Klassische Genetik Mendelsche Regeln

Transkript

1 Klassische Genetik Mendelsche Regeln

2

3 MITOSE Diploid 4C n=2 MEIOSE Diploid 4C n=2 Reifeteilung I 2C Reifeteilung II Synthese Diploid 4C n=2 2C n=1

4 Beim Menschen (n = 23) sind dies ca. 8,4 Millionen (2 23 ) mögliche Chromosomenkombinationen zur Bildung der haploiden Ei- bzw. Samenzellen Jede einzelne Keimzelle des Menschen enthält eine von rund 8,4 Millionen möglichen Chromosomenkombinationen; für eine diploide Zelle ergibt sich eine Zahl von 70 Billionen Kombinationsmöglichkeiten (2 23 x 2 23 = x ), nicht gerechnet die zusätzliche Variabilität durch Crossing-over. Jeder Mensch (Ausnahme: eineiige Zwillinge) ist also absolut einmalig

5 Wird durch die Konzentration und Verteilung des Pigments Melanin bestimmt; Melanozyten Melaninbildung wird auch durch UV beeinflusst Zumindest 3 Gene mit je 2 Allelen steuern sie Sind auf unterschiedlichen Chromosomen Intermediärer Erbgang Additive Polygenie

6

7 DNA Basenpaare mit Wasserstoffbrückenbindung Pyrimidin Purin

8

9

10

11

12 Transkription Ablesen der DNA Translation mrna Protein RNA

13 4 verschiedene Basen Für 20 Aminosäuren + Start + Ende müssen 3 Basen, Basentriplets kodieren (4 2 = 16, 4 3 = 64) Triplet = Codon (mrna) Codon teterminierende Teil auf DNA = Codogen komplimentärer Teil bei der t-rna = Anticodon

14 Gene sind Abschnitte des DNA Moleküls Basenabfolge jeden Gens ist einzigartig 3 Basen bilden ein Basentripplet und sind die Informationseinheit für eine Aminosäure Wird auf der DNA Codogen genannt

15

16 Genotyp: Gesamtheit der genetischen Ausstattung eines Organismus Phänotyp: Gesamtheit der sichtbaren Merkmale eines Organismus e- on n l

17 Transkription Translation DNA RNA Protein

18 RNA-Polymerase bindet an den Promotor (in der Nähe vor dem transkribierenden Gen) Partielle Endwindung der DNA RNA Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Stranges, 1 als Template, Anlagerung und Verbindung der RNA-Nuckeotide Terminationsstelle: RNA-Polymerase und RNA wird frei

19

20

21

22 Sowohl Exons (codieren), als auch Introns (codieren keine Proteine) werden transskribiert Die Introns werden bereits im Kern herausgeschnitten Modifiziertes GTP am Ende wird angefügt (Cap) Adenin-Nucleotide am anderen Ende (Poly(A)-Schwanz)

23

24 mrna + Ribosomen trna + Aminosäure Information der mrna wird in Proteine umgesetzt Basentripletts; Codon, Anticodon

25 Iniation Aktivierung der Aminosäuren (ATP, AS durch Aminoacyl-tRNA-Synthetase an trna) Ribosomen Elongation Aktivierte AS zu Ribosomen Termination Ribosomen zerfallen in ihre Untereinheiten

26

27

28

29 Translation

30 Translation

31

32 Substratinduktion, Endproduktrepression Operon: Promotor, Operator, Strukturgen Wird vom Regulatorgen gesteuert

33 Regulierung der Genexpression

34 Regulatorgen Operatorgen Strukturgen Hierarchie Strukturgen + Operatorgen = Operon

35

36

37 Substratinduktion abbauend Endproduktrepression aufbauend

38

39 Das Genom wird nicht verändert NICHTERBLICHE phänotypische Merkmalvarianten Können durch Umweltfaktoren entstehen Klone eignen sich gut zu deren Untersuchung Fließende Modifikation (z. B. Größe) Umschlagende M. (Blütenfarbe, chinesische Primel) Phänotypische Geschlechtsbestimmung (Aligatoren)

40 Leseraster M. Insertion Stumme M. Missense M. (Austausch von AS) Duplikation Deletion Nonsens M. (Kettenabbruch)

41

42 Anzahl der gesamten Chromosomen werden vermehrt: Polyploidie Einzelne Chromosomen sind betroffen: Trisomie

43 Freie Trisomie Zusätzliches Chromosom Nur bei einigen möglich (21 = Down-Syndrom, 18, 13; sonst letal) Geschlechtschromosomen Ullrich-Turner-Syndrom (45,X): unterentwickelte weibliche Geschlechtsmerkmale, eine kleine Statur, einen tiefen Haaransatz, eine ungewöhnliche Augen- und Knochenentwicklung, eine Trichterbrust und sind meist unfruchtbar Triplo-X-Syndrom (47,XXX). Das Triplo-X-Syndrom ist die klinisch unauffälligste Chromosomenaberration Klinefelter-Syndrom (fast immer 47,XXY; selten 48,XXXY oder 49,XXXXY). Männer mit diesem Syndrom sind oft unfruchtbar, groß, haben ungewöhnlich lange Arme und Beine, eine Tendenz zur Ausbildung von Brüsten (Pseudo-Gynäkomastie) und eine reduzierte Körperbehaarung. Der Intelligenzquotient liegt durchschnittlich um 10 niedriger als bei Geschwistern

44

45 Einige Phänomene lasen sich mit klassischer und molekularer Genetik nicht erklären: Bei der Zelldifferenzierung Tochterzellen mit anderer Funktion, obwohl das Erbgut in allen Zellen gleich ist Es gibt Eigenschaften, die nur vom Vater oder der Mutter her vererbt werden und die nicht mit der Basensequenz in Zusammenhang stehen. Störungen dieses Zustandes führen zu schweren Krankheiten Bei der Rückumwandlung differenzierter Zellen in undifferenzierte Zellen (z. B. bei der Klonierung von Individuen: Dolly), müssen epigenetische Fixierungen aufgehoben werden, damit eine Zelle nicht auf eine einzige Funktion festgelegt bleibt, sondern wieder alle bzw. viele Funktionen erwerben und vererben kann

46 Unterschiede zwischen eineiigen Zwillingen Asthma: Kombination aus genetischer Vorbelastung und Umwelteinflüssen; nur 20 % von eineiigen Zwillingen leiden beide an Asthma Brustkrebs: 2 Gene identifiziert. Aber: Risikofaktoren etc. kommen dazu Eineiige Zwillinge haben unterschiedliche Fingerabdrücke. Werden im 4. Embryonalmonat ausgebildet. Ernährung? Umwelteinflüsse, aber auch psychische Einflüsse bestimmen, ob gewisse Gen ein- oder ausgeschaltet werden

47 Methylierung von C Basen Methylierung und Acetylierung von Histonen

48

49 Gentechnologie; direkte Veränderungen Kallus- oder Protoplastenkulturen von Pflanzen Einschleusen der DNA Regeneration von Pflanzen oder Blütensprossen

50 DNA schneiden Vermehrung der DNA: Klonieren: Plasmide in Bakterien Einbau in Plasmide (Vektoren) oder Bakteriophagen: Transformation DNA Klonierung: Vermehrung der Bakterien + Vektoren Screening: Bakterien ohne Vektoren erkennen (Antibioticum/Galaktidodase) PCR

51 Zerschneiden DNA an definierten Stellen Sticky ends: überhängende Einzelstränge zum Kleben an DNA

52 Herstellung rekombinanter DNA. Ein Restriktionsenzym heftet sich an die Erkennungs-stellen der DNA, die durch eine bestimmte Nucleotidsequenz gekennzeichnet sind (im Beispiel GAATTC oder CTTAAG). Das Enzym zerschneidet die DNA zwischen zwei Nucleotiden der Erkennungsstelle. Wird das Enzym zum Zerschneiden der DNA zweier unterschiedlicher Organismen benutzt, so haben die resultierenden DNA-Fragmente komplementäre klebrige Enden. Durch Hinzufügen von DNA-Ligase verbinden sich die DNA-Fragmente an ihren klebrigen Enden dauerhaft. Wenn Fragmente aus unterschiedlichen Quellen auf Diese Weise kombiniert werden, entsteht als Ergebnis rekombinante DNA.

53 Zur Sequenzbestimmung: viel DNA nötig DNA-Abschnitt wird ausgeschnitten (Restriktions-Endonucleasen) Auf Plasmid übertragen (E. coli), z.b. R-Plasmid Bakterien + Antibiotikum Wird durch Bakterien repliziert, die Plasmid haben Plasmide werden isoliert, klonierte DNA herausgeschnitten

54

55 Gleichzeitig mit dem interessierenden Gen werden noch weitere Gene in das Plasmid eingebracht: ein Resistenzgen gegen ein Antibiotikum und ein Erkennungsgen (Enzym, das in der Natur nicht vorkommt) Plasmide werden mit dem gleichen Enzym wie Ursprungs DNA geschnitten Bakterien nehmen unter geeigneten Bedingungen die Plasmide auf

56 Durch die beiden mit eingebrachten Gene kann man erkennen, welche Bakterien Plasmide aufgenommen haben Durch das mit eingebrachten Gen mit der Antibiotikaresistenz vermehren sich nur solche, die Plasmide aufgenommen haben Die Bakterien wachsen und bilden Kolonien Die Kolonien mit rekombinanten Plasmiden erkennt man z. B. anhand der Färbung (Enzym)

57 MULLIS und FALOONA 1983 Mithilfe der PCR kann ein beliebiger DNA Abschnitt ohne Beteiligung von lebenden Zellen in vitro vervielfältigt werden Starke Vervielfältigung eines DNA-Abschnittes Primer: kurzer DNA Abschnitt, komplementär zum Gewünschten Aufschmelzen durch Hitze Hitzebeständige DNA-Polymerase

58

59 Plasmid Bibliothek Es kann auch in Bakteriophagen Fremd-DNA eingeschleust werden: Phagenbibliothek Oder künstliche Bakterien chromosomen Oder reverse Transkriptase: proteinerzeugende Abschnitte aus m-rna: cdna (komplementäre DNA, ohne Introns)

60

61 Als genetischer Fingerabdruck wird ein DNA- Profil eines Individuums bezeichnet, das für dieses in hohem Maße charakteristisch ist. Die DNA wird aus Zellen gewonnen, die aus Gewebeteilen, zum Beispiel Sperma, Hautzellen oder Speichel stammen. Das Verfahren wird in der Molekularbiologie auch als Genetic Fingerprinting oder DNA Fingerprinting bezeichnet. Alec Jeffreys war 1984 durch Zufall auf das Verfahren gestoßen. In Deutschland wurde es erstmals 1988, als Beweis in einem Strafprozess, vor Gericht anerkannt

62 PCR nur nicht-codierende Bereiche der DNA untersucht hochrepetitive und mittelrepetitive DNA unterteilt Variabel ist dabei die Anzahl der Wiederholungen Diese Anzahl wird bei dem genetischen Fingerabdruck untersucht. Je nach Anzahl der Wiederholungen hat der vervielfältigte Abschnitt also eine bestimmte Länge, die sich etwa über eine Gel-Elektrophorese im Agarosegel als einzelne Bande darstellen lässt. Ist ein Mensch an einem Genort heterozygot (besitzt also beispielsweise ein Allel mit zehn Wiederholungen und eines mit 15), so entstehen zwei Banden unterschiedlicher Länge. Es handelt sich hierbei also nicht um eine Sequenzierung, sondern um eine reine Fragmentlängen-Analyse Bei den oben genannten 8 bis 15 untersuchten VNTR-Systemen (variable number tandem repeats) liegt diese Zahl häufig in einem Bereich von mehreren Milliarden. Die gewonnenen Informationen werden in ein mathematisches Modell umgewandelt, das sich digital verarbeiten und somit automatisiert vergleichen lässt.

63

64

65 Ti-Plasmide Genkanonen Mikroinjektion Liposomen Elektroporation

66

67 Zwei alternative Methoden zur Übertragung eines fremden Gens in eine Pflanzenzelle. (a) Mit einer Genkanone werden DNA-beschichtete Partikel auf Pflanzenzellen geschossen. (b) Mit einer feinen Nadel werden Gene direkt in das Cytoplasma eines Protoplasten injiziert, der mithilfe einer Mikropipette stabilisiert wird. Bei beiden Methoden gelangen einige der ins Cytoplasma eindringenden Gene in den Zellkern und können in die Chromosomen eingebaut werden.

68 Gewebekultur. Vollständige Pflanzen oder Pflanzenorgane wie Sprosse oder Wurzeln können auf einem künstlichen Medium, das Nährstoffe und Hormone enthält, aus isolierten Zellen oder Geweben gezogen werden.

69 Jahr 2000: Gesamtsequenz des Genoms 125 Mb DNA, kodieren für Proteine; ca. 100 Mb proteincodierend; daher pro Protein durchschnittlich 4 kb 250 Mbit = ca. 31,3 MB Information bzw. 25 MB für Proteine; ca. 1 kb für 1 Protein

70

71

72

73

74 Da die Funktion der meisten Gene in Pflanzen ist unbekannt um sie zu erkennen, die Steuerung des Gens modifizieren: Vergleich Wildtyp, Überexpressoren und Knock out -Population Verschiedene Techniken, wie etwa RNAi. produzieren doppelsträngige RNA, gibt der Pflanze den Befehl, normale Ribonukleinsäure des zu untersuchenden Gens abzubauen. Deskriptive Techniken: Gene werden kloniert, dann bestimmt man die Häufigkeiten von Transkripten oder mittels so genannter DNA-Chips gleich die meisten Gene einer Pflanze in ihrer Ablesehäufigkeit. Der Agrobakterium-vermittelte Gentransfer ist ebenfalls eine wichtige Technik. Bei dieser gentechnischen Methode werden einzelne Erbfaktoren von Zellen eines Organismus in Zellen eines anderen Lebewesens übertragen Die somatische Hybridisierung wiederum erlaubt es, gewünschte Merkmale verschiedener Elternpflanzen zu kombinieren. Im Vergleich zum Agrobakterium-vermittelten Gentransfer müssen hierbei keine spezifischen Gene identifiziert und isoliert werden. Außerdem wird damit die Einschränkung der Transformation (Gentransfer) überwunden, nur wenige Gene in einen vorgegebenes Erbgut einführen zu können. Auch kann bei der Zellfusion die Chromosomenzahl der Zellen multipliziert werden, also die Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) erhöht werden. Dies kann die Ertragsfähigkeit von Pflanzen steigern (Heterosiseffekt). Molekulare Marker oder biochemische Analysen werden genutzt, um aus der somatischen Hybridisierung hervorgegangene Pflanzen zu charakterisieren und zu selektieren.

75 ist ein Komplex aus RNA und Proteinen Bei der RNA handelt es sich um eine small interfering RNA (sirna) Funktion von RISC: Produktion spezifischer Proteine ausschalten (Gen-Knockout) oder zu verringern (Gen-Knockdown)

76 Die Vorteile gentechnischer Verfahren müssen kritisch gegen ihre möglichen Risiken aufgewogen werden, z.b. die Folgen unbeabsichtigter Einschleusung von Krebsgenen in Bakterien oder Viren Internationale Richtlinien sowie nationale Bundes- und Landesgesetze, zur Sicherstellung, dass der Umgang mit gentechnischen Verfahren streng kontrolliert erfolgt, um jede Gefährdung nach Möglichkeit auszuschließen Das öffentliche Interesse hat sich zur Zeit auf die Anwendung rekombinanter Organismen (transgene oder gentechnisch veränderte Organismen (GVO), gentechnisch modifizierte Organismen (GM)) in Lebensmitteln verlagert In Europa bestehen erhebliche Bedenken (und Vorschriften) gegen Lebensmittel aus gentechnisch veränderten Nutzpflanzen und gegen den Anbau transgener Nutzpflanzen in unmittelbarer Nachbarschaft zu nicht gentechnisch veränderten Wildformen

77 Wie Biotechnologie fortschreitet, so entwickelt sich ihr Einsatz in der Landwirtschaft, der Industrie und der Medizin Nationale Behörden und internationale Organisationen arbeiten zusammen, um die Entwicklung von Verfahren und Möglichkeiten der Biotechnologie unter Kontrolle zu halten, ohne den Fortschritt im Interesse der Erdbevölkerung zu sehr zu hemmen