Molekulargenetik II & Vererbungsgenetik

3M (FS) Kapitel 5 und 6 von Molekulargenetik und Kapitel 1,2 und 3 von Vererbungsgenetik

Definition: Genregulation

• Steuerung der Aktivität der Gene

• Mechanismus zum anpassen an Umweltveränderungen

• Zellen sollen die richtige Menge der richtigen Proteine bilden

Wieso ist die genaue Genregulation wichtig?

nicht alle Gene sind gleich aktiv → Energie sparen → Genproduktion/Genexpression wird genau gesteuert

Wieso müssen die Gene für die Enzyme einer Stoffwechselkette gleichzeitig reguliert werden?

Enzym aus einer Reaktion katalysiert die nächste Reaktion → Anhäufung des Zwischenprodukts könnte schädlich sein → Reaktionen müssen gleich schnell sein

Definition: Genexpression / Genproduktion

• Prozess, in dem das genetische Material in eine nutzbare Form überführt wird (RNA oder Proteine)

• Phänotyp → Genotyp

• Transkription & Translation

Embryonale Stammzellen 🆚 Differenzierte Zellen

Aus Embryonalen Stammzellen können sich verschiedene Zelltypen entwickeln.

In Vielzellern sind die Aufgaben auf differenzierte Zellen verteilt, sodass das Lebewesen als Ganzes funktioniert.

• Embryonale Stammzellen - alle Gene aktiv

• Differenzierte Zellen - ein Teil der Gene aktiv

Definition: Operon-Modell

Regulation der Genaktivität durch die Konzentration der Edukte / Produkte bei Eukaryoten

Definition: Transkriptionseinheit

5 Strukturgen-Nachbarn werden zusammen transkribiert → 1 mRNA-Molekül mit Info für 5 Enzyme

Anleitung: Translation einer Transkriptionseinheit

1. Ribosom setzt sich auf die Sequenz 1 und translatiert sie

2. Die Synthese wird beim Stopp-Triplett unterbrochen

3. Enzym 1 löst sich ab

4. Ribosom bleibt auf der mRNA sitzen und synthetisiert das nächste Enzym

5. Die Synthese wird beim Stopp-Triplett unterbrochen

Definition: Operator

Schalter für die ganze Transkriptionseinheit

Definition: Operon

Promotor + Operator + 5 Strukturgene

Definition: Repressor

Protein, dass sich an den Operator anlagert und ihn ausschaltet

Definition: Regulatorgen

Gen mit der Info für den Repressor (liegt meist nicht neben Operon)

On (Repression)

per default ist der Operator eingeschaltet/on/aktiv

→ Transkription der Strukturgene

→ Herstellung der mRNA und Enzyme

Off (Repression)

per default ist der Repressor ausgeschaltet/off/inaktiv

Wieso kann sich der Repressor nicht an den Operator binden?

räumliche Struktur passt nicht

Anleitung: Repression (Tryptophan)

1. Tryptophan fehlt

2. inaktiver Repressor → räumliche Struktur passt nicht → kann sich nicht an Operator binden

3. Transkription der Translationseinheit in mRNA

4. Translation der mRNA in Enzyme

5. Enzyme katalysieren Tryptophansynthese

6. Tryptophan vorhanden

7. Tryptophan bindet sich an Repressor und aktivieren ihn (Änderung räumlicher Struktur)

8. Repressor kann sich an Operator binden und Transkription blockieren

9. keine Enzymsynthese

10. keine Tryptophansynthese

11. Tryptophankonzentration sinkt

Was ergibt sich aus der On-Zeit (eingeschaltetes Operon)?

Geschwindigkeit der Tryptophansynthese

Wieso wird das Operon dauernd ein- und ausgeschaltet?

Repressormolekül bindet sich nur kurz ans Operon

Wovon ist die Off-Zeit abhängig?

Anzahl aktiver Repressormoleküle (Konzentration Tryptophan)

Was ist am Anfang jeder Synthese gültig?

• tiefe Konzentration des gewünschten Stoffs

• inaktiver Repressor

• Operon on

• Genaktivität (Bildung mRNA) hoch

• schnelle Synthese der Enzyme

• schnelle Synthese des Produkts

Definition: Repression

Endprodukt aktiviert Repressor → Hemmung Enzymsynthese

bei Stoffsynthesen

Definition: Induktion

Edukt (vorhandener Stoff) löst Enzymsynthese aus → Enzyme bauen das Edukt ab

Vergleiche Repression und Induktion

• anabole Enzyme (Gene für Enzyme Stoffsynthesen) werden durch Endprodukt gehemmt

• katabole Enzyme (Gene für Enzyme Abbauvorgänge) werden durch Edukt aktiviert

Wozu dient der Lactose-Abbau?

Bereitstellung Energie

Off (Induktion)

?

On (Induktion)

?

per default ist der Repressor eingeschaltet/on/aktiv

→ bindet an Operator

→ blockiert Transkription

Wie heissen die 2 Varianten zur Regulation der Genaktivität?

Repression & Induktion

Anleitung: Induktion (Lactose)

1. Lactose fehlt

2. aktiver Repressor → bindet an Operator

3. → Hemmung Transkription

4. Lactose vorhanden

5. Lactose inaktiviert Repressor → Repressor löst sich von Operator

6. Transkription

7. Translation

8. Lactoseabbau (zurück auf Feld 1: Lactosekonzentration sinkt)

Was ist am Anfang jedes Abbauvorgangs gültig?

• tiefe Konzentration des Edukts

• aktiver Repressor

• Operon off

• keine Genaktivität (Bildung mRNA)

• keine Enzymsynthese

• kein Abbau des Edukts

Vergleiche Repression und Induktion (Tabelle)

Wieso wir die Verwertung von Glucose der Lactose vorgezogen?

Verwertung von Glucose ist für Zelle ökonomischer

Definition: Aktivator / Aktivatorprotein

Protein, dass in vielen Fällen die Aktivität des Operons erhöht

Bsp:

• tiefe Glucosekonzentration → Aktivatorprotein lagert sich an lac-Promotor → Transkription

• hohe Glucosekonzentration → inaktives Aktivatorprotein → keine Transkription

Wie funktioniert grob die Genregulation in eukaryotischen Zellen?

komplex

• Regulierung durch Transkriptionsfaktoren

• Histon-Acetylierung

• DNA-Methylierung

Definition: Transkriptionsfaktoren

mehrere Proteine, die die Transkription regulieren, indem sie sich an die DNA binden

Definition: Regulierung durch Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren binden sich bei der DNA an…

• Enhancer-Sequenzen: Erhöhung Transkriptionsrate des Gens

• Silencer-Sequenzen: Verringerung Transkriptionsrate des Gens

Definition: Histon-Acetylierung

Acetylgruppe wird an Aminosäure am Ende der Histone angehängt

→ Lockerung der Bindung

→ Transkriptionsenzyme & Proteine haben Zugang

Definition: DNA-Methylierung

Methylgruppen werden an die Cytosinbasen der DNA angehängt (Modifikation)

→ Veränderung Genaktivität

• Methylierung → inaktiviertes Gen

• Methylgruppen entfernen → aktiviertes Gen

Was kann zu Methylierungen führen?

äussere Bedingungen, die der Zelle / dem Organismus schaden

1. Wieso kann ein Gen jahrelang / für immer methyliert bleiben?

2. Schlussfolgerung?

1. Methylgruppen bleiben bei Zellteilung erhalten

→ Methylierungsmuster kann weitervererbt werden

2. Umgebung einer Zelle / Organismus kann über Generationen Einflüsse in die Genexpression haben

Definition: Epigenetik

Vererbbare Veränderungen der Genaktivität die durch die Veränderung der Genexpression verursacht werden

→ negative Auswirkungen auf zukünftige Generationen

Mögliche Ursachen der Epigenetik

• Unterernährung

• Hungersnöte

• traumatische Erlebnisse (bsp. Krieg)

Definition: Gentechnik

Verfahren zur Isolation und Analyse von Nucleinsäuren & gezielten Veränderung des Erbguts mithilfe des Gentransfers

Definition: Gentransfer

Einbringen einer fremden DNA in eine Zelle

Definition: transgen

Zelle / Lebewesen dessen Erbgut durch Gentransfer verändert wurde

Ziele der Gentechnik

• Vermehrung/Klonieren der DNA (transgene Zellen können DNA verdoppeln und an Tochterzellen weitergeben)

• Herstellung des Genprodukts (transgene Zellen stellen mit DNA Eiweisse her, bsp. Insulin)

• Herstellung Zellen/Organismen mit veränderten Eigenschaften (Erbgut wird repariert/ersetzt)

Anwendung: weiss - Stoffproduktion und Industrie

Wirkstoffe für Medikamente und Enzyme

Anwendung: grün - Landwirtschaft

Erzeugung transgener Nutzpflanzen / Nutztiere

Gewünschte Eigenschaften grün

• Widerstandsfähigkeit

• weniger Ansprüche

• Erträge

• Nährstoffe / Vitamine

• Haltbarkeit

Anwendung: rot - Medizin

• Diagnostik: früher, besser, pränatal

• Gentherapie: Erbkrankheiten mit reparierten Zellen heilen

• Forensik: Identifikation mit genetischem Fingerabdruck aus DNA

Anleitung: Gentransfer

1. Restriktionsenzyme werden zum Plasmidring hinzugegeben

2. Das Restriktionsenzym schneidet das Plasmid auf

3. Der Plasmidring hat jetzt sticky ends

4. Fremd-DNA und Ligase kommen dazu und schliessen den Ring

5. Plasmide werden in Wirtszellen eingeschleust

6. Dort vermehren sie sich

7. Die transformierten Bakterien werden selektiert

8. Die Bakterien werden in Fermentern in geeigneter Lösung vermehrt

9. Gewinnung des Genprodukts

Definition: Plasmid

Definition: Vektor

DNA-Molekül, das als Träger fremde DNA-Moleküle in eine andere Zelle transportiert

Definition: Restriktionsenzym

Schneideenzym

Definition: Sticky Ends

klebrige DNA-Enden nach dem Schnitt durch die Restriktionsenzyme

Definition: Ligase

Klebenenzym

Definition: rekombinant

gentechnisch hergestellte Substanz mit Neuanordnung der Erbinformation

Bsp: Rekombinantes Plasmid

Definition: GVO

Gentechnisch

Veränderter

Organismus

Unterschied Mitose und Meiose

1. Funktionell

2. Tochterzellen

Funktionell

• Mitose - Vermehrung Körperzellen

• Meiose - Erzeugung Keim-/ Geschlechtszellen

  Tochterzellen

Tochterzellen

• Mitose - 2 diploide (genetisch identisch)

• Meiose - 4 haploide (genetisch nicht identisch)

Definition: Gen

Abschnitt der DNA, der den Organismus beeinflusst

Bsp: Körpergrösse, Blutgruppe

Definition: Allel

Variante eines Gens, das ein Merkmal bestimmt

Definition: homozygot

Allel ist auf beiden Chromosomen gleich

Definition: heterozygot

Allel ist auf beiden Chromosomen verschieden

Definition: Genotyp

genetische Zusammensetzung eines Organismus

→ bestimmt de Grenzen für die Merkmale

Definition: Phänotyp

tatsächliches Erscheinungsbild eines Organismus

→ entsteht aus Wechselwirkungen aus Genotyp und Umwelt

→ veränderbar

Definition: dominantes Allel

erscheint im Phänotyp (Heterozygote)

Definition: rezessives Allel

erscheint nicht im Phänotyp (Heterozygote)

Definition: codominantes Allel

beide Allele tragen zum Phänotyp bei (Heterozygote)

Definition: intermediäres Allel

beide Allele mischen sich zum Phänotyp (Heterozygote)

Definition: monohybrider Erbgang

1 Merkmal wird betrachtet

Definition: dihybrider Erbgang

2 Merkmale werden betrachtet

Monohybrider Erbgang: dominant-rezessiv

Vorgehen

1. P: einen (!) Buchstaben wählen (Grossbuchstaben = dominant, Kleinbuchstaben = rezessiv)

2. P: Phänotyp notieren (Wie sehen die Eltern aus?)

3. P: Genotyp (Welche Buchstaben haben die Eltern?)

4. P: Gameten (je 1 Buchstaben notieren)

5. F1 Genotyp: Kombination der 2 Gameten

6. F1 Phänotyp: Wie sieht das Kind aus wenn man das dominante Allel nimmt?

7. F1 inter se Genotyp: Genotyp erneut notieren

8. F1 inter se Gameten: Genotyp einkreisen

9. F2: mögliche Kombinationen in Tabelle eintragen

10. Verhältnis berechnen

Monohybrider Erbgang: intermediär

Vorgehen ist gleich, aber…

• Die Buchstaben müssen mit einem hoch geschrieben werden, weil es sich um das gleiche Merkmal handelt

• F1: kein Allel ist dominant, stattdessen wird das Merkmal eine Mischung

• F2: das Merkmal kann 3 versch. Formen annehmen

• Verhältnis sollte 1:2:1 sein

Dihybrider Erbgang: dominant-rezessiv

Vorgehen:

• 2 Merkmale werden betrachtet!

• jeder Buchstabe steht für ein Merkmal (bsp. Farbe, Flecken)

• weiterhin gilt GROSS = DOMINANT, klein = rezessiv

• Kommatrennung

• P Gameten: 2 von 4 Buchstaben werden behalten

• F2 ist anstrengend, am Schluss soll ein Verhältnis von 9:3:3:1 übrig bleiben

Wie wird das Geschlecht vererbt?

Wenn ein Mann das TDF-Gen auf dem Y-Chromosom besitzt, wird ein Protein synthetisiert, welches das Ablesen best. Gene auf dem X-Chromosom blockiert.

Ohne das TDF-Gen kann das X-Chromosom abgelesen werden und ein Mädchen entsteht.

Geschlechtsgekoppelte Vererbung

Weshalb kommen einige Krankheiten bei Männern häufiger vor?

Merkmale für Krankheiten in ihren Y-Chromosomen können gar nicht überdeckt werden (es bräuchte ein homologes Allel), sogar wenn sie rezessiv sind

Wie werden die Blutgruppen vererbt?

Welche Probleme gibt es bei der Vererbung von Blutgruppen?

Vererbungstyp von Merkmal erkennen

Anleitung: Familienbäume ausfüllen

• Kreise - weiblich

• Quadrate - männlich

• horizontal - Verpaarung

• Geburtsreihenfolge links → rechts

• dunkel / schattiert / eingerahmt = Individuum mit best. Merkmal

• dominant = in jeder Generation / in mehreren Familienmitgliedern

• rezessiv = überspringt Generationen / selten