Rolf Knippers Molekulare Genetik
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Rolf Knippers Molekulare Genetik 6., neubearbeitete Auflage 476 farbige Abbildungen 76 Tabellen 1995 Georg Thieme Verlag Stuttgart • New York Vlj Inhaltsverzeichnis Teil I: Grundlagen 1. Proteine: Eine Einführung 2 P r i m ä r s t r u k t u r : S e q u e n z d e r A m i n o s ä u r e n ••• 2 A m i n o s ä u r e n ••• 3 P e p t i d b i n d u n g ••• 3 W e c h s e l w i r k u n g e n z w i s c h e n A m i n o s ä u r e - S e i t e n k e t t e n ••• 3 Sekundärstrukturen: a-Helix und ß-Blatt 6 a - H e l i x ••• 6 ß - B l a t t ••• 7 Tertiärstrukturen: Von der Aminosäure-Sequenz zum gefalteten Protein • • • 8 P r o t e i n - D o m ä n e n ••• I I Untereinheiten •••12 F a l t u n g e n •••12 Literatur 13 2. DNA: Träger genetischer Information 15 Klassische Experimente der molekularen Genetik 15 Transformation v o n Bakterien •••15 Infektion m i t B a k t e r i o p h a g e n •••16 Bausteine v o n N u c l e i n s ä u r e n •••17 Z a h l e n v e r h ä l t n i s d e r N u c l e o t i d e •••18 Die D o p p e l h e l i x 18 D e n a t u r i e r u n g u n d R e n a t u r i e r u n g d e r D N A ••• 20 DNA-Helices: Flexible D N A - S t r u k t u r e n -22 Die B - F o r m •••22 Die A - F o r m -23 D i e Z - F o r m ••• 24 Variationen d e r B-Form •••24 Gebogene DNA •••24 Kreuzförmige DNA a n P a l i n d r o m e n •••25 IntramolekulareTriplex-Struktur •••27 HelixundSuperhelix •••27 Größe n a t ü r l i c h e r D N A - M o l e k ü l e -29 Wie m a n DNA u n t e r s u c h t -32 Zentrifugation •••32 Differentielle S e d i m e n t a t i o n -34 Z o n e n s e d i m e n t a t i o n ••• 34 S-Wert u n d B e s t i m m u n g d e r relativen M o l e k ü l m a s s e •••35 VIII Inhaltsverzeichnis I s o p y k n i s c h e Z e n t r i f u g a t i o n ••• 36 Anwendungen -36 E l e k t r o n e n m i k r o s k o p i e •••37 Elektrophorese -38 E n z y m e als H i l f s m i t t e l : D e s o x y r i b o n u c l e a s e Endonucleasen, Exonucleasen -39 R e s t r i k t i o n s n u c l e a s e n ••• 41 L i t e r a t u r ••• 4 3 •••39 3. Transkription, Translation und der genetische Code •••45 B a u s t e i n e u n d S t r u k t u r d e r RNA ••• 45 Ein i n t e r e s s a n t e r S o n d e r f a l l : R i n g f ö r m i g e RNA •••46 T r a n s k r i p t i o n o d e r d i e S y n t h e s e v o n RNA •••47 D a s g r u n d l e g e n d e S c h e m a •••47 R N A - P o l y m e r a s e i n B a k t e r i e n ••• 48 G e n a n f a n g : D e r P r o m o t o r •••49 E r e i g n i s s e a m P r o m o t o r ••• 50 E l o n g a t i o n : V e r l ä n g e r u n g d e r RNA-Kette •••52 T e r m i n a t i o n •••54 S t a b i l e u n d n i c h t s t a b i l e RNA ••• 55 Transfer-RNA u n ddieAktivierung v o nAminosäuren - 5 6 S t r u k t u r d e r t R N A ••• 56 B e l a d u n g d e r tRNA •••59 Translation: R i b o s o m e n u n d P r o t e i n s y n t h e s e -62 R i b o s o m e n : E i n e k u r z e B e s c h r e i b u n g •••63 P r o t e i n s y n t h e s e : G e n a u i g k e i t d e s S t a r t s ••• 6 5 I n i t i a t i o n s - t R N A a u c h i n E u k a r y o t e n - Z e l l e n •••68 Initiation der Translation -68 Elongation: Die p r o g r a m m i e r t e V e r k n ü p f u n g v o n A m i n o s ä u r e n -69 T e r m i n a t i o n ••• 71 G e s c h w i n d i g k e i t u n d G e n a u i g k e i t •••72 B e s o n d e r h e i t e n b e i B a k t e r i e n •••73 D e r g e n e t i s c h e C o d e •••74 E x p e r i m e n t e m i t k ü n s t l i c h e r m R N A •••75 D e g e n e r i e r t h e i t d e s g e n e t i s c h e n C o d e s : S y n o n y m e C o d o n s ••• 76 „ W o b b l e " b e i d e r W e c h s e l w i r k u n g v o n A n t i c o d o n u n d C o d o n --77 D e r g e n e t i s c h e C o d e i n d e r Z e l l e ••• 78 S e l e n o c y s t e i n : Ein S o n d e r f a l l ••• 79 Über die V e r w e n d u n g von C o d e w ö r t e r n 80 Literatur -80 4. Das Bakterium Escherichia coli als genetisches System: Gene und Cenexpression -83 E i n Ü b e r b l i c k --83 Die B a k t e r i o p h a g e n v o n E . c o l i ••• 85 D a s N u c l e o i d v o n E.coli ••• 86 G e n k a r t e n •••87 G e n e t i s c h e O r g a n i s a t i o n •••89 Inhaltsverzeichnis Die genetische Karte 91 Austausch v o n G e n m a t e r i a l •••93 F-Plasmid •••94 F'-Plasmide -^S Konjugation • • • 9 5 G e n k a r t i e r u n g d u r c h „ U n t e r b r e c h u n g d e r P a a r u n g " •••96 Transduktion -100 Mechanismen bakterieller Genregulation • • • 101 Regulons: Gengruppen u n t e r d e r Kontrolle eines gemeinsamen Transkriptionsfaktors •••101 Beispiel: Hitzeschock-Gene • 1 0 2 Alternative Sigma-Faktoren • • • 104 Stringente Antwort • • • 105 Negative und positive Kontrolle: Das toc-Operon als Bezugssystem •••111 Die Genprodukte • I I I Mutanten m i t v e r ä n d e r t e r Genregulation • • • 112 Das Modell • 1 2 4 DerLac-Repressor ••• 115 Positive Kontrolle: Das CAP-Protein • 1 1 8 Regulation durch Attenuation • • • 120 Zusammenfassende A n m e r k u n g e n • • • 124 Regulation von Genen des Bakteriophagen Lambda 124 Das Lambda-Genom • • • 125 Kontrollelemente - 1 2 6 Integration u n d Exzision • • • 126 Frühe Transkription • 1 2 7 Die Entscheidung: Lyse o d e r Lysogenie • • • 127 Der Lambda-Repressor • • • 129 Transkription des inr-Gens •••131 Induktion und lytischer Infektionsweg • 1 3 2 Wege der Lambda-Replikation • • • 133 Entstehung d e r Phagenpartikel • 1 3 3 Am Ende d e s lytischen Infektionsweges • • • 135 Literatur 136 5. DNA i m Z e l l k e r n : C h r o m a t i n u n d C h r o m o s o m e n -139 Zellkern •••140 Kernhülle • 1 4 0 K e r n - I n n e n r a u m ••• 141 Chromatin 142 Histone • 1 4 2 Nudeosomen • 1 4 4 Anordnung von Nucleosomen • • • 145 Einige Nicht-Histon-Chromatinproteine • • • 146 Chromosomen •147 Mitose: Von der Prophase zur Metaphase • • • 147 Mitose: Von der Anaphase zur Telophase • • • 150 Heterochromatin • • • 151 Metaphase-Chromosomen 151 Chromosomen d e s M e n s c h e n • 1 5 3 Chromosomensätze • • • 155 Polytäne Chromosomen 157 Literatur 159 IX Inhaltsverzeichnis Teil II: Allgemeine genetische Prozesse 6. DNA-Replikation: Weitergabe der genetischen Information 162 Ein klassisches Experiment 163 DNA-Polymerasen -164 Polymerisation von Desoxynucleotiden • • • 164 D N A - P o l y m e r a s e n v o n Escherichia coli ••• 166 DNA-Polymerase I - 1 6 6 D N A - P o l y m e r a s e II ••• 168 D N A - P o l y m e r a s e I I I • •• 168 P r i m a s e -170 E u k a r y o t i s c h e D N A - P o l y m e r a s e n •••171 DNA-Entwindung 172 DNA-Helikasen 172 DNA-Topoisomerasen ••• 173 T o p o i s o m e r a s e I •••174 TopoisomeraseII •••175 DNA-Ligase •••176 Ereignisse an der Replikationsgabel 177 Ablauf der Replikation des Bakteriengenoms •• 180 Ablauf der Replikation in Eukaryoten 184 Zellzyklus • 1 8 4 Regulation des Zellzyklus durch Proteinkinasen • • • 186 Cyclinabhängige Kinasen und ihre Inhibitoren • • • 187 Einleitung der Replikation ••• 188 Ende der Replikation -191 Literatur -193 7. Rekombination und Transposition 295 Homologe Rekombination 195 Meiose ••• 295 Reduktion des diploiden auf den haploiden Chromosomensatz • 1 9 5 Prophase der Meiose • • • 296 Folgerungen aus dem Meiose-Schema • 1 9 7 Rekombination: Grundbegriffe aus der klassischen Genetik •••199 Molekulare Biologie der allgemeinen Rekombination 202 Voraussetzungen • • • 202 Enzyme der Rekombination • • • 204 Strangaustausch und das Rec A-Protein • • • 204 Einzelstrang-Bereiche und das Rec BCD-Protein • • • 206 Branch Migration und das Ruv AB-Protein • • • 207 Auflösung der Holliday-Struktur und das Ruv C-Protein • • • 207 Genkonversion: Ereignisse im Heteroduplex-Bereich ••• 208 Transposition und integrative Rekombination 209 Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien • • • 209 Insertionssequenzen (IS-Elemente) •••• 209 Transposons ••• 210 Transponierbare Bakteriophagen • • • 222 Inhaltsverzeichnis Mechanismen der Transposition ••• 212 Konsequenzen der Transposition: Umstrukturierung im G e n o m ••• 2 1 4 Bewegliche genetische Elemente in Pflanzen • • • 224 Das Beispiel Drosophila melanogaster • • • 215 Copia-Elemente: Retroposons • • • 216 R e t r o v i r e n : E i n Ü b e r b l i c k ••• 2 1 7 Struktur und Vermehrungsweg • • • 218 Transduktion durch Retroviren • • • 220 Noch einmal: Retroposons • • • 223 Literatur --224 8. Mutationen: DNA-Schäden und Reparaturen -227 Arten der Mutation: Ein Überblick 227 Nudeotid-Austausch • • • 228 Leseraster-Mutationen • • • 229 Untersuchung von Mutationen bei Bakterien 230 Untersuchung von Mutationen bei Eukaryoten 232 Spontane Mutationen 235 Falscheinbauten • • • 235 Postreplikative oder Mismatch-Reparatur • • • 236 AP-Stellen als Ursache für Mutationen •••237 Oxidative Schäden an der DNA • • • 238 Entstehung spontaner Leseraster-Mutationen • • • 241 Hot Spots spontaner Mutationen • •; 242 Induktion von Mutationen 24$ Chemische Mutagenese • • • 245 DNA-Alkylierung •••245 Reparatur von alkylierten DNA-Basen und die adaptive Antwort • • • 247 Polycyclische Kohlenwasserstoffe • • • 248 DNA-Schäden durch ultraviolettes Licht und die Exzisionsreparatur • • • 249 Photoreaktivierung • • • 250 Exzisionsreparatur • • • 250 RekombinativeReparatur •••251 Exzisionsreparatur in Säugetier-Zellen und die Lehren: aus dem Studium von Xeroderma pigmentosum • • -252 DNA-Schäden durch ionisierende Strahlen • • • 254 Die SOS-Antwort und der SOS-Reparaturweg • •; 254 Extragenische Suppression von Mutationen 256 Literatur ••• 258 XI XII Inhaltsverzeichnis Teil III: Gene und Genome 9. Wie man Gene untersucht 262 Genom-Bibliotheken 263 Zerlegen der DNA -263 Plasmide als Vektoren • • • 264 Lambda-DNA als Vektor • • • 266 Cosmide als Vektoren • • • 269 Künstliche Hefe-Chromosomen • • • 269 cDNA-Bibliotheken •••270 Benutzung der Bibliotheken 274 Sequenzen 275 Ortsspezifische, biochemische Mutagenese 280 Künstlich eingeführte Nucleotid-Austausch-Mutationen • • • 281 Deletionen und Insertionen • • • 281 Literatur -282 10. Struktur eukaryotischer Gene: Exons und Introns 283 Entdeckung -283 Aufbau von Globin-Genen 285 Fragen 287 Ein Gen für ein Stoffwechsel-Enzym Struktur eines Kollagen-Gens -291 Konsequenzen 293 Pseudogene 294 Literatur 296 289 11. RNA-Polymerasen und die Grundlagen der Transkription von Eukaryoten-Genen 299 Eukaryotische RNA-Polymerasen 299 Struktur • • • 300 Anmerkungen zur biochemischen Funktion • • • 301 Promotoren in proteinkodierenden Genen 302 Zum Nachweis der Promotor-Funktion • • • 304 Versuche mit dem Promotor des ß-Globin-Gens • • • 305 Zum Vergleich: Der Promotor des TK-Gens • • • 306 Promotoren in Haushalts-Genen • • • 308 Zusammenfassung und Ausblick • • • 309 Ereignisse am Promotor • • • 310 Band-Shift-Assay - 3 1 1 DNA-Schutz-Experimente -312 Einleitung d e r Transkription ••• 313 Die besondere Funktion von TFII-D • • • 313 Z u s a m m e n b a u d e s Initiationskomplexes ••• 315 Die RNA-Polymerase II wird auf den Weg geschickt • • • 315 Proteine für die Promotor-Grundelemente • • • 315 S p l : Das GC-Box-Protein ••• 316 CCAAT-Binde-Proteine - - 3 1 7 Inhaltsverzeichnis RNA-Polymerase I und die Transkription von rRNA-Genen rRNA-Gene --SIS Promotor und Transkriptionsfaktoren • • • 320 RNA-Reifung ••• 322 Nucleolus •••322 Transkription v o n 5S rRNA- u n d tRNA-Genen •••324 Aufbau des Transkriptionskomplexes •• • 325 Die zentrale Funktion von TBP • • • 326 Literatur • • • 3 2 7 12. R e g u l a t i o n p r o t e i n k o d i e r e n d e r G e n e 328 •••329 Phosphorylierung als Signal 329 Genetische Antworten nach Zugabe von Serum zu ruhenden Zellen •••329 Genaktivierung durch Phosphorylierung: Der Promotor des c-Fos-Gens • • • 332 Genaktivierung durch Phosphorylierung: Eine Rolle für das Retinoblastom-Genprodukt • • • 335 Phosphorylierung und die Aktivierung von NF-xB • • • 337 DNA-Bindemotive in Transkriptionsfaktoren 340 Das bZIP-Motiv: Fos, Jun und API • • • 340 Das bHLH-Motiv: Zelltypspezifische Genexpression • • • 343 Regulation • • • 345 Embryogenese • • • 346 bHLH-Proteine in Nicht-Muskelzellen • • • 347 Max und Myc: bHLH-ZIP-Proteine -348 Struktur •••349 Helix-Turn-Helix-Motiv in der Homöobox und anderswo • • • 350 Molekularbiologie • • • 352 Die Homöobox in besonderer Umgebung • • • 353 Octamer-Bindeproteine • • • 353 POU-Proteine ••• 355 Die Familie der nuklearen Hormon-Rezeptoren • • • 356 Steroidhormon-Rezeptoren • • • 356 Bindung an den Promotor/Enhancer • • • 357 Besonderheiten: RAR und RXR ••• 360 Hinweise auf negative Genregulation 362 Chromatinstruktur und Genregulation 364 Globin-Gene • •• 364 Grundlagen • • • 364 Genetik ••• 365 Locus-Control-Region • • • 367 DNase-I-sensitives Chromatin und DNase-I-hypersensitive Stellen •••369 Bedeutung d e r DHS •••371 DNA-Methylierung Zusammenfassung Literatur ••• 375 -373 375 XIII XIV Inhaltsverzeichnis 13. Spleißen und Prozessieren -379 Grundlagen: Der Zwei-Schritt-Prozeß -379 Komponenten des Spleißapparates • • • 382 snRNPs •••382 Zusammenbau des Speißosoms 385 Spleißfaktoren: RNA-bindende Proteine •• 387 Selbstspleißen 388 Alternatives Spleißen 392 Erstes Beispiel: Exons können übersprungen werden • • • 392 Zweites Beispiel: Spleißen entfernt entweder das eine oder das andere Exon • • • 392 Drittes Beispiel: Zelltypspezifisches Spleißen • • • 394 Faktoren für alternatives Spleißen: Geschlechtsbestimmung bei Drosophila • • • 395 Noch eine Variation zum Thema: Trans-Spleißen 396 Das Ende der Botschaft: RNA-Prozessieren am 3'-Ende 397 Literatur ••• 401 14.Messenger-RNAimCytoplasma •••403 Stabilität der mRNA -404 Destabilisierungssequenzen • • 405 Regulationsproteine: Bindung an RNA-Schleifen • 406 Stabilitätswechsel im Zellzyklus • • • 408 Einleitung der Translation • • • 409 Initiationen ohne Kappe • • • 412 Regulationen 415 Sequenzen • • • 415 Regulation an Kappen • 415 Regulation an der 5'-Nichtkodierungsregion • • • 416 Regulation über das Protein eIF-2 • • • 416 P e p t i d s y n t h e s e u n d darüber hinaus Literatur ••• 418 417 Teil IV: Genetische Systeme 15. Untersuchungen an k o m p l e x e n G e n o m e n : Gene des Menschen •••420 Gene auf C h r o m o s o m e n •••422 In-situ-Hybridisierung • • 424 Zellfusion oder die Genetik somatischer Zellen • • • 426 Polymerase-Ketten-Reaktion • • 428 Biologische Genkarten 429 Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus(RFLP) ••• 432 Mikrosatelliten-Polymorphismus • • • 432 Weibliche/männliche G e n k a r t e n • • • 432 Positionelles Klonieren • 434 Inhaltsverzeichnis Physikalische Genkarten 437 Selten schneidende Restriktionsnucleasen • • • 438 Ordnung klonierter DNA • • • 439 Regionalkarten: Contigs in d e n Genen für I m m u n g l o b u l i n e ••• 441 Besonderheiten an X und Y 445 Y und Geschlechtsdifferenzierung • • • 446 X-Inaktivierung • • • 448 Genomische Prägung • • • 450 Molekulare Pathologie 453 Keimbahn-Mutationen: Deletionen, Inversionen und Trinudeotid-Expansionen • • • 453 Deletionen: Die Duchenne-Muskeldystrophie • • • 453 Inversionen: Hämophilie A • • • 455 Trinucleotid-Expansion: Fragiles X-Syndrom und andere Krankheiten ••• 457 Körperzeil-Mutationen: Viele Gene bewirken den Phänotyp Krebs • • • 459 Folgen von Mutationen • • • 460 Mutationen in RAS-Genen • • • 461 Mutationen im p53-Gen • • • 462 Körperzeil-Mutationen: Translokationen und Krebs • • • 464 Translokation und Genaktivierung • • • 464 Translokation und die Bildung zusammengesetzter Proteine • • • 465 Literatur • • • 4 6 7 16.Gene i n M i t o c h o n d r i e n u n d C h l o r o p l a s t e n •••471 DNA in Mitochondrien •••471 mtDNAdes M e n s c h e n •••473 Expression mitochondrialer Gene •••474 Replikation • • • 476 Cytoplasmatische Vererbung • • • 478 Formen mitochondrialer DNA • • • 478 Der genetische Code in Mitochondrien • • • 481 RNA-Edition •••481 Cytosin-nach-Uracil-Austausch in m i t o c h o n d r i a l e r DNA •••481 Einfügen von Nucleotiden: RNA-Edition in Mitochondrien von Trypanosomen • • • 482 DNA in Chloroplasten 485 Allgemeine Strukturmerkmale • • • 485 Gene: Anordnung und Funktion • • • 486 Expression von ct-Genen • • • 488 Anmerkungen zur Evolution 489 Literatur -491 Sachverzeichnis 493 XV
