Genetik

• Kerngenom

• Summe aller Erbinformationen (Genen) eines (haploiden) Chromoseomensatze

• 1n

• jedes Chromosom nur einfach vorhanden/gezählt

• 2n

• jedes Chromosom doppelt vorhanden

• homologe Chromosomen

diploid, triploid, hexaploid, polyploid…

• 46 Chromosomen

• Davon 22 immer homologe Paare

• 1 Paar abweichend = Geschlechtschromosomen

• Homolog (XX)

• Heterlog (XY)

• Geordnete Darstellung aller Chromosomen einer Zelle

• Geordnet nach morphologischen Gesichtspunkten wie Größe, Zentromerlage & Bandenmuster

• Normalerweise Aufnahme in der Metaphase unter Colchicin

• Bei Menschen kontrollieren 37 mitochondriale Gene Synthese von 13 der ca. 80 Protein-Untereinheiten der Atmungkette

• Erbinformation liegt als DNAds-Plasmidring vor

• Mitochondrien besitzen eigenes genetisches System: das mitochondriale DNA (mtDNA)

• Bei Tieren besteht mtDNA meist aus 16-20 kb (Kilobasen) und trägt 13 proteincodierende Gene, 22 tRNA-Gene & 2 rRNA-Gene; mtDNA codiert nur notwendige RNA-Bestandteile; entsprechende Proteine stammen von Genen des Zellkerns

• Mutationen mit mitochondrialen Genen haben medizinische Bedeutung => Reige von Krankheiten verursachen, beschleunigen Altersprozesse

• mtDNA von Pflanzen variabel in Struktur & viel größer als mtDNA von Tieren; Pflanzliche Mitochondrien haben RNA-Editing => Nucleotidsequenzen der mtDNA & der primären Transkriptionsprodukte sehen als Sequenz der reifen mRNA anders aus => C->U-Transitionen, seltener U->C-Transitionen

• Pflanzen haben zusätzlich zu Genomen im Zellkern & in Mitochondrien noch ein drittes Genom => Chloroplasten mit ctDNA. Meisten proteincodierende Gene der ctDNA sind für Bestandteile des Photosynthesesystems verantwortlich. Dennoch meisten Chloroplastenproteine von Genen des Zellkerns stammen. ctDNA bestitzt Gene für tRNAs, für rRNA & für ribosomale Proteine + Untereinheiten einer eigenen RNA-Polymerase

Ringförmig strukturiertes DNA-Genom & eine eigene Proteinsynthese (100 Gene), aber ca. 2000 Proteibe (auch kernkodiert)

• Oktober 1990 bis April 2003

• Ziel: Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln, d.h. die Abfolge der Basenpaare der menschlichen DNA auf ihren einzelnen Chromosomen durch Sequenzierung zu identifizieren

• Abfolge von 3,27 Mrd. Basenpaaren entspricht ca. 20000 bis 25000 Genen

• Achtung: Genom nicht gleich Proteom

Gesmatheit aller Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe, einer Zelle, oder einem Zellkompartiment, unter eyakt definierten Bedingungen und zu einem bestimmten Zeitpunkt

• Einander entsprechende Gene auf homologen Chromosomen sind Allele

• sund Mutationszustände eines Gens

• können identisch - homozygot (reinerbig) oder verschieden - heterozygot (mischerbig) sein

• Allele sind dominant, rezessiv, Intermediär oder Co-dominant

  
  

• Sexuelle Fortpflanzung

• Ausbildung von Gameten, Verschmelzung zur Zygote

• Bsp. Mensch: Mann/Frau diploid, bilden unter Meiose haploide Gameten (Eizellen + Spermazelle)

• Verschmelzung von 1n Gamete zur 2n Zygote => neues Individuum

• Mitose: identische Weitergabe der Erbanlagen an Tochterzellen

• Meiose: sexuelle Rekombination erzeugt genetische Variabilität

1: Elterngeneration mit reinerbigen Anlagen (w/w oder R/R)

2: F1-Generation: Alle Individuen sehen gleich aus, die dominante rote Erbanlage setzt sich gegen die rezessive weiß durch

3: F2-Generation: Rote, rosa & weiße Blütenfarben treten mit einem 1:2:1 Verhältnis auf

1: Elterngeneration mit reinerbigen Anlagen (w/w oder r/r)

2: F1-Generation: Alle Individuen sehen gleich aus => “rote” & “weiße” Erbanlagen ergeben eine rosa Blütenfarbe

3: F2-Generation: Rote, rosa & weiße Blütenfarben treten mit einem 1:2:1 Verhältnis auf

• Alle Mitglieder der F1-Generation bilden beide Merkmale der Eltern seperat aus

• Bsp.: Vererbung der Blutgruppen A & B sind dominant gegenüber 0 und verhalten sich untereinander gleichwertiger, d.h. Co-dominant

• Bluterkrankheit (defekte Gerinnungsfaktoren)

• Rot-Grün-Farben-Blindheit

1: Parasexuelle Vorgänge bei Prokaryoten

2: Meiose bei Eukaryoten/Gameten-verschmelzung

3: Mutationen:

• Genommutation

• Chromosomenmutation

• Punktmutation

4: Gentechnik

• bei Bakterien

• Transduktion

• Konjugation

• Virulente Phage befällt Bakterienzelle

• Einbau in Bakterien-DNA (Prophagen)

• Replikation mit Bakterien-DNA

• Umschalten zur Virulenz - fehlerhaftes Ausgliedern der Phagen-DNA

• Infektion neuer Bakterien, Übertragung von Bakterienphagen

• Ausbildung von Sex-Pilus

• Übertragung von Plasmid

• Bleibende Veränderungen im Genom

• Können alle Organismen und auch Viren betreffen

  • Vielzeller: Mutation in Somazelle betrifft selben Organismus

  • Mutation in Gameten betrifft Nachkommen

  • EInzeller: immer betroffen

• Mutationen erfolgen spontan, meist Fehler bei der DNA-Rplikation, Reperatur und Rekombination

• ODER

• Mutationen können induziert werden, Häufigkeit erhöht j enach Exposition

• Mutationen sind nichtgerichtet, sondern zufällig; en “hot spots”

  • Stille Mutation

  • In Genen und Protonen - i.d.R. negative Auswirkungen falls kritische Stellen

• Chromosomenaberrationen (numerisch und strukturell)

  • Genomutation

  • Chromosomenmutation

• Mutation einzelner Gene

  • Genmutation/Punktmutation

• Polyploidie

• Aneuploidie

• Euploidie

• Gesamter Chromosomensatz vervielfältigt >2n (3n Triploidie, 4n Tetraplodie)

• Ursachen:

  • Fehler in der Meiose (unreduzierte Ei-, Spermazellen)

  • Eizelle von 2 Spermazellen befruchtet: 1n+2*1n=3n

  • Endorepulikation von DNA (Endomitasen): Mitose unterbleibt

• Vorkommen:

  • Mensch: letal, 17 % Spontanaborte

  • Pflanzen: häufig, z.T. Nutzpflanzen mit höherem Ertrag, (3n steril)

• Einzelne Chromosomen zu viel oder zu wenig

• Monosomie: 2n-1

• Trisomie: 2n+1

• Tetrasomie: 2n+2

• Ursachen: fehlerhafte Verteilung der Chromosomen bei der Meisoe oder Mitose = Nondisjunction = “Nicht-Auseinanderweichen”

• Trisomie 21: Down-Syndrom, 1:500, Risiko steigt, je älter die Mutter ist

• Trisommie 18: Edwards-Syndrom, 1:6000

• Invasive Untersuchungen:

  • Amniozentese

  • Chorionzottenbiopsie

• Nicht invasive pränatale Diagnostik (NIPD):

  • Bluttest

  • Unltraschalluntersuchung (z.B. Nackenfaltenmessung)

• Ursachen:

  • Chromosomenbrüche vor und während Mitose und Meiose

  • Fehler beim Crossing-over (Meiose)

  • Viruserkrankungen

  • Energiereiche Strahlung und chemische Mutagene

• Auswirkungen:

  • Translokationen können Tumorauslöser sein

  • Falls Geschlechterzellen betroffen, meist schwere physische und mentale Beeinträchtigung der Nachkommen, ev. Manifestion als Erbkrankheit

• Insertion oder Deletion von Basenpaare - Rasterschub

• Substitution eines Basenpaares - Punktmutation

• Bsp. Raasterschub:

  • Thymindimere T=T bilden sich unter UV-B-Strahlung

  • Reperaturenzym: Photolyase

  • Mutation bleibt bei Überforderung

• Bsp. Punktmutation:

  • Sichelzellanämie

  • Autsomal-codominante Erbkrankheit

• Vererbung von Punktmutation

  • Multigen vererbte Krankheiten, komplexe Vererbung

  • Tausende monogene Krankheiten (Vererbung nach Mendel)

  • Autsomal-rezessiv (2 Allele)

    • Albinismus (Fehlen von Melanin)

    • Kretinismus (Fehlen von Wachstumshormon)

    • Cystische Fibrose (zähes Sekret der sekretorischen Drüsen)

    • Gehörlosigkeit (vererbliche Form)

  • Autosomal-dominant (1 Allel)

    • Vielfingrigkeit

    • Familiäre Hypercholesterimänie

• Zur Analyse genetischen Materials

• Zur Analyse der Genexpression

• Zur gezielten Veränderung genetisschen Materials

• Zur Herstellung gentechnisch veränderter (=transgener) Organismen

  
  

• Manipulation der DNA mit Hilfe von Restriktionsenzymen und Ligasen

  • Stammen aus Bakterien

  • Spezifischer Schnitt

  • Wichtig für Einbau von DNA-Fragmenten

• CRISPR- und Tracer-RNA lassen sich zu einem einzigen Molekül verbinden, dadurch können Wissenschaftler sie leichter herstellen und mit einem modifiziertem Cas9-Protein funktioniert das System auch in höheren Organismen wie z.B. in Zellen die einen Zellkern besitzen

• Forscher können die Sequenz der RNA-Moleküle variieren und somit bestimmen sie wo das Cas9-Protein einen Strang zerschneidet. So können sie beliebig Gene ganz gezielt ausschalten

• Es können auch komplette Gene ausgetauscht werden, dafürmuss nur ein RNA-Molekül verändert werden. Mit CRISPR/Cas9 lässt sich das Erbgut jeder beliebigen Zelle verändern

• Drei Varianten

• Bakterielle Plasmide als Klonierungsvektoren

• Viren als Klonierungsvektoren

• In vitro Klonierung durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

• Verwendung modifizierter Plasmide mit Seektionsgenen (Antibiotikaresistenz) und Reportgenen (Farbreaktion)

• Spezifischer Schnitt mit Restriktionsenzymen bei Plasmid und Fremd-DNA

• EInbau von DNA-Fragmenten mit Ligasen in Plasmide

• Transformation von Bakterienzellen (Elektroporation)

• Vermehrung auf Selektionsmedium mit Antibiotikum (nur Zelle mit Klonierungsvektor wachsen)

• Identifikation von Zellklonen mit rekombinanten Plasmiden (keine Farbreaaktion durch beta-Galactosidase)

• Restriktionsenzymen schneiden spezifisch Viren-DNA und Fremd-DNA

• EInbau von DNA-Fragmenten mit Ligasen in Viren-DNA

• Zielbakterien werden mit den modifizierten Viren infiziert

• Einschleusung des neuen Erbguts in das Wirtsgenom

• Produktion der gewünschten Produkte

• Voraussetzung: DIe Viren sollen die Wirtszelle infizieren, aber nicht töten => temperente Viren

• Nachteil: künstliches Genom darf nicht zu groß sein -> keine Verpackung in das Kapsid

• Vermehrung spezifischer DNA-Sequenzen

• Schnell

• Auch bei kleineren Mengen und Verunreinigung

• Sequenzierung

• Diagnose und Früherkennung von Krankheiten

• Medizinische Forschung

• Abklärung von Verwandtschaftsverhältnis

• Kriminalistisch

  
  

• Transgene Bakterien, Hefen

• zur Herstellung von gentechnisch produzierten Pharmaprodukten z.B.:

  • Insulin (Peptidhormon)

  • Blutgerinnungsfaktoren

  • Impfstoffe/Antikörper

  • Wachstumshormone

• technische Proteine z.B.: Waschmittelenzyme

• Stoffwechselprodukte

• Pharming mit transgenen Tieren (Wirkstoffe in Milch, Ei, Urin)

• Resistenz gegen Schadorganismen

• Herbizidresistenz

• Inhaltsstoffe

• Vitamine

  
  

• Therapie zur “Reperatur” defekter Gene

• Ziel: Substitution von pathologischen Genen durch eine gesunde Version

• Ansätze:

  • Behandlung von adulten Stammzellen der erkrankten Person

  • Behandlung von adulten, langlebigen Zellen

  • Neue Ansätze mit CRISPR/Cas9

• Bsp. 2 Studien in China mit Adenovirus als Vektor