Rekombination - Transposition (VL17) Flashcards
Was ist Rekombination und was sind die Schritte eines Rekombinationsereignisses?
Rekombination
- Rekombinationsvorgänge sind alle Vorgänge, bei denen DNA neu kombiniert wird
Schritte eines Rekombinationsereignisses
- Entstehung von DNA-Einzel- oder Doppelstrangbrüchen,
- Paarung zweier homologer DNAregionen,
- Austausch zwischen zwei Einzelsträngen der gepaarten Doppelhelices
- Auflösung der viersträngigen Struktur durch Erzeugung weiterer Brüche und Wiederverheilung nach Austausch der Enden.
Was für Rekombinationstypen gibt es?
Rekombinationstypen
Homologe Rekombination
- Stückaustausch zwischen homologen Chromosomen
illegitime Rekombination
- Stückaustausch zwischen nicht homologen Chromosomen
sequenzspezifische Rekombination
- Eine gezielte (also nicht zufällige) Integration von DNA in ein Genom, durch ein Enzym zb. die vom Bakteriophagen λ codierte Integrase, die 2 nicht homologe Sequenzen zweier DNA-Moleküle zusammen bringt, deren Spaltung katalysiert und sie miteinander verbindet
- So kann ein Virengenom an einem vorgesehenen Ort in ein Chromosom eingebaut werden
Transposition
- ein Gen kann sich zum Teil selbstständig mithilfe einer Transposase an x-beliebige Stellen in die DNA-Sequenz einlagern
Was ist linkage?
Linkage (Kopplung)
- räumlich nahe beieinander liegende Gene werden gemeinsam vererbt
- Aufgrund der Genkopplung werden bestimmte Merkmale stets in Kombination mit anderen an die Folgegeneration weitergegeben
- Rekombinante erhält man nur durch Crossing Over
- das Verhältnis ist dann aber nicht 1:1:1:1, da die Rekombinanten weniger wahrscheinlich sind
Wie funktioniert die Genkartierung?
**Genkartierung**
- beschreibt die Bestimmung der Lage eines Gens mit bekannter Funktion auf einer DNA
- bei der genetischen Kartierung werden Koppelungsanalysen zwischen genetischen Markern und dem zu kartierenden Gen untersucht (Austauschhäufigkeit)
- die daraus resultierende Genkarte gibt die relative Lage von Genen an und die relative Distanz der Gene in map units
- 1 map unit = 1 cM (centimorgan) = 1% Rekombinationshäufigkeit
- Genkartierung beruht auf Rekombinationsfrequenzen zwischen Allelen
- Rekombinationsfrequenzen zwischen Genen sind proportional zu ihrer Distanz
- Gene mit Rekombinationsfrequenzen unter 50 % sind auf einem Chromosom = linked / gekoppelt
- 2 Gene mit Rekombinationsfrequenzen von 50 % sind auf verschiedenen Chromosomen oder sehr weit entfernt auf einem Chromosom = unlinked / nicht gekoppelt
- Linkage group / Kopplungsgruppe: Alle Gene auf einem Chromosom
Was für Arten genetischer Polymorphismen gibt es?
Genetische Polymorphismen
- bezeichnet das Auftreten mehrerer Genvarianten innerhalb einer Population
- sind für die Kartierung von Genen wichtig
Arten:
restriction fragment length polymorphism (RFLP)
- Restriktionsendonukleasen produzieren spezifische Muster von DNA-Fragmenten
- EcoR1 schneidet dsDNA an der Sequenz 5’-GAATTC-3’
- schneiden DNA nur an den spez. Stellen
—> wenn Mutation in der Sequenz, kein Schnitt
single-nucleotide polymorphism (SNP)
- bezeichnet die Variation eines einzelnen Basenpaares in einem komplementären DNA-Doppelstrang
- sehr häufig in menschlichen Populationen
- praktisch —> für jedes Nukleotid gibt es selten Mutation
- zur Kartierung werden nur SNPs benutzt, die mindestens 5% in der Population vorkommen —> danach alle 1.300bp ein SNP im menschl. Genom
simpe sequence repeat (SSR) = microsatellite
- zB im Menschen Repititionen von A, AT, AAT, seltener C, CG, ACG
- 3% menschl. Genom SSR (alle 2000 bp)
- SSR haben einen Lebenszyklus
- entstehen, wachsen und verschwinden innerhalb 10-100 Mio Jahre
- viele neuroloischen Krankheiten zB Huntigton beruhen auf Expansion von Trinukleotid Repititionen
Meiose / synaptonemaler Komplex
Meiose (Kernteilung)
- Ziel der Meiose ist es, Zellen mit einem einfachen (haploiden) Chromosomensatz zu produzieren
- Diese Zellen können zum Beispiel Eizellen (Oozyten) oder Samenzellen (Spermien) sein
Ablauf
- Sie findet in 2 Abschnitten statt;
- Meiose 1 besteht aus Prophase 1, Metaphase 1, Anaphase 1 und Telophase 1
- Meiose 2 setzt sich aus den Phasen Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2 und Telophase 2 zusammen
Prophase 1
- homologe Chromosomen lagern sich aneinander und dabei kann es zur Neukombination von Erbgut kommen
- Außerdem beginnt die Bildung des Spindelapparats, der für die Trennung der Chromosomen benötigt wird
Metaphase 1
- Die Kernspindel bildet sich vollständig aus und die Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene an
Anaphase 1
- Die homologen Chromosomenpaare werden zu den Polen des Spindelapparats gezogen
- Dabei bewegen sich die Chromosomen zufällig und sorgen für die erste Durchmischung des Erbmaterials
Telophase 1
- Der Spindelapparat wird abgebaut
- Es bilden sich neue Kernhüllen und beide Kerne tragen einen einfachen Chromosomensatz in sich
- Anschließend entstehen durch die Zellteilung (Cytokinese ) zwei unterschiedliche, haploide Zellen (Tochterzellen)
Prophase 2
- In den entstandenen Zellen bilden sich erneut Spindelapparate aus, dieses Mal zur Trennung der Schwesterchromatiden
Metaphase 2
- Die Chromosomen ordnen sich erneut in der Äquatorialebene an
Anaphase 2
- Die beiden Hälften der Chromosomen (Schwesterchromatiden) werden in Richtung der gegenüberliegenden Spindelpole gezogen
- Dadurch trennen sich die Chromatiden der Chromosomen
Telophase 2
- Es bilden sich Kernhüllen aus und anschließend trennen sich die beiden Zellen in vier haploide Tochterzellen mit einzelnen Chromatiden, es handelt sich um die Keimzellen
Welche Stadien werden innerhalb der Prophase I der Meiose I ausgebildet?
- Innerhalb der Prophase I der Meiose I kommt es zu der Ausbildung von verschiedenen Stadien
Leptotän: die DNA Fäden verdichten sich und werden sichtbar
Zygotän: die Fäden wickeln sich auf und lagern sich zu homologen Chromosomen Paaren an
Pachytän: die homologen Chromosomen tauschen genetische Informationen aus und es bildet sich der Synaptonemaler Komplex
Diplotän: Die homologen Chromosomenpaare teilen sich voneinander auf, die Chromatiden und Chiasmata (Überkreuzungspunkte) sind erkennbar, der synaptonemaler Komplex verschwindet
Diakinese: Chromosomen verdichten sich weiter, homologe Chromosomen noch über Chiasmata verbunden
Wie funktioniert der synaptonemale Komplex im Pachytän der Meiose?
Synaptonemale Komplex
- Proteinkomplex, der die Paarung und Rekombination homologer Chromosomen während der Meiose vermittelt
- er beginnt seine Ausbildung im Zygotän der ersten Reifeteilung
- Er ist eine leiterförmige, dreigeteilte Struktur mit zwei Seitenregionen und einem Zentralelement
- gewährleistet den fixen Zusammenhalt der zwei homologen Chromosomen, sodass diese im Pachytän als eine gemeinsame dicke Struktur erscheinen
- Die Entwicklung dieses Proteinkomplexes ist Voraussetzung für Crossing-over und der Ausbildung von Chiasmata
- Spezifische Bausteine des synaptischen Komplexes sind die Synaptonemal-Complex-Proteine SYCP1, SYCP2 und SYCP3
Crossing-Over; Maschinerie
Initiale DNA Spaltung durch Spo11
- 2 UE von Spo11 schneiden am oberen und unteren DNA-Strang um 2 Nukleotide versetzt
- ausgehend von Tyrosin OH-Gruppe nucleophil angegreifend
Prozessierung des Doppelstrangbruches
- 5’-3’ Resektion
- dabei wird Spo11 entfernt und es entstehen bis zu 1000Nt lange überhängende 3’-Enden
- DMC1 und Rad51 vollführen Stranginversion
- Entstehung und Auflösung von Holliday Strukturen?
- Was ist die Genkonversion?
Aufbau der Holliday Struktur
- bezeichnet eine viersträngige Struktur aus 2 Chromosomen, die währrend des Crossing Over entsteht
- kann entlang der DNA wandern, indem sie die DNA durch Helicaseaktivität unter ATP-Hydrolyse aufwindet, dafür sind die UE Ruv A und Ruv B zuständig
- die Endonuclease Ruv C bindet als Dimer und schneidet die Struktur an einer präferierten Sequenz 5’-A/T T T G/C auf
- Anschlissend wird die DNA durch eine Ligase wieder verbunden
Auflösung der Holliday Struktur
- der Schnitt kann an 2 verschiedenen Ebenen erfolgen
- bei einer vertikalen Schnitt werden ganze Chromosomenarme ausgetauscht
- bei einem horizontalen Schnitt wird durch das Crossing over nur ein kleiner Teil des Chromosoms ausgetauscht
Genkonversion
- durch die Rekombination entsteht ein Berreich, an dem Sequenzen des einen homologen Chromosoms mit denen des anderen paaren, was dazu führen kann, dass unterschiedliche Allele auf einem DNA Strang kombiniert werden
- diese sogenannte Heteroduplex-DNA (zB G-T Paar) kann durch nachfolgende Reparatur zum Verlust eines Allels führen
Was sind Transposons?
Transposons
- sind mobile genetische Elemente, die kopiert oder aus dem Genom herausgeschnitten und an einer anderen Stelle eingefügt werden können, dieser Vorgang heißt Transposition
- Das menschliche Genom besteht zu fast 50 % aus Transposons
- Die meisten Transposons sind durch direkte Repetitionen charakterisiert
- die meisten Transposons sind stillgelegt und springen nicht mehr
- Transposons leitensich oft von Viren ab
- HERV: leiten sich von Retroviren ab
- SINE & LINE: stammen auch von Retroviren ab; stark verändert; können trd teilweise noch springen
Welche Klassen von Transposons gibt es?
DNA Transposons
DNA-Transposons
replikativ:
- Transposons bleibt am Ursprungsort und wird auch an neuen Ort kopiert
nicht replikativ
- Transposon wird an der einen Stelle entfernt und in eine neue Stelle transferriert
- das Transposon Element wird umgeben von Repetitionen umgeben, aus der es von Transposase rausgenschnitten wird
- die Transposase schneidet die Zielsequenz sequenzspezifisch versetzt und fügt dann die DNA des Transposons ein, die Lücke wird von der DNA Polymerase aufgefüllt
Welche Klassen von Transposons gibt es?
RNA- Transposons
RNA-Transposons
Retrotransposons
- sind ähnlich zu Retroviren (Viren mit RNA-Genom)
- haben eine LTR (Long terminal repeat), die besteht aus gag Genen und pol Genen (kodieren für die reverse Transkribtase)
- brauchen eine RNA um zu springen, das Element muss transkribiert werden
- eine Reverse Transkriptase produziert eine DNA-Kopie für die Integration
Retrotroposons
- keine LTR, dafür Lines und Sines
- LINES (long interspersed elements) 6-7kbp; 20% des Genoms
- SINES (short interspersed ele) 300bp; 13% Genoms
Vor- und Nachteile von Transposonen für das Wirtsgenom
Mögliche Vorteile
- erhöhren die gen. Diversität
- können als Pormotoren fungieren
- Tragen positive Eigenschaften (Antibiotika-Resistenzen)
Mögliche Nachteile
- kann Mutationen induzieren
- kann zu Chromosomenaberrationen führen
- kann Gene an einen neuen Ort transferieren
