Molekularbiologische Methoden: PCR und Gelelektrophorese

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine zentrale Methode zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten. In zyklischen Temperaturschritten wird die DNA denaturiert, Primer binden an die Einzelstränge und die DNA-Polymerase synthetisiert neue Stränge.

Beispiel: Die Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach ihrer Größe auf. Kleine Fragmente wandern schneller durch das Gel als große, wodurch ein charakteristisches Bandenmuster entsteht.

Short Tandem Repeats (STRs) sind kurze, sich wiederholende DNA-Sequenzen, die für genetische Fingerabdrücke genutzt werden. Die Anzahl der Wiederholungen ist individuell verschieden und kann mittels PCR und Gelelektrophorese analysiert werden.

Die DNA-Sequenzierung nach der Kettenabbruchmethode ermöglicht die Bestimmung der exakten Basenabfolge. Durch den Einbau von Didesoxynukleotiden entstehen DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge, die elektrophoretisch aufgetrennt werden.

DNA-Mutationen und ihre Auswirkungen

Die Proteinbiosynthese kann durch verschiedene Arten von Mutationen beeinflusst werden. Bei der Punktmutation verändert sich eine einzelne Base in der DNA-Sequenz, was zu unterschiedlichen Konsequenzen führen kann.

Definition: Eine stumme Mutation führt trotz Basenaustausch zur gleichen Aminosäure, während bei einer Missense-Mutation eine andere Aminosäure eingebaut wird. Bei einer Nonsense-Mutation entsteht ein vorzeitiges Stoppcodon.

Die RNA-Interferenz stellt einen wichtigen Regulationsmechanismus bei Eukaryoten dar. Dabei werden durch kurze RNA-Stücke gezielt Gene abgeschaltet oder fremde Erbsubstanzen abgewehrt. Der Prozess läuft in mehreren Schritten ab:

1. Zerschneiden der doppelsträngigen RNA in ca. 21 Nucleotide lange siRNA-Stücke
2. Beladung des RISC-Komplexes mit siRNA und Trennung in Einzelstränge
3. Erkennung und Abbau komplementärer mRNA

Highlight: Die RNA-Interferenz dient der Virenabwehr und Genregulation. Je nach Eigenschaften der dsRNA kann sowohl die Transkription als auch die Translation beeinflusst werden.

Chromosomenmutationen und Keimzellbildung

Bei der Proteinbiosynthese können auch größere Veränderungen im Erbgut auftreten. Monosomie und Trisomie sind Beispiele für Genommutationen, bei denen die Anzahl der Chromosomen verändert ist.

Beispiel: Bei der Trisomie 21 (Down-Syndrom) liegt das Chromosom 21 dreifach vor. Dies entsteht durch Fehlverteilung während der Keimzellbildung.

Die Bildung von Keimzellen unterscheidet sich zwischen männlichen und weiblichen Organismen:

• Weibliche Keimzellen entwickeln sich zu einer Eizelle mit Polkörperchen
• Männliche Keimzellen bilden vier bewegliche Spermien

Vokabular: Stammzellen werden als pluripotent bezeichnet, wenn sie sich zu verschiedenen Gewebetypen entwickeln können. Totipotente Zellen können einen kompletten Organismus bilden.

RNA-Prozessierung und Alternative Spleißen

Die RNA-Prozessierung ist ein essentieller Schritt in der Genexpression eukaryotischer Zellen. Nach der Transkription muss die prä-mRNA mehrere Modifikationen durchlaufen, bevor sie als reife mRNA das Kernplasma verlassen kann. Das Alternative Spleißen spielt dabei eine zentrale Rolle bei der Proteindiversität.

Vokabular: Die prozessierung der prä-mrna umfasst drei Hauptschritte: das Capping am 5'-Ende, das Spleißen der Introns und die Polyadenylierung am 3'-Ende.

Das RNA-Prozessierung Spleißen entfernt die nicht-kodierenden Introns und verbindet die kodierenden Exons miteinander. Beim Alternativen Spleißen können verschiedene Kombinationen von Exons zusammengefügt werden, wodurch aus einem Gen mehrere verschiedene Proteinvarianten entstehen können. Dies erhöht die Komplexität des Proteoms erheblich, ohne dass zusätzliche Gene benötigt werden.

Beispiel: Ein klassisches Alternatives Spleißen Beispiel ist das Dscam-Gen bei Drosophila, das durch alternatives Spleißen bis zu 38.016 verschiedene Proteinvarianten erzeugen kann.

Die Regulation alternatives Spleißen wird durch verschiedene Faktoren gesteuert und ist ein wichtiger Mechanismus für die Zelldifferenzierung und Entwicklung. Der RNA-Prozessierung Ablauf wird durch spezifische Proteinkomplexe kontrolliert, die als Spleißosomen bekannt sind. Diese erkennen bestimmte Sequenzen an den Intron-Exon-Grenzen und katalysieren die Spleißreaktion.