Genetik - Abitur - Bio LK

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Vorbereitung auf Mitose G₂ S Zellzyklus S-Phase: - Replikation der DNA -2-Chromatid-Chromosomen Kontrollpunkt (Chromosomen richtig mit Spindelapparat verbunden?) Mitose | M Cytokinese G₁ Go-Phase: - Austritt aus Zellzyklus - Differenzierung im Organismus - keine weitere Teilung Kontrollpunkte nur überschritten, wenn Prozesse fehlerfrei ablaufen -> sonst Zelltod Gl-Phase: - Wachstumsphase der Zelle - 1-Chromatid-Chromosomen Kontrollpunkt (gute Umstände für Zellteilung?) Kernteilung Prophase: - Chromatin spiralisiert sich zu Chromosomen - Spindelapparat bildet sich an den Polen Mitose Metaphase: - Spindelfasern setzen an Centromern an - Chromosomen in Äquatorialebene angeordnet (mittig) - Kernhülle löst sich auf Anaphase: -2-Chromatid-Chromosomen werden am Centromer getrennt - Spindelfasern verkürzen sich -> ziehen 1-Chromatid-Chromosomen zu den Polen Telophase: - Spindelapparat löst sich auf - neue Kernhüllen bilden sich - Chromosomen entspiralisieren sich in Chromatinfäden - neue Zellkerne erkennbar Cytokinese: - endgültige Teilung der Zelle - weiteres Schicksal" der Zelle entscheidet sich 888 888 XXXXX vvvvvv M 8 8 8 8 8 s - Meiose Meiose 1: diploider Chromosomensatz mit 2-Chromatid-Chromosomen Prophase: - Chromatin spiralisiert sich zu Chromosomen - Spindelapparat bildet sich an den Polen Metaphase: - Spindelfasern setzen an Centromern an - Chromosomen in Äquatorialebene angeordnet - Kernhülle löst sich auf Anaphase: - homologe Chromosomen werden getrennt - Spindelfasern verkürzen sich -> ziehen 2-Chromatid-Chromosomen zu den Polen Telophase: - Spindelapparat löst sich auf - neue Kernhüllen bilden sich - Chromosomen entspiralisieren sich in Chromatinfäden - Chromatin spiralisiert sich zu Chromosomen - Spindelapparat bildet sich an den Polen Meiose 2: zwei Tochterzellen, haploider Chromosomensatz mit 2-Chromatid-Chromosomen Prophase: (0) Metaphase: - Spindelfasern setzen an Centromern an Chromosomen in Äquatorialebene angeordnet - Kernhülle löst sich auf Anaphase: non - Chromosomen werden am Centromer getrennt - Spindelfasern verkürzen sich -> ziehen 1-Chromatid-Chromosomen zu den Polen Telophase: - Spindelapparat löst sich auf - neue Kernhüllen bilden sich - Chromosomen entspiralisieren sich in Chromatinfäden (12) 13 XXXXX -> vier Tochterzellen, haploider Chromosomensatz mit 1-Chromatid-Chromosomen interchromosomale Rekombination: Gametenbildung: (Meiose) - in der Anaphase 1 zufällige Verteilung der homologen Chromosomen von Mutter und Vater auf Tochterzellen - Neukombination von Erbfaktoren - betrifft den gesamten Chromosomensatz Befruchtung: (Bildung Zygote) - zufälliges Spermium dringt in Eizelle ein intrachromosomale Rekombination: Gametenbildung: (Meiose) - Crossing-Over - in der Prophase I - Austausch von Chromosomenstücken zwischen homologen Chromosomen -> liegen nah beieinander, wachsen teilweise zusammen - Neukombination der genetischen Information -> genetische Variabilitat - Chiasmata (Kreuzungen) entstehen - betrifft einzelne Chromatide DM Rekombination DE CH www.wa 20 SIEGEVUSTeKoodates BE XX {}}} Spindelfasern Gelelektrophorese genetischer Fingerabdruck: - unverwechselbarer molekularer „Fingerabdruck" eines jeden Individuums aus Allelsequenzen - bestimmte Merkmale der DNA, die für ein Individuum charakteristisch sind - nicht vollständiger Code des Genoms -> nur charakteristisches Profil -Verwechslung (fast) ausgeschlossen Anwendung: Forensik, Sportmedizin, Verwandtschaftsforschung Gelelektrophorese: -DNA-Fragmente werden mit PCR vervielfältigt, müssen aufgetrennt werden -Herstellen der Gelelektrophorese: warme Agaroselösung in Kunststoffschale mit Slotkamm gießen nach Abkühlung Slotkamm rausziehen: Agarosegel mit Slots entsteht -in die Slots werden unterschiedlich gefärbte Proben mit DNA-Fragmenten pipettiert . (eine Vergleichsprobe mit bekannten Längen) -Gel kommt in Elektrophoresekammer & Spannung wird angelegt -DNA-Fragmente wandern aus Slots ins Gel Richtung Pluspol (kurze Fragmente wandern schneller und weiter) -Abbruch wenn Farbstoff Ende des Gels erreicht: Gel wird in Farbstofflösung gelegt -> nach Entfärbung werden Stellen als Banden sichtbar, wo DNA angereichert ist -Bandenmuster können mit bekannten Proben verglichen werden -bei gleichem Bandenmuster sind DNA-Proben identisch -> zB. Vaterschaftstest, Tätersuche etc. 1 A O 5 tedavakkeessTV5VLOTUKOVAR I - Veränderung der genetischen Information einer Zelle - Steigerung der genetischen Variabilität →-> Evolutionsfaktor - Mutationen in Keimzellen Auswirkungen auf Folgegeneration • Mutationen Mutationstypen: - Genommutationen: verändern Anzahl der Chromosomen im Chromosomensatz - Chromosomenmutationen: betreffen Struktur einzelner Chromosomen - Genmutationen: verändern Basensequenz einzelner Gene Substitution/Punktmutation: - Austausch eines Nukleotidpaares - stumme Mutation: keine Auswirkung auf codiertes Protein -> Mutation im Intron -> Mutation im Exon aber Protein bleibt gleich (Redundanz genetischer Code) - Missense-Mutation: keine bis schwere Auswirkungen -> andere Aminosäure wird codiert - Nonsense-Mutation: Protein kaum aktiv oder funktionslos > Stoppcodon codiert und Translation bricht ab Rastermutation: - Insertion: Einfügen von Nukleotiden - Deletion: Entfernen von Nukleotiden - Leseraster wird verschoben: nur falsche Aminosäuren codiert -> schwerwiegende Auswirkungen (falsche/keine Funktion) హ DNA mRNA Amino acids DNA mRNA Amino acids DNA mRNA Amino acids DNA mRNA MMM Phe MMM Phe IMM Phe MMM Amino acids Phe Tyr Tyr Tyr Glu Thr WN AND Lys Gly Glu Lys Glu WAA JOH WNA NAA Arg Arg Normal Substitution Insertion Deletion Proteinbiosynthese mRNA: -Kopie eines DNA-Bereichs -überträgt genetische Information ins Cytoplasma -Bauplan für Proteine -Vorlage für Proteinbiosynthese -Base Uracil statt Thymin tRNA: -Kleeblattförmig -spezifische Aminosäure an 3'-Ende gebunden -Anticodon-Triplett (3 Basen) -> bindet komplementär an Codon-Triplett der mRNA Ribosomen: (rRNA) -für richtige Anlagerung der tRNA an mRNA -überträgt entstehende Peptidkette auf nächste Aminosäure Ablauf: -Transkription -RNA-Prozessierung (Spleißen) -Translation Synthese der mRNA 3º 5' mRNA-Strang 5'-Ende Promotor (Startsequenz) Transkription codogener Strang nicht-codogener Strang Initiation: -RNA-Polymerase lagert sich am Promoter an (viele benachbarte AT-Basen) -entwindet und öffnet den Doppelstrang - -> löst Wasserstoffbrücken -Transkriptionsfaktoren lagern sich an -codogener Strang 3' zu 5' (wird transkribiert) -nicht-codogener Strang 5' zu 3' 3'-Ende Elongation: -Nukleotide lagern an komplementäre Basen des codogenen Stranges der DNA -RNA-Polymerase synthetisiert mRNA in 5' zu 3' -mRNA löst sich von DNA Termination: -DNA schließt sich hinter RNA-Polymerase -RNA-Polymerase trifft auf Stoppsequenz -mRNA-Einzelstrang und RNA-Polymerase lösen sich RNA-Polymerase Terminator (Stoppsequenz) 5' 3' Synthese des Proteins →> Übersetzung der mRNA -> DNA mRNA mRNA tRNA Von der DNA zum Polypeptid (Protein): 5' nicht-codogener Strang codogener Strang Codons Anticodons freie tRNA Aminosäuren 3' Peptidkette K CKX JOO E-Stelle Translation ادر Met P-Stelle Xx 9 K Tyr CK D 10៥០៥០៥០៥៥៥៥៥០០០០៥០២០២៥ A-Stelle AMA વધારાના Gly aaaaaa 3' Aminosäure U Gly beladene tRNA große Untereinheit des Ribosomen kleine Untereinheit des Ribosomen OK E DEC UU DAAD Phe LX=C EV GA U Met K KDE 19986 2+1 d 5' 3' Initiation: -Anlagerung der kleinen und großen Ribosomen-Untereinheit (rRNA) an Startcodon der mRNA -beladene +RNA bindet an Startcodon der mRNA Exongation: bedobb -beladene tRNA bindet komplementär an mRNA-Codon in A-Bindungsstelle -Aminosäure/Peptidkette wird in P-Bindungsstelle von tRNA getrennt -> bindet an Aminosäure der tRNA in A-Bindungsstelle Termination: AAL 000000000000000 aaaaaaa aaaaaaar boook -Rinosomen wandert an mRNA nach rechts (5' zu 3¹) -beladene tRNA bindet komplementär an Codon der mRNA in A-Bindungsstelle -leere tRNA in E-Bindungsstelle verlässt Ribosomen (wird im Cytoplasma erneut mit Aminosäure beladen) 88888 Pazar -Ribosomen trifft aus Stopp-Codon der mRNA -Release Factor bindet an Stopp-Codon in A-Bindungsstelle -fertiges Protein wird freigesetzt -Translationskomplex zerfällt 0000 aaaaaaar M-LLLllllllM brada da337 Val Arg * Ser * Ala Lys A с U G G A с U U G C Asn A Asp P с G U U U G G Glu Thr С с A A A С A Start с U Met Gly GUCA GUCAGU Der genetische Code Phe GU GAC GU AC UG lle Leu * Arg с A UGACUG Ser * A с G U с Gin G U U с G A с A His Tyr G U с A U G G U C A -> gibt an, welches Basentriplett welche Aminosäure codiert Eigenschaften: -Triplett-Code: Codons bestehen aus 3 Basen Pro Cys Stop Trp -universell: gilt für fast alle Lebewesen -eindeutig: jedes Codon codiert nur 1 Aminosäure -redundant: alle Aminosäuren werden durch mehrere Codons codiert -kommafrei: Codons schließen lückenlos aneinander -nicht überlappend: jede Base gehört nur zu I Triplett Leu Stop * Stop Abkürzung Ala Arg Asn Asp Cys Gin Glu Gly His lle Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val Aminosäure Alanin Arginin Asparagin Asparaginsäure Cystein Glutamin Glutaminsäure Glycin Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Prolin Serin Threonin Tryptophan Tyrosin Valin Entdeckung genetischer Code -experimenteller Ansatz von Wissenschaftlern Marshall Nirenberg & Philipp Lederer im Jahr 1964 -Synthese von kurzen mRNA-Molekülen mit bekannter Basensequenz -gaben mRNA mit allen notwendigen Bestandteilen der Proteinbiosynthese in ein Reagenzglas -> gereinigte Ribosomen aus Bakterien isoliert, alle 20 Aminosäuren mit jeweils I radioaktiv markiert, mRNA mit 3 bekannten Nukleotiden -nach Translation: Gemisch auf Filter gegeben (Ribosomen kann nicht passieren, nur kleinere Teilchen) -untersuchen, ob radioaktives Signal auf Filter oder im Filtrat -> erkennen, ob das Codon der mRNA die markierte Aminosäure codiert oder nicht -weiterführende Versuche mithilfe der bekannten Ergebnisse: längerkettige mRNA-Moleküle mit bekannter Basensequenz synthetisieren Polypeptid, ermitteln der Aminosäuresequenz -weitere Codons konnten zugeordnet werden in der Folgezeit konnte genetischer Code vollständig aufgeklärt werden Aubau der DNA Räumliche Organisation Zeitliche Organisation Genaufbau Aufbau mRNA Reifung mRNA Aufbau Ribosomen Posttranslationale Modifikation Vergleich Proteinbiosynthese Prokaryoten -ringförmig -histonfrei -kein Kern -keine Kernmembran & Zellkern -Transkription & Translation am gleichen Ort (Cytoplasma) -Translation beginnt während Transkription -durchgehend codierende Abschnitte (Exons) -keine Kappe & Poly(A)-Endstück -ähnlich viele Nukleotide wie DNA-Abschnitt -keine prä-mRNA & Modifizierung -70S-Ribosomen -> 50s- & 30s-Untereinheit Eukaryoten -fadenförmig -um Histone gewickelt -im Zellkern -Kernmembran & Zellkern -Transkription & Translation an verschiedenen Orten (Zellkern & Cytoplasma -Kernmembran trennt Translation von Transkription: nacheinander -Mosaikgen: (Exons & Introns) -> codierende und nicht-codierende Sequenzen -Kappe am 5'-Ende und Poly(A)-Endstück am 3'-Ende -weniger Nukleotide als DNA-Abschnitt -prä-mRNA. Spleißen -80S-Ribosomen -> 60s- & 40s-Untereinheit -Veränderung der Polypeptide -> Regulation der Proteinbiosynthese in einer Zelle durch Genaktivierung/-hemmung & Steuerung der Genaktivität Genaktivierung: -> durch Hormone Cytoplasma Zellkern DNA XXXXXXXXX Gen Hormon (Testosteron) Rezeptor- protein -Signalmolekül Zellkern G-Protein phosphoryliertes Protein zelluläre Antwort Cytoplasma Protein-Kinase Hormon- Rezeptor- Komplex 88888 inaktiver Transkriptions- faktor m-RNA ●●● ●●● Enzym Adenylat-Cyclase C-AMP aktiver Transkriptions- Pfaktor (Enhancer) DNA XXXXXXXXX Gen Genregulation Eukaryoten Plasma- membran neues Protein Ribosom Zellmembran m-RNA Genaktivierung durch lipophile Hormone: -fettlösliche Proteine durchdringen Lipidschicht der Zellmembran -binden an Rezeptorprotein (Schlüssel-Schloss-Prinzip) -Hormon-Rezeptor-Komplex passiert Kernmembran -binden an regulatorische DNA-Abschnitte -Transkription bestimmter Gene wird ausgelöst Genaktivierung durch hydrophile Hormone: -wasserlösliche Hormone können Lipidschicht nicht durchdringen -binden an Oberfläche an Rezeptor (Schlüssel-Schloss-Prinzip) -in der Zelle werden Proteine aktiviert -Signalkaskade: Entstehung Vielzahl von Proteinmolekülen -Transkriptionsfaktor im Zellkern wird aktiviert -Transkription bestimmter Gene wird ausgelöst Regulation der Proteinbiosynthese: Chromatin DNA prä-m-RNA fertige m-RNA TFIE Gen RNA- Polymerase Signal Mediator RNA-Poly- merase II 880 Kontrolle auf Transkriptionsebene: Transkriptionsrichtung TFIIB Transkriptionsrichtung Initiator- TATA-Box Regio Enhancer 3 5 Transkription Zellkem Entspiralisieren der DNA Spleißen Transport durch Kernporen TFUF TFIIH 6 TFIID TFIIJ DNA TFIIA stromaufwärts DNA m-RNA im Cytoplasma stromaufwärts Abbau der m-RNA Polypeptid biologisch aktives Protein abgebautes Protein Translation Aktivierung durch Spaltung oder chemische Veränderung Abbau des Proteins 00 100 0⁰% 000 O -spezifische Transkriptionsfaktoren binden an regulatorische Sequenzen (DNA-Abschnitte, die nicht transkribiert werden. spezifischer Transkriptionsfaktor Transkriptionsfaktor weiter weg vom Gen liegen) isolatorbindendes -Schleifenbildung: alle Transkriptionsfaktoren binden an Mediator (Proteinkomplex) -> können zusammen wirken Cytoplasma -TATA-Box: DNA-Region des Promotors mit viel Adenin+Thymin -> wird von Transkriptionsfaktoren erkannt -allgemeine Transkriptionsfaktoren binden an Promotorregionen -RNA-Polymerase kann binden -aktivierende Transkriptionsfaktoren (Enhancer) verstärken Transkription -hemmende Transkriptionsfaktoren (Silencer) blockieren Start der Transkription -Zusammenspiel der Transkriptionsfaktoren am Mediator-Komplex -> Regulation der Genexpression/Transkriptionsrate Kontrolle auf RNA-Prozessierungsebene (Spleißen): prä-mRNA Zwischenschritt fertige mRNA Alternatives Spleißen: DNA Spleißen der prä-mRNA: -Introns werden ausgeschnitten -Exons werden zur mRNA verknüpft -Kappe & Endstück werden angehangen prä-m-RNA m-RNA moor Exons: codierte Abschnitte, die Informationen des Gens tragen Introns: nicht informationstragende Abschnitte Kappe & Endstück: schützen mRNA vorm Abbau & verlängern Lebensdauer, helfen beim Anheften an Ribosomen Exon 1 Poly(A)-Endstück Exon 1 1 Geee Selle 2 3 Translation 3' Protein A Exon 2 Poly(A)-Endstück Exon 2 4 5 Exon 3 1 Exon 3 Alternatives Spleißen 245 Translation han teeell Exons Protein B -ein Gen codiert für unterschiedliche Proteine -prä-mRNA wird unterschiedlich prozessiert -> auch Exons können herausgeschnitten werden Introns Exons Exon 4 Exon 4 1 Kappe 2 Exon 5 Exon 5 3 Translation Protein C reeeee 5 Kappe Kontrolle auf Translationsebene: -Konzentration & Stabilität der mRNA regulieren Translationsrate -mRNA kann vor jeder Translation abgebaut werden -Regulation, welche mRNA an Ribosomen translatiert wird Kontrolle auf Proteinaktivitätsebene: -Aktivierung von Proteinen durch Spaltung oder chemische Veränderung (Cofaktoren) -Proteine können inaktiviert werden -Abbau von Proteinen: Regulation der Menge an aktivierten Proteinen Genregulation Prokaryoten Regulation der Proteinbiosynthese in einer Zelle durch Genaktivierung/-hemmung & Steuerung der Genaktivität Operon-Modell: -viele Proteine ständig benötigt -> konstitutive Gene werden ständig transkribiert -andere Proteine nur unter bestimmten Bedingungen benötigt -> regulierte Gene werden nach Bedarf an-/abgeschaltet -Operon-Modell zur Regulation der Genaktivität Substrat-Induktion: -Regulatorgen: Transkription/Translation -> aktives Repressorprotein -RNA-Polymerase bindet an Promoter kein Substrat vorhanden: -Repressor bindet an Operator -> blockiert RNA-Polymerase -keine Transkription der Strukturgene Vorgänge am lac-Operon bei Abwesenheit von Lactose lac-Operon Regulatorgen M Repressor (aktiv) mRNA Regulatorgen Repressor (aktiv) Promotor Operator Z mRNA RNA-Polymerase Vorgänge am lac-Operon bei Vorhandensein von Lactose Substrat vorhanden: -Substrat bindet als Effektor an Repressor -> Repressor wird inaktiviert -Repressor kann nicht an Operator binden -> RNA-Polymerase transkribiert Strukturgene -Translation: Enzyme für Substratabbau synthetisiert -Substrat wird abgebaut Lactose RNA-Polymerase Änderung der Raumstruktur lac-Operon Y Promotor Operator Z Y A A Repressor (inaktiv) Abbau DNA \ I / Keine Synthese Lactose- abbauender Enzyme DNA mRNAs Synthese Lactose- abbauender Enzyme Abbauprodukte Endprodukt-Repression: -Regulatorgen: Transkription/Translation —> inaktives Repressorprotein -RNA-Polymerase bindet an Promoter kein Endprodukt vorhanden: -Repressor kann nicht an Operator binden -mRNA-Polymerase transkribiert Strukturgene -Translation: Enzyme für Endprodukt-Aufbau synthetisiert -Endprodukt wird synthetisiert Vorgänge am trp-Operon bei Abwesenheit von Tryptophan trp-Operon Regulatorgen ↓ ↓ Repressor (inaktiv) mRNA Regulatorgen ↓ Vorstufen des Tryptophans -Repressor bindet an Operator - -keine Transkription der Strukturgene -Endprodukt wird nicht weiter hergestellt Repressor (inaktiv) Promotor Operator RNA-Polymerase mRNA Tryptophan Vorgänge am trp-Operon bei Vorhandensein von Tryptophan trp-Operon Promotor Operator Endprodukt vorhanden: -Endprodukt bindet als Effektor an Repressor - -> Repressor wird aktiviert -> blockiert mRNA-Polymerase RNA-Polymerase Änderung der Raumstruktur E 1 Repressor (aktiv) D C B A E 1/ Synthese D с B DNA A mRNAs Synthese Tryptophan- synthetisierender Enzyme Tryptophan DNA Keine Synthese Tryptophan- synthetisierender Enzyme Negative Kontrolle: -Transkription der Strukturgene verhindert -> durch aktives Repressorprotein oder hoher Glucosekonzentration -Lactose wird erst abgebaut, wenn Glucose vollständig verbraucht ist: Glucose-Effekt Menge Doppelte Kontrolle lac-Operon Zugabe von Glucose Bakteriendichte Zugabe von Lactose Enzyme des Lactose-Abbaus Glucose Positive Kontrolle: -Glucose hemmt Adenylatcyclase: ATP kann nicht in cAMP umgewandelt werden -Zugabe von CAMP: Glucose-Effekt verringern -bei aktivem lac-Operon höhere Konzentration von CAMP -CAMP bindet an CAP (Aktivator-Protein) Bindung an Promotor -erhöhte Affinität der RNA-Polymerase: Strukturgene häufiger transkribiert -> Lactose abbauende Enzyme werden auch bei Anwesenheit von Glucose synthetisiert Adenylatcyclase wird gehemmt Zeit ATE CAP 3 Z CAMP Y RNA-Polymerase mRNA A Epigenetik -Epigenetik = Genetik + Epigenese -erbliche Veränderungen -Veränderungen in der Genregulation (An- & Abschalten von Genen) -durch Umwelteinflüsse hervorgerufen (zB. Gewohnheiten & Lebensumstände) -Entwicklung unterschiedlicher epigenetischer Codes > phänotypische Unterschiede Regulation der Genaktivität über chemische Modifikationen: DNA-Methylierung: -reversibel, direkte epigenetische Veränderung der DNA -Enzyme (DNA-Methyltransferasen) hängen zusätzliche Methylgruppen an Basen der DNA -> vor allem Cytosin/Adenin: Methylcytosin & Methyladenin -Änderung der Raumstruktur: RNA-Polymerase wird blockiert -Silencing: Gene werden stillgelegt -aktive/inaktive Regionen der DNA werden markiert -Methylierung kann auf nächste Generation übertragen werden Histon-Modifikation: -Histon-Acetylierung: Histonen werden negativ geladene Acetylgruppen angehangen -Chromatinstruktur öffnet sich (Euchromatin), lockere Packungsstruktur der DNA -> Transkriptionsfaktoren können binden -Gene werden angeschaltet -Histon-Methylierung: Histonen werden Methylgruppen angehangen -DNA-Strang ist nicht zugänglich (Heterochromatin) Gene angeschaltet Chromosom im Zellkern Histone- X³ Xull Acetylgruppen werden angehängt DNA-Strang Gene abgeschaltet RNA-Polymerase bindet, Gen wird abgelesen RNA-Polymerase bindet nicht, Gen wird nicht abgelesen X2²D MelMen Me Me DNA-Methylierung Acetylgruppen werden entfernt 2 Genregulation durch Komprimierung der DNA Me Entstehung eines Tumors: -durch Mutationen im Erbgut einzelner Zellen -> Zellen teilen sich unkontrolliert ·Krebs -Tumorzellen bilden Wucherungen: verdrängen gesundes Gewebe -> weitere Zellen verlieren Funktion -gutartiger Tumor: Tumorzellen sind noch zusammengeballt, können chirurgisch entfernt werden -bösartiger Tumor (Krebs): einzelne Zellen lösen sich und breiten sich im Körper aus -> bilden Metastasen (Tochtergeschwülste) in anderen Geweben, Behandlung erschwert Kontrollsystem im Zellzyklus: -Schlüsselproteine: Cycline und Cyclin-abhängige-Proteinkinasen (Cdk) -> Aktivität entscheidet über Fortsetzen/Unterbrechen des Zellzyklus -Cycline unterliegen Auf- & Abbau, kontrollieren Aktivität der Cdk Gl-Phase: Gl-Cyclin bindet an Cdk-Moleküle -> bilden Start-Kinase für DNA-Replikation gutartig S-Phase: aktive Start-Kinase aktiviert DNA-Replikation Abbau von Gl-Cyclin inaktiviert Start-Kinase G2-Phase: mitotisches Cyclin bindet an Cdk-Moleküle ATP wird zu ADP und Phosphat gespalten: Phosphat lagert sich an bösartig -> bilden Mitosephase-Förderfaktor (MPF) ATP wird zu ADP und Phosphat gespalten: Phosphat lagert sich an mitotisches Cyclin Mitose: MPF löst Mitose aus Abbau von mitotischem Cyclin zwischen Metaphase & Anaphase inaktiviert MPF Cdk Mitosephase- Förderfaktor Blutgefäß ATP ADP M G₂ O aktive Start-Kinase veränderte Epithelzellen (Tumorzellen) ATP ADP aktiviert Mitose- Maschinerie metastasierende Tumorzellen G₁-Cyclin löst DNA- Replikation aus Epithelzellen -Basalmembran Bindegewebe oder Muskel- gewebe Signalübertragung im Zellzyklus: -Bildung der Cyclin-Cdk-Komplexen gesteuert durch Ras-/p53-abhängigen Signalweg Ras-abhängiger Signalweg: -Ras: Membran-assoziiertes GTP-bindendes Protein -inaktiv: bindet GDP -Membranrezeptor empfängt extrazelluläres Signal -Phosphorylierung des Rezeptors (ATP zu ADP, Phosphat bindet an Rezeptor) -Ras & GDP binden an Rezeptor: GTP bindet an Ras (GDP wird durch Phosphat zu GTP) -> Ras wird aktiviert, löst Signalkaskade aus -Transkriptionsfaktor wird aktiviert: Genexpression von nötigen Genen für Zellteilung -Spaltung von GTP in GDP & Phosphat: Ras wird inaktiviert 1 ATP ATP ATP ATP Rezeptor inaktiv 2 ATP ATP ADP extrazelites Signal, z. B. 3 ein Wachstumsfaktor inaktiv extrazeldires Signal, z.B ein Wachstumsfaktor Die Spaltung von GTP zu GDP und anorg, Phosphat Signalkaskade und damit Inaktivierung von Ras erfolgt Ras-abhängig. p53-abhängiger Signalweg: -p53 als inaktiver Transkriptionsfaktor -Signal, dass DNA beschädigt/fehlerhaft ist: p53 wird aktiviert T letztlich Aktivierung eines Transkriptions- aktivators Außenmembran -p53 leitet Transkription der mRNA für Protein p21 (Inhibitor der Start-Kinase) -p21 bindet an Start-Kinase: wird gehemmt > DNA-Replikation herauszögern bis Schäden behoben sind Zellkern Zellkern Genexpression von Genen, deren Genprodukte für die Zellteilung benötigt werden (z.B. Cyclin-Gene) inaktiv Transkriptionsfaktor p53 Signal: DNA ist be schädigt oder fehlerhaft aktiv 53 21 Transkription u.a. der mRNA für das Protein p21 DNA Herstellung des p21-Proteins Inaktivierung der Start-Kinase Cp21 Krebsentstehung: -Ras-Protein: Proto-Onkogen -Mutation: Ras-Onkogen (regt Zellteilung übermäßig an) -> dauerhaft im aktiven Zustand -Ras kann gebundenes GTP nicht mehr spalten -abhängiger Transkriptionsaktivator auch dauerhaft aktiv -Genexpression von zB. Cyclin-Genen wird nicht mehr gestoppt -> unkontrollierte & ungehemmte Zellteilungen -Protein p53: Tumor-Suppressorgen -Mutation: p53 kann nicht mehr als Transkriptionsaktivator binden -bei DNA-Schaden wird kein p21 hergestellt -DNA-Replikation trotz DNA-Schaden -> unkontrollierte & ungehemmte Zellteilungen zwei Allele des Tumor-Suppressorgens Zellzyklus- Kontrollsystem zwei Allele des Proto-Onkogens -Ras ist dominant: eine Mutation reicht, damit Zellteilung übermäßig wird -p53 ist rezessiv: beide Allele müssen mutiert sein, damit Zellteilung übermäßig wird normale Zellteilung Mutation, die ein einzelnes. Proto-Onkogen überaktiv werden lässt Variante leicht übermäßige Zellteilung Zellkern aktiv übermäßige Zellteilung Signalkaskade beide Tumor-Suppressorgene sind mutiert und inaktiviert durch Mutation verändertes Ras-Protein Aktivierung eines Transkriptions- aktivators infolge einer Mutation veränderter inaktiv Transkriptionsfaktor p53 DNA ist beschädigt oder fehlerhaft Zellkem Genexpression von Genen, deren Genprodukte für die Zellteilung benötigt werden (z.B. Cyelin-Gene) Start Kinase bleibt aktiv DNA Transkription wird nicht initiiert keine Herstellung des p21-Proteins -Chromosomenmutationen Veränderungen der Chromosomenstruktur -vererbbar -balancierte Chromosomenanomalie: Menge der Erbinformation bleibt gleich -nicht-balancierte Chromosomenanomalie: Menge der Erbinformation ändert sich Chromosomenanomalien Numerische Chromosomenanomalie: -Über-/Unterzahl der Chromosomen eines Chromosomensatzes -2B. Trisomien & Monosomien -Ursache: fehlerhafte Meiose Nondisjunction (Nicht-Trennung) der -homologen Chromosomen in Reifeteilung I -Schwesterchromatiden in Reifeteilung II B D Inversion 1.Melose Translocation Non-Disjunction 2.Melose Monosomie Trisomie ¥><b>/0}]•£?$__$$Q Deletion b) (08) Strukturelle Chromosomenanomalie: -Deletion: ein Chromosomenstück geht verloren -Inversion: ein Chromosomen fragment ist umgekehrt eingebaut -Translokation: ein Chromosomen fragment/ein ganzes Chromosomen bindet an nicht homologes Chromosomen reziproke Translokation: zwischen nicht homologen Chromosomen werden Fragmente ausgetauscht -Duplikation: ein Chromosomenfragment lagert an Schwesterchromatide an XX Non-Disjunction (8) Normal (**) Duplication Trisomie -Mann, merkmalsfrei: -Mann, Merkmalsträger: -Frau, merkmalsfrei: -Frau, Merkmalsträger: -Elternpaar: -Geschwister: altestes - jüngstes Stammbäume -auf Chromosomen liegen verschiedene Gene (zB. Gen für Augenfarbe) -Zustandsform eines Gens: Allel (zB. Gen für Augenfarbe blau) -Buchstaben als Darstellungsform für Allele -dominantes Allel: A -rezessives Allel: a -homozygot: AA & aa -heterozygot: Aa Stammbaumanalyse: -Einleitungssatz -untersuchtes Merkmal angeben -Anzahl der Generationen angeben -wahrscheinlich vorliegenden Erbgang angeben -Legende erstellen (Symbole & Allelbezeichnungen) -übrige Erbgänge ausschließen: exakte Stelle & Genotypen angeben -alle tatsächlich möglichen Genotypen der betroffenen Personen angeben -Schlusssatz: höchstwahrscheinlich vorliegender Erbgang Erbgänge X-chromosomal-dominant: -Gendefekt liegt auf dominantem X-Gonosomen -mehr Erkrankte Frauen als Männer Autosomal-dominant: -Gendefekt liegt auf dominantem Allel A -viele Erkrankte -beide Geschlechter ähnlich betroffen -Erkrankte in jeder Generation -keine Konduktoren (Überträger) -gesunde Eltern können keine kranken Kinder bekommen -kranke Eltern können keine gesunden Kinder bekommen -Erkrankte in jeder Generation (keine Konduktoren) -gesunde Eltern können keine kranken Kinder bekommen -kranker Vater und gesunde Mutter können keine gesunde Tochter & keinen kranken Sohn bekommen -kranke Eltern können keine gesunde Tochter bekommen -autosomal-dominante Vererbung ist auszuschließen -> aufgrund Ungleichheit der betroffenen Geschlechter aber unwahrscheinlich Autosomal-rezessiv: -Gendefekt liegt auf rezessivem Allel a -wenig Erkrankte -beide Geschlechter ähnlich betroffen Y-chromosomal-dominant: -Gendefekt liegt auf Y-Gonosomen -nur erkrankte Männer -alle Generationen betroffen -kranker Vater kann nur kranke Söhne bekommen -gesunde Eltern können kein krankes Kind bekommen -Generationen können übersprungen werden -es gibt Konduktoren von beiden Geschlechtern x-chromosomal-rezessiv: -Gendefekt liegt auf rezessivem x-Gonosomen -mehr Männer als Frauen betroffen -Generationen können übersprungen werden -nur Frauen als Konduktoren möglich -kranke Eltern können kein gesundes Kind bekommen -gesunde Eltern können kein krankes Mädchen bekommen -kranke Frau und gesunder Mann können kein krankes Mädchen bekommen und keinen gesunden Sohn Y-chromosomal-rezessiv: -Gendefekt liegt auf Y-Gonosomen -nur erkrankte Männer -Generationen können übersprungen werden -kranker Vater kann nur kranke Söhne bekommen -kranke Eltern können kein gesundes Kind bekommen -x-chromosomal-rezessive Vererbung nicht auszuschließen -> aber unwahrscheinlich, da alle gesunden Frauen Konduktoren sein müssten Vererbungsregeln Uniformitätsregel: -reinerbige Eltern mit AA & aa —> 1. Filialgeneration mit Aa (alle gleich) -> „Kreuzt man zwei reinerbige Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind die Nachkommen alle gleich." P F1 Unfortegel ww - Mendel'sche Regeln Rw Rw aa x9 Spaltungsregel: -Kreuzen von erster Filialgeneration mit Aa untereinander -> 2. Filialgeneration mit Verhältnis 3:1 : AA, Aa, Aa, aa -> Kreuzt man die mischerbigen Individuen der Fl-Generation untereinander, treten in der F2-Generation sowohl Merkmalsausprägungen der Elterngeneration, als auch der Fl- Generation in einem bestimmten Verhältnis auf.“ Elterngeneration aabb Aa AaBb Aa x1 AA x3 F1-Generation Unabhängigkeitsregel: AA Aa -reinerbige Eltern mit jeweils 2 verschiedenen Merkmalen -> in 2. Filialgeneration treten neue Merkmale auf -> „Bei einer Kreuzung von Eltern, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden, für die sie jeweils reinerbige sind, werden die jeweiligen Erbanlagen unabhängig voneinander an die Nachkommen vererbt." Elterngeneration F2-Generation aa Rw AABB F1-Generation RR F2-Generation x3 Rw Grafik: Ricardo Castellanos -zwei Gene für zwei verschiedene Merkmale können codieren -> sie liegen auf dem gleichen Chromosomen -Merkmale werden zusammen/gekoppelt vererbt -es treten in der Regel keine neuen Merkmalskombinationen auf Genkopplung Entkopplung: -Entkopplung der Gene bei Vererbung möglich -Merkmale können in Folgegeneration einzeln auftreten -> durch Crossing-Over während Meiose (Metaphase 1) 110 Bruder 1 Bruder 2 jo T Bruder 3 Bruder 4 Legende Chromosomen Allel für Bluterkrankheit Allel für Rot-Grün-Sehschwäche Bluter Rot-Grün-Sehschwäche Bluter mit Rot-Grün- Sehschwäche gesund Stammzellen -können sich unbegrenzt teilen -können Kopie ihrer Zelle hervorbringen -können sich nach Teilung auf verschiedene Funktionen spezialisieren -alle Zellen eines Organismus entwickeln sich aus Stammzellen Symmetrische Teilung: -"normale" Zellteilung der Stammzellen/Selbsterneuerung Asymmetrische Teilung: -Teilung in eine Kopie der Stammzelle & eine differenzierte Zelle -> spezialisiert auf bestimmte Funktion (somatische Zelle) Eizelle: (embryonale Stammzelle) -totipotent kann einen vollständigen Organismus entwickeln (-Eizelle und Zellen der ersten Zellteilungen vor Blastozygote) Embryonale Stammzellen: -pluripotent -können sich in jeden Zelltyp des menschlichen Körpers differenzieren -frühe Phase der Embryonalentwicklung (Blastozygote) Muskelzellen Workembildung Blutzellen Symmetrisch Asymmetrisch Stammzelle Progenitorzelle / differenzierte Zelle Vereinigung der Marke Adulte Stammzellen: -multipotent -können sich in bestimmten Zelltyp differenzieren: sind auf Gewebe festgelegt -> eingeschränktes Differenzierungspotenzial -für Regeneration der Zellen aller Körperorgane verantwortlich -asymmetrische Zellteilung Nervenzellen 00 2 Ⓒwissenschau de Stammzellen Beginn der Tellung) - www Stammzelle multipotent 800 Darmzellen nur bestimmte Gewebe totipotent ㅈ pluripotent Herzmuskelzellen Tweede Leberzellen (Actturlistadium) ganzer Mensch alle Gewebe, aber kein ganzer Mensch therapeutischer Einsatz von Stammzellen Ethische Fragestellungen beim Einsatz von Stammzellen Für einige Forschungsansätze: Nutzung humaner embryonaler Stammzellen -> für Herstellung müssen menschliche Embryonen zerstört werden (auch andere Möglichkeiten, zB. Reprogrammierung von adulten Stammzellen, nicht immer möglich) Frage nach Schutzwürdigkeit des menschlichen Embryos -> Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verbrauchen oder nur dafür erzeugen? -keine globale Antwort in Deutschland Gewinnung embryonaler Stammzellen verboten andere Länder: nur überzählige Embryonen aus Kinderwunschbehandlungen erlaubt andere Länder: Herstellung & Zerstörung menschlicher Embryonen für Forschung erlaubt Fragen nach moralischem Status: ab wann ist Embryo ein Mensch"? Methode der ethischen Beurteilung: Frage nach Legitimität der verfolgten Ziele und dafür nötige anzuwendende Mittel? Welche Alternativen stehen Ver ing? Neue Forschungserkenntnisse: -klinisch erprobte Therapien mit adulten Stammzellen -> Stammzellenspende aus menschlichem Gewebe -weitere Therapieansätze in Entwicklung -nicht-therapeutische Anwendungsmöglichkeiten -> Herstellung von Fleisch aus tierischen Muskelstammzellen in Petrischale, Testen neuer Medikamente (reduzieren von Tierversuchen) -großes Potential der Stammzellforschung (zB. Bekämpfen von Krankheiten) -ethische Fragestellungen bleiben bestehen DNA-Chip-Technologie -DNA-Chips (Microarrays) zeigen, welche Gene in der Zelle zu bestimmten Zeitpunkt aktiv sind & wie hoch Genexpression im Vergleich zur „Normalzelle" ist -> Informationen über Funktionsstand & Regulation bestimmter Gene Anwendungsmöglichkeiten: -Behandlung von Krankheiten (zB. Krebsforschung) -wenn Gene bekannt sind, die überexprimiert/lahmgelegt sind, kann Fehlexpression gezielt behandelt werden -> ganze Zelle muss nicht abgetötet werden, verhindert unnötigen Schaden organg der Analyse: -aus einem gesunden & einem kranken Gewebe werden Zellen entnommen -aus Zellen wird komplette mRNA isoliert (codiert nur aktive Gene) -Enzym (Reverse Transkriptase) stellt zur mRNA komplementäre cDNA her -> cDNA: exakte Kopie der DNA ohne inaktive Gene -cDNA aus Krebszelle & gesunder Zelle werden gemischt (cDNA mit Fluoreszenzmarkern grün/rot markiert) -Hybridisierung: cDNA mit bestimmten Gensequenzen bindet an passende Spots auf DNA-Chips -nicht gebundene cDNA wird herausgewaschen -Chips werden mit grünem Laserstrahl abgetastet Bild entsteht: gebundene Spots mit cDNA aus gesunder Hautzelle leuchten grün (wird gespeichert) -Chips werden mit rotem Laserstrahl abgetastet Bild entsteht: gebundene Spots mit cDNA aus Krebszelle leuchten rot (wird gespeichert) -Laserbilder werden übereinander gelegt: -> grüne Spots: Gene sind nur im gesunden Gewebe aktiv -> rote Sports: Gene sind nur im kranken Gewebe aktiv gelbe Spots: Gene sind in beiden Geweben aktiv mRNA aus Normalgewebe 5. AUCG..3 5.UAUC. 3 5..CACU..3 TASC LATA6 6T6A mRNA aus Tumorgewebe Beveue Transkriptive 5. AGUA..3 5.CACU..3 5.UUAG..3 1. Welches Enzym spielt hier eine Rolle? LICAT STOA AATC 4. Kennzeichne die cDNA farbig mit den richtigen Farben Aufbringen der markierten CDMA auf dem Chip Gen 3 Abwaschen der überschüssigen CDAM So sieht ein Aufschnitt auf dem Chip jetzt aus 5' ATCG 3¹ TAGE 5' ATCG 3 TASC 5 CAR 3 LATGA SCAR STOA 5' TTAG 3¹ AATE 5 TTAG 3 LAAK GGAG 3 CCTC GGAG 3 CCTC Ergänze die fehlenden cDNA-Sticke Kennzeichne jeweils die fluoreszierenden Stellen auf dem Chip farbigt (inke Kästchen) Bild des Chips nachdem er mit einem grünen Laser bestrahlt wurde: Bild des Chips nachdem er mit einem roten Laser bestrahlt wurde: Bild des Chips nachdem die beiden Bilder übereinander gelegt wurden: -Mechanismus der Genregulation -gezielter Abbau/Deaktivierung der mRNA -nach Transkription, vor Translation Ablauf: -doppelsträngige dsRNA liegt vor (von Viren oder Zelle hergestellt) -Dicer (Enzym) schneidet dsRNA im Cytoplasma in kleine Stücke (siRNA oder miRNA) -RISC-Komplex trennt RNA in Einzelstränge -Leitstrang führt RISC-Komplex zur komplementären Ziel-mRNA -RISC-Komplex spaltet mRNA -> mRNA kann nicht translatiert werden Nutzung: -Virusabwehr -Regulation der Genexpression -Krebsbekämpfung b a dsRNA siRNA RISC RNA-Interferenz DCL e Zytoplasma d mRNA des Zielgens wird blockiert und abgebaut Allgemeiner Mechanismus der RNAi ======SAMMAM interferierende RNAS RISC RISC Dicer RISC dsRNA -Basenabfolge der DNA ermitteln -Prinzip der Sanger-Sequenzierung: Kettenabbruchreaktion -PCR: Reaktionsansatz aus DNA-Probe, taq-Polymerase, Nukleotide, nur eine Art von Primer -vier Reaktionsansätze: jeder jeweils eine Art farbig markiertes Stopp-Nukleotid (Ribose fehlt, Polymerase bricht ab) -> zB. ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP, werden zufällig eingebaut -30 Zyklen PCR: in jedem Ansatz entstehen unterschiedlich lange DNA-Sequenzen, die aber alle auf der selben Base enden -Gelelektrophorese: DNA-Fragmente werden nach Länge aufgetrennt (vier Slots) -Basensequenz kann am Bandenmuster abgelesen werden -> von hinten nach vorne, also vom kürzesten/am weitesten gewanderten Fragment zum längsten Fragment -Basenabfolge ist komplementär zur sequenzierten DNA, nicht die richtige Abfolge! tul! wwwblad ddATP mgong ddTTP Langwing banning ROWNING wwwood Ausgangsstoffe DNA-Sequenzierung 4 dNukleotide 200 Polymerase DNA Matrize www.ideally wwwddddialal. budod! ddCTP 4 ddNukleotide ddGTP Primer HOPPFORD 1043-יוויויו jagnghargaanghihing HT || DNA-Sequenz: u Ï ATCAGCTGTACG Komplementäre Sequenz: TAGTCGACATGC 1 Reaktions- ansatz Aufteilung in 4 Reaktions- ansätze DNA- Synthese Gelelektro- phorese + Autoradio- graphie 3¹ CATETTE CAGCCAGT 5 GTACAACGTCGGTCA dATP+dCTP+dGTP+dTTP Nukleotide (dNTPs) W +ddATP +ddCTP +ddGTP T C 1999- DNA-Probe G Primer +ddTTP abgelesene Sequenz: 5 AAGCGTCGGTCA 3¹ komplementäre Sequenz der DNA-Probe: 3 TTCGAGCCAGT 5' 3 DNA-Sequenzierung nach SANGER T längstes Fragment kürzestes Fragment -Methoden/Verfahren der Biotechnologie -Erbgut von Lebewesen wird gezielt künstlich verändert -Entstehen von gentechnisch veränderten Organismen . . . . Grundoperationen der Gentechnik - DNA 1 Restriktion & Ligation Zielgen PCR Restriktions- verdau Ligation Ablauf der Klonierung Plasmid- isolation Resistenz- gen Isolation: -DNA wird aus Zellen isoliert -Restriktionsendonucleasen (Restriktionsenzyme): in Bakterien vorhanden zerschneiden großes DNA-Molekül in Bruchstücke hohe Substratspezifität: erkennt bestimmte Basenabfolge -> zerschneidet an dieser Erkennungssequenz: Restriktionsschnittstelle Symmetrie der Basenreihenfolge: identische Basenabfolge in 5' zu 3': palindromisch Enden der DNA-Bruchstücke einsträngig: sticky ends -Fremd-DNA und bakterielle DNA werden mit gleichem Restriktionsenzym zerschnitten -> zB. DNA eines menschlichen Gens (Spender-DNA) →> Plasmid (ringförmige DNA eines Bakteriums) wird aufgeschnitten (Transport-DNA) PONDO CADOWAFIKA- Transformation & Selektion 2 Plasmid mit Plasmid -Fragmente werden durch DNA-Ligase verbunden -Plasmid mit eingeschlossenem Fremdgen entsteht Spannung ohne Plasmid £Q£m/2€€ €/ DNA Restriktions- verdau Rekombination: -herausgeschnittener DNA-Abschnitt lagert sich an aufgeschnittenes Plasmid an -> sticky ends sind komplementär Zielgen A Zielgen PCR Vektor Kleber Restriktions- enzymn Ligase Plasmid- isolation Resistenz- gen Gentransfer/Transformation: -Plasmid dient als Vektor, enthält: Replikationsursprung ori: Replikation unabhängig von Bakterienchromosomen möglich zwei Markergene: codieren zB. für Antbiotikaresistenzen oder fluoreszierende Proteine multiple cloning site (MCS) innerhalb eines Markergens: wird DNA-Fragment in mcs integriert, wird Markergen inaktiviert -Zellmembran wird durchlässig gemacht/Bakterien werden kompetent -Plasmid wird in Bakterienkultur eingeschleust (nicht alle Bakterien nehmen Plasmid auf) -> durch Calciumchlorid-Lösung mit Temperaturwechsel von O*C auf 37*C > Elektroporation: durch elektrischen Impuls bilden sich Poren in Zellmembran -mögliche Ergebnisse: . Bakterium mit Plasmid & Fremdgen Bakterium mit Plasmid ohne Fremdgen Bakterium ohne Plasmid Selektion: -Bakterien finden, bei denen das Fremdgen in mcs eingebaut ist -Plasmid hat Markergene mit Resistenz gegen Antibiotika Tetracyclin & Ampicilin -mcs in Gen für Ampicilin: Resistenz geht verloren -Bakterien werden auf Nährboden mit Tetracyclin kultiviert -> alle Bakterien ohne Plasmid sterben ab -herangewachsene Bakterienkolonien werden mit sterilem Sandstempel auf Nährboden mit Ampicilin übertragen (Replikaplattierung) -> Bakterien mit integriertem Plasmid in die mcs sterben ab -durch Vergleich der Koloniemuster erkennen der Bakterien mit integriertem rekombinanten Plasmid -ausgewählte Bakterien werden in Nährmedium kultiviert (Zellklon entsteht) durch Vermehrung der Bakterien Entstehung von Millionen Kopien des rekombinanten Plasmids -Plasmid mit eingeschleuster Fremd-DNA: Klonierungsvektor let R. Markergen 1: Gen für Tetracyclin Resistenz ori 122.1 Elemente eines Plasmidvektors Behandlung mit CaCl₂ + Abkühlen auf 0 °C Plasmid O Plasmid ohne Fremdgen Gentransfer in eine Bakterienkultur Ausplattieren auf Selektions- nährböden 122.2 Transformation von Bakterien Bakterium mit Plasmid und Fremdgen Kolonie mit Plasmid Temperatur- wechsel auf 37 °C Übertragen. der Bakterien- kolonie 0 ampk 1 O mögliche Ergebnisse O ori Bakterienzelle Bakterium mit Plasmid ohne Fremdgen Selektion 3 123.1 Prinzip der Selektion O Plasmid mit Fremdgen gewünschte Kolonie mit rekombinanten. Plasmid gewünschte Kolonie fehlt Will Nährboden mit Ampicillin Kolonie mit Plasmid ohne Fremdgen MCS für EcoRI HindIII BamHI Markergen 2 Gen für Ampicillin- Resistenz Elektroporation Nährboden mit Tetracyclin Vergleichen 2 го Plasmid Bakterium. ohne Plasmid 37 °C Fremdgen Bakterienkultur aus gewünschter Kolonie Gene Pharming Gentechnik in der Medikamentenherstellung (Medikamente aus Proteinen) -Proteine aus tierischen/menschlichen Geweben, Blut, Zellkulturen gewonnen -Erzeugen von Proteinen aus Bakterien oder Herstellung transgener Tiere durch Klonen: -somatischer Kerntransfer -neue Gene werden in DNA einer Körperzelle integriert -Zellkern mit Erbinformation wird in unbefruchtete Eizelle übertragen -> Zellkern aus Eizelle vorher entfernt -identische Kopie einer Körperzelle, ein somatischer Klon, entsteht Transgene Tiere als Krankheitsmodelle: -zB. Knock-Out-Verfahren bei Mäusen Isolieren befruchteter Elzellen -Gene bei einigen Tieren an gleicher Stelle wie bei Menschen -bei Tieren wird bestimmter DNA-Abschnitt ausgeschaltet -> maßgeschneiderte Modelle -> Rolle von Genen bei Entwicklung/Krankheiten erfirschen Injektion von ca. 200 Gen-Kopien KHÔNG QUÁ ©©©£15#1520047316206256BIOTEEN rarowakatshënatofa AUFDAMAMAMA Reimplantation der Injizierten Eler Transgen (zu unter- suchendes Gen) 21 A Nachkommen 0.0 Identifizieren transgener Mause durch DNA-Analyse 8 Spender-Maus Amman-Maus Eizellen scheinschwangere Maus 000 Paarung der Mäuse Vorkerne Herstellung transgener Tiere: -Transgen: Fremdgen für gewünschte Proteinherstellung wird mit geeignetem Promotor zusammengebracht, damit es in tierischen Zellen exprimiert werden kann -befruchtete Eizellen isolieren: mehrere Tausend Kopien des Transgens in Eizellen injizieren -nach Kernverschmelzung werden Zygoten in Leihmütter eingesetzt und ausgetragen -Nachwuchs besitzt DNA mit eingebautem Transgen: transgenes Tier (Kontrolle durch PCR, welche Tiere Transgen eingebaut haben) -transgene Tiere stellen gewünschtes Protein her, welches isoliert werden kann (Gene Pharming) -transgene Tiere häufig krankheitsanfällig, missgebildet, kurze Lebensdauer & lange Generationszeiten/wenig Nachkommen oder B Isolleron von Blastocyten Dissoziieren, Kultivieren und Einführen der Gener 30 Reimplantation der Injizierten Blastocyten Solektion Injektion der veranderton Zellen in Empfänger- Blastocyten ی 900 Mosaik-Mause 408 Transgene Mauso in der 2. Generation DNA-Analyse Samenzellen Ausspülen der befruchteten Eizellen aus den Eileitern befruchtete Eizelle Mikroinjektion der fremden DNA in den Vorkern Saugpipette hält das Ei fest Implantation in scheinschwangere Maus Anwesenheit des Transgens wird durch PCR-Fragment angezeigt gezieltes Ausschalten von Genen zB. in der Lebensmittelindustrie -Gen, das ausgeschaltet werden soll, wird umgekehrt hinter demselben Promotor erneut in DNA eingebaut -nach Transkription entstehen mRNA des Gens & Antisense-mRNA -Antisense-mRNA ist komplementär zur mRNA -> lagern sich zu Doppelstrang an -Translation kann nicht stattfinden, keine Herstellung des Proteins -> Gen ist ausgeschaltet Früchte matschig 1 Antisense-Technik bei der Tomate திருருதகா Transkription Antisense-Technik m-RNA A G 3¹ T Matsch"-Gen (Ausschnitt) 5' Transkription 3¹ A Matsch"-m-RNA Translation 5 „Matsch"-Enzym zusätzlich umgekehrt in die DNA eingebaut Antisense-DNA Oligonucleotid Anlagerung U „Anti-Matsch"-Gen (Ausschnitt) Transkription -Antisense-mRNA kann künstlich hergestellt werden und in Zelle eingeführt werden -> zB. als Gentherapie bei Krankheiten Antisense-m-RNA keine Translation kein „Matsch"-Enzym Translation Ribosom Früchte haltbar Aminosäuren Protein Gen: Nukleotidsequenzen auf der DNA, welche die Erbinformation auf den Chromosomen enthält bestimmen den Phänotyp des Organismus: codieren für Enzyme, die chemische Prozesse in der Zelle auslösen Genbegriff & Funktion von Genen häufig verändert/ergänzt: 1865 Mendel: Gene als Erbfaktoren, für Weitergabe phänotypischer Merkmale verantwortlich 1941 Beadle & Tatum: Ein-Gen-Ein-Enzym-Hypothese: . . . Genbegriff Gene als Abschnitt auf DNA, die für jeweils ein Enzym codieren 1957 Ingram: Ein-Gen-Ein-Polypeptid-Hypothese: -> Enzyme/Proteine bestehen aus mehreren verschiedenen Polypeptiden 1977 Runerts & Sharp: Gen kann für Polypeptid oder RNA-Molekül codieren Funktion von Genen: -Gene speichern Erbinformation auf Chromosomen in Form von Nucleotidsequenzen -Erbinformation werden in Zellen in Merkmale umgesetzt -Gene wirken oft in Ketten: mehrere Gene codieren für Enzyme/Proteine -> Resultat der Ketten: phänotypische Merkmale > Spleißen Gen: DNA der Eukaryoten beinhaltet DNA-Abschnitte, die für kein Merkmal codieren -Abschnitte können herausgeschnitten werden und DNA in unterschiedlichen Kombinationen zusammengefügt werden -neu entstandene RNA-Stränge codieren für ein Merkmal -ein Gen kann in Form von Gen-Ketten für verschiedene Merkmale codieren Biotechnologie: Anwendung von Wissenschaft & Technik auf lebende Organismen Vielzahl von Verfahren, Produkten, Methoden gezielte Nutzung von Methoden der Molekularbiologie neue Medikamente entwickeln, neue Pflanzen züchten, Alltagsprodukte effizienter machen Entwicklung Biotechnologie -rote Biotechnologie: Medizin -grüne Biotechnologie: Landwirtschaft -weiße Biotechnologie: Industrie -1975: Herstellung erster monoklonaler Antikörper Zelle mit Krebszelle vereinigen: Zelle stellt bestimmten Antikörper her und ist unsterblich Nachkommen der Zellen sind Klone (genetisch identisch Stellen alle denselben Antikörper her . -1976: weltweit erstes Biotechnologie-Unternehmen wird gegründet Genentech in San Francisco Herstellung eines menschlichen Wachstumshormon aus Bakterien -1977: vollständige Genomsequenz veröffentlicht mithilfe der Kettenabbruchmethode Sequenz der codierten Proteine ablesen Entwicklung der Gensynthese -1983: Erfindung der PCR -1984: größtes deutsch Biotechnologie-Unternehmen gegründet -1996: Klonschaf Dolly als erstes geklontes Säugetier -1998: aus menschlichen Embryonen werden Stammzellen isoliert -2000: Entziffern & Analysieren vom Humangenom -2012: Weiterentwicklungen der Molekularbiologie