Gene und Genome. Maxine Singer und Paul Berg. Aus dem Amerikanischen übersetzt von Ingrid Haußer-Siller, Dagmar Hörn, Ina Raschke und Sebastian Vogel

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1 Gene und Genome Maxine Singer und Paul Berg Aus dem Amerikanischen übersetzt von Ingrid Haußer-Siller, Dagmar Hörn, Ina Raschke und Sebastian Vogel Mit einem Vorwort zur deutschen Ausgabe von Walter Doerfler Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin New York

2 Inhaltsübersicht Vorwort zur deutschen Ausgabe Vorwort der Autoren Danksagung XV XVII XXII I. Die molekulare Grundlage der Vererbung: Ein Überblick 1 Vorspann 2 1. Die genetischen Moleküle Replikation, Reparatur und Rekombination des Genoms Die Genexpression: Innere Logik und ausführendes Räderwerk 119 Literatur zu Teil I 204 II. DNA-Rekombination: Ein Durchbruch 211 Vorspann Das Handwerkszeug: Enzyme Das Handwerkszeug: Wirt-Vektor-Systeme Die Mittel: Konstruktion, Klonierung und Selektion rekombinanter DNA Die Produkte: Charakterisierung und Manipulation von Rekombinanten 357 Literatur zu Teil II 413 III. Molekularer Aufbau, Expression und Regulation eukaryotischer Gene 419 Vorspann Struktur und Expressionsregulation eukaryotischer Gene Die molekulare Anatomie eukaryotischer Genome Umordnungen im Genom 695 Literatur zu Teil III 804 IV. Erforschung und Manipulation biologischer Systeme 839 Literatur zu Teil IV 880 Index 885

3 Inhalt Vorwort zur deutschen Ausgabe $> Vorwort der Autoren Danksagung XV XVII XXII I. Die molekulare Grundlage der Vererbung: Ein Überblick 1 Vorspann 2 1. Die genetischen Moleküle Struktur und Verhalten von DNA Bestandteile und chemische Bindungen der DNA Die Doppelhelixstruktur der DNA Alternative Konformationen der DNA-Doppelhelix Größe von DNA-Molekülen Variationen im Erscheinungsbild der DNA DNA-Denaturierung und -Renaturierung Verpackung der DNA in Chromosomen Struktur und Verhalten von RNA RNA-Typen und ihr Vorkommen Bestandteile und chemische Bindungen der RNA Struktur der RNA RNA-Denaturierung und -Renaturierung RNA-DNA-Hybridhelices Struktur von Proteinen Bestandteile und chemische Bindungen der Proteine Größe und Gestalt von Proteinen Faktoren, die Proteinstrukturen beeinflussen Replikation, Reparatur und Rekombination des Genoms DNA-Replikation Die Matrizenfunktion der DNA während der Replikation Die Replikation beginnt an genau definierten Stellen Die DNA-Replikation ist semikonservativ Die Bildung komplementärer Basenpaare, Addition von Desoxynucleotiden und Verknüpfung von DNA-Strängen im Verlauf der Replikation Schlüsselenzyme der DNA-Synthese Die Replikation erfordert das Entwinden der Helix Der ReplikationsStart und die Verlängerung neuer DNA-Ketten an Replikationsgabeln Das Ende der DNA-Replikation und das Ablösen der Tochterhelices Reverse Transkription Replikation retroviraler Genome Reverse Transkription zur Replikation von DNA-Viren 97

4 2.3 DNA-Reparatur Reparaturen, bei denen Modifikationen einfach rückgängig gemacht werden Reparatur durch Ersatz der modifizierten Reste Die Bedeutung der DNA-Reparatur 2.4 DNA-Rekombination Rekombinationstypen Allgemeine Rekombination zwischen homologen DNAs Enzyme, die zur allgemeinen Rekombination benötigt werden Sequenzspezifische Rekombination 2.5 RNA-Replikation 3. Die Genexpression: Innere Logik und ausführendes Räderwerk Ein Überblick über die Genexpression ^ Die Transkription der DNA in RNA Die Beziehung zwischen Nucleotidtripletts und Aminosäuren Die Identifizierung der Codons durch trnas Die korrekte Initiation der Translation Codonerkennung und Verknüpfung der Aminosäuren Die Regulation der Genexpression in verschiedenen Stadien der RNA- und Proteinsynthese Transkription: Übertragung der DNA-Information auf RNA Das Umkopieren von DNA-Sequenzen in RNA l DNA-abhängige RNA-Polymerasen ^ Die Transkription beginnt an charakteristischen Nucleotidsequenzen Transkriptionstermination und Freisetzung der RNA-Ketten RNA-Processing bei Prokaryoten Die Anordnung der rrna- und trna-gene im E. coli-genom Das Zurechtschneiden der rrna-trna-cotranskripte Die Herstellung reifer trnas aus größeren Transkripten Der genetische Code Die Aminosäuresequenzen der Proteine entsprechen den Nucleotidsequenzen der Gene Wie funktioniert der Decodierungsprozeß? Die Entschlüsselung des genetischen Codes Redundanz im genetischen Code Der genetische Code ist universell Der Translationsapparat Die Bindung der Aminosäuren an die zugehörigen trnas An den Ribosomen erfolgt die Bindung der AminoacyltRNAs an die Codons und die Synthese der Proteine Die mrna-translation bei Prokaryoten Initiationsbedingungen Die Elongation der Polypeptidketten Die Termination der Polypeptidkettenverlängerung Einige bemerkenswerte Eigenschaften des Translationsprozesses Gleichzeitige Translation von mrnas durch mehr als ein Ribosom Die Translation bakterieller mrnas kann während der Transkription einsetzen Die Ribosomen werden nach der Translation einer codierenden Sequenz neu aufgebaut Interaktion zwischen Codon und Anticodon 165

5 3.8 Die mrna-translation bei Eukaryoten Besondere Modifikationen eukaryotischer mrnas Translationsinitiation durch die kleinen Ribosomenuntereinheiten an den Cap-tragenden 5'-Enden der mrnas Verlängerung der Polypeptidketten und Termination der Translation Inhibitoren von Transkription und Translation Inhibition der RNA-Polymerase Inhibition der#translation Das Schicksal der neusynthetisierten Proteine Posttranslationale Modifikationen von Polypeptidketten Die Steuerung eukaryotischer Proteine in Zellmembranen hinein und durch sie hindurch Der Transport der Proteine zu den eukaryotischen Zellorganellen Der Proteintransport bei Prokaryoten Die Regulation der Genexpression Die Regulation der RNA-Konzentrationen während der Biosynthese Die koordinierte Regulation der prokaryotischen Genexpression Die Expressionsregulation des Lactoseoperons Die Expressionsregulation des Tryptophanoperons Zeitliche Kontrolle der Genexpression im Lebenszyklus des Bakteriophagen X Die translationale Expressionsregulation einiger Genprodukte 200 Literatur zu Teil I 204 II. DNA-Rekombination: Ein Durchbruch 211 Vorspann Das Handwerkszeug: Enzyme Nucleasen Allgemeine Eigenschaften Einzelstrangspezifische Nucleasen Die Nuclease Bai Die RNaseH Restriktionsendonucleasen Die drei Typen der Restriktionsendonucleasen Eine typische Typ-II-Restriktionsendonuclease Verschiedene Gruppen von Typ-II-Restriktionsendonucleasen Die Kartierung von DNA-Abschnitten mit Hilfe von Typ-II-Restriktionsendonucleasen Schutz durch Methylierung Phosphomonoesterasen Die Polynucleotidkinase Die DNA-Ligase Die DNA-Polymerase I Ein vielseitig verwendbares Enzym Die Nick-Translation Das Auffüllen kohäsiver Enden RNA-abhängige DNA-Polymerasen (Reverse Transkriptasen) 245

6 4.8 Die Terminale Desoxynucleotidyltransferase Polymerisierung ohne Matrize Die Synthese kohäsiver Enden 4.9 Die Poly(A)-Polymerase 5. Das Handwerkszeug: Wirt-Vektor-Systeme E. co//-systeme: Die Wirtszellen Ein vielseitiger Wirt Ein gastfreundlicher Wirt Ein zugänglicher Wirt Einige Beispiele E. coli-systeme: Plasmidvektoren Die Modulstruktur der Plasmide Vektoren mit Selektionsmarkern Ein Plasmidvektor: pbr Unterschiedliche Vektoren für unterschiedliche Zwecke E. co//-systeme: Bakteriophagenvektoren Einige Unterschiede zwischen Plasmid- und Phagenvektoren Der Phage A X-Vektoren Das Verpacken von X-Vektoren in Phagenpartikel Der Phage M Ml3-Vektoren E. coli-systeme: Plasmid-Phagen-Kombinationsvektoren Cosmide Phasmide s Andere prokaryotische Wirt-Vektor-Systeme / Gram-negative Organismen \ Gram-positive Organismen ^ Schaukelvektoren Eukaryotische Wirt-Vektor-Systeme: Hefe Vielseitigkeit und Eignung In Hefezellen replizierende Vektoren Dauerhafte Transformation durch Rekombination mit dem Hefegenom 5.7 Eukaryotische Wirt-Vektor-Systeme: Tiere Die Transformation tierischer Zellen SV40-Vektoren Rinder-Papillom-Virus-Vektoren Retrovirusvektoren 5.8 Eukaryotische Wirt-Vektor-Systeme: Pflanzen Allgemeine Betrachtungen Ti-Plasmide tumorinduzierende Plasmide Die Entwicklung rekombinanter DNA-Vektoren mit Ti-Plasmiden 6. Die Mittel: Konstruktion, Klonierung und Selektion rekombinanter DNA 6.1 Fremd-DNA Allgemeine Betrachtungen Fremd-DNA aus genomischer DNA Synthetische Fremd-DNA Das Kopieren von RNA in DNA (reverse Transkription) 6.2 Ligation von Vektor und Fremd-DNA Verknüpfen der Enden Anhängen von kohäsiven Enden

7 6.3 Infektion, Transfektion und Klonierung Transfer rekombinanter Moleküle vom Reagenzglas in die Zelle Klonierung Durchmustern einer Population rekombinanter Klone (Screening) Auffinden des richtigen Klons Hybridisierung mit komplementären Polynucleotidsequenzen Nachweis der Genexpression in der Zelle Genbibliotheken # Genomische Bibliotheken cdna-bibliotheken Einige Verfahren zur Klonierung von Genen und cdnas Die Produkte: Charakterisierung und Manipulation von Rekombinanten Die grobe Anatomie einer Monierten Fremd-DNA Die Größe einer Fremd-DNA Kartierung der Erkennungssequenzen von Restriktionsendonucleasen Subklonierung Lokalisierung eines bestimmten Abschnitts innerhalb der Fremd-DNA Die Feinstruktur eines DNA-Segments die primäre Nucleotidsequenz Allgemeine Prinzipien Chemische Sequenzierung (Maxam-Gilbert-Methode) Sequenzierung durch enzymatisches Kopieren (Didesoxymethode nach Sanger) Computeranalyse von DNA-Sequenzen Speichern von primären Sequenzdaten Strukturanalyse Biologische Bedeutung Lokalisierung klonierter Segmente in Genomen Lokalisierung auf molekularer Ebene Lokalisierung auf chromosomaler Ebene Die Genauigkeit des Kloniervorgangs Bestimmung der Kopienzahl einer DNA-Sequenz Abschätzen der Kopienzahl durch DNA-Blotting Abschätzen der Kopienzahl aus der Kinetik der DNA-Hybridisierung Abschätzen der Kopienzahl durch Sättigungshybridisierung Veränderung klonierter Segmente: Das Herstellen von Mutanten Allgemeine Betrachtungen Deletionsmutanten Insertionsmutanten Punktmutationen Untersuchung der Funktion klonierter DNA-Segmente Charakterisierung intrazellulärer Transkripte, die Monierten DNA-Segmenten entsprechen Untersuchung klonierter DNAs auf ihre Funktion Synthese von Polypeptiden, die in eukaryotischen DNA-Segmenten codiert sind Die Wahl eines Expressionssystems Expressionsvektoren für E. coli Expressionsvektoren für Hefe Expressionsvektoren für tierische Zellen 407

8 7.9 Enzymatische Vervielfältigung von DNA- und RNA-Segmenten 407 Literatur zu Teil II 413 III. Molekularer Aufbau, Expression und Regulation eukaryotischer Gene 419 Vorspann Struktur und Expressionsregulation eukaryotischer Gene 8\ 1 Struktureigenschaften pro- und eukaryotischer Gene im Vergleich Prokaryotengene Eukaryotengene 8.2 Struktur und Expression von Genen der Klasse I Transkriptionseinheiten Der Transkriptionsapparat Steuerungsabschnitte für die Transkription der rdna Termination der rdna-transkription Die Verbindung von Termination und Initiation der Transkription 8.3 Struktur und Expression von Genen der Klasse II Allgemeine Betrachtungen Der Transkriptionsapparat Die Reifung von mrna und U-RNA Regulierte Expression von Virusgenen Gewebe- und entwicklungsspezifische Genregulation Induzierbare und reprimierbare Transkription Regulation der Transkription während der Morphogenese Regulation der Transkription der U-RNA-Gene 8.4 Struktur und Expression von Genen der Klasse III Allgemeine Merkmale Regulationssequenzen für die Initiation der Transkription Der Einfluß von Transkriptionsfaktoren auf die Transkriptionsinitiation durch RNA-Polymerase III Die Termination der Transkription durch RNA-Polymerase III Die Expressions Steuerung der Gene für die 5S-rRNA in der Entwicklung 8.5 Introns Die Häufigkeit von Introns Introntypen Autokatalytisches Spleißen von Introns Spleißen von Introns in der Prä-mRNA des Zellkernes Spleißen von trnas Alternatives Spleißen: Ein Gen mehrere Proteine 8.6 Neuentdeckte Strukturmotive bei Transkriptionsfaktoren DNA-bindende Domänen Domänen zur Regulation der Transkription 8.7 Allgemeine Einflüsse auf die Genexpression DNA-Verpackung Topologie und Konformation der DNA DNA-Methylierung Regulation der nrna-nutzung 9. Die molekulare Anatomie eukaryotischer Genome 9.1 Strukturelemente Mehrere Klassifikationen für DNA-Ab schnitte

9 9.1.2 Die Wiederholung von DNA-Sequenzen Die Bedeutung von Sequenzwiederholungen für die Evolution Gene für RNA Gene für die 18S-, 5,8S- und 28S-rRNA Gene für die 5S-rRNA Die Kopplung aller vier rrna-gene bei Hefe Gene für trna Gene für die kleinen RNAs in Zellkern und Cytoplasma Gene für Polypeptide^ Einige allgemeine Überlegungen Beispiele für Genfamilien / Histongene: Konservierte, aber unterschiedlich organisierte codierende Sequenzen Tandemförmige Wiederholung von DNA-Sequenzen: Ein charakteristisches Merkmal eukaryotischer Genome Gene aus tandemförmig wiederholten DNA-Abschnitten Tandemförmige Wiederholungen außerhalb der codierenden Regionen Tandemförmige Wiederholungen an Centromeren und Telomeren Spekulationen über die Funktion der Tandemwiederholungen Mechanismen für die Entstehung von Tandemwiederholungen in der Evolution Über das Genom verstreute Sequenz Wiederholungen Anordnung der verstreut liegenden Sequenz Wiederholungen Verstreut liegende Sequenzwiederholungen bei Wirbellosen Die sehr großen Familien verstreut liegender Sequenzwiederholungen in Säugergenomen Die Funktion der verstreut liegenden Sequenzwiederholungen Die bemerkenswerte Einheitlichkeit der verstreut liegenden Sequenzwiederholungen Sequenzen an Centromeren und Telomeren Sequenzen an Centromeren Sequenzen an Telomeren Künstliche Hefechromosomen Genome in den Organellen der Eukaryoten: Die DNA der Mitochondrien und Chloroplasten Mitochondriengenome Die ungewöhnliche Mitochondrien-DNA der Trypanosomen Die DNA der Chloroplasten Die Herkunft der Organellen-DNA Umordnungen im Genom Allgemeine Eigenschaften der nicht programmierten Transposition Verschiedene Typen beweglicher Elemente Die Bildung von Zielstellenverdopplungen Bewegliche Elemente als verstreut liegende Sequenzwiederholungen Transponierbare Elemente Transponierbare Elemente bei Prokaryoten Die P-Elemente von Drosophila Die Kontrollelemente beim Mais Retrotransposons Allgemeine Eigenschaften von Retrotransposons der Klasse I 723

10 Die Ty-Elemente der Hefe Die copia-artigen Elemente von Drosophila Die IAP-Sequenzen der Maus Vergleich mit Retroviren Retrotransposons der Klasse II 10.4 Retrogene Weiterverarbeitete Polypeptidpseudogene Weiterverarbeitete RNA-Pseudogene 10.5 Andere ungewöhnliche bewegliche Elemente Die foldback-elemente von Drosophila Insertionen in der rdna von Drosophila 10.6 Programmierte Umordnungen und die Steuerung der Genexpression Prokaryotische Modelle: Translokation durch Flip-Flop-Inversionen Die Paarungstypen der Hefe: Ein Kassettenmechanismus Gene für die Immunproteine der Wirbeltiere Die veränderlichen Oberflächenantigene der Trypanosomen 10.7 Programmierte Amplifikation und die Steuerung der Genexpression Ungleichmäßige Replikation der Choriongene von Drosophila Die rdna von Xenopus: Amplifikation nach dem Mechanismus des rollenden Ringes Die Amplifikation der rdna von Tetrahymena in Makronuclei 10.8 Nicht programmierte Tandemamplifikationen Amplifikation zum Ausgleich von Enzymdefekten Die Struktur amplifizierter Gene Der Amplifikationsmechanismus Literatur zu Teil III IV. Erforschung und Manipulation biologischer Systeme Literatur zu Teil IV Index