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1 Inhalte der Vorlesung Einführung in die Genetik Literaturempfehlungen Was ist Genetik? Anfänge der Genetik - Tier- und Pflanzenzucht im Altertum - Entdeckung von Zelle, Zellkern, Chromosomen, Mitose, Meiose, Nukleinsäuren Mendel und die Mendel schen Gesetze Klassische Genetik: Begriffe Gen, Phänotyp und Genotyp Was ist das Erbmaterial? - Pneumokokkentransformation Phageninfektion 1951 Die DNA-Doppelhelix - Material und Vererbungsprinzip 1953 Inhalte der Vorlesung Einführung in die Genetik Die Struktur des Erbmaterials: Doppelhelix, Nucleosomen, Chromosomen Vermehrung des Erbmaterials: Semikonservative Replikation, Mitose Von der Bauanleitung zur Maschine - Transkription und ihre Regulation, Splicing - Translation und der genetische Code - Posttranslationale Modifikation; Proteinfaltung Neukombination des Erbmaterials - Meiose - Rekombination - Bakterieller Genaustausch: F-Teilchen Inhalte der Vorlesung Einführung in die Genetik Webzugriff Einführung in die Genetik Bakteriengenetik Hefegenetik Drosophila-Genetik Humangenetik Gentechnik - Restriktionsenzyme, Gelelektrophorese - Transformation, Transfektion, Transduktion - PCR - Northern- und Southern-Blotting - DNA-Sequenzierung - Gen-Klonierung, Vektoren - Gen-Bibliotheken Empfohlene Literatur Graw: Genetik (Springer-Verlag) Kaudewitz: Genetik (Ulmer-Verlag) Knippers: Molekulare Genetik (Thieme Verlag) Lewin: Genes XI (Jones and Bartlett Publishers) Lodish, Baltimore...: Molecular Cell Biology (Freeman); Molekulare Zellbiologie (Spektrum Verlag) Watson, Baker...: Molecular Biology of the Gene (Cummings) Klug, Cummings, Spencer: Concepts of Genetics (Pearson) Was ist Genetik? Genetik ist die Wissenschaft der Vererbung. Ursprünglich untersuchten die Genetiker die Regeln der Vererbung, dann auch die dahinterliegenden Prinzipien. Die klassische Genetik untersucht die Grundelemente der Vererbung und ihre Verteilung bei der Zellteilung. Die molekulare Genetik untersucht die dahinterliegenden molekularen Vorgänge mit biochemischen Methoden. Für die Untersuchung evolutionärer Vorgänge ist die Populationsgenetik wichtig, die sich mit der Vererbung in Organismengruppen (Herden, Familien) beschäftigt.

2 Anfänge der Genetik Schon vor der modernen genetischen Forschung entwickelten die Menschen durch Beobachtung und Experimentieren ein Gefühl für Vererbungsvorgänge. Alle heutigen Zuchtpflanzen und Tiere sind schon vor Jahrtausenden aus weniger ertragbringenden Wildformen herausgezüchtet worden. Das gelingt nur, wenn das dickste Vieh und die größte Frucht nicht besonders schnell verspeist (oder als Dankopfer verbraucht) wurden, sondern (doch wohl bewußt) für die Weiterzucht eingesetzt wurden. Anfänge der Genetik Die Erfolge dieser klassischen Züchtungen beeindrucken. Beim Mais, der ohne den Menschen nicht mehr überlebensfähig ist, konnte die Wildform Teosinte, ein unscheinbares Gras, nur durch molekularbiologische Methoden identifiziert werden. Banane und Karotte sind weitere überzeugende Züchtungserfolge. Anfänge der Genetik Anfänge der Genetik Für die Genetik wichtige Komponenten wurden im 19. Jahrhundert und davor entdeckt, meist ohne das ihre Rolle für Vererbung klar wurde: Die Zelle als Grundbaustein lebender Wesen: Hooke 1665 Zellkerne bei Pflanzen (Brown 1831) und Tieren (Schwann 1839) Zellteilung als Grundprinzip des Lebens ( omnis cellula ex cellula ) Virchow um 1870 Anfänge der Genetik Zellkerne verschmelzen bei Befruchtung (1875/77 Hertwigs, Strasburger) Chromosomen um 1870 Chromosomenzahl bleibt bei der Mitose unverändert (Flemming 1882) Meiose als Teilung mit Chromosomenzahl-Halbierung (ca. 1885, Boveri u.a.) Nukleinsäuren im Zellkern (Miescher wegen der chemischen Einförmigkeit hat er sie als Erbmaterial ausdrücklich ausgeschlossen - es dauerte bis 1944, bis dieser Fehler korrigiert wurde!) Mendel Der Mönch Gregor Mendel veröffentlichte 1866 seine Versuche über Pflanzenhybride, in denen er seine meist an Erbsen (Pisum sativum) durchgeführten Kreuzungsexperimente berichtete und daraus grundlegende Vererbungsregeln ableitete. Er benutzte dabei zum ersten Mal für biologische Forschung Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung (Statistik). Er untersuchte eine Reihe gegeneinander abgrenzbarer Merkmale, die sich also nicht gegenseitig beeinflussen. Solche Abgrenzbarkeit von Merkmalen ist für genetische Forschung bis heute wichtig.

3 Mendels sieben Merkmale Mendels sieben Merkmale Mendels Experimente Mendel kombinierte zwei Pflanzen mit alternativen Merkmalen in reziproken Kreuzungen (beide Pflanzen wurden als weiblicher und männlicher Partner eingesetzt, das geht nur bei einhäusigen (monözischen) Pflanzen). Inzuchtstämme Solche einhäusigen Pflanzen ermöglichen auch Selbstbefruchtungen. Durch deren Wiederholung gelangt man zu reinen Linien, Pflanzen, bei denen alle Nachkommen genetisch identisch sind. Solche Inzuchtstämme sind für genetische Arbeiten eine große Hilfe. Auch bei Labormäusen gibt es solche Inzuchtlinien. Mendel setzte für seine Arbeiten reine Linien ein. Durch Inzucht steigt aber die Wahrscheinlichkeit, daß rezessive Erbdefekte zur Ausprägung kommen (fast alle Inzuchtstämme sind gegenüber Hybridstämmen unterentwickelt und anfälliger). Daher ist Inzucht beim Menschen in fast allen Kulturen tabuisiert. 1. Mendelsche Regel 1. Mendelsche Regel Als erstes Kreuzungsergebnis bei der Untersuchung nur eines Merkmalspaares (>monohybride Kreuzung) zeigte sich, daß von den alternativen Merkmalsformen bei den Nachkommen der 1. Generation (F 1 -Generation oder 1. Filialgeneration) immer nur eine zur Ausprägung kommt, so daß alle Mitglieder der F 1 -Generation die gleichen Merkmale ausprägen : Uniformitäts- oder Reziprokitätsregel. Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linien besitzen einen einheitlichen Phänotyp.

4 1. Mendelsche Regel Das ausgeprägte Merkmal (A) wurde von Mendel als die dominante, das nicht ausgeprägte (a) als die rezessive Form des Merkmals bezeichnet (recedere - zurücktreten). 1. Mendelsche Regel Mendel beobachtete dabei auch eine Besonderheit, die man heute als Heterosis oder Überdominanz bezeichnet: Die Stammlänge der Hybriden war länger als selbst die des langwüchsigen Elternteils. Hybride übertreffen häufig in Merkmalen ihre homozygoten (reinerbigen) Ausgangsformen. Beim Hybridmais beruht der erhöhte Ertrag auf Heterosis, das Saatgut muß aber immer neu gekauft werden, da die positive Eigenschaft bei Rückkreuzungen ausdünnt (siehe 2. Mendelsches Gesetz). Heterosis - Hybridmais Punnett-Viereck Zur Analyse von Kreuzungsexperimenten wird gern die Darstellung als Punnett-Viereck verwendet, weil darin alle entstehenden Typen und ihre Häufigkeit direkt abgelesen werden können. Eltern F1 bei weiterer Vermehrung geht der Effekt verloren 2. Mendelsche Regel Kreuzte Mendel die F 1 -Hybriden untereinander, traten in der F 2 -Generation (2. Filialgeneration) alle ursprünglichen Merkmale auf, die rezessiven aber nur bei 25% der Nachkommen. Durch weitere Kreuzung (durch Selbstbefruchtung) der F 3 -Generation erkannte Mendel, daß tatsächlich je 25% der F 2 -Nachkommen reinerbig für das dominante bzw. rezessive Merkmal sind, 50% mischerbig (und dadurch das dominante Merkmal ausprägen). Die Merkmale (Genotyp) verteilen sich also 1:2:1, die Ausprägung (Phänotyp) ist 3:1. 2. Mendelsche Regel Selbstbefruchtung:

5 2. Mendelsche Regel 2. Mendelsche Regel Haploide Gameten A a A AA Aa a Aa aa Spaltungsregel: Kreuzungen der heterozygoten Nachkommen (F 1 ) zweier reinrassiger Elternlinien untereinander führen zur Aufspaltung der Phänotypen nach bestimmten Zahlenverhältnissen. 3. Mendelsche Regel 3. Mendelsche Regel Unterscheiden sich die Ausgangslinien in mehr als einem Merkmalspaar, spricht man von polyhybriden (dihybrid, trihybrid...) Kreuzungen. Mendel führte auch solche Untersuchungen durch und fand das Prinzip der unabhängigen Segregation von Merkmalen: Allele (die alternativen Formen eines Gens) verteilen sich im Prinzip unabhängig voneinander und von den Allelen anderer Gene auf die Nachkommen. Dihybride Kreuzung (Blütenfarbe, Blütenform) bei der Trompetenblume Aa Nn 3. Mendelsche Regel Zu einer scheinbaren Ausnahme von den Mendelschen Regeln kommt es, wenn keine klare Dominanz vorliegt, sondern sich die Allel- Eigenschaften mischen (z.b. Blütenfarbe rosa bei weißen und roten Eltern). Man nennt das unvollständige Dominanz.

6 Es gilt aber weiterhin die 1. Mendel sche Regel, die Uniformitäts- oder Reziprokitätsregel, da alle Mitglieder der F 1 - Generation den gleichen Phänotyp zeigen. Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linien besitzen einen einheitlichen Phänotyp. Wichtige Begriffe der Genetik Die Grundeinheit der Vererbung ist das Gen. Jedes Gen codiert für eine Polypeptidkette (Ausnahmen: einige Gene codieren für funktionelle RNAs). Als Genom bezeichnet man die Gesamtheit der Erbsubstanz einer Zelle. Der Genotyp einer Zelle bezeichnet die Gesamtheit der Gene. Beim Begriff Genom geht es also eher um die DNA- Moleküle (Molekulare Genetik), bei Genotyp eher um die Geneigenschaften (Klassische Genetik). Das tatsächlicher Erscheinungsbild einer Zelle bzw. eines vielzelligen Organismus ist der Phänotyp. Eine wichtige Aufgabe des Genetikers ist es, aus dem beobachteten Phänotyp auf den Genotyp zu schließen. Wichtige Begriffe der Genetik Varianten eines Gens bezeichnet man als Allele. Zwei Zellen, die die gleichen Gene, aber unterschiedliche Allele in (mindestens) einem Gen haben, besitzen einen unterschiedlichen Genotyp. Diploide Zellen enthalten zwei Chromosomensätze (haploide Zellen nur einen) und damit zwei Kopien jedes Gens. Sind die beiden Kopien identisch, ist der Organismus homozygot (reinerbig) für dies Gen, besitzt er aber zwei unterschiedliche Allele des Gens, ist er heterozygot (mischerbig). Es kann mehrere unterschiedliche Allele eines Gens geben (Multiple Allelie). Das am häufigsten (in der Natur) vorkommende wird dann als Wildtypallel bezeichnet und meist mit + (z.b. g + /g oder auch +/g für eine Heterozygote in Gen g) gekennzeichnet, oder auch mit Großbuchstaben (A), Mutantenallele dann mit Kleinbuchstaben (a). Die Veränderung des Gens (Mutation) kann zum völligen Funktionsverlust führen (Nullallel, amorphes Allel), die Funktion schwächen (hypomorphes Allel) oder über das Wildtypniveau steigern (hypermorphes Allel), oder ganz neue Eigenschaften verursachen (neomorphes Allel). Beispiel: WT-Gen (codiert für Farbe-produzierendes Enzym) bewirkt rote Blütenfarbe, Nullallel bewirkt weiße Blüte, hypomorphes Allel rosa Blüte, hypermorphes tiefrote Blüte (viel Farbstoff), neomorphes blaue Blüte (anderes Farbmolekül durch veränderte Enzymaktivität, passiert extrem selten). Ein Allel, das im homozygoten Zustand zum Tod des Organismus führt, nennt man einen Letalfaktor. Bei essentiellen (lebenswichtigen) Genen ist das Nullallel ein Letalfaktor.

7 - Codominanz Blutgruppen Codominanz tritt auf, wenn sich verschiedene Allele eines Gens parallel ausprägen. Ein Beispiel ist das Blutgruppensystem AB0. Allel 0 (I 0 ) ist tatsächlich ein funktionsloses Null-Allel, Allel A (I A ) bewirkt die Anheftung von N- Acetylgalaktosamin an die Erythrocytenmembran, Allel B (I B ) die von Galaktose. Heterozygote I A I B tragen beide Zucker auf den Erythrozyten (Blutgruppe AB). Hier liegt also kein normales dominant-rezessiv Verhalten vor. Im Falle der Blutgruppengene läßt sich auch nicht eins der beiden I A und I B als das Wildtypgen zuordnen. Man spricht in so einem Fall von Polymorphismus. Chemisch ist der Unterschied zwischen den Blutgruppensubstanzen A und B gering. Dominanz, partielle Dominanz und Codominanz - Polygenie Werden Eigenschaften durch mehr als ein Gen geprägt (Polygenie, multifaktorielle Vererbung), ist der Erbgang schwieriger vorherzusehen. Polygenie ist sehr häufig und erschwert systematische Züchtungen nach klassischen Methoden. - Polygenie Die Körnerfarbe von Weizen wird von zwei Genen bestimmt, dadurch gibt es fünf Farbabstufungen. - Epistasie Weiter kompliziert werden genetische Analysen dadurch, daß die Wirkung eines Gens von der Wirkung anderer Gene abhängen kann. Wirken Genprodukte (Enzyme) im selben Stoffwechselweg nacheinander, so unterdrückt ein Ausfall vorn im Weg den Phänotyp eines Ausfalls weiter hinten. Diese Dominanz über ein nicht-alleles Gen wird als Epistasie bezeichnet, Gen vorn ist epistatisch über Gen hinten.

8 - Epistasie - Pleiotropie Umgekehrt kann ein Gen auch mehrere Eigenschaften beeinflussen. Man spricht dann von pleiotropen Effekten oder Pleiotropie. Eine in Afrika verbreitetes Allel für das Hämoglobingen (roter Blutfarbstoff) führt zu Blutarmut (Sichelzellanämie), daneben zu Herzfehlern, Milzschäden, Schäden im Gehirn und häufiger Lungenentzündung. Auf der anderen Seite sind die Betroffenen resistenter gegen Malaria. Sichelzellanämie Normale Erythrozyten und Sichelzellerythroyten - Penetranz Die Ausprägung von Geneigenschaften kann auch z.b. durch Umwelteinflüsse (Blattform und Wuchs beim Löwenzahn) beeinflußt werden. - Penetranz Beim Himalaja-Kaninchen kommt es nur in kühlen Körperregionen zur Schwärzung des Fells, weil nur dort das Enzym Tyrosinase arbeitet. Das Gen ist also im ganzen Körper vorhanden, der Effekt tritt aber nicht überall auf. Das wird als unvollständige Penetranz bezeichnet. - Genkopplung Entgegen dem 3. Mendelschen Gesetz werden unterschiedliche Gene oft nicht unabhängig voneinander vererbt. Das geschieht, wenn sie in geringem Abstand auf dem gleichen Chromosom liegen - sie sind dann gekoppelt und werden meist gemeinsam vererbt. Es kann aber auch dann durch crossing over oder Rekombination zur Trennung der beiden Gene kommen, indem zwischen den beiden Kopien des Chromosoms ein Austausch stattfindet.

9 Mendels Nachfolger Die Entdeckungen Mendels blieben zunächst praktisch unbeachtet. Um 1900 wurden sie von de Vries, Tschernak-Seysenegg und Correns wiederentdeckt. Auf ihrer Basis wurde von Wilson, Sutton und Boveri die Chromosomentheorie der Vererbung aufgestellt. Ohne daß die chemische Struktur der Chromosomen damals klar war, wurden sie als Träger der Erbinformation erkannt. Besonders wichtig war dabei die Parallelität der Vererbung der Geschlechtschromosomen (die nur bei einem Geschlecht auftreten) mit der Vererbung geschlechtsgebundener Merkmale. Mendels Nachfolger Lange Zeit waren die Proteine wegen ihrer offensichtlichen Komplexität Favoriten der Forscher als Träger der Erbinformationen. Griffith fand 1928, daß eine Mischung von nichtpathogenen, kapsel-losen Mutanten (R-Form) von Pneumococcus mit hitze-getöteten pathogenen Zellen (S- Form) infektiös ist und Mäuse an Lungenentzündung sterben läßt. Offenbar war die genetische Information für die Virulenz übertragen worden (Pneumokokken- Transformation*). Der Kapseltyp entsprach immer dem der eingesetzen S-Form, nicht der infektösen Vorläuferform der R-Mutante. Es handelte sich also nicht um eine Reversion der Mutation. Pneumococcen- Transformation Mendels Nachfolger Pneumococcen-Transformation: *Das klappte so einfach, weil Pneumococcus (heute Streptococcus pneumoniae) gram-positiv ist. Die Zellwand hält also hydrophobe Substanzen ab, nicht aber die hydrophile DNA. Beim gram-negativen E. coli ist eine aufwendige Vorbehandlung der Zelle notwendig, um sie kompetent für die Transformation zu machen. Mendels Nachfolger Pneumokokkentransformation Avery, McLeod und McCarthy gelang es 1944, aus der pathogenen S-Form Extrakte zu isolieren und damit die R- Form zur Pathogenität zu transformieren. Behandlung des isolierten Materials mit Proteasen und RNAsen verhinderten das nicht, wohl aber DNAse-Behandlung. Auch eine chemische Analyse des Extrakts zeigte, daß er überwiegend aus DNA bestand.

10 Pneumokokkentransformation Mendels Nachfolger Es blieben Zweifel, ob Spuren von Protein mitübertragen waren markierten Hershey und Chase die Proteinhülle vom Bakteriophagen T2 mit 35 S und die DNA mit 32 P radioaktiv. Beim Infizieren der Bakterienzelle blieb die Proteinhülle außen zurück, nur das 32 P, und damit die DNA, gelangte in die Zelle und bewirkte die Neuentwicklung von Phagen. Die neuen Phagen enthielten wiederum 32 P-DNA, aber kein 35 S vom Ursprungsphagen. Das Erbmaterial mußte die DNA sein. DNA, nicht Protein dringt in die infizierte Zelle ein Exkurs: Isotopen und Radioaktivität Der Einsatz von Isotopen ist ein wichtiges Hilfsmittel der biochemischen Forschung. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die positiv geladenen Protonen bestimmen den chemischen Charakter des Atome (welches Element es ist), die Neutronen verdünnen die Protonen. Alle Atome mit gleicher Protonenzahl stehen an der gleichen Stelle im Periodensystem, sind daher Isotope desselben Elements - unabhängig von ihrer Neutronenzahl. Exkurs: Isotopen und Radioaktivität Dabei gibt es für jede Protonenzahl einen optimalen Bereich für die Neutronenzahl. Bei dieser Mischung sind die Atome stabil*, bei Abweichungen werden sie radioaktiv: sie zerfallen spontan unter Aussendung von Strahlung. Das kann sehr schnell, aber auch erst nach langer Zeit geschehen. *von einigen Elementen, besonders denen mit sehr hoher Protonenzahl (alle ab 83 Bismut, 84 Polonium), gibt es keine stabilen Formen (43 Technetium, 61 Promethium; Uran, Plutonium...), die stabilsten Isotope haben in diesen Fällen eine längere Halbwertszeit (Lebensdauer) als Isotope mit sehr hoher oder sehr niedriger Neutronenzahl. Exkurs: Isotopen und Radioaktivität Da sich Isotope chemisch gleich verhalten, ersetzen radioaktive Isotope die natürlichen ohne Probleme auch in biochemischen Vorgängen, sie lassen sich dabei durch die abgegebene Strahlung leicht verfolgen. Auch nicht-radioaktive Isotope können nützlich sein. Die unterschiedliche Neutronenzahl verändert das Gewicht des Atoms und damit des Moleküls, zu dem es gehört. Das kann die Eigenschaften (Schwebedichte von DNA - Meselson und Stahl-Experiment) verändern. Isotope unterscheiden sich schließlich noch im Spin des Atomkerns, quasi dem Drehmoment. Das läßt sich bei der NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz) ausnutzen, bei der der natürliche Kohlenstoff ( 12 C) unsichtbar ist und daher nur das seltene 13 C gemessen wird.