Inhalt
1. Eine Einführung in die Genetik
3. Das Genom
8. Die Regulation der Genexpression
9. Evolution, Mutationen und Reparatur
11. Die Bakterien- und Phagengenetik
12. Molekularbiologische Methoden im Labor
13. Die Epigenetik
14. Genetik in der Kontroverse: Gentechnik, Biotechnologie und Ethik
Zusammenfassungen
1. Eine Einführung in die Genetik
Genetik. Geheimnisvoll. Mystisch. Missverstanden? Viele denken bei Genetik gleich an Genmanipulationen, wobei die Möglichkeiten hier unbegrenzt zu sein scheinen: von der Erschaffung dreiköpfiger Hundewelpen, sprechenden Pflanzen, Killerviren oder Krebs-Wunderheilmitteln bis hin zu Armeen aus Klonkriegern. Dabei geht es in der Genetik noch um viel mehr. Man könnte fast sagen, es geht um das Leben selbst und auch ein bisschen darum, wer wir und all die anderen Lebewesen eigentlich sind.
2. Die chemischen Grundlagen
Spielen Sie gerne Lego? Dann ist dieses Kapitel genau richtig für Sie. Denn es beschäftigt sich mit den Bausteinen des Lebens und wie sie interagieren und sich untereinander verknüpfen lassen. Und wenn erst einmal die chemischen Grundlagen verstanden sind, erschließt sich der Rest der Genetik auch gleich wie von selbst. Also fast. Los geht es damit, wie die wichtigsten Moleküle des Lebens aufgebaut sind.
3. Das Genom
In diesem Kapitel geht es um die grundlegenden Eigenschaften und Strukturen von Genomen. Der Begriff Genom beschreibt dabei die Gesamtheit der genetischen Informationen einer Zelle eines Organismus. Diese Informationen sind in größeren Molekülen, sogenannten Chromosomen, angeordnet. Auf diesen befinden sich wiederum Gene, die für bestimmte RNAs oder Proteine codieren. Nun sind Chromosomen jedoch nicht einfach nur voll mit Genen. Einige Bereiche dienen der Struktur oder Stabilität von Chromosomen und andere … nun, sind einfach nur da. Schaut man sich Genome genauer an und vergleicht sie miteinander, so lässt sich zudem einiges über die evolutionären Verwandtschaftsverhältnisse (die Phylogenie) sagen.
4. Der Zellzyklus
Pro Sekunde teilen sich Millionen von Zellen in unserem Körper. Wie viele, das weiß man eigentlich gar nicht genau, und die Quellen gehen hier weit auseinander! Manche reden von 2, manche von 20 Mio. Es hat sich anscheinend noch niemand hingesetzt und nachgezählt – oder es ist einfach sehr schwierig. Fakt ist, während Sie so die letzten Zeilen gelesen haben, haben sich auch in Ihnen verdammt viele Zellen geteilt. Und um diese Teilungsvorgänge, um Meiose und Mitose sowie das Zusammenspiel aus Zellwachstum und Zellteilung, zusammengefasst in dem „Zellzyklus“, geht es in diesem Kapitel.
5. Die Replikation
Viele Zellen unseres Körpers sind unser ganzes Leben lang in der Lage, sich zu teilen, wobei einige Zelltypen, wie Knochenmarkszellen und andere Stammzellen, sich tatsächlich von einer Zellteilung in die nächste stürzen. Die Zellteilung beim Menschen sowie generell bei allen Lebewesen ist daher von essenzieller Bedeutung für diverse Vorgänge, wie die Regeneration von Wundgeweben, Wachstum und für das Ersetzen alternder Zellen. Sobald sich Zellen teilen, genauer gesagt vor der Zellteilung, muss das komplette genetische Material, das heißt die DNA, verdoppelt werden, um auf die entstehenden Tochterzellen verteilt werden zu können. Der Vorgang der identischen Verdopplung oder Vervielfältigung der DNA wird als Replikation bezeichnet.
6. Die Transkription
In diesem Kapitel geht es um das Umschreiben von DNA in RNA – die Transkription (lat. trans für „hinüber“, scribere für „schreiben“). Dabei ist die Transkription der erste Schritt der Genexpression, dem Prozess, bei welchem aus der genetischen Information ein funktionelles Produkt entsteht. Die Genexpression von Proteinen besteht aus der Transkription (DNA → messenger-RNA, kurz mRNA) und der anschließenden Translation (mRNA → Protein; Kap. 7). Die Genexpression ist, wenn man so will, der Prozess, der den Genotyp mit dem Phänotyp verbindet. Doch nicht nur Gene für Proteine, sondern auch Gene für funktionelle RNAs, wie zum Beispiel die ribosomalen RNAs (rRNAs) oder Transfer-RNAs (tRNAs), werden transkribiert, da auch sie als Information auf der DNA gespeichert sind.
7. Die Translation
Dieses Kapitel widmet sich dem zweiten wichtigen Schritt der Proteinbiosynthese, der Translation. Während der Translation wird die Information einer mRNA genutzt, um eine Polypeptidkette herzustellen. Polypeptidketten sind wiederum die Grundbausteine der Proteine, wobei diese aus einer oder mehreren Polypeptidketten bestehen können. Man könnte also auch sagen, dass mRNAs insgesamt die Grundbaupläne für Proteine darstellen. Neben den tRNAs, die zwischen mRNAs und Aminosäuren vermitteln, spielen in diesem Kapitel auch Ribosomen, die „Werkbänke“ der Zelle, eine große Rolle.
8. Die Regulation der Genexpression
Die Regulation der Genexpression, oder kurz Genregulation, beschreibt das Zusammenspiel von genetischen Sequenzen und deren Transkriptionsprodukten mit anderen Proteinen, RNAs und weiteren Faktoren, die der Zelle letztendlich signalisieren, welches Gen an- oder ausgeschaltet werden soll. Dabei kann die Regulation auf der Ebene der Transkription, also transkriptionell und kotranskriptionell, oder danach, also posttranskriptional, stattfinden. Auch die durch Proteinbiosynthese entstandenen Proteine können posttranslational weiter reguliert und modifiziert werden (Abschn. 7.5), doch geht dies mehr in die Biochemie und hat weniger mit der Genexpression an sich zu tun – es sei denn, es sind Proteine betroffen, die selbst wiederum an der Genregulation beteiligt sind (wie Histone, Transkriptionsfaktoren oder RNA-Polymerasen)!
9. Evolution, Mutationen und Reparatur
In diesem Kapitel werden eingangs die grundlegenden Prinzipien und Zusammenhänge der biologischen Evolution (basierend auf Mutation und Selektion) erläutert. Im mittleren Teil geht es dann vertiefend um die verschiedenen Arten von Mutationen und wie diese entstehen können. Der letzte Teil des Kapitels befasst sich schließlich mit Reparaturmechanismen, die einerseits Schäden an der DNA und Mutationen entgegenwirken, teilweise aber auch selbst Ursache für Mutationen sind.
10. Die Klassische Genetik
Dieses Kapitel widmet sich der sogenannten „klassischen Genetik“, in der die genetischen Vorgänge weniger auf molekularer Ebene, sondern auf der Ebene der Organismen betrachtet werden. Zwar spielen hier genetische Prädispositionen (in Form des Genotyps) eine bedeutende Rolle, aber es geht vor allem um deren Einflüsse auf die verschiedenen Merkmale (zusammengefasst im Phänotyp) eines Organismus. Dabei werden vordergründig Stammbäume, Vererbungsmuster und Wahrscheinlichkeiten genauer betrachtet.
11. Die Bakterien- und Phagengenetik
In diesem Kapitel geht es vertiefend um die Genetik der Bakterien und Phagen, die sich von den Eukaryoten in vieler Hinsicht unterscheiden. Die erste Hälfte konzentriert sich dabei auf die Bakterien, die evolutionär und ökologisch betrachtet von größter Bedeutung sind. Eine besondere Fähigkeit, die zum Erfolg der Bakterien beiträgt, ist dabei der horizontale Gentransfer (HGT) sowie der Besitz von Plasmiden, sogenannten extrachromosmalen Elementen. Die zweite Hälfte handelt von Viren, sogenannten Phagen (oder Bakteriophagen), die sich der Bakterien als Wirte bedienen und so ihre eigene Vermehrung bezwecken. Dabei sind Phagen weitaus mehr als nur eine Bedrohung, sondern spielen auch beim HGT der Bakterien eine wichtige Rolle.
12. Molekularbiologische Methoden im Labor
Wörtlich genommen beinhalten „molekularbiologische Methoden“ allerlei Verfahren und Techniken, die sich mit den biologisch aktiven Molekülen DNA und RNA befassen – von denen Sie in diesem Buch eventuell hin und wieder gehört haben. Dabei geht es beispielsweise um das Vervielfältigen, das Ablesen, das Interpretieren, das Übersetzen, das Verändern und das Übertragen von genetischen Sequenzen. Dieses Kapitel handelt also von den wichtigsten Methoden, die weltweit in molekularbiologischen Laboren (teilweise tagtäglich) praktiziert werden.
13. Die Epigenetik
Die Epigenetik leistet einen wichtigen Beitrag zur Genregulation. Sie beschäftigt sich mit einer übergeordneten Ebene von Modifikationen, die man vor allem bei Eukaryoten, insbesondere bei mehrzelligen Eukaryoten, findet. Das Besondere dieser Modifikationen ist, dass sie nicht den genetischen Code an sich verändern, sondern quasi eine Ebene „darüber“ liegen. In diesem Kapitel gehen wir dazu auf die drei wichtigsten Mechanismen der Epigenetik ein: die Methylierung von DNA, die Modifizierung von Histonen und die RNA Interferenz. Zudem lernen wir, wie die Umwelt dank der Epigenetik großen Einfluss auf die Genexpression von Organismen nehmen kann.
14. Genetik in der Kontroverse: Gentechnik, Biotechnologie und Ethik
In diesem Kapitel geht es weniger um die Grundlagen der Vererbung an sich, sondern viel mehr um die aus der Genetik resultierenden Techniken, ihre Definitionen, ihre Reputation, ihre Möglichkeiten, ihre Gefahren und auch ihre Chancen. Dabei geht es hauptsächlich um Gentechnik und wie sich diese von anderen genetischen Verfahren unterscheidet. Am Ende dieses Kapitels werden zudem ein paar Grundlagen für eine ethische Diskussion geliefert – eben über jene gentechnischen und anderen genetischen Verfahren. Sehen Sie dieses Kapitel daher weniger als prüfungsrelevant, sondern einfach als sehr sehr interessant an.