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Gentechnik
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Karina
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Ausführliche Lernzettel zum Thema Gentechnik im Bio LK: Restriktionsenzyme, DNA-Klonierung, Selektion von transgenen Bakterien, Polymerase-Kettenreaktion, Gelelektrophorse, DNA- Sequenzierung, Genetischer Fingerabdruck, Gensonde, DNA-Chips, CRISPR/Cas9
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Lernzettel
Bio LK Gentechnik Gentechnik ● O Restriktionsenzyme ● O O O Gelelektrophorese O DNA-Sequenzierung O O Gentechnik DNA-Klonierung/Selektion von transgenen Bakterien * Polymerase-Kettenreaktion (PCR) * O Gensonden/ DNA-Chips * O CRISPR/Cas9 * O Anwendung der Gentechnik an Pflanzen O an Tieren Genetischer Fingerabdruck * an Menschen * * Werkzeuge der Gentechnik/Glossar: Diese werden zur Isolierung, Vermehrung, Analyse und Neukombination von DNA eingesetzt. Restriktionsenzyme: schneiden doppelsträngige DNA an spezifischen Basenfolgen ( Basenpaar-Palindromen). Es kommt zu überstehenden O O Einzelstrangenden ,,sticky ends" DNA-Ligasen: zur Verknüpfung von DNA-Fragmenten DNA-Polymerase: Synthese von einem Einzelstrang in einen Doppelstrang Reverse Transkriptasen: Enzym, dass aus Retroviren stammt, kann dazu verwendet werden mRNA in DNA umzuschreiben. Die entstehenden DNA-Moleküle nennt man cDNA (copy DNA) Retroviren: Viren mit RNA-Genom Vektoren: Transportmittel mit denen Fremd-DNA in Zellen eingeschleust wird. Plasmide werden häufig als Vektoren benutzt Bakteriophagen (Viren, die Bakterien befallen) O Viren, die als Vektoren dienen Thema: Eigenschaften von Vektoren: O O unabhängig vom Genom der Wirtszelle replizieren in der Zelle in großer Zahl vorhanden sein O muss einfach isolierbar sein O Fremd-DNA muss Schnittstellen für verschiedene Restriktionsenzyme besitzen müssen genetische Marker für die Selektion enthalten O Karina Volinski lacl trc-Promotor Ursprung der Replikation laco S/D -Polylinker (Klonierungs- stelle) T1 T2 Ampicillin- resistenz Bio LK Restriktionsenzyme + Schutz vor Viren bakterieller Schutz vor Viren: molekulare Genscheren, mit deren Hilfe sich Bakterien vor Bakterienviren (Bakteriophagen) schützen. (Bakterieller Ursprung) Phagen injizieren ihre DNA in Bakterien führt zu schwerwiegenden Eingriff in Stoffwechsel und zum Absterben der Zelle Restriktionsenzyme erkennen Palindrome und katalysieren an beiden DNA-Strängen die Spaltung einer Phosphodiesterbindung durch Hydrolyse 2 Arten von Schnitten: O Schnitt in der Mitte der Sequenz: es entstehen glatte Enden versetzter Schnitt: klebrige Enden O Palindromsequenzen:...
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Erkennungsstellen für DNA-schneidende Enzyme. In 5¹-3¹-Richtung gelesen identische Basenabfolge. Restriktionsenzyme erkennen kurze Palindromsequenzen. O Herstellung eines rekombinanten Plasmids mithilfe von Restriktionsenzymen und Ligasen: 1. Isolierung und Bearbeitung der Fremd-DNA: Zerschneiden der DNA mit dem Restriktionsenzym 2. Isolierung von Plasmiden aus Bakterienzellen und Aufschneiden der Plasmide mit dem gleichen Restriktionsenzym, das zum zerschneiden der Fremd-DNA genutzt wurde 3. Hybridisierung: ● kohäsive Enden von Fremd-DNA und Plasmid sind komplementär zueinander Die Fragmente der Fremd-DNA werden mithilfe der Ligase in das Plasmid integriert bzw. Eingebaut, indem Elektronenpaarbindungen aufgebaut werden ✔ Plasmid ist nun rekombinantes DNA-Molekül (Hybrid-Plasmid) DNA 5' 3' 1 Ein Restriktionsenzym zerschneidet das Zucker/ Phosphat-Gerüst an den durch Pfeile bezeichneten Stellen 5' bakterielles Plasmid 3' 5' 5' 3' Restriktionsschnittstelle O 2 Zugabe eines DNA-Fragments aus einer anderen Quelle; Basenpaarungen der Einzel- strangüberhänge können in verschiedenen Kombinationen auftreten 3' G CTTAA 3 DNA-Ligase verknüpft die Stränge kovalent GAATTC CTTAAG Karina Volinski 5 rekombinantes. Plasmid 5' 1 von 1 AATTC G AATTC G 3' 5' GAATT C CTTAA G 5' 3' eine mögliche Kombination. 3' Einzelstrangüberhänge (,,kohäsive Enden") 5' 3' 5' CTTAA 5' Fragment eines anderen DNA-Moleküls, das mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnitten wurde 3' 5' GAATT C C TTAA G 5' 3' rekombinantes DNA-Molekül 5' 3' 3' 5' 5' Bio LK DNA-Klonierung/Selektion transgener Bakterien Anwendung DNA-Klonierung: Gewinnung und Vervielfältigung genau definierter DNA- Abschnitte (Herstellung vieler Kopien 1 Gens) Ergebnis: Es entstehen transgene Organismen, die durch DNA-Klonierung vermehrt werden und Markergene tragen Klonierungsansätze: Akteure: Benötigt: Technik: Restriktionsenzyme Ligase O Fremd-DNA Plasmid (Vector) a) Zuerst werden rekombinante DNA-Moleküle bzw Hybrid-Plasmide synthetisiert (wie oben beschrieben): O man isoliert Plasmid aus Bakterienzelle O Fremd-DNA wird in bestimmte Stelle der Plasmid-DNA integriert Entstehung von Hybrid-Plasmid b) Transformation: Hybrid-Plasmid wird in eine fremde Zelle, meist Bakterienzelle, eingeschleust c) Vermehrung: Bakterienzelle vermehrt sich und ildet Zellklone aus rekombinanten Bakterien. (DNA-Klonierung) d) Plasmide werden ebenfalls repliziert und an Nachkommen weitergegeben Restriktion Ligation rekombinierte Plasmide Transformation Plasmid Vermehrung Wirtszelle Zelle Kolonie einer transformierten Karina Volinski O 8° Fremd-DNA B- Co(C:) Bio LK Problem: Transformation nur in wenigen Fällen erfolgreich, daher: Selektion transgener Bakterien durch das Prinzip der Markerinaktivierung aus Transformation gewonnenen Bakterien werden auf Antibiotika enthaltenden Nährboden gesetzt. Die Bakterien, mit dem Markergen (Antibiotikaresistenzgen) können sich vermehren und Kolonien bilden Bakterien mit Hybrid-Plasmid (transgene Organismen): bleiben weiß, weil sie das X-Gal nicht spalten können. Sie sind empfindlich gegenüber Antibiotika 1, resistent gegen Antibiotika 2. Durch Stempel-Technik bzw. Replika-Plattierung werden die Bakterien vom ersten zum zweiten Nährboden übertragen. Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Polymerasekettenreaktion - PCR zu replizierende Original-DNA 5' 3' Nucleotid Bakterien ohne Hybrid-Plasmid: Empfindlich gegenüber Antibiotika 1+2 und färben sich blau, weil sie X-Gal hydrolysieren. Bakterien mit Plasmid ohne Fremd-DNA: Resistent gegen Antibiotika 1+2 5' DNA- Primer 5' 3' 3' 5 Denaturierung (Schmelzen) bei ca. 96°C 2 Primerhybridisierung (Anlagerung) bei ca. 68°C Elongation (Verlängerung) bei ca. 72 °C 5' 3' 3' 5 3' I 5' 5' 3' kein Plasmid 5' Vermehrung der Bakterien mit Hybrid-Plasmid 3' Karina Volinski O Vektor-Plasmid 3' Nähr- boden Hybrid-Plasmid mit Ampi- cillin Anwendung/Ziel: zyklische, direkte, gezielte Vervielfältigung eines definierten DNA- Fragments in einer kurzen Zeitspanne (In-vitro-Amplifikation) Ergebnis: Nach 3 Zyklen entspricht 1/4 aller synthetisierten doppelsträngigen DNA-moleküle in der Länge genau der Zielsequenz. Nähr- boden mit Tetra- cyclin Bio LK PCR-Ansatz: Akteure: Benötigt: ● PCR-Verfahren: ● ● Apparat, in denen die PCR ablaufen, nennt man Thermocycler Voraussetzung für PCR: teilweise bekannte Basensequenz 3 verschiedene Schritte in zyklischer Folge wiederholt führt zur exponentiellen Vervielfältigung (Verdoppelung) identischer DNA-moleküle 1. Denaturierung: O hitzeresistente DNA-Polymerase (Taq-Polymerase) (gewonnen aus dem in heißen Quellen lebenden Bakterium Thermus aquaticus) 2 Primer (Ansatzpunkt für DNA-Polymerase) 4 DNA-Nucleotide (Desoxynucleosid triphosphate) doppelsträngige DNA (Ausgangs-DNA) O Doppelstrang-DNA wird auf 90° erhitzt O Dabei trennen sich die beiden Einzelstränge voneinander Einzelstränge dienen als Matrize für folgende DNA-Synthese O O 2. Hybridisierung: Abkühlung der Einzelstränge auf 50⁰-60° 2 Primer binden sich an die jeweils komplementären Sequenzen der DNA- Einzelstränge 3. Amplifikation: O am 3'-Ende der beiden Primer synthetisiert die Taq-Polymerase bei 72° mithilfe der im Ansatz vorhandenen Nukleotide einen komplementären DNA-Strang Zyklus 1: Es entstehen 2 Moleküle. Zyklus 2: Es entstehen 4 Moleküle. Zyklus 3: Es entstehen 8 Moleküle; zwei der Moleküle (weiß unterlegt) entsprechen in der Länge exakt der gesuchten Zielsequenz. SUR genomische DNA Denaturierung: kurzzeitiges Erhitzen zur Trennung der DNA-Stränge Hybridisierung: langsames Abkühlen zur Anlagerung der Primer über Wasser- stoffbrückenbindun- gen an ihre komple- mentären Sequenzen auf der Ausgangs-DNA Extension: Verlänge- rung der Primer durch Anknüpfen von Nucleotiden an die 3'-Enden mithilfe der DNA-Polymerase Karina Volinski www. m 5' 3' www.milim... 3' Primer Zielsequenz neu eingebaute Nucleotide Verdopplung der DNA-Menge nach jedem Zyklus-Durchlauf (In-Vitro-Replikation) ............... 5' Bio LK Gelelektrophorese Anwendung/Ziel: Unterschiedlich lange Moleküle trennen sich ihrer Größe nach in einem elektrischem Feld (Untersuchung von DNA-Molekülen) Ergebnis: verschiedene Bandenmuster, die Moleküle gleicher Länge und molekularer Masse enthalten Aufbau: Ablauf: Gel Anode (Pluspol· Reduktion) Annahme von e- Kathode (Minuspol - Oxidation) Abgabe von e- Träger- und Trennsubstanz zwischen Kathode und Anode: dünne Gelplatte (z.B. Agarose oder Polyacrylamidgel) O Das Gel wirkt als molekulares Sieb, in dem Nukleinsäure- oder Proteinmoleküle nach ihrer Größe, der elektrischen Ladung oder anderen physikalischen Eigenschaften voneinander getrennt werden Nukleinsäuren (DNA-Stücke) sind wegen ihrer Phosphatgruppe negativ geladen u• wandern in einem angelegten elektrischen Feld von Kathode zur Anode In der Gelphase behindert die Matrix des Gels große Moleküle stärker als kleine O daher legen kürzere Fragmente in einer bestimmten Zeit eine größere Strecke im Gel zurück als längere es entstehen Trennungen nach Molmasse bzw. Moleküllänge Zur Bestimmung der Länge des DNA-Stücks lässt man Kontroll-DNA-Stücke (Größenmarker) mitlaufen zur Identifikation der DNA-Fragmente ist ein Längenstandart nötig Es entstehen Banden, die Moleküle gleicher Länge und molekularer Masse enthalten Sichtbarmachen des Bandenmuster über Fluoreszenzfarbstoff oder Autoradiografie (markierende radioaktive Stoffe) O Glasplatten - Strom- Quelle Gemisch von Molekülen unterschiedlicher Größe Gelelektrophorese 3 unsichtbar kürzere Moleküle längere Moleküle wwww 30 111 11 3 111111 |||||||THE gefärbtes, fertiges Gel Zsmfassung Gelelektrophorese: Karina Volinski ● ● ● Das Verfahren der Gelelektrophorese trennt Makromoleküle auf der Grundlage der Wandergeschwindigkeit durch ein Gel bei angelegter elektrischen Spannung. Die Strecke, die ein DNA-Molekül dabei zurücklegt, ist umgekehrt proportional zu seiner Länge Es entstehen Bandenmuster jede Bande enthält Moleküle derselben Länge Bio LK DNA-Sequenzierung Anwendung/Ziel: Analyse von DNA-Fragmenten zur Ermittlung der Besensequenz Ergebnis: Ein Satz mit DNA-Strängen, die mit den 4 unterschiedlichen ddNTPs enden und anhand dessen man die Ursprungssequenz analysieren kann Ansatz: Akteure: Benötigt: O 4 dNTP („normale" Nukleotide Desoxynukleotide) 4 ddNTP (Kettenabbruch-Nukleotid; chemisch abgewandelter Nukleotid) DNA-Polymerase Primer Kettenabbruchmethode (DNA-Sequenzierung nach Sanger): modifizierte DNA-Replikationsreaktion, die zu unterschiedlich langen, farblich markierten Fragmenten führt. 1. Denaturierung: zu sequenzierende DNA-Molekül wird denaturiert (aufgespalten) und in ein Einzelstrang getrennt geschieht in einem Reagenzglas mit allen nötigen Reagenzien zur DNA-Synthese (siehe Akteure) O DNA-Matrize 2. Hybridisierung: Anlagerungen eines Primers als Startsequenz für die Replikation Damit passender Primer hergestellt werden kann muss Anfangsabschnitt der DNA bekannt sein ZU Synthese aller neuer Stränge beginnt am 3'-Ende des eingesetzten Primers, weil die Synthese in 5'-3'-Richtung läuft Synthese mit dNTPs setzt sich fort bis zufällig ein ddNTP eingebaut wird O diese lässt keine weitere Kettenverlängerung 1 DNA (Matrizenstrang) 5' ng 3 5' G DNA ddC Primer 3 c (Matrizenstrang) Wanderungs- richtung der Moleküle T G T- Laser DNA- Polymerase gOF OFF kürzestes Fragment ddG letzte Base des längsten markierten Molekülstranges 5' letzte Base des kürzesten markierten Molekülstranges ddA GOD GUTST Karina Volinski G ACTGAAG -C ddA Desoxyribo- nucleosidtri- phosphate dATP dCTP dTTP dGTP markierte Molekülstränge AGUTSTE ddG längster markierter Molekülstrang OH AGCT G ddT- Detektor kürzester markierter Molekülstrang 777 Didesoxyribonucleosid triphosphate (fluoreszenzmarkiert) ddATP ddCTP ddTTP ddGTP ddc- T- G- GAFOUTILL A- ddA- C- ÚTOTTBUT T- G- A- ddG-3 ACTUAAOUTOTH längstes Fragment Bio LK Aufbau von ddNTP ist identisch zu dNTP bis auf das Fehlen der Oh-Gruppe am 3¹- Kohlenstoffatom der Desoxyribose Der Einbau eines ddNTP führt zu einem Kettenabbruch, da die OH-Gruppe am 3¹- Kohlenstoffatom der Desoxyribose fehlt ist der Anknüpfungspunkt für das nächste Nukleotid O verhindern das weitere Wachstum der Kette, dadurch entstehen unterschiedlich lange Fragmente, die mit unterschiedlich farbig markierten ddNTPs enden Trennung der DNA-Fragmente erfolgt durch Elektrophorese entweder durch Kapillarelektrophorese oder hren Gelelektrophorese O dabei werden Fluoreszenzfarbstoffe mit Laser sichtbar gemacht O Vergleich der Identifizierungsmethoden: computergestützte Detektoren ermitteln aus Abfolge der Farben die gesamte DNA-Sequenz Kettenabbruchmethode und Kapillarelektrophorese: Zahl der Ansätze für die Sequenzierung Art der Markierung Radioaktiver Phosphor Markierte Bestandteile Zahl der Laufstrecken Elektrophoresenverfa Gelelektrophorese 4 Sichtbarmachung des Musters Primer 4 4 ddATP ddTTP LIS LIH 1 11 ddCTP nnnnn Tuman Übersetzen in die Basenfolge Abbruchnukleotide Direkte Farbmarkierung Kapillarelektrophorese Karina Volinski TACCGTCATAGGCCGT ddGTP Kapillarelektrophorese Strangtrennung & വ് Auftrennung nach Größe 4 ATCAGCTG Detektor Primer Onnnnnn On Onninn Fluoreszierende Farbstoffe Kapillarelektrophorese Radioaktiv markierte Primer Laser-Detektor detektiert Laser-Detektor detektiert machen per Autoradiographie auf die Farbsequenz und die Farbsequenz und damit Röntgenfilm jede damit die die Endbasensequenz Abbruchfragmentbande sichtbar Endbasensequenz Bewegungsrichtung Laser Bio LK Elektrophorese Trennung nach Molekülgröße und -ladung STE 18 TI Nucleotide (radioaktiv markiert) A A A 71 G T C CGAAGTG C C 99 C GCTT CACG C 0 Sequenzierung A STE EH T ODNA-Polymerase Primer G C G G ΣΗ T H 20 Gesuchte Sequenz Die DNA-Polymerase synthetisiert verschieden lange DNA-Abschnitte mit der gesuchten komplementären Sequenz Komplementäre Sequenz (radioaktiv markiert) Terminatoren für A, C, G und T Reaktionsgefäße Bruchstücke, die mit einem bestimmten Nucleotid enden komplementäre gesuchte Sequenz Sequenz Leserichtung Zsmfassung DNA-Sequenzierung: ● ● Karina Volinski Denaturierung Hybridisierung mit dem passenden Primer Replikation: O Im Replikationsansatz sind O O neben dNTPs auch ddNTPs vorhanden, die den Kettenabbruch bewirken es entstehen unterschiedlich lange, terminal markierte DNA- Stränge die werden entweder in Gelelektrophorese oder Kapillarelektrophorese identifiziert O damit wird die Besensequenz ermittelt Bio LK Genetischer Fingerabdruck Ziel/Def: Identifizierung einer Person anhand des Vergleichs polymorpher Bereiche (DNA- Abschnitte ohne genetische Information) → DNA-Profil eines Individuums Anwendungsbereich: ● Kriminaltechnik Vaterschaftstests Verwandtschaftsbeziehungen Methoden: VNTR-Polymorphismus Prinzip RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) STR (Short Tandem Repeats) STR Systeme, mit dem spezifische DNA-Seu O wenn wenig Analysematerial zur Verfügung steht a) PCR-Methode künstliche Vervielfältigung der DNA b) Gewinnung der DNA durch Restriktionsenzyme RFLP O O O O Karina Volinski O Methode zur Ermittlung des genetischen Fingerabdrucks Gewinnung von DNA-Fragmenten mithilfe der Längenanalyse nicht codierender DNA- Bereiche (Introns) Bildung von DNA-Restriktionsfragmenten durch Schneiden der DNA-Proben mit dem selben Restriktionsenzymen um so mehr Restriktionsfragmente vorhanden sind, um so genauer die Analyse Identifizierung nach dem VNTR-Polymorphismus Prinzip O Verwendung nicht codierender Bereiche Verwendung von VNTRs: Repetitive Sequenzen (VNTR) sind kurze charakteristische Nukleotidsequenzen, die sich vielfach wiederholen die variablen Wiederholungseinheiten liegen in den Extragenen, nicht codierenden DNA-Abschnitt auf Chromosomen VNTRS sind als genetischer Fingerabdruck geeignet, weil sie individuell verschieden sind c) Gelelektrophorese Sichtbarmachen der Fragmente/ Banden durch Sonden Anordnung mit der zu testenden Person vergleichen Täter oder nicht Täter? Bio LK - Marker Verdächtige A B C D Gensonden/DNA-Chips Tatort - Marker Basen- Anzahl -12000 -5000 -2000 -1650 -1000 -500 → 1-100 DNA-Chips: gentechnische Verfahren Zusammenfassung genetischer Fingerabdruck: ● ● Methoden: O O STR → PCR VNTR-Polymorphismus Prinzip O DNA-Isolierung: O Probe A: aus dem vorhandenen Material O Probe B: von den zu testenden Personen DNA-Vervielfältigung mittels PCR Gewinnung der DNA durch Restriktionsenzyme Bildung von DNA-Restriktionsfragmenten durch Zerschneiden der DNA beider Proben mit dem gleichen Restriktionsenzymen Karina Volinski Gensonden: DNA-Fragmente, die zu 100% mit einer Besensequenz übereinstimmen RFLP Gelelektrophorese zur Identifikation VNTR: repetitive Sequenzen mit variablen Wiederholungseinheiten in Extragenen, nicht codierenden DNA- Abschnitten sind individuell verschieden Verfahren: a) Auf DNA-Chip aus Glas oder Kunststoff werden spezifische DNA-Sonden fixiert b) Aus Zellen des zu untersuchenden Gewebes wird mRNA gewonnen und mit Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben entsteht cDNA c) entstandene cDNA wird mit Fluoreszenzfarbstoff markiert und auf den Chip gegeben d) cDNA hybridisiert mit eventuell vorhandenen komplementären DNA-Sonden e) nicht gebunden cDNA wird abgespült f) anhand der Fluoreszenzstrahlung kann ermittelt werden, welche Gene im untersuchten Gewebe exprimiert wurden Ziel/Anwendung: kann z.B⋅ feststellen welche der untersuchten Gene in einem bestimmten Gewebe zu einer bestimmten Zeit exprimiert werden 1 gebundene DNA- Fragmente senden Lichtsignale aus: je mehr gebunden ist, desto heller der Punkt auf dem Genchip Blut- oder Speichelproben liefern Zellen, aus denen DNA gewonnnen wird XOOXX jede Sonde erkennt ein anderes Gen kleine DNA-Fragmente werden mit einem Farbstoff markiert die markierte DNA bindet an Sonden auf dem Genchip Ⓒwissensschau.de Bio LK Gewinnung von Spender-DNA cDNA Anwendung: Mithilfe Enzyms Reverse Transkriptase kann aus isolierter mRNA das entsprechende Gen gewonnen werden benötigt: ● ● ● Reverse Transkriptase Primer Verfahren: ● DNA-Nucleotide Reverse Transkriptase synthetisiert komplementären DNA-Strang beiden Stränge des mRNA-DNA-Hybridstrangs werden voneinander getrennt mRNA-Strang wird abgebaut DNA-Polymerase ergänzt den DNA-Einzelstrang zum Doppelstrang O die entstandene DNA wird cDNA (copy-DNA) genannt in verbleibende kleine DNA- Fragmente reverse Transkriptase + dNTPs 5' 3' 5' 3' 5 3' H₁ Teilverdau durch RNase H Karina Volinski DNA-Polymerase + dNTPs 5' 3' 5' 3' Ligase AAAAA 3' TTTTT 5' AAAAA 3¹ TTTTT min AAAAA 3¹ TTTTT in AAAAA 3' TTTTT 5₁ AAAAA 3' TTTTT 5' doppelsträngige cDNA AAAAA 3' TTTTT 5' Bio LK CRISPR/Cas9 Ziel/Anwendung: ermöglicht es ein Genom sehr eindeutig und präzise an jeder gewünschten Stelle zu schneiden Genom-Editierung : O Gene inaktivieren Fremdgene in DNA-Sequenz einfügen O Alternative Bezeichnung: programmierte Genscheren Ursprung: stammt aus Bakterien dient ihnen als Abwehrmittel gegen Bakterien Abwehrsystem der Bakterien gegenüber virulenter DNA: Erstinfektion: Virus injiziert seine DNA in Bakterium Bakterien können injizierte virulente DNA zerschneiden und Fragmente in Genom einbauen Spacer O eingebauten virulente DNA-Abschnitte im Genom nennt man SPACER Virus A REC lobe - NUC lobe Guide RNA Target DNA Cas-Gen Us Bakterien-DNA Virus www Spacer Repeats - CRISPR assoziierten Sequenzen Cas codiert unter anderem für 1 Enzym, dass DNA schneidet → ONA Repeat Cas Karina Volinski Spacer Repeat Spacer + Repeats bilden zsm die CRISPR-DNA Bakterium besitzt durch Spacer ein „Archiv“ über früher eingedrungene Viren → so kann das Genom bei 2-Infektion Virus schneller erkennen und zersetzen CRISPR-Gen besteht aus: Spacer Repeat Spacer CRISPR-DNA Single guide RNA Stem loop. Anti-repeat ||||| |||||||||| Repeat Spacer: liegen im Genom der Bakterien zwischen Repeats (kurzen, wiederholenden Basensequenzen) VIVAVI Guide Target Repeat Spacer |||| PAM Stem loop 2 Tetraloop Target DNA strand Non-target DNA strand Bakterium Bio LK Zweitinfektion: ● ● bei 2-Infektion mit Virus, dessen DNA im Bakteriengenom archiviert ist, wird CRISPR- DNA codiert Aus prä-crRNA (unreife RNA der CRISPR- DNA) wird durch RNA-Prozessierung reife crRNA-Moleküle hergestellt. unterscheiden sich in Spacersequenzen bakterielle Cas-Gene werden exprimiert O ● Reparaturmechanismen Genom-Editierung ● Doppelstrangbruch durch Cas unschädlich O b+c) homologe Reparaturen: B Cas-Enzym Cas-mRNA Cas-Gen a) nicht-homologe Reparaturen: Gene werden abgeschaltet einzelne DNA-Nukleotide gehen häufig verloren Deletion Leseraster ist in der Zielsequenz verschoben und damit Gen inaktiviert O 시 Cas-Enzyme in der Bakterienzelle vorliegen Reife crRNA-Moleküle können sich mit Cas-Enzymen zsmlagern Wenn crRNA-Moleküle komplementäre Spacersequenz zu einigen Basensequenzen der injizierten Virus-DNA besitzt, bindet es daran und leitet Cas-Enzym gezielt an diese Stelle Cas-Enzym durchtrennt virale DNA O D.h. Doppelstrangbrüche erzeugt und virale DNA (Virus) ist für Bakterium Karina Volinski Fremdgene werden eingefügt homologe Sequenzen der Bruchstücke müssen zur Verfügung stehen in die DNA-Bruchstellen soll Fremdgen eingebaut werden Fremdgen muss an den Enden Sequenzen besitzen, die homolog zu der DNA an der Bruchstelle sind gentechnisches Verfahren CRISPR/Cas9 VANRNAVVAVMA NNN Prozessierung Transkription 1 Abwehrsystem der Bakterien. A Erste Infektion; B Zweite Infektion Leitfaden RNA CRISPR Die Gen-Schere CRISPR/Cas9 CRISPR/Cas-System Im Labor hergestelltes Werkzeug zur gezielten Veränderung des Erbguts ("Genome Editing") So funktioniert die Gen-Schere 1. Gezielter Schnitt Leitfaden findet Ziel-DNA ……………..….………………………… ,,Schere" Cas9 protein reife crRNA db DNA-Strang A ,,Schere" schneidet 2. Veränderung des Erbguts durch... A) Entfernen eines DNA-Abschnitts XXX B) Einfügen eines einzelnen DNA-Bausteins XXX C) Einbau neuer DNA-Abschnitte Ow Quelle: Forum Bio- und Gentechnologie/dpa/DW prä- crRNA