Genetik
Allele: Gene, auf den homologen Chromosomen z.B.: AA -Genom: Gesamtheit aller Gene des Zellkerns -Genotyp: Erbbild eines Organismus, die Ausprägung der Gene -Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, oft nicht Genotyp -dominant: vorherrschendes Allel, das zur Merkmalsausprägung führt (A) -rezessiv: unterlegenes Allel, das sich nicht auswirkt (a) -intermediär: Ausprägung eines Merkmals wird durch beide Allele beeinflusst, liegt in der Mitte, z.B. rote Blüte (rr) gekreuzt mit weißer Blüte (ww): F1 hat rosa Blüten (rw). -homozygot: besteht ein Allel aus gleichen Genen, d.h. ein Merkmal ist auf den homologen Chromosomen identisch ( AA oder aa) so ist das Individuum bezüglich dieses Merkmals gleichgepaart oder reinerbig oder homozygot -heterozygot: besitzt ein Individuum für ein bestimmtes Merkmal verschiedene Allele als Genpaar (Aa), so ist es mischerbig, spalterbig oder heterozygot bezüglich dieser Erbanlage. Heterozygote Pflanzen bezeichnet man als Hybride, Tiere dagegen als Bastarde. -autosomal: Autosomen sind alle Chromosomen außer Geschlechtschromosomen, ein autosomaler Erbgang wird durch Gene bestimmt, die nicht auf den Geschlechtschromosomen sitzen, wie z.B. Albinismus, Phenylketonurie, Sichelzellenanämie, Taubstummheit, Hasenscharte alle rezessiv. Autosomal dominant: Kurzfingrigkeit, Vielfingrigkeit, Veitstanz, Nachtblindheit, Schielen, Marfan-Syndrom. -gonosomal: Gonosomen sind Geschlechtschromosomen (X,Y); XX : weiblich, XY : männlich. Ein gonosomaler Erbgang wird bestimmt, durch Gene, die auf den Geschlechtschromosomen sitzen; z.B.: X-chromosomal rezessive Erbgänge sind Bluterkrankheit, Rot-Grün-Blindheit.
Uniformitätsregel:
Die F1-Generation reinerbiger Eltern sehen gleich (uniform) aus
Spaltungsregel:
Kreuzt man Mischlinge der F1-Generation, so treten die Merkmale der Parentalgeneration wieder auf. Sie spalten sich beim dominant rezessiven Erbgang phänotypisch im Verhältnis 3 : 1, dagegen genotypisch im Verhältnis 1 homozygot : 2 heterozygot : 1 homozygot. Beim intermediären Erbgang spalten Genotyp und Phänotyp im Verhältnis 1 : 2 : 1.
Unabhängigkeitsregel: auch Gesetz der Neukombination:
Bei Kreuzungen mit mehreren nicht gekoppelten Merkmalen, werden die entsprechenden Merkmale unabhängig voneinander vererbt, d.h. neben den
Merkmalskombinationen der Eltern treten in der F2-Generation neue Merkmalskombinationen auf.
Die Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, wurde durch den amerikanischen Biologen MORGAN zum ,,Haustier" der Genetiker. -Die Tiere sind klein, der Raumbedarf für die Zuchtgläschen ist gering. Die Nahrung ist billig. -Die Generationsfolge beträgt bei Zimmertemperatur nur 14 Tage. -Ein Pärchen hat bis zu 300 Nachkommen, so daß man für Auswertungen entsprechend hohe Individuenzahlen erhält. -Drosophila melanogaster hat eine hohe Zahl gut, mit der Lupe leicht zu erkennende,
kontrollierbare Merkmale.
Entwicklungszyklus: Drosophila lebt in der Natur auf überreifem Obst, im Labor auf Nährböden, auf denen die Weibchen ihre Eier ablegen. Die Eier sind 0,5 mm groß. Aus ihnen schlüpfen nach etwa 24 Stunden Maden, die sich mehrfach häuten und sich als 5 mm große Larven an der Wand der Gläschen, in denen man sie züchtet, verpuppen. Aus den Puppen schlüpfen nach ca. 4 Tagen die Fliegen. Da sie nach etwa 6 Stunden zeugungsfähig werden, muß die Trennung von Männchen und Weibchen in diesem Zeitraum erfolgen. Die Unterscheidung ist leicht. Der Hinterleib der etwas größeren Weibchen ist zugespitzt, der der Männchen ist abgerundet und schwarz.
Mutanten: Für Kreuzungsversuche sind folgende Mutanten gut geeignet: white (w) mit weißen Augen, vestigial (vg) mit Stummelflügeln und ebony (e) mit schwarzer Körperfarbe. Man kreuzt die Mutanten untereinander oder mit der Wildform. Diese hat rote Augen und lange, über den Körper hinausreichende Flügel. Die Körperfarbe ist grau. Symbolik: Die für Drosophila benutzte Symbolik ist anders als die sonst für Erbschemata benutzte.
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Ein reinerbig normalflügliges Weibchen wird mit einem reinerbig stummelflügligen Männchen gekreuzt. Das Weibchen steht vor, das Männchen hinter dem Kreuzungssymbol. Allele über dem Bruchstrich sind mütterlicher, unter dem Bruchstrich väterlicher Herkunft. Das Wildallel wird stets durch ein + symbolisiert.
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vg
vg Kopplung:
In der F1 dürften nur stummelflügliche schwarze Tiere oder der Wildtyp entstehen.
Crossing over:
Während der Chromosomen-paarung brechen Nicht-Schwester-Chromatiden an identischen Stellen, überkreuzen (Chiasmata) und wachsen zusammen. -->schwarze langflügliche als auch graue stummelflügliche Tiere trotz Kopplung.
Dreipunktanalyse zur Erstellung einer Genkarte:
Je weiter die Genloci eines Chromosoms entfernt liegen, desto häufiger erfolgt Crossing over. Die Austausch-häufigkeiten zwischen jeweils 2 Genloci werden bestimmt.
> Genkarte
(z.B. relativer Abstand oben = 9,25 entspricht 9,25 Morgan-Einheiten).
Kreuzen Sie ein stummelflügliches Männchen (vg) mit dem Wildtyp - Weibchen! (alle homozygot).
Kreuzen Sie ein stummelflügliches Weibchen mit normaler Körperfarbe mit einem normalflügligen Männchen mit grauer (ebony, e) Körperfarbe (alle homozygot). Kreuzen Sie die F1 miteinander. Machen Sie eine Rückkreuzung zum Test auf homozygote Tiere der F2!
Kreuzen Sie ein stummelflügliches Weibchen (vg) mit dem Wildtyp - Männchen! (alle homozygot).
Kreuzen Sie ein stummelflügliches Männchen mit normaler Körperfarbe mit einem normalflügligen Weibchen mit grauer (ebony, e) Körperfarbe (alle homozygot). Kreuzen Sie die F1 miteinander. Machen Sie eine Rückkreuzung zum Test auf homozygote Tiere der F2!
Wachstum von Pflanzen und Tieren -Regeneration bei Pflanzen und Tieren Vegetative Vermehrung hauptsächlich bei Pflanzen
Prophase:
Kondensation der 2-Chromatiden - Chromosomen (2CC)
Kernhülle löst sich in Zisternenfragmente u. Vesikel auf,
Karyoplasma und Cytoplasma vermischen sich,
Spindelfasern bilden sich an Polregionen als Mikrotubuli
ausgehend von den Centriolen und den Centromeren,
Methaphase:
stärkste Kondensation,
2CC werden von Spindefasern in Äquatorialebene
gebracht und angeordnet,
Centromeren sind durch 20 nm Spalt getrennt,
Dictyosomen und ER sind vesikuläre Fragmente,
Anaphase:
Mikrotubuli verkürzen sich,
1 CC werden jeweils an anderen Pol transportiert,
ER - Elemente wandern in Äquatorialalebene,
Telophase:
Dekondensation der 1CC,
Nucleoli werden sichtbar,
Kernhüllen entstehen,
Golgi- Vesikel fusionieren mit Pektin und bilden eine Zellwanplatte inklusiv Mittellamelle im Zentrum
derÄqatorialebene; diese wächst auf die Zellwände zu,
lnterphase: (G1, S, G2 - Phase)
Identische Reduplikation der 1CC zu 2CC,
Synthese der Zellorganellen,
Wachstumsphase,
Ruhephase
Meiose
Feinbau und Eigenschaften der Chromosomen
Chromosomen sind die Träger der Erbinformation. Sie haben eine Länge von 0,2 nm bis zu 250 nm und einen Durchmesser von 0,2 nm bis 30 nm.
Chromosomen kann man mittels Autoradiographie oder Flureszensfärbetechnik identifizieren. Durch Ordnen der Chromosomen nach Baumerkmalen und Bandenmuster erhält man ein Karyogramm.
Die Geschlechtszellen "weibliche Eizelle " und "männliche Samenzelle " bilden nach ihrer Vereinigung (Befruchtung) die Ausgangsquelle für ein neues Lebewesen. Dieses wächst durch mitotische Körperzellenteilungen.
In der Meiose bilden sich die männlichen und weiblichen Geschlechtszellen durch eine besondere Art der Zellteilung. Um den notwendigen doppelten Chromosomensatz (diploid = 2n) in den Körperzellen
zu gewährleisten, dürfen die elterlichen Geschlechtszellen jeweils nur den einfachen, also halbierten (haploiden = 1n) Chromosomensatz erhalten. -Man unterscheidet zwischen der 1. Reifeteilung (meiotisch) auch Reduktionsteilung genannt, -und der mitotischen 2. Reifeteilung. -Sinn: -Erhaltung der Chromosomenzahl, da Organismen mit zu vielen Chromosomen (triploid = 3n, tetraploid = 4n, Polyploidie) oft geschädigt sind (z.B. Trisomie 21 --> Mongolismus) bzw. Organismen mit haploidem
Chromosomensatz meist nicht lebensfähig sind (Ausnahme: TURNERfrauen haben nur 1 X Chr.). -Neukombination der Chromosomen, da die Chromosomenpaarung (=Konjugation) und die nachfolgende Verteilung der homologen Chromosomen während der 1. Reifeteilung dem Zufallsprinzip unterliegen. Das heißt, Merkmale von Mutter und Vater (Parentalgeneration, P, Elterngen.) werden in der F1 (1. Filialgen. bez. Tochtergen.) ausgebildet.
Crossing Over: da auf einem Chromosom mehrere Gene liegen (1 Gen bildet nach heutiger Auffassung ein Polypeptid aus, früher ein Enzym und davor ein Merkmal), aber Chromosomen nur vollständig bei der 1. Reifeteilung verteilt werden, bedarf es einer besonderen Methode, um diese sogenannten gekoppelten Gene getrennt zu vererben. -Dazu werden bei der Paarung der homologen Chromosomen Chromatidenbruchstücke an identischer Stelle ausgetauscht. Die Überkreuzung der Chromatiden an der Bruchstelle ist mikroskopisch sichtbar; man bezeichnet sie als Chiasma. (erstmals nachgewiesen an einem Mann, der sowohl rotgrünblind als auch Bluter war).
Bau der Nucleinsäuren (Kernsäuren)
Bau der DNA und RNA
Avery wies mit seinen Versuchen eindeutig nach, daß die DNA Träger der Erbinformation ist. Man spricht von der Geburtsstunde der Molekulargenetik. (Siehe auch Schroedel . 192)die Chromosomen bestehen aus Desoxiribonucleinsäuren = DNA (DNS), -die DNA ist doppelsträngig entsprechend einer Strickleiter, -die "Holme" werden von regelmäßigen Folgen aus Phosphat-Zucker-Ketten gebildet, wobei das Phosphat einmal am 3. C-Atom und zum anderen am 5. C-Atom des Zuckers gebunden ist. -Deshalb weist ein solches Zucker-Phosphat-Band zwei verschiedene Enden, das sogenannte 3'- Ende und das 5'- Ende auf. -Die "Sprossen" bestehen aus komplementären Basenpaaren ( Adenin - Thymin, Thymin - Adenin, Guanin - Cytosin und Cytosin - Guanin ), die jeweils an beiden Seiten des Doppel-strangs an die Zucker gebunden sind; die Basenpaarung wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert. -die stabilste räumliche Struktur ergibt sich, wenn die "Strickleiter" spiralig zu einer "Wendeltreppe" gewunden ist; diese Form nennt mann Doppelhelix. -infolge der aperiodischen (unregelmäßige) Abfolge der Basen im Nucleinsäurestrang werden die Informationen zur Proteinbiosynthes codiert (verschlüsselt, wie z.B. auf einer Lochkarte). neben der DNA gehört auch die RNA (RiboNucleinAcid) zu den Kernsäuren; sie besteht nur aus einer Phosphat-Zucker-Kette, der Zucker ist hier Ribose, statt der Base Thymin wird an die RNA nur die Base Uracilangelagert; -die RNA erstellt "Kopien" der DNA, die aus dem Zellkern zu den Ribosomen im Cytoplasma gebracht werden (deshalb auch m-RNA = messenger-RNA = Boten-RNA), -oder die sogenannte t-RNA = transfer-RNA bindet im Cytoplasma Aminosäuren und transportiert diese zu den Ribosomen.
auch identische Reduplikation, -bei der Zellteilung wird auch die DNA gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt, durch Teilung der Chromatiden in Längsrichtung, -das Enzym DNA-Replicase spaltet den Mutterdoppelstrang an den H-Brücken der Basenpaare auf. Es entstehen zwei gegengleiche Vorlagenstränge, mit der gleichen Information. -vor einer erneuten Teilung muß die Erbsubstanz in der Interphase wieder verdoppelt werden; -deshalb werden freie Nucleotide (Einzelbaustein aus Phosphor-Zucker-Base) passend zu den komplementären Basen am Vorlagenstrang mit den Enzymen DNA-Polimerase und DNA-Ligase ausgehend vom 5'-Ende in Richtung 3'-Ende gebunden. -der Mutterstrang ist also zur Hälfte in der Tochter-DNA vertreten (siehe auch Beweis durch Meselson und Stahl, Schroedel S. 43), -man nennt deshalb die Verdopplung auch semikonservative Replikation.gegenüber der konservativen Replikations-Theorie, die als These "Original und Kopie" vertrat.
Die Klonierung von Individuen hat zum Ziel unter Ausschluß des Zufalls bei sex. Rekombination höhere Organismen genet. identisch zu vermehren und aufzuziehen. Dies gelingt bei höh. Pflanzen leicht auf dcr Basis einer natürl. oder in der landwirtsch Praxis einfach vollziehbaren ungeschlechtl. Fortpflanzung oder experimentell anspruchsvol1er durch Regeneration ganzer Pflanzen aus einzelnen somatisehen Zellen in Nährmedien mit best. Zusätzen:Wenn isolierte Zellen der Möhre, des Zuckerrohrs oder Tabaks im Nährsubstrat in best. Relation und zeitl. Folge Wuchsstoffe erhalten (Auxine Gytokinine) so können auf dem Wege über eine Kallusbildung vollständige Pflanzen entstehen. -Geht man dabei von Pollen aus, so wachsen z. B. beim Tabak Embryonen heran aus denen haploide Pflanzen entstehen können die dann auch rezessive Mutationen direkt offenbar werden lassen.
Bei Wirbeltieren dagegen wird zwar die Zell- und Gewebezüchtung in vitro gut beherrscht eine Aufzucht vollständiger Tiere aus somat. Zellen ist hier aber vorerst unmöglich selbst eine Differenzierung solcher Zellen wird nur selten erzielt. Andererseits ist die Aufzucht von Eizellen nach Kerntransplantation (siehe unten Kralleafrosch) und bei Säugern die Re-Implantation künstl. befruchteter Eizellen in den Uterus eines geeigneten Muttertieres gelungen, so daß eine Kombination beider Verfahren zur Klonierung von Nutztieren diskutiert wird.Aus Körperzellen z. B. einer Hochleistungs-Milchkuh konnten Zellkerne entnommen, in entkernte Eizellen anderer Rinder übertragen und diese Eizellen bei beliebigen Kühen in den Uterus eingepflanzt und hier ausgetragen werden. Alle Nachkommen waren der Kernspenderin genet. gleich.
Übertragung von Teilen der Erbinformation aus dem Zellkern ins Plasma an die Ribosomen mittels der m-RNA zur Proteinsynthese, -die Doppelhelix der DNA entwindet sich und weicht zwischen den komplementären Basen auseinander. -Die RNA-Polymerase katalysiert die Synthese der m-RNA in 5'--> 3'- Richtung. -Entsprechend wird die Basensequenz einzig am DNA-Strang mit 3'--> 5'- Richtung abgelesen. -Diesen Vorlagestrang der DNA nennt man codogener DNA-Strang. -Die RNA-Polymerase erkennt dabei auf dem codogenen Strang Start- und Stopp- signale, sodaß auf einer m-RNA meist nur die Information für den Bau eines Polypeptides verschlüsselt ist.
Übersetzung des genetischen Codes, -der genetische Code arbeitet mit vier Zeichen, den vier Basen, durch jeweils 3 Basen wird eine Aminosäure codiert, -dadurch lassen sich mathematisch maximal 43 = 64 Aminosäuren codieren, -die drei Basen nennt man ein Triplett, ein Triplett auf dem codogenen Strang heißt Codogen, -ein Triplett auf der m-RNA nennt man Codon -und das Triplett der t-RNA wird als Anticodon bezeichnet. -die Codierung hat keine Pausenzeichen, das heißt durch den Wegfall einer einzigen Base (Mutation) wird der Sinn der Information verändert, da sich neue Tripletts ergeben, z.B.:
CAU GCG GAG CUU UAC GCU Normale Abfolge
CAU CGG AGC UUU ACG CU Wegfall der Base Guanin
CAU CGG AGU UUA CGC U Wegfall von Cytosin
CAU CGG AGU UAC GCU Wegfall von Uracil
-----------> ab hier wieder sinnvoll
DIE RNA HAT DEN RAT DER DNA
DIE NAH ATD ENR ATD ERD NA
DIE NAH ATE NRA TDE RDN A
DIE NAH ATE NAT DER DNA
------->
mittels künstlich hergestellter m-RNA wurden alle Codons und die zugehörigen 20 Aminosäuren ermittelt, -die sogenannte Code-Sonne liefert für die Aminosäuren die Basensequenz der m-RNA; -da es 64 Codiermöglichkeiten gibt, werden einige AS mehrfach verschlüsselt, man spricht vom degenerierten Code. -beispielsweise kann die AS Glycin durch die Codons: GGU, GGC, GGA und GGG der m-RNA bestimmt sein, -das Triplett GCA bestimmt die AS Alanin, -der genetische Code ist universell, d.h. alle Organismen benutzen den gleichen Code.
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Das Dogma der Molekularbiologie:
Aufgabe 1:
Wie sieht die AS-sequenz des Proteins aus, das an folgender
m-RNA abgelesen wird (konstruiertes Beispiel) ?
Aufgabe 2:
Ermitteln Sie das Peptid, das in folgendem DNA-Abschnittcodiert ist:
5' TTT CAC ATG GCA AAA TTG 3'
codogener Strang 3' AAA GTG TAC CGT TTT AAC 5'
Aufgabe 3:
Aus wievielen Basenpaaren setzt sich das Gen zusammen, welches die A-Kette des Insulins verschlüsselt enthält?
Schreiben Sie eine mögliche Basensequenz der DNA auf, welche die ersten vier Aminosäuren der A-Kette des Insulins codiert!
Konstruktionsbüro Zellkern Bausteine
Bauplan DNA Aminosäuren
Kopien für Baustelle Transportmittel
m - RNA t - RNA
Bauplatz
Ribosomen
t - RNA
der Transport der Aminosäuren für die Proteinbiosynthese an dieRibosomen aus dem Cytoplasma übernimmt die transfer-RNA, -sie hat die sogenannte Kleeblattstruktur, bestehend aus etwa 80 Nucleotiden in räumlicher spezieller Faltung (Tertiärstruktur), -am Kopf des Kleeblattes befindet sich ein bestimmtes Basentripplet, das sogenannte Anticodon, das sich an das Codon der m-RNA anlagern kann, -am Stiel des Kleeblattes ist entsprechend zum Anticodon eine Aminosäure angeheftet, die bei Anlagerung an die m-RNA in den Ribosomen über eine Peptidbindung mit der Aminosäure der nächsten t-RNA verknüpft wird; -so entsteht ein Polypeptid, das sich noch während des Baues in seine räumliche Struktur faltet.
m - RNA bildet sich infolge enzymatischer Verknüpfung am codogenen Strang der DNA -m - RNA wandert durch Kernporen ins Cytoplasma
m - RNA
lagert sich an die kleine Untereinheit eines Ribosoms, die große Untereinheit lagert sich auf, das Ribosom ist funktionsbereit und wandert an der m - RNA entlang, -gleichzeitig wird t - RNA mit gebundenen Aminosäuren zu dem Ribosom gebracht, -an die m-RNA passende t RNA (entsprechend Codon und Anticodon) lädt jetzt die einzig möglichen Aminosäuren im Ribosom ab; -dort werden die Aminosäuren enzymatisch zu einem Polypeptidfaden verbunden, -beim Ablesen wandern die Ribosomen entlang der m - RNA, -zur Erhöhung der Proteinausbeute wird die gleiche m - RNA von mehrern Ribosomen abgelesen; -diese m - RNA - Kette mit mehrern Ribosomen nennt man auch Polysomen oder Polyribosomen, -nach mehrfacher Ablesung wird die m - RNA durch Enzyme gespalten, d.h. sie wird wirkungslos.
Genregulation
Operon-Modell.
Das Darmbakterium Escherichia coli kann eine Reihe von Kohlenhydraten verwerten, so z.B. auch Glucose und Lactose. Züchtet man E. coli in einem Nährmedium mit Glucose, reinigt die Kultur dann von diesem Kohlenhydrat und setzt danach Lactose zu. so tritt zunächst ein Wachstumsstillstand ein. Erst nach einiger Zeit laufen Lactose-Verwertung und Wachstum an. Vergleicht man die Enzymausstattung der mit Glucose kultivierten Zellen mit der einer Lactose-Kultur so zeigt sich, daß nur die letztere die Enzyme des Lactose-Abbaus enthält. Nach diesem Ergebnis muß die E. coli-Zelle zwar die genetische Information für die Lactose-abbauenden Enzyme enthalten, die Realisierung der Information erfolgt aber erst nach Zugabe von Lactose. Man bezeichnet dieses Phänomen als Enzyminduktion.Durch Auswertung genetischer Versuche mit E. coliMutanten entwickelten die Franzosen JACOB und MONOD das Operon-Modell der Genregulation. Das Operon ist eine Funktionseinheit benachbarter DNAAbschnitte. Es beginnt mit der Promotor-Region. An diese Erkennungsregion wird das m-RNA-synthetisierende Enzym, die RNA-Polymerase gebunden. Ob die RNA-Polymerase nun in Funktion treten kann, hängt vom Zustand der DNA-Region ab, die sich an den Promotor anschließt. Diese Region heißt Operator. Sie ist die Bindestelle für ein spezifisches Protein. Erkennen und Binden dieses Proteins erfolgen nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip. Ist das Protein angelagert, so verhindert es das Weiterwandern der RNA-Polymerase und damit die Transkription der nachfolgenden DNAAbschnitte. Man bezeichnet daher dieses Protein auch als Repressor. An den Operator schließen sich DNABasensequenzen an, die man Strukturgene nennt. Sie codieren Enzyme. Die Strukturgene können nur abgelesen werden, wenn die Operator-Region freigegeben ist. Nur in diesem Fall tastet die RNA-Polymerase die Basensequenz der Strukturgene ab und synthetisiert eine entsprechende m-RNA.
Promotor, Operator und Strukturgene zusammen bilden das Operon. Die Funktion des Operons kann mit Hilfe des Repressors reguliert werden. DasRepressorprotein ist auf einer DNA- Region codiert, die außerhalb des Operons liegt. Sie wird als Regulatorgen bezeichnet. Der Repressor kann in aktiver oder in inaktiver Form vorliegen. Nur in aktiver Form wird er an den Operator gebunden. Im Beispiel des lac-Operators von E. coli reagiert Lactose mit dem Repressor. Dadurch geht dieser in die inaktive Form über. Die RNA-Polymerase kann weiterwandern und die Strukturgene des lac-Operons ablesen. Als Folge werden dann die Lactose-abbauenden Enzyme an den Ribosomen synthetisiert.Auch die Synthese der Aminosäure Tryptophan in E. coli wird durch ein Operon reguliert. Im Unterschied zum lac-Operon ist hier der Repressor zunächst inaktiv. Erst durch die Reaktion mit Tryptophan wird er aktiviert und blockiert dann die Strukturgene derTryptophan-Synthese. Man spricht daher hier von Enzymrepression.
Vom Schimmelpilz Neurospora gibt es Mutanten, die dieAminosäure Arginin nicht synthetisieren können. Das Pilzmycel dieser Arginin-Mangelmutanten wächst nur, wenn dem verwendeten Nährboden Arginin zugesetzt wird. (Schroedel S. 198)
Die Amerikaner BEADLE und TATUM experimentierten mit-Mangelmutanten. Sie setzten den Nährböden die Verbindungen Citrullin oder Ornithin hinzu und überprüften das Pilzwachstum. Bei Citrullin und Ornithin handelt es sich um Vorstufen der Arginin-Biosynthese, die ihrerseits wiederum aus einer anderen Vorstufe hervorgehen. Die Experimente ergaben, daß man bei den Arginin-Mangelmutanten von Neurospora drei Typen unterscheiden kann. Typ 1 wächst, wenn dem Nährboden entweder Arginin oder Citrullin oder Ornithin zugegeben worden war. Diese Mutante muß also sowohl aus Citrullin als auch aus Ornithin die Aminosäure Arginin synthetisieren können. Der Typ II der Mutanten kann zwar aus Citrullin, nicht aber aus Ornithin das fehlende Arginin herstellen. Die Mutanten wachsen also aufArginin und Citrullin. Der Typ III der Mangelmutanten schließlich kann weder Citrullin noch Ornithin für die Argininsynthese nutzen und wächst nur, wenn Arginin selbst dem Nährboden zugesetzt worden war.
BEADLE und TATUM fiel auf, daß keine Mutante auftrat, bei der man den Argininmangel allein mit Ornithin beheben konnte. War er mit Ornithin auszugleichen, dann war er immer auch mit Citrullin zu beheben. Daraus war zu schließen, daß dieArgininsynthese aus Ornithin über Citrullin erfolgt. Für die Bio-synthese des Arginins ergibt sich daher, daß sie über die folgenden Schritte abläuft:El E2 E3
Vorstufe ---> Ornithin ---> Citrullin ---> Arginin.Jeder einzelne Stoffwechselschritt der Synthesekette wird von einem spezifischen Enzym katalysiert, die hier mit E1, E2 und E3 symbolisiert sind. In den drei Typen von Arginin-Mangelmutanten ist jeweils durch Mutation eines der Enzyme der Synthesekette ausgefallen. Die Versuchsergebnisse der Arbeiten mit NeurosporaMutanten führten 1941 erstmals zur Formulierung der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese. Danach bestimmt ein Gen jeweils ein Enzym; mutiert ein Gen, ist davon eine
Enzymwirkung betroffen.
Vor allem unter der afrikanischen Bevölkerung tritt häufiger eine Erbkrankheit auf, die als Sichelzellanämie bezeichnet wird. Unter Bedingungen des Sauerstoffmangels beobachtet man im Blut homozygot Kranker eine charakteristische Sichelform der roten Blutkörperchen. Diese Zellform ist auf ein verändertes Löslichkeitsverhalten des Hämoglobins bedingt durch eine Änderung einer Polypeptid-Kette des Hämoglobins zurückzuführen. Die Lebenserwartung der Betroffenen ist deutlich herabgesetzt; ihr Hämoglobin zeigt eine verminderte Sauerstoffbindungsfähigkeit.Viele Enzyme sind aus mehreren Polypeptidarten zusammengesetzt. Die Synthese eines solchen Enzymmoleküls bedarf daher der Mitwirkung mehrerer Gene. Man spricht daher heute von der Ein-Gen-einPolypeptid-Hypothese. Im Lauf der Zeit ist ein Wandel der Definition eines Gens eingetreten. Ursprünglich wurde ein Gen als Einheit der Merkmalsausbildung angesprochen. So ging MENDEL 1865 von der Beziehung ein Erbfaktor - ein Merkmal aus. BEADLE und TATUM formulierten 1941 die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese.Der gegenwärtige Erkenntnisstand geht von der Beziehung ein Gen - ein Polypeptid aus. Auf molekularer Basis kann man daher ein Gen als einen DNA-Abschnitt definieren, der die Information für die Synthese eines Polypeptides trägt.Gestückelte GeneDie genetische Information für die ß-Kette des Hämoglobins ist auf dem Chromosom Nr. 11 des Menschen codiert. Die Aufklärung der Basensequenz und andere Untersuchungsmethoden erbrachten den Nachweis, daß das ßGlobin-Gen ,,gestückelt" ist. Es wird von zwei nichtcodierenden DNA-Abschnitten, den Introns, unterbrochen. Entsprechend weist das ß-Globin-Gen drei voneinander getrennte codierende DNA-Abschnitte auf, die man als Exons bezeichnet.
Bei derTranskription wird zunächst die gesamte Basensequenz des ß-Globin-Gens abgelesen, es entsteht die prä-m-RNA. Aus diesem Molekül werden im Zellkern die Intron-Abschnitte enzymatisch herausgeschnitten. Das Ergebnis dieses als Processing bezeichneten Vorgangs ist die m-RNA, in der die ExonSequenzen lückenlos aneinandergefügt sind. Diese m-RNA verläßt den Zellkern und dient an den Ribosomen als Bauanweisung für das ßGlobin. Fast alle Gene der Eukaryonten sind gestükkelt, sind also in Exons und Introns unterteilt. (Schroedel S. 199)
Erbänderung, die ein Gen, ein Chromosom oder auch den ganzen Chromosomensatz betreffen kann; -sie ist während der Meiose möglich und wird dann bei geschlechtlicher Fortpflanzung vererbt; -bei der Mitose treten Mutationen auf, die in der Regel nicht vererbt werden, es sei denn der Organismus vermehrt sich vegetativ oder wird vegetativ vermehrt (Züchtung) -abzugrenzen von einer Änderung des Phänotyps durch Umwelteinflüsse, die man Modifikation nennt,
Stoff oder auch Umweltfaktor, der zur Veränderung der Erbinformation führt; -solche mutationsauslösenden Faktoren können energiereiche Strahlen (Röntgenstrahlen, UV-Strahlen, Radioaktivität allgemein, usw.) oder auch chemische Substanzen (Nikotin, Ozon, diverse Medikamente, Umweltgifte und andere ...) sein, -die häufigste Form einer Mutation ist die Genmutation, also Veränderung von in der Regel einem Polypeptid, das für den Aufbau eines Enzyms benötigt wird, -Mutationen sind zu über 99% negativ und oft mit schwerwiegenden Fehlbildungen oder Tod des Organismus verbunden, -allerdings ist Evolution ohne positive Mutation (UV-Licht) nicht möglich,
Basenaustausch:
hier wird in einem Triplett eine Base im codogenen Strang ausgetauscht, sodaß in einem Protein eine einzige andere Aminosäure eingebaut wird, -z.B. wird bei der Sichelzellenanämie, einem schweren Erbleiden bei Menschen, im Hämoglobin des Blutes statt Glutaminsäure Valin eingebaut; das hat zur Folge, daß bei wenig Sauerstoff die Blutzellen zur Sichelform schrupfen, starr werden und die Blutgefäße verstopfen; -die Sichelzellenanämie vererbt sich autosomal rezessiv; -bei heterozygoten Erbträgern kommt es zur leichten Anämie (40% in Zentralafrika, sind resistent gegen Malaria) bei homozygoten führt es zur schweren Anämie mit frühem Tod.
Rastermutation:
als Folge von Baseneinschub oder auch Basenverlust durch Einbau oder Wegfall eines Nucleotids; ---> der Dreier Ableserhytmus ist gestört, es entsteht in der Regel ein Protein mit völlig veränderter Aminosäuresequenz, das biologisch inaktiv ist; -wenn ein solcher Fehler z.B. bei der Herstellung der Pyruvat-Decarboxylase zum Betreiben der aeroben Dissimilation passiert, hat der Organismus keine Lebenschance.
Basenanaloge:
während der Replication kann die Zelle z.B. das Mutagen Bromuracil nicht von Thymin unterscheiden und wird eingebaut; -bei der Translation kann Bromuracil nicht nur Adenin sondern auch Guanin anlagern, was zu einem Basenaustausch führen kann,
Dimerisation:
infolge UV-Licht werden benachbarte Thyminbasen miteinander verknüpft (energiereich), es kommt zu Lesefehlern; z.B. Hauttumore, Krebs,
Fehler bei der Reduktionsteilung infolge Nodisjunktion, --->
Polyploidie , vielfach bei Nutzpflanzen positiv, beim Menschen Trisomie
13, 18, 21, Turner-Syndrom und Klinefelter-Syndrom, -kann künstlich durch Colchicin, dem Gift der Herbstzeitlosen, ausgelöst werden, da hier die Ausbildung des Spindelapparates gestört wird, -siehe auch Erbkrankheiten beim Menschen
Einzelstrang oder Doppelstrangbruch der DNA mit Stückverlusten oder Verdopplung oder Verdrehung von Chromosomenabschnitten oft infolge radioaktiver Strahlung; -z.B.: Deletion 4, 5 und 18 beim Menschen, -in der Pflanzenzüchtung zur Veränderung der Erbmasse oft angewendet, um neue positive Mutanten zu erreichen, -siehe auch Erbkrankheiten beim Menschen
Im sogenannten AB0 System sind die Blutgruppen 0, A, B und AB phänotypisch bekannt (A läßt sich noch in A1 und A2 unterteilen). -Die Bestimmung der Blutgruppen ist durch Verwendung von Antikörper sehr einfach, da Blut mit den Antikörpern anderer Blutgruppen mit Agglutination (Klumpung, Verballung) reagiert. -Genotypisch werden die Blutgruppen als 00, AA oder A0, BB oder B0 und AB dargestellt (jeweils 2 Allele). Da die Blutgruppen den Erbgesetzen unterliegen, keine Modifikationen und Mutationen auftreten und man vom Phänotyp eindeutig auf den Genotyp schließen kann, eignen sich Blutgruppenuntersuchungen gut für das Erstellen von Vaterschaftsgutachten.
Beispiel:
Ehefrau hat Blutgruppe AB, Ehemann 0, Kinder A; B; AB;Ist eines der Kinder nicht vom Ehemann? Begründen Sie mit Kreuzungsschema und Genotypen!
Genotypen:
Ehefrau AB
Ehemann 00
0 0 A A0 A0 B B0 B0 Mögliche Kinder:
> AB nicht möglich!
Rhesus-System: -Rhesus-positive Menschen haben auf ihren Blutkörperschen das Antigen D (auch Rhesusfakror, genotypisch DD oder Dd). -Rhesus-negative (etwa 15%) können Antigene gegen R+ Blut ausbilden, wenn sie R+-Blut bekommen. -Gefährlich, wenn eine R- Frau zum 2. Mal mit einem R+ Kind schwanger ist --> Blutarmut, Hirnschäden und meist Tod beim Säugling.
Kodominanz:
beide Allele kommem gleichwertig zur Ausprägung, z.B. bei Blutgruppe AB verhalten sich die Allele A und B kodominant, d.h. AB hat gleichwertig die Eigenschaften von A und von B.Multiple Allelie: -es gibt mehrere Gene für ein Merkmal, von denen jeweils zwei auf dem selben Genort der homologen Chromosomen liegen. -Z.B. gibt es beim Menschen vier Gene für Blutgruppenzugehörigkeit (A1, A2, B, 0). Von diesen vier Allelen besitzt jeder Mensch nur zwei auf den Chromosomen Nr. 9. Daraus ergeben sich maximal 10 mögliche Genotypen (siehe Abbildung).
Viele Merkmale sind nicht nur auf einem Gen lokalisiert, sondern brauchen mehrere Gene zur Ausbildung. -Z.B. wird die Hautfarbe warscheinlich von 2 mal 2 Allelen verursacht, wobei je mehr dominante hautverdunkelnde Gene vorhanden sind, um so schwärzer wird die Haut (Genotyp für schwarz: SSTT , Genoty für weiß: sstt).
Aufgabe 1:Aufgabe 2:
Vererbung von Krankheiten beim Menschen
Phenylketonurie: infolge eines Enzymdefekts reichert sich Phenylbrenztraubensäure im Blut an --> Schwachsinn bei Kindern bis 15. Lebensjahr, sofern nicht mit proteinarmer Diät behandelt. -Mukoviscidose: zu hohe Zähigkeit von Schleimsubstanzen (Lunge, usw führen unbehandelt meist zum Tod kurz nach der Geburt. -Erkennen an Hand des Stammbaums: -Rezessiv: immer dann, wenn beide Eltern phänotypisch gesund aber heterozygot sind und ein Kind das Merkmal ausprägt. -Autosomal: wenn mindestens eine kranke Tochter aus einem rezessivenErbgang entsteht, bei dem der Vater phänotypisch gesund ist. -Dominant: immer dann, wenn aus zwei phänotypisch kranken Eltern (heterozygot) ein Gesunder folgt. -Autosomal immer dann wenn mindestens eine gesunde Tochter aus einem dominanten Erbgang entsteht, bei dem der Vater phänotypisch krank ist.
2.5.2 Autosomal dominante Krankheiten
Brachydaktylie = Kurzfingrigkeit: -Mißbildung der Finger und Zehen; homozygote Ausbildung (nur dann möglich, wenn zwei kurzfingrige Nachkommen hätten) -führt zu Verlust von Fingern, Zehen, andere Mißbildungen und meist Tod.
Marfan-Syndrom: das Marfan-Gen erzeugt ein Protein mit höherer Dehnfähigkeit das in Bindegewebe eingebaut wird --> überlange Gliedmaßen, Spinnenfinger, überdehnte Gelenke, Plattfuß,Herzklappenfehler, überdehnte Körperschlagader, Deformationen an Auge und Linse mit Sehstörungen.
Bluterkrankheit oder Hämophilie: -wird rezessiv auf dem X-Chromosom vererbt, deshalb werden in der Regel nur Männer von der Krankheit befallen, da auf dem Y-Chromosom (nahezu genleer) kein Allel für die Bildung des Gerinnungsfaktors vorhanden ist. -Bei heterozygoten Frauen genügt in der Regel ein gesundes X-Chromosom, um den Gerinnungsfaktor zu bilden; sie bleiben phänotypisch gesund, bleiben jedoch Überträgerinnen. In seltenen Fällen, wenn der Genotyp homozygot (Kind aus Bluter und Überträgerin) ist, kann eine Bluterin phänotypisch entstehen. -Rot-Grün-Blindheit: -eindeutige Unterscheidung von Rot und Grün nicht möglich, -wird rezessiv auf dem X-Chromosom vererbt, --> rotgrünblinde Männer haben nur ein defektes X-Chromosom, während rotgrün-blinde Frauen homozygot sein müssen(daraus folgt auch, daß alle Söhne von rotgrünblinden Frauen immer rotgrünblind sein müssen).
auch numerische Chromosomenaberration, da die Anzahl der Chromosomen verändert ist, -meist nicht vererbt sondern neu mutiert während der Meiose durch eine sogenannte Nodisjunction -= homologe Chromosomen werden bei der Reduktionsteilung nicht getrennt. Es entstehen Zygoten mit 3 (triploid) --> Trisomie oder auch nur einem (Monosomie) Chromosom. Durch geschlechtliche Vermehrung können aus triploiden auch polyploide Organismen entstehen. Diese nutzt man in der Züchtung von Pflanzen und Tieren. -bei Menschen treten infolge numerischer Chromosomenaberration meist schwere Schäden auf, z.B.: -Trisomie 21: auch Down-Syndrom oder Mongolismus genannt, Chromosom Nr. 21 ist triploid, --> kurzer Schädel, schmale Lidspalten, Herzfehler, meist Schwachsinn und geringe Lebenserwartung. -Trisimie 18: auch Edwards-Syndrom, --> schmaler
Schädel, Herzfehler, schwere Entwicklungsverzögerungen. -Trisomie 13: auch Patau-Syndrom, taub, teils blind, schwere Fehler an Herz, Nieren und Kleinhirn, leben meist nur 1 Monat. -Turner-Frauen: Genotyp XO , auch X0-Monosomie, der einzige bekannte Fall beim Menschen mit Unterzahl eines Chromosoms, Turner-Frauen sind phänotypisch weiblich, haben jedoch keine funktionsfähigen Eierstöcke. -Poly-Frauen: XXX oder XXXX, meist unauffällig, aber oft unterdurchschnittlich intelligent. -Klinefelter-Syndrom: auch XXY-Trisomie, --> intersexuelle Männer mit männlichem Körperbau aber unterentwickelten Geschlechtsorganen, beim sogenannten Sextest (Chromosomenuntersuchung) haben sie ein Barr-Körperchen (das 2. X wird bei Frauen schon im embryonalen Zustand inaktiviert infolge starker Kontraktion des Chromosoms) oder 2 Barrkörperchen Klinefelter-Männern mit XXXY-Chromosomen. -Diplo-Y-Männer: XYY, XXYY, sind meist unauffällig.
in der Pflanzenzüchtung zur Veränderung der Erbmasse oft angewendet, um neue positive Mutanten zu erreichen, -auch Chromosomenaberration infolge
Chromosomenabschnitten oder Verdrehung von Chromosomenabschnitten oft infolge radioaktiver Strahlung, z.B. beim Menschen: -Katzenschrei-Syndrom: Deletion am Chromosom Nr. 5, Babys schreien wie Katzen infolge Fehlbildung des Kehlkopfes, --> Kinder bleiben körperlich und geistig stark zurück, -Deletion Nr. 4 und Nr. 18: --> Gesichtsanomalien und Schwachsinn.
Genmutationen
auch Genmutationen, sind im Gegensatz zu Chromosomen und Genom-mutationen mittels Karyogramm nicht zu erkennen, aber sehr häufig (Sichelzellenanämie, Krebs) siehe auch vorher.
Proteine, angebunden an r-RNA´s bilden komplexe Untereinheiten - sie werden im Nucleolus durch Transkription von r-RNA und anschließender Anlagerung von ribosomalen Proteinen aus dem Cytoplasma gebildet -die eukaryoten Ribosomen haben grob gesagt 2 Untereinheiten von 40S und 60S,
die zusammen eine Sedimentationsgeschwindigkeit von 80 S aufweisen -Ribosomen bilden eine dreidimensionale, räumlich aktive Struktur -Prokaryonten haben Ribosomen mit 70 S (50 S + 30 S)
Ein Gen beeinflußt mehrere Merkmale -z.B. ein defektes Gen das den Bau der Bindegewebsfasern codiert führt zu dehnbareren Fasern ---> Marfan-Syndrom
für ein Merkmal sind mehrere Gene auf verschiedenen Genorten vorhanden bei der Merkmalsausprägung addieren sich die Gene -z.B.: Hautfarbe mit mindesten 2 warscheinlicher aber 4 Genloci
Bau und Vermehrung von Mikroben
Bakterien
Bau
Bakterien sind Einzeller, die im Lichtmikroskop bei stärkster Vergrößerung als Kugel = Kokken, Stäbchen und Schrauben = Spirillensichtbar werden. -im Gegensatz zu Eucyten (Zellen höherer Organismen) enthält die Procyte (Bakterienzelle) keinen echten Nucleus sowie auch keine Mitochondrien, kein Endoplasmatisches Reticulum und keinen Golgi-Apparat. -die Erbinformation sitzt auf einem ringförmigen DNA-Doppelstrang, dem Nucleoid und eventuell auf kleineren DNA-Ringen, den Plasmiden. -der Stoffwechsel wird durch Ribosomen aufrechterhalten, die etwas kleiner sind als bei Eucyten. -neben starren, propellerartigen Geißeln sitzen auf der Membran und der diese umschließemde Zellwand aus Murein (Makromoleküle aus Zucker und Aminosäuren) noch die sogenannten Pili (auch Sex-Pili), lange hohle Proteinfäden, durch die Chromosomenstückaustausch mit anderen Bakterienzellen möglich ist.
Bakterien vermehren sich durch mitotische Zweiteilung, etwa alle 20 min. bei optimalen Bedingungen, ---> aus 1 Bakterienzelle nach 2 h etwa 64, nach 24 h 272 Zellen. -eine Anpassung an veränderte Umweltbedingungen erfolgt durch eine sogenannte Parasexualität, wobei von einer Spenderzelle ein halber DNA-Strang durch ein Pili auf eine Empfängerzelle über tragen wird. -Diesen Vorgang nennt man Konjugation. Durch solche genetischen Rekombinationen, sowie durch ständige Mutationen während der Teilungen läßt sich erklären, daß Bakterien schnell und wirkungsvoll auf veränderte Bedingungen reagieren können, -z.B. Resistenzbildung gegen Antibiotika Das Antibiotikum Penicillin wirkt auf ein Enzym , das für die Zellwand-Synthese bestimmter Bakterien unentbehrlich ist. Es ähnelt dem Substrat dieses Enzyms und hemmt das Enzym kompetitiv.
Genetische Rekombination bei Bakterien
Lederberg und Tatum verwendeten in ihrem klassischen Experiment 2 verschiedene Bakterienstämme.Stamm A erfordert Methionin u. Biotin, Stamm B erfordert Threonin u. Leucin im Nährmedium. Plattierte man Mischkulturen von A + B auf Minimalnährböden aus, so erhielt man wider
Erwarten einige Kolonien.
Interpretation: Genetische Rekombination zwischen Stamm A und Stamm B.
Die genetischen Eigenschaften der elterlichen Zellen hatten sich ergänzt.
Lichtmikroskopische Beobachtung: Konjugation -genetischer Austausch - DNA-Transfer nur in eine Richtung im Gegensatz zur Verschmelzung zweier
Geschlechtszellen -sogenannte männliche Zellen haben den F+ - Faktor (Fertilitätsfaktor) als Plasmid -werden diese mit (weiblichen) F- - Zellen gemischt, bilden sich Sexpili an den F+ - Zellen, die an F- -
F -Plasmids übertragen, in beiden Zellen erfolgt Replikation zum Doppelstrang -die Empfängerzelle (F-) wird dadurch zur F+ - Zelle
der F - Faktor kann in das Chromosom integriert werden; man spricht von Hfr + - Stämmen (High frequency of recombination) -Hfr+ - Zellen können ein ganzen Einzel-Strang des Ringchromosoms an F- - Zellen übertragen -bei E. coli ca. 90 Minuten -Kontakt wird meist früher unterbrochen --> nur Genomteile -DNA Abschnitte können ausgetauscht werden
der F-Faktor kann aus dem Ringchromosom ausscheren und wieder zum Plasmid werden. -dabei können am F-Faktor zusätzliche Gene anlagern -->F´-Faktor F´-Faktor kann auf F- -Zellen übertragen werden> genetische Rekombination Viren (Virus = Gift)
Bau
--Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel, weswegen sie sich nur in für sie geeigneten Wirten vermehren. -Sie bestehen aus einem Nucleinsäurefaden (DNA oder (RNA --> Retroviren)) umhüllt von Proteinen, dem sogenannten Kapsid. -Bakteriophagen vermehren sich nur in Bakterien, z.B. infiziert der T2-Phage E.coli Bakterien. Innerhalb von 30 min. entstehen aus einem E.coli bis zu 300 neue Phagen.
Vermehrung
Lytischer Zyklus (Lyse = Auflösung)
Adsorption: an Anheftestellen bestimmter Zellen (wirtsspezifisch) docken die Viren entsprechend dem Schlüssel-Schloß-Prinzip an, -Infektion: DNA (o. RNA) wird in die Wirtszelle eingebracht, -Latenzpahase: die Viren-DNA stellt den Stoffwechsel der Zelle um: -es werden Enzyme für den Bau von neuen Viren synthetisiert, -die Viren-DNA wird vermehrt, -Kapsidproteine werden hergestellt, -Reifung: mehrere hundert Viren werden aus den Einzelteilen zusammengebaut,. -Freisetzung durch ein zellwandabbauendes Lysoenzym werden die Viren freigesetzt; diese wiederum docken an anderen Zellen an, ...
im Gegensatz zum lytischen Zyklus wird hier die DNA des Virus in ein Chromosom der befallenen Zelle eingebaut. Das Virusgen wird durch Teilung der Wirtszelle weitervermehrt. Man spricht hierbei von Prophagen. -irgendwann kann das Gen abgerufen werden; jetzt kommt es zur lytischen Virenvermehrung (z.B. AIDS).
erfolgt bei Viren durch Mutationen während der DNA - Synthese in den Wirtszellen oder durch Stückaustausch zweier Viren in einer Zelle während der DNA - Synthese in den Wirtszellen ---> großes Problem in der Medizin (z.B.: Grippe, AIDS).
Übertragung von Bakteriengene durch Viren; -während eines lytischen Zyklus wurde Bakterien-DNA zufällig in die Viren-DNA mit eingebaut. -Diese DNA - Teilstücke werden meist im lysogenen Zyklus auf ein anderes Bakterium übertragen. -Viren, die zur Transduktion neigen, werden auch Vektoren genannt; sie werden in der Gentechnik bevorzugt eingesetzt, um gezielt Gene zu übertragen. Ist eine Genübertragung zwischen Bakterien mit Hilfe von Viren möglich, ohne daß die Bakterien dabei direkten Zellenkontakt haben?
Zur Untersuchung dieser Frage arbeitete man mit einem Bakterienstamm, der u. a. das Gen für Leucinsynthese (leu+) trägt. Ein solcher Stamm wächst auf einem leucinfreien Nährboden heran. Zu der Bakterienkultur gibt man dann Phagen. Sie vermehren sich und lösen dabei die Zellen auf. Trennt man die freigesetzten Phagen ab und gibt sie zu einer Mangelmutante (leu-) des Bakterienstammes so wachsen dennoch auf leucinfreiem Minimalnährboden einige Bakterienkolonien heran. Diese müssen auf Zellen zurückgehen, die die Fähigkeit zur Leucinsynthese wiedererlangt haben. Die Zahl dieser Bakterien ist dabei so groß, daß sie nicht durch Rückmutation erklärt werden kann, da diese viel seltener eintritt. Vielmehr haben hier Phagen Bakterien-DNA mit der Information ,,Leucinsynthese" von einer Bakterienzelle auf eine andere übertragen. Dazu ist ein Kontakt zwischen den beiden Bakterien nicht erforderlich. Man bezeichnet diesen Vorgang der Genübertragung durch Viren als Transduktion.
Wenn sich transduzierende Phagen in der Wirtszelle vermehren, packen sie gelegentlich statt viraler DNA ein Stück Bakterienchromosom ein. Infiziert ein solcher Phage eine Bakterienzelle, so wird in diese genetische Information aus der ursprünglichen Wirtszelle übertragen. Hier kann ein Einbau der Spender-DNA - in unserem Beispiel das Gen für Leucinsynthese - in das Chromosom der Emplängerzelle erfolgen. Dabei kommt es zu einem Austausch homologer DNA-Abschnitte. Die Transduktion stellt eine weitere Form genetischer Rekombination bei Bakterien dar. Die Länge des übertragenen DNA-Stückes kann maximal der Länge der Virus-DNA entsprechen und macht dann etwa 1 % des Bakterienchromosoms aus.
Manche transduzierende Viren sind lysogen. Sie werden also nach der Infektion als Prophagen in das Bakterienchromosom eingebaut. Beim spontanen oder induzierten Freisetzen können diese Phagen Bakterien-DNA miteinbauen und übertragen. Wenn sie immer an der gleichen Stelle des Wirtschromosoms integriert werden, übertragen sie auch immer die gleichen Gene. Man spricht dann von der spezifischen Transduktion.
durch sogenennte Restriktionsenzyme läßt sich DNA in Fragmente zerlegen und durch DNA-Ligase wieder verknüpfen. -Diese neukombinierte DNA wird mittels einem bestimmten Restriktionsenzym und Ligase in ein Plasmideines Bakteriums eingefügt. -Dieses Bakterium produziert eventuell das neue Protein entsprechend der übertragenen DNA. -Durch Gentransfer von Humangenen konnten so Insulin, Interferon (blockiert Virussynthese), tPA (Enzym zur Auflösung von Blutgerinnsel) und Andere durch Bakterien in sehr hoher Reinheit gewonnen werden. -Gentransfer und Neukombinationen mit Transfer sind auch bei Pflanzen und Tieren und ??? möglich. -! Nutzen: Medizin, Landwirtschaft, Umwelt, ... -! Gefahren: Organismen mit nicht kalkulierbaren Eigenschaften,
Genchirugie
In den sechziger Jahren machte der Schweizer Genetiker W. ARBER bei Experimenten mit E. coli zufällig die Entdeckung, daß die Bakterien zwischen der eigenen und der fremden DNA unterscheiden können. Und zwar verfügt die Bakterienzelle über spezifische Enzyme, die die Fremd-DNA erkennen und zerschneiden können. Man spricht dabei von sogenannten Restriktionsenzymen. Diese Enzyme sind das eigentliche ,,Werkzeug" der Genchirurgie.Die Restriktionsenzyme erkennen ganz bestimmte Basensequenzen des Doppelstranges, die ,,spiegelbildlich" angeordnet sind (vgl. Abb.). Diese Erkennungsstellen tragen bei der zelleigenen DNA zusätzliche CH3-Gruppen und werden deshalb von den Restriktionsenzymen nicht angegriffen. Fremd-DNA dagegen wird in spezifischer Weise geschnitten. An den Schnittenden bleiben dabei einsträngige Stückchen stehen. Zeigt das eine Ende z. B. die Sequenz AAT, so hat das andere die komplementäre Nucleotidfolge TTA. Da diese freien Enden dazu neigen, sich wieder zusammenzulagern, werden sie auch ,,klebrige Enden" (sticky ends) genannt. Behandelt man isolierte DNA mit einem Restriktionsenzym, so entsteht ein Gemisch von DNA-Stücken mit klebrigen Enden. Dabei kann die DNA von ganz unterschiedlichen Objekten stammen. In genchirurgischen Experimenten vermischt man z. B. Bakterien- und Menschen-DNA, die mit dem gleichen Restriktionsenzym zerschnitten wurde. Die klebrigen Enden aller DNA-Stücke sind dann identisch. Es kommt zu zufälligen Paarungen zwischen Bakterien- und Menschen-DNA. Durch Zugabe des Enzyms DNA-Ligase lassen sich die zusammenliegenden Stücke an den Schnittstellen fest miteinander verknüpfen. Es entsteht ein ,,Hybridmolekül" aus bakterieller und menschlicher DNA. GentechnologieZ.B.: Insulin ist ein Protein, das aus zwei Untereinheiten besteht. Die größere B-Kette hat 30, die kürzere AKette umfaßt 21 Aminosäuren. Die DNA-Nucleotidsequenzen für die beiden entsprechenden Gene konnten im Reagenzglas nachgebaut werden. Zusätzlich wurden die synthetischen Gene mit klebrigen Enden versehen. Der Einbau der beiden Insulingene erfolgte in isolierte Plasmide von E. coli. Dazu wurden die DNA-Ringe mit Restriktionsenzym eingeschnitten so daß an der Schnittstelle ebenfalls ,,klebrige Enden" vorlagen. Nach Zugabe der synthetischen Gene und anschließendem Einwirken von DNA-Ligase, entstanden Plasmide, die die genetische Information für menschliches Insulin trugen. Diese Plasmide wurden in E. coli-Zellen eingeschleust. Dort wurden die Plasmide vermehrt und jeweils an die Tochterzellen weitergegeben, so daß die Insulin-Gene vervielfacht wurden. Entscheidend ist nun, daß die synthetischen Gene in der Bakterienzelle aktiv sind. In der Praxis arbeitet man dabei mit einem Bakterienstamm, der die A-Kette und mit einem weiteren Stamm, der die B-Kette produziert. Nach der Isolierung und Reinigung der beiden Untereinheiten werden sie zum vollständigen Insulin zusammengefügt.
1.Zerschneidung von Spender - DNA mit spezifischen Restriktionsenzymenführt zu Stücken mit klebrigen Enden 2.Aufschneiden (=Linearisieren) von isolierten Plasmiden mit Resistenzgenen = Vektoren mit dem gleichen Restriktionsenzym 3.Vermischung von DNA-Bruchstücken und linearisierten Plasmiden 4.Ligase verbindet teilweise DNA-Bruchstücke und Plasmide 5.Vermischung von neukombinierten Plasmiden und plasmidfreien Bakterienführt teilweise zur Aufnahme 6.Abtrennen der Bakterien ohne Plasmid über Antibiotikaresistenz 7.Abtrennen der Bakterien ohne neukombiniertes Plasmid über Antibiotikaresistenz 8.Untersuchung aller Bakterien mit Spender-DNA auf Wunsch-Gen über Proteinnachweis oder mit Hilfe von Gen-Sonden 9.Maximierung der Genexpression durch z.B. größere Plasmidzahl pro Zelle.