1.. Lebensformeru lenen mit und ohne Kern DNA: Trager der genetischen Information Protelne; Ein Oberblick in Stkhwortern...

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1 1.. Lebensformeru lenen mit und ohne Kern... 3 Eukaryoten 4 Prokaryoten 6 Literatur DNA: Trager der genetischen Information... 9 Bausteine: Nucleotide Doppelhelix DNA-Helices: Plexibilitat Denaturierung und Renaturierung Natiirliche DNA-Moleldile DNA-Ringe: Helix und Superhelix Einige wichtige Methoden Elektrophorese Enzyme als Hilfsmittel: Deoxyribonucleasen Endonucleasen, Exonucleasen Restriktionsnucleasen Zentrifugation Differentielle Sedimentation Zonensedimentation S-Wert und Bestimmung der relativen Molmasse 30 Isopyknische oder Gleichgewichtszentrifugation 31 Elektronenmikroskopie Literatur Protelne; Ein Oberblick in Stkhwortern Primarstruktur: Sequenz der Aminosauren Aminosauren Peptid-Bindung Wechselwirkungen zwischen Aminosaure-Seitenketten.., 40 Sekundarstrukturen: a-helix und p-blatt a-helix 41 ~-Blatt 42 Tertiarstrukturen: Von der Arninosaure-Sequenz zum gefalteten Protein Protein-Domanen Untereinheiten Faltungen Literatur... 48

2 X Inhaltsverzeichnis 49 Transkription oder die Synthese von RNA RNA-Polymerase.. 51 Gen-Anfang: Del' Promotor Ereignisse am Promotor v-- 54 Elongation del' RNA-Kette Termination Stabile und nichtstabile RNA Transfer-RNAund die Aktivierung von Aminosauren Struktur del' trna 59 Beladung del' trna 62 Translation: Ribosomen und Proteinsynthese Ribosomen: Eine kurze Beschreibung Proteinsynthese: Genauigkeit des Starts Initiation del' Translation Elongation: Die programmierte Verknupfung von Aminosauren 72 Termination 75 Geschwindigkeit und Genauigkeit Besonderheiten bei Bakterien Der genetische Code Ruckblicke 78 Code-Worter 79 "Wobble" bei del' Erkennung von Codon und Anticodon Del' genetische Code in del' Zelle Sonderfalle: Die 21. und die 22. Arninosaure Verwendung von Code-Wortern Literatur Escherichia coli und der Bakterlophaqe Lambda: Gene und Gen-Expression Vermehrung von Bakterien Die DNA als Nucleoid 89 Die DNA als Genom 91 Die biologische Gen-Karte und das F-Plasmid F'-Plasmide Konjugation und Gen-Kartierung Grundlagen bakterieller Gen-Regulation Regulons: Gen-Gruppen unter gemeinsamer Kontrolle Beispiel: Hitzeschock-Gene 101 Alternative Sigma-Faktoren 104 Stringente Kontrolle Negative und positive Gen-Regulation: das lac-operon als Bezugssystem Die Gen-Produkte Mutanten mit veranderter Gen-Regulation Das Modell Del' Lac-Repressor Positive Regulation: das CAP-Protein 119 Zwischenstiick Bakteriophagen M MS Ausblick

3 Inhaltsverzeichnis Der Bakteriophage Lambdaund seine Gene Das Genom Proteinkodierende Gene Kontrollelernente Integration und Exzision Fruhe Transkription Entscheidung zwischen Lyse und Lysogenie Der Lambda-Repressor 131 Transkription des int-gens Induktion und lytischer Infektionsweg Wege der Lambda-Replikation 135 Entstehung der Phagenpartikel 136 Am Ende des lytischen Infektionsweges Literatur DNA im Zellkern: Chromatin und Chrornosomen Zelllcern Kern-Hulle Kern-Innenraum Chromatin 145 Histone 146 Nucleosomen Chromatin-Fasern Einige allgemeine Nicht-Histon-Chrornatin-Proteine: HMG-Proteine '" 152 Mitose und die Bildung von Chromosomen Von der Prophase zur Metaphase Metaphase Von der Anaphase zur Telophase Heterochromatin Chromosomen Chromosomen des Menschen Chrornosomensatze Polytarre Chromosomen Literatur meil II ~ligeltlt1eime gemetiseffie Bl70zesse 7. DNA-Replikation: Weitell"gabe der genetischen Information '" 173 Ein Idassisches Experiment DNA-Polymerasen Polymerisation von Deoxynucleotiden 175 DNA-Polymerasen von Escherichia coli 177 DNA-Polymerase I DNA-Polymerase II 179 DNA-Polymerase III Primase Eukaryotische DNA-Polymerasen DNA-Ligasen

4 XII Inhaltsverzeichnis DNA-Entwindung 186 DNA-Helikasen 186 DNA-Topoisomerasen Typ-I-DNA-Topoisomerasen 189 Typ-II-DNA-Topoisomerasen 190 Ereignisse an der Replikationsgabel 192 Gabeln in der Eukaryoten-DNA Einleitung der Replikation von Bakteriengenomen Regulationen Ablauf der eukaryotischen Genom-Replikation Zellzyklus Regulation des Zellzyklus durch Protein-Kinasen Replikation eukaryotischer Genome Ereignisse am Origin Initiationen 206 Probleme am Ende 206 Telomere und Telomerasen Literatur Rekombinationen und Transposltlonen Molekulare Biologie der allgemeinen (homologen) Rekombination Voraussetzungen Enzyme der Rekombination Strangaustausch und das RecA-Protein Einzelstrang-Bereiche und das RecBCD-Enzym Branch Migration und das RuvAB-Protein Auflosung der Holliday-Struktur und das RuvC-Protein Genkonversion: Ereignisse im Heteroduplex-Bereich Homologe Rekombination in der Meiose Uberblick Meiotische Prophase Trennungen 225 Transpositionen 226 Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien Insertionssequenzen (IS-Elemente) Transposons Transponierbare Bakteriophagen Ablauf der Transposition Konsequenzen der Transposition: Veranderungen im Genom Bewegliche genetische Elemente in Pflanzen Eine weitverbreitete Familie transponierbarer genetischer Elemente: Tc1jmariner P-Elemente im Drosophila-Genom Retrotranspositionen Retroviren: ein Dberbltck Struktur und Vermehrungsweg 237 Transduktion clurch Retroviren 239 Retrotransposons Ortsspezifische Transpositionen Literatur

5 Inhaltsverzeichnis Mutationen - DNA-Schaden DNA-Reparatur Arten der Mutation: Ein Ilberbliclc Nucleotid-Austausch Insertionen - Deletionen ("Indels U ) Untersuchung von Mutationen bei Bakterien 251 Untersuchung von Mutationen bei Eukaryoten 253 Entstehung von Mutationen bei der Replikation 256 Falscheinbauten Mismatch-Reparatur Entstehung von Insertionen und Deletionen (Indels) AP-Stellen. Schaden von DNA-Basen und BER AP-Stellen Hot Spots spontaner Mutationen 265 AIl<yIierte DNA-Basen und Reparatur 267 Direkte Reparatur: AGT oder 06-Alkylguanin-Transferase Oxidative Schaden und BER UV-Schadeo, unformige Anheftungen und NER Polycyclische Kohlenwasserstoffe DNA-Schaden durch ultraviolettes Licht Photo-Reaktivierung Nucleotid-Exzisions-Reparatur (NER) bei Bakterien 276 Rekombinative Reparatur, ebenfalls bei Bakterien 277 Nucleotid-Exzision bei Eukaryoten Oberschreitungen ohne Fehler und mit Fehlern Ionisierende Strahlen und die Reparatur von DNA-Strang-Bruchen 281 Zusammenfassung 283 Reaktionen del' Zelle: SOS-Antwort und schadensinduzierte Checkpoint-Kontrolle Die SOS-Antwort von Bakterien Reaktionen in Eukaryoten Literatur [eil III Giene una Gienorne 10. Klonieren und Sequenzieren Genombibliotheken 298 Zerlegen del' DNA 298 Plasmide als Vektoren 299 Lambda-DNA als Vektor 303 Cosmide als Vektoren Kunstliche Phagen-, Bakterien- und Hefe-"Chromosomen u (PAC. BAC und YAC) Bibliotheken von cdna-sequenzen Benutzung von Bibliotheken Sequenzieren Sequenziermaschinen polymerase-kettenreal<tion (per) Literatur

6 XIV Inhaltsverzeichnis Introns - '1il"Il"'mmlil'!l"ull" eukarvotlscner Gene Entdeckung Aufbau von Globin-Genen Fragen Exons/Introns im Uberblick Pseudogene Literatur R.NA-Polymerasen die Voraussetzungen die Transkription von Eukaryotengenen Eukaryotische RNA-Polymerasen im Uberblick ~A-Polymerasell und die Promotoren proteinkodierender Gene Zur Struktur von Pol II Promotoren Allgemeine Transkriptionsfaktoren ~A-Polymerase I und die Bildung von r~a rrna-gene Promotor und Faktoren 355 Fertigstellen der rrna 357 Nucleolus Die RNA-Polymerase III und ihre Aufgaben Faktoren La-Protein am Ende Ruckblick: die Rolle von TBP Ausblicke 366 Literatur Transkrfptlon von Eukaryoten-Genen, Signaltransduktion und R.egulation genetischer Aktivitat CRE, CREB und CBP: der camp-signaltransduktionsweg camp und Protein-Kinase A 370 CRE, camp-response-element Aufbau von CREB CBP: ein Coaktivator Die.basische a-helix" in anderen Zusamrnenhangen Nuclear Factor kappa B: Signalwege und DNA-Bindungen Wnt-Signale Zwischenstilck: Protein-Abbau und Gen-Regulation Nukleare Rezeptoren Die DNA-Bindedomane: ein besonderes Zink-Finger-Motiv Gruppen von nuklearen Rezeptoren Coaktivatoren und Corepressoren Gen-Regulation und Chromatin-Struktur DNase-I-sensitives Chromatin und DNase-I-hypersensitive Stellen Der Code der Histone Histon-Acetyl-Transferasen und Histon-Deacetylasen Histon-Methyltransferasen

7 Inhaltsverzeichnis Modifikationen und Chromatinstruktur - Eine Nachfrage Literatur SpleiBen, Prozessleren und Editionen Grundlagen: Spleifssequenzen Grundlagen: Zwei-Schritt-Prozess 407 Komponenten des SpleiBapparates 408 snrnps 408 Aufbau des Spleilsosoms SelbstspleiBen Wie gelangen Spleifsosornen an die richtigen Stellen? Alternatives Spleilsen Erstes Beispiel: Exons konnen ubersprungen werden Zweites Beispiel: Spleifsen entfernt entweder das eine oder das andere Exon Drittes Beispiel: Zelltypspezifisches Spleifsen Faktoren fur alternatives Spleilsen. Geschlechtsbestimmung bei Drosophila Koordinationen: Transkription und das Prozessieren von pra-mrna Noch eine Variation zum Thema: Trans-SpleiJSen Spleilsen - ohne SpleiJSosom RNA-Editionen: eine besondere Zubereitung von mrnas C-nach-U-Edition von mrna 426 A-nach-I-Edition von mrna. 426 Literatur Messenger-RNA lm Cytoplasma Export der mrna Stabilitat der mrna Regulationen der mrna-stabilitat und der mrna-nutzung Stabilitatswechsel im Zellzyklus RNA-Interferenz Einleitung der Translation: Ein Uberblick Regulationen 446 Sequenzen 446 Regulation an cler Kappe Regulationen uber clas Protein eif Initiationen ohne Kappe Peptid-Synthese und dariiber hinaus Literatur Gene in Mitochondrien und Chloroplasten DNAin Mitochondrien mtdna des Menschen Expression mitochondrialer Gene Replikation Cytoplasmatische Vererbung Sequenzunterschiede

8 XVI Inhaltsverzeichnis Formen mitochondrialer DNA Der genetische Code in Mitochondrien RNA-Editionen Cytosin-nach-Uracil-Austausch in mitochondrialer DNA Einfiigen von Nucleotiden: RNA-Edition in Mitochondrien von Trypanosomen Ruckblicke DNA in Chloroplasten Allgemeine Strukturmerkmale 472 Gene: Anordnung und Funktion 473 Expression von ct-genen Literatur Cenomik Ein kurzer Uberblick Genome und Gene Molekulare oder so genannte physikalische Genkarten Shotgun-Sequenzen Das Human-Genom als Beispiel Gene auf Chromosomen 485 In-situ-Hybridisierung 487 Bestrahlungs-Hybridzellen Ordnung klonierter DNA Selten schneidende Restriktionsnucleasen Ordnung von Inserts Fertige Cen-Karten: Sequenzen Syntanie und Genfolgen Rekombinations- oder so genannte biologische Gen-Karten Biologische Gen-Karten bei Menschen Restriktionsfragment-Langen-Polymorphismus (RFLP) Mikrosatelliten-Polymorphisrnus Mikrosatelliten in Genen: Triplett-Wiederholungen Einzel-Nucleotid-Polymorphismus Funktionelle Genomik 514 Modellorganismen 514 Knockout-Technologie RNA-Interferenz Transkriptom SACE oder die.serielle Analyse der Cen-Expression" Chip-Technologie Proteomik 526 Literatur IEpigenetik. Inaktivierung von X..Chromosomen und genomische Pragung Modifilcationen DNA-Methylierung Welche Enzyme beteiligen sich an der DNA-Methylierung? Wie beeinflusst DNA-Methylierung die Cen-Expression?

9 Inhaltsverzelchnis Wie werden die.richtigen'' DNA-Sequenzen methyliert? Stabile Chrornatin-Strukturen Besonderheiten des X- und Y-Chromosoms Sequenzblocke im Y-Chromosom Geschlechtsbestimmung Y-Chromosom und Populationsgenetik 541 Die Inaktivierung des X-Chromosoms 542 Turner-Syndrom, wiederbesucht 544 Genomische Pragung Genomische Pragung in der medizinischen Genetik Literatur Sachverzelchnls