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Inhalte der Vorlesung„Einführung in die Genetik“

• Literaturempfehlungen• Was ist Genetik?• Anfänge der Genetik

- Tier- und Pflanzenzucht im Altertum- Entdeckung von Zelle, Zellkern, Chromosomen, Mitose, Meiose,Nukleinsäuren

• Mendel und die Mendel´schen Gesetze• Klassische Genetik: Begriffe Gen, Phänotyp und Genotyp…• Was ist das Erbmaterial?

- Pneumokokkentransformation 1944 - Phageninfektion 1951

• Die DNA-Doppelhelix - Material und Vererbungsprinzip1953


• Die Struktur des Erbmaterials: Doppelhelix, Nucleosomen,Chromosomen

• Vermehrung des Erbmaterials: SemikonservativeReplikation, Mitose

• Von der Bauanleitung zur Maschine- Transkription und ihre Regulation, Splicing- Translation und der genetische Code- Posttranslationale Modifikation; Proteinfaltung

• Neukombination des Erbmaterials- Meiose- Rekombination- Bakterieller Genaustausch: F-Teilchen


• Bakteriengenetik• Hefegenetik• Drosophila-Genetik• Humangenetik• Gentechnik

- Restriktionsenzyme, Gelelektrophorese- Transformation, Transfektion, Transduktion- PCR- Northern- und Southern-Blotting- DNA-Sequenzierung- Gen-Klonierung, Vektoren- Gen-Bibliotheken

Webzugriff„Einführung in die Genetik“

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• Graw: Genetik (Springer-Verlag)• Kaudewitz: Genetik (Ulmer-Verlag)• Knippers: Molekulare Genetik (Thieme Verlag)• Lewin: Genes XI (Jones and Bartlett Publishers)• Lodish, Baltimore...: Molecular Cell Biology (Freeman);

Molekulare Zellbiologie (SpektrumVerlag)

• Watson, Baker...: Molecular Biology of the Gene (Cummings)• Klug, Cummings, Spencer: Concepts of Genetics (Pearson)

Empfohlene LiteraturGenetik ist die Wissenschaft der Vererbung.Ursprünglich untersuchten die Genetiker die Regeln derVererbung, dann auch die dahinterliegenden Prinzipien.Die klassische Genetik untersucht die Grundelemente derVererbung und ihre Verteilung bei der Zellteilung. Diemolekulare Genetik untersucht die dahinterliegendenmolekularen Vorgänge mit biochemischen Methoden. Fürdie Untersuchung evolutionärer Vorgänge ist diePopulationsgenetik wichtig, die sich mit der Vererbungin Organismengruppen (Herden, Familien) beschäftigt.

Was ist Genetik?

Schon vor der modernen genetischen Forschungentwickelten die Menschen durch Beobachtung undExperimentieren ein Gefühl für Vererbungsvorgänge. Alleheutigen Zuchtpflanzen und Tiere sind schon vorJahrtausenden aus weniger ertragbringenden Wildformenherausgezüchtet worden. Das gelingt nur, wenn dasdickste Vieh und die größte Frucht nicht besondersschnell verspeist (oder als Dankopfer verbraucht) wurden,sondern (doch wohl bewußt) für die Weiterzuchteingesetzt wurden.

Anfänge der Genetik Anfänge der Genetik

Die Erfolge dieser klassischenZüchtungen beeindrucken. BeimMais, der ohne den Menschen nicht mehrüberlebensfähig ist, konnte die WildformTeosinte, ein unscheinbares Gras, nur durchmolekularbiologische Methoden identifiziertwerden.

Anfänge der Genetik

Banane und Karottesind weitereüberzeugendeZüchtungserfolge.

Für die Genetik wichtige Komponenten wurden im 19.Jahrhundert und davor entdeckt, meist ohne das ihre Rollefür Vererbung klar wurde:• Die Zelle als Grundbaustein lebender Wesen: Hooke1665• Zellkerne bei Pflanzen (Brown 1831) und Tieren(Schwann 1839)• Zellteilung als Grundprinzip des Lebens („omnis cellulaex cellula“) Virchow um 1870


• Zellkerne verschmelzen bei Befruchtung (1875/77Hertwigs, Strasburger)• Chromosomen um 1870• Chromosomenzahl bleibt bei der Mitose unverändert(Flemming 1882)• Meiose als Teilung mit Chromosomenzahl-Halbierung(ca. 1885, Boveri u.a.)• Nukleinsäuren im Zellkern (Miescher 1871- wegen derchemischen Einförmigkeit hat er sie als Erbmaterialausdrücklich ausgeschlossen - es dauerte bis 1944, bisdieser Fehler korrigiert wurde!)


Der Mönch Gregor Mendel veröffentlichte 1866 seine„Versuche über Pflanzenhybride“, in denen er seinemeist an Erbsen (Pisum sativum) durchgeführtenKreuzungsexperimente berichtete und darausgrundlegende Vererbungsregeln ableitete. Er benutztedabei zum ersten Mal für biologische ForschungMethoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung (Statistik). Eruntersuchte eine Reihe gegeneinander abgrenzbarerMerkmale, die sich also nicht gegenseitig beeinflussen.Solche Abgrenzbarkeit von Merkmalen ist fürgenetische Forschung bis heute wichtig.

Mendel

Mendels sieben Merkmale

Mendelssieben

Merkmale

Mendel kombinierte zwei Pflanzen mit alternativenMerkmalen in reziproken Kreuzungen (beide Pflanzenwurden als weiblicher und männlicher Partner eingesetzt,das geht nur bei einhäusigen (monözischen) Pflanzen).

Mendels ExperimenteSolche einhäusigen Pflanzen ermöglichen auchSelbstbefruchtungen. Durch deren Wiederholung gelangtman zu „reinen Linien“, Pflanzen, bei denen alleNachkommen genetisch identisch sind. SolcheInzuchtstämme sind für genetische Arbeiten eine großeHilfe. Auch bei Labormäusen gibt es solche Inzuchtlinien.Mendel setzte für seine Arbeiten reine Linien ein.

Durch Inzucht steigt aber die Wahrscheinlichkeit, daßrezessive Erbdefekte zur Ausprägung kommen (fast alleInzuchtstämme sind gegenüber Hybridstämmenunterentwickelt und anfälliger). Daher ist Inzucht beimMenschen in fast allen Kulturen tabuisiert.

Inzuchtstämme

Als erstes Kreuzungsergebnis bei der Untersuchung nureines Merkmalspaares (>monohybride Kreuzung) zeigtesich, daß von den alternativen Merkmalsformen bei denNachkommen der 1. Generation (F1-Generation oder 1.Filialgeneration) immer nur eine zur Ausprägung kommt,so daß alle Mitglieder der F1-Generation die gleichenMerkmale ausprägen : Uniformitäts- oderReziprokitätsregel.

Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linienbesitzen einen einheitlichen Phänotyp.

1. Mendelsche Regel 1. Mendelsche Regel

Das ausgeprägte Merkmal (A) wurde von Mendel als diedominante, das nicht ausgeprägte (a) als die rezessiveForm des Merkmals bezeichnet (recedere - zurücktreten).

1. Mendelsche Regel

Mendel beobachtete dabei auch eine Besonderheit, dieman heute als Heterosis oder Überdominanz bezeichnet:Die Stammlänge der Hybriden war länger als selbst diedes langwüchsigen Elternteils. Hybride übertreffen häufigin Merkmalen ihre homozygoten (reinerbigen)Ausgangsformen.Beim Hybridmais beruht der erhöhte Ertrag auf Heterosis,das Saatgut muß aber immer neu gekauft werden, da diepositive Eigenschaft bei Rückkreuzungen ausdünnt (siehe2. Mendelsches Gesetz).

1. Mendelsche Regel

Heterosis - Hybridmais

Eltern | F1 | bei weiterer Vermehrung geht der Effekt verloren

Zur Analyse von Kreuzungsexperimenten wird gern dieDarstellung als „Punnett-Viereck“ verwendet, weil darinalle entstehenden Typen und ihre Häufigkeit direktabgelesen werden können.

Punnett-Viereck

Kreuzte Mendel die F1-Hybriden untereinander, traten inder F2-Generation (2. Filialgeneration) alleursprünglichen Merkmale auf, die rezessiven aber nur bei25% der Nachkommen. Durch weitere Kreuzung (durchSelbstbefruchtung) der F3-Generation erkannte Mendel,daß tatsächlich je 25% der F2-Nachkommen reinerbig fürdas dominante bzw. rezessive Merkmal sind, 50%mischerbig (und dadurch das dominante Merkmalausprägen). Die Merkmale (Genotyp) verteilen sich also1:2:1, die Ausprägung (Phänotyp) ist 3:1.

2. Mendelsche Regel

2. Mendelsche Regel

Selbstbefruchtung:

2. Mendelsche Regel

HaploideGameten

A a

A AA Aa

a Aa aa

Spaltungsregel: Kreuzungen der heterozygotenNachkommen (F1) zweier reinrassiger Elternlinienuntereinander führen zur Aufspaltung derPhänotypen nach bestimmten Zahlenverhältnissen.

2. Mendelsche Regel

Unterscheiden sich die Ausgangslinien in mehr als einemMerkmalspaar, spricht man von polyhybriden (dihybrid,trihybrid...) Kreuzungen.Mendel führte auch solche Untersuchungen durch undfand das Prinzip der unabhängigen Segregation vonMerkmalen:Allele (die alternativen Formen eines Gens) verteilen sichim Prinzip unabhängig voneinander und von den Allelenanderer Gene auf die Nachkommen.

3. Mendelsche Regel

Dihybride Kreuzung(Blütenfarbe, Blütenform)bei der Trompetenblume

3. Mendelsche Regel

Aa Nn

3. Mendelsche Regel

Zu einer scheinbarenAusnahme von denMendelschen Regelnkommt es, wenn keineklare Dominanz vorliegt,sondern sich die Allel-Eigenschaften mischen(z.B. Blütenfarbe rosa beiweißen und roten Eltern).Man nennt dasunvollständigeDominanz.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln

Es gilt aber weiterhin die 1.Mendel´sche Regel, dieUniformitäts- oderReziprokitätsregel, da alleMitglieder der F1-Generation den gleichenPhänotyp zeigen.

Nachkommen reziprokerKreuzungen reinerLinien besitzen eineneinheitlichen Phänotyp.

Ergänzungen zu den Mendel´schen RegelnDie Grundeinheit der Vererbung ist das Gen. Jedes Gencodiert für eine Polypeptidkette (Ausnahmen: einige Genecodieren für funktionelle RNAs). Als Genom bezeichnetman die Gesamtheit der Erbsubstanz einer Zelle. DerGenotyp einer Zelle bezeichnet die Gesamtheit der Gene.Beim Begriff Genom geht es also eher um die DNA-Moleküle (Molekulare Genetik), bei Genotyp eher um dieGeneigenschaften (Klassische Genetik). Das tatsächlicherErscheinungsbild einer Zelle bzw. eines vielzelligenOrganismus ist der Phänotyp. Eine wichtige Aufgabe desGenetikers ist es, aus dem beobachteten Phänotyp auf denGenotyp zu schließen.

Wichtige Begriffe der Genetik

Varianten eines Gens bezeichnet man als Allele. ZweiZellen, die die gleichen Gene, aber unterschiedliche Allelein (mindestens) einem Gen haben, besitzen einenunterschiedlichen Genotyp.Diploide Zellen enthalten zwei Chromosomensätze(haploide Zellen nur einen) und damit zwei Kopien jedesGens. Sind die beiden Kopien identisch, ist derOrganismus homozygot (reinerbig) für dies Gen, besitzter aber zwei unterschiedliche Allele des Gens, ist erheterozygot (mischerbig).

Wichtige Begriffe der Genetik

Es kann mehrere unterschiedliche Allele eines Gens geben(Multiple Allelie). Das am häufigsten (in der Natur)vorkommende wird dann als Wildtypallel bezeichnet undmeist mit + (z.B. g+/g oder auch +/g für eine Heterozygotein Gen g) gekennzeichnet, oder auch mit Großbuchstaben(A), Mutantenallele dann mit Kleinbuchstaben (a).


Die Veränderung des Gens (Mutation) kann zum völligenFunktionsverlust führen (Nullallel, amorphes Allel), dieFunktion schwächen (hypomorphes Allel) oder über dasWildtypniveau steigern (hypermorphes Allel), oder ganzneue Eigenschaften verursachen (neomorphes Allel).Beispiel: WT-Gen (codiert für Farbe-produzierendesEnzym) bewirkt rote Blütenfarbe, Nullallel bewirkt weißeBlüte, hypomorphes Allel rosa Blüte, hypermorphestiefrote Blüte (viel Farbstoff), neomorphes blaue Blüte(anderes Farbmolekül durch veränderte Enzymaktivität,passiert extrem selten).


Ein Allel, das im homozygoten Zustand zum Tod desOrganismus führt, nennt man einen Letalfaktor. Beiessentiellen (lebenswichtigen) Genen ist das Nullallel einLetalfaktor.


Codominanz tritt auf, wenn sich verschiedene Allele einesGens parallel ausprägen. Ein Beispiel ist das Blutgruppen-system AB0. Allel 0 (I0) ist tatsächlich ein funktionslosesNull-Allel, Allel A (IA) bewirkt die Anheftung von N-Acetylgalaktosamin an die Erythrocytenmembran, Allel B(IB) die von Galaktose. Heterozygote IAIB tragen beideZucker auf den Erythrozyten (Blutgruppe AB). Hier liegtalso kein normales dominant-rezessiv Verhalten vor.

Im Falle der Blutgruppengene läßt sich auch nicht eins derbeiden IA und IB als das Wildtypgen zuordnen. Manspricht in so einem Fall von Polymorphismus.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Codominanz Blutgruppen

Chemisch ist derUnterschiedzwischen denBlutgruppen-substanzen A und Bgering.

Dominanz, partielle Dominanz und Codominanz

Werden Eigenschaften durch mehr als ein Gen geprägt(Polygenie, multifaktorielle Vererbung), ist der Erbgangschwieriger vorherzusehen. Polygenie ist sehr häufig underschwert systematische Züchtungen nach klassischenMethoden.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Polygenie

Die Körnerfarbe von Weizen wird von zwei Genenbestimmt, dadurch gibt es fünf Farbabstufungen.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Polygenie

Weiter kompliziert werden genetische Analysen dadurch,daß die Wirkung eines Gens von der Wirkung andererGene abhängen kann. Wirken Genprodukte (Enzyme) imselben Stoffwechselweg nacheinander, so unterdrückt einAusfall „vorn“ im Weg den Phänotyp eines Ausfalls„weiter hinten“. Diese „Dominanz über ein nicht-allelesGen“ wird als Epistasie bezeichnet, Gen „vorn“ istepistatisch über Gen „hinten“.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Epistasie

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Epistasie

Umgekehrt kann ein Gen auch mehrere Eigenschaftenbeeinflussen. Man spricht dann von pleiotropen Effektenoder Pleiotropie. Eine in Afrika verbreitetes Allel für dasHämoglobingen (roter Blutfarbstoff) führt zu Blutarmut(Sichelzellanämie), daneben zu Herzfehlern, Milzschäden,Schäden im Gehirn und häufiger Lungenentzündung. Aufder anderen Seite sind die Betroffenen resistenter gegenMalaria.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Pleiotropie

Normale Erythrozyten

und

Sichelzellerythroyten

SichelzellanämieErgänzungen zu den Mendel´schen Regeln

- Penetranz

Die Ausprägung vonGeneigenschaftenkann auch z.B. durchUmwelteinflüsse(Blattform undWuchs beimLöwenzahn)beeinflußt werden.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Penetranz

Beim Himalaja-Kaninchen kommt es nur in kühlenKörperregionen zur Schwärzung des Fells, weil nur dort dasEnzym Tyrosinase arbeitet. Das Gen ist also im ganzenKörper vorhanden, der Effekt tritt aber nicht überall auf. Daswird als unvollständige Penetranz bezeichnet.

Entgegen dem 3. Mendelschen Gesetz werdenunterschiedliche Gene oft nicht unabhängig voneinandervererbt. Das geschieht, wenn sie in geringem Abstand aufdem gleichen Chromosom liegen - sie sind danngekoppelt und werden meist gemeinsam vererbt. Es kannaber auch dann durch „crossing over“ oderRekombination zur Trennung der beiden Gene kommen,indem zwischen den beiden Kopien des Chromosoms einAustausch stattfindet.

Ergänzungen zu den Mendel´schen Regeln- Genkopplung

Die Entdeckungen Mendels blieben zunächst praktischunbeachtet. Um 1900 wurden sie von de Vries,Tschernak-Seysenegg und Correns wiederentdeckt. Aufihrer Basis wurde von Wilson, Sutton und Boveri dieChromosomentheorie der Vererbung aufgestellt. Ohnedaß die chemische Struktur der Chromosomen damals klarwar, wurden sie als Träger der Erbinformation erkannt.Besonders wichtig war dabei die Parallelität derVererbung der Geschlechtschromosomen (die nur beieinem Geschlecht auftreten) mit der Vererbunggeschlechtsgebundener Merkmale.

Mendels Nachfolger

Lange Zeit waren die Proteine wegen ihrer offensicht-lichen Komplexität Favoriten der Forscher als Träger derErbinformationen.Griffith fand 1928, daß eine Mischung von nicht-pathogenen, kapsel-losen Mutanten (R-Form) vonPneumococcus mit hitze-getöteten pathogenen Zellen (S-Form) infektiös ist und Mäuse an Lungenentzündungsterben läßt. Offenbar war die genetische Information fürdie Virulenz übertragen worden (Pneumokokken-Transformation*). Der Kapseltyp entsprach immer demder eingesetzen S-Form, nicht der infektösen Vorläufer-form der R-Mutante. Es handelte sich also nicht um eineReversion der Mutation.

Mendels Nachfolger

Pneumococcen-Transformation

Pneumococcen-Transformation:*Das klappte so einfach, weil Pneumococcus (heuteStreptococcus pneumoniae) gram-positiv ist. DieZellwand hält also hydrophobe Substanzen ab, nicht aberdie hydrophile DNA. Beim gram-negativen E. coli ist eineaufwendige Vorbehandlung der Zelle notwendig, um sie„kompetent“ für die Transformation zu machen.

Mendels Nachfolger

Avery, McLeod und McCarthy gelang es 1944, aus derpathogenen S-Form Extrakte zu isolieren und damit die R-Form zur Pathogenität zu transformieren. Behandlung desisolierten Materials mit Proteasen und RNAsenverhinderten das nicht, wohl aber DNAse-Behandlung.Auch eine chemische Analyse des Extrakts zeigte, daß erüberwiegend aus DNA bestand.

Mendels Nachfolger Pneumokokkentransformation

Pneumokokkentransformation

Es blieben Zweifel, ob Spuren von Protein mitübertragenwaren. 1951 markierten Hershey und Chase dieProteinhülle vom Bakteriophagen T2 mit 35S und dieDNA mit 32P radioaktiv. Beim Infizieren derBakterienzelle blieb die Proteinhülle außen zurück, nurdas 32P, und damit die DNA, gelangte in die Zelle undbewirkte die Neuentwicklung von Phagen. Die neuenPhagen enthielten wiederum 32P-DNA, aber kein 35S vomUrsprungsphagen. Das Erbmaterial mußte die DNA sein.

Mendels Nachfolger

DNA, nichtProtein dringtin die infizierteZelle ein Der Einsatz von Isotopen ist ein wichtiges Hilfsmittel der

biochemischen Forschung. Atomkerne bestehen ausProtonen und Neutronen. Die positiv geladenen Protonenbestimmen den chemischen Charakter des Atome(welches Element es ist), die Neutronen „verdünnen“ dieProtonen. Alle Atome mit gleicher Protonenzahl stehen ander gleichen Stelle im Periodensystem, sind daher Isotopedesselben Elements - unabhängig von ihrer Neutronen-zahl.

Exkurs: Isotopen und Radioaktivität

Dabei gibt es für jede Protonenzahl einen optimalenBereich für die Neutronenzahl. Bei dieser Mischung sinddie Atome stabil*, bei Abweichungen werden sieradioaktiv: sie zerfallen spontan unter Aussendung vonStrahlung. Das kann sehr schnell, aber auch erst nachlanger Zeit geschehen.

*von einigen Elementen, besonders denen mit sehr hoherProtonenzahl (alle ab 83 Bismut, 84 Polonium), gibt eskeine stabilen Formen (43 Technetium, 61 Promethium;Uran, Plutonium...), die „stabilsten“ Isotope haben indiesen Fällen eine längere Halbwertszeit (Lebensdauer)als Isotope mit sehr hoher oder sehr niedrigerNeutronenzahl.

Exkurs: Isotopen und RadioaktivitätDa sich Isotope chemisch gleich verhalten, ersetzenradioaktive Isotope die natürlichen ohne Probleme auch inbiochemischen Vorgängen, sie lassen sich dabei durch dieabgegebene Strahlung leicht verfolgen.Auch nicht-radioaktive Isotope können nützlich sein.Die unterschiedliche Neutronenzahl verändert dasGewicht des Atoms und damit des Moleküls, zu dem esgehört. Das kann die Eigenschaften (Schwebedichte vonDNA - Meselson und Stahl-Experiment) verändern.Isotope unterscheiden sich schließlich noch im „Spin“ desAtomkerns, quasi dem Drehmoment. Das läßt sich bei derNMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz) ausnutzen,bei der der natürliche Kohlenstoff (12C) unsichtbar ist unddaher nur das seltene 13C gemessen wird.

Exkurs: Isotopen und Radioaktivität

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