Vorlesung Tag 5 Dammann Flashcards
Humangenetik
- Molekulare Grundlagen
Zell mit Kern und Chromosomen
-> DNA Verpackung
Basenpaare 2 nm DNA-Doppelstrang Nucleosom 10 nm Histone 30 nm Chromosom aus Chromatiden Zelle
Histonproteine („Lockenwickler“) sind um die DNA gelegt und rollen den „Faden“ auf diese Weise auf. So entsteht ein Nukleosom, das die Länge der DNA auf ca. 1/6 verkürzt. Nukleosomen sind bereits im Elektronenmikroskop als Perlen auf einer Schnur sichtbar.
30-nm-Chromatin-Faser: H1-Histon verhilft DNA dabei, die einzelnen Nukleosomen aneinanderzulagern (Rosettenstruktur).
Schleifendomänen: Die 30-nm-Faser wird zu Schleifen angeordnet (Protein bildet das Anheftungsgerüst), dann faltet sich Chromatin zu.
Metaphasen-Chromosom: „Schleifen auf Schleifen“ (in Karyogrammen im Lichtmikroskop sichtbar)
Gen mit Promoter
Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression eines Gens reguliert
Transkription Übersicht
- biologischen Prozess, bei dem genetische Information von einer der beiden DNA-Stränge auf die RNA übertragen wird
- Der DNA-Strang dient dabei als Matrize, die in ihrer Basensequenz komplementär zum synthetisierten RNA-Strang ist
Die Transkription wird in drei Phasen unterteilt:
- Initiation: Rekrutierung und Zusammenbau der Transkriptionsmaschinerie
- Elongation: Das Ablesen des Gens und der Synthese einer komplementären RNA
- Termination: Beendigung der Transkription an einer spezifischen Sequenz
Initiation
RNA-Polymerasen binden an Promotermolekülen (CAAT; TATA) , die sich auf den abzukopierenden Stellen des Genoms befinden. Bevor überhaupt genetische Informationen abgelesen werden können, muss die Doppelhelix entschraubt werden. Das passiert durch Auflösung der Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basenpaaren
gibt auch Enhancer: Genverstärker im upstream bereich
Elongation
Während der Elongation kommt es zur Umschreibung von DNA zu mRNA
-Die RNA-Polymerase wandert von 3’ nach 5’ und synthetisiert durch Anlagerung freier Ribonukleotide einen zur DNA komplementären mRNA Teilstrang (Abbildung gründer Strang), der entsprechend eine 5’->3’ Richtung aufweist
Start Codon: ATG
Termination
Im Verlauf der Transkription trifft die RNA-Polymerase beim Ablesen der DNA auf eine Terminatorsequenz
-Terminatoren (Stoppcodon TAG) stoppen die RNA-Polymerase und es kommt zur Ablösung des mRNA Teilstrangs von der DNA
weiterer Verlauf vor der Translation
Bei Eukaryoten (Organismen mit Zellkern, z.B. Menschen):
-unreife mRNA (so wird sie unmittelbar nach Abschluss der Termination genannt) noch gesplissen (engl. splice = verbinden)
-Unreife mRNA besteht aus Exons und Introns. Nur die Exons enthalten wichtige Genabschnitte für die Proteinbiosynthese
-Die Introns werden nun entfernt und die übrig gebliebenen Exons miteinander verbunden
=> Splicing
- Außerdem erhält die mRNA am 5’ Ende eine Kappe aus Guanin, sowie am 3’ Ende einen Poly-Adenin-Schwanz aus mehreren Adeninnukleotiden (AADAA Polyadenylierungssequenz)
- Während die Guaninkappe für die nun reife mRNA einen schnelleren Übergang aus dem Zellkern ins Cytoplasma gewährleistet, ist die Funktion des Poly-Adenin-Schwanz noch nicht abschließend erforscht
Karyogramm
Das Karyogramm ist eine Darstellung von Chromosomen
Bei einem Karyogramm werden üblicherweise zunächst die gesamte Zahl der Chromosomen und dann die Geschlechtschromosomen angegeben. Das Karyogramm einer Frau wird üblicherweise durch 46,XX und das eines Mannes durch 46,XY dargestellt. Abweichungen, z.B. das zusätzliche Vorhandensein eines Chromosoms, werden ebenfalls angegeben (z.B. 47,XY,+21 bei der Trisomie 21).
Karyotyp
Gesamtheit aller Chromosomen in der Metaphase einer Zelle
fast jede Zelle besitzt 46 Chromosomen:
-22 Autosomenpaare und 2 Geschlechtschromosmen
Allele
unterschiedliche Varianten einer Gens, die homozygot, heterozygot oder hemizygot ausgeprägt werden kann
Diploide Organismen besitzen von jedem Gen zwei Kopien. Liegen zwei gleiche Allele vor, ist der Organismus für dieses Gen homozygot. Bei zwei verschiedenen Allelen ist der Organismus für das Gen heterozygot.
Ein Gen bezeichnet man als hemizygot, wenn im diploiden Erbgut kein Allelpaar vorhanden ist, sondern für das betreffende Gen (regelhaft) nur ein Allel vorhanden ist. Dieses Phänomen findet man beim Menschen bei den Genen, die sich auf dem Y-Chromosom befinden
Strukturelle Chromosomenaberrationen
-Deletation (löschen)
-Duplikation (verdoppeln)
-Inversion (234–>432)
-reziproke Translokation
(AB CDE–> 123 CDE ; 12345–> AB456)
=> häufig bei Tumorbildungen
Genmutation
Substitution (Punktmutation):
statt T-A –> C-G
–> unterteilt in Transition / Transversion
-Transversion:
Pyrimidinbase gegen eine Purinbase ausgetauscht wird oder umgekehrt
-Transition:
Purinbase gegen eine Purinbase, oder eine Pyrimidinbase gegen eine Pyrimidinbase ausgetauscht
Deletion:
einfach was rausgelöscht
Insertion:
was eingefügt
DNA Reperatur
DNA-Mismatch Bps.: C-A
- Erkennen des Mismatch durch Reperatursystem
- > Proteinkomplex des humanen DNA-Reperatursystems - Exzision des Mismatch und Abbau
- > durch Exonukleasen - Erneute DNA-Synthese
- -> durch DNA-Polymerase
Zusammenfassend
nummerische Chromosomenaberrationen:
Schäden oder Fehlpaarung:
Genmutationen als Ändrung der DNA-Basensequenz Abfolge:
Genetische Varianten werden auch häufig als was bezeichnet ?
-nummerische Chromosomenaberrationen :
Aneuploidie
- strukturelle Chromosomenaberration
- über verschiedene DNA-Reperatursysteme korrigiert
- Substitution, Deletion, Insertion
- auch als SNP Single Nucleotid Polymorphims bezeichnet
Epigenetik- DNA Methylierung
DNA-Methylierung gilt als wichtigste epigenetische Veränderung!
Epigenetik = Eigenschaften der Zelle, die auf Tochterzellen vererbt werden -> sind nicht in der DNA-Sequenz codiert
Die DNA wird chemisch verändert, indem sich Methylgruppen (-CH3) anlagern. Diese Methylgruppen werden durch das Enzym Methyl-Transferase an die DNA gebunden. Die DNA-Sequenz wird durch diese Methylierung nicht verändert, aber ihre Eigenschaften werden beeinflusst!
Die DNA-Methylierung wird zur Genregulation eingesetzt
CpG-Inseln (Gehalt G/C Basen sehr hoch) kommen besonders häufig in Promotor-Regionen upstream von Genen vor
Die Methylierung des Promotors führt dann dazu, dass das betreffende Gen nicht mehr exprimiert wird
Histon-Modifikation
Heterochromatin: eng gepacktes Chromatik–> Hemmung der Transkription
Eurchromatin: offenes Chromatin–> Aktivierung der Transkription
Imprinting
Probleme:
Imprinting ist ein epigenetisches Phänomen, das auf der Methylierung von DNA und der Modifikation von Histonen beruht. Es führt dazu, dass bei der Expression von bestimmten Genen das Allel eines Elternteils durch eine spezifische Methylierung inaktiviert ist (“Gene-Silencing”). Imprintete Regionen sind also “spezifisch methylierte Regionen”. Dieses Imprinting wird mit vererbt und setzt so die Mendelschen Regeln außer Kraft. Die codierende DNA-Sequenz beider Allele bleibt jedoch unverändert.
=> BEZEICHNET DIE ABHÄNGIGKEIT DER GENAKTIVITÄT VON PATERNALEN UND MATERNALEN VERERBUNG
Imprinting Mutation= Aberrante DNA Methylierung
Insulin like grwoth factor
Beckwith-Wiedeman Syndrom (Großwachstum)
Silber russel Syndrom (Form des Kleinwuchses)
Epigenetik:
befasst sich mit Mechanismen der Vererbung die unabhängig von der Basenabfolge sind
was induziert ein geschlossenes Chromatin?
–> Heterochromatin induziert durch DNA Methylierung und Histondeacetylierung
=> hemmt die Transkription
was induziert ein offenes Chromatin ?
–> Euchromatin induziert durch Histonacetylierung und Hypomethylierung der DNA
=> Aktivierung der Transkription
Krebssterblichkeit in Deutschland
- häufigste Todesursache
Tumorgenetik
Krebs-assoziierte Gene
-Inaktivierung von DNA Reparatur Gene (DNA_Erhaltungsgene/care Takes)
Beispiel: BRCA1 und MLH1
-Inaktivierung von Tumorsuppressorgene (Gate Keepers, loss of function)
Beispiel: Rb, p53, APC, DCC
-Aktivierung von Porto-Onkogenen (gain of Funktion, Onkogen)
Beispiel: Ki-Ras, N-Myc
Tumor assoziierte Gene
genetische Veränderung führt zu?
epigenetische Veränderung führt zu ?
genetische Veränderung:
- Mutation (z.B.: Translokation)
- Verlust
- Amplifikation (Vermehrung von DNA-Abschnitten)
epigenetische Veränderung:
Promotor Hypermethylierung
Dominante Mutation im p53 Gen
Das p53-Protein ist ein Tumorsuppressor und stellt eine der wichtigsten Kontrollinstanzen für das Zellwachstum und somit auch einen Schwerpunkt der onkologischen Forschung dar
eine genetisch entartete Zelle ist nicht mehr in der Lage, in die Apoptose einzutreten, um sich selbst zu zerstören
Patienten mit einer p53-Mutation sprechen deshalb auch schlechter auf eine Bestrahlungs- und Chemotherapie an, da die hierbei entstehenden genomgeschädigten Zellen nicht mehr mit Hilfe des p53-Pathways und der Apoptose eliminiert werden können. Sie können weiter proliferieren und im schlimmsten Fall auch metastasieren. Das defekte p53-Protein ist also nicht die Ursache einer Krebserkrankung, sondern eine Unfähigkeit des Körpers, gegen eine Zellentartung frühzeitig vorzugehen und ein malignes Wachstum zu verhindern
=> sporadische Tumoren weisen 50% Mutationen von p53 auf
Mechanismen p53 Funktion
durch DNA Schaden wird p53 phosphoriliert und aktiviert
mdm2: Das p53-Protein wird regelmäßig ubiquitiniert und durch Proteasome abgebaut
p21-waf1: p53 induziert Expression, hemmt übergang G0 in G1 Phase
Zyklen/CDK: p53 verhindert Bildung –> Arrest und Mitosephase wird nicht eingeleitet
=> Zellzyklusblockade
GASS45: leitet DNA Reperatur ein und dann die Mitose
BAX: peristierender DNA Schaden (extreme Schäden) Induktion des BAX Komplexes leitet Apoptose ein
Two-Hit Hypothese bei TSG
Aufgrund des diploiden Chromosomensatzes besitzen Menschen jeweils 2 Allele (Kopien) eines Gens auf homologen Chromosomen. Wird beispielsweise ein Allel eines bestimmten Tumorsuppressorgens durch Mutation oder Chromosomenverlust funktionsuntüchtig, verbleibt noch ein zweites Allel (Wildtyp-Allel) im Erbgut der Zellen. Erst die Schädigung dieses verbleibenden, zweiten Allels führt zur Tumorentstehung, was als “Verlust der Heterozygotie” (engl. “loss of heterozygosity”; LOH) bezeichnet wird
Tumorprogressionsmodell bei Darmkrebs
normales Kolonepithel
frühes Adenom (Geschwulst)
intermediäres Adenom
großes Adenom
Karzionom (pathologische Gewebevermehrung (maligne Neoplasie) eines Tumors epithelialen Ursprungs machen circa 80% aller bösartigen Tumore aus)
Metastasen
APC Funktionsverlust
Ki-ras Aktivierung
DCC Funktionsverlust
p53 Funktionsverlust
weitere genetische Veränderungen
Tumore
weisen progressive genetische oder epigenetische Veränderungen an ihrer Entstehung auf
Onkogene
aktivieren Zellwachstum und die maligne (bösartige) Entartung
wirken dominant
Tumorsuppressoren
hemmen Zellwachstum und induzieren Zelltod
bremsen maligne Transformation
-wirken rezessiv: die zwei Hit Hypothese beschreibt den Funktionsverlust beider Allele während der erblichen und sponatnen Tumorentstehung
Penetranz
beschreibt Wahrscheinlichkeit mit der eine Erkrankung zum Ausbruch kommt, wenn eine erbliche Plädisposition (ausgeprägte Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten) erfolgt
