und Vermehrung Retroviren: Integration Retrotransposons Literatur Mutationen, DNA-Schädigungen und DNA-Reparatur Peter Dröge 11.1 Einleitung Allgemeine Grundlagen Arten von Mutationen Chromosomen-Mutationen Punktmutationen

5 Insertionen und Deletionen Reversionen und Suppressionen Mutationen in eukaryotischen Zellen Mutationen in Körper- und Keimzellen Rezessive und dominante Mutationen 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 Transläsionssynthese Basenexzisionsreparatur Alkylierte DNA-Basen und Reparatur Alkylierung von Basen Reparatur der Basenalkylierung Oxidative Basenschäden und Reparatur Unförmige Anheftungen an DNA DNA-Schäden durch ultraviolettes Licht und ihre Reparatur Photoreaktivierung 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 Literatur Teil 3 Gene und Genprodukte 12 Struktur eukaryotischer Gene Einleitung Definition des Genbegriffs Pol-I-transkribierte Gene Struktur der Pol-I-transkribierten Gene: rrna-gene Promotoren für die RNA-Polymerase I Pol-II-transkribierte Gene Struktur der proteincodierenden Pol-IItranskribierten Gene Promotoren für die RNA-Polymerase II Regulatorische Elemente der Pol-II-Gene: Enhancer, Silencer Proximale regulatorische Elemente Distale regulatorische Elemente Nicht-proteincodierende Pol-II-transkribierte Gene Pol-III-transkribierte Gene Struktur von Pol-III-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-Inseln Pseudogene Repetitive DNA-Elemente Literatur

6 13 Eukaryotische Transkription: Funktion und Regulation der RNA-Polymerasen Einleitung Allgemeine Prinzipien der eukaryotischen Transkription RNA-Polymerasen Funktion der RNA-Polymerasen Struktur der RNA-Polymerasen Drei Phasen der Transkription Generelle und regulatorische Transkriptionsfaktoren Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase I Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol I Regulation der Pol-I-vermittelten Transkription Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase II Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol II 315 TFIID TFIIA und TFIIB TFIIE und TFIIF TFIIH TFIIS Interaktion von Transkriptionsfaktoren während der unterschiedlichen Phasen der Transkription Zusammenbau des Präinitiationskomplexes (PIC) Initiation der Transkription Elongationsphase der Transkription Terminierung der Transkription Regulation der Pol-II-vermittelten Transkription Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase III Zusammenbau des Präinitiationskomplexes Regulation der Pol-III-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 Literatur Signalgesteuerte Genregulation 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 Cytokinsignalgebung TGFβ-Signalgebung: SMADs als regulatorische Transkriptionsfaktoren Wnt-Signalkaskade: β-catenin als Transkriptionsfaktor Sauerstoff: HIF als Sensor und Transkriptionsfaktor Steroide: nucleäre Hormonrezeptoren regulieren die Genexpression Signalgebung durch Abbau von Proteinen im Proteasom Literatur JAK/STAT-Signalkaskade Aktivierung von NF-κB

7 15 RNA-Prozessierung Einleitung Prozessierung von prä-rrna Prozessierung von prä-mrna Capping am 5 -Ende Spleißen Grundlagen zum Spleißmechanismus Komponenten des Spleißapparats: das Spleißosom, ein komplexer snrnp Aufbau des Spleißosoms und Ablauf des Spleißens Selbstspleißen Alternatives Spleißen trans-spleißen Regulation des Spleißens 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 Literatur Translation: Proteinsynthese in Eukaryoten Gunter Meister 16.1 Einleitung Das eukaryotische Ribosom Aufbau des eukaryotischen Ribosoms Biogenese des eukaryotischen Ribosoms snornas (small nucleolar RNAs) Initiation der Translation in Eukaryoten Elongation, Termination und Ribosomenrecycling Peptidsynthese Literatur Ablauf der eukaryotischen Translation Regulation der eukaryotischen Translation Gunter Meister 17.1 Einleitung Regulation der eukaryotischen Translationsinitiation Regulation auf der Ebene der mrna- Sequenz Regulation von eif4e Regulation von eif IRES Initiation ohne Cap-Struktur Translation von sezernierten oder membranständigen Proteinen Komponenten der Proteintranslokationsmaschinerie Proteintranslokation Nonsense-vermittelter mrna-abbau (NMD) NMD-Komponenten Identifizierung eines PTCs und der Mechanismus des NMDs NMD in der Hefe Literatur

8 18 Regulatorische RNAs Gunter Meister 18.1 Einleitung RNA-Interferenz (RNAi) sirnas (short interfering RNAs) Mechanismen der RNA-Interferenz Genregulation durch mikrornas MikroRNA-Gene Biogenese von mikrornas Regulation der mirna-biogenese Funktion von mirnas Virale mirnas pirnas Das CRISPR-System: eine Verteidigungslinie von Bakterien gegen Phagen Genomische Organisation eines CRISPR-Locus CRISPR-Aktivität und Phagenabwehr Lange, nicht-codierende RNAs (lncrnas) lncrna-gene Dosiskompensation und lncrnas Genomische Prägung (Imprinting) und lncrnas HOTAIR und lncrnas Literatur Gene in Mitochondrien und Chloroplasten 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 C U-Austausch in mitochondrialer RNA Einfügen von Nucleotiden: RNA-Editing in Mitochondrien von Trypanosomen Evolution von Eukaryoten und Endosymbiosen DNA in Chloroplasten Allgemeine Merkmale der Chloroplasten- DNA Anordnung und Funktion der Gene auf der ctdna Expression von Genen auf der ctdna Literatur 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

9 20.4 Regulatorische RNAs und epigenetische Prozesse 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 Literatur Epigenetische Kontrolle biologischer Prozesse Jörn Walter 21.1 Einleitung 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 Literatur Teil 5 Genomik 22 Von der Genkarte zur Genomsequenz Martin Vingron/ 22.1 Einleitung Organisation von Genomen Biologische Genkarten Biologische Genkarte des Menschen Von der biologischen zur physikalischen Genkarte Sequenzierung von Genomen Schrotschuss-Sequenzierung Hochdurchsatz-Sequenzierung Annotierung sequenzierter Genome Beispiele für Genomannotierungen Evolution von Genomen Ausblick Literatur Funktionelle Genomik Martin Vingron 23.1 Einleitung Expressionsanalytik Transkriptomik Chip-Technologie Tiling-Arrays Analyse der Genexpression durch RNA-Sequenzierung RNA-Analytik über quantitative RT-PCR Computergestützte Analyse von Genexpressionsdaten Proteomik Massenspektrometrie Funktionelle Analytik Yeast two hybrid-system Bestimmung der Bindungsstellen von Proteinen im Chromatin Systematischer Knock-down von Genen Literatur

10 24 Variabilität des Genoms Einleitung Einzelnucleotid-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) Literatur 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 Literatur DNA-Analysen Einleitung Polymerasekettenreaktion (PCR) Gentechnik oder das Klonieren von DNA-Fragmenten Traditionelles Klonieren und Herstellung von Genombibliotheken cdna-klonieren PCR-Klonieren DNA-Sequenzierung DNA-Sequenzierung nach der Kettenabbruch- oder Dideoxymethode Sequenziermethoden der nächsten Generation Expressionsanalytik durch RNA-Seq Literatur

11 27 Funktionelle Genomanalysen Einleitung RNA-Interferenz: sirna/shrna-screens 543 Gunter Meister 27.3 Knock-out-Technologie: homologe Rekombination im Genom der Maus Induzierte pluripotente Stammzellen (ips-zellen) Jörn Walter 27.5 Proteomanalyse Literatur Glossar einiger Begriffe aus der klassischen Genetik Sachverzeichnis