Allele: Verschiedene Ausbildungsformen des gleichen Gens, die zu unterschiedlicher Merkmals- ausprägung führen. Aminosäuren: Bausteine der Proteine. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, die gemäß der Basenabfolge der DNA (bzw. der m-RNA) Polypeptidketten bilden. Anticodon: Freies Basentriplett der t-RNA. Das Anticodon ist komplementär zum Codon der m-RNA. Autosomaler Erbgang: Nicht geschlechtschromosomengebundener (heterosomaler) Erbgang. Man unterscheidet in autosomal-dominant und autosomal rezessiv. (Erbgang, dessen Gene sich auf den Autosomen befinden, sprich auf den in der diploiden Zelle homolog vorliegenden Chromosomen.) Avery: Amerikanischer Chemiker, dem es 1944 gelang, nachzuweisen, dass erbliche Eigenschaften von der DNA übermittelt werden. Um dies zu beweisen führte er einen Transformationsversuch mit virulenten (kapselbildenden) und nicht virulenten Pneumokokken durch. Barr-Körperchen: In Zellen mit zwei X-Chromosomen (bei Frauen), wird eines der beiden Chromosomen durch starke Kontraktion der DNA und Verknüpfung zusätzlicher Proteine in einen inaktiven Zustand gebracht. Welches der beiden X- Chromosomen still gelegt wird ist zufällig, daß auf den Körper verteilt sowohl das X-Chromosom väterlichen Ursprungs wie das mütterlichen Ursprungs wirken können. Dieses stillgelegte X-Chromosom bezeichnet man als BARR- Körperchen(/ist nach Anfärbung lichtmikroskopisch als BARR-Körperchen sichtbar), und an seinem Vorhandensein kann man z.B. im Hochleistungssport oder bei Intersexen das angelegte Geschlecht eindeutig bestimmen. Am Vorhandensein oder Fehlen des BARR-Körperchens läßt sich bei Scheinzwittern eindeutig das erblich angelegte Geschlecht erkennen. Basentriplett: Dreierkombination der vier Basen Guanin,Cytosin, Adenin und Thymin (bzw. Uracil). Ein Basentriplett codiert eine Aminosäure. Centriol: Zentralkörperchen. Verdoppelt sich bei der Mitose durch Anlagerung einese zweiten und bildet die Pole, von denen die Spindefasern ausgehen. Chiasma: Überkreuzung väterlicher und mütterlicher (homologer) Chromatiden bei der Meiose. (Nur bei der Eizellenbildung) Chromosomenmutation: Änderung der Chromosomenstruktur durch: Deletion (Teilstück geht verloren) Duplikation (Teilstück geht an Schwesterchromatide) Translokation (Teilstück geht an nicht homologes Chromosom) Inversion (Anordnung der Gene wird vertauscht) Codogen: Als Codogen bezeichnet man ein Basentriplett der DNA. Einem Codogen entspricht nach der Transkription ein Codon der mRNA. Zu einem Codon der mRNA ist wiederum ein Anticodon der tRNA komplementär. Crossing-over: Das Crossing-over findet bei der Meiose des weiblichen Organismus statt. Dabei überkreuzen sich homologe Chromatiden, brechen ab und wachsen an der anderen Chromatide wieder an, sodass die väterliche und mütterliche Chromatide teilweise und zu gleichen Teilen ausgetauscht ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass Crossing-over stattfindet, ist bei gleichen Bedinungen an jeder Stelle gleich groß, daher läßt die Häufigkeit der Entkopplung zweier Gene der gleichen Kopplungsgruppe auf die Entfernung der Gene voneinander schließen. Desoxyribonukleinsäure (DNA) Die DNA ist der chemische Träger der Erbinformation und befindet sich im Zellkern. Die DNA ist ein Polynukleotid. Ein Nukleotid besteht aus einer Base (A,T,G,C), Desoxyribose und einem Phosphorsäurerest. Die DNA tritt immer als Doppelstrang ( Doppelhelix )auf, der durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen verbunden ist. Die Reihenfolge der Basen (Basensequenz) ist ausschlaggebend für die Merkmalsausprägung. Differentielle Genaktivität: In den verschiedenen Zelltypen und Zellstadien werden jeweils nur bestimmte Gene aktiv, d.h. es kommt nur an einigen Stellen des DNA-Strangs zur Transkription , alle anderen Gene bleiben inaktiv. (Vom Totalbestand der Gene ist nur ein Teil aktiviert.) Die Genaktivität wird von bestimmten Induktoren (Enzymen) gesteuert. Die durch die Puffmuster sich äußernde Gen- Aktivität ist also sowohl stadienspezifisch wie auch gewebsspezifisch. Diploid: In der Regel liegt in einer Zelle jedes Chromosom doppelt vor (väterlichen / mütterlichen Ursprungs), d.h. diploid. DNA-Polymerase: Durch das Enzym DNA-Polymerase (Replikase) werden bei der Replikation die neu entstandenen Tochterstränge verbunden. Doppelhelixstruktur: Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidsträngen, die schraubig gedreht sind und über die Wasserstoffbrücken der Basen strickleiterartig verbunden sind. Drosophila: Frucht- oder Taufliege = Testfliege, leicht züchtbar, schnell gemacht!! Genetische Totipotenz: Alle Zellen enthalten auch im differenzierten Zustand die gesamte genetische Information. Auch der genetisch spezialisierte Kern hat alle Anlagen. (Gründe: Nach Zygote nur noch mitotische Teilung, vegetative Vermehrung durch Ableger an der Karotte). Genetische Totipotenz: Genetische Totipotenz bedeutet, daß in jeder, auch in ausdifferenzierten Zellen noch alle Anlagen vorhanden sind. (Beweis: Versuch mit Südafrikanischem Krallenfrosch) Genetischer Code: Ein Basentriplett codiert immer eine Aminosäure, manche Aminosäuren können aber allerdings durch mehrere Kombinationen codiert werden. Die Gesamtheit der Zuordnung von Basentriplett (Codon) zu Aminosäure bezeichnet man als genetischen Code. Der genetische Code ist universell, d.h., dass alle Organismen gleiche Codons für gleiche Aminosäuren benutzen. Genkartierung: Anhand der Häufigkeit von Entkopplungen durch Crossing-over läßt sich der relative Abstand von den Genen auf einem Chromosom ermitteln. Durch genaue Forschung können so Gen-Karten angelegt werden. 1% Austausch entspricht einer Morgan-Einheit. Mit der Dreipunktanalyse kann man die relative Lage von drei Genen zueinander feststellen. (Da die Wahrscheinlichkeit einer Entkopplung an jeder Stelle gleich groß ist, ist die Entkopplung zweier weit voneinander entfernten Gene wahrscheinlicher, als die Entkopplung zweier nebeneinander liegender Gene. Deshalb kann man den Austauschwert zweier Gene als Maß ihrer Entfernung voneinander auf dem Gen betrachten.) Genmutation: Die Genmutation ist die häufigste Form der Mutation. Sie erfolgt rein zufällig. Mutierte Gene sind meist rezessiv, selten dominant oder intermediär (bzw. unvollständig dominant). Sehr oft sind Genmutationen nachteilig für Mutanten, manchmal (besonders, wenn sie reinerbig vorliegt,) tödlich (letal, Letalfaktor), selten positiv. Zur Genmutation gehört: Mutiple Allelie (Allele Gene mutieren unabhängig voneinander, dadurch wird das Lebewesen in bezug auf die betreffende Erbanlage heterozygot). Genom: Genom ist die Gesamtheit aller Gene eines Organismus. Anzahl der Chromosomen eines Organismus. Genom-Mutation: Bei der Genom-Mutation verändert sich die Anzahl der Chromosomen. (Gründe: Unregelmäßigkeiten bei der Zellteilung können bewirken, daß einzelnen Chromosomen nicht repliziert oder einzelnen Chromosomenpaare nicht bei der Meiose (Anaphase) nicht getrennt werden -> Nondisjunktion.) Vermehrung oder Verminderung der Zahl der Chromosomen: Aneuploidie So können statt dem normalen Chromosomensatz von 2n z.B. 2n +1, 2n+2, 2n- 1... auftreten. Sonderfälle: Euploidie: Veränderung eines ganze Chromosomensatzes: Haploidie: halber Chromosomensatz (n) Polyploidie: mindestens ein ganzer Chromosomensatz ist zuviel (3n) Geschlechtszellen: männliche Gameten (Spermien, Samenzellen) liegen am Ende der Reifeteilung haploid vor. Sie sind beweglich. weibliche Eizelle: größer und unbeweglich, ebenfalls haploid. haploid: Einfacher Chromosomensatz, jedes Chromosom liegt nur einfach vor. Bei der Meiose wird aus einem diploiden ein haploider Chromosomensatz. Heterosomen: Geschlechtschromosomen Heterozygot: mischerbig Im heterozygoten Zustand besitzt eine diploide Zelle zwei unterschiedliche Allele desselben Gens. Homozygot: reinerbig Im homozygoten Zusand besitzen die Zellen eines diploiden Organismus zwei gleiche Allele des untersuchten Gens. Intermediärer Erbgang: Die Hybriden der F1-Generation reinerbiger Eltern zeigen eine Mittelstellung bei der Merkmalsausbildung (Blütenfarbe statt weiß oder rot z.B. rosa). Es gibt auch noch Übergänge zwischen intermediären und dominant- rezessiven Erbgängen. (unvollständige Dominanz) Inversion: Art der Chromosomenmutation. Nach einem Bruch fügt sich ein Teilstück wieder andersherum ein. Genanordnung wird vertauscht. Klon: Alle Angehörigen eines Klons sind durch ungeschlechtliche Vermehrung entstanden, d.h. ihre Erbanlagen sind vollkommen identisch. Unterschiede können nur durch Umwelteinflüsse erfolgt sein. Konduktorin: Selbst gesund bleibende Überträgerin (bei x-chromosomal-rezessiven Erbgängen). Sie ist mischerbig (heterozygot). Kopplungsgruppe: Die immense Zahl an Genen in jedem Organismus ist auf mehrere Kopplungsgruppen verteilt. Die Zahl der Chromosomen entspricht der der Kopplungsgruppen. Durch die Kopplungsgruppen ist die freie Kombinierbarkeit der Gene (3. Mendelsche Regel) eingeschränkt. Nur durch Crossing-over können Gene aus Kopplungsgruppen getrennt und neu kombiniert werden. Meiose: Reduktions-, Reifeteilung Bei der Meiose wird der Chromosomensatz der sich durch die Verschmelzung der mütterlichen und väterlichen Kerne ergeben hat, halbiert. Dabei findet eine Neukombination statt (Rekombination). Als Meiose bezeichnet man den Vorgang zur Geschlechtszellenbildung, der sich in zwei Reifeteilungen vollzieht: Bei der ersten Reifeteilung (Reduktionsteilung) werden die homologen Chromosomen getrennt, wobei eine Neukombination (Rekombination) stattfindet, da sie nicht nach mütterlichen und väterlichen Chromosomen getrennt werden. Diploid ( Haploid. Die zweite Reifeteilung erfolgt mitotisch, die Schwesterchromatiden werden getrennt. Mendelsche Regeln: 1.: Uniformitätsregel: Kreuzt man homozygote Eltern (P-Generation) miteinander, so sehen alle Nachfolgen (F1-Generation) gleich aus. Ihr Phänotyp wird vom dominanten Gen oder beim intermediären Erbgang von beiden Genen gleichermaßen bestimmt. 2.: Spaltungsregel: Kreuzt man die heterozygote F1-Generation unter sich, so sieht die F2-Generation nicht mehr gleich aus. Die Nachkommen teilen sich dann in bestimmten Zahlenverhältnissen. Bei intermediären Erbgängen 1:2:1, bei dominant-rezessiven Erbgängen im Verhältnis 3:1 (Genotyp 1:2:1) 3.: Freie Kombinierbarkeit der Gene: Werden die Kreuzungsversuche mit Lebewesen durchgeführt, die sich in zwei oder mehreren Allelenpaaren unterscheiden werden die Allele in der Meiose neu kombiniert. Jede Zelle erhält aber natürlich die gleichen Gene. Die Freie Kombinierbarkeit wird bei den meisten Genen nicht eingehalten, da sich bestimmte Gene in Kopplungsgruppen vererben, aus denen sie nur durch Crossing-over ausgekoppelt werden können. (intrachromosomale Rekombination) Modifikation: Modifikationen sind nicht erbliche Veränderungen im Phänotyp. Gene können sich nur so weit auswirken, wie es die Umwelt zuläßt; umgekehrt kann aber die Natur nur so viel Einfluß nehmen, wie es die Reaktionsnorm der Gene erlaubt. Morgan: Versuche an Drosophila: Kopplung von Genen / Entkopplung Kopplung heißt, daß mehrere Allele bestimmter Gene immer zusammen auftreten. Entkopplung löst diese Verbindung. m-RNA: die durch Transkription der DNA entstandene m-RNA (m=messenger) ist ein einsträngiges Molekül und transportiert die Basensequenz ins Cytoplasma wo nun in den Ribosomen die Translation stattfindet. multiple Allelie: Ein und dasselbe Gen kann in der Generationsfolge mehrfach mutieren, sodass mehrere voneinander verschiedene Allele entstehen. Mutation: Änderung im Erbgefüge. (Genom) Genommutation: Veränderung der Anzahl der Chromosomen oder des Chromosomensatzes Chromosomenmutation:s.o. Genmutation: betrifft einzelne Gene, am DNA-Strang werden nur wenige oder nur ein einziges Basenpaar verändert. (z.B. Sichelzellenanämie) Mutationen können bedingt sein durch äußere Faktoren wie z.B. . Temperatur, Chemikalien, UV-Licht, Radioaktivität. Nukleinsäure: Bestandteil aller Zellen (auch Viren, Bakterien). Nukleinsäuren bestehen aus Nukleotiden (Pentose, Phosphorsäurerest, Basen). Die N, ist der Träger der genetischen Information. Sowohl DNA als auch RNA sind Nukleinsäuren Nukleotide: bestehen aus Pentose (Zucker) Phosphorsäurerest und Base (Adenin, Thymin, bzw. Uracil und Guanin, Cytosin.) Operon: Funktionseinheit von Promotor, Operator und Struktur-Genen. Peptide: Verbindungen .aus zwei oder mehr Aminosäuren, die über die Peptidbindung miteinander verbunden sind. Polypeptide besitzen etwa 80-100 Aminosäuren. Noch längere Verbindungen bezeichnet man als Eiweiße. Pneumokokken: Die Erreger der Lungenentzündung. Averys Versuch. Es gibt zwei Arten von Pneumokokken: kapselbildende (virulente) und nicht kapselbildende. (Averys Versuch) Polyploidie: Im Zellkern befinden sich dem artspezifischen Chromosomensatz nicht entsprechend zusätzliche Chromosomensätze.(Sonderfall der Euploidie) Protein-Biosynthese: Biosynthese ist der Mechanismus der die Basensequenz der DNA in eine bestimmte Aminosäuresequenz überträgt. Da die Biosynthese in den Ribosomen, d.h. außerhalb des Kerns stattfindet , die DNA den Kern aber nie verläßt, bedarf es eines Vermittlers, der die genetische Information bzw. die Basensequenz der DNA aufnimmt (Transkription), die m-RNA, und sie zu den Ribosomen bringt. Dort lagern sich an die Codons der m-RNA die Anticodons an der t-RNA , die die Aminosäuren bringen. Irgendwann stoppt ein Stopp- Codon (Terminationscodon) den Vorgang. Puffs: Besonders bei Riesenchromosomen von Insekten zu sehen. In der Puffbildung drückt sich die Aktivierung bestimmter Gene oder Genabschnitte an denen RNA gebildet wird aus. Polygenie: Mehrere Gene sind an der Ausbildung eines Merkmals beteiligt. Rekombination: Zwei verschiedene Chromosomensätze (väterlicher und mütterlicher) werden bei der Meiose (Metaphase) neu kombiniert. (3.Mendelsche Regel) Replikation der DNA.: Bei diesem Vorgang teilt sich der DNA-Doppelstrang durch ein Spaltungsenzym und es bilden sich die komplementären Stränge, indem sich die komplementären Nukleotide anlagern. Die Verbindung findet dann durch das DNA-Polymerase Enzym Replikase statt. Reziprozitätsregel: Die Uniformitätsregel (1.Mendelsche Regel) wird auch R. genannt, da das Geschlecht der Eltern auf die Uniformität keine Auswirkung hat D.h.: Uniformität auch bei reziproker Kreuzung! (Ausnahme x-chromosomale Erbgänge ) Ribonukleinsäure: kommt in jeder Zelle vor, ist Polynukleotid (A-U, C-G) m-RNA: (messenger RNA) entsteht durch Transkription an der DNA t-RNA (transfer -RNA) transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen. Dort werden die Aminosäuren zu Proteinen verknüpft. Die RNA ist einsträngig Ribosomen: R. sind Zellorganellen die meist als größere Funktionseinheiten, den Polysomen vorkommen. Ribosomen sind die Orte der Eiweißsynthese. Riesenchromosomen: R, kommen in den Zellkernen von Speicheldrüsen und anderen Organen der Taufliege vor. Sie entstehen durch wiederholte Chronmosomenverdopplung ohne nachfolgende Trennung der Tochterchromosomen. Spaltungsregel: 2.Mendelsche Regel. Transformation: Umwandlung von Zellen durch Übertragung genetischer Information. (Averys Versuch mit Pneumokokken) Transkription: DNA wird lokal aufgespalten und es lagern sich komplementäre Nukleotide an. (Unterschied zur Replikation ist, dass sich an ein Adenin Nukleotid Uracil anstatt Thymin anlagert.) Sie werden durch die RNA-Polymerase zu einem m- RNA Strang verbunden, der sich dann löst und ins Cytoplasma wandert. Der DNA-Strang schließt sich wieder. Translation: Übersetzung der in der Basenabfolge der mRNA liegenden genetischen Information in die Abfolge von Aminosäuren des Proteins, indem sich die freien Tripletts (Anticodon) der tRNA, die Aminosäuren transportieren, an komplementäre Tripletts der mRNA (Codon) anlagern. x-chromosomaler Erbgang: geschlechtsgebundener Erbgang. Zygote: Vereinigung einer männlichen und einer weiblichen Geschlechtszelle (befruchtete Eizelle), Anomalien, die auf Fehlen oder Überzähligkeit von Geschlechtschromosomen beruhen: X0-Typ: Frauen mit nur einem X-Chromosom: Turner-Syndrom XXY-Typ: Sekundäre Geschlechtsmerkmale männlich, eunuchoide Züge: Klinefelter-Krankheitsbild XYY-Typ: keine phänotypischen Anomalien bekannt Poly-X-Frauen: zunehmend schwachsinnig Poly-X-Männer (XXXY oder XXXXY): zunehmend schwachsinnig Y0-Typ und YY-Typ:letal Geschlechtschromosomengebundener rezessiver Erbgang: Bluterkrankheit, Rot-Grün-Blindheit Krankheitsanlage im X-Chromosom, bei Frauen, bei denen Krankheitsanlage heterozygot vorliegt, ist Hälfte der X-Chrmosomen im BARR-Körperchen inaktiviert X-chromosomal-dominanter Erbgang: Alle Genträger sind auch Merkmalsträger Beispiel: Nystagmus (ständiges Zittern der Augen) Gen-Kartierung der menschlichen Chromosomen: Methode der Zellhybridisierung Kultur menschlicher Zellen wird mit Kultur einer anderen Zellenart gemischt, z.B. Maus Hybride enthalten zwei Kerne, die verschmelzen können Bei Mitose tritt starker Verlust an Chromosomen auf (Zufall) Ende: Hybridzellen mit nur einem menschlichen Chromosom Isolation der Hybridzellen und erneute Vermehrung Durch Nachweis eines menschlichen Enzyms weiß man, daß das entsprechende Gen in diesem Chromosom liegen muß. Durch künstlich ausgelöste Chromosomenmutationen, die zu einem Verlust eines Chromosomenstücks führen, läßt sich sogar der Chromosomenabschnitt bestimmen, in dem das Gen liegen muß. Regulierung der Gen-Tätigkeit bei Bakterien durch Induktion oder Repression: Wie werden Gene in Tätigkeit gesetzt? Bakterium: Escherichia coli Enzyme zum Lactose-Abbau werden nur gebildet, wenn Lactose im Nährmedium vorhanden ist. Der Zucker veranlaßt demnach die Bildung der Enzyme für seinen Abbau. Vorgang: Induktion der Enzymsynthese Lactose (Substrat): Induktor Es muß neben Genen für die Synthese der Enzyme noch besondere Gene geben, die für die Regulierung der Aktivität dieser Enzym-Gene (Struktur-Gene) verantwortlich sind. Substratinduktion: Zwei Enzyme zum Lactose-Abbau: Permease und ß-Galaktosidase: Struktur-Gene Die Enzyme werden entsprechend der Ein-Gen-Ein-Polypeptid-Hypothese durch jeweils ein Gen codiert. Sie liegen nebeneinander (Gen-Kartierung) Sie werden immer in gleicher Menge und stets gemeinsam gebildet: Bei der Transkription nur eine m-RNA Ablesung (Transkription) der Strukturgene wird von Protein des Regulator- Gens gesteuert. Dieses Protein hemmt die Ablesung der Strukturgene: Repressor Operator: DNA-Stück, das mit spezifischer Struktur des Repressor korrespondiert RNA-Synthese beginnt mit Anlagerung der RNA-Polymerase an Promotor Promotor: Polymerase-Bindungsstelle, vor Operator Wenn sich Repressor an Operator anlagert, kann RNA-Polymerase nicht an Promotor gebunden werden -> keine Transkription Substrat verändert Raumstruktur des Repressors -> keine Wechselwirkung mit Operator, Transkripition beginnt Operon: Funktionseinheit von Promotor, Operator und Struktur-Genen. Bei der Substratinduktion handelt es sich um die Regulierung von Enzymen für abbauende Stoffwechselreaktionen, die nur gebildet werden sollen, wenn die abzubauenden Stoffe vorhanden sind. Enzyme werden erst gebildet, wenn ein Substrat vorliegt: Substratinduktion Endprodukt-Repression: Bei der Endprodukt-Repression hemmt das Endprodukt der Reaktionskette (also der erzeugte Stoff) die weitere Enzym-Synthese. Das vom Regulator-Gen gebildete Repressor-Gen liegt zunächst inaktiv vor. Durch Bindung des Endprodukts wird wird der Repressor aktiviert und lagert sich an den Operator. -> Transkription der Struktur-Gene wird verhindert Histidin (Endprokukt wirkt als Korepressor) ist Korepressor, weil es Enymbildung unterdrückt durch Bindung an Repressor. Gestaltveränderung des Repressors durch Korepressor bewirkt. Synthese hört auf, wenn der produzierte Stoff in genügender Menge gebildet ist: Endprodukt-Repression Bedeutung der Regulierung der Gen-Tätigkeit: wichtig: verhindert unnötigen Energieaufwand und überflüssige Synthese. Die Regelung der Gen-Tätigkeit: Genetische Totipotenz: Alle Körperzellen stammen von Zygote ab und müssen mit gleichen Genen ausgestattet sein, da sie durch Mitose entstanden sind. Gegensatz zwischen genetischer Gleichheit und leistungsmäßiger Verschiedenheit legt nahe, daß nicht alle genetischen Informationen in allen Zellen auch verwirklicht werden. Vegetative Vermehrung am Beispiel der Karotte Fähigkeit zur Regeneration ganzer Lebewesen aus einzelnen Zellen: südafrikanischer Krallenfrosch (Xenopus): Kerntransplantation beim Krallenfrosch, differenzierte Darmzelle wird in kernlos gemachte Eizelle dieses Frosches verpflanzt-> normale Frösche 1. Alle notwendigen Gene vorhanden 2. Cytoplasma enthält Stoffe, die Tätigkeit der Gene regulieren. Auch in spezialisierten Zellen die gesamte genetische Information enthalten: Totipotenz der Zellen. Differentielle Gen-Aktivität: Objekt: Riesenchromosomen der Drosophila eigentümliche Wulstbildungen, die von Querscheiben ausgehen, Chromosomenabschnitte sehen dann as, als seien sie aufgebläht (engl. puff). In Puffs findet Transkription der RNA statt, durch Anfärbung nachgewiesen. Der gepuffte Chromosomenabschnitt entspricht einem aktiv gewordenen Gen oder einer Gruppe von Genen. Die durch die Puffmuster sich äußernde Gen- Aktivität ist also sowohl stadienspezifisch wie auch gewebsspezifisch. Schema des Puffvorgangs: Entknäuelung und Auftrennung eines DNA-Abschnitts an einem Genort Aufbau eines mRNA-Strangs durch Ansetzen freier komplementärer Nukleotide an die frei gewordenen Basen des codogenen DNA-Strangs Der nicht codogene DNA-Strang ist als ausgezogenen Linie parallel zum codogenen Strang angedeutet. Molekulare Grundlagen des Gens und der Gen-Mutation: (Spleißen) Molekularer Bau des Gens Bei vielen Genen der Eukaryoten entspricht die Nukleotidsequenz der DNA nicht der Sequenz der mRNA und damit auch nicht der Aminosäureabfolge der Polypeptidkette des Proteins. Solche Gene bestehen aus mehreren Abschnitten. Exons: Abschnitte, deren Information in die Polypeptidkette eingehen. Sie bilden die fertige mRNA. Manchmal haben auf einzelne Exons zurückgeführte Teile der Polypeptidkette bestimmte Teilfunktion im Protein.) Introns: Abschnitte zwischen den Exons, die keine Information liefern. Sie werden mit den Extrons transkribiert -> prä-mRNA: Vorstufe der mRNA, noch mit Exons und Introns Spleißen: Vorgang des Herausschneidens der Introns (und anschließendes Verknüpfen der Exons ?). (Manchmal kein Enzym notwendig.) Ribozyme: Ribonukleinsäuren, die wie ein Enzym chemische Bindungen lösen und knüpfen können. Kommen beim Spleißen zum Einsatz. Molekulare Grundlage der Gen-Mutation: Änderung eines Nukleotids (einer Base) in einem DNA-Stück kann bewirken, daß das nun entstehende Enzymprotein so verändert wird, daß es einen bestimmten Stoffwechselschritt nicht mehr katalysieren kann. Folge: Ausfall des Stoffes (z.B. Blütenfarbstoff) Unterbrechung des normalen Stoffwechsels -> Ausfall eines lebenswichtigen Stoffes ->letal, =letale Mutation. Ein Austausch von Nukleotiden in dem als Gen wirkenden DNA-Abschnitt führt zu Allelen des Gens. Die Allele bewirken die Unterschiede in der Erscheinungsform des Merkmals. Beispiel: Sichelzellenanämie: An einer Stelle in den beiden das Hämogolbin mit aufbauenden ß-Ketten ist die Glutaminsäure durch Valin ersetzt. Die veränderten roten Blutkörperchen werden von weißen Blutkörperchen angegriffen. Punktmutation: Häufigste Form der Gen-Mutation. Eine einzige Base ist verändert, ganz entfernt oder hinzugefügt worden. Das reicht aus für Genmutation. Der Informationsweg vom Gen zum Merkmal: Wie entsteht ein Merkmal aufgrund der entsprechenden genetischen Information? Objekt: Mehlmotte und Drosophila melanogaster Bei beiden treten Mangelmutanten auf, die einen Stoff nicht bilden können (Farbe der Augen), durch Zugabe des Stoffes Kynurenin färben sich bei den einen die Augen wieder normal, bei dem anderen müssen erst weitere Stoffe hinzugefügt werden. Augenfarbstoff Ommochrom wird schrittweise über eine Reihe von Zwischenverbindungen gebildet. Schlußfolgerung: Jeden Teilschritt katalysiert ein bestimmtes Enzym. Bei Mutanten muß Fehlen der einzelnen Enzyme Ursache dafür sein, daß der Augenfarbstoff Ommochrom nicht hergestellt werden kann. Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese: Bildung eines bestimmten Enzyms wird einem bestimmten Gen zugeordnet. Da es sich nicht immer um ein Enzym handelt, das entsteht sagt man auch: Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese. Grundbegriff auf molekularer Grundlage: Neufassung des Genbegriffs Nach klassischer Auffassung ist das Gen einmal eine Funktionseinheit, durch die ein phänotypisches Merkmal bestimmt wird ferner eine Austauscheinheit beim Crossing-over und schließlich eine Mutationseinheit. Neu: Merkmal steht erst am Ende einer ganzen Kette von Reaktionen, und jedem Reaktionsschritt ist ein Enzym zugeordnet, für dessen Bildung ein bestimmter Abschnitt des DNA-Moleküls zuständig ist. Erst das Tätigwerden mehrerer oder vieler DNA-Abschnitte führt zum phänotypischen Merkmal Folgerung: Ein Gen ist also, molekulargenetisch betrachtet, ein Stück einer DNA-Doppelhelix, das in seiner Nukleotidesequenz die Information für ein Protein enthält und daher eine funktionelle Einheit ist. Polygenie und Polyphänie: Meist sind Merkmale polygen bedingt, d.h. an den zum Merkmal führenden Stoffwechselreaktionen sind Enzyme mehrerer Gene beteiligt. (z. B. Schizophrenie) Polyphänie: Ein einzelnes Gen beeinflußt mehrere Merkmale. Beispiel: Das vom Gen gebildete Enzym erzeugt einen Stoff, der Ausgangsstoff verschiedener Reaktionsketten ist. Biosynthese der Proteine: Translation: Übersetzung der in der Basenabfolge der mRNA liegenden genetischen Information in eine Folge von Aminosäuren, die nach ihrer Verknüpfung ein bestimmtes Protein bilden. Ribosomen: Orte der Translation (Protein-Biosynthese). Sie sind Zellorganellen, die meist in größeren Funktionseinheiten auftreten, den Polysomen (= Gesamtheit aller an einem mRNA-Molekül sitzenden Ribosomen). Ribosomen bewegen sich relativ zum mRNA-Strang bei der Translation. Ein funktionsfähiges Ribosom setzt sich aus zwei Untereinheiten (einer großen und einer kleinen) zusammen, die zur Synthese eines Polypeptids an die mRNA herantreten. Aminosäuren werden im Cytoplasma an eine tRNA gebunden. Jeder tRNA-Typ kann nur eine bestimmte Aminosäure mit Hilfe eines spezifischen Enyzms binden. tRNA: (transfer-RNA) tRNA-Moleküle haben einen ganz bestimmten Bau: Ein Teil der Basen paart sich, an vier Stellen des Moleküls treten jedoch Schleifen mit ungepaarten Basen auf. An einer Schleife des Moleküls befindet sich ein bestimmtes Basen-Triplett, das mit einem komplementären Codon der mRNA in Wechselwirkung treten kann. tRNA transportiert Aminosäuren in die Ribosomen und übersetzt Basensequenz der mRNA in Sequenz von Aminosäuren. Anticodon: Freies Basen-Triplett der tRNA, das mit komplementärem Codon der mRNA in Wechselwirkung treten kann. Polypeptid: Polypeptid beginnt noch während seiner Synthese mit der Ausbildung seiner Raumsstruktur (unter Faltung und Knäuelung), vollendet wird sie nach Ablösung -> funktionsfähiges Protein (Enzym). Ribonuklease: Das Enzym Ribonuklease baut die mRNA nach der Translation wieder ab. Schema der Protein-Biosynthese: 1. Transkription: mRNA bildet sich an der DNA im Kern (DNA wird örtlich aufgespalten, an einen Strang wandern komplementäre Ribonukleotide, die durch RNA-Polymerase zu einem einfachen Strang verknüpft werden). Aperiodisch Basenabfolge der DNA wird dabei auf mRNA übertragen, bei der die Basenabfolge nun komplementär vorliegt. 2. die mRNA gelangt durch die Kernporen ins Cytoplasma 3. an eine tRNA wird eine spezifische Aminosäure gebunden 4. die beiden Untereinheiten eines Ribosoms binden sich an die mRNA und setzen sich zum funktionsfähigen Ribosom zusammen, 5. die von den tRNA mitgebrachten Aminosäuren werden am Ribosom zu einer Kette, einem Polypeptid, verknüpft, dabei wird die Basenfolge der mRNA in die Aminosäurefolge des Polypeptids übersetzt (Translation) 6. das fertige Polypeptid hat sich vom Ribosom abgelöst und bildet seine endgültige Strktur: Es wird zum Protein. Genetischer Code: Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, die in einem Protein vorkommen. Deren Reihenfolge muß verschlüsselt in der aperiodischen Nukleotidsequenz der mRNA und der der DNA vorliegen. Da es nur vier verschiedene Basen gibt, können die zwanzig Aminosäuren nicht durch jeweils eine Base codiert sein. Erst bei drei Basen, einem Triplett, gibt es genug Kombinationsmöglichkeiten, um 20 Aminosäuren zu codieren, d.h. die bestimmte Abfolge dreier Basen verschlüsselt eine Aminosäure, oder einem bestimmten Basen-Triplett (Trinukleotid) ist eine bestimmte Aminosäure zugeordnet. (Ein Triplett codiert eine Aminosäure) Codogene: Basentripletts der DNA Codon: Basentriplett der mRNA, komplementär zu Codogen. Codon ist die Einheit der genetischen Information. Genetischer Code: Gesamtheit der Codons. Er ist universell, d.h. daß alle Organismen die gleichen Codons für die gleichen Aminosäuren benutzen. (Versuche an Viren, Prokaryoten und Eukaryoten) Ribonokleinsäure als Mittler zur Verwirklichung der genetischen Information: Transkription: Die genetische Information der DNA wird zunächst auf eine Ribonukleinsäure übertragen. Die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix lösen sich örtlich (lokal) voneinander, und die nunmehr ungepaarten Basen eines der beiden DNA-Stränge treten mit komplementären Ribonukleotiden in Wechslewirkung, die dann durch ein Enzym (RNA-Polymerase) miteinander verknüpft werden. Das neu gebildete Polynukleotid ist eine Ribonukleinsäure (RNA). Die Ribonukleinsäure löst sich von der DNA und wandert als einsträngiges Molekül durch die Kernporen aus dem Kern ins Cytoplasma, wo sich Ribosomen anheften. Nukleinsäuresequenz: Aufeinanderfolge der verschiedenen Nukleotide (Basen) in einer Nukleinsäure. Sie ist aperiodisch. Durch die Transkription ist die aperiodische Nukleotidsequenz auf die RNA übertragen worden und dadurch transportabel geworden, da die DNA nie den Zellkern verläßt. Die RNA trägt die Information als Bote oder messenger weiter und heißt deshalb mRNA (Boten-RNA). Zwei Funktionen der DNA: 1. Sie dient als Matrize für die Bildung einer neuen identischen DNA und sichert damit die unveränderte Vermehrung und Weitergabe der genetischen Information. 2. Sie dient als Matrize für die Synthese der mRNA, welche die genetische Information aus dem Kern ins Cytoplasma trägt und ihre Verwirklichung in den Merkmalen steuert (möglich macht, ist doch besser). rRNA: ribosomale RNA ist Bestandteil der Ribosomen. tRNA: RNA-Moleküle, die je eine Aminosäure übertragen. (transfer-RNA oder tRNA) Replikation der DNA: Die Erbsubstanz muß die Fähigkeit zur ihrer identischen Reproduktion haben, damit Vererbung überhaupt möglich ist. In der Zeit zwischen zwei Zellteilungen entstehen zwei Chromatiden je Chromosom. Deshalb müssen sich die DNA-Moleküle der Chromosomen verdoppeln, so daß die beiden Schwesterchromatiden je ein identisches DNA-Molekül erhalten. Replikation: Vorgang der DNA-Verdopplung (= Nachbildung) Zu Beginn der Replikation lösen sich die beiden komplementären Stränge der DNA voneinander. An die nunmehr ungepaarten Basen beider Stränge lagern sich komplementäre Nukleotide. Die angelagerten Nukleotide werden von dem Enzym DNA-Polymerase (Replikase) zu einem neuen, aber komplementären Strang (Tochterstrang) verbunden. Jeder der beiden voneinander getrennten Stränge wirkt also als Matrize an der ein neuer komplementärer Strang gebildet wird. So entstehen aus einem Doppelstrang zwei neue, mit ihm völlig identische Doppelstränge. semikonservativ: DNA als Speicher der genetischen Information: Die aperiodische Nukleinsäuresequenz der DNA kann als Informationsträger wirksam sein. Informationsmenge läßt sich durch Anzahl der Variationsmöglichkeiten angeben. Mononukleotid: 4^1 Möglichkeiten Dinukleotid: 4^2 " Trinukleotid 4^3 " 300 Nukleotide 4^300 " Vorkommen und Struktur der Nukleinsäuren: Zellen enthalten zwei Arten von Nukleinsäuren: Ribonukleinsäure (RNA) findet sich sowohl im Zellkern wie auch außerhalb des Kerns im Cytoplasma, in den Mitochondrien, den Ribosomen und den Chloroplasten. Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist Bestandteil der Chromosomen, ist aber auch in Chloroplasten und Mitochondrien enthalten. Alle Nukleinsäuren sind Ketten von Nukleotiden (Polynukleotide) (also Makromoleküle). Nukleotid: Aus drei Teilen aufgebaut: aus einem der vier heterozyklischen Ringe (Basen): Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin bzw. Uracil Da Zucker- und Phosphorsäurereste durch die ganze Kette hindurch gleich sind, muß die genetische Informatin an die Basen gebunden sein. Die Abfolge der Basen, sprich die Nukleotidsequenz ist für die Speicherung der Information von Bedeutung. Für die DNA gilt: Molare Menge von von Adenin immer gleich zu molarer Menge an Thymin, analog dazu Guanin zu Cytosin. Modell der DNA-Struktur: Watson und Crick (1953) DNA besteht aus zwei langen Polynukleotidsträngen, die über die Basen der Nukleotide strickleiterartig zu einem Doppelstrang verknüpft sind. Das ganze Gebilde ist außerdem schraubig gedreht, wobei 10 Nukleotidpaare auf eine Windung kommen. Man spricht von einer Doppelschrauben- oder Doppelhelix-Struktur. Die vier Basen ordnen sich enander gegenüber immer so an, daß sie räumlich zusammenpasen und zwischen ihnen Wasserstoffbrückenbindungen optimaler Länge und in höchstmöglicher Zahl ausgebildet werden. Die Polynukleotidstränge sind so angeordnet, daß sie abwechselnd eine größere und eine kleinere Furche freilassen. Guanin paart deshalb mit Cytosin unter Ausbildung von 3 Wasserstoffbrücken, Adenin mit Thymin unter Bildung von 2 Wasserstoffbrücken (Gesetz der spezifischen Basenpaarung) Die beiden Stränge der Doppelhelix sind nicht identisch, sondern komplementär gebaut, sie sind antiparallel; durch Basen des einen Stranges sind Partner festgelegt. Zweiter Strang enthält also gleiche Information wie der erste, nur gewissermaßen als "Negativ". Die Reihenfolge der Basenpaarung (und damit der Nukleotidsequenz) im DNA- Molekül ist aperiodisch und Anzahl der Paare je nach Länge des DNA-Moleküls verschieden. RNA: RNA ist einstrangig, kann aber innerhalb des Stranges durch Basenpaarung Schlingen ausbilden (tRNA). Außerdem ist Thymin durch Uracil ersetzt, das mit Adenin die gleiche Anzahl (2) Wasserstoffbrücken bilden kann wie Thymin. Modell der Feinstruktur einer Chromatide: Die perlschnurartig aufgebaute Chromatide besteht aus wahrscheinlich mehreren DNA-Fäden, der regelmäßig mit linsenförmigen Nuklesomen verknüpft sind. Nukleosom: Ein Nuklesom wird aus 8 Molekülen von Histon-Proteinen gebildet. Molekulare Grundlagen der Vererbung: Desoxyribonkleinsäure (DNA) als Träger der genetischen Information: Eigenschaften gehen auf Erbanlagen zurück -> Gene in Chromosomen müssen Anweisung (Information) für die Ausbildung dieser Eigenschaften besitzen. Aus welchem Stoff bestehen Gene? Eigenschaften dieses Stoffes: 1. Fähigkeit zur Speicherung einer großen Menge Information 2. Fähigkeit zur identischen Verdopplung bei Zellteilung 3. Mutationsfähigkeit Chromosomen bestehen aus Proteinen und Nukleinsäuren, deswegen kommen nur sie als stoffliche Träger der Gene in Frage: Objekt: Pneumokokken (Viren/Erreger der Lungenentzündung) Es gibt zwei Stämme - virulent, kapselbildend - nicht virulent, unfähig Kapsel zu bilden infolge einer Mutation Injektionen werden an Mäusen durchgeführt: virulente -> letale Wirkung tote virulente -> keine Krankheit lebende kapsellose mit abgetöteten virulenten-> letale Wirkung Blutuntersuchung: Im Blut lassen sich lebende Kapsel-Formen nachweisen Schlußfolgerung: Die abgetöteten Pneumokokken haben demnach ihre Eigenschaften (krankheitserregend und kapselbildend) auf die harmlosen Formen übertragen. Dem amerikanischen Forscher AVERY gelang es 1944, nachzuweisen, daß diese Eigenschaften von der Desoxyribonukleinsäure übermittelt werden. Überträgt man nämlich die DNA aus virulenten Stämmen in Kulturen von harmlosen Stämmen, so bilden einige Bakterien der harmlosen Stämme Kapseln aus -> Sie wurden zu virulenten Formen transformiert. Transformationexperiment bei Pneumokokken: DNA-Extrakt von Stamm 1 (virulente Pneumokokken) + kapselloser Stamm => Bakterien von Stamm 2 enthalten Eigenschaften von Stamm 1 durch Aufnahme von DNA. Schluß: DNA enthält also genetische Information für Kapselbildung und Merkmal "virulent". Transformation: Übertragung genetischer Information durch DNA von einer Zelle in eine andere. Desoxyribonuklease: DNA-spaltendes Enzym, das Fähigkeit zur Transformation zerstört. Modifikationen: Erfahrung zeigt, daß Individuen gleichen Erbguts sich nicht unbedingt in allen Einzelheiten gleichen. Neben Erbgut haben auch die Umwelt, die von der Umweltgegebenen Bedingungen Einfluß auf Entwicklung des Lebewesens. Beispiel: Löwenzahnpflanze durch Längsschnitt halbiert -> Tiefland und Hochgebirge -> verschiedene Entwicklung Modifikabilität: Erscheinung, daß Lebewesen bei gleichem Erbgut unter wechselnden Bedingungen oft erheblich variieren. Modifikationen: Die auf bestimmte Einflüsse der Umwelt zurückzuführenden Abwandlungen (auch nichterbliche Varianten genannt) (nichterbliche Veränderungen des Phänotyps?) Objekt: Klon (z.B. Pantoffeltierchen) Fließende Modifikabilität: Das Auftreten stufenloser Abwandlungen eines Merkmals. Beispiele: Größe des Pantoffeltierchens, Länge der Nadeln and einem Tannenast. Umschlagende Modifikabilität: Es kommen keine stufenlosen Übergänge vor. Beispiel: Chinesische Primel: bei über 30°C blüht sie weiß, niedrigere Temperatur -> rot. Also keine stufenlosen Abwandlungen der Merkmalsausprägung, sondern etweder weiß oder rot. Modifikationsbreite/Reaktionsbreite: Jede Erbanlage läßt mehr oder minder starke Modifikationen zu. (Schlecht!) Vererbt wird also die Reaktionsnorm, d.h. die Art und Weise, auf die jeweils gegebenen Außenbedingungen (Umwelt) zu reagieren. Die Grenzen des Spielraums, innerhalb dessen ein Merkmal variiert, sind erblich festgelegt. Je nach Erbanlage kann die Variationsbreite für die Merkmalsbildung klein oder groß sein. Phänotyp entsteht aus Zusammenspiel zwischen Genotyp und den auf ihn einwirkenden Umwelteinflüssen. Eine Erbanlage kann sich nur soweit auswirken, wie es die Umwelt zuläßt; umgekehrt kann aber auch die Umwelt nur so viel Einfluß nehmen, wie es die Erbanlage erlaubt. Mutationen: Mutationen: (Ver)Erbliche Änderungen im Erbgefüge / Erbbestand. Sie können das einzeln Gen betreffen (Genmutation), doch können auch einzelne Chromosomen in ihrer Struktur (Chromosomenmutation) oder sogar der gesamte Chromosomenbestand, das Genom (Genommutation), verändert werden. Mutanten: Träger der Mutationen. Somazellen: Körperzellen Gen-Mutationen: Häufigste und wichtigste Form der Mutationen. Sie erfolgen zufällig und sind richtungslos. Die meisten mutierten Gene sind rezessiv, es treten aber auch dominant und intermediär sich vererbende Gene neu auf. Sie sind sehr oft nachteilig, bei Reinerbigkeit manchmal tödlich (letal), man spricht von Letalfaktor. Vorteilbringende Mutationen treten selten auf, solche erhalten sich. Multiple Allelie: Allele Gene mutieren unabhängig voneinander, dadurch wird das Lebewesen in bezug auf die betreffende Erbanlage heterozygot. Die aus der Mutierung (Mutation?) eines einzigen Gens hervorgehenden Gene heißen multiple Allele. Ein diploider Kern kann jedoch immer nur zwei Allele enthalten. Beispiel: Blutgruppen des Menschen: Den vier Blutgruppen liegen drei Allele zugrunde: IA, IB (gleich stark) und i (wird unterdrückt). Chromosomen-Mutationen: Sie beruhen auf Änderungen in der Struktur einzelner Chromosomen. Deletion: Chromosom kann bei der Teilung auseinanderbrechen. Kleine Teilstücke lösen sich auf. Duplikation: Chromosom zerbricht, Teilstück heftet sich an Schwesternchromatide. Translokation: Chromosom zerbricht, Teilstück heftet sich an eine Chromatide eines nicht homologen Chromosoms. Inversion: Durch Schleifenbildung wird ein Teil des Chromosoms herausgebrochen und umgekehrt wieder eingefügt. Folgen: Verlust oder Verlagerung der betroffenen Erbanlagen. Positions-Effekt: Wirkungsweise eines Gens ist von dem Ort abhängig, den es innerhalb der übrigen Gene des Chromosoms einnimmt. Für die Eigenschaften eines Organismus ist also nicht allein der Genbestand, sondern auch die Anordnung der Gene auf den Chromosomen maßgebend. Genom-Mutationen: Sie betreffen die Anzahl der Chromosomen, die verändert wird. Sie sind auch der Oberbegriff für die Veränderung ganzer Chromosomensätze. Aneuploidie: Die Zahl der Chromosomen wird vermehrt oder vermindert. Ursache: Unregelmäßigkeiten bei den Zellteilungen Veränderung: Einzelne Chromosomen werden nicht repliziert oder Nondisjunktion: Einzelne Chromosomenpaare werden bei der Reduktionsteilung nicht getrennt. Monosomie: Einem Chromosom fehlt das der homologe Partner. Trisomie: Ein Chromosom liegt dreifach vor. Euploidie: Die Veränderung betrifft ganze Chromosomensätze: Haploidie oder Polyploidie (Hinzufügen ganzer Chromosomensätze) Folgen der Genom-Mutationen: Fortpflanzungsfähig sind nur geradzahlige Polyplide. Bei ungeradzahligen sowie unvollständigen oder überzähligen Chromosomnsätzen treten Störungen bei den Reduktionsteilungen auf. Nichtchromosomale Vererbung (Vererbung durch Gene außerhalb des Kerns) Meines Kenntnisstandes nach müssen wir nichts darüber wissen. Geschlechtsbestimmung und Geschlechtschromosomengebundene Vererbung: Zahlenverhältnis der beiden Geschlechter ist in der Regel: 1:1, deshalb Vermutung, daß die das Geschlecht bestimmenden Erbfaktoren einmal reinerbig und einmal mischerbig vorliegen. Untersuchungsobjekt: Drosophila melanogaster (als ob das was neues wäre!) Drosophila hat nur vier Chromosomenpaare, die sich wie folgt aufteilen: 3 Autosomen: Chromosomen, die in beiden Geschlechtern völlig gleich gestaltet sind und in der diploiden Zelle homolog vorliegen. 1 Heterosomenpaar: Chromosomen, die in Beziehung zur Ausprägung des Geschlechts stehen, die Geschlechtschromosomen, Gonosomen, die bei der Frau reinerbig (XX) und beim Mann mischerbig vorliegen (XY) X-Chromosom: stabförmiges Chromosom Y-Chromosom: hakenförmiges Chromosom Revised edition. Compiled by Angela Zäh, Felix Berger, Sebastian Allgäuer and Yven Johannes Leist The editors are under special obligation to Thorwald Petersen who generously placed the original document at their disposal. They are also appreciative of mental aid rendered in various ways by David Männel and Valentin Funk. All rights reserved. Printed in Germany. No part of this document may be used or reproduced in any manner whatsoever without written permission except in the case of brief quotations embodied in critical articles and rewievs, and of course in the case of private use such as preparing for a biology test, the very reason owing to which this document was devised. Words which we have reasons to believe constitute registered trademarks are designated as such. 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