Genetik Master

• IPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen) sind somatische Zellen, die künstlich zurück zu pluripotente Stammzellen programmiert werden.

• Sie entstehen, indem das Stammzellpogramm von differenzierten Zellen reaktiviert wird, indem Stammzellfaktoren, mittel Genfäre, eingebracht werden.

• IPS-Zellen haben gegenüber embryonalen Stammzellen den Vorteil, dass sie patientenspezifisch sind, und dadurch eine Abstoßungsreaktion vermeiden. Zudem entfällt die ethnische Problematik, das bei der Gewinnung von embryonalen Stammzellen, Embryonen zerstört werden.

1. Selbsterneuerungsfähigkeit: Stammzellen können sich Teilen, woraus Zellen mit dem selben Potenzial hervorgehen

2. Klonalität: Stammzellen sind in der Lage als einzelne Zelle zu überleben und sich zu vermehren

3. Differenzierungspotenzial: Stammzellen sind in der Lage sich in nahe zu jeden Zelltyp zu differenzieren und können auch wieder in eine Stammzellen zurück programmiert werden (auch wenn künstlich)

Keimbahntransformation:

Meint die Manipulation einer Zygote, sodass alle Zellen des Nachkommens genetisch verändert sind. Die gefahr besteht darin, dass die Langzeitfolgen nicht abschätzbar sind.

Somatische Transformation:

Meint die Manipulation einer Körperzelle, sodass sich deren Veränderung nur auf ein Gewebe beschränkt. Die Mutation wird nicht vererbt.

Klonierung: Vervielfältigung eines DNA-Abschnits der genetisch identisch zum Spender ist

Klonen: Herstellung eines Organismus der genetisch Identisch zum Spender ist

1. Entkernung einer Körperzelle von Schaff A

2. Entkernung einer Eizelle von Schaff B

3. Zellkern von Schaff A wird in die Eizelle von Schaff B eingebracht

4. Mittels elektrischer Impulse erfolgt die Fusion von Eizelle und Zellkern, sowie die Teilung der Zelle

5. Die Zelle wird in die Leihmutter eingepflanzt

Der Klon ist kerngenomisch Iddentisch zum Zellkernspender. Dadurch hat es aber auch die selben Telomere und damit das biologische Alter des Zellkernspenders.

Der Klon hat zudem die Mitochondriale DNA des Eizellspenders.

• Fragmentierung

• Kontamination: Auflösen des Zell- und Kernverbandes durch bakterielle DNA

• Deaminierung: Cytosin wird zu Uracil, durch eine Abspaltung einer Aminogruppe

Als Gentherapie bezeichnet man das einbringen von Nukleinsäuren (DNA oder RNA), um einen genetischen Defekt in einer Körperzelle gezielt zu behandeln.

1. Mikroinjektion: Direktes Einspritzen der DNA in den Zellkern

2. Lipofektion: Verpackung der DNA in Liposome die mit der Zellmembran verschmolzen

3. Partiale Gun: Beschuss der Zelle mit DNA beschichteten Partikeln

4. Elektroporation: Kurze Stromstöße machen die Membran durchlässig für DNA

Prokaryonten: natürliche Transformation

Helferviren sind Viren, die defekten Viren mit ihrem genetischen Material aushelfen, die eben dem defekten Virus fehlt.

Ein Beispiel dafür ist das Hepatitis-D-Virus, dem die Gene für die Oberflächenproteine fehlen. Damit sich das Virus also vermehren kann, muss die Wirtszelle zeitgleich mit Hepatitis-B-Virus infiziert sein, welches dann als Helfervirus fungiert.

In der Biotechnologie dienen Helferviren als Werkzeug für die Entwicklung veränderter Viren.

1. Dam-Methylierung: Durch die methylierung des Bakteriengenoms, kann die DNA nicht durch die Restriktionsenzyme geschnitten werden. Stattdessen schneiden sie die unmodifizierte Phagengenom.

2. CRISPR/Cas: Nach einem Phagenangriff schneidet das CRISPR-CAS-System die Phagen-DNA und integriert diese in das bakterielle Genom. Bei einem erneuten Phagenangriff, wird eine RNA-Kopie (auch Guide RNA genannt) von der Phagen DNA hergestellt. Die RNA leitet nun das Cas-Komplex zur Phagen-DNA die nun zerschnitten wird.

Beispiel: Paramecium

• Hybrid Dysgenese bezeichnet das Auftreten steriler Nachkommen bei bestimmten Kreuzungen.

• Ursache ist die Aktivierung des P-Elements, eines DNA-Transposons.

• Kreuzt man ein M-Weibchen (ohne P-Element und ohne entsprechende piRNAs, welches das P-Element unterdrückt) mit einem P-Männchen, werden die P-Elemente in den Nachkommen aktiv und verursachen Sterilität.

• Bei P-Weibchen werden hingegen schützende piRNAs maternal mit vererbt, sodass die Nachkommen fertil bleiben.

• Eine latente Infektion beschreibt einen symptomfreien Zustand, wo die Zelle keinen Schaden nimmt, obwohl der Erreger im Körper verweilt (entweder Episomal oder integrierend). 

• Eine rezidive Infektion beschreibt das erneute ausbrechen der Symptome.

• Beispiele dafür sind Herpes und das Varziella-Zoster-Virus. 

Höhere Eukaryonten, niedrige Eukaryonten, Prokaryonten, dsDNA Virus, ssDNA Virus, RNA Virus, Viroid

Durch die schnelle und oft fehleranfällige Vermehrung, entstehen ständig Varianten, die eine blitzschnelle Anpassung an neue Bedingungen ermöglichen.

• Genetische Drift (Mutation): Die virale RNA Polymerase arbeitet sehr ungenau und macht viele Fehler. Daher kommt es zu kleinen genomischen Veränderungen, wie Punktmutationen.

• Unter einem genetischen Shift (Rekombination): versteht man einen abrupten Austausch größerer Genfragmente innerhalb des viralen Genoms. Dieser Prozess beruht auf der Neukombination von Gen-Segmente zwischen verschiedenen Virusstämmen, wenn sie zeitgelich die selbe Wirtszelle infizieren, und zur Entstehung eines völlig neuen Virus führen.

  
  

• Weil wir viel Energie in die Reperaturmechansimen stecken.

  • Hohe Proofreading-Genauigkeit

  • Effiziente Reperaturmechanismen

  • Differenzierungsprozesse

  • gezielte genetische Rekombination

  • sind K-Strategen

• Ausnahme: VDJ-Rekombination -> ein genetisch instabiler Locus

Je größer dei Genomgröße, desto geringer die Mutationsrate

Je kleiner die Genomgröße, desto größer die Mutationsrate

1. Ordne die Differenzierungspotenziale den Zellen zu.

• Totipotent - Zygote

• Pluripotent - Embryonale Stammzellen, IPS

• Multipotent - Adulte Stammzellen

• Unipotent - differenzierte Gewebezelle

• DNA Transposons

• Retrotransposons

• Poly-A Retrotransposons

1. Abwehrmechanismus: DAM-Methylierung: Methylierung der bakteriellen DNA schützt vor Restriktionsenzymen, sodass nur unmodifizierte Phagen DNA gchnitten wird.

2. Epigenetische Regulation:

   Durch die Metyhlierung liegt das Chromatin als Hetreochromatin vor, sodass dei Gene nicht abglesen werden können.

Hämoglobinanomalie – Sichelzellanämie

Zygote – totipotent

CRISPR – Genome Editing

scnRNA – IES-Element

Transposon-Silencing – piRNA

V(D)J-Rekombination – Immunglobuline

Translations-Repression – miRNA

LINE Element- Retrotransposon

Corona Rekombination- Template switching

Flaschenhalseffekt - Gendrift

nicht-synonyme Mutation – Aminosäureaustausch

RdRP- sekundäre siRNA

1. RNA-Interferenz:

A) Nutzen virale RNA und machen daraus siRNA. RISC wird mit siRNA beladen und bindet komplementär an die Virale RNA und schneidet diese

B) miRNA wird aus dem Wirtsgenom transkribiert und mit RISC-Kompex beladen. Das RISC-Komple mit der miRNA bindet an die virale RNA und blockiert diese.

1. Interferon-System

Infizierte Zellen schüttel Iterferone aus und binden an nicht infizierte Zellen. In nicht infizierten Zellen wird der Abbau der viralem mRNA eingeleitet, sowie die Hemmung der Proteinbiosyntghese.

Unterschied:

RNA-Interferenz: von “innen”

Interferon: Signal von “außen”

• Bei einer Einfachinfektion könnte das Virus andocken, und die RNA ins Cytosol freisetzen. Da die RNA jedoch ohne die Reverse Transkriptase nicht in eine cDNA umgeschrieben werden kann, kann das Phagen Genom nicht ins Wirtsgenom integriert werden.

• Der zweite Stamm könnte als Helfervirus interagieren und dann mit der eigenen RT dem ersten Virus bei der Integration helfen.

• Dies könnte schließlich dazu führen, dass von beiden HIV Stämmen das Genom im Wirtgenom eingebaut wird, sodass bei der Zusammensetzung neuer Phagen, die Phage sowohl die Eigenschaften vom ersten als auch vom zweiten HIV Stamm in sich trägt.

1. 
   

   • Antikörper der B-Zelle erkennen lösliche und zellassoziierte Antigene

   • MHC-I präsentiert intrazelluläre Peptide die von den cytotoxischen T-Zellen (CD8) erkannt werden

   • MHC-ii präsentiert extrazelluläre Peptide die von den T-Helferzellen (CD4) erkannt werden

1. VDJ-Rekombination

   • Die VDJ-Rekombination ist eine programmierte Genominstabilität im erworbenen Immunsystem (B- und T-Zellen)

   • Sie ermöglicht eine Neukombination der V, D, J Genabschnitten.

   • Umgesetzt wird dies durch RAG-1 und RAG-2, die die Gensegmente an zufälligen Stellen schneiden und neu zusammensetzen

   1. AID Enzym

• Das Enzym deaminiert Cytosin zu Uracil, was Mutation, Genkonversionen und einen Klassenwechsel der Immunglobine triggert.

Mit beiden Prozessen, kann sich das Immunsystem an neue Pathogene anpassen.

Therapeutisches Klonen: ist das Gewinnen von Stammzellen die für die Gentherapie genutzt werden.

Reproduktives Klonen: ist das Herstellen eines Organismus, der identisch zum Spender ist

Weil dei Anzahl der Eizellen begrenzt ist und das Verfahren sehr fehleranfällig ist.

1. Zielgen wird isoliert

2. Plasmid und Zielgen werden mit dem selben Restriktionsenzym geschnitten, sodass die selben Enden entstehen

3. Zielgen wird in das Plasmid eingebaut

4. Plasmid wird in ein Bakterium transferiert

5. Das Bakterium beginnt sich zu Vermehrung und damit auch das Plasmid mit dem gewünschten Zielgen

Somatischer Kerntransfer bezeichnet.

• die epigenetische Landschaft zeigt uns, das mit zunehmender Differenzierung, das Entwicklungspotenzial einer Zelle nachlässt

• Unter bestimmten Bedingunegn kann aber auch eine umpogrammierung einer Zelle stattfinden

• Ein Beispiel dafür ist die Wundheilung, wo Fibroblasten, die Unipotent sind, sich zu Myofibroblasten umprogrammieren, die Mutipotent sind.

1. Gentherapie

2. CRISPR/Cas9

3. Cre-Rekombinase

4. Homologe Rekombination

5. RNA-Interferenz

Epigenetische Reset meint das Zurücksetzten des somatischen Genoms in einen pluripotenten Zustand.

Sind gentechnisch modifizierte Organismen, deren genetisches Material auf eine Weise künstlich verändert worden ist, welches unter natürlichen Umständen nicht passieren würde.

Aus der Symmetrischen Teilung gehen zwei Tochterzellen hervor die sowohl genetisch als auch epigenetisch identisch sind.

Aus der asymmetrischen Teilung gehen zwei Tochterzellen hervor die genetisch identisch sind, sich aber epigenetisch voneinander unterscheiden.

• Entnahme von Stammzellen aus dem Knochenmark.

• sie können sich in Leukozyten, Makrophagen und Erythrozyten differenzieren

1. Befruchtete Eizelle entwickelt sich in Vitro in eine Blastozyste

2. Die Blastozyste besteht aus einer äußeren Zelleschicht, die als Throboblast bezeichnet wird, und innere Zellmasse

3. Die Throboblast wird durch Laser oder Antikörper zerstört und die innere Zellmasse isoliert

4. Kultivierung der Zellen im Labor zu einer embryonalen Stammzelllinie.

Sie sind totipotent und mit der Behandlung von pflanzlichen Hormonen kann sich so gut wie aus jedem Pflanzengewebe in eine neue Pflanze bilden.

Sequenzierung möglich, durch den Einsatz von BULK DNA und C-U Feher können korrigiert werden.

1. Intakter Zellkern (ist aber sehr instabil und zerfällt nach dem Tod)

2. Eizelle eines Asiatischen Elefanten (stehen unter Artenschutz)

-> Wir haben also nur Mammut Gene aber keinen Zellkern -> Verwendung von Elefanten IPS-Zellen mit dem Ergebnis eines Mamufanten -> Klone von Mammuts sind also grundsätzlich nicht möglich

RNA geleitete Endonuklease zum gezielten Schneiden von DNA

• Desaminierung von Cytosin

• Oxidation von Guanin

• Hydrolytische Depurinierung

Ein Enzym, das falsch eingebaute Nukleotide erkennt und entfernt.

Der Test zeigt, dass Mutationen bei Bakterien spontan und zufällig auftretten, auch ohne Selektionsdruck.

Verfahren, um Bakterienkolonien identisch von einer Agarplatte, auf eine oder mehrere neue Platten zu übertragen.

1. Haupthistonkompatibilitätskomplex

2. Es sind Peptid bindende Zelloberflächenproteine, die im MHC-Locus codiert werden.

HLA-Komplex = Human Lekocyte Antigen

Weil T-Zellen tolerant gegenüber Selbstpeptiden sind. T-Zellen erkennen also nur Fremd-, bzw. virale Peptide.

Wegen des starken Polymorphismus der MHC-Allele. Andere Kombinationen werden von Immunsystem erkannt und bekämpft.

Genkonversionen Und Punktmutation

• MHC prsentierende

• Fehlerhafte MHCs

• Individuelle MHC-Komplexe eines anderen Individuums

Gentechnisch veränderte T-Zellen mit einem chimäre Rezeptor, die eine gezielte T-Zell Antwort gegen Tumorzellen auslösen.

Sie erkennen Antigene unabhängig vom MHC

Chimeric Antigen Receptor

Normale T-Zellen ignorieren Krebszellen, weil das MHC I Komplex Selbstpeptide präsentiert.

CAR-T-ZEllen besitzen jedoch spezielle Rezeptoren, die die Krebsoberflächenproteine erkennen und auf diese Weise eine T-Zell Antwort auslösen.

Die Rezeptoren der CAR-T-Zellen werden über CRISPR oder Lenti-Viren genetisch manpuliert.

DNA-Abschnitte die Innerhalb des Genoms ihre Position ändern können.

DNA-Transposons:

Sie werden direkt als Doppelstrang aus dem Genom herausgeschnitten und an einer anderen Stelle wieder eingebaut. Das Transposon vermehrt sich nicht.

Retrotransposon:

DNA-Sequenz wird in RNA umgeschrieben und dann in DNA übersetzt, die dann an einer anderen Stelle eingebaut wird. Die Gesamtzahl der Transposon vermehrt sich.

LINEs gehören zu den mobilen DNA-Elementen und besitzen die Fähigkeit autonom eine Transposition durchzuführen, da sie eine Reverse Transkriptqase besitzen. (Bsp.: LINE-1)

SINEs gehören zu den mobilen DNA-Elementen und besitzen nicht die Fähigkeit autonom eine Transposition durchzuführen. (Bsp.: Alu-Sequenzen)

• Sie verursachen Rekombination, Deletion, Inversion und Duplikation

• In somatischen und Keimzellen wird die Aktivität der Transposons weitgehend unterdrückt.

Lytischer Zyklus:

Beim lyrischen Zyklus kommt es zu einer sofortigen Vermehrung der Phagen und Zerstörung der Wirtszelle.

Lysogener Zyklus:

Virusgenom wird in das wirtsgenom eingebaut. Das Virusgenom im Wirtsgenom wird dann als Prophage bezeichnet. Die prophage vermehrt sich unbemerkt über den replikationszyklus. Die Wirtszelle wird nicht zerstört.

Lyse: Tod der Zelle und Freisetzung der Phagen

Persistierende Infektion: Langsame Freisetzung der Viren ohne Zelltod

latente Infektion: Virus liegt vor, schadet aber der Zelle nicht. Später kann aber der Übergang in einen lyrischen Zyklus erfolgen.

Um die RNA in eine cDNA umzuschreiben, die dann in das menschliche Erbgut eingebaut werden kann.

PEP: Nach einer potentiellen Erstinfektioon, das Verhionder der Integration zwischen Virus und Wirtszelle

HAART: Verhindern der Repliaktion der Viren in T-Zellen um die Ausbreitung über die gesamte T-Zell Population zu verhindern

HSV-1: Tröpfchen- und Schmierinfektion

HSV-2: Geschlechtsverkehr

Als Episom, also als extrachromosomale selbstreplizierende zirkuläre DNA im Zellkern

Durch eine Rolling-Circle Replikation

Bei Exogener Erstinfektion löst das Virus Windpocken aus und bei endogener Reaktivierung Gürtelrose.

In den Spinalganglien, entlang der Wirbelsäule

Die Transduktion bezeichnet einen Prozess, bei dem ein Fragment von Bakterium A in Bakterium B übertragen wird. Umgesetzt wird dies von bakteriophagen.

Durch die homologe Rekombination wird das Genfragment ins Genom aufgenommen.

Das Bakterium hat durch die Phage ein neues Merkmal gewonnen.

1. Gentransplantation: Gen wird hinzugefügt

2. Genkorrektur: Inaktivierung oder Knock Out eines defekten Gens

3. Genaustausch: Austausch eines defekten Gens mit einem intakten Gen

Punktmutation im CFTR-Gen bei Position 508

Liposomen Spray mit intaktem CFTR-Gen

Erste funktionierende Gentherapie nur transient

Ex vivo: Zellen werden außerhalb des Krpers verändert und zurückgegeben

In vitro: Genveränderung findet im Körper statt

Integrierend: Genetisches Material vom Virus wird ins Wirtgenom aufgenommen (Bsp.: HIV)

Episomal: Genetisches material des Virus liegt als Episom im Zellkern vor (Herpes)

Transkriptionelles Targetiing:

Virus schleust therapeutisches Gen in die Zielzelle. Das Gen kann aber nur exprimiert werden, wenn der Passende Promoter da ist.

Transduktionstargeting:

Rezeptoren des Virus werden so verändert, sodass es gezielt an Krebzellen bindet.

-> am besten eine Kombination aus beidem

Das Aufrecht erhalten der Stabilität und Funktionsweise des Genoms trotz innerer und äußerer Einflüsse

• programmierte genomische Instabilität: VDJ-Rekombination

• Homologe Rekombination

• Transposons

• Bakterien

• Viren

Die Epigenetik zeigt das Umweltfaktoren den Phänotyp beeinflussen können und zu vererbbaren Veränderungen der Genaktivität führen. Ein Beispiel dafür ist, das eine Folsäure und Vitamin B12 reichhaltige Ernährung zu einer veränderten Fellfarbe führt.

Gekonversion meint einen nicht reziproken Transfer eines Allels unter Eliminierung des homologen Locus.