Molekulare Diagnostik

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1 Molekulare Diagnostik Andreas Prokesch, Dipl.-Ing. Dr.techn. 1

2 Molekulare Diagnostik in der Medizin Palliative Behandlung Molekulare Diagnostik Präventivmedizin (=>Personalisierte Medizin) Kurative Therapie 2

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6 Inhalt Das zentrale Dogma der Molekularbiologie Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Real time PCR und digitale PCR Rekombinante DNA DNA-Fingerprint DNA-Chip Chip-Technologie Sequenziermethoden Single nucleotide polymorphism (SNP) Genotypisierung Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) Proteinbestimmung (Massenspektrometrie...) Western blot Immunohistochemie 6

7 Das zentrale Dogma der Molekularbiologie: DNA Transkription RNA Translation Protein 7

8 Begriffserklärungen GENOM: Ist die allgemeine Bezeichnung für die Gesamtheit aller Gene eines Organismus GEN: Ist ein Abschnitt aus dem Genom einer Zelle oder eines Virus, der für die Synthese einer Polypeptidkette, einer Transfer-RNA oder einer ribosomalen RNA verantwortlich ist (etwa humane Gene). Gen besteht aus codierenden Regionen (Exons) und nicht codierenden Regionen (Introns-nicht immer) Gemeinsame Transkription von Introns und Exons! Durch das Splicing: Entfernung der Introns, funktionelle mrna beinhaltet nur noch zusammenhängende Exons 8

9 The Human Genome Project A complete draft of the nucleotide sequence of one copy of a human genome Lander et al., Nature 409: Venter et al., Science 291: , x 10 9 nucleotides in the human genome Kevin Davies: Die Sequenz: Der Wettlauf um das menschliche Genom J. Craig Venter: Entschlüsselt: Mein Genom, mein Leben Average gene ~ 10 kb Number of genes now estimated at (~ 10% of the genome) Global colaboration: 2,500 scientists, 20 institutions But how to read these instructions...? 9

10 DNA: Desoxyribonukleinsäuren DNA beinhaltet die Erbinformation der meisten Organismen In Prokaryoten ist die DNA meist ein membrangebundener Faden, zusammengehalten durch RNA und Proteinmoleküle. In Eukaryoten sind DNA Moleküle immer mit Proteinen komplexiert (Chromatin) und befinden sich im Zellkern (Chromosom). Karyotyp: ist der vollständige Chromosmensatz in den Körperzellen eines Individuums! Jede Spezies hat eine charakteristische Form und Anzahl von Chromosomen (Mensch 44 XX, 44 XY). 10

11 Karyotyp, weiblich 11

12 Karyotyp, männlich 12

13 DNA: Desoxyribonukleinsäuren RNA: Ribonukleinsäuren DNA/RNA ist ein lineares, hochmolekulares Polymer aus Nukleotiden Nukleotid: besteht aus Base, DesoxyRibose und Phosphatgruppe DNA/RNA-Basen: Purinbasen: Adenin, Guanin, Pyrimidinbasen: Thymin (Uracil) und Cytosin DesoxyRibose: Zucker mit 5-C Atomen! Phosphatgruppe (Phosphoratom, umgeben von 4-O) 13

14 Bausteine der DNA Nukleosid: Base & Zucker Adenosin Guanosin Cytidin Thymidin Nukleotid: Base & Zucker & Phosphat Adenosinmonophosphat (AMP) Guanosinmonophosphat (GMP) Cytidinmonophosphat (CMP) Thymidinmonophosphat (TMP) DNA ist in wäßriger Lösung ph neutral wegen ihrer negativ geladenen Phosphatgruppen!!! 14

15 Basenpaarung: A:T und G:C Chargaff-Regel: A+G=T+C=1 Doppelstrang: ist die antiparallele Anordnung der Einzelstränge Doppelhelix: Sekundärstruktur der DNA!! 15

16 Mononukleotide bilden über Phosphodiesterbrücken Polynukleotide Basenfolge der Nukleinsäure nennt man Primärstruktur: immer 5 nach 3!!! 16

17 Chemische Eigenschaften der DNA Purin- und Pyrimidinbasen sind planare und relativ hydrophobe Strukturen. Basen liegen im Zentrum der Doppelhelix und stabilisieren diese. Peripherie der DNA besteht aus Zucker und Phosphatresten und ist somit hydrophil. DNA Basen absorbieren Licht im UV (Max. 260nm) Antiparallele Doppelhelixstränge können durch Erhitzen oder durch Behandlung mit NaOH getrennt werden (denaturieren oder schmelzen der DNA) Der Schmelzpunkt der DNA (ist jene Temp, bei der die Hälfte der DNA als Einzelstrang vorliegt) ist abhängig vom G+C Gehalt (sind stabiler als A+T) und von der Salzkonzentration der Lösung. 17

18 Superstruktur der DNA Primärstruktur: Basenfolge Sekundärstruktur: Helixausbildung Tertiärstruktur: Bindung der DNA an Proteine Tertiärstruktur: Nukleosomen DNA negativ in wäßriger Lösung (Phosphatgruppen) In Eukaryoten Ladungsausgleich durch Histone (kleine basische Proteine) Histone binden an DNA und bilden ein HISTON-Octamer!! Nukleosomen: sind Komplexe aus Histonen und DNA In Nukleosomen windet sich die DNA Helix um den Histonkomplex DNA ist nur während der Replikation und Transkription histonfrei! 18

19 Replikation der DNA Zellen replizieren ihre DNA bevor sie sich teilen Bei Eukaryonten in der S (Synthese)-Phase des Zellzyklus Replikation erfolgt semikonservativ, sprich Doppelhelix wird getrennt und zu jedem alten Strang wird ein neuer komplementärer Strang synthetisiert. 19

20 Transkription Ist der Vorgang der Überschreibung der genetischen Info von DNA auf RNA!! Grundliegend in Pro- und Eukaryoten gleich Transkription kann sowohl negativ (Repression) als auch positiv (Stimulation) reguliert werden: Transkriptionsfaktoren!!! Transkriptionsfaktoren regulieren den Zugang der Polymerasen an die Promotoren. TATA-Box am Promoter bestimmt den Transkriptionsstart bei Position +1 20

21 Some important gene-features, transcription Recognition site for transcriptional PIC Terminology: Nontemplate strand/upper strand/+ strand/coding strand/watson strand Template strand/lower strand/- strand/noncoding strand/crick strand 21

22 Transkription (RNA Synthese) The principle of the Transcription Bubble 22

23 RNA processing in eukaryotes Capping Poly-adenylation Splicing (leaving only exons) 23

24 Modifikation von RNA Splicing: DNA beinhaltet Introns, diese werden auch noch transkribiert (Primärtranskript: hnrna) aber noch im Kern aus der RNA entfernt. Manche Gene können unterschiedlich gesplict werden (alternative splicing). RNA-Editing: nur in Eukaryoten, verändert meist die mrna, damit sie danach translatiert werden kann (Insertion und Deletion von Basen, Austausch von Basen-kann zu Stopcodon führen, ApoB hat z.b. zwei verschiedene Proteingrößen. 24

25 Translation Molekulare Diagnostik The three roles of RNA in protein synthesis Three types of RNA molecules perform different but complementary roles in protein synthesis (translation) Messenger RNA (mrna) carries information copied from DNA in the form of a series of three base words termed codons Transfer RNA (trna) deciphers the code and delivers the specified amino acid Ribosomal RNA (rrna) associates with a set of proteins to form ribosomes, structures that function as protein-synthesizing machines 25

26 Translation 3 Basen kodieren eine Aminosäure 4 hoch 3 Möglichkeiten der Basenkombination: 64!! (gibt allerdings nur 20) Es gibt 20 Aminosäuren (sprich mehrere Codes für eine AS) Startkodon: AUG (immer Methionin als Start der Proteinsynthese) Terminationskodons: UAA, UAG, UGA 26

27 Translation Molekulare Diagnostik The triplet code ( = always made of a string of 3-base-sequences (=codons)) - And can be read in different frames: 27

28 Translation (Synthese von Proteinen) Translation involves: RNA (mrna, trna, rrna) Codons-anticodons Activated trnas (aa-trna) Initiation factors Ribosomes Termination factors 28

29 Proteins functions So Proteins have structure and function... Fine! -Why do we care to know more???? Understanding functional architechture gives us POWER to: Diagnose and find reasons for diseases Create modifying drugs Engineer our own designerproteins 29

30 Protein structure determines function DNA (mrna) Translation: Translation into 3D structure: Modifications: Chemical modification of aminoacids Interaction with other molecules Proteolytic cleavage (Location) 3D structure determines function: New 3D structure New function Proteins are single, unbranched chains of amino acid monomers There are 20 different amino acids The amino acid sidechains in a peptide can become modified, extending the functional repetoire of aminoacids to more than hundred different amino acids. A protein s amino acid sequence determines its three-dimensional structure (conformation) In turn, a protein s structure determines the function of that protein Conformation (=function) is dynamically regulated in several different ways 30

31 All amino acids have the same general structure but the side chain (R group) of each is different Cα R: Hydrophilic: Basic Acidic Non-charged Hydrophobic Special 31

32 Hydrophilic amino acids 32

33 Hydrophobic and special amino acids 33

34 Peptide bonds connect amino acids into linear chains Backbone Side-chains 34

35 Four levels of structure determine the shape of proteins Primary: the linear sequence of amino acids peptide bonds Secondary: the localized organization of parts of a polypeptide chain (e.g., the α helix or β sheet) backbone hydrogen bonds Tertiary: the overall, threedimensional arrangement of the polypeptide chain hydrophobic interactions, hydrogen bonds (non-covalent bonds in general) and sulfur-bridges Quaternary: the association of two or more polypeptides into a multisubunit complex 35

36 Aberrantly folded proteins are implicated in slowly developing diseases An amyloid plaque in Alzheimer s disease is a tangle of protein filaments 36

37 Quaternary structure of antibodies CDR: 37

38 Fab Fc 38

39 V(D)J-Rekombination Im humanen Genom: 65 V-, 27 D- und 6 J-Regionen Theoretisch 10^8 Kombinationsmöglichkeiten Zufällige Mutationen in diesen Genen erhöhen die Varianz ( 10 Mrd) 39

40 40

41 Herstellung monoklonare Antikörper 41

42 Diagnostische Anwendungen monoklonaler Antikörper Serologie: Schwangerschaftshormone (Gonadotropin) Eppstein-Barr virus Borreliose Diagnostic Imaging Erkennung von Tumor-Antigenen mit 131 I Markierung Weiters: ELISA Antikörper-Chip Immunohisotchemie 42