Zusammenfassung: Genetik

 

Kapitel 1:

- Die Genetik beschreibt die Regeln und Mechanismen der Vererbung und erklärt funktionell die Unterschiede in der genetischen Ausstattung verschiedener Organismen.

- Die moderne Genetik beginnt mit den Arbeiten Gregor Mendels in der Mitte des 19. Jahrhunderts und hat innerhalb von etwas mehr als 100 Jahren mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms 2004 ihren (vorläufigen) Höhepunkt erreicht.

- Die Gesamtheit aller Erbinformationen wird als Genom bezeichnet.

- In Prokaryoten steht die Genomgröße mit der Anzahl vorhandener Gene direkt in Beziehung.

- Bei Eukaryoten besteht eine große Diskrepanz zwischen der Genomgröße und der Anzahl ihrer Gene. Ursache ist eine Vielzahl von repetitiven Elementen.

- Ein Gen ist durch seinen Platz auf dem Chromosom definiert.

- Bestandteil eines Gens sind die codierenden Bereiche, die gleichsinnig transkribiert werden, sowie die oberhalb liegenden zugehörenden regulatorischen Bereiche.

- Der Phänotyp ist das Erscheinungsbild eines Organismus, der Genotyp ist die Gesamtheit aller seiner genetischen Eigenschaften. Im Zusammenwirken mit Umwelteinflüssen definiert der Genotyp den Phänotyp; vom Phänotyp kann nicht auf den Genotyp zurückgeschlossen werden.

- Vegetative Vermehrung bedeutet Vermehrung ohne vorangehende sexuelle Prozesse, sodass das genetische Material unverändert bleibt. Die entstehenden Individuen sind identisch (Klone).

- Biologische Variabilität kann genetische und umweltbedingte Ursachen haben.

- Umwelteinflüsse können genetische Effekte imitieren (Phänokopie).

 

Kapitel 2:

- Träger der Erbinformation in der Zelle sind die Nukleinsäuren, wie sich durch Transformationsexperimente zeigen lässt.

- Es gibt Ribonukleinsäuremoleküle (RNA) und Desoxyribonukleinsäuremoleküle (DNA).

- RNA kommt meist als Einzelstrang vor, wahrend DNA vorwiegend als Doppelhelix vorliegt.

- DNA kann in unterschiedlichen Konformationen vorliegen. Trotz ihres sehr gleichförmigen Aufbaus weist sie eine große Variabilität in Einzelheiten ihrer Struktur auf.

- Das Watson-Crick-Modell gestattet es, alle wichtigen Eigenschaften des Erbmaterials aus einfachen chemischen Mechanismen zu verstehen.

- Die Replikation erfolgt durch ein komplexes Zusammenspiel von Proteinen unterschiedlicher Funktionen, und sie ist eng mit den Regulationsmechanismen des Zellzyklus verknüpft.Die DNA-Replikation ist mit häufigem Fehleinbau von Nukleotiden verbunden. Reparaturprozesse sorgen schon während der Replikation für die Beseitigung der meisten Fehler.

 

Kapitel 3:

- Die genetische Information wird in der DNA durch die Reihenfolge von vier verschiedenen organischen Basen fest gelegt.

- Die genetische Information eines Gens ist in einem Strang der DNA im Allgemeinen als Code aus drei Basen (Triplett) für die Synthese eines bestimmten Proteins niedergelegt.

- Die genetische Information wird bei Eukaryoten von der DNA mittels eines an ihr synthetisierten komplementären messenger-RNA-Moleküls (mRNA; Transkription) ins Cytoplasma übertragen.

- Im Cytoplasma erfolgt an den Ribosomen nach der in der mRNA festgelegten Reihenfolge die Polymerisierung der Aminosäuren zu Polypeptiden (Translation). Hierfür sind Aminosäurebeladene Transfer-RNA-Moleküle (tRNA) notwendig.

- Die Aufklärung des genetischen Codes und seiner grundlegenden Eigenschaften erfolgte unter Verwendung unterschiedlicher Methoden der Biochemie (z. B. Ribosomenbindungsstudien, Synthesen von Oligonukleotiden) und der Genetik (Mutagenese).

- Transkription dient der Übertragung der genetischen Information auf den Stoffwechsel der Zelle. An der Transkription sind neben der RNA-Polymerase mehrere Proteinfaktoren für die Initiation und Termination beteiligt.

- Translation dient der Übertragung der genetischen Information in Proteinmoleküle. Sie erfolgt an den Ribosomen, die sich bei Prokaryoten an der wachsenden RNA, bei Eukaryoten am endoplasmatischen Reticulum des Cytoplasmas befinden. Sie erfordert neben der Aminosäure-beladenen tRNA eine große Anzahl zusätzlicher Proteine, die für die Initiation, Elongation und Termination der Synthese von Proteinen sorgen.

- Die »RNA-Welt« umfasst die Genfamilien der rRNA- und tRNAGene sowie Gene, die für kleine regulatorische RNA-Moleküle codieren.

- Die Gene für 28S-, 18S- und 5,8S-rRNA findet man als tandem artig wiederholte Gengruppen in der DNA. Auch die Gene für die 5S-rRNA sind in vielen tandemartig angeord neten Kopien vorhanden, liegen aber an anderer Stelle im Genom. rRNA-Moleküle können aufgrund intramolekularer Basen paarungen spezifische Sekundärstrukturen ausprägen.

- Auch tRNAs werden als Genfamilien codiert. tRNA-Moleküle bilden eine spezifische, evolutionär stark konservierte Sekundärstruktur (Kleeblatt) aus.

- Ribozyme und RNA-Schalter sind Elemente in einer größeren RNA mit katalytischen Fähigkeiten, die entweder sich selbst oder andere RNA-Moleküle schneiden können oder nach Bindung eines Liganden regularische Wirkungen auf die Genexpression ausüben können.

 

Kapitel 4:

- Prokaryoten besitzen stets nur ein Chromosom, das aus Einzeloder Doppelstrang-RNA oder aus Einzel- oder Doppelstrang-DNA besteht.

- Auch Prokaryotenchromosomen enthalten spezifische chromosomale Proteine, jedoch keine Histone.

- Neben den Chromosomen können prokaryotische Zellen extrachromosomale Elemente enthalten (Plasmide oder Episomen).

- Diese extrachromosomalen Elemente ermöglichen auch bei den haploiden Prokaryoten Rekombinationsvorgänge.

- Bakteriophagen (kurz Phagen) sind Bakterienviren und können entsprechend extrazelluläre Phasen durchlaufen.

- In Ausnahmefällen können bei Prokaryoten sich überlappende Gene vorkommen.

- Die ersten Genregulationsmodelle wurden an Bakterien erarbeitet; es gibt negative (Repression) und positive (Induktion) Kontrollmechanismen.

- Nach dem Operonmodell besteht ein Gen aus cis-wirksamen Promotor- und Operatorbereichen am 5’-Ende einer Gruppe von Genen. Diese werden über trans-wirksame Repressoren und Induktoren reguliert.

- Der Regulation eines Genkomplexes nach dem Operonmodell können andere Regulationsmechanismen übergeordnet sein.

- Ein Feinregulationsmechanismus ist der Attenuationsmechanismus. Er ist durch ein zusätzliches cis-wirksames Regulationselement charakterisiert, der Leitsequenz vor dem ersten Cistron. Die Translationsgeschwindigkeit dieser Leitsequenz bestimmt, ob im darauffolgenden Abschnitt des primären Transkripts intramolekulare Basenpaarungen entstehen können, die als Terminationssignale für die Transkription wirken.

- Bakterienzellen verfügen über Signalmoleküle, die über entsprechende Rezeptoren Stoffwechselwege beeinflussen.

- Die Aufklärung der Regulationsmechanismen des Bakteriophagen λ hat Einblicke in die Mechanismen der DNA-Protein-Interaktionen gewährt. Die DNA-Bindung erfolgt über α-Helixbereiche von Helix-Loop-Helix-Proteinen (HLH-Proteinen) durch die Erkennung spezifischer kurzer Nukleotidsequenzen in der großen Furche der DNA.

 

Kapitel 5:

- Die Zellen höherer Organismen zeichnen sich durch eine Untergliederung in Zellkern und Cytoplasma aus (Eukaryoten). Der Kern ist durch eine Kernmembran vom Cytoplasma abgegrenzt; das Karyoplasma ist aber über Poren in der Kernmembran mit dem Cytoplasma verknüpft. Sowohl im Cytoplasma als auch im Karyoplasma befinden sich fibrilläre Elemente, die das Cytoskelett bzw. das Kernskelett aufbauen.

- Cytoplasmatische Organellen wie Mitochondrien und Plastiden besitzen ein eigenes Genom aus doppelsträngiger, zirkulärer DNA. Sie haben sich aus intrazellulären symbiotischen Parasiten entwickelt und ihre Eigenständigkeit zugunsten einer engen funktionellen Interaktion mit dem nukleären Genom aufgegeben. Das Plastidengenom enthält bis zu 200 Gene, das mitochondriale Genom jedoch nur etwa 40. Der genetische Code der Mitochondrien unterscheidet sich teilweise vom Universal-Code, mitochondriale DNA wird nur matroklin vererbt.

- Chromosomen sind in bestimmten Kompartimenten des Zellkerns (Territorien) zu finden.

- Insulator-Elemente trennen Bereiche unterschiedlicher Transkriptionsaktivitäten auf den Chromosomen.

- Der Lebenszyklus einer Zelle ist durch die DNA-Replikation (S-Phase) und die Teilung der Zelle (Mitose, M-Phase) gekennzeichnet. Die dazwischenliegenden »Lücken« werden als G1- bzw. G2-Phase bezeichnet.

- Der Zellzyklus ist einer komplexen Regulation unterworfen: Der Eintritt in die S-Phase ist von der Überwindung des Restriktionspunktes anhängig. Wichtige Proteine hierbei sind Cycline und Cyclin-abhängige Proteinkinasen.

- Apoptose (programmierter Zelltod) ist ein genetisch programmierter Prozess zur Verhinderung von unkontrollierter oder unerwünschter Zellproliferation. Eine zentrale Rolle in der Regulation der Apoptose spielt p53; dieses Protein wirkt auch als Tumorsuppressor.

- Wichtige eukaryotische Modellorganismen sind bei den Mikroorganismen Hefen und Pilze sowie bei den Pflanzen Arabidopsis und Antirrhinum. Die Taufliege Drosophila melanogaster war und ist bei den niederen Tieren der wichtigste Modellorganismus, ergänzt seit einiger Zeit durch den Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Unter den Vertebraten hat sich der Zebrafisch als genetisches Modell etabliert, und die Maus ist bei den Säugetieren noch das Modell der Wahl. Die Ratte erobert sich allerdings in der biomedizinischen Forschung als genetisch manipulierbares Modell ihre Bedeutung zurück.

 

Kapitel 6:

- Chromosomen sind normalerweise nur im kondensierten Zustand während der Pro-, Meta- und Anaphase der Mitose bzw. Meiose im Lichtmikroskop sichtbar.

- Die Grundeinheit eines Chromosoms ist die Chromatide; nach der Replikation (aber vor der Verteilung auf die Tochterzellen) besteht ein Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden.

- Durch verschiedene Färbemethoden können unterschiedliche Bereiche auf den Chromosomen sichtbar gemacht werden (Bänderung).

- Die Form der Chromosomen wird durch die Lage des Centromers bestimmt. Über die Kinetochore dient das Centromer in der Metaphase als Ansatz für die Spindelfasern, die für die Verteilung der Chromatiden während der Zellteilung sorgen.

- Weitere wichtige Strukturelemente der Chromosomen sind deren Enden, die als Telomere bezeichnet werden. Chromosomenarme ohne Telomere sind instabil.

- Repetitive DNA-Elemente sind Grundbestandteile von Centromeren und Telomeren.

- Der Hauptanteil chromosomaler Proteine dient der Verpackung der DNA, die trotz ihrer hohen negativen Ladung auf kleinstem Raum im Zellkern untergebracht werden muss. Demgemäß sind stark basische Proteine zur Kompensation der negativen Ladungen der Phosphatgruppen der DNA notwendig. In somatischem Gewebe dienen hierzu vor allem die Histone.

- Je zwei Moleküle der Histone H2A, H2B, H3 und H4 bilden ein Nukleosom, um das sich die DNA-Doppelhelix windet. Zur Stabilisierung dient ein Molekül des Histons H1. Nukleosomen bilden eine 10-nm-Fibrille, die die niedrigste Organisationsstufe der Chromatide darstellt. Im Chromosom gibt es Chromatinfibrillen höherer Ordnung, deren Organisation sich mit den dynamischen Veränderungen der Chromosomen im Laufe des Zellzyklus ändert.

- In der Mitose werden die Chromosomen mithilfe des Spindelapparates auf die Tochterzellkerne verteilt.

- In der Keimbahn wird die Anzahl der Chromosomen in zwei Schritten auf den haploiden Zustand reduziert (Meiose): In der ersten Zellteilung (Reduktionsteilung) werden die homologen Chromosomen getrennt, in der zweiten Zellteilung (Äquationsteilung) werden die Chromatiden getrennt.

- Durch Austausch von Chromosomenbereichen zwischen homologen Chromosomen (Rekombination) wird die Variabilität der genetischen Konstitution erhöht.

- Neben reziproker Rekombination gibt es auch nicht-reziproke Rekombination (Genkonversion). Genkonversion erklärt sich durch die molekularen Mechanismen der Rekombination, kann aber auch bei DNA-Neusynthese im Rahmen der DNAReparatur auftreten.

- Bei vielen Organismen findet man Geschlechtschromosomen (Heterosomen), die sich von den übrigen Chromosomen (Autosomen) unterscheiden. Das Geschlecht mit zwei identischen Geschlechtschromosomen wird als homogametisch bezeichnet; das andere Geschlecht mit zwei unterschiedlichen Geschlechtschromosomen ist heterogametisch. Heterogametie kann im männlichen (X/Y-Chromosomen) oder im weiblichen Geschlecht (W/Z-Chromosomen) auftreten.

- Geschlechtschromosomen entwickelten sich aus gewöhnlichen Autosomen, wobei das menschliche Y-Chromosom ein Gen trägt, das für die Ausbildung des männlichen Geschlechts verantwortlich ist. Es gibt nur noch zwei kurze pseudoautosomale Regionen, an denen Rekombination zwischen X- und YChromosom möglich ist. Mehrere Palindrome auf dem Y-Chromosom ermöglichen dagegen intrachromosomale Rekombinationen.

 

Kapitel 7:

- Eukaryotische Gene sind komplexer organisiert als solche von Bakterien.

- Fibroin ist der Hauptbestandteil der Seide und wird durch ein einziges Gen codiert. Die hohe Syntheseleistung wird durch ein besonders hohes Maß von Polyploidisierung der Fibroinsynthetisierenden Zellen des Seidenspinners ermöglicht.

- Das Proopiomelanocortin-Gen (POMC) ist ein kleines polycistronisches Gen, das posttranslational in verschiedene Peptidhormone gespalten wird. Polycistronische Gene sind bei Eukaryoten sehr selten.

- Titin ist mit 4,2 Mio. kDa das größte bekannte Protein und spielt eine zentrale Rolle im Aufbau und der Elastizität der Zellen der quergestreiften Muskulatur und im Herzen. Das Gen enthält 363 Exons.

- Durch Verdoppelung von Genabschnitten sind in der Evolution viele Genfamilien entstanden. Durch vergleichende DNA-Sequenzanalysen lassen sich entsprechende Verwandtschaftsbeziehungen nachweisen.

- Hämoglobin wird durch verschiedene Globinketten aufgebaut. Die Zusammensetzung des Hämoglobins verändert sich während der Embryonalentwicklung. Die beiden Globin-Genfamilien liegen auf zwei verschiedenen Chromosomen.

- Die Histon-Gene bilden ebenfalls Multigenfamilien. Die meisten Histon-Gene besitzen keine Introns und bilden kein Poly(A)-Ende. Durch vielfältige posttranslationale Modifikationen sind sie an der Kondensation bzw. Dekondensation des Chromatins beteiligt.

- Die Tubulin-Gene sind innerhalb des Genoms weit verteilt und bilden keine Gruppen.

- Die Kristallin-Gene sind für die Transparenz der Augenlinse verantwortlich; es gibt zwei Cluster von Genen sowie verschiedene Einzelgene, die zur β/γ-Kristallin-Genfamilie gehören.

- Die Transkription Protein-codierender Gene erfolgt durch die RNA-Polymerase II und wird durch eine Vielzahl von Elementen im Promotorbereich reguliert. Im Kern-Promotor (−35/+35) gibt es oft eine TATA-Box, einen Initiator, BRE- und DPE-Elemente. Der proximale Promotor (−50 bis −200) kann eine CAAT-Box und GC-Boxen enthalten.

- Die Transkription eukaryotischer Gene wird durch komplexe Wechselwirkungen des Promotorbereichs mit Transkriptionsfaktoren reguliert. Enhancer verstärken die Genexpression und liegen außerhalb des Promotorbereichs; sie wirken unabhängig von ihrer Orientierung.

- Locus-Kontrollregionen sind an der Regulation der Expression von Genclustern beteiligt, indem sie unter anderem an der Kondensation bzw. Dekondensation des Chromatins mitwirken.

 

Kapitel 8:

- Epigenetik bezeichnet stabile Veränderungen in der Regulation der Genexpression, die während der Entwicklung, Zelldifferenzierung und Zellproliferation entstehen und über Zellteilungen hinweg festgeschrieben und aufrechterhalten werden, ohne dass dabei die DNA-Sequenz verändert wird.

- Heterochromatische Bereiche sind stark kondensiert und verhindern dadurch die Expression von Genen.

- Die Methylierung von DNA erfolgt an der Position 5 des Cytosins durch DNA-Methyltransferasen und führt zur Stilllegung der entsprechenden DNA. Aktive Promotoren sind nicht methyliert.

- Durch Acetylierung, Methylierung und Phosphorylierung können Histone modifiziert werden. Die dadurch ermöglichten unterschiedlichen Verpackungsdichten tragen zur Aktivierung und Inaktivierung von Genen über einen größeren Bereich bei und können über mehrere Zellteilungen aufrechterhalten werden.

- Die »RNA-Welt« umfasst die Genfamilien der rRNA- und tRNAGene sowie Gene, die für kleine und große regulatorische RNA-Moleküle codieren.

- Wir kennen bisher drei Gruppen kleiner regulatorischer RNAs: siRNA, miRNA und piRNA, die an der Abschaltung entsprechender Zielgene auf verschiedenen Ebenen beteiligt sind.

- Viroide sind kleine einzelsträngige RNA-Moleküle, die sich über weite Strecken als Doppelstrang organisieren können. Sie infizieren bestimmte Pflanzen; die Infektion kann zu vermindertem Wachstum und Ausbleichen der Blätter (Chlorose) führen.

- Unter langen, nicht-codierenden RNAs (lncRNAs) verstehen wir RNA-Moleküle, die mehr als 200 Nukleotide umfassen; sie können in vielfältiger Weise Transkription und Translation von Genen beeinflussen.

- Paramutationen sind zunächst bei Pflanzen entdeckte gerichtete erbliche Veränderungen des Phänotyps, ohne dass die DNA-Sequenz verändert ist. In der Regel beinhalten sie trans-Wechselwirkungen von repetitiven DNA-Elementen, die dauerhaft zur Verminderung der Genexpression bestimmter Gene führen. Epigenetische Prozesse (z. B. siRNAs, miRNAs, DNA-Methylierung) spielen dabei eine wesentliche Rolle.

- Die ungleiche Anzahl von Geschlechtschromosomen in den beiden Geschlechtern verlangt einen regulativen Ausgleich der Expression der auf ihnen gelegenen Gene (Dosiskompensation). In Drosophila wird dies durch eine erhöhte Genaktivität im X-Chromosom erreicht. Durch Proteine in Kombination mit strukturellen RNA-Molekülen (roX1 und roX2) entsteht eine Veränderung der Chromatinstruktur, die eine erhöhte Transkriptionsaktivität des X-Chromosoms im Männchen ermöglicht.

- Bei Säugern erfolgt die Dosiskompensation durch Inaktivierung eines X-Chromosoms in weiblichen Zellen. Die Inaktivierung erfolgt in der frühen Embryonalentwicklung und betrifft zufallsmäßig das väterliche oder mütterliche Chromosom. Das inaktive X-Chromosom ist als Barr-Körperchen cytologisch sichtbar. Die Inaktivierung des X-Chromosoms geht vom X-Inaktivierungszentrum aus und beruht im Wesentlichen auf der Expression der nicht-codierenden Xist-RNA. Als Ergebnis der Xist-Bedeckung wird die Transkription der Gene des jeweiligen X-Chromosoms abgeschaltet.

- Bei Keimzellen kann elterliches Imprinting (genetische Prägung) die Expression von Genen im Embryo bestimmen. Imprinting beruht im Wesentlichen auf der Methylierung von DNA als Erkennungssignal. Die genetische Prägung wird in der frühen Phase der Keimzellentwicklung gelöscht und in den späten Phasen geschlechtsspezifisch reprogrammiert.

- Es besteht ein deutlicher Zusammenhang zwischen dem Ernährungszustand der Mutter vor, während und nach der Schwangerschaft auf den epigenetischen Zustand des Embryos bzw. des Neugeborenen. Dabei spielen Hungerereignisse, Mangelernährung und die Verfügbarkeit von Methyldonatoren in der Nahrung eine wichtige Rolle.

 

Kapitel 9:

- Mobile genetische Elemente (Transposons) sind wichtige Bestandteile vieler prokaryotischer und aller eukaryotischer Organismen.

- Transposons unterscheiden sich in ihrer molekularen Struktur und in den Transpositionsmechanismen.

- Transposons sind für evolutionäre Prozesse von Bedeutung.

- Retroviren sind infektiöse Partikel, die in ihrer Genomstruktur einer Gruppe von Transposons gleichen.

- Das Genom von Retroviren kann in das Genom der Wirtszelle integriert werden.

- Integration und Exzision von Retroviren können zur Entstehung von Tumor-induzierenden Retroviren führen. Die cancerogene Wirkung beruht auf der Integration zellulärer Gene oder Teilen davon in das Virusgenom (Onkogene).

- Das HI-Virus ist ein typisches Retrovirus und vor ca. 90 Jahren von Schimpansen auf den Menschen übergesprungen. In den 1980er-Jahren haben die menschlichen Infektionen global epidemische Ausmaße angenommen. Eine 32-bp-Deletion im Chemokin-Rezeptor-Gen CCR5 verleiht einem kleinen Teil der europäischen Bevölkerung Resistenz gegen eine HIV-Infektion.

- Ciliaten zeichnen sich durch einen Kerndualismus aus: ein Mikro nukleus im Dienst generativer Prozesse und ein Makronukleus für die vegetativen Funktionen. Bei der Bildung des Makro nukleus wird der größte Teil der Genom-DNA eliminiert.

- Bei der zellulären Differenzierung kann eine gezielte Vermehrung bestimmter Gene erfolgen.

- Im Laufe der Differenzierung kann es zur Elimination von Teilen des in Keimzellen vorhandenen Genoms kommen.

- Zelluläre Differenzierung kann mit der Reorganisation von DNA zum Zweck der Bildung funktioneller Gene verbunden sein. Die höchste bekannte Komplexität solcher DNA-Veränderungen findet sich im Zusammenhang mit der Funktion des Säugerimmunsystems.

 

Kapitel 10:

- Mutationen sind ein Grundphänomen von Lebewesen. Sie sind die Grundlage für evolutionäre Prozesse. Für ein Individuum haben sie oft negative Folgen.

- Mutationen können sich in Keimzellen und in somatischen Zellen in gleicher Weise ereignen.

- Chromosomenmutationen können die Zahl (Aneuploidie, Polyploidie; Monosomie, Trisomie) oder die Struktur der Chromosomen (Deletion, Inversion, Translokation) betreffen.

- Verschiedenartige molekulare Mechanismen sind für spontane Mutationen verantwortlich. Mutationen können auch durch Strahlen und Chemikalien induziert werden; der Ort der Mutation ist in allen Fällen zufällig.

- Reparaturmechanismen sorgen für eine teilweise Korrektur von Mutationen. Spontane Mutationsraten und die Effektivität von Reparaturmechanismen stehen in einem Gleichgewicht, das durch die Erfordernisse der Evolution bestimmt wird.

- Mutagenitätstests gestatten eine allgemeine Abschätzung der mutagenen Wirkung von chemischen Verbindungen und ihren möglichen Metaboliten.

- Die gezielte Übertragung von Genen in verschiedene Organismen erlaubt deren Überexpression oder gezielte Hemmung; der neue Organismus wird als »transgen« bezeichnet.

- Gentechnisch veränderte Pflanzen sollen den Ertrag steigern, neuartige Produkte (»nachwachsende Rohstoffe«) liefern und einen effizienteren Einsatz von Pflanzenschutzmitteln ermöglichen.

- Transgene Modellorganismen (vor allem Fliegen und Mäuse) erlauben die funktionelle Charakterisierung definierter Gene; viele Arzneimittel werden in rekombinanten Zellkulturen oder Tieren hergestellt.

- In der Tierzucht werden transgene Tiere zur Verbesserung der Tiergesundheit und zur Steigerung des Ertrags eingesetzt.

 

Kapitel 11:

- Die 1. Mendel’sche Regel (Uniformitäts- oder Reziprozitätsregel) besagt, dass reziproke Kreuzungen reiner Linien stets Nachkommen mit gleichen Merkmalen ergeben.

- Die 2. Mendel’sche Regel (Spaltungsregel) besagt, dass Kreuzungen der zuvor beschriebenen F1-Generation untereinander zur Aufspaltung in verschiedene Phänotypen mit genau festgelegter Häufigkeitsverteilung führen.

- Die 3. Mendel’sche Regel (Prinzip der unabhängigen Segregation von Merkmalen) besagt, dass Merkmale im Prinzip unabhängig voneinander auf die Nachkommen übertragen werden.

- Das genetische Verhalten von Merkmalen ist, vor allem bei komplexen Kombinationen, oft nur durch statistische Analysen von Kreuzungsergebnissen interpretierbar.

- Aus den Mendel’schen Beobachtungen ist zu schließen, dass die Vererbung durch die Weitergabe von Genen erfolgt. Diese sind bei höheren Organismen in jeder somatischen Zelle in zwei Kopien (Allele) vorhanden (Diploidie), die bei der Bildung der Geschlechtszellen verteilt und somit einzeln (Haploidie) an die Nachkommen weitergegeben werden. Für alle Gene gibt es unterschiedliche Formen der Ausprägung (verschiedene Allele), die dominant oder rezessiv sein können.

- Die Erscheinung der unvollständigen Dominanz lässt sich so verstehen, dass keines von zwei Allelen imstande ist, sich im Phänotyp voll gegen das andere durchzusetzen. Hierdurch entsteht ein neuer Phänotyp, der sich vom Phänotyp der homozygoten genetischen Konstitutionen unterscheidet.

- Die Erscheinung der Codominanz beruht darauf, dass zwei Allele sich unabhängig voneinander voll manifestieren und sich an ihrer jeweils spezifischen Ausprägung erkennen lassen.

- Merkmale sind oft durch die Existenz mehrerer verschiedener Allele in einer Gruppe von Organismen gekennzeichnet. Man spricht dann von multipler Allelie.

- Ein Merkmal kann durch mehrere Gene beeinflusst werden. Man bezeichnet das als Polygenie.

- Ein Gen kann Einflüsse auf mehrere phänotypische Merkmale ausüben. Man bezeichnet eine solche Genwirkung als Pleiotropie.

- Merkmale können in unterschiedlichem Maße oder gar nicht zur Ausprägung kommen. Man spricht dann von unterschiedlicher Expressivität und Penetranz eines Merkmals.

- Manche Gene können in mutanter Form die Ausprägung anderer Gene unterdrücken. Man spricht dann von Epistasie.

- Populationen sind der Angriffspunkt für evolutionäre Prozesse.

- Die Hardy-Weinberg-Regel besagt, dass in idealen Populationen Allelfrequenzen und Allelverteilungen in aufeinanderfolgenden Generationen gleich bleiben.

- Die Allelzusammenstellung einer Population wird durch Zufallsveränderungen beeinflusst (engl. random drift).

- Selektion ist ein wichtiger Mechanismus der Evolution. Es gibt verschiedene Arten der Selektion (gerichtete, stabilisierende und disruptive).

- Neben der Selektion und Zufallsveränderungen gibt es noch eine Vielzahl weiterer Evolutionsmechanismen wie Migration, Isolation und Gründereffekte, die Auswirkungen auf den Genpool von Populationen haben.

- Zur Charakterisierung des relativen Fortpflanzungserfolgs bestimmter Genotypen innerhalb einer Population und unter bestimmten Umweltbedingungen dient der Begriff Fitness. Die Häufigkeiten der verschiedenen Genotypen stellen sich so ein, dass die Population die größtmögliche Gesamtfitness erzielt.

- Fitnesswerte gelten nur innerhalb einer Population und können zwischen verschiedenen Populationen nicht verglichen werden.

- Aus den verschiedenen Polymorphismen in den heute lebenden menschlichen Populationen lassen sich Rückschlüsse auf die evolutionäre Entwicklung ziehen und Szenarien entwickeln, die zur Beschreibung des letzten gemeinsamen Vorfahren führen. Diese Szenarien können von Gen zu Gen voneinander abweichen.

- Durch evolutionäre Prozesse entstehen aus Variationen innerhalb von Populationen inhärente Barrieren, sodass keine Fortpflanzung zwischen den isolierten Populationen möglich ist.

- Mithilfe der F-Statistik lassen sich Strukturunterschiede zwischen verschiedenen Populationen der gleichen Art erkennen.

 

Kapitel 12:

- Zentrale Differenzierungsprozesse, insbesondere in der Frühentwicklung von Tieren, aber auch bei der Organdifferenzierung von Pflanzen, werden hierarchisch auf dem Niveau der Transkription reguliert. Hierbei spielen sowohl DNA-bindende Transkriptionsfaktoren als auch Hormone und andere Signalmoleküle eine wichtige Rolle (z. B. Auxine, Ethylen und Gibberelline bei Pflanzen, Steroide und Retinsäure bei Tieren).

- Die frühe embryonale Entwicklung von Drosophila wird durch Gene, die während der Oogenese in der Mutter aktiv sind (maternale Gene), und durch Gene, die im Embryo aktiviert werden (zygotische Gene), bestimmt. Maternale Gene sorgen für die gezielte Lokalisation von Molekülen (Morphogenen) im Ei, die im Embryo als Transkriptionsfaktoren die Transkription zygotischer Gene differenziell regulieren.

- Die Determination von Körperregionen in Drosophila erfolgt durch Lokalisation von Molekülen in bestimmten Regionen des Eicytoplasmas oder durch Signaltransduktion, deren Initiation von somatischen Zellen des Ovars ausgeht.

- Während der Embryogenese werden durch die Lokalisation von Morphogenen insbesondere die beiden Achsen des Embryos festgelegt. Außerdem bedingt die Lokalisation der Achsendeterminanten zugleich auch eine Untergliederung der Körperlängsachse. Morphogene sind Moleküle, die verschiedene Differenzierungsprozesse steuern. Sie können durch unterschiedliche Mechanismen wirksam werden.

- Regulationsgene, die in ihrer Funktion den Regulationsgenen bestimmter Entwicklungswege von Drosophila entsprechen (homöotische Gene), werden auch bei Vertebraten und Pflanzen gefunden. Die in der Frühentwicklung von Drosophila vorgefundenen Regulationsmechanismen sind daher von allgemeiner biologischer Bedeutung.

- Bei Säugern erfolgt die Geschlechtsdifferenzierung durch ein zentrales Regulationsgen (SRY). Das männliche Geschlecht wird als Folge der Aktivierung dieses Gens (bei Anwesenheit des Y-Chromosoms) durch männliche Geschlechtshormone festgelegt. Inaktivität des Schlüsselgens führt zur Ausprägung des weiblichen Geschlechts durch die Wirkung weiblicher Geschlechtshormone.

- Pflanzliche Zellen sind im Allgemeinen totipotent.

- Die meisten tierischen Zellen sind nicht totipotent, behalten jedoch eine relativ große Plastizität ihrer Entwicklungsfähigkeit (sie sind pluripotent). Dazu gehören auch embryonale Stammzellen.

- Viele tierische Zellen werden während der Frühentwicklung eines Organismus für ihre spätere Funktion determiniert. Die Differenzierung tritt erst später ein. Stammzellen haben die Fähigkeit zur wiederholten Teilung, wobei die Mutterzelle eine Stammzelle bleibt und die Tochterzelle differenzieren kann.

- Die Differenzierung von Zellen wird durch spezielle Signale ausgelöst. Dies kann unter Kulturbedingungen mit embryonalen und adulten Stammzellen nachgeahmt werden.

 

Kapitel 13:

- Die Methoden der klassischen Humangenetik beruhten im Wesentlichen auf der Stammbaum- und Zwillingsforschung. Dieser Ansatz wird heute ergänzt durch Geschwisterpaar-Analysen und Methoden der genetischen Epidemiologie.

- Für Kopplungsanalysen steht eine Vielzahl von Mikrosatelliten-Markern und SNPs zur Verfügung; computergestützte Auswerteverfahren erlauben die Berechnung von LOD-Werten. Kartierungen mit LOD-Werten > 3 sind statistisch signifikant.

- Fehlerhafte Chromosomenverteilungen während der meiotischen Teilungen sind häufig. Von den möglichen Aneuploidien sind jedoch nur wenige lebensfähig (vor allem Trisomie 21 und Monosomie X). Chromosomenaberrationen führen häufig zu spontanen Aborten.

- Die meisten Erbkrankheiten sind autosomal-rezessiv und damit schwer zu diagnostizieren; die Gefahr der Homozygotie ist bei Verwandtenehen besonders hoch. Die häufigste autosomal-rezessive Erkrankung in Mitteleuropa ist die Zystische Fibrose (Mukoviszidose).

- Autosomal-dominante Erkrankungen haben eine Häufigkeit von ca. 1:10.000; die häufigste autosomal-dominante Erkrankung ist die familiäre Hypercholesterinämie. X-chromosomaldominante Erbkrankheiten sind selten; häufiger sind X-chromosomal-rezessive Erkrankungen, die bei Männern immer zum Ausbruch kommen (Hemizygotie).

- Eine besondere Gruppe von Krankheiten zeichnet sich durch Triplettwiederholungen aus, die von einer Generation zur nächsten massiv zunehmen können. Die Zunahme der Triplettwiederholungen führt in vielen Fällen zu einem früheren Eintrittsalter und einer schwereren Erkrankung. Beispiele sind die Chorea Huntington und das Fragile-X-Syndrom.

- Mitochondriale Erkrankungen mit Mutationen in der mitochondrialen DNA werden matrilinear vererbt und weisen häufig eine unvollständige Penetranz auf.

- Eine Vielzahl von Krebserkrankungen beruht auf Mutationen in Keim- und Somazellen. Wir unterscheiden Onkogene (z. B. RAS, FOS, MYC), Tumorsuppressorgene (z. B. TP53, RB1) und Mutatorgene (z. B. XP-A bis XP-G).

- Viele Krankheiten haben »komplexe« Ursachen, d. h. an ihrer Entstehung sind mehrere Gene und/oder Gen-Umwelt-Wechselwirkungen beteiligt. Sie gehorchen nicht den Mendel’schen Regeln für monogene Erkrankungen. Beispiele sind Asthma oder Diabetes.

- Bei manchen Erkrankungen reagieren Patienten auf bestimmte Therapieformen nicht oder sehr unterschiedlich. »Personalisierte Medizin« versucht, die individuelle genetische Konstitution zu berücksichtigen und so eine »maßgeschneiderte« Therapie zu ermöglichen.

- Somatische Gentherapie bietet eine realistische Zukunftschance, viele erbliche Erkrankungen kausal und dauerhaft bei Patienten zu behandeln.

 

Kapitel 14:

- Verhaltensweisen sind komplex und damit experimentell schwieriger zu analysieren als monogene Phänotypen. Sie gehorchen aber prinzipiell den gleichen Gesetzen wie andere komplexe Phänotypen.

- Mikroevolutive Prozesse können zu schnellen Verhaltensänderungen ganzer Populationen führen.

- Bei der Kreuzung der Sehbahn sind für die ipsilateralen Axone der Transkriptionsfaktor ZIC2 und der Ephrin-Rezeptor B1 wichtig; für die kontralateralen Axone spielen der Transkriptionsfaktor Islet2 und das Zelladhäsionsmolekül NrCam eine wichtige Rolle.

- Das Zugverhalten von Vögeln hat eine ausgeprägte genetische Komponente; ein wesentlicher Bestandteil ist der Magnetsinn.

- Zirkadiane Rhythmen werden bei Drosophila, der Maus und dem Menschen durch autoregulatorische Rückkopplungschleifen gesteuert. Daran sind Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen und Repressoren von Transkriptionsfaktoren essenziell beteiligt.

- Gedächtnisleistungen lassen sich auf cAMP-abhängige Signaltransduktionskaskaden zurückführen, die über Transkriptionsfaktoren spezifische, an den Speichervorgängen beteiligte Gene aktivieren.

- Angststörungen und Depressionen ist gemeinsam, dass sie sich mit Medikamenten behandeln lassen, die mit der Funktion des Neurotransmitters Serotonin zusammenhängen. Ursachen sind unter anderem Mutationen in Genen, die für Rezeptoren bzw. Transporter des Serotonins und des Corticotropinfreisetzenden Hormons codieren.

- Alkoholismus ist eine komplexe Erkrankung mit hoher Prävalenz. Genetische Untersuchungen an Modellorganismen und dem Menschen zeigen, dass Alkoholbevorzugung im Wesentlichen auf Mutationen zurückzuführen ist, die die cAMP-Signalkette beeinflussen, während die Alkoholabhängigkeit mit genetischen Veränderungen der dopaminergen und GABAergen Signaltransduktion assoziiert ist.

- Schizophrenie ist eine psychische Erkrankung, die durch Halluzinationen, Wahnvorstellungen, Störungen in der sozialen Interaktion und durch kognitive Störungen gekennzeichnet ist. Kopplungsanalysen bei Familien von Patienten sowie Untersuchungen an Mausmodellen deuten darauf hin, dass Mutationen in den Genen für DISC1, Neuregulin-1 und die Catechol-OMethyltransferase ein erhöhtes Risiko darstellen, an Schizophrenie zu erkranken; Umweltfaktoren haben einen modulierenden Einfluss.

- Das Rett-Syndrom ist eine X-gekoppelte, dominante, schwere neurodegenerative Erkrankung. Ursache sind überwiegend spontane Mutationen im MeCP2-Gen, das für ein Methyl-CpGbindendes Protein codiert. Das entsprechende Protein findet sich im Zellkern und hat vermutlich wichtige Funktionen in der Hemmung der Transkription sowie beim Spleißen.

- Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen und durch spontan auftretende Krampfanfälle gekennzeichnet. Mutationen im SCN1A-Gen sind die häufigste bisher bekannte genetische Ursache von Epilepsien. Mutationen im SCN1A-Gen sind auch verantwortlich für Migräne. Weitere Epilepsie-relevante Gene codieren für Ionenkanäle und sind teilweise zugleich Rezeptoren für Neurotransmitter.

- Autismus ist eine häufige Entwicklungsstörung des Nervensystems, die sich im veränderten sozialen Umgang mit Mitmenschen und in sich stets wiederholenden Handlungen äußert. Autismus betrifft mehr Jungen als Mädchen (3:1). Monogene Formen des Autismus sind durch Mutationen in Genen verursacht, die für synaptische Adhäsionsmoleküle codieren.

- Die Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung wird durch eine Konformationsänderung des Prion-Proteins ausgelöst. Es gibt neben erblichen Fällen auch einen Polymorphismus (M129V), der mit der Erhöhung des Erkrankungsrisikos assoziiert ist.

- Die Alzheimer’sche Erkrankung ist eine progressive Neurodegeneration, die sich neuropathologisch durch amyloide Ablagerungen und neurofibrilläre Knäuel im Gehirn auszeichnet. Ursachen sind entweder Mutationen im APP-Gen oder in den Presenilin-codierenden Genen PS1 bzw. PS2, die bei Drosophila am Notch-Signalweg beteiligt sind.

- Die Parkinson’sche Erkrankung ist eine pro ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung mit unterschiedlichen Verlaufsformen. Aus genetischen Untersuchungen ist bekannt, dass Mutationen in mehreren Genen die Krankheit verursachen. Eine Beteiligung von Umweltfaktoren wird diskutiert.

 

Kapitel 15:

- Menschen und die großen Affen sind durch eine lange gemeinsame Evolution verbunden; der wichtigste cytogenetische Unterschied zwischen Affen und Menschen besteht in der Fusion zweier Chromosomen der Affen zum menschlichen Chromosom 2. Das Y-Chromosom des Menschen zeichnet sich durch viele evolutionär junge Palindrome aus, die eine intrachromosomale Rekombination ermöglichen.

- Die Schimpansen sind die nächsten Verwandten des Menschen. Erste Hinweise für unterschiedliche Entwicklungen gibt es vor allem für Gene des Immunsystems und der Reproduktion.

- Die Entwicklung des modernen Menschen begann im südlichen zentralen Afrika; die Ausbreitung erfolgte in mehreren Wellen nach Asien, Europa und Amerika. Die Untersuchung
verschiedener charakteristischer Genorte legt es nahe, auf allen Stufen dieser Entwicklung ein gewisses Maß an Durchmischung der verschiedenen Populationen anzunehmen.

- In Europa ist der Neandertaler ein Vorgänger des modernen Menschen; für etliche Jahrtausende bewohnten beide Arten denselben Lebensraum (Sympatrie). Es gibt Hinweise auf eine Durchmischung einzelner genomischer Regionen; der Gesamtbeitrag des Neandertalers am Genom des modernen Menschen beträgt etwa 2 %.

- Die Denisova-Menschen lebten etwa zeitgleich mit den Neandertalern im Altai-Gebirge in Sibirien; wir finden in der DNA-Sequenz heute lebender Ozeanier einen Anteil von etwa 5 % ihrer DNA-Sequenz.

- Die Sequenzierung der menschlichen DNA in vielen Bevölkerungsgruppen der Welt bestätigt den Ursprung der Menschheit in Afrika. Eine genaue Analyse ergibt, dass nur ein kleiner Teil davon nach Europa eingewandert ist; am Ende der letzten Eiszeit erfolgte die Wiederbesiedelung Europas aus den Rückzugsgebieten in Südwestfrankreich/Nordwestspanien.

- Die Aufhellungen der Haut-, Haar- und Augenfarben betreffen im Wesentlichen die Populationen außerhalb von Afrika und stellen eine Anpassung an die geringere Sonneneinstrahlung in nördlichen Breiten dar.

- Einige Gene, die an der Entwicklung des Gehirns beteiligt sind, zeigen eine positive Selektion in der menschlichen Linie. Dazu gehören Gene wie MCPH1 und ASPM, bei denen Mutationen zu Mikrocephalie führen, als auch Gene, die die Information für nicht-codierende RNAs enthalten (HAR1F).

- Mutationen im FOXP2-Gen sind kausal für schwere Sprachstörungen des Menschen. Da das Gen eine spezifische Evolution in der menschlichen Linie zeigt, wird es als essenziell für die Evolution der Sprachfähigkeit des Menschen angesehen.

- Aggressives Verhalten ist von Polymorphismen in Genen des serotonergen Systems sowie des Androgen-Rezeptors beeinflusst.

- Der Mensch verfügt wie andere Primaten auch über knapp 400 Geruchsrezeptoren; im Gegensatz zu Schimpansen haben Menschen auch einige Gene für Rezeptoren von Pheromonen.

- Die Erkennung eines Gesichts ist eine wichtige Eigenschaft des Menschen, die jeweils einzelnen Neuronen im seitlichen Schläfenlappen zugeordnet werden kann. Die Genetik der kongenitalen Prosopagnosie, einer autosomal-dominanten Erbkrankheit, wird wichtige Hinweise auf die Mechanismen geben, die für die Gesichtserkennung notwendig sind.