04.11.02 Melanie Basten 1

Seminar „Anlage und Umwelt“

DNA: Die Grundlage der Vererbung

Inhaltsübersicht

•Die Struktur der Erbsubstanz

•Die Kodierung der Erbinformation

•Replikation der DNA

•Transkription und Translation der DNA

•Der Genbegriff

•Genregulation

•Mutationen

•Das Auffinden von DNA-Polymorphismen

•Genkartierung

•Numerische Chromosomenabberationen

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Die Struktur der Erbsubstanz

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• Es müssen 20 verschiedene Aminosäuren (AS) kodiert werden

• Kodierung durch 1 BP 4 Möglichkeiten Kodierung durch 2 BP 4 (16) Möglichkeiten Kodierung durch 3 BP 4 (64) Möglichkeiten

• durch Versuche mit Rastermutationen bewiesen, dass 1 AS kodiert durch 1 BP

• der genetische Code ist ohne Pausenzeichen

• der genetische Code ist degeneriert, einige AS sind mehrfach kodiert

• der genetische Code ist nicht überlappend

• der genetische Code ist universell für alle Lebensformen

Die Kodierung der Erbinformation

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Die Replikation der DNA

• Die Replikation verläuft semikonservativ (Nachweis von Meselson und Stahl an E.coli-DNA)

• 1. Schritt: DNA-Doppelstrang wird reißverschlußartig an den H-Brücken zwischen den komplementären Basen geöffnet

• 2. Schritt: An den frei werdenden Basen binden komplementäre Nukleotide

• 3. Schritt: Nukleotide werden durch das Enzym DNA-Polymerase zu einem neuen Strang verbunden es entstehen zwei identische Doppelstränge, jeweils aus einem alten und einem neu gebildeten Teilstrang

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Transkription und Translation

• Der für die Synthese eines bestimmten Proteins benötigte Abschnitt der DNA wird in die einsträngige mRNA transkribiert

• Translation verläuft ähnlich der Replikation

• mRNA wandert durch die Kernporen in Zytoplasma

• mRNA lagert sich dort an die zwei Untereinheiten der Ribosomen für die Translation an

• bei der Translation (Proteinbiosynthese) wird an die mRNA-Tripletts von der tRNA die entsprechende AS angelagert

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Der Genbegriff (Syntenie Homologie)

•Ein Gen umfaßt zwischen 1000 und 2 Mio BP

•Der Mensch hat ca. 3 Mia BP auf ca. 30000 Genen

•1-Gen-1-Enzym-Hypothese (Beadle und Tatum)

•Syntenie Homologie: 80 % der Gene der Maus ähneln denen des Menschen, bei Schimpansen gibt es eine Übereinstimmung von 95% (Sept. 2002)

• Erkenntnisse am tierischen Genom (Maus) lassen Schlüsse auf das menschliche Genom zu

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Genregulation I

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Genregulation II

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Mutationen

• Fehler bei der Replikation der DNA (spontan oder durch Mutagene hervorgerufen) führen zu verschiedenen Allelen von Merkmalen (Polymorphismen)

• finden Mutationen bei der Produktion der Gameten statt, werden sie weitervererbt und unterliegen dem Selektionsprozess

• wirken sie sich günstig auf die Fitness eines Individuums aus, werden sie sich in der Population verbreiten (Bsp.: Sichelzellanämie bei Afroamerikanern)

• beim Menschen weist etwa die Hälfte aller befruchteten Eizellen Abberationen auf, die meisten führen zu Fehlgeburten

• bei der Geburt haben etwa 1 von 250 Kinder offensichtliche Chromosomenabberationen, die Hälfte davon bei Gonosomen

• Mutationen können strukturelle und numerische Chromosomenabberationen sein

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Das Auffinden von DNA-Polymorphismenam Beispiel von RFLP‘s und SSR‘s

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Genkartierung

• 46 Chromosomen

• Autosomen werden der Größe nach von 1 bis 22 durchnummeriert, dazu kommen X- und Y-Chromosom

• Der kurze Arm jedes Chromosoms wird mit p, der lange mit q bezeichnet

• Zur Festlegung des Genortes werden Chromosomennr., der Arm, Region- und Bandennr. angegeben (Bsp.: Huntington-Gen 4p16)

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Numerische Chromosomenabberationen bei Gonosomen

• Polysomien der Gonosomen entstehen durch ihre anormale Disjunction bei der Meiose

• das Fehlen eines vollständigen Chromosoms (Monosomie) ist mit Ausnahme des X-Chromosoms letal

• zusätzliche Chromosomen (Trisomie, ...) ist mit Ausnahme der kleinsten und des X-Chr. ebenfalls letal

• als Ausnahme werden nämlich überzählige X-Chromosomen im Laufe der Embryogenese inaktiviert (Barr-Körperchen), ihre Erbinformation wird nicht transkribiert (Lyon‘s Hypothese)

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Ergänzung I

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Ergänzung II

Lange Zeit wurde mit dem Ausdruck "Gen" ein Stück DNA bezeichnet, das für einProtein codiert. Diese ursprüngliche Definition des Gens als Struktureinheit wurdeaber zusehends verschmiert, je weiter die Forschung vordrang. Man stieß aufMosaikgene, überlappende Gene, gegenläufige Transkription und multiplePromotoren, die die Transkription an verschiedenen Orten beginnen können. Undwas ist mit der maternal vererbten Information in Form von m-RNA, die nur kurzeLebensdauer haben und nicht einmal am Chromosom oder im Zellkern liegen, aberunbestreitbar wichtige Information für die Entwicklung liefern? Heute ist es sehrviel schwieriger, das Gen eindeutig als Struktureinheit zu definieren. Daneben gibtes eine nicht schärfer umrissene funktionelle Definition des Gens, beginnend mitBeadle & Tatum´s "Ein-Gen-Ein-Enzym Hypothese" bis zur heutigen Ansicht als"Ein-Gen-Viel-Enzym Hypothese". Denn die entscheidende Information für einMerkmal liefert nicht nur die DNA Sequenz, sondern erst die gesplicte, alternativgesplicte oder editierte RNA bzw. das posttranskriptional modifizierte Protein bzw.die Regulationsmechanismen, die entscheiden, wann wo welche Informationmodifiziert werden soll. Das sind die wahren Entscheidungsträger, die einspezifisches Muster festlegen. Dem heutigen Wissen nach reicht der Genbegriffnicht mehr aus, um Struktur oder Funktion des genetischen Materials zubeschreiben. Es herrscht vielfach die Ansicht, solche Termini seien sogar zu einem"Hindernis für das Verständnis geworden". Gene seien keine "materiellen Objekte,sondern lediglich Begriffe, die ihre historische Bedeutung im Lauf dervergangenen Jahrzehnte erworben haben" und nicht mehr aktuell seien (Gilbert).Die Funktion läßt sich nicht mehr 1 : 1 auf die Struktur abbilden, und derGenbegriff ist für viele Erklärungen biologischer Funktionen obsolet geworden.Was hält den Genbegriff dann noch am Leben? Von www14.brinkster.com/sevenless/

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Seminar „Anlage und Umwelt“: Handout zum Vortrag „DNA - Die Grundlage der Vererbung“

Die Struktur der Erbsubstanz [2] Schraubenförmige -Doppelhelix-Struktur vorgestellt 1953 von Watson und Crick 4 Basen, die sich spezifisch paaren: Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin Zucker-Phosphorsäurerückgrat

Die Kodierung der Erbinformation [2] Jede der 20 zu kodierenden AS wird durch mindestens ein Basentriplett kodiert Der genetische Code ist nicht überlappend, ohne Pausenzeichen, degeneriert und universell

Die Replikation der DNA [2] Die Replikation der DNA verläuft semikonservativ Nachweis durch den Versuch von Meselson und Stahl an E.coli-DNA

Transkription und Translation [2] DNA wird im Kern in mRNA transkribiert und gelangt durch die Kernporen ins Zytoplasma Bei der Translation an den Ribosomen wird nach Anleitung der mRNA das entsprechende Enzym

synthetisiert Der Genbegriff [2]

1-Gen-1-Enzym-Hypothese (umstritten, siehe Vortragsversion im Internet) Syntenie Homologie: Unterschiede zu anderen Individuen oder Spezies im Genom gering Informationen über das tierische Genom lassen Rückschlüsse auf menschliches Genom zu

Genregulation [2] [4] Intron spielt eine Rolle bei der Regulation der Enzymproduktion Regulationsmechanismen durch Substrate oder Produkte von Stoffwechselketten

Mutationen [4] Mutationen führen zu verschiedenen Allelen von Merkmalen (Polymorphismen) Mutationen sind dem Selektionsprozess unterworfen Mutationen können numerische oder strukturelle Chromosomenabberationen sein

Das Auffinden von DNA-Polymorphismen am Beispiel von RFLP’s und SSR’s Durch Polymerasekettenreaktion (PCR) werden verwendete DNA-Abschnitte millionenfach kopiert RFLP: Restriktionslängenpolymorphismus (Identifikation von 2 Allelen) SSR: Einfachsequenzwiederholung (Identifikation mehrerer Allele/Triplettwiederholungen)

Genkartierung [2] Autosomen werden der Größe nach von 1 (größtes) bis 22 (kleinstes) durchnumeriert, dazu kommen X- und

Y-Chromosom; der kurze Arm eines Chromosoms wird mit p, der lange mit q bezeichnet Zur Festlegung des Genortes werden Chromosomennr., der Arm, Region- und Bandennr. angegeben

Numerische Chromosomenabberationen von Geschlechtschromosomen (Gonosomen) [3] [4] Mono- oder Polysomien von Chromosomen entstehen durch anormale Disjunktion bei der Meiose Monosomien sind immer, Polysomien meistens letal (Ausnahme: kleine und X-Chromosomen) Überzählige X-Chromosomen werden während der Embryogenese inaktiviert Zusammenhang zwischen überzähligen Y-Chromosomen und verstärkt männlichem Verhalten?

Literaturverzeichnis[1] Plomin, R. et al.; Gene, Umwelt und Verhalten. Bern: Verlag Hans Huber, 1999 (für alle)[2] Linder, H. et al.; Linder Biologie. 21. Aufl., Hannover: Schrödel, 1998

[3] Kollmann, A.; Einführung in die Genetik. Nürnberg: Diesterweg, 1977

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Abb. 1: Vereinfachte Schätzung genetischer undUmwelteinflüsse aus dem Vergleich von Verwandtenunterschiedlichen Verwandtschaftgrades (aus: Borkenau &Spinath, 2002)

Verwandtschaftsbeziehung Zur Ähnlichkeit beitragende Einflüsse

EZ, gemeinsam aufgewachsen a2 + d2 + i2+ c2

EZ, getrennt aufgewachsen a2 + d2 + i2

ZZ, gemeinsam aufgewachsen .5a2 + .25d2 + c2

ZZ, getrennt aufgewachsen .5a2 + .25d2

Geschwister, gemeinsam aufgewachsen .5a2 + .25d2 + c2

Elternteil-Kind, natürliche Familie .5a2 + c2

Leibliche Mutter - adoptiertes Kind .5a2

Adoptivgeschwister c2

Anmerkung: EZ = eineiige Zwillinge, ZZ = zweieiige Zwillinge, a2 = additivegenetische Varianz, d2 = Gendominanz, i2 = Epistase, c2 = gemeinsame Umwelt, m= Partnerkorrelation.

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Definitionen:

Erblichkeit (a2): Der Anteil der phänotypischen Varianz eines Merkmals, der auf genetischeUnterschiede zwischen Individuen zurück geht.

Geteilte Umwelt (c2): Solche Umwelteinflüsse, die zur Ähnlichkeit gemeinsam aufwachsenderPersonen beitragen.

Nicht geteilte Umwelt (e2): Solche Umwelteinflüsse, die zur Unähnlichkeit gemeinsamaufwachsender Personen beitragen.

Einfache Darstellung: VP = a2 + c2 + e2 (VP = phänotypische Varianz)

Vollständigere Darstellung: VP = (Va+Vm) + Vd + Vi + Ve + 2*Cov(a,e) + Vi + Verror

Genetische Varianz Umweltvarianz