1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen... 1

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1 XI 1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen Die DNA trägt die erblichen Eigenschaften eines Organismus DNA- und RNA-Bausteine Bau der Nucleinsäuren Nucleotidketten und Basenpaarung Die DNA-Doppelhelix Die Quadruplex-DNA Eigenschaften der Nucleinsäuren Absorption von ultraviolettem Licht Schmelzen und Renaturierung der DNA Haarnadelschleife Organisation der prokaryotischen Chromosomen Organisation der Genome von Bakterien Organisation der Genome von Archaea Bau eukaryotischer Chromosomen nm-Faden (Primärstruktur) nm-Faden (Sekundärstruktur) Schleifendomänen (Tertiärstruktur) Chromatiden (Quartärstruktur) Funktionselemente von Chromosomen Chromosomenanalyse Analyse von sehr kleinen Chromosomen Cytogenetik Ungewöhnliche Chromosomenformen Lampenbürstenchromosomen B-Chromosomen Mikrochromosomen Genomstruktur Organisation und Größe von Genomen Virale Genome Bakteriophagen Eukaryoten-Viren Prokaryotische Genome Das Chromosom der Bacteria Das Chromosom der Archaea Transposons bei Prokaryoten Plasmide

2 XII 2.4 Eukaryotische Genome Das Kerngenom Das Plasmon Genomik Das Humangenomprojekt DNA-Replikation Grundschema der Replikation Semikonservative Verdopplung Semidiskontinuierliche Verdopplung Simultane Verdopplung Ablauf der Replikation Replikationsinitiation Replikationselongation Replikationstermination Replikation bei Bacteria Ablauf der Replikation bei Bacteria Kontrolle der Replikation in Bacteria Replikation bei Archaea Replikation bei Viren Virale Replikationsmechanismen Replikation bei Eukarya Ablauf der mitotischen Replikation Kontrolle von Replikation und Zellteilung in Eukarya DNA-Endoreplikation Transkription Allgemeine Prinzipien der Transkription Transkription bei Bacteria Initiation Elongation Termination Prozessierung der RNA Transkription bei Eukaryoten Orte der Transkription Promotoren und Enhancer eukaryotischer Gene Faktoren: TF, TBP, TAF, Transkriptionsaktivatoren und Coaktivatoren Initiation Elongation

3 XIII Cotranskriptionales Prozessieren: Capping, Spleißen und Polyadenylierung Termination Nachträgliches Ändern der RNA-Sequenz: Editing Transkription bei Archaea Initiation, Elongation und Termination Spleißen bei Archaea Translation Allgemeine Prinzipien der Translation Der genetische Code Der genetische Code ist (fast) universell Mittler zwischen mrna und Protein: die trna Die Struktur der trna Prozessierung und Modifikation von trnas Beladung der trnas: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen Variabel aber nicht beliebig: Wobbeln Orte der Translation: Ribosomen Struktur der Ribosomen Bildung von Ribosomen in Bacteria Bildung von Ribosomen in Eukarya Bildung von Ribosomen in Archaea Verlauf der Translation: Initiation, Elongation, Termination Initiation bei Bacteria Elongation bei Bacteria Termination bei Bacteria Initiation bei Eukaryoten Elongation und Termination bei Eukaryoten Translation bei Archaea Translationsgenauigkeit: Pedantisch oder quick and dirty? Das Ribosom als Angriffspunkt für Antibiotika Aus dem Leben eines Proteins: Faltung, Translokation, Degradation Faltung naszierender Proteine Translokation durch die Membran Posttranslationale Modifikation Das Ende: Degradation

4 XIV 6 Meiose Die Bedeutung der Meiose Die Phasen der Meiose Leptotän der Prophase I Zygotän der Prophase I Pachytän der Prophase I Diplotän und Diakinese der Prophase I Prometaphase I und Metaphase I Anaphase I Telophase I und Interkinese Prophase II bis Telophase II Rearrangierte Chromosomen in der Meiose Auswirkungen von Robertson-Translokationen Auswirkungen von reziproken Translokationen Auswirkungen von Inversionen Achiasmatische Meiose Formalgenetik In der Formalgenetik wichtige Grundbegriffe Genotyp und Phänotyp Dominanz und Kodominanz Vereinbarungen der Schreibweise Probleme bei der genetischen Analyse Pleiotropie und Polygenie Penetranz und Expressivität Umwelteinflüsse und Reaktionsnorm Modellorganismen Pisum sativum (Erbse) Zea mays (Mais) Drosophila melanogaster (Taufliege) Die Mendel-Regeln Die Methode Mendels Erste Mendel-Regel (Uniformitätsregel) Zweite Mendel-Regel (Spaltungsregel) Dritte Mendel-Regel (Unabhängigkeitsregel) Gekoppelte Gene und Genkartierung Geschlechtsgebundene Vererbung Stammbaumanalyse Autosomal dominanter Erbgang Autosomal rezessiver Erbgang X-Chromosom-gebundene Vererbung

5 XV 7.8 Formalgenetik bei haploiden Organismen Ausnahmen von den Mendel-Regeln Formalgenetik der Mitochondrien Formalgenetik der Plastiden Maternale cytoplasmatische Effekte Genomic Imprinting Geschlechtsbestimmung Grundlagen der Geschlechtsbestimmung Grundlagen der genotypischen Geschlechtsbestimmung Dosiskompensation Sexuelle Differenzierung in Drosophila melanogaster Sexuelle Differenzierung in Caenorhabditis elegans Sexuelle Differenzierung in Säugetieren Das primäre Signal Die sekundäre Entwicklung (Geschlechtsdifferenzierung) Haplodiploidie Geschlechtsbestimmung bei Pflanzen Geschlechtsbestimmung durch Umweltfaktoren Endokrine Ökotoxine Rekombination Einleitung und Übersicht Homologe Rekombination Formaler Ablauf Biochemie der homologen Rekombination Homologe Rekombination in biologischen Prozessen Ortsspezifische Rekombination Formaler Ablauf Biochemie von zwei konservierten Proteinfamilien Ortsspezifische Rekombination in biologischen Prozessen Transposition und Retrotransposition DNA-Transposons Poly(A)-Retrotransposons LTR-Retrotransposons Ein gezähmtes Transposon und das Immunsystem höherer Eukaryoten Rekombination und menschliche Krankheiten Evolution durch Rekombination und Evolution der Rekombination Evolution durch Rekombination

6 XVI Evolution der Rekombination Anwendung der Rekombination in Forschung, Biotechnologie und Gentherapie Mutation und Reparatur Welche Mutationen gibt es? Punktmutationen Chromosomenmutationen Genommutationen Häufigkeit und Richtung spontaner Mutationen Spontane Mutationen sind ungerichtet Häufigkeit spontaner Mutationen Ursachen für Mutationen Zerfallsreaktionen von Nucleinsäuren Einbau falscher Basen führt zu Fehlpaarungen Reaktionen mit Nucleinsäuren chemische Mutagenese Basananaloga und interkalierende Substanzen Strahleninduzierte Mutationen Repetitive Trinucleotid-Sequenzen: Dynamische Mutationen Mutationen durch entsprungene Gene Zielgerichtete Mutagenese Reparatur von DNA-Schäden Direkte Reparatur modifizierter Basen Die Basen-Excisions-Reparatur Die Nucleotid-Excisions-Reparatur Die Mismatch-Reparatur Reparatur durch Rekombination Reparatur von Einzel- und Doppelstrangbrüchen SOS-Reparatur Suppression von Mutationen Kontrolle der Genexpression und Systembiologie Ebenen der Genexpressionskontrolle Genomstruktur und Genexpression Regulation der Genexpression über die Genomstruktur in Bakterien Regulation der Genexpression über die Genomstruktur in Eukaryoten Transkriptionskontrolle in Prokaryoten Alternative Sigmafaktoren

7 XVII Zweikomponenten-Regulationssysteme Repressoren und Aktivatoren negative und positive Kontrolle Regulation des lac-operons durch den Lac-Repressor und den Crp-Aktivator Komplexe Regulation der Stationärphase und generellen Stressantwort Transkriptionskontrolle in Eukaryoten Chromatinstruktur und Genregulation Promotorelemente und Transkriptionsfaktoren Häufige Regulatoren proximaler Promotorelemente Spezialisierte Transkriptionsregulatoren und ihre Promotorelemente Enhancer und Silencer Kopplung von Transkription und RNA-Prozessierung Methylierung und Epigenetik Signaltransduktion in Eukaryoten Prinzipien der Signaltransduktion Sieben-Transmembranhelix-(7TM-)Rezeptoren und G-Protein-vermittelte Signalwege Intrazelluläre Signalsubstanzen Second Messenger Signaltransduktion durch pflanzliche Hormone Signalwege über Serin/Threonin-spezifische Proteinkinasen Cytokinrezeptoren und der JAK-STAT-Signalweg Wachstumsfaktoren und Rezeptor-Tyrosinkinase Von der Membran über Ras und MAP-Kinaseweg in den Zellkern Toll-like-Rezeptoren Posttranskriptionelle Kontrolle der Genexpression Alternatives Spleißen MicroRNAs und RNAi in Eukaryoten RNA-abhängige Regulation in Bakterien Regulierte RNA-Stabilität Gesteuerte mrna-lokalisation und Translation Translationskontrolle in Eukaryoten Systembiologie Systembiologie Genome und Genomics Transkriptom und Transkriptomics Proteom, Proteomics und Interactomics Metabolom und Fluxom Bioinformatische Modellbildung

8 XVIII 12 Methoden der Molekularbiologie Einleitung Entwicklung der Molekularbiologie Molekularbiologisches Arbeiten heute Sicherheit und gesetzliche Grundlagen In-vitro Methoden der Molekularbiologie Reinigung von Nucleinsäuren Gelelektrophorese Einsatz von Restriktionsendonucleasen Ligation Polymerasekettenreaktion Sequenzierungsmethoden und Genomsequenzierung Reverse Transkription Hybridisierung Mikroarray-Analysen Genom-, cdna- und Umwelt-DNA-Bibliotheken In-vitro-Transkription und In-vitro-Translation In-vitro-Evolution Chemische DNA-Synthese Molekulare Marker (für die Züchtung und in der Medizin) Genetisches Screening und Genetischer Fingerabdruck Analyse von Populationsstrukturen In-vivo-Methoden der Molekularbiologie Transformation Regeneration vielzelliger Organismen Heterologe Produktion von Proteinen Expressionsanalysen mittels GFP Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkung Deletion von Genen und konditionale Depletion von Proteinen In-silico-Methoden der Molekularbiologie Anhang Bildquellen Sachverzeichnis