Vom Genotyp zum Phänotyp Flashcards
monogen
ein einzelnes Gen betreffend
polygen
mehrere Gene betreffend
nicht-kodierende DNA-Abschnitte
- Teil der DNA, der nicht für Proteine kodiert
- 90% der Gene sind nicht kodierend
- trägt zum Beispiel Nukleotidsequenzen, die zum Erkennen von Startpunkten bei der Transkription oder der DNA-Replikation wichtig sind
kodierende DNA-Abschnitte
- wichtig für die Proteinbiosynthese
- 10% der Gene sind kodierend (entspricht 2-3% des Genoms)
Zentrales Dogma der Genetik
- DNA kann nur auf RNA transkribiert werden und RNA dann auf eine AS-Sequenz
- spezielle Übertragungswege: RNA-Replikation, Reverse Transkriptase, direkte Translation von DNA zu Protein (in zellfreier Umgebung in vitro)
- nach dem Dogma “verboten”/unbekannt: Protein -> DNA, Protein -> RNA, Protein -> Protein
Wenn Information einmal in ein Protein übersetzt wurde, kann sie dort nicht wieder herausgelangen.
Francis Crick, 1958
Es kann keine sequenzielle Information von Protein
zu einem Protein oder zu Nukleinsäure übertragen werden Francis Crick, 1970
Aufbau eukaryontischer Gene
Silencer
Teil der Promoter-Region, die sich vor oder nach dem eigentlichen Gen befindet
können zusammen mit Transkriptionsfaktoren die Expression des Genes herabsetzen
Enhancer
Enhancer
Teil der Promoter-Region, die sich vor oder nach dem eigentlichen Gen befindet
können zusammen mit Transkriptionsfaktoren die Expression des Genes erhöhen
Silencer
Ebenen der Genexpression in räumlicher und zeitlicher Abfolge
DNA (Nucleus)-> Processing/Spleißen (Nucleus) -> Transport und Translation (Cytosol)
mRNA [Funktion, Aufbau]
- Übertragung der Information von der DNA zum Ort der Proteinsynthese (Ribosomen)
- cytoplasmatische mRNA ist relativ kurzlebig, kann aber auch nicht-translatiert in Ruhephase vorliegen
Transkriptionsfaktoren
regulatorische Proteine, die nach Aktivierung an genomische DNA binden und so die Effizienz der Transkription hoch -bzw. herunterregulieren
binden entweder direkt an DNA-Abschnitte (Promotoren, TATA-Box), die sie dann aktivieren oder reprimieren oder an DNA-bindende Proteine
reguliert durch Co-faktoren, Kinasen (Phosphorylierungen), Bindung von Liganden (Steroiden), …
Transkriptionsfaktoren enthalten eine DNA-Bindungsdomäne, eine Regulationsdomäne und eine Aktivierungsdomäne, welche die Zielgene aktiviert, wenn der TF bindet
verschiedene Formen, zB Zink-Finger (Zink im Chelat-Komplex, lagert sich in großer Furche an) oder Leucin-Zipper (Dimerbildung der Helices durch hydrophobe Aminosäure Leucin, pos. geladene Arginin und Lysin, lagern sich an das Phosphatrückgrat der DNA an)
RNA-Polymerase
Enzyme, die die Synthese von RNA bei der Transkription der DNA katalysiert
besitzen Mechanismen zu Fehlererkennung
werden durch Promotorregionen/Transkriptionsfaktoren reguliert
drei Klassen:
- Pol I: für rRNA im Nucleolus, besitzt eigenen Promotor und TF
- Pol II: für mRNA im Zellkern
- Pol III: für tRNA, eigener promotor und TF
- mitochondriale Polymerase
post-/cotranskriptionelle Mechanismen
Capping
Polyadenylierung
Splicing
Spleißen
- cotranskriptionelle Prozessierung von RNA (prämRNA -> mRNA)
- Das Splicing dient dem Entfernen der intronischen Sequenzen
- Splicing beginnt während der Transkription Exon/Intron-Übergänge AGGUA/GAGU—–A—–AGG
- Mehrfache Umesterungen im Spleißosom unter Ausbildung einer RNA-Lassostruktur (Lariat)
- Spleißosom beinhaltet RNAs und Proteine: snRNAs, snRNPs (U1, U2,..)
- durch das zusammenfügen unterschiedlicher Exons kann noch eine größere Diversität erreicht werden(1 Gen -> 2-4 verschiedene mRNA´s)
[nicht vollständige Karte, benötigt Überarbeitung und Ergänzung]
Capping
- Prozessierung der RNA (prämRNA -> mRNA)
- Guanin-Nukleotid + Methylgruppe wird über eine 5’-5’-Phosphodiesterbindung an das 5`-Kopfende der RNA geknüpft
- stabilisiert das Molekül und verhindert den Abbau durch Exonukleasen
- Hilft beim Ausschleusen der RNA aus dem Zellkern, indem es an Cap-Binding.Komplexe bindet, die unter anderem einen effektiven Transport sichert
- wichtig für die Initiation der Translation
Polyadenylierung
- Prozessierung/ posttranskriptionelle Modifikation der mRNA (prämRNA->mRNA)
- betrifft fast alle mRNAs, ausser Histon-mRNAs, die kein poly-Adenylierungssignal besitzen
- Synthese erfolgt templateunabhängig mittels der Poly-A-Polymerase (PAP)
- poly-A-Sequenz wird von poly-A-bindenden Proteinen (PABP) gebunden
- Funktion: Schutz vor Abbau durch RNAsen und Verbesserung der Translatierbarkeit
Chromatin [Anteile]
33% DNA, 33% Histone, 33% andere proteine
Histon
im Zellkern vorkommende basische, kleines (~100AS), konserviertes (evolutionär schon lange bestehendes) Protein, die mit genomischer DNA die Nukleosomen bilden
Funktion:
- verpacken der genomischen DNA im Kern
- Regulation der Replikation (DNA Kondensierung)
- Regulation der Genexpression
Arten: H1, H2A, H2B, H3, H4
(H3, H4)2 + (H2A, H2B)2 -> Oktamer -> +DNA -> Nucleosom-> +H1 -> Solenoid -> +andere Proteine -> Chromatin
Azetylierung, Methylierung, Phosphorylierung bei Histonen
Histonmodifikationen:
- unmodifiziert -> silencing
- acetyliert-> Transkription
- phosphoryliert -> mitose
- acetyliert + phosphoryliert -> transkription
- methyliert -> silencing/heterochromatin
Azetylierung:
- Lysin (Aminogruppe, basisch, pos. geladen) in Histon-Molekülen wird azetyliert durch HAT mit Hilfe eines Acetyl-CoA: Amin -> Amid (nicht basisch, ungeladen -> weniger Bindug an DNA -> Transkriptionsfaktoren können ansetzen
Methylierung
- Methylrest von Methionin, kaum eine Änderung der Ladung der AS durch Methylierung
Phosphorylierung
- nur bei AS mit OH-Gruppe (Thyrosin, Serin, Threonin)
- durch Interkonversion (phosphorylierung/Dephosphorylierung) werden Transkriptionsfaktoren aktiviert/deaktiviert, zB STAT durch die Januskinase
Nukleosom
- erste Verpackungsstufe der DNA und ist ein DNA-Histon-Komplex
- ~10nm groß
- besteht aus jeweils zwei der H2A, H2B, H3, H4 Histonen (oktamer), die mit ihren N-Terminalen (reich an Arginin und Lysin -> pos. geladen) an die negativ geladene DNA binden
- bilden zusammen mit H1 Histonen Solenoide
- Nucleosome werden während der Initiation der Transkription “entwirrt” durch Azetylierung der Histone
cis-/trans-Elemente
cis-Elemente: DNA-Abschnitte, die entweder vor oder nach dem Gen liegen (zB Enhancer, Silencer) und zsm mit trans-Elementen die Transkription regulieren
trans-Elemente: Proteine, die zusammen mit cis-Elementen die Transkription regulieren (Transkriptionsfaktoren)
Transkription [Prozess]
3 Schritte (Initiation, Elongation, Termination)
Initiation:
- Bildung eines Präinitiationskomplexes
Elongation
- Polymerase II (teil des Elongationskomplexes) synthetisiert revers komplementär zu der DNA-Matritze in 5´-3´-Richtung die prämRNA aus NTP, durch Esterbindung zwischen Phosphat und Ribose
- die Energie erhält sie durch die Abspaltung von pyruphosphat
- Transkription erzeugt lokale positive und negative Superhelikalität.
Termination
- eine Reihe von Proteinfaktoren verantwortlich, wobei viele Einzelheiten noch nicht geklärt sind. Häufig hört dieTranskription erst mehr als tausend Basenpaare unterhalb des 3´-Endes des codierenden Anteils auf
- Torpedo-Modell (s.Bild)
RNA-Klassen
- mRNAs (messenger): Protein-kodierende RNAs
- tRNAs(transfer): Übersetzung des Basencodes
- rRNAs (ribosomal): ribosomale Bestandteile (machen ~80% der zellulären Gesamt-RNA aus)
- hnRNA (heterogenous nuclear RNA): unprozessiertes Transkript
- snRNAs (small nuclear): Bestandteile der Splicing-Maschinerie
- miRNAs (micro): regulatorische RNAs
- snoRNAs (small nucleolar): Reifung von tRNAs, mRNAs und snRNAs
- small and long ncRNAs (non-coding): regulatorische RNAs
- RNase P: tRNA-Reifung
- piRNAs (piwi-interacting) Silencing transposabler Elemente
mRNA Editing
- bei Apolipoproteinen
- chemische Veränderung der Basensequenz -> höhere Diversität
- Desaminierung: Adenosin -> Inosin(, entspricht G)
Transkriptionsinitiation
- nach Azetylierung der Histone und damit weitgehende frei vorliegende DNA bindet der TFIID an die DNA bindet zB eine TATA-Box oder TATA-lose Promotoren -> TFIID –
- TBP bindet an der TATA-Box der DNA; rekrutiert TFIIB.
- TFIIA - Stabilisiert die Bindung von TFIID mit dem Promoter
- TFIIB - Erforderlich für die Bindung von RNA-Pol II und TFIIF am Promoter
- TFIIF - Bindet zusammen mit RNA Pol II am Promoter
- TFIIE - Rekrutiert TFIIH und moduliert seine Helikase- und ATPase-Aktivitäten
- TFIIH - Helikase, ATPase und Kinase. Phosphoryliert die carboxy-terminale Domäne der RNA Pol II -> Entwindung der DNA und phosphorylierung der Polymerase -> Auflösung Präinitiationskomplex
- Heranführung der Polymerase an die DNA-Matritze -> revers komplementäre Anlagerung der NTPs mit Phosphodiesterbindung unter Abspaltung von pyrophosphat
- Capping an dem 5´-Ende der prämRNA
- ab Base 11 beginnt die Elongation, nur noch TFIIH ist an der Polymerase angelagert
- Regulierung über cis-Elemente (Enhancer, silencer) und CpG-Inseln
nukleärer Export der mRNA
- Nukleäre Import- bzw. Exportsequenzen in Proteinen werden von Proteinen (Transportine, Caryopherine) gebunden
- mRNA-Export hängt von der Zusammensetzung des RNPs ab nach der mRNA-Reifung
Hemmstoffe der Transkription
Rifampicin:
- bakterizides Antibiotikum
- bei Mykobakterien (Tuberkulose und Lepra), Methicillin-resistenten Staphylokokkus aureus, Meningokokken-Meningitis angewandt
- hemmt bakterielle RNA-Polymerase
Actinomycin:
- Zytostatikum
- Interkalation in G-C-reiche Sequenzen -> Blockierung der RNA-und DNA-Polymerase
α-Amanitin:
- zyklisches Oligopeptid aus acht AS
- aus Amanita phalloides (destroying angel)
- bindet an die “Brücken-Helix” der Polymerase und verlangsamt die Elongation
der genetische Code [Besonderheiten]
universell
- Ausnahmen Mitochondrien
degeneriert
- und 2. Base hauptsächlich wichtig für Kodierung
konservativ
-
- Base bestimmt häufig den Charakter der Aminosäure
- U…hydrophob
- C…polar bis neutral
- A…geladen
- G…geladen, neutral bis polar
offener Leserahmen
- Insertionen oder Deletionen von 1 oder 2 Nukleotiden führen zu einer Verschiebung des Leserahmens
tRNA
- Transkribiert durch Polymerase III
- 74-95nt lang
- Kleeblattstruktur
- RNase P entfernt Sequenzen am 5‘-Ende (enthält Ribozym)
- RNase D entfernt Sequenzen am 3‘-Ende
- tRNA-Nucleotidyltransferase hängt CCA-Sequenz an das 3‘-Ende
- Modifizierte Basen
- Reduktion, Methylierung, Desaminierung,…
- Dihydrouridin, Pseudouridin, Inosin
- ATP-abh . Beladung mit Aminosäurem mittels spezifischer Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
Translation
- Übersetzen des genetischen DNA-Codes in einen Aminosäurecode
- zur Biosynthese von Proteinen
- im Cytosol/cytosolische Seite des ERs, Ribosomen, Mitochondrien
- 3 Schritte: Initiation, Elongation,
- Termination
- 5‘ -> 3‘
- N-Terminus -> C-Terminus
Translationinitation
Initiation benötigt
- eIF4 an der Cap-Struktur
- Ternären Komplex aus eIF2,GTP, Methionyl-tRNAiMet
- kleine ribosomale Untereinheit
- Scannen nach einem geeigneten Start-Codon (Kozak-Sequenz)
zu erst bildet sich ein proteinkomplex aus Initiationsfaktoren an der cap-Sequenz der mRNA (eIF4), die die kleine ribosomale untereinheit binden (eIF3 hält die große UE vom frühzeitigen binden ab). das poly(A)-binding-protein (PABP) bindet den Poly-A-Schwanz und verhindert das die mRNA zirkuliert
der initationskomplex scannt nun die mRNA, bis sie die Start-Sequenz (AUG) entdeckt. die Initiations-tRNA mit einem gebundenen Methionin lagert sich nun (mit Hilfe des eIF2) an die P-Stelle der rRNA UE -> GTP wird hydrolisiert -> Initationsfaktoren fallen ab und die große rRNA UE (60S) setzt sich an die mRNA
Translationelongation
- Ternäre Komplexe: eEF1A, GTP,Aminoacyl-tRNA
- 1.Schritt: Binden der Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle
- Komplementäre Basenpaarung
- 2.Schritt: Abdissoziation von eEF1a und GTP-Spaltung bei optimaler Basenpaarung
- Schritt: Bildung der Peptidbindung
* Übertragen des Aminosäurerestes an der P-Position auf die Aminosäure an der A-Position (Peptidyltransferase-Aktivität -> Ribozym)
- Schritt: Bildung der Peptidbindung
- Schritt: Translokation des Ribosoms zum nächsten Triplett
* Spalten von GTP
- Schritt: Translokation des Ribosoms zum nächsten Triplett
Translationstermination
- Binden eines Release Factors bei Erreichen eines Stopp-Codons
- Hydrolyse C-Terminus der Peptidkette und Freisetzung des Peptids
- Dissoziation des Ribosoms
Hemmstoffe auf Translation
Tetrazykline:
- Hemmung der bakteriellen Translation
- Verhinderung der Anlagerung einer Amino-Acyl.tRNA an die 30S-UE
Makrolide
- Hemmung der der Peptidyltransferase und Translokation, durch Bindung an 50S UE
Aminoglykoside
- Kopplung an 30S UE-> Ablesefehler der mRNA
- O2 abhängiger Transport in Bakterium -> nicht unter aneroben Bedingungen anwendbar
DNA-Sequenzierung [Didesoxy-Methode nach Sanger]
Vermehrung der zu sequenzierenden DNA-Stückes durch PCR (aber nur lineare Vermehrung durch nur einen Primer)
in vier gleichen Ansätzen wird aber statt normalen dNTP zusätzlich ddNTPs (keine OH-Gruppe am 3´-Ende) dazugegeben, in jedem Ansatz aber nur je eine Art Base pro Ansatz -> Kettenabbruch wenn die jeweilige Base eingebaut wurde
Trennung durch Gelelektrophorese
Weiterentwicklung der Methode durch unterschiedliche fluoreszierende Makrierung der einzelnen Basen -> kann in einem Gefäß vorgenommen werden und automatische ausgelesen werden
Hardy-Weinberg-Gesetz
- geht von idealer Population aus: keine Selektion, keine Neumutationen
- kann bei ausreichen großen populationen angewendet werden
- zur Berechnung von Genotypenfrequenz aus Allelfrequenzen, zB Berechnung des Anteils von heterozygoten Individuen bei dominant-rezessiven Erbgängen
- p: Allelfrequenz des dominanten Allels
- q: Allelfrequenz des rezessiven Allels
Beispiel: autosomal-dominanter Erbgang. 12 erkrankt, 16 gesund, 28 insgesamt.
16 homozygot -> 16 : 28= 0,57= q² -> q=0,75
da p+q=1 -> p=0,25
davon sind heterozygot (2p*q) 0,375 -> *28Gesamtindividuen=10,5
-> von den 12 erkrankten sind ca. 11 heterozygot
[für die Richtigkeit der Rechnung übernehme ich keine Gewähr. könnte da vielleicht nochmal jemand rüberschauen? :)]
Substitutionstherapie
Substanzersatz für Pateinten mit Stoffwechselstörungen oder Organschwäche/-versagen
Beispiele: Insulintherapie, Enzymersatztherapie, Bluttransfusion, Volumenersatztherapie bei Dehydratation
Abhängigkeit einer physiologischen Leistung vom Genotyp [beim Schmecken von Phenylthiocarbamid]
Unfähigkeit, die Substanz PTC bitter zu schmecken, wird rezessiv vererbt
zwei unterschiedliche Allele in der Bevölkerung vorhanden (PAV=erkennt PTC und AVI=erkennt es nicht)
Unterschiede jeweils an 3 unterschiedlichen Stellen des Gens, werden immer zusammen vererbt
Alkaptonurie
- seltene, krankhafte Veränderung des Tyrosinstoffwechsels durch Defekt oder Mangel des Enzyms Homogentisat Dioxygenase
- -> vermehrter Anfall des Abbauproduktes Homogentisat
- Alkapton bezeichnet die oxidierte, schwarzbraune Form des Homogentisats, unter anderem im Urin -> Alkaptonurie
Phenylketonurie
- die häufigste angeborene Stoffwechselstörung
- Aminosäure Phenylalanin kann nicht abgebaut werden -> Anreicherung im körper und Entstehung von Phenylpyruvat, Phenylacetat oder Phenyllactat
- führt unbehandelt zu einer schweren geistigen Entwicklungsstörung mit einer Epilepsie
- bestimmte Stoffwechselprodukte, die Phenylketone, die mit dem Urin ausgeschieden werden, waren für die Erkrankung namensgebend
Genwirkketten
- mehrere enzymatisch kontrollierte Reaktionen für bestimmtes Produkt notwendig, die wiederum von verschiedenen Genen abhängig sind
- fällt ein einzelnes Gen (-> Enzym) aus, kommt es nicht zu dem Produkt
- man muss Zwischenprodukte einführen um zu erkennen welches enzym fehlt
Theorie und Folgen der Zellularpathologie
Hauptpunkte:
- Lokalisierung der Krankheit
- neues Verständnis (Krankheit = graduelle Abweichung)
- Verlagerung des Erkenntnisinteresses zur Ursache
- Einführung eines multifaktorielles Kausalitätsmodells
-> Solidarpathologie (feste Bestandtteile statt Flüssigkeiten/Säfte
Medizin erhebt Anspruch auf soziale und gesellschaftliche Gestaltung
Zusammenhang von Krankheit und sozialer Lage wird erkannt. Neue Faktoren für Krankheit, wie Luft, Boden, Ernährung, Wohnung, soziale Sitten, Arbeit, Schule und Ausbildung
Humoralpathologie
alle Krankheiten beruhen auf einem Ungleichgewicht der Säfte
Therapien waren Umstellung der Lebensweise (zB andere Ernährung), Aderlass, Abführung (Erbrechen, Laxanze, …) und Medikamente (Salben, Zäpfchen, Kräuteraufgüsse, …)
Krankheitskonzept
durchdachte, systematisch formulierte und begründete Theorien von den Krankheitserscheinungen und über ihre Verursachungen und ihrer Regelmäßigkeit
z.B. Humoralpathologie (in Antike bis 19. Jahrhundert), Zelluarpathologie (Rudolf Virchow) und Mikrobiologie (Robert Koch)
Einzug von immer mehr Wissen/Wissenschaft, anstatt des Glaubes (krankmachende Dämonen, …) in die neueren Konzepte
DNA-Reperaturmechanismen
DNA-Schäden durch genotoxischen Stress
Entfernung einer modifizierten Base durch eine DNA-Glykosylase, eine Endonuklease bewirkt daraufhin einen Einzelstrangbruch im Zucker-Phosphat-Rückgrat -> DNA-Polymerase synthetisiert die richtige Base revers komplementär zu dem anderen einzelstrang und eine DNA-Ligase verbindet dann das Nukleotid
Fanconie-Anämie
- Chromosomen-Instabilitäts-Syndrom
- Selten (Inzidenz 1:500.000-1:1 Mio)
- Autosomal rezessiv oder x-chromosomal
- Kongenitale Fehlbildungen
- Progredientes Knochenmarkversagen
- Erhöhtes Krebsrisiko
- Fehlbildungen (zB an Daumen, Unterarm, Niere, …)
- Alle drei Blutkörper (Erythro-, Leuko- und Thrombozyten) stark vermindert -> Anämie
- Überempfindlichkeit gegenüber kreuzvernetzenden DNA schädigenden Substanzen z.B. Diepoxybutan
- Therapie: Androgenpräparate oder Knochenmarkstransplantation
