Genetik Flashcards
Genetik HM
Das 1. Und 2. Mendelsche Gesetz – MONOHYBRIDER ERBGANG
- Uniformitätsgesetz -> alle Individuen der F1 Generation aus der Kreuzung homozygoter Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, zeigen die gleiche Ausprägung der beobachteten Merkmale
- Spaltungsgesetz -> Kreuzung zweier gleichartig heterozygoter Eltern à F2 Generation spaltet sich im Geno- als auch im Phänotyp auf -> 1:2:1 genetisch oder 3:1 phänotypisch gesehen
Der Monohybride Erbgang und Rückkreuzungen
- Monohybrider Erbgang -> es wird nur ein Merkmal betrachtet, für das beide Eltern homozygot sind und welches unabhängig vererbt wird
- Rückkreuzung -> um Genotypen der F2 zu bestimmen: Rückkreuzung mit reinerbigem Individuum
- Wenn F2 RR -> nur dominante Phänotypen
- Wenn F2 Rr -> auch rezessive -> 1:3
Dominanz/Rezessivität/Intermediärer Erbgang/Kodominanz
- Dominanz -> Gen dessen Phänotyp ausgeprägt wird, setzt sich durch
- Rezessiv -> unterliegt
- Intermediärer Erbgang -> unvollständige Dominanz, nur dominante Gene
- Abstufungen der Phänotypen, z.B. Farbe -> Mischung statt Dominanz (nicht genug Gendosis)
- Kodominanz: ein Gen in mehr als 2 Allelen à multiple Allelie
- Merkmale bilden sich in F1 separat aus (zB Blutgruppen)
Die Chromosomentheorie
- Gene befinden sich auf Chromosomen
- Jedes Gen ist unveränderlich einem bestimmten Chromosom zugeordnet
- Es gibt Gonosomen
Dihybrider Erbgang
- Erbgang, in dem 2 unabhängige Merkmale vererbt und beobachtet werden
- Mendelsches Gesetz -> Neukombinationsgesetzt -> es kommt in der F2 zu Neukombination der parentalen Merkmale, d.h. Individuen mit je einem Merkmal der Eltern -> 9:3:3:1
Wozu dient der Chi2-Test in der Genetik
- Statistische Relevanz der Ergebnisse einer Stichprobe abschätzen
- > Ablehnen/Annehemen der Nullhypothese
Was ist Komplementation?
- Ist Phänotyp auf mehreren Allelen kodiert?
- > Bsp. Blaue Blütenfarbe -> verkrüppeltes Genom, weiße aussortieren -> untereinander Kreuzen
- > Kommt blau trotzdem wieder vor?
Wie werden reine Linien hergestellt?
- Multiple konsekutive Selbstbefruchtung
Welche Phänomene konnte Mendel nicht mit seinen Regeln beschreiben?
- X-chromosomale Vererbung, Imprinting, Haploide Organismen, Heterosis, Extranukleäre Vererbung
Grundeinheiten der DNA -> Aufbau, Nomenklatur
- Base -> A/T/G/C s. Zeichnung
adenine
puryne. mit T und 2 bindungen
thymine
pyrimidine. it A und 2 bindungen
cytosine
pyrimidine..mit G und 3 bindungen
guanine
puryne. mit c und 3 bindungen
uracil
pyrimidine.. mit a und 2 bindungen
DNA ist in Grenzen flexibel
- Fünfringe der Desoxyribosen
- Bindung Desoxyribose-Phosphatrest
- Glycosidische Bindungen Purin- und Pyrimidinringe
Propellertwist
Der Aufbau der Doppelhelix -> Helixtypen
- Antiparallele Stränge in rechtsläufiger Helix
- außen hydrophiles Zucker-Phosphat-Rückgrat
- innen hydrophobe Basen
- Helixtypen
- B-Form -> dominant
- A-Form -> ist gekippt, dichter, bei abnehmendem Wassergehalt
- Z-Typ -> bei hohem Salzgehalt, zick-zack Form und gekippt, LINKSLÄUFIG!
Wie schmilzt DNA? Schmelzkurve und Tm kennen
- Schmelzkurve bedingt durch Anzahl der G-C Paare, diese mit 3 HBB verbunden und stabiler
- Kurve fast sigmoidal, sehr steil
- Tm -> halbmaximale Absorption -> Hälfte der DNA einzelsträngig/denaturiert
Was ist supercoiling? Was ist die Linking Number? Wann tritt Supercoiling auf?
- Ringförmige DNA in superhelikaler Struktur durch Einfügen/Entfernen einer Windung = Twist
- Vorkommen z.B. bei Transkription/Replikation, um Aufdrehen der DNA zu kompensieren
- Linking Number LK -> Anzahl der eingefügten Windungen und somit Grad des Supercoilings
- Lk = Twist + Writh (gibt an wie oft sich DNA überkreuzt)
Eigenschaften von DNA Topoisomerasen
- Enzyme, die die Topologie der DNA durch Einfügen/Entfernen einer o. mehrerer Windungen ändern
- Substrat: DNA
- Typ IA -> schneidet Einzelstrang, führt anderen durch Lücke à entspannt (-)
- Typ IB -> wirkt als Drehgelnk, mehrfaches Winden möglich à entspannt (-)/(+)
- Typ IIA -> schneidet Doppelstrang, führt (-) supercoil ein oder entspannt
- verbraucht ATP
Einige wichtige Genomgrößen
- E.coli: 500.000 Basenpaare, 4.500 Gene
- Hefe: 12 Mio Basen, 6.300 Genome, 32 Chromosomen
- Mensch: 3.000 Mio Basen, 20.500 Genome, 46 Chromosomen
Das menschliche Genom (und die meisten Eukaryotischen Genome) bestehen nur zu einem kleinen Teil aus Genen
- Viele repetitive Sequenzen
Welche repetitiven Sequenzen gibt es?
- Minisatteliten 10-100 Basenpaare
- Microsatteliten kurze Sequenzen, bis 100 Stück im Genom -> (LINES,SINES,Retroelemente)
Wie ist das Genom von E. coli strukturiert
- Größtenteils superspiralisierte Schleifen um einen zentralen Proteinkern
Aufbau eines Chromosoms
- 2 Schwesterchromatiden
- Telomere oben und unten
- Zentromer als Verbindung
- NOR
Wie liegen Chromosomen in der Interphase, im Zellzyklus vor?
- 0, G1 -> 1-Chromatid-Chromosom, aggregiert
- S -> Replikation, nicht aggregiert
- G2 -> 2-Chromatid-Chromosomen, aggregiert
Was sind Histone?
- Oktamere Proteine, um die die DNA gewickelt wird, um sie zu aggregieren
- 2x H2A, 2x H2B, 2x H3, 2x H4
- Hoher Anteil basischer AS mit positiven Ladungen <–> WW mit negativ geladener DNA
-> 2. Organisationsebene DNA
Wie ist ein Nukleosom aufgebaut?
- Histon um das DNA gewickelt ist -> Histonkern, Kern-DNA, Linker-DNA
Verpackung von DNA im Chromosom
- Chromatinfasern, die an Scaffold befestigt sind, um diesen aggregiert
- Condensine halten Schleifen zusammen
- Cohesine halten Schwesterchromatide zusammen
- Dann in 10 und 30 nm Fasern auf Histone gewickelt
- Modifikation des Chromatinzustandes über N-Termini der Histone
Nukleosomen können ihre Lage verändern
- Erhöht Zugänglichkeit für DNA-bindende Proteine
- Sliding, Transfer, Drehung
Histone werden an N-Termini modifiziert
- PUMA
- Phosphorylierung (fester)
- Ubiquitinylierung (fester)
- Methylierung (lockert) <–> Demethylierung (fester)
- Acetylierung (fester)
Histoncode bedingt Ausbildung der Chromatinstruktur à Epigenetischer Code
-.-
Enzyme der Replikation
- Helicasen -> Aufdrehen und Trennen von DNA-Doppelsträngen
- Primasen (DNA-abhängige RNA-Synthetasen)-> setzen RNA-Primer
- DNA-Polymerase III (DNA-abhängige DNA-Synthetase) -> fügt Nucleotide komplementär zum Matritzenstrang ein
- DNA-Polymerase II -> Korrekturlesefunktion
- DNA-Polymerase I -> entfernt Primer vom 5‘-Ende her und fügt komplementäre Nucleotide ein
- Ligasen -> verbindet benachbarte Okazakifragmente
Wie wird die Replikation initiiert?
- Replikationsursprung + Replikationsinitiatoren
- ORI -> Origin of Replication, A-T-reicher Bereich, leicht aufzuschmelzen
- Primasen (DNA-abhängige RNA-Polymerasen) initiieren DNA-Synthese durch RNA-Primer
Was sind Okazaki-Frgamente?
- Entstehen am diskontinuierlichen Strang, da hier nicht von 5‘ nach 3‘ synthetisiert werden kann, sondern immer nur stückchenweise -> es müssen immer neue RNA-Primer gesetzt werden und es entstehen somit Abschnitte/Fragmente
Wie sieht die Replikationsgabel aus
- Helicase und stabilisierende Proteine vorne weg
- Kontinuierlicher Strang (am 3‘ -> 5‘ Strang der Matritze) in einem fort von 5‘ nach 3‘ synthetisiert nachdem ein Primer gesetzt wurde
- Am diskontinuierlichen Strang Synthese in einzelnen Okazaki-Fragmenten, dahinter entfernen und Auffüllen + Verbinden der Primer
Replikation Eukaryoten
Die Replikationsinitiation ist zellzyklusabhängig, über cyclinabhängige Kinasen gesteuert
Multiple ORIs
- Werden nicht gleichzeitig genutzt -> Regulation durch Kondensation des Chromatins
Wesentlich mehr Initiationsfaktoren und Polymerasen als in E. coli
.
Probleme entstehen an den Chromosomenenden, die nach jeder Replikation schrumpfen müssten
- > Lösung: Telomerasen
- Telomerasen = Reverse Transkriptasen -> fügen kurze repetitive Sequenzen an Ende an, um letztes Stück DNA an diskontinuierlichem Strang zu ergänzen
Das zentrale Dogma der Molekularbiologie
- Unidirektionalität des Informationsflusses DNA -> RNA -> Proteine
- Schließen von RNA auf DNA möglich, aber fertiges Protein zurück zur DNA nicht
Wie sehen Promotoren aus?
- Prokaryoten
- TTG (-36), TATA-Box (-10) pribnow
- Eukaryoten
Wesentlich komplexer, auch TATA-Box, keine festen Abstände
Welche Polymerasen transkribieren was?
- RNA-Polymerase I -> rRNA
- RNA-Polymerase II -> mRNA RNA-Pol II aus 2x α-, β-, β‘- und σ-Untereinheit aufgebaut
- RNA-Polymerase III -> tRNA
Transkriptionsinititation: Faktoren und Ereignisse
- Prokaryoten
- Bindung RNA-Polymerase an Promotoren (TTG)
- Aufschmelzung
- Abortive Initiation (kurze RNA-Stücke
- Entlassen d. Sigma-UE (diese dient nur zur Erkennung der TATA-Box!!)
- Elongation
- Eukaryoten
- Schlüsselprotein: TFIIH
- Erkennt Bereich und bindet an TATA
- Öffnet DNA (ATP-Verbrauch)
- Phosphoryliert C-Terminale-Domäne von Pol. II (eingeschränkt -> Mondscheinkrank.)
- Weitere Enzyme: TBP -> TATA-Box-Binding-Protein, PIC -> Präinitiationskomplex,
- Enhancer -> aktivieren auf größere Entfernungen
- Promoter kann erneut genutzt werden, bevor Transkript fertig
- Schlüsselprotein: TFIIH
Elongation: Pausen als Regulationsstellen
- Pausen nötig, da C-Terminale Domäne zum beladen der mRNA Zeit braucht
- > Pausen regulieren Anzahl der Faktoren
Transkriptionstermination in Pro-/Eukaryoten
- Prokaryoten -> ohne Terminationsfaktoren -> komplementäre Basen am Ende führen zu „hairpin loop“ als Sekundärstruktur, wirkt zusammen mit oligo-U als Terminator
- Eukaryoten mit Terminationsfaktoren -> Rho-Faktoren binden an RNA-Motive
Verknüpfung von Transkription und RNA-Reifung in Eukaryoten über CTD der RNA-Pol. II
- CTD belädt RNA mit RNA-Prozessierungsfaktoren und DNA mit Chromatinmodulatoren
- RNA: Exportfaktoren, Splicing-Faktoren, etc.
Aufbau der 5‘-cap von eukaryotischen mRNAs
- 7-Methylguanylat mit 5‘ -> 5‘ linkage aus 3 Phosphorgruppen (Polio -> kein Capping)
Funktionen der Cap
- Schutz vor Abbau durch Exonucleasen
- Effizienterer Transport aus dem Zellkern
- Effizientere Translation
Wie werden PolyA-Schwänze an mRNAs gehängt?
- Wichtigste 3 Enzyme
- RNA-Polymerase II -> stellt Strang her,
- Endonuclease schneidet zu
- Poly(A)-Polymerase hängt Poly-A-Schwanz an
- An Polyadenylisierungsstelle (CA) mit Signal AAUAAA + Stromabwärtssequ. UUGUUG
- Endonuclease schneidet an bestimmter Stelle
Funktion des PolyA-Schwanzes und Bedeutung für die Gentechnik
- Zirkuläre Formation der mRNA
- Schützt mRNA und dient als Timer für ihren Abbau
- Gentechnisch: Präparation von mRNA mittels Affinitätschromatographie
- PolyA binden an Substrat mit PolyU, RNA ohne PolyA eluiert
Intronsequenzelemte in Eukaryoten
- Sind konserviert
- GT-AG-Regel -> Introns zwischen GT (GU) und AG
Was ist das Spleißosom/SNURP?
- Apparat zum Sleißen
- SNURPS sind die Protein-Untereinheiten dieses Apparats (snRNP U1,U2,U4,U5,U6)
- small nuclear ribonucleic particles
- snRNA small nuclear RNA pieces
Spleißosomale Introns stammen von autokatalytischen Introns ab -> RNA kann katalytisch aktiv sein
- Spleißosom ist ein Ribozym
Wie funktioniert alternatives Spleißen?
- Spleißen unterschiedlich vieler Introns -> mehrere Proteine von einem Gen
- Nur Exons codieren funktionale Domänen
- Regulation: Enhancer und Silencer
- Gewebespezifisch
Spleißen erhöht die Anzahl der Proteine, die von einer mRNA codiert werden können und erhöht das evolutionäre Potential eines Genoms
- Neue Gene durch Austausch von Exons
Wichtigste Typen der Edierung:
- Insertion / Deletion von U
- Desaminierung A nach I (Inosin) und C nach U (auch beim Menschen)
Welche Auswirkungen hat Edierung auf die Funktion von RNAs?
- Ändert Codon
- fügt alternative Spleißstellen ein
- Erweiterte Codonerkennung in tRNAs durch Inosin
RNA-Edierung kann die Funktion von Neurorezeptoren beeinflussen
- Veränderte AS-Sequenz -> veränderte Funktion des Rezeptors
- > Verlust der Edierung führt zu mentalen Störungen (Depression bis Suizid)
Was wird beim Kernexport in welche Richtung transportiert?
- m/t/snRNA und pre-Ribosomen, pre-miRNA raus
- Strukturproteine, Histone, Nucleulusproteine, snRNPs rein
Wie ist der Kernporenkomplex grob aufgebaut?
- Außerhalb des Kerns
- Cyctoplasmic filaments
- In der Membran
- Cytoplasmic ring
- Lumenal spoke ring
- Nuclear ring
- Innerhalb des Kerns
- Nuclear basket
Welche Bestandteile von mRNP-Partikeln sind wichtig für den Export?
- RNA-Bindeproteine (hnRNPs) und Modifikationen der Reifen RNA + passende Bindeproteine
Die drei Schritte des Exports
- Assemblierung -> mRNA wird als mRNP transportiert
- 5‘-Cap-Bindeproteine, 3‘-PolyA-Bindeproteine, Spleißfaktoren, generelle RNA-Bindeproteine
- Anheftung Mex67
- Translokation
- Interaktion Nups <–> Mex67 und Diffusion
- Disassemblierung
- Abspaltung Mex67 ist wichtig für Direktionalität
rRNAs und tRNAs zeigen ausgedehnte Selbstfaltung
- Werden modifiziert, um Faltung zu stabilisieren
- geschnitten, gespleißt, verkürzt, an Basen modifiziert, AS und ACC-Ende angehängt
tRNA Struktur (2- und 3D)
- Kleeblatt- und L-Struktur
Aminoacylierung von tRNAs
- Aminoacetyl-tRNA-Synthetase: 3 Bindestellen für ATP, tRNA und entsprechende AS
- Schritt -> Adenylierung -> Transfer AMP auf AS
- Schritt -> tRNA-Beladung, AMP wird wieder frei
rRNAs werden im Nukleolus transkribiert und von snoRNPs prozessiert -> Struktur Nukleolus
- snoRNPs -> small nucleolar RNPs, erkennen zu modifizierende Basen
- Nukleulus barrierelos unterteilt in: Fibrillar Center,
Granular Component-> kinetische Struktur
Dense Fibrillar Components
Eigenschaften des genetischen Codes
- Triplettcode
- Start AUG
- Stopp: UAG, UAA, UGA
- Kommafrei, nicht überlappend
- Eindeutig
- Degeneriert
Universell
tRNAs erkennen tw. multiple Codons (Wobble)
- Letzte Base in Anticodon ist „wackelig“ -> kann mehrere Basen im Codon codieren
- Beispiel: Serin-Wobbel mit I -> 3 Anticodons decken 6 Basen ab, alle Serin
- Beispiel Alanin-Wobbel mit I -> 1 Anticodon 3 Basen für Alanin
Aufbau eines Ribosoms
- Prokaryoten: 30S UE + 50S UE -> 70S
- Eukaryoten: 40S UE + 60S UE -> 80S
- 16S rRNA und EF-Tu -> Verifizierung der Codon-Anticodon-Interaktion
- 23S rRNA -> Peptidyltransferaseaktivität (verknüpft AS)
Inititation Translation -> Scanning + Kozak/Shine-Dalgarno
- Prokaryoten: - rRNA der 30S UE positioniert UE an Shine-Dalgarno-Sequenz
- Bildung des Initiationskomplexes an kleiner UE
- Initiator-tRNA bindet, trägt Methionin
- > Aminogruppe durch Formylierung geblockt -> Wachstumsrichtung
- Initiationsfaktoren lösen sich ab
- große UE bindet
Polysom -> mehrere Ribosomen translatieren 1 mRNA (1Ribosom/80 nt)
- > polycistronisch
- Eukaryoten: - monocistronisch
- mRNA zirkulär (eukaryot. Initiationsfaktor interagiert mit PolyA-Bindeproteinen)
- > Vorteil: Signal für intakte mRNA, nur dann Translation
- 40S-UE bindet an Cap und scannt unter ATP-Verbrauch bis AUG-Codon
- Kozak-Seq. hilft bei der Erkennung
- kein fMet, aber 2 tRNAs für Methionin, eine davon nur zur Initiation
Elongation: Wie wird die Genauigkeit der Translation gewährleistet?
- EF-Tu und EF-G
- erkennen korrekte Basenpaarung
- interagieren erst nach korrekter Bindung an A-Stelle mit Faktorbindungsstelle
Wie funktionieren Terminationsfaktoren?
- ähneln tRNAs
- erkennen Stop-Codon -> Ribosom fällt von mRNA ab
Die meisten Proteine werden posttranslational modifiziert
- Modifikationen:
- Acylierung, Phosphorylierung, Glycosylierung, Prenylierung
Funktion von Ascorbat
- Ascorbat-vermittelte Oxidation von Prolin und Lysin
- Wichtig in Collagenfasern (je 3 helikale Proteine)
- Hydroxylierte Proline und Lysine bilden HBB zur Verbindung der Fasern
Proteine können über Endopeptidasen gereift werden
- Reifung von Insulin im Pankreas
- Endoplasmatisches Retikulum besitzt membranständige Proteasen
- Preproinsulin -> Proinsulin -> Insulin
Sekretierte Proteine werden über das raue ER und den Golgi transportiert
ER-Lokalisation erfolgt kotranslational mit Hilfe eines SRPs
- Signal-Recognition-Particle erkennt Signalpeptid
- Naszierende Peptidkette wird direkt auf Translocon gesetzt und ins ER synthetisiert
Im ER erfolgt Proteinmodifikation
- Proteinfaltungen, Disulfidbrücken, Glykosylierung
Proteinsortierung in allen Kompartimenten erfolgt über unterschiedlichste Signalsequenzen
- Jedes Kompartiment ein Signalpeptid
- ER: N-terminal 5-10 hydrophobe AS
- Peroxisomen: C-terminal …SKL-COO-
- Kernimport: internes Signal …PPKKKRKV… und 4-5 konsekutive positive Ladungen
- Mitochondrien: N-terminal, amphipatisch (alpha-Helix)
- Transportsystem: TOM und TIM = Translocators in Outer/Inner Membrane of Mitochondria
- Chloroplasten: N-terminal Serinreich
- Transportsystem: TOC und TIC
Welche Membranproteintypen gibt es?
- Transporter, Kanäle, Porine, Translocon, Rezeptoren
2 Typen Membranproteine
- Periphere Membranproteine
- Integrale Membranproteine
- Α-helicale Bündel (zB ER-Translocon)
- β-Barrels (zB Porine)
- 30% der ORFs codieren Transmembranproteine
Transporter
- Primäre Transporter
- Sekundäre Transporter -> Symporter und Antiporter
Die Orientierung von Membrandomänen à positive-inside rule
- Bei positiver Ladungsdifferenz N-terminale-Domäne innen
Die unterschiedlichen Zytosen
- Endocytose = Aufnahme von Substanzen
- Phagozytose -> Partikel
- Pinocytose -> Flüssigkeiten
- Rezeptor vermittelte Endocytose
- Exocytose = Abgabe von Substanzen
Welche Faktoren werden für den Clathrin-abhängigen Transport benötigt? Wie funktionieren sie?
- pits“ initiieren „budding“ -> Clathrin ist selbstassemblierend, erkennen des Rezeptors benötigt GTP
- Adaptine (3Typen) -> Erkennen Frachtgut
- Dynamin (+ ATP) zum Abschnüren der Vesikel
- Eventuell HSP70 bei größerem Cargo
- (t- und v-snare -> Fusion mit Zielmembran)
Welche anderen Vesikeltransportprozesse gibt es? Gemeinsamkeiten/Unterschiede zu Clathrin…
- COP I -> am Golgi entlang Richtung ER -> retrograd
- COP II -> am Golgi entlang vom ER weg -> anterograd
- Unterschied: Clathrin = Triskelionstruktur und COP II Vertex mit 4 Armen
- Gemeinsamkeit: Ausbildung einer Käfigstruktur
Wie wird die Membranidentität für den intrazellulären Transport hergestellt
- Phosphoinositide (PIP), Phosphorylierung als Marker für Bestimmungsort
- zB GTP-bindende Proteine (Rab-GTPasen -> Rab5)
Genregulation = Limitierung der Rate der Produktion eines Proteins
Wie funktionieren aktivierende/reprimierende Transkriptionsfaktoren
- Transkriptionsfaktoren sind meist
- Modular organisiert
- Aktiv als Dimere
- Mit spezifischen DNA-Erkennungsstellen
- Negative Kontrolle: Repressor oder positive Kontrolle: Aktivator
- Proteine, regulatorische RNAs, Chromatinzustand
- Aktivatoren haben DNA-bindende und aktivierende Domäne
- Repression durch a) Konkurr Aktivator vs Repressor
b) Repressor bindet Aktivator und inhibiert diesen
c) Repressor inaktiviert Transkriptionsfaktor
Wie funktionieren Steroid-Hormonrezeptoren?
- 3 funktionelle Domänen: Liganden-(Hormon-)Bindedomäne
DNA-Bindedomäne
aktivierende Domäne
- Bindung des Hormons erlaubt Import des Transkriptionsfaktors in den Zellkern
- Hormonabhängige Aktivierung à Regulation der Genexpression
Vom Signalmolekül zum Gen
- Der Ligand ist der primäre Messenger
- Ein Membranprotein gibt das Signal über die Membran weiter an einen sek. Messenger
- Der sekundäre Messenger gibt Signal von Innenseiten der Membran weiter an cytosolische Faktoren
- Kinase-Kaskade (optional)
- Transkriptionsfaktor wandert in Zellkern
Rezeptortypen
- G-Protein Rezeptoren
- Tyrosinkinaserezeptoren
- Ionenkanäle
- Intrazelluläre Rezeptoren (für membranlösliche Liganden, vg. Steroidhormone)
Was ist ein primärer / sekundärer Messenger?
- Primärer Messsenger dringt nicht in Zelle ein, ist Ligand für membranständigen Rezeptor
- Sekundärer Messenger wird durch Liganden aktiviert und von Membranständigen Proteinen in die Zelle ausgeschüttet
Wie funktionieren trimere G-Proteine?
- G-Proteinrezeptoren: 2 Typen
- Heterotrimere G Proteine und kleine monomere G-Proteine
- Gemeinsames Prinzip -> molekulare Schalter, die GTP binden können
- Heterotrimere G Proteine:
- Signalweiterleitung durch Gα oder andere Isoformen, wichtigste: Gsα
- Adenylatcyclase
- Aktivierung cAMP als second messenger
- Aktivierung Proteinkinasen
- Entfernung Repressor
- Gen aktiv
- Kleine monomere G Proteine
- Regulieren Zytoskelett und Zellwachstum
Wie funktionieren Tyrosinrezeptorkinasen?
- Rezeptoren die aktiviert werden müssen
- Ligandenbindung -> Dimerisierung -> Tyrosinphosphorylierung (auf cytosolischer Membranseite)
- Aktivatorproteine binden an phosphorylierten Rezeptor und leiten Signal weiter
- Signalabschaltung durch Endozytosen -> Vesikel -> Dephosphorylierung -> Recycling
Signaltransduktionswege überlappen / können redundant sein
- z.B. Tyrosinrezeptorkinasen aktivieren verstärkt durch second Messenger mehrere Signaltransduktionswege gleichzeitig (G-Proteine sind spezifischer)
Apoptose – extrinsischer Weg (Todesrezeptoren)
- Liganden aktivieren Todesrezeptoren in Membran -> Homotrimerisierung
- Bindung und Aktivierung von FADD
- Fromierung von DISC
- Rekrutierung der Procaspasen 8, 10
- Aktivierung der Effektorcaspasen 3,6,7
- Angriff und Zerstörung wichtiger Zellstrukturen
- Lamine, Zytoskelett, DNA-reparierende Enzyme, Inhibitor der Endonuklease CAD, …
Apoptose – intrinsischer Weg
- Bcl-2 Proteine sind pro-survival oder pro-apoptosis
- Hetero-Dimer aus Bcl-2 und Bax -> Inhibiert apoptotische Aktivität
- Homo-Dimer aus Bax und Bax -> Apoptose
- Intrinsisches Apoptosesignal -> cytC verlässt Mitochondrien
- Kaspasekaskade -> Apoptosom entsteht
- Aktivierung Procaspase 9
- Aktivierung der Effektorcaspasen 3,6,7
RNA Silencing = RNA interfence = RNAi = gezielter Abbau von RNAs, für die dsRNA Intermediate vorliegen
Maschinerie
- Dicer (Endonucleasen, RNAse III) -> erkennt dsRNA und schneidet sie in definierte Stücke - siRNA
- RISC-Komplex enthält Helicase, Endonuklease und gebundene siRNA
- benutzt kurze siRNA-Stücke, entfernt Sense-Strang und wird dann aktiv, Antisense Strang definiert Spezifität -> Erkennung homologer Sequenzen und Zerschneiden (Slicing)
- Funktion: Abwehr der von Viren injizierten dsRNA, Transposons, Silencing von Genen
miRNAs = MicroRNAs
- Unterdrücken Expression von Zielgenen
- Hemmung der Translation
- mRNA-Abbau
- Eine miRNA kann viele mRNAs regulieren
- Gewebespezifisch exprimiert
- Entstehung:
- RNA-Pol II macht pri-miRNA
- Drosha/Pasha macht daraus pre-miRNA
- Exprortin transportiert diese aus dem Zellkern
- Dicer schneidet zu miRNA
- RISC bindet miRNA und reprimiert Genxpression
uORFs reprimieren die Translation vieler mRNAs
- Upstream Open Reading Frame
- Nonsense/Nonstop mediated decay (NMD) = Abbauweg für defekte mRNA
- Nicht-translatierte RNAs werden in P-Körperchen abgelagert und abgebaut
IRES erlauben die Translation von internen (sekundären) Startkodonen unabhängig von der Cap
- IHRES = Internal Ribosome Entry Site
- RNA-Vieren nach Zelleingang auf Translation ihrer RNA angewiesen
- IRES rekrutieren Präinitiationskomplex
- IRES kommen auch in eukaryotischen mRNAs vor
- zB G2/M-Phase: p58-Kinasen von mRNA über IRES translatiert
- zB während Apoptose: CAP-abhängige Translation inhibiert, Zelltodproteine über IHRES translatiert
- Tumorzellen: Mutationen in IRES von c-Myc -> wird stärker translatiert -> Krebs
Proteinabbau kann über Ubiquitinylierung und das Proteasom reguliert sein
- Ubiquitin markiert Proteine die Abgebaut werden sollen (ATP-Verbrauch)
- Proteasom erkennt Ubiquitinylierung
RNA Transport nutzt Cytoskelett, Motorproteine transportieren translationsinaktive mRNA-Protein Komplexe
- Auf Mikrotubuli
- Kinesine -> anterograd
- Dyneine -> retrograd
- Auf Actin
- Myosin
mRNA Lokalisation bestimmt Proteinlokalisation
Proteingradient von Transkriptionsfaktoren bestimmt die Entwicklung von Geweben in Drosophila
- Da wo sich entsprechende Proteingradienten im Ei entwickeln, entsteht relativ gesehen auch die entsprechenden Proteine und daraus Gewebe -> bestimmt Segmentation der Zygote
Homöotische Gene wirken als Schalter für die Entwicklung von Organen -> HOX-Cluster
- Masterregulatoren: Spätere Larvalentwicklung in Drosophila -> Imaginalscheiben entwickeln sich zu Organen des Imago -> werden bestimmte an oder ausgeschaltet entwickeln sich z.B. aus Mundwerkzeugen Beine
- Im Menschen homöotische Mutationen z.B. sichtbar durch Syndaktylie
Spontane Mutationsrate bei Pro- und Eukaryoten: Basenaustausch pro Nukleotidpaar/Generation: ca. 1*10-8
Es gibt negative, neutrale und positive Mutationen
Mutationen sind ungerichtet
Mutationstypen
- Stumme Mutation -> Das Codon wurde zwar verändert, codiert aber noch die selbe AS
- Nonsense -> ein Codon wird durch Punktmutation zu einem Stop-Codon
- Missense -> eine Base wird geändert, Codon codiert eine andere/falsche Aminosäuren
- Punktmutation:
- Transition -> Punktmutation: Pyrimidin -> Pyrimidin, Purin -> Purin
- Transversion -> Punktmutation: Pyrimidin <-> Purin
- Rasterschubmutation -> Deletion/Insertion eines Nucleotids verschiebt Leseraster
- alle folgenden AS sind verändert/falsch
- Reversion -> Punktmutation wird durch weitere Mutation ausgeglichen
z.B. TTA Leu -> TTT Phe -> CTT Leu
mutationen
- Supressormuattion -> eine Nonsense-Mutation wird durch Mutation der entsprechenden tRNA
ausgeglichen/unterdrückt
- Tautomerverschiebung
- Basen können in Isoform vorliegen (kurzzeitige Umlagerung von H+ bei selber Summenformel
- Führt zu ungewöhnlicher Basenpaarung
- Intrinsische Eigenschaft
- Desaminierung = Hydrolyse der exocyclischen Aminogruppen
- Spontan oder durch Nitrat/Nitrit/salpetrige Säure
- C wird U, ist aber unproblematisch, U wird leicht erkannt
- Depyrimidinierung
- 2-Stufenprozess:
- C wird desaminiert zu U
- Uracil-DNA-Glykosylase entfernt U
- Führt zu Verlust genetischer Information
- 2-Stufenprozess:
- Depurinierung
- Guanin wird entfernt
- Verlust genetischer Information durch bevorzugten Einbau von Adenin-nukleotiden
- Bei Replikation: 1 Strang normal G-C, 1 Strang A-T
Chemische Mutagentien
- Oxidantien -> Angriff von DB durch reaktive Sauerstoff-Spezies (O2-, OH-Radikale, H2O2)
- Verlust der Planarität
- Basenanaloga -> Strukturähnliche Stoffe an Stelle der Basen eingebaut (5-Bromuracil ähnelt Thymin)
- Alkylatoren -> Modifizierung der N- & O-Gruppen
- Änderung der Paarungseigenschaften
- Störung der helikalen Struktur
- EMS (Ethylmethansulfonat)
- NG (Nitrosoguanidin)
- Interkalatoren -> Substanz bewirkt frame-shift-Mutationen (Änderung der Abstände zwischen Basen)
- Proflavin, Ethidiumbromid, Acridinorange
Strahlung
- UV-Mutagenese
- Hotspots: benachbarte Thymin-Nucleotide werden verknüpft -> Pyrimidin-Dimere
- Helix stark verzerrt -> keine Replikation
- Ionisierende Strahlung -> Strangbrüche
Was ist der Ames-Test?
- Wie mutagen ist eine chemische Substanz?
- Salmonella-Stamm ohne DNA-Reparatur und His-
- Inkubation mit mutagener Substanz
- oder Inkubation mit Leberextrakt von Ratten, die Substanz zu sich nahmen
- Plattierung auf Medium ohne Histidin
- Zählen der Revertanten (Rückmutationen à His+)
Passiver Schutz gegen DNA-Schäden
- Haut/Pigmente
- Radikalfänger -> Vitamin C
- Enzyme (Superoxid-Dismutase, Katalase)
- Redox-Puffer
- Räumliche Trennung von DNA und reaktiver Sauerstoff-Spezies
Aktiver Schutz -> Reparatur
- Direkte Eliminierung
- Photoreaktivierung
- Enzym Photolyase absorbiert schädliches Licht und stellt native DNA wieder her
- Dealkylierung
- Alkalysetransferase entfernt Alkylreste zwischen Basen
- Photoreaktivierung
Selbstmord-Enzym, wirkt stöchiometrisch
MMR
- MMR -> Mismatch-Repair
- Scanning neuer DNA unmittelbar nach Replikation
- Erkennt Mismatches
- Neuer Strang über fehlende Methylierung erkannt
- Nur kurzes Zeitfenster nach der Replikation
- Methylierung machen dam-Methylasen
- Rekrutiert weitere Proteine die Reparatur vornehmen
- MutL und MutH bauen Strang tw. ab
excision des dna schaden BER NER
- Excision des Schadens
- BER = Basenexzisionsreparatur
- Glykosylasen scannen Genom auf Basenschäden
- Prozessierung durch Hip-Out (Herausdrehen)
- Hydrolyse der glykosidischen Bindung durch AP-Endonuklease
- Auffüllen der Lücke und Ligation durch DNA-Pol. I und Ligase
- Für Mutationen, die nicht die Helix verzerren
- NER = Nukleotid-Exzisionsreparatur
- Erkennt größere Basenveränderungen (T-T-Dimere)
- Schneidet beidseitig der Läsion kleines Stück DNA heraus
- Neu Auffüllen durch DNA-Pol. I und Ligase
- Kann an Transkription gekoppelt sein
- Für größere, die Helix verzerrende Schäden
- Bei Mutation von NER: Xeroderma pigmentosum
- BER = Basenexzisionsreparatur
- Rekombination vs shaden dna
- Rekombination
- Doppelstrangbruchreparatur
- Bei Bruch gehen durch Abbau der Enden Nucleotide verloren
- Nonhomologous End-Joining verbindet einfach nur
- Homologous End-Joining stellt komplette Sequenz wieder her durch kopieren von zweitem Chromosom
- Bei Bruch gehen durch Abbau der Enden Nucleotide verloren
- Doppelstrangbruchreparatur
Toleranz
- Expression von Rettungssystemen, die die DNA-Integrität wiederherstellen, ohne Mutation zu beseitigen
.
Autopolyploidie -
- > Verdopplung des endogenen Chromosomensatzes
- Pflanzen -> größere Früchte/Blüten
menschen tod
Allopolyploidie
- > Verdopplung zweier Chromosomensätzen nach Hybridisierung
- Artbildung von Pflanzen -> zB Kohlsorten
Wie kann triploidie entstehen? Vorteile der Triploidie?
- Ein Elternteil tetraploide, das andere diploid -> Geschlechtszelle nach Meiose diploid und haploid
- > Triploide Zygote (lebensfähig, nicht fertil)
- Nutzen: Lebensmittel -> Kernlose Früchte
Graskarpfen zur Gewässerreinigung -> nicht fertil, sterben im Gewässer aus
Wo kommt Monoploidie vor? Wie kommt sie Zustande?
- Hautflügler z.B. Bienen, Ameisen, Wespen
- Drohnen können nur männliche Nachkommen bekommen, diese entstehen aus einem unbefruchteten Ei durch Mitose
- Vorteil: Vererbung rezessiver Krankheiten nicht möglich, Männchen bilden diese immer sofort aus und pflanzen sich nicht fort
Wie entsteht Deletion?
- In Chromosomen -> Hitze, Strahlung, Viren
- Terminal oder intern -> Chromosom ist hemizygot, nur 1 Gen ist präsent
Was bedeutet Deletionskartierung? Was bedeutet Hemizygotie?
- Deletionskartierung -> Ermittlung des Locus eines mutierten Gens mithilfe einer Reihe von Kreuzungen mit Individuen bei denen ein bestimmter Genort deletiert wird
- > sind beide Genorte identisch, wird die Mutation exponiert Hemizygotie
- Hemizygotie -> durch Deletion wird immer das einzige noch Vorhandene Gen für diesen Ort exponiert
Duplikation: Bedeutend für die Evolution
- Die meisten Mutationen an kritischen Orten sind letal -> durch Duplikation mehr Möglichkeit zur Variation und trotzdem überlebende Individuen
- Duplikation erhöht die Gendosis und erzeugt phänotypische Variation
Syntenie = Gemeinsamkeiten in der Reihenfolge von Genen oder Gensegmenten
- zB konservierte Genabfolgen bei Mäusen und Menschen
Translokation: Bedeutung für die Krebsentstehung über die Aktivierung von Onkogenen
- Translokation = Abberation, bei der 1 Gensegment an einen neuen Ort verschoben wird
- Terminale Translokation
- Reziproke Translokation
- Proto-Oncogene werden an Stellen gesetzt, an denen sie viel zu oft repliziert werden -> Krebs
- zB cMYC = Proto-Oncogen des Menschen wird von Chr. 8 in den Chromosomen 2,14,22 an eine Stelle translokiert, an der sonst Immunzellen exponiert werden, als Folge entstehen viel zu viele Mitochondrein in der Lymphdrüse (Burkitt-Lymphom)
- zB Pro-Onkogen von Chr. 9 gelangt auf Chr. 22 und wird durch Translokation aktiviert -> Leukämie
- es kommen Genombereiche zusammen, die ein Proto-Oncogen aktivieren
Aneuploidien werden durch Nondisjunktionen von homologen Chromosomen während der Meiose verursacht
- Aneuploidie = Variation der Chromosomenzahl
- Nullisomie 2N-2, Monosomie 2N-1, Trisomie 2N+1 etc.
- Aneuploidien von Autosomen fast ausnahmslos schon vor der Geburt letal
(Ausnahmen: Trisomie 21,13,18 -> aber auch hier verkürzte bis sehr geringe Lebenserwartungen)
Aneuploidien der Sexchromosomen mit vergleichsweise milden Defekten
- Klinefelter Syndrom XXY, XXXY, XXYY
- Männlich, steril, kleine Hoden, Brustentwicklung
- XYY
- Männlich, groß, dünn, Verhaltensauffällig
- Turner-Syndrom X0
- Weiblich, steril, keine äußeren Geschlechtsmerkmale, kurzwüchsig
- Trisomie X XXX
- Weiblich, phänotypisch unauffällig, Lernschwäche, verringerte Fertilität, aber möglich
Rekombinationstypen
- Homologe Rekombination („stumm“, gleiche Gene ausgetauscht)
- Illegitime Rekombination (nicht-homologe Chr.)
- Sequenzifische Rekombination
- Transposition -> Kopie des Elementes an andere Stelle im Genom
Was ist linkage?
- Zwei Gene auf einem Chromosom, werden zusammen vererbt
- Linkage group = alle Gene auf einem Chromosom
Wie funktioniert Genkartierung
- Genkatierung beruht auf Rekombinationsfrequenz zwischen Allelen
- Rekombinationsfrequenz Rf = Zahl der Rekombinanten/Gesamtzahl*100 in [cM] -> relative Größe
Genetische Polymorphismen = Vorkommen mehrere Varianten eines Locus/Gens/Chromosoms
- Single-nucleotid polymorphism (SNP)
- Simple sequenz repeat (SSR) -> microsattelite
- Restriction fragment length polymorphism (RFLP)
Synaptonemaler Komplex
- Vermittelt Paarung homologer Chr. und den koordinierten Genaustausch beim Crossing-over
Crossing-over -> Maschinerie
- Spo11 (Endonuclease) – initialer Strangbruch -> 2 UE schneiden um 2 Basen versetzt
- MRX-Komplex – Prossesierung des double-stranded break (DSB)
- DMC1 und RAD51 – Stranginvasion
- schützen Einzelstrang
- binden aber auch Stränge, hierzu Aufschmelzen des Doppelstrangs des anderen Chr.
- RuvA- und RuvB-Komplex – Material wird ausgetauscht
- Auflösung durch Stopp-Signal – Resolvase RuvC (Endonuclease)
- In seltenen Fällen ganzer Arm getauscht -> meist Austausch relativ gering
- Polymerasen und Ligasen füllen Lücken und schließen sie wieder
Transposons = mobile genetische Elemente, die kopiert oder aus dem Genom herausgeschnitten und an einer anderen Stelle wieder eingefügt werden können -> Transposition
Mechanismen der Transposition
- Über ein DNA-Intermediat -> replikativ, nicht replikativ
- Über ein RNA-Intermediat -> Retrotransposons, Retroposons (Lines, Sines) – mit RNA-Viren verwandt
Klassen von Transposons
-> RNA-/DNA-Transpososns
Wie springen DNA-Transposons, wie Retrotransposons
- DNA-Transposons benötigen Transposasen zum springen
- Retrotransposons benötigen reverse Transkriptase und Integrase (Endonuclease) zum Springen
Das menschliche Genom besteht überwiegend aus Transposons
Die meisten Transposons sind durch direkte Repetitionen charakterisiert
.
Unterschie RNA und DNA ist
die deoxydierte C2 atom des zucker im DNA
Desoxyribonucleinsäure
ribonucleinsäure
