Auf einen Blick 1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen 2 Genomstruktur 3 DNA-Replikation 4 Transkription 5 Translation 6 Meiose 7 Formalgenetik 8 Geschlechtsbestimmung 9 Rekombination 10 Mutation und Reparatur 11 Kontrolle der Genexpression und Systembiologie 12 Methoden der Molekularbiologie 13 Anhang 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Taschenlehrbuch Biologie Genetik Herausgegeben von Katharina Munk Unter Mitarbeit von Dieter Jahn Martina Jahn Inge Kronberg Thomas Langer Regine Nethe-Jaenchen Harald Schlatter Beate Schultze Johannes Siemens Jörg Soppa Klaus W. Wolf 344 Abbildungen 42 Tabellen Georg Thieme Verlag Stuttgart New York
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar Unter www.thieme.de haben Sie die! Möglichkeit, zum jeweiligen Buch online Ihr Feedback an den Verlag zu schicken. c 2010 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14, D-70469 Stuttgart Unsere Homepage: http://www.thieme.de Printed in Germany Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Titelbild: mauritius images/photo Researchers Zeichnungen: H. Bernstädt-Neubert, Berlin; Ch. von Solodkoff, Neckargemünd Satz: Hagedorn Kommunikation GmbH, Viernheim Gesetzt auf 3B2 Druck: Offizin Andersen Nexö Leipzig GmbH, Zwenkau ISBN 978-3-13-144871-2 1 2 3 4 5 6 Geschützte Warennamen (Warenzeichen) werden nicht besonders kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann also nicht geschlossen werden, dass es sich um einen freien Warennamen handele. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Vorwort V Vorwort Für die Studierenden wird es immer schwieriger bei dem wachsenden Informationsangebot und der Flut an täglich neu hinzukommenden Forschungsergebnissen im Rahmen des kurzen Bachelor-Studiums der Biologie, ein Verständnis für biologische Zusammenhänge und Prinzipien zu entwickeln. Die verschiedenen biologischen Fachbücher als Reihe herauszubringen, bietet die Möglichkeit, die Zusammenhänge zwischen den Fachgebieten herauszuarbeiten. Vier Bände enthalten das relevante Grundwissen der Zoologie, Botanik, Mikrobiologie und Genetik. Um die Gemeinsamkeiten der Organismen herauszustellen und gleichzeitig die Überschneidungen zwischen den Bänden möglichst gering zu halten, haben wir diesen klassischen Fächern zwei übergreifende Bände zur Seite gestellt: Den Band Biochemie Zellbiologie, der sich mit der Zelle als der kleinsten Lebenseinheit beschäftigt, und der Band Evolution Ökologie, der sich mit Interaktionen befasst, die über den einzelnen Organismus hinausgehen und ganze Lebensgemeinschaften und Ökosysteme betreffen. Die meisten der an der Buchreihe beteiligten über 40 Autoren sind in Lehre und Forschung erfahrene Dozenten ihrer Fachgebiete. Ihre Erfahrungen mit den seit einigen Jahren laufenden Bachelor-Studiengängen haben sie in diese Taschenbücher eingebracht, die Stofffülle auf ein überschaubares Basiswissen reduziert und durch eine fächerübergreifende, vergleichende Darstellung und viele Verweise Querverbindungen zwischen den einzelnen biologischen Disziplinen hergestellt. So vermitteln die Bände einen zusammenhängenden Überblick über die Basisinhalte der Biologie. In dem Band Genetik wird in den Kapiteln zu Nucleinsäuren, Genomstruktur, DNA-Replikation, Transkription und Translation den Unterschieden bzw. Gemeinsamkeiten zwischen Bacteria, Archaea und Eukarya besondere Beachtung geschenkt. Die Vorgänge bei der Meiose und der Geschlechtsbestimmung sowie die Formalgenetik gehören ebenso zu den Grundlagen der Genetik wie die wichtigsten gentechnischen Methoden, die aus der medizinischen und biologischen Forschung nicht mehr wegzudenken sind. Verbesserte gentechnische Methoden erzeugen zunehmende Datenmengen, die, in zahlreichen Datenbanken abgelegt, zur Verfügung stehen. In der Systembiologie werden die Daten der DNA-Sequenzierung, Transkriptomic und Metabolomic zu neuen Modellen zusammengeführt. Angesichts der Flut an neu entdeckten Mechanismen und Faktoren auf dem Gebiet der Rekombination und Regulation ist es den Autoren gelungen, die zahlreichen Einzelergebnisse verständlich auf allgemeingültige und übergeordnete Mechanismen zu reduzieren. Die Ursprünge dieser Taschenlehrbuch-Reihe zur Biologie gehen auf eine Initiative des Gustav Fischer Verlages im Sommer 1997 zurück. An dieser Stelle möchte ich ganz besonders Herrn Dr. Arne Schäffler danken, der damals das
VI Vorwort Zustandekommen der Reihe ermöglichte und mit seinen vielen wertvollen Ratschlägen ihren Werdegang begleitet hat. Ermutigt durch den Erfolg der ersten Auflage, die 2000 und 2001 unter dem Namen Grundstudium Biologie im Spektrum-Verlag erschien, und die starke positive Resonanz von Studenten und Dozenten, haben wir eine neue Auflage in Angriff genommen, die mittlerweile durch zahlreiche neue Autoren unterstützt wird. Mein besonderer Dank gilt dem Georg Thieme Verlag für die neue Herausgabe der Reihe in ihrer jetzigen Taschenbuchform und der großzügigen farbigen Gestaltung. Frau Marianne Mauch als verantwortliche Programmplanerin danke ich für ihre Begeisterung für das Projekt, die effiziente Hilfe und ihre wertvolle Unterstützung bei der Weiterführung des Konzepts. Die Zusammenarbeit macht mir sehr viel Spaß. Frau Elsbeth Elwing hat mit ihrer fröhlichen Ruhe stets alle noch so aussichtslosen Terminprobleme bei der Herstellung gelöst. Auch allen anderen Mitarbeitern des Verlages, die mit ihrer Arbeit zum Gelingen der Bände beigetragen haben, sei gedankt. Besonders auch Michael Zepf, der alle meine technischen Anfragen immer rasch und zuverlässig beantwortet hat und Willi Kuhn für die Sachverzeichnis-Bearbeitung. Besonders bedanke ich mich auch bei Frau Christiane von Solodkoff sowie bei Frau Henny Bernstädt-Neubert für die sehr persönliche Zusammenarbeit und die kreative und professionelle Umsetzung zeitweilig im Dauereinsatz der teilweise chaotischen Vorlagen in die nun hier vorliegenden, hervorragend gelungenen Abbildungen. Dieter Kapp (Bielefeld), My-Linh Du (Berlin), Tilbert Kosmehl (Berlin), Peter Jeppesen (Edinburgh), Frantisek Marec (Ceske Budejovice, Tschechien), Heinz Winking (Lübeck), Helmut Zacharias (Langwedel), Manfred Rohde (Braunschweig), Adrian Sumner (Edinburgh, UK), Philippe Fournier (Saint-Christol-lez- Alès, Frankreich), Gerald G. Schumann (Langen), Alicja and Andrzej Stasiak (Lausanne) und Eberhard Schleiermacher (Mainz) danke ich ganz herzlich für die zur Verfügung gestellten Originale und Abbildungen. Für die geniale Unterstützung im Hintergrund danke ich meiner Mutter, die für unser leibliches Wohlergehen sorgte, meiner Tochter, die mich daran erinnerte, dass auch die Familie interessant sein kann, meinen beiden Söhnen für die kompetente und permanente Computerbetreuung ohne jegliche Pannen und Abstürze und meinem Ehemann Matthias Munk für die vielen fachlichen Diskussionen und Ermutigungen. Das hier vorliegende Werk ist eine Gemeinschaftsleistung aller an der Buchreihe beteiligten Autoren. Mit großem Einsatz haben sie nicht nur die eigenen Kapitel geschrieben, die anderen Kapitel korrigiert, sondern auch mit vielen konstruktiven Anregungen zu den Inhalten der anderen Bände fachübergreifende Zusammenhänge hergestellt. Wir hoffen, dass dadurch ein Gesamtwerk
Vorwort VII entstanden ist, dessen Lektüre Ihnen nicht nur gute Voraussetzungen für das Bestehen Ihrer Prüfungen vermittelt, sondern auch Ihre Begeisterung für das Fach Biologie weckt. Wir wünschen Ihnen viel Erfolg in Ihrem Studium! Dr. Katharina Munk E-Mail: MunkReihe@web.de Oktober 2009
VIII Hinweise zur Benutzung So arbeiten Sie effektiv mit der Taschenlehrbuch-Reihe Die Bücher bieten Ihnen vielfältige didaktische Hilfen, sowohl für die Phase, in der Sie die Grundlagen erarbeiten, als auch für die schnelle und effiziente Stoffwiederholung kurz vor einer Ihrer Prüfungen. Einführende Abschnitte geben Ihnen einen ersten Überblick und nehmen die wichtigsten Schlüsselbegriffe vorweg. Hier erhalten Sie den Rahmen, in den Sie den folgenden Inhalt einordnen können. Um Ihnen trotz der Stofffülle alle relevanten Inhalte im handlichen Taschenbuch-Format bieten zu können, sind die Texte möglichst kurz gefasst, aber dennoch verständlich formuliert mit vielen Hervorhebungen für eine optimale Orientierung und einen raschen Informationszugriff. Kleingedruckte Abschnitte mit zusätzlichen Details, Beispielen oder weiterführenden Informationen ermöglichen Ihnen einen Blick über den Tellerrand. Zahlreiche farbige Abbildungen und eindrucksvolle mikroskopische oder elektronenmikroskopische Aufnahmen helfen Ihnen, sich komplexe Sachverhalte zu erschließen. n In grün markierten Abschnitten finden Sie Informationen über Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus den beschriebenen biologischen Prinzipien ergeben. m n Orange gekennzeichnete Abschnitte erläutern konkrete Methoden, die Sie entweder in Ihrer experimentellen Arbeit selbst beherrschen müssen, oder die für Anwendungen z.b. in großtechnischem Maßstab von Bedeutung sind. m Repetitorien am Ende der Abschnitte greifen die wichtigsten neuen Begriffe nochmals auf. Sie sind ideal zum Lernen und zum Nachschlagen! Außerdem erfüllen sie die Funktion eines Glossars, da die Definitionen anhand der farbigen Seitenzahl im Sachverzeichnis leicht nachgeschlagen werden können. Das Zusatzangebot im Internet: www.thieme.de/go/taschenlehrbuch-biologie Anhand zahlreicher Prüfungsfragen zu jedem Kapitel und den ausführlichen Antworten können Sie Ihr Wissen selbst überprüfen. Die Zahl der Internet-Seiten, die sich mit biologischen Themen befassen, ist groß und steigt stetig. Aus dem unübersichtlichen Angebot haben wir für Sie neben einer Auswahl der wichtigsten weiterführenden Literatur einige Internet-Adressen zusammengestellt, die Ihnen als nützlichen Einstieg für weiterführende Recherchen dienen sollen. Wie bei einem Werk diesen Umfanges zu erwarten, ist auch diese Taschenlehrbuch- Reihe sicher nicht frei von Fehlern. Wir sind daher dankbar für Hinweise. Anregungen und Verbesserungsvorschläge können Sie uns jederzeit mailen. Die uns bekannten Korrekturen werden wir auf der oben genannten Internetseite zusammenfassen und aktualisieren.
Adressen IX Adressen Prof. Dr. Dieter Jahn Technische Universität Braunschweig Institut für Mikrobiologie Spielmannstraße 7 38106 Braunschweig Dr. Martina Jahn Technische Universität Braunschweig Institut für Mikrobiologie Spielmannstraße 7 38106 Braunschweig Dr. Inge Kronberg Möllers Hof 2 25761 Büsum www.naturverstehen.de Dr. Thomas Langer Keltenweg 10 65843 Sulzbach Dr. Regina Nethe-Jaenchen Bickenbacher Weg 9 64673 Zwingenberg Dr. Beate Schultze Kirchstraße 9 34519 Diemelsee Dr. Johannes Siemens Philippistraße 2 14059 Berlin Prof. Dr. Jörg Soppa Goethe Universität Biozentrum Institut für Molekulare Biowissenschaften Max-von-Laue-Str. 9 60438 Frankfurt Dr. rer. nat. habil. Klaus W. Wolf The University of the West Indies (Mona Campus) Electron Microscopy Unit Kingston 7 Jamaica, West Indies Dr. Harald Schlatter Hugenottenallee 35 63263 Neu-Isenburg
X Adressen
Inhaltsverzeichnis XI Inhaltsverzeichnis 1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen... 1 1.1 Die DNA trägt die erblichen Eigenschaften eines Organismus... 1 1.2 DNA- und RNA-Bausteine... 4 1.3 Bau der Nucleinsäuren... 7 1.3.1 Nucleotidketten und Basenpaarung................... 8 1.3.2 Die DNA-Doppelhelix.............................. 9 1.3.3 Die Quadruplex-DNA............................. 14 1.4 Eigenschaften der Nucleinsäuren... 16 1.4.1 Absorption von ultraviolettem Licht.................. 16 1.4.2 Schmelzen und Renaturierung der DNA............... 17 1.4.3 Haarnadelschleife................................ 18 1.5 Organisation der prokaryotischen Chromosomen... 21 1.5.1 Organisation der Genome von Bakterien.............. 21 1.5.2 Organisation der Genome von Archaea............... 23 1.6 Bau eukaryotischer Chromosomen... 25 1.6.1 10-nm-Faden (Primärstruktur)...................... 26 1.6.2 30-nm-Faden (Sekundärstruktur).................... 28 1.6.3 Schleifendomänen (Tertiärstruktur).................. 28 1.6.4 Chromatiden (Quartärstruktur)...................... 30 1.6.5 Funktionselemente von Chromosomen................ 30 1.7 Chromosomenanalyse... 41 1.7.1 Analyse von sehr kleinen Chromosomen.............. 41 1.7.2 Cytogenetik.................................... 42 1.8 Ungewöhnliche Chromosomenformen... 48 1.8.1 Lampenbürstenchromosomen....................... 48 1.8.2 B-Chromosomen................................. 49 1.8.3 Mikrochromosomen.............................. 49 2 Genomstruktur... 50 2.1 Organisation und Größe von Genomen... 50 2.2 Virale Genome... 51 2.2.1 Bakteriophagen.................................. 53 2.2.2 Eukaryoten-Viren................................ 55 2.3 Prokaryotische Genome... 59 2.3.1 Das Chromosom der Bacteria....................... 60 2.3.2 Das Chromosom der Archaea....................... 63 2.3.3 Transposons bei Prokaryoten....................... 64 2.3.4 Plasmide....................................... 65
XII Inhaltsverzeichnis 2.4 Eukaryotische Genome... 67 2.4.1 Das Kerngenom................................. 68 2.4.2 Das Plasmon.................................... 77 2.5 Genomik... 83 2.5.1 Das Humangenomprojekt.......................... 86 3 DNA-Replikation... 89 3.1 Grundschema der Replikation... 89 3.1.1 Semikonservative Verdopplung..................... 91 3.1.2 Semidiskontinuierliche Verdopplung................. 92 3.1.3 Simultane Verdopplung........................... 94 3.2 Ablauf der Replikation... 95 3.2.1 Replikationsinitiation............................. 96 3.2.2 Replikationselongation........................... 100 3.2.3 Replikationstermination.......................... 103 3.3 Replikation bei Bacteria... 105 3.3.1 Ablauf der Replikation bei Bacteria.................. 106 3.3.2 Kontrolle der Replikation in Bacteria................ 110 3.4 Replikation bei Archaea... 112 3.5 Replikation bei Viren... 115 3.5.1 Virale Replikationsmechanismen................... 115 3.6 Replikation bei Eukarya... 118 3.6.1 Ablauf der mitotischen Replikation................. 122 3.6.2 Kontrolle von Replikation und Zellteilung in Eukarya... 124 3.6.3 DNA-Endoreplikation............................ 129 4 Transkription... 133 4.1 Allgemeine Prinzipien der Transkription... 133 4.2 Transkription bei Bacteria... 136 4.2.1 Initiation...................................... 136 4.2.2 Elongation.................................... 141 4.2.3 Termination................................... 141 4.2.4 Prozessierung der RNA........................... 146 4.3 Transkription bei Eukaryoten... 148 4.3.1 Orte der Transkription........................... 150 4.3.2 Promotoren und Enhancer eukaryotischer Gene........ 151 4.3.3 Faktoren: TF, TBP, TAF, Transkriptionsaktivatoren und Coaktivatoren.............................. 153 4.3.4 Initiation...................................... 156 4.3.5 Elongation.................................... 157
Inhaltsverzeichnis XIII 4.3.6 Cotranskriptionales Prozessieren: Capping, Spleißen und Polyadenylierung.................... 159 4.3.7 Termination................................... 169 4.3.8 Nachträgliches Ändern der RNA-Sequenz: Editing...... 170 4.4 Transkription bei Archaea... 174 4.4.1 Initiation, Elongation und Termination............... 174 4.4.2 Spleißen bei Archaea............................ 175 5 Translation... 177 5.1 Allgemeine Prinzipien der Translation... 177 5.1.1 Der genetische Code............................. 179 5.1.2 Der genetische Code ist (fast) universell.............. 180 5.2 Mittler zwischen mrna und Protein: die trna... 182 5.2.1 Die Struktur der trna........................... 182 5.2.2 Prozessierung und Modifikation von trnas........... 184 5.2.3 Beladung der trnas: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen..... 185 5.2.4 Variabel aber nicht beliebig: Wobbeln............. 189 5.3 Orte der Translation: Ribosomen... 190 5.3.1 Struktur der Ribosomen.......................... 191 5.3.2 Bildung von Ribosomen in Bacteria................. 194 5.3.3 Bildung von Ribosomen in Eukarya................. 195 5.3.4 Bildung von Ribosomen in Archaea................. 197 5.4 Verlauf der Translation: Initiation, Elongation, Termination... 198 5.4.1 Initiation bei Bacteria............................ 199 5.4.2 Elongation bei Bacteria........................... 200 5.4.3 Termination bei Bacteria......................... 202 5.4.4 Initiation bei Eukaryoten......................... 205 5.4.5 Elongation und Termination bei Eukaryoten.......... 208 5.4.6 Translation bei Archaea.......................... 210 5.4.7 Translationsgenauigkeit: Pedantisch oder quick and dirty?.............................. 211 5.4.8 Das Ribosom als Angriffspunkt für Antibiotika......... 212 5.5 Aus dem Leben eines Proteins: Faltung, Translokation, Degradation... 214 5.5.1 Faltung naszierender Proteine..................... 215 5.5.2 Translokation durch die Membran.................. 218 5.5.3 Posttranslationale Modifikation.................... 221 5.5.4 Das Ende: Degradation.......................... 223
XIV Inhaltsverzeichnis 6 Meiose... 229 6.1 Die Bedeutung der Meiose... 229 6.2 Die Phasen der Meiose... 232 6.2.1 Leptotän der Prophase I.......................... 233 6.2.2 Zygotän der Prophase I........................... 237 6.2.3 Pachytän der Prophase I.......................... 237 6.2.4 Diplotän und Diakinese der Prophase I............... 240 6.2.5 Prometaphase I und Metaphase I................... 242 6.2.6 Anaphase I.................................... 242 6.2.7 Telophase I und Interkinese....................... 243 6.2.8 Prophase II bis Telophase II....................... 243 6.3 Rearrangierte Chromosomen in der Meiose... 244 6.3.1 Auswirkungen von Robertson-Translokationen........ 245 6.3.2 Auswirkungen von reziproken Translokationen........ 247 6.3.3 Auswirkungen von Inversionen.................... 249 6.3.4 Achiasmatische Meiose........................... 251 7 Formalgenetik... 254 7.1 In der Formalgenetik wichtige Grundbegriffe... 254 7.1.1 Genotyp und Phänotyp........................... 254 7.1.2 Dominanz und Kodominanz....................... 255 7.1.3 Vereinbarungen der Schreibweise.................. 257 7.2 Probleme bei der genetischen Analyse... 258 7.2.1 Pleiotropie und Polygenie......................... 259 7.2.2 Penetranz und Expressivität....................... 259 7.2.3 Umwelteinflüsse und Reaktionsnorm................ 261 7.3 Modellorganismen... 263 7.3.1 Pisum sativum (Erbse)............................ 263 7.3.2 Zea mays (Mais)................................ 264 7.3.3 Drosophila melanogaster (Taufliege)................. 265 7.4 Die Mendel-Regeln... 267 7.4.1 Die Methode Mendels............................ 268 7.4.2 Erste Mendel-Regel (Uniformitätsregel).............. 270 7.4.3 Zweite Mendel-Regel (Spaltungsregel)............... 271 7.4.4 Dritte Mendel-Regel (Unabhängigkeitsregel).......... 273 7.5 Gekoppelte Gene und Genkartierung... 276 7.6 Geschlechtsgebundene Vererbung... 280 7.7 Stammbaumanalyse... 282 7.7.1 Autosomal dominanter Erbgang.................... 282 7.7.2 Autosomal rezessiver Erbgang..................... 284 7.7.3 X-Chromosom-gebundene Vererbung................ 285
Inhaltsverzeichnis XV 7.8 Formalgenetik bei haploiden Organismen... 286 7.9 Ausnahmen von den Mendel-Regeln... 289 7.9.1 Formalgenetik der Mitochondrien.................. 289 7.9.2 Formalgenetik der Plastiden....................... 291 7.9.3 Maternale cytoplasmatische Effekte................. 292 7.9.4 Genomic Imprinting............................. 293 8 Geschlechtsbestimmung... 295 8.1 Grundlagen der Geschlechtsbestimmung... 295 8.2 Grundlagen der genotypischen Geschlechtsbestimmung 297 8.3 Dosiskompensation... 300 8.4 Sexuelle Differenzierung in Drosophila melanogaster.. 302 8.5 Sexuelle Differenzierung in Caenorhabditis elegans... 304 8.6 Sexuelle Differenzierung in Säugetieren... 305 8.6.1 Das primäre Signal.............................. 305 8.6.2 Die sekundäre Entwicklung (Geschlechtsdifferenzierung). 306 8.7 Haplodiploidie... 308 8.8 Geschlechtsbestimmung bei Pflanzen... 309 8.9 Geschlechtsbestimmung durch Umweltfaktoren... 311 8.10 Endokrine Ökotoxine... 313 9 Rekombination... 316 9.1 Einleitung und Übersicht... 316 9.2 Homologe Rekombination... 318 9.2.1 Formaler Ablauf................................ 318 9.2.2 Biochemie der homologen Rekombination............ 323 9.2.3 Homologe Rekombination in biologischen Prozessen.... 331 9.3 Ortsspezifische Rekombination... 340 9.3.1 Formaler Ablauf................................ 340 9.3.2 Biochemie von zwei konservierten Proteinfamilien..... 341 9.3.3 Ortsspezifische Rekombination in biologischen Prozessen 345 9.4 Transposition und Retrotransposition... 351 9.4.1 DNA-Transposons............................... 352 9.4.2 Poly(A)-Retrotransposons......................... 355 9.4.3 LTR-Retrotransposons............................ 358 9.5 Ein gezähmtes Transposon und das Immunsystem höherer Eukaryoten... 359 9.6 Rekombination und menschliche Krankheiten... 361 9.7 Evolution durch Rekombination und Evolution der Rekombination... 362 9.7.1 Evolution durch Rekombination.................... 362
XVI Inhaltsverzeichnis 9.7.2 Evolution der Rekombination...................... 364 9.8 Anwendung der Rekombination in Forschung, Biotechnologie und Gentherapie... 366 10 Mutation und Reparatur... 370 10.1 Welche Mutationen gibt es?... 370 10.1.1 Punktmutationen............................... 370 10.1.2 Chromosomenmutationen........................ 373 10.1.3 Genommutationen.............................. 379 10.2 Häufigkeit und Richtung spontaner Mutationen... 382 10.2.1 Spontane Mutationen sind ungerichtet............... 383 10.2.2 Häufigkeit spontaner Mutationen................... 385 10.3 Ursachen für Mutationen... 387 10.3.1 Zerfallsreaktionen von Nucleinsäuren................ 387 10.3.2 Einbau falscher Basen führt zu Fehlpaarungen......... 389 10.3.3 Reaktionen mit Nucleinsäuren chemische Mutagenese. 391 10.3.4 Basananaloga und interkalierende Substanzen......... 394 10.3.5 Strahleninduzierte Mutationen..................... 396 10.3.6 Repetitive Trinucleotid-Sequenzen: Dynamische Mutationen.................................... 398 10.3.7 Mutationen durch entsprungene Gene............. 400 10.3.8 Zielgerichtete Mutagenese........................ 401 10.4 Reparatur von DNA-Schäden... 404 10.4.1 Direkte Reparatur modifizierter Basen............... 405 10.4.2 Die Basen-Excisions-Reparatur..................... 407 10.4.3 Die Nucleotid-Excisions-Reparatur.................. 409 10.4.4 Die Mismatch-Reparatur.......................... 412 10.4.5 Reparatur durch Rekombination.................... 414 10.4.6 Reparatur von Einzel- und Doppelstrangbrüchen...... 414 10.4.7 SOS-Reparatur................................. 415 10.5 Suppression von Mutationen... 419 11 Kontrolle der Genexpression und Systembiologie... 421 11.1 Ebenen der Genexpressionskontrolle... 421 11.2 Genomstruktur und Genexpression... 423 11.2.1 Regulation der Genexpression über die Genomstruktur in Bakterien................................... 423 11.2.2 Regulation der Genexpression über die Genomstruktur in Eukaryoten.................................. 425 11.3 Transkriptionskontrolle in Prokaryoten... 426 11.3.1 Alternative Sigmafaktoren........................ 429
Inhaltsverzeichnis XVII 11.3.2 Zweikomponenten-Regulationssysteme.............. 430 11.3.3 Repressoren und Aktivatoren negative und positive Kontrolle...................................... 431 11.3.4 Regulation des lac-operons durch den Lac-Repressor und den Crp-Aktivator........................... 432 11.3.5 Komplexe Regulation der Stationärphase und generellen Stressantwort......................... 433 11.4 Transkriptionskontrolle in Eukaryoten... 436 11.4.1 Chromatinstruktur und Genregulation............... 438 11.4.2 Promotorelemente und Transkriptionsfaktoren........ 438 11.4.3 Häufige Regulatoren proximaler Promotorelemente..... 439 11.4.4 Spezialisierte Transkriptionsregulatoren und ihre Promotorelemente.............................. 440 11.4.5 Enhancer und Silencer........................... 442 11.4.6 Kopplung von Transkription und RNA-Prozessierung... 444 11.4.7 Methylierung und Epigenetik...................... 445 11.5 Signaltransduktion in Eukaryoten... 446 11.5.1 Prinzipien der Signaltransduktion................... 446 11.5.2 Sieben-Transmembranhelix-(7TM-)Rezeptoren und G-Protein-vermittelte Signalwege.................. 449 11.5.3 Intrazelluläre Signalsubstanzen Second Messenger... 450 11.5.4 Signaltransduktion durch pflanzliche Hormone........ 452 11.5.5 Signalwege über Serin/Threonin-spezifische Proteinkinasen................................. 452 11.5.6 Cytokinrezeptoren und der JAK-STAT-Signalweg...... 454 11.5.7 Wachstumsfaktoren und Rezeptor-Tyrosinkinase...... 454 11.5.8 Von der Membran über Ras und MAP-Kinaseweg in den Zellkern................................. 455 11.5.9 Toll-like-Rezeptoren............................. 456 11.6 Posttranskriptionelle Kontrolle der Genexpression... 458 11.6.1 Alternatives Spleißen............................ 458 11.6.2 MicroRNAs und RNAi in Eukaryoten................. 460 11.6.3 RNA-abhängige Regulation in Bakterien.............. 462 11.6.4 Regulierte RNA-Stabilität......................... 465 11.6.5 Gesteuerte mrna-lokalisation und Translation....... 465 11.7 Translationskontrolle in Eukaryoten... 466 11.8 Systembiologie... 469 11.8.1 Systembiologie................................. 470 11.8.2 Genome und Genomics........................... 471 11.8.3 Transkriptom und Transkriptomics.................. 472 11.8.4 Proteom, Proteomics und Interactomics.............. 472 11.8.5 Metabolom und Fluxom.......................... 473 11.8.6 Bioinformatische Modellbildung.................... 474
XVIII Inhaltsverzeichnis 12 Methoden der Molekularbiologie... 476 12.1 Einleitung... 476 12.1.1 Entwicklung der Molekularbiologie................. 476 12.1.2 Molekularbiologisches Arbeiten heute............... 477 12.1.3 Sicherheit und gesetzliche Grundlagen............... 478 12.2 In-vitro Methoden der Molekularbiologie... 479 12.2.1 Reinigung von Nucleinsäuren...................... 480 12.2.2 Gelelektrophorese............................... 481 12.2.3 Einsatz von Restriktionsendonucleasen.............. 482 12.2.4 Ligation....................................... 483 12.2.5 Polymerasekettenreaktion........................ 484 12.2.6 Sequenzierungsmethoden und Genomsequenzierung.... 487 12.2.7 Reverse Transkription............................ 491 12.2.8 Hybridisierung................................. 492 12.2.9 Mikroarray-Analysen............................ 494 12.2.10 Genom-, cdna- und Umwelt-DNA-Bibliotheken....... 495 12.2.11 In-vitro-Transkription und In-vitro-Translation........ 496 12.2.12 In-vitro-Evolution............................... 497 12.2.13 Chemische DNA-Synthese......................... 497 12.2.14 Molekulare Marker (für die Züchtung und in der Medizin) 498 12.2.15 Genetisches Screening und Genetischer Fingerabdruck.. 500 12.2.16 Analyse von Populationsstrukturen................. 503 12.3 In-vivo-Methoden der Molekularbiologie... 505 12.3.1 Transformation................................. 505 12.3.2 Regeneration vielzelliger Organismen................ 509 12.3.3 Heterologe Produktion von Proteinen................ 510 12.3.4 Expressionsanalysen mittels GFP................... 510 12.3.5 Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkung......... 512 12.3.6 Deletion von Genen und konditionale Depletion von Proteinen.................................. 513 12.4 In-silico-Methoden der Molekularbiologie... 516 13 Anhang Bildquellen... 523 Sachverzeichnis... 525
1.1 Die DNA trägt die erblichen Eigenschaften eines Organismus 1 1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen Klaus W. Wolf, Jörg Soppa (1.5) 1 1.1 Die DNA trägt die erblichen Eigenschaften eines Organismus Desoxyribonucleinsäure (desoxyribonucleic acid, DNA) und Ribonucleinsäure (ribonucleic acid, RNA) sind in allen Organismen vorhanden. Die DNA stellt als doppelsträngige Helix (DNA-Doppelhelix) das Erbgut der Bacteria, Archaea und Eukarya dar, während die RNA vorwiegend eine Rolle beim Informationsfluss in der Zelle spielt. Eine Ausnahme sind die Viren. Sie besitzen immer nur eine Art von Nucleinsäuren, entweder DNA oder RNA, die sowohl als einzelsträngige als auch als doppelsträngige Genome vorkommen. Die genetische Information wird über die Vorgänge der Transkription und Translation der Zelle zugänglich gemacht. Der Tübinger Forscher Friedrich Miescher gilt als der Entdecker der Nucleinsäuren. Er isolierte in den Sechziger- und Siebzigerjahren des 19. Jahrhunderts aus tierischen und menschlichen Geweben eine Substanz, die er Nuclein nannte, da er diese Substanz aus dem Nucleus, also dem Zellkern, isoliert hatte. Man geht heute davon aus, dass er in seinen Experimenten keine reinen Nucleinsäuren vor sich hatte, sondern eine Mischung aus Proteinen und Nucleinsäuren. Die erste Isolierung von proteinfreien Nucleinsäuren gelang Richard Altman im Jahr 1889. Er prägte auch den Begriff Nucleinsäuren. Der Begriff der Chromosomen, das sind die Einheiten, in denen das genetische Material organisiert ist, geht auf Walter Flemming zurück und bürgerte sich in den Achtziger- und Neunzigerjahren des 19. Jahrhunderts ein. Um die Jahrhundertwende war man sich sicher, dass Chromosomen Nucleinsäuren enthalten. Obwohl schon Anfang des 20. Jahrhunderts die Vermutung geäußert wurde, dass eine chemische Substanz wie die Nucleinsäuren für die vererbten Eigenschaften eines Organismus verantwortlich sein könnte, brachten erst die Versuche von Frederick Griffith und Oswald Avery Klarheit. Griffith übertrug 1928 in einem Verfahren, das wir heute als Transformation bezeichnen (S. 505 und Mikrobiologie), eine erbliche Eigenschaft eines Bakterienstamms auf einen anderen. Griffith benutzte einen Wildtypstamm des Bakteriums Streptococcus pneumoniae, dessen Zellen von einer Schleimkapsel umgeben sind, wodurch die Kolonien ein glattes Aussehen haben. Daher wird dieser Stamm als Stamm S (s = smooth) bezeichnet. Der Stamm S führte bei Mäusen nach Injektion zu einer tödlichen Infektion (Abb. 1.1), während durch Hitze inaktivierte Zellen des S-Stammes keinerlei Wirkung