Wolfgang Hennig
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Wolfgang Hennig Genetik Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 455 vorwiegend farbigen Abbildungen, 72 Tabellen und 30 Technik-Boxen Technische Universität Darmstadt FACHBEREICH 10 —BIOLOGIE — Bibliothek — Schnittspahnstraße 10 0-642 8 7 D a r m s t a d t Inv.-Nf. •••> Springer BB TU Darmstadt 52542677 Inhalt 1 Was ist Genetik? 1 Variabilität als biologisches Grundphänomen 5 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Umweltbedingte Variabilität Genetisch bedingte Variabilität Zusammenspiel von Umwelt und Genotyp Methodik der Untersuchung von Umwelteinflüssen Phänokopien j2 Vererbung als biologisches Grundphänomen . . . . . . . . . . . . . 23( 2.1 Die Mendelschen Regeln: Grundregeln der Vererbung 2.2 Statistische Methoden 2.2.1 Mathematische Grundlagen 2.2.2 Die x 2 -Methode 2.3 Mendel aus heutiger Sicht 2.4 Ergänzungen zu den Mendelschen Regeln 2.4.1 Unvollständige Dominanz 2.4.2 Codominante Expression von Allelen 2.4.3 Multiple Allelie .' 2.4.4 Der Ausprägungsgrad von Merkmalen 2.4.5 Polygenie 2.4.6 Pleiotropie 2.4.7 Epistasie ;3 9 12 14 17 18 26 37 37 39 41 42 42 43 45 46 47 51 55 D i e C h r o m o s o m e n t h e o r i e der Vererbung. . . . . . . . . . . . . . ..... 6lj 3.1 E i n Rückblick 3.2 D i e eukaryotische Zelle 3.2.1 D i e S t r u k t u r d e r Zelle r ITECHNIK-BOX 1 Autoradiographie an G e w e b e n , Zellen u n d C h r o m o s o m e n . . . . 64 66 66 67 XVI Inhalt 3.2.2 Keimbahnzellen und somatische Zellen 3.3 Der Zellzyklus 3.3.1 Mitotische Zellen 3.3.2 Mitose 3.3.3 Meiotische Zellen 3.3.4 Meiose I 3.3.5 "Meiose II 3.4 Lebenszyklen von Eukaryoten 3.5 Das eukaryotische Chromosom 3.5.1 Chromosomen als Träger der Erbanlagen 3.5.2 Morphologie der Chromosomen 3.5.3 Die Variabilität der Chromosomen 3.6 Extrachromosomale Vererbung 69 70 . 70 72 76 83 84 90 97 97 105 113 139 J 14 Grundlagen menschlicher Vererbung. 145 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 Methoden der Humangenetik Zwillingsforschung Stammbaumforschung Erbkrankheiten Geschlechtsgebundene Gene Autosomale Gene. Unvollständige dominante Expression von Allelen Allele mit unterschiedlicher Ausprägung Genetische, meist nichterbliche Krankheiten Down-Syndrom Geschlechtschromosomenaberrationen Mitotische Chromosomenanomalien Genetische Familienberatung 147 148 158 158 158 167 171 171 172 175 177 179 180 Steuerung von Genfunktionen auf chromosomalem Niveau . . . . 1 8 3 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 i 6.1 6.1.1 Dosiskompensation Drosophüa Säuger Genetische Mosaike Mitotische Instabilität Mitotische Rekombination 186 186 187 193 194 195 Molekulare Grundlagen der Vererbung . . . 201j DNA als Träger der Erbinformation Chemische Zusammensetzung . -. 204 204 Inhalt XVII I I TECHNIK-BOX 2 DNA-Sequenzierung 205 6.1.2 Konfiguration der DNA 209 6.1.3 Funktion der DNA 214 6.2 Die Verdoppelung des Erbmaterials (Replikation). 216 6.2.1 Physikochemischer Nachweis der semikonservativen Replikation 217 6.2.2 Cytologischer Nachweis der semikonservativen Replikation. . . . 218 r~~~i TECHNIK-BOX 3 Ultrazentrifugation 219 6.3 Mechanismus der Replikation 223 I I TECHNIK-BOX 4 Miller-Spreitungen 225 6.4 Rekombination 232 6.5 Genkonversion 241 j;7"V, Verwertung genetischer Information in der Zelle. . . . . 245 7.1 DNA, genetische Information und Informationsübertragung . . . 7.2 Der genetische Code 7.2.1 Die Entschlüsselung des Codes 7.2.2 Beweis der Colinearität 7.2.3 Allgemeingültigkeit des Codes 7.2.4 RNA-Editing 7.3 Transkription I I TECHNIK-BOX 5 Markierung von DNA: Nick Translation, Random Priming . . . . 7.3.1 Mechanismus der Transkription 7.3.2 Regulation der Transkription 7.4 Translation I I TECHNIK-BOX 6 Gelelektrophorese 7.4.1 Initiation 7.4.2 Elongation 7.4.3 Termination 247 253 253 254 255 256 256 8 3.1 1.2 3.3 257 258 259 263 265 268 270 270 Molekulare Struktur d e s eukaryotischen G e n o m s . . . . . . . . . , 2 7 3 Eigenschaften e u k a r y o t i s c h e r D N A Repetitive DNA 1 TECHNIK-BOX 7 Renaturierungskuietik-Experimente Heterochromatin und repetitive DNA 277 281 283 286 XVIII Inhalt I9 9.1 . 9.1.1 9.1.2 I 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.1.7 - 9.2 I 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5 Molekulare Struktur eukaryotischer Chromosomen Organisation der DNA im Chromosom Nukleoproteinfibrillen Chromosomale Proteine 1 TECHNIK-BOX 8 i In-situ-Hybridisierung von Nukleinsäuren Nukleosomen. Supercoiling der DNA Organisation der Nukleoproteinfibrillen Riesenchromosomenbanden und Chromomeren Chromosomale Domänen Chromatidenmodelle I TECHNIK-BOX 9 Chromosomenbanding und Chromosomenpainting Das Centromer Funktion Chromosomale Struktur des Centromers DNA-Struktur des Centromerenbereiches Das Telomer Funktion Molekulare Struktur Telomerenproteine Das Chromosom als funktionelle Einheit des Eukaryotenkerns . 289 292 292 292 293 294 296 298 300 301 302 303 306 306 306 307 309 309 310 313 314 l 10 Molekulare Struktur prokaryotischer Chromosomen 317 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.4 10.5 10.5.1 Bakterien Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide F-Plasmid Andere Plasmide Bakteriophagen Vermehrungszyklus Bakteriophage \ (Lambda) Bakteriophage Pl Bakteriophage T4 Transformation Das Genom von Piastiden und Mitochondrien Interaktionen zwischen Zellkern und Cytoplasmaorganellen . . . 319 321 321 326 327 328 331 335 337 345 347 349 I 11 Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene. . . .351 11.1 Kontrollmechanismen 11.2 Genstruktur und Genregulation 11.2.1 Das lac-Operon 353 356 356 Inhalt 11.2.2 11.2.3 11.3 11.3.1 11.3.2 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.5 Das Operonmodell , Weitere Regulationsmechanismen Quantitative Kontrolle von Biosynthesewegen Das trp-Operon Attenuation Regulation im Lambda-Genom Genomstruktur Lytischer Zyklus Lysogener Zyklus DNA-Protein-Interaktionen Überlappende Gene 358 359 360 360 361 364 364 365 368 368 369 | 12 Molekulare Struktur eukaryotischer Gene —. 373, 12.1 RNA-kodierende Gene: Ribosomale DNA TECHNIK-BOX 10 Klonierung von DNA TECHNIK-BOX 11 DNA-Klonierung in Plasmiden 12.1.1 Transkription der ribosomalen DNA 12.1.2 Processing primärer Transkripte 12.1.3 Sekundärstruktur der rRNA 12.1.4 Autokatalytisches Splicing von RNA-Molekülen 12.1.5 Die ribosomalen Transkriptionseinheiten 12.1.6 Der Nukleolus 12.1.7 Das Ribosom 12.1.8 Nukleoläre Dominanz 12.1.9 Multiplizität ribosomaler RNA-Gene 12.1.10 Unterreplikation und Amplifikation 12.2 RNA-kodierende Gene: Die 5S-rRNA-Genfamilie I I TECHNIK-BOX 12 Pulsed-Field-Gel-Elektrophorese 12.2.1 Gewebespezifität 12.2.2 Regulation der Transkription 12.2.3 Regulationseffekt von Histon Hl : 12.2.4 Feedbackregulation durch RNA-Konzentration 12.2.5 Der Regulationsmechanismus der 5S-rRNA-Transkription 12.3 RNA-kodierende Gene: Die Transfer-RNA-Genfamilien I 1 TECHNIK-BOX 13 Restriktionsanalyse 12.3.1 Posttranskriptionelle Modifikationen 12.3.2 Beladung der tRNA mit Aminosäuren 12.4 Proteinkodierende Gene: Die Globingenfamilie . . I 1 TECHNIK-BOX 14 Northern Blotting 12.4.1 Allgemeines I 1 TECHNIK-BOX 15 In-vitro-RNA-Synthese ...... 376 377 379 381 385 388 389 392 393 396 396 398 401 402 403 404 404 408 409 410 410 412 414 415 417 419 420 421 XIX XX Inhalt - 12.4.2 Lokalisation im Genom 12.4.3 Evolution der Genfamilie 12.4.4 Transkription 12.4.5 Splicingmechanismen 12.4.6 Funktion von Introns 12.4.7 Allgemeine Struktureigenschaften eukaryotischer Gene 12.5 ^Multigenfamilien 12.5.1 Histongene I I TECHNIK-BOX 16 Primer Extention 12.5.2 Tubulingene 12.6 Einzelkopiegene 12.6.1 Das Fibroingen 12.6.2 Seide 12.6.3 Fibroinsynthese 12.6.4 Struktur des Fibroins: ß-Faltblattstruktur 12.6.5 Selektiver Codongebrauch (Codon usage) 12.7 Die Genstruktur cytoplasmatischer Organellen 12.7.1 Regulation der Cytochrom-b-Synthese 12.8 Der Genbegriff 3 Veränderungen von Genen: Mutationen 13.1 Replikationsfehler 13.2 Spontane Basenveränderungen 13.3 Rekombinationsfehler 13.4 Strahleninduzierte Mutationen 13.4.1 Ultraviolette Strahlung 13.4.2 Energiereiche kurzwellige Strahlung 13.5 Transposons 13.6 Chromosomenmutationen 13.6.1 Numerische Chromosomenaberrationen 13.6.2 Strukturelle Chromosomenaberrationen 13.7 Genmutationen 13.7.1 Mutationen in den Globingenen 13.7.2 Nukleotidveränderungen I I TECHNIK-BOX 17 Restriktionsanalyse von DNA und Southern Blotting 13.7.3 Folgen von Basen Veränderungen 1 I TECHNIK-BOX 18 Verwendung von Balancer-Chromosomen 13.7.4 Stille Mutationen 13.7.5 Konditionale Mutationen 13.8 Erkennung von Mutationen 13.9 Mutagenizitätstests : 13.10 Häufigkeit von Mutationen 424 427 429 431 435 435 436 436 437 441 443 443 443 444 445 445 447 447 450 453, 458 459 460 461 461 466 472 472 472 485 492 492 495 497 504 505 509 510 512 514 518 Inhalt 14 Instabilität des Genoms: Transposons und Retroviren 14.1 I Allgemeine Eigenschaften von Transposons I TECHNIK-BOX 19 P-Element-Mutagenese 14.1.1 Transpositionsmechanismen 14.1.2 Funktion von Transposons 14.2 Prokaryotische Transposons 14.3 Eukaryotische Transposons .*•. . . • 14.3.1 Fold-back-Elemente 14.3.2 Weitere Transposons mit terminalen invertierten Repeats 14.3.3 Retrotransposons 14.3.4 Retroposons 14.4 Processierte Pseudogene 14.5 Transposons als Mutagene 14.6 Funktionelle Bedeutung von Transposons 14.7 Retroviren 14.8 Genomveränderungen und Krebs 14.8.1 Krebsentstehung durch Mutagene 14.8.2 Genetische Grundlagen der Tumorbildung 615 Die Koordination der Genfunktion: l,j:; i Genetische Kontrolle zellulärer Differenzierung 15.1 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.4 15.4.1 15.4.2 15.4.3 15.4.4 15.4.5 15.4.6 15.4.7 15.5 15.5.1 Totipotenz von Zellkernen ^. . Determination und Differenzierung von Zellen Imprinting Molekularer Mechanismus des Imprintings. . . Methylierung als epigenetische Markierung Wann erfolgt Imprinting? Determination und Transdetermiriation . . Determination und Differenzierung . . Transdetermination Kompartimente und Zelldifferenzierung DNA-Amplifikation Extrachromosomale und intrachromosomale Amplifikation . . Amplifikation von DNA: Ein allgemeiner zellulärer Mechanismus Die Häufigkeit von Amplifikationsprozessen Molekulare Mechanismen der Amplifikation Homogenisierung multipler Genkopien durch Amplifikation? Amplifikation und Zelldifferenzierung Intrachromosomale Amplifikation und Chromosomenstruktur Chromatinelimination und -diminution Chromatindiminution bei Nematoden 521 524 525 527 527 528 529 530 531 535 537 544 545 546 548 554 554 556 561 . . 564 566 566 568 570 572 573 573 575 575 579 . . 579 581 583 583 . . 584 584 . . 585 586 587 XXI XXII Inhalt 15.5.2 15.5.3 15.5.4 15.6 15.6.1 Chromatindiminution bei anderen Organismengruppen 589 Der Charakter eliminierter DNA-Sequenzen 589 DNA-Elimination und Zelldifferenzierung 590 Das Immunsystem 591 Funktion des Immunsystems der Säuger 591 I TECHNIK-BOX 20 Immunologische Nachweismethoden 593 TECHNIK-BOX 21 Elektronenmikroskopische Immunologie 595 15.6.2 Entwicklung und Struktur der Immunoglobulingene 597 15.6.3 Molekularer Aufbau der L-Ketten 600 15.6.4 Molekularer Aufbau der H-Ketten . . 605 15.6.5 Antikörperklassenwechsel („dass switching") 606 15.6.6 Transkription der Immunoglobulingene 609 15.6.7 Die Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst 610 15.6.8 Allgemeine Gesichtspunkte des Säugerimmunsystems 611 15.7 Differenzierungsmechanismen in Ciliaten 612 15.7.1 Kerndualismus: Mikro- und Makronuklei in einer Zelle 612 15.7.2 Entwicklung des Makronukleus . . 614 15.7.3 Gengroße DNA-Fragmente im Makronukleus 615 15.7.4 Veränderungen der rDNA-Struktur im Makronukleus 616 15.8 Regulation des Generationszyklus von Hefezellen 617 15.8.1 Spontane Veränderungen des Paarungstyps haploider Zellen . . . 617 15.8.2 Funktion des AL4T-Locus 617 15.8.3 DNA-Veränderungen im AL4T-Locus 619 15.9 Die Oberflächenantigene von Trypanosoma 621 i 16 Die Differenzierung von Organismen . . 16.1 Geschlechtsbestimmungsmechanismen 16.1.1 Drosophüa 16.1.2 Geschlechtsbestimmung bei Säugern 16.2 Keimbahn, Frühentwicklung und Musterbildung . . 16.2.1 Drosophüa I I TECHNIK-BOX 22 Enhancer-trap-Experimente 16.2.2 Pflanzen 16.2.3 Vergleich der männlichen und der weiblichen Keimzellenentwicklung 16.2.4 Genetische Methoden der Analyse von Differenzierungsprozessen 16.2.5 Analyse von Mutanten im Zebrafisch 623 626 626 636 638 638 639 671 673 675 676 Inhalt XXIII 1 17 17.1 17.2 17.3 17.3.1 17.3.2 17.4 17.5 17.6 17.6.1 17.6.2 17.6.3 18 I 18.1 Populationsgenetik Die Hardy-Weinberg-Regel Genetische Zufallsveränderungen (Random Drift) Natürliche Selektion Fitness Genetische Bürde Migration Isolation und Foundereffekte Zur Populationsgenetik des Menschen Die Ebene des Individuums Die Ebene der Gesellschaft Die Ebene der Evolution des Menschen 686 689 692 696 701 701 703 704 705 705 707 D a s menschliche G e n o m . . . . . . . ....... . .,: . . . . . . : . . . . . . 709, I T E C H N I K - B O X 23 Screening von Expressionsbibliotheken D a s H u m a n G e n o m e Projekt TECHNIK-BOX 24 Chromosomenwalking Analyse menschlicher Gene Genkartierung TECHNIK-BOX 25 Mikroklonierung TECHNIK-BOX 26 Polymerasekettenreaktion 18.2.2 Gene mit Trinukleotidrepeats 18.3 Gene und Krebserkrankungen I I TECHNIK-BOX 27 SSCP-Analyse (Single Strand Conformation Polymorphism-Analyse) I I TECHNIK-BOX 28 Two-Hybrid-Systeme 19 681 Genetik und Gentechnologie. . . .:'-. . . . . Künftige Forschungsschwerpunkte der Genetik Gentechnologie Methodik der Gentechnologie TECHNIK-BOX 29 Site-specific-Recömbination 19.2.2 Anwendungen der Gentechnologie 713 714 715 716 716 717 721 725 726 727 729 •. i •.'..". . . . .733, 735 736 737 741 743 XXIV Inhalt l ~ — 1 TECHNIK-BOX 30 Transformation v o n Säugerzellen u n d „Knock-out"-Mäuse . . . . 7 4 4 19.2.3 Soziale und ethische Probleme der Anwendung von Gentechnologie in der Medizin 760 1 Literaturverzeichnis . . . . . Glossar. . . . . . . . . . .-..:.... | Quellenverzeichnis d e r A b b i l d u n g e n u n d Tabellen > Sachverzeichnis *.'_, : . ;ä 763 -779 . 789 795
