I 8., aktualisierte Auflage. Aus dem Amerikanischen von Freya Thomm-Reitz. Deutsche Bearbeitung von Michael Thomm. ' Mit über 560 Abbildungen PEARSON

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1 William S. Klug Michael R. Cummings Charlotte A. Spencer I 8., aktualisierte Auflage Aus dem Amerikanischen von Freya Thomm-Reitz Deutsche Bearbeitung von Michael Thomm ' Mit über 560 Abbildungen PEARSON Studium ein Imprintvon Pearson Education München «Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Vorwort XV TEIL I Gene, Chromosomen und Vererbungslehre. 1 Kapitel 1. 'Einführung in die Genetik." 3 Kapitel 2 Mitose und Meiose 23 Kapitel 3 ' Mendel'sche Genetik 53 Kapitel 4 Anwendung der Mendel'schen Genetik 91 Kapitel 5 Chromosomenkartierung bei Eukaryoten 139 Kapitel 6 Genetische Analyse und Kartierung bei Bakterien und Bakteriophagen 189 Kapitel 7 Geschlechtsbestimmung und Geschlechtschromosomen 229 Kapitel 8 ; Chromosomenmutationen: Variation der Chromosomenanzahl und -anordnung 261 Kapitel 9 Extranukleäre Vererbung 299 TEIL II DNA: Struktur, Replikation und Variation 323 Kapitel 10 DNA-Struktur und -Analyse 325 Kapitel 11 DNA-Replikation und Rekombination 369 Kapitel 12 DNA-Organisation in den Chromosomen 401 TEIL IM Expression und Regulation der genetischen Information 42g Kapitel 13 Der genetische Code und die Transkription 431 Kapitel 14 Translation und Proteine 471 Kapitel 15 Mutation, DNA-Reparatur und Transposition '. 507 Kapitel 16 Regulation der Genexpression bei Prokaryoten 551 Kapitel 17 Regulation der Genexpression bei Eukaryoten 577 Kapitel 18 Regulation des Zellzyklus und Krebs 609 TEIL IV Genomanalyse 641 Kapitel 19 Die Technik der rekombinanten DNA 643 Kapitel 20 Genomik und Proteomik 680 Kapitel 21 Die Identifizierung der Genfunktion: Mutationsanalyse bei Modellorganismen 721 Kapitel 22 Biotechnologie: Anwendungen und ethische Probleme 767 TEIL V Organismen- und Populationsgenetik 805 Kapitel 23 Entwicklungsgenetik von Modellorganismen'. 807 Kapitel 24 Quantitative Genetik und multifaktorielle Merkmale 841 Kapitel 25 Populationsgenetik 869 Kapitel 26 Evolutionäre Genetik 901 Kapitel 27 Genetik und die Erhaltung bedrohter Arten 934 Anhang 955

3 Vorwort xv TEIL I Gene, Chromosomen und Vererbungslehre 1 Kapitel 1 Einführung in die Genetik Von Mendel zur DNA in weniger als einem Jahrhundert Die Entdeckung der Doppelhelix Die Entstehung der Genomik aus der Technik der rekombinanten DNA Der wachsende Einfluss der Biotechnologie Die Verwendung von Modellorganismen in der Genetik Das Zeitalter der Genetik 20 Kapitel 2 Mitose und Meiose Die,enge Verbindung zwischen Zellstruktur und genetischer Funktion ' Homologe Chromosomenpaare in diploiden Organismen ".' Die Mitose Die Meiose Die Entwicklung der Gameten während der Spermatogenese und Oogenese Geschlechtliche Vermehrung Die cytologische Beschaffenheit der mitotischen und meiotischen Chromosomen. [ 44 Kapitel 3 Mendel'sche Genetik / Mendels Modellexperiment Die Monohybridkreuzung Die Dihybridkreuzung Die Trihybridkreuzung Die Wiederentdeckung von Mendels Arbeiten Die Grundlagen der modernen Vererbungslehre Unabhängige Verteilung Wahrscheinlichkeitsgesetze, Der Chi-Quadrattest Stammbäume '. 76 Kapitel 4 Anwendung der Mendel'schen Genetik gi 4.1 Veränderung von Phänotypen durch Allele Symbole für Allele... '.Tr.V.Tr Unvollständige Dominanz Kodominanz Multiple Allele 96

4 4.6 Letale Allele Kombination von zwei Genpaaren mit zwei unterschiedlichen Vererbungsweisen Bestimmung von Phänotypen Die Expression eines einzelnen Gens X-Kopplung Geschlechtsbegrenzte und geschlechtsbeeinflusste Vererbung Die Expression des Phänotyps ~ 116 Kapitel 5 Chromosomenkartierung bei Eukaryoten 13g 5.1 Auf demselben Chromosom verbundene Gene Crossing-over als Grundlage zur Bestimmung der Distanz zwischen Genen Die Bestimmung der Reihenfolge der Gene bei der Kartierung Interferenz Effekte der Distanz zwischen zwei Genen Drosophila-Gene Physikalischer Austausch zwischen Chromatiden Rekombination Austauschereignisse zwischen Schwesterchromatiden Kopplungsanalysen und Kartierung Lod-Score-Analyse und Hybridisierung somatischer Zellen Genkartierung mit molekularer Analyse der DNA Entdeckte Mendel die Kopplung? 175 Kapitel 6 Genetische Analyse und Kartierung bei Bakterien und Bakteriophagen Spontane Mutation und Wachstum bei Bakterien Konjugation Die Entdeckung der Rec-Proteine Plasmide Transformation Bakteriophagen Transduktion Intergene Rekombination Intragene Rekombination beim Phagen T4 213 Kapitel 7 Geschlechtsbestimmung und Geschlechtschromosomen Geschlechtliche Differenzierung und Lebenszyklen X- und Y-Chromosomen Das Y-Chromosom beim Menschen ' Das Zahlenverhältnis von männlichen und weiblichen Individuen Dosiskompensation beim Menschen und anderen Säugetieren Das Zahlenverhältnis von X-Chromosomen zu Autosomen bei Drosophila Geschlechtsbestimmung bei Reptilien 251

5 Kapitel 8 Chromosomenmutationen: Variation der Chromosomenanzahl und -anordnung Terminologie Nondisjunction > Monosomie ' Trisomie. s Polyploidie bei Pflanzen : Variationen in der Struktur und Anordnung von Chromosomen.-> Deletion Duplikation * Inversionen Translokationen Fragile Stellen im menschlichen Chromosom 288 Kapitel 9 Extranukleäre Vererbung 29g 9.1 Organellenvererbung durch DNA in Chloroplasten- und Mitochondrien Mitochondrien-DNA, Chloroplasten-DNA und Organellenvererbung Mutationen in der mitochondfiälerfdna beim Menschen Infektiöse Vererbung _ > Der maternale Effekt 312 TEIL II DNA: Struktur, Replikation und Variation 323 Kapitel 10 DNA-Struktur und -Analyse Vier Eigenschaften des genetischen Materials Die Vorstellung von Protein als genetischem Material. y Der Nachweis von DNA als genetischem Material ' Ein indirekter und ein direkter Beweis der DNA als genetischem Material von Eukaryoten RNA als genetisches Material bei Viren Die Chemie der Nucleinsäure Die Struktur der DNA Alternative Formen von DNA Die Struktur der RNA / Analysetechniken zur Untersuchung von DNA und RNA 351 Kapitel 11 DNA-Replikation und Rekombination! Reproduktion von DNA durch semikonservatiye Replikation DNA-Synthese bei Bakterien, Prozesse während der DNA-Replikation...; Entspiralisierung der DNA-Helix_,^._ ' Initiation der DNA-Synthese durch einen RNA-Primer Replikation antiparalleler Stränge durch kontinuierliche und diskontinuierliche DNA-Synthese Simultane Synthese auf dem Leitstrang und dem Folgestrang 382

6 11.8 Korrekturlesen und Fehlerkorrektur Ein kohärentes Modell der DNA-Replikation Die Steuerung der Replikation Die DNA-Synthese der Eukaryoten...." Die Enden linearer Chromosomen Die Steuerung der DNA-Rekombination Genkonversion als Folge der DNA-Rekombination 391 Kapitel 12 DNA-Organisation in den Chromosomen Virale und bakterielle Chromosomen Spiralisierung Spezialisierte Chromosomen Organisation der DNA bei Eukaryoten Chromosomenbanden Repetitive DNA bei eukaryotischen Chromosomen Nicht funktionale Gene.". 420 TEIL IM Expression und-regulation der genetischen Information 429 Kapitel 13 Der genetische Code und die Transkription Der genetische Code Das funktionelle Grundmuster des Codes Dechiffrierung des Codes 435 \ 13.4 Das Wörterbuch der Codierung Untersuchungen am Phagen MS Die Universalität des genetischen Codes Überlappende Gene Transkription Untersuchungen zum Nachweis der mrna 446 ~~^ Die RNA-Polymerase Transkription bei Eukaryoten Introns Die visuelle Darstellung der Transkription unter dem Elektronenmikroskop 459 Kapitel 14 Translation und Proteine Die Translation der mrna durch Ribosomen und Transfer-RNAs Phasen der Translation von mrna Kristallstruktur prokaryotischer Ribosomen Die Translation bei Eukaryoten Die Bedeutung von Proteinen für die Vererbung ' Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese ~ rr Codierung eines Polypeptids durch ein Gen 487 ' 14.8 Colinearität der Nucleotidsequenz eines Gens und der Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins 490

7 14.9 Die Proteinstruktur als Grundlage der biologischen Vielfalt Proteinfunktion und Molekülstruktur Proteindomänen 496 Kapitel 15 Mutation, DNA-Reparatur und Transposition Klassifizierungen von Mutationen Die Rate der spontanen Mutationen Replikationsfehler und Basenmodifikationen Durch Chemikalien und Strahlung induzierte Mutationen Genomsequenzierung und Gensequenzierung Genetische Techniken, Zellkulturen und Stammbaumanalysen Der Arnes-Test '..' -: DNA-Reparatursysteme Transponierbare Elemente 536 Kapitel 16 Regulation der Genexpression bei Prokaryoten Mechanismen zur Reaktion auf Umweltbedingungen bei Prokaryoten DerXacto'semetabolismus bei E.coli ' Das Katabolitaktivatorprotein (CAP) '5* Bestätigung des Operonmodells durch die Kristallstrukturanalyse Das Tryptophanoperon [trp] in E. coli Attenuation bei der Regulation des frp-operons von E.coli TRAP- und At-Proteine bei B.subtilis 566 ^16.8 Das ara-operon 567 Kapitel 17 Regulation der Genexpression bei Eukaryoten Die eukaryotische Genregulation Die Chromosomenorganisation im Zellkern Transkriptionsinitiation Phasen der Transkription bei Eukaryoten Der Zusammenbau des Basaltranskriptionskomplexes am Promotor Positive Induktion und Katabolitrepression bei den gal-genen der Hefe DNA-Methylierung und Regulation der Genexpression Posttranskriptionale Regulation der Genexpression Alternatives Spleißen und die Stabilität der mrna Kapitel 18 Regulation des Zellzyklus und Krebs Krebsgenetik Genetische Defekte in Krebszellen Krebszellen und die Regulation des Zellzyklus Die Störung der Kontrolle des Zellzyklus..'" Die Beeinflussung des Zell-Zell-Kontakts durch Krebs Erbliche Prädisposition für bestimmte Krebsformen 626 :

8 18.7 Viren und Krebsentwicklung._ Umweltfaktoren und Krebsentwicklung 631 TEIL IV Genomanalyse 64i Kapitel 19 Die Technik der rekombinanten DNA Die Technik der rekombinanten DNA als Verknüpfung verschiedener. experimenteller Techniken Die Technik der rekombinanten DNA als Grundlage der Genomanalyse Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Erkennungssequenzen Vektoren Klonierung von DNA in prokaryotischen Wirtszellen Hefezellen als eukaryotische Klonierungswirte Gentransfer in eukaryotische Zellen Die Polymerasekettenreaktion > Genbanken Gewinnung spezifischer Klone aus Genbanken Die Charakterisierung"klohieTter Sequenzen " "DNA-Sequenzierung als bester Weg zur Charakterisierung von Klonen Kapitel 20 Genomik und Proteomik Genomik: Die Grundlage zur Identifizierung und Kartierung aller Gene eines Genoms r Überblick über die Genomanalyse Funktionelle Genomik Prokaryotische Genome Genome von Eubakterien" Eukaryotische Genome Das menschliche Genom Vergleichende Genomik Multigenfamilien und Genfunktion Proteomik 707 Kapitel 21 Die Identifizierung der Genfunktion: Mutationsanalyse bei Modellorganismen Genetisch manipulierbare Modellorganismen Zielgerichtete Genetik Genomik und reverse Genetik Funktionelle Genomik und RNAi-Technologien Genforschung bei Modellorganismen: Drei Fallstudien 751 Kapitel 22 Biotechnologie: Anwendungen und ethische Probleme Biotechnologie und Landwirtschaft ' Synthese pharmazeutischer Produkte in gentechnisch veränderten Organismen 771

9 22.3 Biotechnologie in der Diagnose von Erbkrankheiten Gentherapie.._ Ethische Bedenken gegen die Gentherapie Ethische Bedenken gegen das menschliche Genomprojekt Auffinden und Kartieren von Genen im menschlichen Genom. mit Hilfe der Technik der rekombinanten DNA DNA-Fingerabdrucke 792 / TEIL V ; Organismen- und Populationsgenetik 805 Kapitel 23 Entwicklungsgenetik von Modellorganismen Entwicklungsgenetik: Vom Genom eines Organismus zum differenzierten Stadium Konservierung von Entwicklungsmechanismen und der Einsatz von Modellorganismen Master-Regulatorgene " Genetik der Embryonalentwicklung bei Drosophila: Festlegung der Körperachsen t Zygotische-Gene: Die" SegHientbildung bei Drosophila Homöotische Gene Differenzierung durch aufeinanderfolgende Genwirkungen Homöotische Gene bei Pflanzen Zell-Zell-Wechselwirkungen bei der Entwicklung von C.elegans Programmierter Zelltod 831 Kapitel 24 Quantitative Genetik und multifaktorielle Merkmale Schwellenmerkmale /' Quantitative Merkmale Die Untersuchung polygener Merkmale mit Hilfe statistischer Analyse 846 " " Vererbbarkeit: Schätzung des genetischen Beitrags zur Variabilität des Phänotyps Zwillingsuntersuchungen Die Kartierung quantitativer Merkmalsloci 855 Kapitel 25 Populationsgenetik Allelhäufigkeiten in den Genpools einer Population Das Hardy-Weinberg-Gesetz Anwendung des Hardy-Weinberg-Gesetzes auf menschliche Populationen Weitere Anwendungen des Hardy-Weinberg-Gesetzes Natürliche Selektion und die Veränderung der Allelhäufigkeit Neue Allele durch Mutation Migration und Genfluss v:\~ Genetische Drift Nicht zufällige Paarung 890

10 22.3 Biotechnologie in der Diagnose von Erbkrankheiten Gentherapie _..._ Ethische Bedenken gegen die Gentherapie Ethische Bedenken gegen das menschliche Genomprojekt Auffinden und Kartieren von Genen im menschlichen Genom 1 mit Hilfe der Technik der rekombinanten DNA DNÄ-Fingerabdrücke " 792 / TEIL V ; Organismen- und Populationsgenetik 805 Kapitel 23 Entwicklungsgenetik von Modellorganismen eo? 23.1 Entwicklungsgenetik: Vom Genom eines Organismus zum differenzierten Stadium Konservierung von Entwicklungsmechanismen und der Einsatz von Modellorganismen Master-Regulatorgene T Genetik der Embryonalentwicklung bei Drosophila: Festlegung der Körperachsen i Zygotische-Gene: Die"SegnTentbildung bei Drosophila " Homöotische Gene Differenzierung durch aufeinanderfolgende Genwirkungen Homöotische Gene bei Pflanzen Zell-Zell-Wechselwirkungen bei der Entwicklung von C.elegans Programmierter Zelltod 831 Kapitel 24 Quantitative Genetik und multifaktorielle Merkmale 84i 24.1 Schwellenmerkmale / Quantitative Merkmale. : Die Untersuchung polygener Merkmale mit Hilfe statistischer Analyse 846 ~S24.4 Vererbbarkeit: Schätzung des genetischen Beitrags zur Variabilität des Phänotyps Zwillingsuntersuchungen Die Kartierung quantitativer Merkmalsloci 855 Kapitel 25 Populationsgenetik Allelhäufigkeiten in den Genpools einer Population Das Hardy-Weinberg-Gesetz Anwendung des Hardy-Weinberg-Gesetzes auf menschliche Populationen Weitere Anwendungen des Hardy-Weinberg-Gesetzes Natürliche Selektion und die Veränderung der Allelhäufigkeit Neue Allele durch Mutation Migration und Genfluss.. r. ;~T Genetische Drift Nicht zufällige Paarung 890

11 Kapitel 26 Evolutionäre Genetik Speziation Genetische Variation Die genetische Struktur von Populationen Die Definition einer Spezies Verringerung des Genflusses zwischen Populationen ;_ Genetische Unterschiede zwischen Populationen oder Spezies Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte 922 Kapitel 27 Genetik und die Erhaltung bedrohter Arten Genetische Vielfalt und Erhaltungsgenetik Populationsgröße Genetische Effekte in kleinen, isolierten Populationen Genetische Erosion Konservierung der genetischen Diversität 944 Anhang A- -'"Glossar, 956 B Lösungen zu ausgewählten Übungsaufgaben 977 C Index 1020