Wolfgang Hennig Genetik Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage

Transkript

1 Wolfgang Hennig Genetik Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 462 vorwiegend farbigen Abbildungen, 72 Tabellen und 34 Technik-Boxen Springer 515

2 Inhalt Was ist Genetik? 1 1 Variabilität als biologisches Gnmdphänomen Umweltbedingte Variabilität Genetisch bedingte Variabilität Zusammenspiel von Umwelt und Genotyp Methodik der Untersuchung von Umwelteinflüssen Phänokopien 18 2 Vererbung als biologisches Grundphänomen Die Mendelschen Regeln: Grundregeln der Vererbung Statistische Methoden Mathematische Grundlagen Die x 2 -Methode Mendel aus heutiger Sicht Ergänzungen zu den Mendelschen Regeln Unvollständige Dominanz Codominante Expression von Allelen Multiple Allelie Der Ausprägungsgrad von Merkmalen Polygenie Pleiotropie Epistasie 55 I I TECHNIK-BOX 1 Verwendung von Balancer-Chromosomen 60 3 Die Chromosomentheorie der Vererbung Ein Rückblick Die eukaryotische Zelle Die Struktur der Zelle 66

3 XVIII Inhalt Keimbahnzellen und somatische Zellen 69 Der Zellzyklus 69 Mitotische Zellen 69 Mitose 76 Meiotische Zellen 79 Meiose I 86 Meiose II 88 Molekulare Mechanismen der Chromosomen- und Chromatidenpaarung 93 Kontrollierter Zelltod: Apoptose 94 Lebenszyklen von Eukaryoten 95 Das eukaryotische Chromosom 102 Chromosomen als Trägerläer Erbanlagen 102 Morphologie der Chromosomen, 111 Die Variabilität der Chromosomen.... / 119 Extrachromosomale Vererbung 144 TECHNIK-BOX 2 Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen TECHNIK-BOX 3 Chromosomenbanding und Chromosomenpainting Grundlagen menschlicher Vererbung Methoden der Humangenetik Zwillingsforschung Stammbaumforschung Erbkrankheiten Geschlechtsgekoppelte Gene _ Autosomale Gene Unvollständige dominante Expression von Allelen Allele mit unterschiedlicher Ausprägung Genetische, meist nichterbliche Krankheiten Down-Syndrom Geschlechtschromosomenaberrationen Mitotische Chromosomenanomalien Genetische Familienberatung Steuerung von Genfunktionen auf chromosomalem Niveau Dosiskompensation Drosophila Säuger Genetische Mosaike Mitotische Instabilität Mitotische Rekombination 203

4 Inhalt XIX Molekulare Grundlagen der Vererbung 209 DNA als Träger der Erbinformation 210 Chemische Zusammensetzung 210 Konfiguration der DNA 213 Funktion der DNA 218 Die Verdoppelung des Erbmaterials (Replikation) 219 Physikochemischer Nachweis der semikonservativen Replikation 220 Cytologischer Nachweis der semikonservativen Replikation Mechanismus der Replikation 224 Rekombination 234 Genkonv^rsion 243 TECHNIK-BOX 4 DNA-Sequenzierung 246 TECHNIK-BOX 5 Ultrazentrifugation 248 TECHNIK-BOX 6 Miller-Spreitungen 250 Verwertung genetischer Information in der Zelle 253 DNA, genetische Information und Informationsübertragung Der genetische Code 259 Die Entschlüsselung des Codes 259 Beweis der Colinearität 260 Allgemeingültigkeit des Codes 261 RNA-Editing 262 Transkription 263 Mechanismus der Transkription 263 Regulation der Transkription 265 Translation 269 Initiation 272 Elongation 274 Termination 274 I TECHNIK-BOX 7 Gelelektrophorese 277 I TECHNIK-BOX 8 Pulsed-Field-Gel-Elektrophorese 279 I TECHNIK-BOX 9 Markierung von DNA: Nick Translation, Random Priming

5 XX Inhalt 8 Molekulare Struktur des eukaryotischen Genoms Eigenschaften eukaryotischer DNA Repetitive DNA Heterochromatin und repetitive DNA TECHNIK-BOX 10 Restriktionsanalyse 295 I TECHNIK-BOX 11 Renaturierungskinetik-Experimente Molekulare Struktur euk'aryotischer Chromosomen Organisation der DNA im Chromosom Nukleoproteinfibrillen Chromosomale Proteine Nukleosomen Supercoiling der DNA Organisation der Nukleoproteinfibrillen Riesenchromosomenbanden und Chromomeren Chromosomale Domänen Chromatidenmodelle Das Centromer Funktion Chromosomale Struktur des Centromers DNA-Struktur des Centromerenbereiches DasTelomer " Funktion Molekulare Struktur Telomerenproteine Das Chromosom als funktionelle Einheit des Eukaryotenkerns I TECHNIK-BOX 12 In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren Molekulare Struktur prokaryotischer Chromosomen Bakterien Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide F-Plasmid Andere Plasmide Bakteriophagen Vermehrungszyklus Bakteriophage X (Lambda) Bakteriophage Pl Bakteriophage T4 349

6 Inhalt XXI 10.4 Transformation Das Genom von Piastiden und Mitochondrien Interaktionen zwischen Zellkern und Cytoplasmaorganellen I I TECHNIK-BOX 13 Klonierung von DNA 363 I 1 TECHNIK-BOX 14 DNA-Klonierung in Plasmiden Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer G e n e Kontrollnaechanismen Genstruktur und Genregulation Das lac-operon / Das Operonmodell Weitere Regulationsmechanismen Quantitative Kontrolle von Biosynthesewegen Das trp-operon Attenuation Regulation im Lambda-Genom Genomstruktur Lytischer Zyklus Lysogener Zyklus DNA-Protein-Interaktionen Überlappende Gene 385 I I TECHNIK-BOX 15 Restriktion von DNA und Southern Blotting Molekulare Struktur eukaryotischer Gene RNA-kodierende Gene: Ribosomale DNA Transkription der ribosomalen DNA Processing primärer Transkripte Sekundärstruktur der rrna Autokatalytisches Splicing von RNA-Molekülen Die ribosomalen Transkriptionseinheiten Der Nukleolus Das Ribosom Nukleoläre Dominanz Multiplizität ribosomaler RNA-Gene Unterreplikation und Amplifikation RNA-kodierende Gene: Die 5S-rRNA-Genfamilie Gewebespezifität Regulation der Transkription Regulationseffekt von Histon Hl Feedbackregulation durch RNA-Konzentration 421

7 XXII Inhalt Der Regulationsmechanismus der 5S-rRNA-Transkription RNA-kodierende Gene: Die Transfer-RNA-Genfamilien Posttranskriptionelle Modifikationen Beladung der trna mit Aminosäuren Proteinkodierende Gene: Die Globingenfamilie Allgemeines Lokalisation im Genom Evolution der Genfamilie Transkription Splicingmechanismen Funktion von Introns Allgemeine Struktureigenschaften eukaryotischer Gene Multigenfamilien * Histongene Tubulingene, Einzelkopiegene Das Fibroingen Seide Fibroinsynthese Struktur des Fibroins: ß-Faltblattstruktur Selektiver Codongebrauch (Codon usage) Die Genstruktur cytoplasmatischer Organellen Regulation der Cytochrom-b-Synthese Der Genbegriff 457 I 1 TECHNIK-BOX 16 Northern Blotting 459 I 1 TECHNIK-BOX 17 Proteomics Veränderungen von Genen: Mutationen Replikationsfehler Spontane Basenveränderungen Rekombinationsfehler Strahleninduzierte Mutationen Ultraviolette Strahlung Energiereiche kurzwellige Strahlung Transposons Chromosomenmutationen Numerische Chromosomenaberrationen Strukturelle Chromosomenaberrationen Genmutationen Mutationen in den Globingenen Nukleotidveränderungen Folgen von Basenveränderungen Stille Mutationen Konditionale Mutationen 519

8 13.8 Erkennung von Mutationen Mutagenizitätstests Häufigkeit von Mutationen 527 TECHNIK-BOX 18 Site-spedfic-Recombination 529 TECHNIK-BOX 19 Transformation von Säugerzellen und Knock-out"-Mäuse TECHNIK-BOX 20 In-vitro-RNA-Synthese 533 TECHNIK-BOX 21 Primer Extention 534 Inhalt XXIII 14 Instabilität des Genoms: Jransposons und Retroviren Allgemeine Eigenschaften von Transposons Transpositionsmechanismen Funktion von Transposons Prokaryotische Transposons Eukaryotische Transposons Fold-back-Elemente Weitere Transposons mit terminalen invertierten Repeats Retrotransposons Retroposons Processierte Pseudogene Transposons als Mutagene Funktionelle Bedeutung von Transposons Retroviren Genomveränderungen und Krebs Krebsentstehung durch Mutagene Genetische Grundlagen der Tumorbildung 568 I I TECHNIK-BOX 22 P-Element-Mutagenese 572 I I TECHNIK-BOX 23 Enhancer-trap-Experimente Die Koordination der Genfunktion: Genetische Kontrolle zellulärer Differenzierung Totipotenz von Zellkernen Determination und Differenzierung von Zellen Imprinting Molekularer Mechanismus des Imprintings Methylierung als epigenetische Markierung Wann erfolgt Imprinting? 588

9 XXIV Inhalt 15.3 Determination und Transdetermination Determination und Differenzierung Transdetermination Kompartimente und Zelldifferenzierung DNA-Amplifikation Extrachromosomale und intrachromosomale Amplifikation Amplifikation von DNA: Ein allgemeiner zellulärer Mechanismus Die Häufigkeit von Amplifikationsprozessen Molekulare Mechanismen der Amplifikation Homogenisierung multipler Genkopien durch Amplifikation? Amplifikation und Zelldifferenzierung Intrachromosomale Amplifikation und Chromosomenstruktur Chromatinelimination und -diminution Chromatindiminution bei Nematoden... y ' Chromatindiminution bei anderen Organismengruppen Der Charakter eliminierter DNA-Sequenzen DNA-Elimination und Zelldifferenzierung Das Immunsystem Funktion des Immunsystems der Säuger Entwicklung und Struktur der Immunoglobulingene Molekularer Aufbau der L-Ketten Molekularer Aufbau der H-Ketten Antikörperklassenwechsel ( dass switching") Transkription der Immunoglobulingene Die Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst Allgemeine Gesichtspunkte des Säugerimmunsystems Differenzierungsmechanismen in Ciliaten Kerndualismus: Mikro- und Makronuklei in einer Zelle Entwicklung des Makronukleus Gengroße DNA-Fragmente im Makronukleus Veränderungen der rdna-struktur im Makronukleus Regulation des Generationszyklus von Hefezellen Spontane Veränderungen des Paarungstyps haploider Zellen Funktion des MAT-Locus DNA-Veränderungen im MAT-Locus Die Oberflächenantigene von Trypanosoma 634 I I TFCHNIK-ROX 24 Immunologische Nachweismethoden 636 CZZH TECHNIK-BOX 25 Elektronenmikroskopische Immunologie 638 I I TECHNIK-BOX 26 Screening von Expressionsbibliotheken 639

10 Inhalt XXV 16 Die Differenzierung von Organismen Geschlechtsbestimmungsmechanismen Drosophila Geschlechtsbestimmung bei Säugern Keimbahn, Frühentwicklung und Musterbildung Drosophila Pflanzen Vergleich der männlichen und der weiblichen Keimzellenentwicklung Genetische Methoden der Analyse von Diffejehzierungsprozessen Analyse von Mutanten im Zebrafisch 692 I I TFCHNIK-ROX 27 Chromosomenwalking. 698 I 1 TECHNIK-BOX 28 Mikrokloning 699 I 1 TECHNIK-BOX 29 Polymerasekettenreaktion Populationsgenetik Die Hardy-Weinberg-Regel Genetische Zufallsveränderungen (Random Drift) Natürliche Selektion Fitness Genetische Bürde Migration Isolation und Foundereffekte Zur Populationsgenetik des Menschen Die Ebene des Individuums Die Ebene der Gesellschaft Die Ebene der Evolution des Menschen Genetik des Verhaltens Das menschliche Genom Das Human Genome Projekt Analyse menschlicher Gene Genkartierung Gene mit Trinukleotidrepeats 749

11 XXVI Inhalt 19.3 Gene und Krebserkrankungen TECHNIK-BOX 30 SSCP-Analyse (Single Strand Conformation Polymorphism-Analyse) 754 I 1 TECHNIK-BOX 31 Two-Hybrid-Systeme 755 I 1 TECHNIK-BOX 32 GAL4/UAS-System Genetik und Gentechnologfe., Künftige Forschungsschwerpunkte der Gepetik Gentechnologie i Methodik der Gentechnologie Anwendungen der Gentechnologie Soziale und ethische Probleme der Anwendung von Gentechnologie in der Medizin 783 I 1 TECHNIK-BOX 33 Green Fluorescent Protein 785 I I TECHNIK-BOX 34 Mikroarra\s und DNA-Chips 786 Literaturverzeichnis 789 Glossar 805 Häufig gebrauchte Abkürzungen 815 Quellenverzeichnis der Abbildungen und Tabellen 817 Sachverzeichnis 823

12 Übersicht über die Technik-Boxen TECHNIK-BOX 1 Verwendung von Balancer-Chromosomen 60 TECHNIK-BOX 2 Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen TECHNIK-BOX 3 Chromosomenbanding und Chromosomenpainting 150 TECHNIK-BOX 4 DNA-Sequenzierung 246 TECHNIK-BOX 5 Ultrazentrifugation 248 TECHNIK-BOX 6 Miller-Spreitungen 250 TECHNIK-BOX 7 Gelelektrophorese 277 TECHNIK-BOX 8 Pulsed-Field-Gel-Elektrophorese 279 TECHNIK-BOX 9 Markierung von DNA: Nick Translation, Random Priming TECHNIK-BOX 10 Restriktionsanalyse 295 TECHNIK-BOX 11 Renaturierungskinetik-Experimente 297 TECHNIK-BOX 12 In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren 328 TECHNIK-BOX 13 Klonierung von DNA 363 TECHNIK-BOX 14 DNA-Klonierung in Plasmiden 365 TECHNIK-BOX 15 Restriktion von DNA und Southern Blotting 388 I TECHNIK-BOX 16 Northern Blotting 459 I TECHNIK-BOX 17 Proteomics 460 I TECHNIK-BOX 18 Site-specific Recombination 529 I TECHNIK-BOX 19 Transformation von Säugerzellen und Knock-out"-Mäuse I TECHNIK-BOX 20 In-vitro-RNA-Synthese 533

13 ÖCVIII Übersicht über die Technik-Boxen TECHNIK-BOX 21 Primer Extention 534 TECHNIK-BOX 22 P-Element-Mutagenese 572 TECHNIK-BOX 23 Enhancer-trap-Experimente 574 TECHNIK-BOX 24 Immunologische Nachweismethoden 636 TECHNIK-BOX 25 Elektronenmikroskopische Immunologie 638 TECHNIK-BOX 26 Screening von Expressionsbibüotheken 639 TECHNIK-BOX 27» ' Chromosomenwalking 698 TECHNIK-BOX 28 Mikrokloning 699 TECHNIK-BOX 29 Polymerasekettenreaktion 701 TECHNIK-BOX 30 SSCP-Analyse (Single Strand Conformation Polymorphism Analyse) 754 TECHNIK-BOX 31 Two-Hybrid-Systeme 755 TECHNIK-BOX 32 GAL4/UAS-System 757 TECHNIK-BOX 33 Green Fluorescent Protein 785 TECHNIK-BOX 34 Mikroarrays und DNA-Chips 786