Mendel: theoretische Grundlage der Vererbung. Was sind die materiellen Träger der Erbeigenschaften?

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1 Mendel: theoretische Grundlage der Vererbung Was sind die materiellen Träger der Erbeigenschaften? Die chromosomale Grundlage der Vererbung Gene auf demselben Chromosom sind gekoppelt 1

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

3 Kartierung von Genen aufgrund von Rekombinationsfrequenzen Thomas Hunt Morgan ( ; amerik. Zoologe) 1933 Nobelpreis Drosophila melanogaster (Fruchtfliege): Modellorganismus ca 2mm einfache Anzucht in Marmeladengläsern Generationszyklus ca. 12 Tage Pro Weibchen ca Eier 3

4 Kopplung von Merkmalen (Genen) Chromosom = Kopplungsgruppe in Drosophila 4 Kopplungsgruppen Anzahl der Gene übersteigt die der Chromosomen bei weitem 4

5 Rekombinationshäufigkeit nach Rückkreuzung gegen den rezessiven Elternteil bei gekoppelten Merkmalen Vg: Flügelform (d) vg: verkümmert (r) B: graue Farben (d) b: graue Farbe (r) Purves et al

6 Intrachromosomale Rekombination durch Crossing over Crossing over: durch Bruch und Wiedervereinigung entstandener Austausch von korrespondierender DNA zwischen homologen Chromosomen während der Meiose 6

7 Prophase I der Meiose Purves et al

8 Rekombinationshäufigkeiten (Rekombinationsfrequenz) Purves et al

9 Bestimmung der relativen Anordnung der Gene auf einem Chromosom Genetische Kartierungseinheit (map unit) = 1 m.u. = 1cM (centi Morgan) = 0.01 Rekombinationshäufigkeit x 100 = 1% Rekombinationsfrequenz Rekombinationshäufigkeit = 0,17 x 100 = 17% Rekombinationsfrequenz = 17 cm Abstand von Vg und B = 17 cm 9

10 Genetiker nutzen Rekombinationsdaten, um Genkarten von Chromosomen zu erstellen Purves et al

11 Beispielrechnung 11 Purves et al

12 Haplontengenetik Saccharomyces cerevisiae Bäckerhefe Vorteile: keine Dominanz, d.h. Geno- und Phänotyp können sofort einander zugeordnet werden kein "selbsten" um homozygote Linien zu erzeugen oft liegen Meiosporen in Tetraden vor 12

13 Sordaria macrospora hat einen kurzen Lebenszyklus Ascospore Perithecium Myzel geordnete Tetraden 7. Tag 1. Tag Ascogon reife Asci mit 8 Ascosporen 6. Tag 3. Tag 5. Tag 4. Tag Fruchtkörper (Perithecium) mit unreifen Asci Fruchtkörperprimordium 13

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15 S. macrospora ist ein Haplont Phänotyp = Genotyp Zygote 15

16 Geordnete und ungeordnete Tetraden bei Pilzen Sordaria macrospora Tetrade = die 4 Produkte (haploide Zellen) der Meiose ungeordnete Tetrade-> Sporen liegen vermischt vor geordnete Tetrade-> Sporen liegen linear vor, Spindeln der ersten u. zweiten meiotischen Teilung überlappen nicht 16

17 8 Sporen im Ascus -> postmeiotische Mitose Zygote 17

18 Präreduktion Trennung der Allele in der Meisose I Postreduktion Trennung der Allele in der Meisose II 18

19 Verschiedene Muster bei der Postreduktion Spindelfasern greifen zufällig am Centromer an 19

20 Tetradenanalyse (Neurospora crassa Sordaria macrospora) Möglichkeit der Analyse von haploiden Meioseprodukten da manuell isolierbar bei Farbmutanten lässt sich Rekombination unmittelbar erkennen Kartierung von Merkmalen möglich Präreduktion Postreduktion 20

21 Einfaktorkreuzung 11 lu2 x wt

22 Klassische Genetik geordnete Tetraden Petridischalen post prä 8 Sporen nach postmeiotischer Mitose 22

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24 Lebenszyklus von Chlamydomonas reinhardtii reiner Haplont ungeordnete Tetraden 2 Kreuzungstypen: (mating type) mt + mt - 24

25 Extrachromosomale Vererbung: auch Mitochondrien un Chloroplasten haben ein Genom Chloroplasten 1. Uniparental mütterliche Vererbung Überwiegende Zahl der Angiospermen 2. Biparentale Vererbung wenige Gattungen, z.b. Pelargonium, Oenothera, Medicago 3. Uniparental väterliche Vererbung bei einigen Gymnospermen wie Pinus und Larix 25

26 Kreuzung von Chlamydomonas: Kerngenom "mendelt" Segregation 2:2 cp-genom uniparental von mt+ Elter 4:0 mt-genom uniparental von mt- Elter 4:0 26

27 Segregation plastidärer und nukleärer photosynthetischer Mutationen in Chlamydomonas Tetraden Kreuzung: WT/mt+ X Fud7/mt- (PS+) (PS-) WT/mt+ X Nac2/mt- (PS+) (PS-) 4 : 0 2 : 2 d.h.: Fud7 = plastidäre Mutation Nac2 = nukleäre Mutation 27

28 Chromosomale Systeme zur Geschlechtsbestimmung Geschlechtschromosomen: Gonosomen; Heterosomen Das XY-System Das X0-System Das ZW-System Das haplo-diploide System Campbell

29 Inaktivierung des X-Chromosoms bei Frauen Inaktivierung des X-Chromosoms bei der Calico-Katze inaktiviertes X-Chromosom Barr-Körper Inaktivierung des X-Chromosoms beim Menschen Allel für schwarze und gelbe Farbe, getrenntes Allel für weiß-bunte Farbe Campbell14.10 X-Chromosomale rezessieve Mutation Anhidrotische ektodermale Dysplasie Veränderung der Sekrete in der Haut Graw

30 Geschlechtsspezifische Chromosomen zeigen besondere Erbgänge Wildtyp Weißäugige Mutanten 30

31 Geschlechtsspezifische Chromosomen zeigen besondere Erbgänge X 31

32 Geschlechtsgekoppelte Vererbung äußert sich durch nichtidentische Phänotypen in reziproken Kreuzungen Purves et al. Abb

33 Die Rot-Grün-Blindheit ist eine an das Geschlecht gekoppelte Merkmalsform X-Chromosom gekoppelter rezessiver Ergang - Phänotyp tritt häufiger bei Männern als bei Frauen auf Purves et al. Abb

34 Gene bestehen aus DNA 34

35 DNA als genetisches Material Trotz formaler Genetik und einer z.t. weit fortgeschrittenen Cytogenetik bis in die 1930er Jahre völlig unklar was chemische Grundlage der Vererbung ist. Erste Hinweise auf DNA 1928 durch Versuche von Frederick Griffith und 1944 von Oswald Avery mit Streptococcus pneumoniae (Pneumokokken; Lungenentzündung) S-Stämme (smooth): große, ebene Kolonien, virulent R-Stämme (rough): klein, rauh, nicht virulent 35

36 Griffith s Experimente Eine chemische Komponente kann von einer Zelle auf eine andere Zelle übertragen werden -> kann eine Zelle genetisch transformieren Purves et al. Abb

37 Das transformierende Prinzip ist DNA (Avery, MacLeod und McCarthy) kann transformieren Abbau von Polysacchariden Abbau von Proteinen kann transformieren SIII Enzym Proteasen Trypsin, Chymotrypsin Abbau von RNA Abbau von DNA kann transformieren Ribonuclease Filtrat von hitzeabgetöteten S-Zellen Desoxyribonuclease kann nicht transformieren 37

38 1952: Das Hershey-Chase Experiment Der Phage T2 T2 heftet sich an die Oberfläche von E. coli Purves et al. Abb

39 Hershey und Chase -Experiment Radioaktive Markierung von Proteinen und DNA 35 S Protein 35 S 32 P P P P P P DNA P P P P Purves et al. Abb

40 Chemie der Nukleinsäuren 1871 von Miescher erstmals aus Eiter und Lachssperma isoliert (zu einförmig, große Anteile an Phosphat) Hauptbestandteile 4 heterozyklische organische Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) seitlich an Kette von Ribose oder Desoxyribosemolekülen gebunden, die durch Phosphatdiesterbindungen verknüpft sind 1952 Chargaff: Pyrimidine (T/U + C) und Purine (A + G) in gleichen Mengen vorhanden, dabei gilt A und T/U bzw. G und C sind äquimolar anwesend Purves et al

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42 Purine Pyrimidine RNA Als Aromaten, Absorption von Licht im UV Bereich nm, d.h. leichte spektralphotometrische Bestimmung von DNA/RNA Mengen 42

43 Purine 2 -Desoxyribose Stickstoffhaltige Basen Pyrimidine Brown 3.2 Phosphatgruppen 43

44 Desoxy-Nukleosid-tri-phosphate 44

45 Struktur eines kurzen Polynukleotids Phosphatdiesterbindung Brown

46 Bestandteile von RNA, die sich von denen der DNA unterscheiden CH 3 Thymin Brown

47 Wesentlicher Punkt: Das Erbmaterial (was immer es auch chemisch ist) muss die Fähigkeit zur identischen Verdopplung während Mitose und Meiose haben! Watson-Crick Modell lieferte Lösung für dieses Problem Watson, J.D., Crick, F.C. (1953) Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acids. Nature 171:

48 Röntgenstrukturanalyse zeigt die helikale Grundstruktur des DNA Moleküls Beugungsmuster Berechnung der Position der Atome in einem Molekül Purves et al

49 Rosalind Franklin Maurice Wilkins Röntgenstrukturanalyse James Watson und Francis Crick 49

50 DNA Molekül Doppelhelix Einheitlicher Durchmesser Rechtsgängig Stränge verlaufen antiparallel Zucker und Phosphate außen Basen zeigen zur Mitte 10 bp pro Windung (B-Konfiguration) Purves et al

51 Purves et al

52 2 Wasserstoffbrücken 3 Wasserstoffbrücken 52

53 Drei Modelle der DNA Replikation Purves et al

54 Das Meselson-Stahl Experiment Die DNA Replikation erfolgt semikonservativ Purves et al

55 DNA-Replikation: Jeder neue Strang wächst vom 5 - zum 3 -Ende Enzym: DNA-Polymerase III Purves et al

56 Ringförmiges Molekül Lineares Molekül DNA-Topoisomerase Purves et al

57 DNA-Polymerasen benötigten Primer ca. 10 nt E. coli: 5 DNA-Polymerasen Mensch: 12 DNA-Polymerasen Purves et al

58 An der Replikationsgabel wirken viele Proteine zusammen Helikase: öffnet Helix Purves et al SSB-Proteine (single strand binding) Einzelstrang bindende Proteine 58

59 Die neuen Stränge entstehen auf zwei Weisen leading strand schrittweise nur kurze Abschnitte lagging strand Purves et al

60 Die Bildung des Folgestrangs DNA-Polymerase I Purves et al DNA-Ligase 60

61 DNA Topoisomerasen Enzyme, die das DNA Molekül entwinden oder zusätzliche Drehungen einfügen Typ I: z. B. Topoisomerase I Einzelstrangbrüche, erhöht der Windungszahl um eins Typ II: z. B. Gyrase Doppelstrangbrüche; reduziert Windungszahl um zwei 61

62 Topoisomerase I Enzym bindet an ssdna Bereiche neg. superhelikaler DNA schneiden eines Stranges und Bindung der DNA-Enden intakter Strang wird durch die Lücke gezogen und schließen des Einzelstrangbruchs ohne Energiezufuhr 62 Graw, 2.16

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