Grundlagen Genetik. Dipl.- Psych. Silja Bellingrath

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1 Grundlagen Genetik Dipl.- Psych. Silja Bellingrath

2 Infos zur Klausur Dauer: 11/2 Stunden (maximal) Keine Noten, nur bestanden versus nicht bestanden Inhalt: Grundlage sind die Folien zum Seminar; geprüft werden alle Themen, außer Immunologie Raum: HS 5 Mittwoch :15-17:45 Format: entspricht der Vordiplomsklausur 1. Teil: Multiple Choice (25 Fragen) 2. Teil: offene Fragen (3 Fragen; 6 stehen zur Auswahl) Scheine können ca. 4 Wochen nach der Klausur im Biopsychologie-Institut (Johanniterufer 15) abgeholt werden! Di-Nachmittags (14-18Uhr) oder Mi-Vormittag (9:30-12:30) bei Bellingrath oder Pütz!

3 Gliederung Teaching resources for genetics - interessante Webseiten Wiederholung Begriffe der Genetik Human Genome Project Genetische Variabilität o Anzahl und Art von genetischer Variabilität o Konsequenzen von genetischer Variabilität o - Exkurs:Regulation der Genexpression - Methoden der Verhaltensgenetik

4 Teaching resources for genetics Links: DNA Interactive Genetic Interest Group Informationen zum Human Genome Project The Human Genome (Wellcome Trust) Weitere Links finden Sie hier

5 Begriffe der Genetik Chromosomen Frauen haben 23 Chromosomen, von denen jedes zweimal vorkommt. diploider Chromosomensatz = 46 Chromosomen in jeder Körperzelle Eines dieser homologen Chromosomen stammt von mütterlicher, eines von väterlicher Seite.

6 Begriffe der Genetik Chromosomen Bei den Männern ist eines der Chromosomenpaare ist nicht gleich (XY) Geschlechtschromosomen: Gonosomen Alle anderen Chromosomen: Autosomen In Gameten (Keimzellen: Ovum, Spermium) kommt nur ein einfacher, haploider Chromosomensatz vor Der Geschlechtsvorgang besteht aus einer Verschmelzung von zwei Gameten und wird Gametogamie genannt. Das Verschmelzungsprodukt nennt man Zygote.

7 Begriffe der Genetik Chromosomen bestehen aus verschiedenen Proteinen und aus einer sehr langen Sequenz von Desoxyribonukleinsäure (DNS) englisch: DNA DNA DNA besteht aus Nukleotiden 3 Bestandteile der Nukleotide: Zuckermoleküle (Desoxyribose), Phosphatgruppen und stickstoffhaltige Basen 4 Nukleinbasen der DNA: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) DNA-Moleküle liegen in Doppelsträngen vor, die Basen jedes Nukleotids sind über Wasserstoffbrücken nach einer festen Regel miteinander verbunden Basenpaarung: A-T und G-C bilden jeweils komplementäre Basenpaare

8 Begriffe der Genetik Ferner ist die DNA verdrillt: Doppelhelix 10 Basenpaare pro Wendelgang Das Strukturmodell der DNA stammt von Watson und Crick (1953) Nobelpreis für Physiologie und Medizin 1962

9 Begriffe der Genetik Gene: Gene befinden sich auf Chromosomen. Sie haben dort einen festen Platz: Genlocus heterozygot: ein Mensch hat auf beiden homologen Chromosomen am betreffenden Genlocus zwei unterschiedliche Allele eines Gens homozygot: zwei gleiche Allele des betreffenden Gens Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA-Doppelhelix, der ein spezifisches Polypeptid codiert und somit die funktionellen Proteine einer Zelle herstellt. Proteine übernehmen im Körper eine ganz spezifische Funktion, die auch als Merkmal bezeichnet werden kann. Gene werden auch als Erbanlage bezeichnet, da die in ihnen enthaltene Erbinformation durch Reproduktion an die Nachkommen weitergegeben werden.

10 Wie kommt nun die Information der DNA aus der Zelle und wird in Proteine umgesetzt? Proteinbiosynthese: Begriffe der Genetik 1. Schritt Transkription: ein Gen auf der DNA wird abgelesen und in ein mrna-molekül transkribiert. 2. Schritt Translation: die Übersetzung der Basensequenz der mrna in die Aminosäuresequenz des Proteins, an den Ribosomen

11 Begriffe der Genetik Einschub: RNA Vom Aufbau her ist die RNA (Ribonukleinsäure) der DNA ähnlich. RNA-Moleküle sind im Gegensatz zur doppelsträngigen DNA in der Regel einzelsträngig. unterschiedliche Funktionen von RNA-Molekülen: Übertragen genetischer Information Übersetzung dieser Information in Proteine Regulation der Genexpression katalytische Funktionen ähnlich einem Enzym Uracil ist eine der 4 Nukleinbasen der RNA. In der Basenpaarung tritt sie an die Stelle des Thymin.

12 Begriffe der Genetik Transkription:

13 Transkription: Begriffe der Genetik 1. Das Enzym RNA-Polymerase setzt sich an den Promoter 2. die DNA-Doppelhelix wird durch Lösen der Wasserstoffbrücken in zwei DNA-Einzelstränge aufgetrennt 3. Am codogenen Strang der DNA lagern sich durch Basenpaarung komplementäre Ribonukleotide an 4. Die RNA-Polymerase kann aufgrund ihres Aufbaus nur eine Seite (Richtung) des DNA-Stranges "ablesen", diese ist die 3'-5'-Richtung Dadurch ist die Bildungsrichtung des RNA-Stranges in die entgegengesetzte Richtung festgelegt, also 5'-3'-Richtung. Einfach gesagt, das 5'-Ende der RNA wird zuerst synthetisiert 5. Die Öffnung der DNA-Doppelhelix erfolgt nur in einem kurzen Bereich (Transkriptionsblase). Der bereits synthetisierte Teil der mrna hängt aus dieser Öffnung heraus und zwar mit dem 5'-Ende der mrna voran 5. Am Terminator wird die Transkription beendet. Danach wird das mrna- Transkript entlassen und die Polymerase löst sich von der DNA

14 Begriffe der Genetik Translation:

15 Translation: Begriffe der Genetik Die aus der DNA entstandene mrna enthält die genetische Information für den Aufbau eines Proteins. Dabei codieren jeweils drei aneinanderfolgende Nukleotide der mrna (Codons oder Basentripletts) eine bestimmte Aminosäure aus denen das Protein sequentiell aufgebaut wird Genetischer Code 1. Als Aminosäuren- Transporter dient die trna: Ihr Anticodon dockt an je genau einem der Codons auf der mrna an. 2. Das Ribosom bringt die 1. mrna und 2. eine freie trna, die eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mrna ein komplementäres Anti-Codon der trna anlagert. 3. Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert wandert immer um ein Codon auf der mrna weiter, so lange, bis die Information der mrna vollständig abgearbeitet ist (Stop-Codon).

16 Wiederholung: Begriffe der Genetik Gene bestehen aus Desoxyribonuklein-säure (DNA), einem fadenartigen, doppel-helikal angeordneten Makromolekül Die in der DNA enkodierte Information ist in der Sequenz von Nukleotiden gespeichert Ein Chromosom besteht aus einem (sehr langen) DNA Molekül Der Mensch besitzt 23 Chromosomenpaare, diese konstituieren das Genom Gene sind funktionale Einheiten chromosomaler DNA

17 Die meisten Gene enkodieren Polypeptide und stellen somit die funktionellen Proteine einer Zelle her. Die biologischen Eigenschaften einer Zelle werden hauptsächlich durch die aktiven Proteine bestimmt, die in dieser Zelle exprimiert werden. Proteine bestimmen: - Einen Großteil der zellulären Architektur - Die enzymatische Aktivität der Zelle - Die Interaktion mit der zellulären Umgebung - Sowie eine Reihe weiterer physiologischer Eigenschaften

18 Da die Eigenschaften von Zellen die Eigenschaften eines Organismus bestimmen, gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Genen und der Struktur und Funktion eines Organismus.

19 ...ein paar Zahlen Basenpaare pro Zelle (haploid / diploid) (2,84 Mrd) (5,68 Mrd.) Eine menschliche Zelle enthält 2,244 m DNA (Verpackt in einem Zellkern von mm Durchmesser) Der menschliche Körper besteht aus ca Zellen der Körper enthält insgesamt ca. 2,244 x m DNA 2,244 x m DNA = m

20 Human Genome Project: 1990 initiiert Februar 2001 wurde ein erstes rough draft vom International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) und von Celera präsentiert 90% des Genoms sequenziert, Gene Rohfassung wies Lücken auf Oktober 2004 Finishing the euchromatic sequence of the human genome Nature 431, (2004) Über 99% des Humangenoms entziffert nur noch 341 Unterbrechungen 2,85 Milliarden Nucleotide neue Schätzung: Gene

21 Das Human Genome Projekt lieferte nicht nur die Information über die genaue Sequenz unseres Genoms, sondern auch Informationen über Unterschiede zwischen den Genomen einzelner Individuen 1. Wieviel Variation / Unterschiede gibt es? 2. Was bringt uns diese Information? 3. Welche Art von genetischer Variabilität gibt es? 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität?

22 1. Wieviel Variation / Unterschiede gibt es? Die Unterschiede zwischen den Genomen von verschiedenen Menschen werden u.a. bestimmt durch einzelne Basendifferenzen (Single Nucleotide Polymorphism, SNP) SNPs sind die häufigste Form von DNA Variation im humanen Genom Es gibt insgesamt etwa 10 Millionen Positionen, die zwischen Individuen variieren (Chakravarti 2001, Hinds et al. 2005)

23 ...und ohne Polymorphismen?

24 Oooops!

25 2. Was bringt uns diese Information? Untersuchung genetischer Variation erlaubt die Abschätzung des Einflusses einzelner DNA Polymorphismen auf inter-individuelle Variabilität in der Anfälligkeit für bzw. Protektion gegen eine Vielzahl von (komplexen) Erkrankungen...der Ansprechbarkeit auf Medikamente (Stichwort personalisierte Medizin) Birgt die Möglichkeit, den Anteil einzelner Gene bei der Entstehung von Krankheiten mit komplexer und multigener Basis zu entschlüsseln...promises to provide unprecedented opportunities to explore the genetic basis of individual differences in complex behaviors and vulnerability to neuropsychiatric illness (Hariri, Br Med Bull 2003)

26 Monogene versus komplexe Erkrankungen Monogene Erkrankungen Schwerwiegendes Krankheitsbild Früher Erkrankungsbeginn Selten Mendelsches Vererbungsmuster Beispiele: Cystische Fibrose, Progressive Muskeldystrophie... Ursache: Mutationen Ein Gen eine Krankheit komplexe Erkrankungen mit multigener Basis Mildes Krankheitsbild Später Erkrankungsbeginn Weit verbreitet Komplexes Vererbungsmuster Beispiele: Diabetes, Depression, Schizophrenie, Krebs, CVD... Ursachen: Interaktion von genetischer Ausstattung mit Umweltvariablen (multiplikative Effekte)

27 3. Welche Art von genetischer Variabilität gibt es? Polymorphismus: Kommen in einer Population multiple funktionelle Allele vor, die alternative Aktivitäten darstellen und nicht den Verlust oder Gewinn einer Funktion, spricht man von genetischem Polymorphismus. Häufigkeit von mehr als 1% in der Population SNPs: Single Nucleotide Polymorphisms Repeats: Repetetive DNA-Segmente Strukturelle Variation

28 Single Nucleotide Polymorphisms SNPs ( Snips ): sind Variationen, bei denen ein Basenpaar durch ein anderes ersetzt wird 22/23 5 1A 1B 1C α 9β 3 ACTCGGTAGGAGAGGCTGGAATGCGCGTGCGACCTGGTCT ACTCGGTAGGAAAAGCTGGAATGCGCGTGCGACCTGGTCT

29 Polymorphismus: Kommen in einer Population multiple funktionelle Allele vor, die alternative Aktivitäten darstellen und nicht den Verlust oder Gewinn einer Funktion, spricht man von genetischem Polymorphismus. Häufigkeit von mehr als 1% in der Population SNPs: Single Nucleotide Polymorphisms Repeats: Repetetive DNA-Segmente Strukturelle Variation

30 Repeats Microsatellites: zwei bis vier Basenpaare lang (Di-/ Tri-/ Tetranucleotid repeats) Minisatellites: auch variable number of tandem repeats (VNTR), bestehen aus einer variablen Anzahl repetetiver Elemente

31 Polymorphismus: Kommen in einer Population multiple funktionelle Allele vor, die alternative Aktivitäten darstellen und nicht den Verlust oder Gewinn einer Funktion, spricht man von genetischem Polymorphismus. Häufigkeit von mehr als 1% in der Population SNPs: Single Nucleotide Polymorphisms Repeats: Repetetive DNA-Segmente Strukturelle Variation

32 Strukturelle Variation Variationen, die größere DNA Abschnitte betreffen DNA-Abschnitt geht verloren Ein DNA-Abschnitt wird eingebaut Die Abfolge eines DNA- Abschnitts kehrt sich um DNA-Abschnitte wiederholen sich

33 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität? Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen: 5 3` Regulatorische Region: Empfängt und reagiert auf Signale aus dem Genom selbst oder aus der Umwelt

34 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität? Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen: 5 3` Exons: DNA Segmente, die in mrna umgeschrieben werden. Konstituieren die eigentliche kodierende Region

35 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität? Exkurs: Genstruktur / Mechanismen der Genregulation Genstruktur: Gene gliedern sich in folgende hauptsächliche Regionen: 5 3` Zwischen Genen befindet sich DNA, deren Funktion größtenteils unbekannt ist. Nur 1,2% des Genoms bestehen aus Exons! Introns: DNA Segmente unbekannter Funktion, eingestreut zwischen den Exons. Enthalten keine Information für das funktionelle Genprodukt. Werden transkribiert aus dem primären Transkript herausgespleisst

36 RNA Prozessierung 5 3` Transkription Primäre mrna Transkripte (mehrere Zwischenstufen) Transkription Funktionale mrna (Introns herausgespleißt) Translation Polypeptidkette

37 Grundlegende Mechanismen der Genregulation : Nochmals eine Definition: Ein Gen ist eine Region chromosomaler DNA, die zur richtigen Zeit und am richtigen Ort in funktionale mrna umgeschrieben werden kann. Regulatorische Region: DNA Segment mit einer spezifischen Nukleotidsequenz empfängt Signale aus dem Genom selbst oder aus der Umwelt Jede Zelle besitzt die gesamte genetische Information, die im Genom enkodiert ist.

38 Grundlegende Mechanismen der Genregulation : ABER Nur eine kleine Anzahl von Genen wird abgelesen! Selektive Aktivierung bzw. Repression von Genen muss zwei Kriterien erfüllen 1.Transkription von spezifischen Genen oder Gruppen von Genen muss reversibel an- und abschaltbar sein 2.Auf spezifische Signale aus der Umwelt bzw. des physiologischen Kontextes muss reagiert werden können Letztendlich werden diese Signale in regulatorische Proteine übersetzt binden an der regulatorischen Region des Gens initiieren Transkription

39 Zwei Arten von DNA-Protein Interaktion müssen stattfinden: a) Die eine determiniert WO die Transkription beginnt b) Die andere OB Transkription stattfindet Ad a) Promoter und RNA Polymerase: Bindet RNA Polymerase an den Promoter, so wird die Transkription ein paar Basenpaare stromaufwärts initiiert. Jedes Gen muss einen Promoter haben, sonst kann es nicht transkribiert werden Ad b) Aktivatoren / Repressoren: DNA Segmente in der Nähe des Promoters fungieren als Bindungsstellen für regulatorische Proteine

40 a) Promoter und RNA Polymerase: Bindet RNA Polymerase an den Promoter, so wird die Transkription ein paar Basenpaare stromaufwärts initiiert. Jedes Gen muss einen Promoter haben, sonst kann es nicht transkribiert werden. AP-1 Transkriptionsfaktor Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren AP-1 Koaktivatoren RNA Polymerase Transkriptionsinitiation Promoter Regulatorische Region Kodierende Region

41 b) Aktivatoren / Repressoren DNA Segmente in der Nähe des Promoters fungieren als Bindungsstellen für regulatorische Proteine AP-1 Transkriptionsfaktor Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren AP-1 Koaktivatoren RNA Polymerase Transkriptionsinitiation Promoter Regulatorische Region Kodierende Region

42 und noch etwas genauer:

43 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität? Die funktionellen Konsequenzen von genetischen Varianten sind abhängig von ihrer Lokalisation. Beobachtet werden Varianten in: Nicht kodierenden Regionen zwischen Genen: Konsequenzen nicht bekannt Introns: Konsequenzen unklar Kodierenden Regionen: Veränderungen des Genprodukts durch Aminosäuretausch somit Veränderung der Proteinstruktur Regulatorischen Regionen: Veränderung der Menge des exprimierten Gens oder des zeitlich-örtlichen Expressionsmusters

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45 Mögliche Folgen von DNA Polymorphismen in kodierenden Regionen: Met Arg Ser Glu Arg Leu Asp Ala Stop ATG CGG TCG GAG AGG CTG GAC GCG TGA Met Arg Ser Glu Arg Leu Asp Ala Stop ATG CGG TCG GAA AGG CTG GAC GCG TGA Met ATG CGG TCG GAG AGC CTG GAC GCG TGA Met Arg Arg Ser Stop Glu Glu Ser Leu Asp Ala Stop Arg Leu Asp Ala Stop ATG CGG TAG GAG AGG CTG GAC GCG TGA Met Arg Ser Glu ATG CGG TCG GAG AGG ACT G GA C GC G TG A Ser Thr Gly Arg Val

46 Mögliche Folgen von DNA Polymorphismen in kodierenden Regionen: Synonymer Austausch: ein Basenaustausch führt zu keinem Aminosäuretausch, da beide Kodons für die gleiche AS kodieren Nicht-Synbonymer Austausch (missense): ein Kodon für eine Aminosäure wird durch ein Kodon für eine andere Aminosäure ersetzt Aminosäuretausch im Genprodukt nonsense: führt ein Stopkodon ein beendet Transkription frameshift / insertion / deletion: Reading Frame wird verändert Aminosäuresequenz weist keinerlei Ähnlichkeit mit der eigentlichen Aminosäuresequenz auf

47 Beispiel: Auswirkung von Punktmutationen in der Promoterregion Konsequenzen von Punktmutationen im Promoter des β-globin Gens. Punktmutationen der nahezu gesamten Promoterregion und ihre Auswirkungen auf die Transkriptionsrate

48 Methoden der Verhaltensgenetik: Zwillingsstudien Adoptionsstudien Familienstudien Linkageanalysen Assoziationsstudien Designs ohne (Molekular)-Genetik Designs mit (Molekular)-Genetik

49 Assoziationsstudie 1. Kandidatengen(e) aussuchen 2. auf Varianten prüfen (ausreichende Prävalenz?) Gruppe A (Variante A) Gruppe B (Variante B) 3. Einfluss ja / nein

50 Zusammenfassung: Das menschliche Genom ist nahezu entschlüsselt Es gibt eine Vielzahl von interindividuellen Unterschieden bzgl. der genetischen Ausstattung Die Kenntnis dieser Variabilität ist für die bio-medizinische und neurowissenschaftliche Forschung von enormen Wert und...eröffnet die bisher nicht da gewesene Möglichkeit, die genetische Basis von individuellen Unterschieden im komplexen Verhalten und der Anfälligkeit für (neuropsychiatrische) Krankheiten zu ergründen Ausblick auf die nächste Stunde: Beispiele von für die (Bio-)Psychologie relevanten genetischen Studien (Varianten in Neurotransmittersystemen und deren Einfluss auf Persönlichkeit / psychische Krankheit)

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52 Einschub: Sequenzhomologie

53 Einschub: Sequenzhomologie Homologie der DNA-Sequenz mit anderen Spezies: 60% Huhn 88% Nagern >98% Schimpansen...Was macht uns zum Menschen? 35 Millionen Veränderungen der Basenabfolge 5 Millionen Insertionen / Deletionen Viele chromosomale Veränderungen...the question of what genetic changes make us human is far more complex [than the mere comparison of sequence] Li & Saunders (2005). The chimpanzee and us. Nature 437 (7055):50-51.

54 ...Was macht(e) uns zum Menschen? 3 Hypothesen Proteinevolution: Eher unwahrscheinlich (in Einzelfällen wichtig, z.b. FOXP2) Weniger ist mehr : Adaptiver Verlust von Genen Sehr wahrscheinlich Veränderung der Genregulation: Sehr wahrscheinlich: Gilad et al. (2006) Expression profiling in primates reveals a rapid evolution of human transcription factors. Biopsychologie Vertiefung WS Nature 07/08 440:

55 ...zurück zum Menschen Das Human Genome Projekt lieferte nicht nur die Information über die genaue Sequenz unseres Genoms, sondern auch Informationen über Unterschiede zwischen den Genomen einzelner Individuen 1. Wieviel Variation / Unterschiede gibt es? 2. Was bringt uns diese Information? 3. Welche Art von genetischer Variabilität gibt es? 4. Welche funktionellen Konsequenzen ergeben sich aus genetischer Variabilität?