Wolfgang Hennig Genetik

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1 Wolfgang Hennig Genetik Mit 455 vorwiegend farbigen Abbildungen, 63 Tabellen und 24 Technik-Boxen Springer

2 Inhalt Was ist Genetik? 1 1 Variabilität als biologisches Grundphänomen Umweltbedingte Variabilität Genetisch bedingte Variabilität Zusammenspiel von Umwelt und Genotyp Methodik der Untersuchung von Umwelteinflüssen Phänokopien 18 2 Vererbung als biologisches Grundphänomen Die Mendelschen Regeln: Grundregeln der Vererbung Statistische Methoden Mathematische Grundlagen Die x 2 -Methode Mendel aus heutiger Sicht Ergänzungen zu den Mendelschen Regeln Unvollständige Dominanz Codominante Expression von Allelen Multiple Allelie " Der Ausprägungsgrad von Merkmalen Polygenie Pleiotropie Epistasie 55 Die Chromosomentheorie der Vererbung 61 Ein Rückblick 64 Die eukaryotische Zelle 66 Die Struktur der Zelle 66 TECHNIK-BOX 1 ;. Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen il

3 XIV Inhalt o Keimbahnzellen und somatische Zellen ' Der Zellzyklus Mitotische Zellen Mitose Meiotische Zellen Meiose I Meiose II Lebenszyklen von Eukaryoten Das eukaryotische Chromosom Chromosomen als Träger der Erbanlagen Morphologie der Chromosomen Die Variabilität der Chromosomen Extrachromosomale Vererbung Grundlagen menschlicher Vererbung 145: 4.1 Methoden der Humangenetik Zwillingsforschung Stammbaumforschung Erbkrankheiten Geschlechtsgebundene Gene Autosomale Gene Unvollständige dominante Expression von Allelen Allele mit unterschiedlicher Ausprägung Genetische, meist nichterbliche Krankheiten Down-Syndrom Geschlechtschromosomenaberrationen Mitotische Chromosomenabnormalitäten Genetische Familienberatung 179 ' 5 Steuerung von Genfunktionen auf chromosomalem Niveau , 5.1 Dosiskompensation Drosophila Säuger Genetische Mosaike Mitotische Instabilität Mitotische Rekombination 195 [ ; h6 Molekulare Grundlagen der Vererbung DNA als Träger der Erbinformation Chemische Zusammensetzung 204

4 Inhalt I TECHNIK-BOX 2 DNA-Sequenzierung 205 Konfiguration der DNA 209 Funktion der DNA 214 Die Verdoppelung des Erbmaterials (Replikation) 216 Physikochemischer Nachweis der semikonservativen Replikation Cytologischer Nachweis der semikonservativen Replikation l 1 TECHNIK-BOX 3 Ultrazentrifugation Mechanismus der Replikation 223 l 1 TECHNIK-BOX 4 "* Miller-Spreitungen Rekombination. -\^..,. v 232^ 6.5 Genkonversion ". M 241* 7 Verwertung genetischer Information in der Zelle.' 245.' 7.1 DNA, genetische Information und Informationsübertragung. ":' : 247s 7.2 Der genetische Code Die Entschlüsselung des Codes Beweis der Colinearität Allgemeingültigkeit des Codes RNA-Editing Transkription 256 = 1 TECHNIK-BOX ; Markierung von DNA: Nick Translation, Random Priming \ Mechanismus der Transkription Regulation der Transkription Translation TECHNIK-BOX 6.. ' Gelelektrophorese Initiation Elongation Termination 270 ', 8 Molekulare Struktur des eukaryotischen Genoms 273 Eigenschaften eukaryotischer DNA 277 Repetitive DNA 281 I TECHNIK-BOX 7 Renaturierungskinetik-Experimente Heterochromatin und repetitive DNA 286

5 XVI Inhalt -r Molekulare Struktur eukaryotischer Chromosomen 289, 9.1 Organisation der DNA im Chromosom Nukleoproteinfibrillen Chromosomale Proteine 292 i i TECHNIK-BOX 8 In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren Nukleosomen Supercoiling der DNA Organisation der Nukleoproteinfibrillen Riesenchromosomenbanden und Chromomeren Chromosomale Domänen Chromatidenmodelle 302 I 1 TECHNIK-BOX 9 Chromosomenbanding und Chromosomenpainting Das Centromer Funktion Chromosomale Struktur des Centromers DNA-Struktur des Centromerenbereiches DasTelomer Funktion Molekulare Struktur Telomerenproteine Das Chromosom als funktionelle Einheit des Eukaryotenkerns. 314 [ 10 Molekulare Struktur prokaryotischer Chromosomen 317; 10.1 Bakterien Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide F-Faktor Andere Plasmide Bakteriophagen Vermehrungszyklus Bakteriophage \ (Lambda) Bakteriophage Pl Bakteriophage T Transformation Das Genom von Piastiden und Mitochondrien Interaktionen zwischen Zellkern und Cytoplasmaorganellen Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene Kontrollmechanismen Genstruktur und Genregulation 356

6 Inhalt XV Das lac-operon Das Operonmodell Weitere Regulationsmechanismen Quantitative Kontrolle von Biosynthesewegen Das trp-operon Attenuation...'., Regulation im Lambda-Genom Genomstruktur z~....'/..!' Lytischer Zyklus -.,.?...< $. \,f Lysogener'Zyklus.*-:'....^'(.JÄ pna? PrptemiInteraktionen...v;-. : Überlappende Gene...,.., Molekulare Struktur eukaryotischer Gene RNArkbdierende-Gene: Ribcisomäle DNAÜ*-.- *....^i.' 376;- i TMHNIK-BOX io ' " ^ - ; - -- ^-c-, -c,;_x x "':- klönierung von DNA 377V I TECHNIK-BOX 11 ^ DNA-Klonierungin Plasmiden T'. V!. 37SL Transkription der ribosomalen DNA 381X ^> Processing primärer Transkripte v... (".) :'" ': " Sekundärstruktur der rrna "..'...\ 388\ ; Autokatalytisches Splicing von RNA-Molekülen Die ribosomalen Transkriptionseinheiten Der Nukleolus Das Ribosom Nukleoläre Dominanz Multiplizität ribosomaler RNA-Gene Unterreplikation und Amplifikation RNA-kodierende Gene: Die 5S-rRNA-Genfamilie 402 I 1 TECHNIK-BOX 12 Screening von Expressionsbibliotheken Gewebespezifität Regulation der Transkription Regulationseffekt von Histon Hl Feedbackregulation durch RNA-Konzentration Der Regulationsmechanismus der 5S-rRNA-Transkription RNA-kodierende Gene: Die Transfer-RNA-Genfamilien 410 I TECHNIK-BOX 13 Polymerasekettenreaktion 411 I TECHNIK-BOX 14 Primer Extention 413 Posttranskriptionelle Modifikationen 414 Beladung der trna mit Aminosäuren 415 Proteinkodierende Gene: Die Globingenfamilie 417 I TECHNIK-BOX 15 Northern Blotting 419

7 XVIII Inhalt Allgemeines 420 rr i TECHNIK-BOX 16 ' In-vitro-RNA-Synthese Lokalisation im Genom Evolution der Genfamilie Transkription Splicingmechanismen Funktion von Introns Allgemeine Struktureigenschaften eukaryotischer Gene Multigenfamilien Histongene.".* 436 I 1 TECHNIK-BOX 17 - : ^ Chromosomenwalking Tubulingene Einzelkopiegene.' Das Fibroingen * 443S& Seide Fibroinsynthese Struktur des Fibroins: ß-Faltblattstruktur Selektiver Codongebr,aufch (Codon usage)? Die Genstruktur cytoplasmatischer Organellen Regulation der Cytochrom-b-Synthese Der Genbegriff Veränderungen von Genen: Mutationen Replikationsfehler Spontane Basenveränderungen Rekombinationsfehler Strahleninduzierte Mutationen Ultraviolette Strahlung Energiereiche kurzwellige Strahlung Transpbsons Chromosomenmutationen Numerische Chromosomenaberrationen Strukturelle Chromosomenaberrationen Genmutationen Mutationen in den Globingenen Nukleotidveränderungen 495 I 1 TECHNIK-BOX 18 Restriktionsanalyse von DNA und Southern Blotting Folgen von Basenveränderungen 504 I 1 TECHNIK-BOX 19 Verwendung von Balancer-Chromosomen Stille Mutationen Konditionale Mutationen Erkennung von Mutationen 512

8 Inhalt XIX 13.9 Mutagenizitätstests Häufigkeit von Mutationen Instabilität des Genoms: Transposons und Retroviren Allgemeine Eigenschaften von Transposons I 1 TECHNIK-BOX 20 P-EIement-Mutagenese Transpositionsmechanismen Funktion von Transposons Prokaryotische Transposons : Eukaryotische Transposons (X Fold-back-Elemente, Weitere Transposons mit terminalen invertierten Repeats Retrotransposons.. ' Retroposons...' Processiefte Pseudogene Transposons ßls^Mutagene Funktionelle Bedeutüng^vongTransp Retroviren ' Genomyeränderjingen und Krebs Krebsentsitehuffg^dürQli^Iutegene Genetische GrundlagenTcier Tumorbildung Die Koordination der Genfunktion: Genetische Kontrolle zellulärer Differenzierung Totipotenz von Zellkernen Determination und Differenzierung von Zellen Imprinting Molekularer Mechanismus des Imprintings Methylierung als epigenetische Markierung Wann erfolgt Imprinting? Determination und Transdetermination Determination und Differenzierung Transdetermination Kompartimente und Zelldifferenzierung DNA-Amplifikation Extrachromosomale und intrachromosomale Amplifikation Amplifikation von DNA: Ein allgemeiner zellulärer Mechanismus Die Häufigkeit von Amplifikationsprozessen Molekulare Mechanismen der Amplifikation Homogenisierung multipler Genkopien durch Amplifikation? Amplifikation und Zelldifferenzierung 584

9 XX Inhalt 15 A.4.7 Intrachromosomale Amplifikation und Chromosomenstruktur »5 Chromatinelimination und -diminution *.5.1 Chromatindiminution bei Nematoden Chromatindiminution bei anderen Organismengruppen Der Charakter eliminierter DNA-Sequenzen DNA-Elimination und Zelldifferenzierung Das Immunsystem Funktion des Immunsystems der Säuger 591 I TECHNIK-BOX 21 Immunologische Nachweismethoden TECHNIK-BOX 22 Elektronenmikroskopische Immunologie Entwicklung und Struktur der Immunoglobulingene Molekularer Aufbau der L-Ketten Molekularer Aufbau der H-Ketten Antikörperklassenwechsel ( class switching") Transkription der Immunoglobulingene Die Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst Allgemeine Gesichtspunkte des Säugerimmunsystems Differenzierungsmechanismen in Ciliaten Kerndualismus: Mikro- und Makronuklei in einer Zelle Entwicklung des Makronukleus Gengroße DNA-Fragmente, im Makronukleus Veränderungen der rdna-struktur im Makronukleus Regulation des Generationszyklus von Hefezellen Spontane Veränderungen des Paarungstyps haploider Zellen Funktion des AMr-Locus DNA-Veränderungen im MAT-Locus Die Oberflächenantigene von Trypanosoma Die Differenzierung von Organismen Geschlechtsbestimmungsmechanismen Drosophila Geschlechtsbestimmung bei Säugern Keimbahn, Frühentwicklung und Musterbildung Drosophila 638 I 1 TECHNIK-BOX 23 Enhancer-trap-Experimente Pflanzen Vergleich der männlichen und der weiblichen Keimzellenentwicklung Genetische Methoden der Analyse von Differenzierungsprozessen Analyse von Mutanten im Zebrafisch 676

10 Inhalt XXI! 17 Populationsgenetik 681: 17.1 Die Hardy-Weinberg-Regel Genetische Zufallsveränderungen (Random Drift) Natürliche Selektion Fitness Genetische Bürde Migration Isolation und Foundereffekte Zur Populationsgenetik des Menschen Die Ebene des Individuums Die Ebene der Gesellschaft Die Ebene der Evolution des Menschen 707 j 18 Ausblick: Genetik und Gentechnologie Künftige Forschungsschwerpunkte der Genetik Gentechnologie Isolation beliebiger eukaryotischer Gene Expression von Genen in Bakterien 712 I 1 TECHNIK-BOX 24 Mikroklonierung Transformation und Insertion von Genen in mitotische Zellen Keimbahntransformation Konsequenzen der Gentechnologie Der Begriff der Gentechnologie Gentechnologie und Medizin Gentechnologie und ihre Anwendung zur Veränderung des Erbgutes.' Abwägung 720 Literaturverzeichnis 721; Glossar 737 Quellenverzeichnis der Abbildungen und Tabellen 747 Sachverzeichnis 753