Inhaltsverzeichnis trna-genfamilien digitalisiert durch: 94 IDS Basel Bern. Graw, Jochen Genetik 2015

Transkript

1 1 Was ist Genetik? Gegenstand der Genetik Kurzer Abriss der Geschichte der Genetik Das Genom Der Genbegriff Nomenklatur-Regeln in der Genetik Konstanz und Variabilität Umweltbedingte Variabilität Genetisch bedingte Variabilität Theoriebildung in der Biologie Genetik und Gesellschaft 14 Literatur 18 Technikbox 1: Isolierung genomischer DNA 19 Technikbox 2: Gelelektrophorese 20 2 Molekulare Grundlagen der Vererbung Funktion und Struktur der DNA DNA alsträger der Erbinformation Chemische Zusammensetzung Konfiguration der DNA Physikalische Eigenschaften der Nukleinsäuren Die Verdoppelung der DNA (Replikation) Semikonservative Replikation Mechanismen der Replikation bei Prokaryoten Mechanismen der Replikation bei Eukaryoten 39 Literatur 46 Technikbox 3: Renaturierungskinetik 48 Technikbox 4: Polymerasekettenreaktion (PCR) 49 Technikbox 5: Markierung von DNA 50 Technikbox 6: Klassische DNA-Sequenzierung 51 Technikbox 7: Sequenzierung der nächsten Generation (next generation sequencing) 53 Graw, Jochen Genetik Verwertung genetischer Informationen DNA, genetische Information und Informationsübertragung Der genetische Code Die Entschlüsselung des Codes Beweis der Colinearität Allgemeingültigkeit des Codes Transkription Allgemeiner Mechanismus der Transkription Transkription bei Prokaryoten Transkription Protein-codierender Gene bei Eukaryoten Reifung eukaryotischer mrna Spleißen eukaryotischer prä-mrna Editieren eukaryotischer mrna Translation Initiation Elongation Termination und Abbau der mrna RNA-codierende Gene ,8S-, 18S- und 28S-rRNA-Gene digitalisiert durch: 94 IDS Basel Bern 3.3 trna-genfamilien 96

2 Katalytische RNA 100 Literatur 103 Technikbox 8: Isolierung von mrna, cdna-synthese und RACE 105 Technikbox 9: /n-wtro-rna-synthese 107 Technikbox 10: RNA-Sequenzierung der nächsten Generation 108 Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene 109 Bakterien als genetisches Modellsystem 111 Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide 118 F-Plasmid 118 Andere Plasmide 122 Bakteriophagen 123 Vermehrungszyklus 124 Bakteriophage A 125 Andere Bakteriophagen 128 Transformation und Rekombination 131 Transformation 131 Rekombination 133 Genstruktur und Genregulation 138 Das tac-operon 139 Das Operonmodell 141 Das frp-operon 142 RNA-codierende Gene 147 Kommunikation in Bakterien: Quorum sensing 149 Regulation im Genom des Phagen A 151 Regulation des lytischen Zyklus 152 Regulation des lysogenen Zyklus 153 DNA-Protein-Interaktionen 153 Literatur 155 Technikbox 11: Klonierung von DNA 157 Technikbox 12: Two-Hybrid-Systeme 159 Technikbox 13: Restriktionsanalyse von DNA und Southern-Blotting 161 Technikbox 14: Northern-Blotting 163 Die eukaryotische Zelle und Modellorganismen 165 Die eukaryotische Zelle 166 Die Entdeckung der Zelle 166 Die Struktur der Zelle 167 Chloroplasten 168 Mitochondrien 171 Der Zellkern und seine dynamische Architektur 174 Der Zellzyklus 180 Kontrolle des Zellzyklus 181 Verschiedene Wege zum programmierten Zelltod 185 Genetik des Alterns 188 Wichtige eukaryotische Modellorganismen in der Genetik 190 Hefen 190 Der Schimmelpilz Neurospora crassa 192 Pflanzen 194 Der Fadenwurm 197 Die Taufliege 199 Der Zebrafisch 290 Die Hausmaus 294 Die Ratte 299 Literatur 219 Technikbox 15: Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen 212

3 XXIII 6 Eukaryotische Chromosomen Das eukaryotische Chromosom Chromosomen als Träger der Erbanlagen Morphologie der Chromosomen Centromer Telomer Organisation der DNA im Chromosom Chromosomale Proteine Nukleosomen und Chromatinstruktur Mitose, Meiose und chromosomale Rearrangements Mitose Meiose Rekombination bei Eukaryoten Genkonversion Variabilität der Chromosomen Polytäne Chromosomen (Riesenchromosomen) Lampenbürstenchromosomen Überzählige und keimbahnlimitierte Chromosomen Geschlechtschromosomen 253 Literatur 257 Technikbox 16: Chromosomenbänderung und chromosomepainting 259 Technikbox 17: Homologe Rekombination Molekulare Struktur und Regulation eukaryotischer Gene Protein-codierende Gene (I): Einzelkopiegene Fibroin Proopiomelanocortin - ein polycistronisches Gen Titin-ein Riesengen Protein-codierende Gene (II): Multigenfamilien Globin-Genfamilie Histon-Gene Tubulin-Gene Kristallin-Gene Regulation eukaryotischer Genexpression Promotor Transkriptionsfaktoren Enhancer Locus-Kontrollregionen 286 Literatur 288 Technikbox 18: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (I): Gel-Retentions-Assay 289 Technikbox 19: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen (II): ChlP-chip und ChlP-Seq Epigenetik Chromatin und epigenetische Regulation Euchromatin und Heterochromatin Methylierung der DNA Modifikation der Histone Regulatorische RNAs Mechanismen der RNA-Interferenz Kleine interferierende RNA (sirna) Mikro-RNA (mirna) Piwi-interagierende RNA (pirna) Viroide: kleine infektiöse RNA-Moleküle Lange, nicht-codierende RNA Das Geheimnis der Paramutationen Dosiskompensation der Geschlechtschromosomen Dosiskompensation bei Drosophila 316

4 XXIV Inhaltsverzeichnis Dosiskompensation bei Säugern Epigenetik und genetische Prägung Was ist genetische Prägung? Mechanismen der genetischen Prägung Genetische Prägung und Umweltfaktoren 331 Literatur 333 Technikbox 20: RNAi: spezifische Inaktivierung von Transkripten 336 Technikbox 21: Genomweite Analyse von DNA-Methylierungsmustem Instabilität, Flexibilität und Variabilität des Genoms Transposons ProkaryotischeTransposons EukaryotischeTransposons (mit terminalen invertierten Wiederholungseinheiten) Retroviren Genomstruktur von Retroviren Humanes Immundefizienz-Virus (HIV) Retroelemente Mobile Elemente in Introns der Gruppe II Umlagerung von DNA-Fragmenten Kerndualismus: Mikro-und Makronuklei in einer Zelle Chromatinelimination und -diminution DNA-Amplifikation Wechsel des Paarungstyps bei Hefen Oberflächenantigene von Trypanosoma Immunsystem Funktion des Immunsystems der Säuger Immunglobulin-Gene Klassenwechsel, Hypermutation und Genkonversion bei Immunglobulin-Genen 390 Literatur 394 Technikbox 22: Verwendung von Balancer-Chromosomen (Drosophila) 396 Technikbox 23: P-Element-Mutagenese (Drosophila) 397 Technikbox 24: Enhancer-Trap-Experimente Veränderungen im Genom: Mutationen Klassifikation von Mutationen Chromosomenmutationen Numerische Chromosomenaberrationen Polyploidie in der Pflanzenevolution und Pflanzenzucht Strukturelle Chromosomenaberrationen Spontane Punktmutationen Fehler bei Replikation und Rekombination Spontane Basenveränderungen Dynamische Mutationen Induzierte Mutationen Mutationen durch ultraviolette Strahlung Mutagenität ionisierender Strahlung Chemische Mutagenese Mutagenität und Mutationsraten Mutagenitätstests Mutationsraten und Evolution Reparaturmechanismen Reparatur UV-induzierter DNA-Schäden durch Photolyasen Exzisionsreparaturen Fehlpaarungsreparatur Homologe Rekombinationsreparatur Nicht-homologe Verbindung von DNA-Enden SOS-Rekombinationsreparatur oder postreplikative Reparatur 445

5 XXV 10.7 Ortsspezifische Mutationen Gentechnische Modifikationen von Pflanzen Gentechnische Modifikationen von Tieren 449 Literatur 454 Technikbox 25: SSCP-Analyse (Single Strand conformation po/ymorphism-analyse) 456 Technikbox 26: Transgene Mäuse 457 Technikbox 27: Geninaktivierung bei Mäusen Formalgenetik Grundregeln der Vererbung: die Mendel'schen Regeln Statistische Methoden Mathematische Grundlagen Die x 2 -Methode Mendel aus heutiger Sicht-Ergänzungen seiner Regeln Unvollständige Dominanz und Codominanz Multiple Allelie Der Ausprägungsgrad von Merkmalen PolygeneVererbung-Genetikquantitativer Merkmale Pleiotropie Kopplung, Rekombination und Kartierung von Genen Geschlechtsgebundene Vererbung Kopplung von Merkmalen auf autosomalen Chromosomen Klassische Dreipunkt-Kreuzung Moderne genomweite Kartierung mit Mikrosatelliten- und SNP-Markern Kartierung von quantitativen Merkmalen und Modifikator-Genen Populationsgenetik Hardy-Weinberg-Regel Genetische Zufallsveränderungen {random drift) Natürliche Selektion Migration und Isolation Evolutionsgenetik Der letzte gemeinsame Vorfahre Genetische Aspekte der Artbildung 514 Literatur 520 Technikbox 28: Kartierung genetischer Merkmale 522 Technikbox 29: Immunologische Nachweismethoden Entwicklungsgenetik Einführung Entwicklungsgenetik der Pflanze Musterbildung in der frühen Embryogenese Wurzel-, Spross-und Blattentwicklung Blütenentwicklung Entwicklungsgenetik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans Embryonalentwicklung von C. elegans Organentwicklung bei C. elegans Entwicklungsgenetik von Drosophila melanogaster Keimbahnentwicklung bei Drosophila Der frühe Embryo Ausbildung der anterior-posterioren Körperachse Ausbildung der dorso-ventralen Körperachse Segmentierung bei Drosophila Imaginalscheiben, Metamorphose und Organentwicklung bei Drosophila Entwicklungsgenetik bei Fischen Allgemeine Embryonalentwicklung des Zebrafisches Frühe Embryonalentwicklung des Zebrafisches Organentwicklung bei Zebrafischen: Herz und Auge 569

6 XXVI Inhaltsverzeichnis 12.6 Entwicklungsgenetik bei Säugern Embryonalentwicklung von Säugern Entwicklung von Zwillingen beim Menschen Teratogene Effekte Organentwicklung bei Säugern Keimzellentwicklung und Geschlechtsdeterminierung bei Säugern Stammzellen Totipotenz von Zellkernen Embryonale Stammzellen Somatische Stammzellen 589 Literatur 590 Technikbox 30: /n-s/fu-hybridisierung von Nukleinsäuren 593 Technikbox 31: Morpholinos Genetik menschlicher Erkrankungen Methoden der Humangenetik Molekulare Diagnostik, Familienberatung und Reihenuntersuchungen Zwillingsforschung und Geschwisterpaar-Analyse Stammbaumforschung und Kartierung von Erbkrankheiten Genetische Epidemiologie Chromosomenanomalien Numerische Chromosomenanomalien Strukturelle Chromosomenanomalien Monogene Erbkrankheiten Autosomal-rezessive Erkrankungen Autosomal-dominante Erkrankungen X-chromosomale Krankheiten Y-chromosomale Gene Mitochondriale Erkrankungen Komplexe Erkrankungen Gene und Krebs Asthma Diabetes Genbasierte Therapieverfahren Gentechnische Aspekte bei der Herstellung von Medikamenten Pharmakogenetik, Pharmakogenomik und personalisierte Medizin Somatische Gentherapie Genetik und Reproduktionsmedizin 658 Literatur 660 Technikbox 32: Differenzielle Genexpression 663 Technikbox 33: Gezieltes Editieren von Genomen Verhaltens-und Neurogenetik Visuelles System und endogene Rhythmik Genetik des visuellen Systems Zugverhalten bei Vögeln Zirkadiane Rhythmik Schlafstörungen des Menschen Lernen und Gedächtnis Lernverhalten von Drosophila Lernverhalten bei Mäusen Kognitive Störungen bei Menschen Angst, Sucht und psychiatrische Erkrankungen Angst und Depression Suchtkrankheiten Schizophrenie Neurologische Erkrankungen 710

7 XXVII 11 Rett-Syndrom Migräne und Epilepsie Autismus Neurodegenerative Erkrankungen Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung Alzheimer'sche Erkrankung Parkinson'sche Erkrankung 725 Literatur 730 Technikbox 34: /n-v/vo-reportergen: das grün-fluoreszierende Protein (GFP) 733 Technikbox 35: Mikroarrays und DNA-Chips Genetik und Anthropologie Genetische Aspekte zur Evolution des Menschen Menschen und Affen OutofAfrica Neandertaler: ausgerottet oder assimiliert? Die Unterschiedlichkeit moderner Menschen Die bunte Menschheit Der Mensch und sein Gehirn Evolution des menschlichen Gehirns Genetische Aspekte zur Evolution der Sprache Genetische Aspekte zu aggressivem Verhalten des Menschen Genetische Aspekte der Geruchswahrnehmung Genetische Aspekte des ßewusstseins am Beispiel der Sehbahn Quo vadis, Homo sapiens? 787 Literatur 789 Serviceteil 791 Antworten zu den Übungsfragen 792 Glossar 799 Personenverzeichnis 808 Sachverzeichnis 810