Molekulare Genetik (eBook)

Alfred Nordheim, Rolf Knippers: Molekulare Genetik 1
Innentitel 4
Impressum 5
Vorwort der Herausgeber 6
Anschriften 7
Autorenvorstellung 8
Inhaltsverzeichnis 10
Teil 1 Grundlagen 22
1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern 24
Einleitung 24
Eukaryoten 25
Prokaryoten 27
Literatur 28
2 DNA: Träger der genetischen Information 30
Einleitung 30
Bausteine: Nucleotide 30
DNA-Doppelhelix 31
DNA-Helices: Flexibilität 33
Denaturierung und Renaturierung 35
Natürliche DNA-Moleküle 38
DNA-Ringe: Helix und Superhelix 40
Einige wichtige Methoden zur Untersuchung von DNA 42
Elektrophorese 42
Zentrifugation 43
Elektronenmikroskopie 46
Enzyme als Hilfsmittel: Deoxyribonucleasen 47
3 RNA: Überträger und Regulator der genetischen Information 52
Einleitung 52
Aufbau und räumliche Faltung von RNA-Molekülen 53
RNA-Klassen 53
Zelluläre Funktionen von RNAs 55
Literatur 56
4 Proteine: Funktionsträger der Zelle 58
Einleitung 58
Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren 58
Aminosäuren 58
Peptidbindung 59
Wechselwirkungen zwischen Aminosäureseitenketten 60
Sekundärstruktur: ?-Helix und ?-Faltblatt 61
?-Helix 62
?-Faltblatt 62
Tertiärstruktur: komplexere Faltung der Aminosäurekette 63
Proteindomänen 65
Quartärstruktur: Aufbau aus Untereinheiten 67
Proteinfaltung 67
Literatur 68
5 Transkription, Translation und der genetische Code 70
Einleitung 70
Transkription: die Synthese von RNA 70
RNA-Polymerase 70
Genanfang: der Promotor 72
Ereignisse am Promotor 73
Elongation der RNA-Kette 74
Termination 75
Stabile und nicht stabile RNA 76
Transfer-RNA (tRNA) und die Aktivierung von Aminosäuren 76
Struktur der tRNA 77
Beladung der tRNA 78
Translation: Ribosomen und Proteinsynthese 81
Ribosomen: eine kurze Beschreibung 81
Proteinsynthese: Genauigkeit des Starts 86
Initiation der Translation 87
Elongation: die programmierte Verknüpfung von Aminosäuren 88
Termination der Translation 90
Geschwindigkeit und Genauigkeit der Translation 91
Besonderheiten der Translation bei Bakterien 92
Der genetische Code 92
Rückblicke 93
Codewörter 93
„Wobble“ bei der Erkennung von Codon und Anticodon 95
Der genetische Code in der Zelle 96
Selenocystein und Pyrrolysin 97
Verwendung von Code„wörtern 97
6 Escherichia coli und der Bakteriophage Lambda: Gene und Genexpression 100
Einleitung 100
Vermehrung von Bakterien 101
Die DNA als Nucleoid 102
Das Genom 103
Die biologische Genkarte und das F-Plasmid 106
F?-Plasmide 109
Konjugation und Genkartierung 109
Grundlagen bakterieller Genregulation 111
Regulons: Gengruppen unter gemeinsamer Kontrolle 112
Negative und positive Genregulation: das 119
Positive Regulation: das CRP-Protein 125
Exkurs: Bakteriophagen 128
Ausblick 130
Der Bakteriophage Lambda und seine Gene 130
Das Lambda-Genom 131
Expression der Lambda-Gene 133
Induktion und lytischer Infektionsweg 137
Wege der Lambda-Replikation 138
Das Ende des lytischen Infektionswegs 139
7 DNA im Zellkern: Chromatin und Chromosomen 142
Einleitung 142
Der Zellkern 142
Die Kernhülle 142
Der Innenraum des Zellkerns 146
Das Chromatin 147
Histone 147
Nucleosomen 149
Modifikation von Histonen 152
Einige wichtige Nicht-Histonproteine 153
Chromatinfasern 154
Chromosomen 155
Chromosomen des Menschen 156
Polytäne Chromosomen 159
Teil 2 Molekulare Dynamik chromosomaler DNA 162
8 DNA-Replikation: Verdopplung der genetischen Information 164
Einleitung 164
Molekulare Grundlagen der Replikation 164
Erste Hinweise auf semikonservative Replikation 165
Allgemeine Polymerisationsreaktion von Deoxynucleotiden 166
Prokaryotische DNA-Polymerasen und wichtige replikative Hilfsproteine 167
DNA-Helikasen 174
Eukaryotische DNA-Polymerasen 175
Drei Phasen der DNA-Replikation 176
Replikation des bakteriellen Genoms 176
Die Initiation bakterieller DNA-Replikation 176
Elongationsphase bakterieller DNA-Replikation 178
Beendigung (Termination) der bakteriellen DNA-Replikation 180
Regulation der Initiation bakterieller Replikation 181
Topologische Probleme während der Replikation 182
Andere Probleme während der DNA-Replikation 188
Replikation des eukaryotischen Genoms 189
Replikationsstartpunkte 189
Initiation eukaryotischer Replikation 191
Elongationsphase eukaryotischer Replikation 193
Termination eukaryotischer Replikation 194
Replikation im Chromatin 197
Schwer zu replizierende Genomabschnitte 198
9 Segregation der Chromosomen: Zellzyklus, Mitose und Meiose 200
Einleitung 200
Zellzyklus 200
Zellzyklusphasen 200
Molekulares Verständnis des Zellzyklus 205
Defekte bei Chromosomentrennung und Cytokinese 216
Meiose 216
Zellzyklusregulation der Meiose 216
Meiose I 218
Meiose II 219
10 Rekombination der DNA 221
Einleitung 221
Homologe Rekombination 221
Grundlagen der homologen Rekombination 222
Homologe Rekombination in prokaryotischen Zellen 223
Homologe Rekombination in eukaryotischen Zellen 228
Ortsspezifische Rekombination 231
Grundlagen der ortsspezifischen Rekombination 231
Ortsspezifische Rekombination in prokaryotischen Zellen 231
Illegitime Rekombination 233
Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien 233
Bewegliche genetische Elemente bei Eukaryoten 238
Retrotranspositionen 244
11 Mutationen, DNA-Schädigungen und DNA-Reparatur 251
Einleitung 251
Allgemeine Grundlagen 251
Arten von Mutationen 251
Mutationen in eukaryotischen Zellen 255
Häufigkeiten von Mutationen 257
Spontan auftretende Mutationen 258
Hot Spots spontaner Mutationen 258
Entstehung und Vermeidung von Mutationen bei der DNA-Synthese 261
Falscheinbauten von Deoxyribonucleotiden 261
Korrekturlesen 261
Falscheinbau von Ribonucleotiden in die DNA 261
Mismatch-Reparatur 262
Entstehung von Indels 264
Mutationen durch Schäden von DNA-Basen 265
AP-Stellen und Reparatur 265
Alkylierte DNA-Basen und Reparatur 268
Oxidative Basenschäden und Reparatur 270
Unförmige Anheftungen an DNA 272
DNA-Schäden durch ultraviolettes Licht und ihre Reparatur 272
Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen 278
DNA-Schäden durch Strahlen 278
DNA-Schäden durch gebremste Replikationsgabeln 279
Reparatur von Doppelstrangbrüchen 279
Zusammenfassung 281
Literatur 283
Teil 3 Gene und Genprodukte 284
12 Struktur eukaryotischer Gene 286
Einleitung 286
Definition des Genbegriffs 287
Pol-I-transkribierte Gene 289
Struktur der Pol-I-transkribierten Gene: rRNA-Gene 289
Promotoren für die RNA-Polymerase I 290
Pol-II-transkribierte Gene 291
Struktur der proteincodierenden Pol-II-transkribierten Gene 291
Promotoren für die RNA-Polymerase II 292
Regulatorische Elemente der Pol-II-Gene: Enhancer, Silencer 293
Nicht-proteincodierende Pol-II-transkribierte Gene 295
Pol-III-transkribierte Gene 295
Struktur von Pol-III-Genen 295
Promotoren für die RNA-Polymerase III 295
Exons und Introns 296
Exon-Intron-Struktur proteincodierender Gene am Beispiel von Globin-Genen 296
Eigenschaften von Exons und Introns 299
Vorkommen von Introns in eukaryotischen Genen 299
Bedeutung von Introns 299
CpG-Inseln 300
Pseudogene 301
Repetitive DNA-Elemente 303
Literatur 304
13 Eukaryotische Transkription: Funktion und Regulation der RNA-Polymerasen 306
Einleitung 306
Allgemeine Prinzipien der eukaryotischen Transkription 306
RNA-Polymerasen 306
Drei Phasen der Transkription 310
Generelle und regulatorische Transkriptionsfaktoren 311
Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase I 313
Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol I 313
Regulation der Pol-I-vermittelten Transkription 314
Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase II 316
Generelle Transkriptions„faktoren der Pol II 316
Interaktion von Transkriptionsfaktoren während der unterschiedlichen Phasen der Transkription 321
Regulation der Pol-II-vermittelten Transkription 324
Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase III 325
Zusammenbau des Präinitiationskomplexes 326
Regulation der Pol-III-vermittelten Transkription 327
Regulation eukaryotischer Transkription durch die Struktur des Chromatins 327
Strukturmotive von DNA-bindenden Proteinen 329
Homöodomäne 329
Basische Helix-Loop-Helix-Domäne (bHLH-Domäne) 330
Basische Leucin-Zipper-Domäne (bZip-Domäne) 331
Zinkfingermotiv 332
Schleifenmotiv 333
Das Transkriptom der eukaryotischen Zelle 333
Literatur 335
14 Signalgesteuerte Genregulation 337
Einleitung 337
Prinzipien der intrazellulären Signalübertragung 337
MAPK-Signalkaskade: Genaktivierung innerhalb von Sekunden 338
cAMP-Signalgebung: CREB als Effektor des sekundären Botenstoffs cAMP 340
Aktindynamik: Kommunikation zwischen Cytoskelett und Genom durch MRTF/SRF 343
Cytokinsignalgebung 344
JAK/STAT-Signalkaskade 344
Aktivierung von NF-?B 345
TGF?-Signalgebung: SMADs als regulatorische Transkriptionsfaktoren 347
Wnt-Signalkaskade: ?-Catenin als Transkriptionsfaktor 348
Sauerstoff: HIF als Sensor und Transkriptionsfaktor 350
Steroide: nucleäre Hormonrezeptoren regulieren die Genexpression 351
Signalgebung durch Abbau von Proteinen im Proteasom 356
Literatur 357
15 RNA-Prozessierung 359
Einleitung 359
Prozessierung von prä-rRNA 359
Prozessierung von prä-mRNA 360
Capping am 5‘-Ende 360
Spleißen 361
Polyadenylierung am 3‘-Ende 378
mRNA-Editing 379
Koordination von Transkrip„tion und mRNA-Prozessierung 382
mRNA-Stabilität und Abbau 383
mRNA-Export aus dem Zellkern 387
Prozessierung von prä-tRNA 388
Literatur 389
16 Translation: Proteinsynthese in Eukaryoten 391
Einleitung 391
Das eukaryotische Ribosom 391
Aufbau des eukaryotischen Ribosoms 391
Biogenese des eukaryotischen Ribosoms 392
snoRNAs (small nucleolar RNAs) 392
Ablauf der eukaryotischen Translation 393
Initiation der Translation in Eukaryoten 393
Elongation, Termination und Ribosomenrecycling 395
Peptidsynthese 396
17 Regulation der eukaryotischen Translation 399
Einleitung 399
Regulation der eukaryotischen Translationsinitiation 399
Regulation auf der Ebene der mRNA-Sequenz 399
Regulation von eIF4E 400
Regulation von eIF2 401
IRES – Initiation ohne Cap-Struktur 402
Translation von sezernierten oder membranständigen Proteinen 404
Komponenten der Proteintranslokationsmaschinerie 404
Proteintranslokation 405
Nonsense-vermittelter mRNA-Abbau (NMD) 406
NMD-Komponenten 406
Identifizierung eines PTCs und der Mechanismus des NMDs 406
NMD in der Hefe 407
18 Regulatorische RNAs 410
Einleitung 410
RNA-Interferenz (RNAi) 410
siRNAs (short interfering RNAs) 411
Mechanismen der RNA-Interferenz 411
Genregulation durch mikroRNAs 412
MikroRNA-Gene 412
Biogenese von mikroRNAs 413
Funktion von miRNAs 414
Virale miRNAs 417
piRNAs 417
Das CRISPR-System: eine Verteidigungslinie von Bakterien gegen Phagen 418
Genomische Organisation eines CRISPR-Locus 418
CRISPR-Aktivität und Phagenabwehr 418
Lange, nicht-codierende RNAs (lncRNAs) 419
lncRNA-Gene 419
Dosiskompensation und lncRNAs 420
Genomische Prägung (Imprinting) und lncRNAs 420
HOTAIR und lncRNAs 420
19 Gene in Mitochondrien und Chloroplasten 423
Einleitung 423
DNA in Mitochondrien 423
Mütterliche Vererbung 425
mtDNA des Menschen 425
Expression mitochondrialer Gene 427
Der genetische Code in Mitochondrien 428
Replikation mitochondrialer DNA 428
Mitochondriale Krankheiten 429
Sequenzunterschiede mitochondrialer Genome 430
Formen mitochondrialer DNA 430
RNA-Editing in Mitochondrien 432
Evolution von Eukaryoten und Endosymbiosen 434
DNA in Chloroplasten 436
Allgemeine Merkmale der Chloroplasten-DNA 437
Anordnung und Funktion der Gene auf der ctDNA 437
Expression von Genen auf der ctDNA 440
Teil 4 Epigenetik 442
20 Epigenetische Mechanismen 444
Einleitung 444
Molekulare Grundlagen: Modifikation chromosomaler DNA und Proteine 444
Histonmodifikationen und epigenetische Prozesse 445
Histonmodifikationen als epigenetisches Gedächtnis 447
Histonmodifikationen und Genomstruktur 447
Modelle der Vererbbarkeit von Histonmodifikationen 448
Epigenetische Steuerung der Entwicklung durch PRC-Komplexe 450
Etablierung von ortsspezifischem Heterochromatin durch histonmodifizierende Enzyme 450
Regulatorische RNAs und epigenetische Prozesse 451
DNA-Methylierung 452
Vorkommen und allgemeine Prinzipien 452
Oxidierte Modifikationsformen von 5-Methylcytosin 454
Auswirkung der DNA-Methylierung im Genom 454
Welche Enzyme kontrollieren die DNA-Methylierung? 456
Einfluss der DNA-Methylierung auf die genetische Information 457
Methylierung der „richtigen“ DNA-Sequenzen 458
RNA-abhängige DNA-Methylierung 459
Epigenomforschung: ein Ausblick 459
Literatur 459
21 Epigenetische Kontrolle biologischer Prozesse 461
Einleitung 461
Genomweite epigenetische Reprogrammierung und Entwicklungsprozesse in Säugetieren 461
Epigenetische Reprogrammierung im frühen Embryo 461
Reprogrammierung in der Keimbahn 464
Epigenetische Kontrolle der X-chromosomalen Gendosis 465
Genomische Prägung 468
Genomische Prägung in der medizinischen Genetik 471
Teil 5 Genomik 474
22 Von der Genkarte zur Genomsequenz 476
Einleitung 476
Organisation von Genomen 476
Biologische Genkarten 476
Biologische Genkarte des Menschen 478
Von der biologischen zur physikalischen Genkarte 481
Sequenzierung von Genomen 485
Schrotschuss-Sequenzierung 485
Hochdurchsatz-Sequenzierung 487
Annotierung sequenzierter Genome 488
Beispiele für Genomannotierungen 488
Evolution von Genomen 491
Ausblick 492
23 Funktionelle Genomik 495
Einleitung 495
Expressionsanalytik 495
Transkriptomik 495
Proteomik 500
Funktionelle Analytik 500
Yeast two hybrid-System 500
Bestimmung der Bindungsstellen von Proteinen im Chromatin 502
Systematischer Knock-down von Genen 503
24 Variabilität des Genoms 507
Einleitung 507
Einzelnucleotid-Polymorphismen (SNPs) 507
SNPs als DNA-Marker 509
Haplotypen 511
DNA-Chips 511
Genotypisierung 512
Kopienzahl-Varianten (CNVs) 514
Mikrosatelliten-Polymorphismen 515
Mikrosatelliten-DNA zur Identifizierung von Personen 516
Mikrosatelliten in Genen: Trinucleotidfolgen 517
Retrotransposon-Insertionspolymorphismen (RIPs) 519
Literatur 520
Teil 6 Schlüsseltechnologien 522
25 Bioinformatik 524
Einleitung 524
Sequenzvergleich 524
Dotplot und Alignment 524
Datenbank-Recherche 526
Hochdurchsatz-Sequenzierung und die Kartierung der Teilsequenzen 526
Information in Genfamilien 527
Regulatorische DNA-Elemente 527
Sequenzierung und Genom-Assemblierung 528
Genvorhersage 529
Proteinstrukturvorhersage und Homologiemodellierung 529
Molekulare Evolution und phylogenetische Stammbäume 530
Literatur 530
26 DNA-Analysen 532
Einleitung 532
Polymeraseketten„reaktion (PCR) 532
Gentechnik oder das Klonieren von DNA-Fragmenten 532
Traditionelles Klonieren und Herstellung von Genombibliotheken 533
cDNA-Klonieren 536
PCR-Klonieren 537
DNA-Sequenzierung 537
DNA-Sequenzierung nach der Kettenabbruch- oder Dideoxymethode 537
Sequenziermethoden der nächsten Generation 539
Expressionsanalytik durch RNA-Seq 541
Literatur 542
27 Funktionelle Genomanalysen 544
Einleitung 544
RNA-Interferenz: siRNA/shRNA-Screens 544
Knock-out-Technologie: homologe Rekombination im Genom der Maus 546
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) 549
Proteomanalyse 550
Literatur 551
Anhang 552
Glossar einiger Begriffe aus der klassischen Genetik 553
Sachverzeichnis 555