Lehrbuch der Genetik

Lehrbuch
der Genetik
Elisabeth Günther
6., erweiterte, neugestaltete Auflage
Mit 343 Abbildungen, 14 Fotos und 55 Tabellen
Gustav Fischer Verlag Jena • 1991
Inhaltsverzeichnis
1.
Die wesentlichen Prozesse der Vererbung
15
Das genetische Material
2. Chemische Struktur der Erbanlagen
2.1.
2.2.
2.2.1.
2.2.1.1.
2.2.1.2.
2.2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.9.1.
2.9.2.
2.10.
Bestandteile der Nucleinsäuren
Polynucleotide
DNA
Struktur der DNA
Genetische Spezifität der DNA
RNA
Biochemische Isolation und Trennung verschiedener Nucleinsäuren
. . . .
Restriktion und Modifikation
Spaltung und Abbau von Nucleinsäuren
Synthese von Nucleinsäuren
Denaturierung, Renaturierung und Hybridbildung von Polynucleotidketten . .
Zusammenwirken von DNA mit Proteinen
Sequenzanalysen bei Nucleinsäuren
Sequenzanalyse der DNA
Sequenzanalyse der RNA
Autoradiographie
3. Zytologie der Genome
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.3.
3.4.
3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
3.4.4.
3.4.5.
3.4.6.
Verschiedene genetische Bereiche
Genome einiger Viren
RNA-Viren
DNA-Viren
Chromosom der Bakterien
Genetisches Material der Eukaryoten
Zellkern
Organisation des Chromosoms
DasChromatin
Metaphasechromosomen
Besondere Chromosomen
„Künstliche" Chromosomen
17
17
20
21
21
24
26
26
29
30
31
33
35
36
36
40
40
40
41
42
42
44
50
52
52
55
56
59
62
66
8
Inhaltsverzeichnis
Verdoppelung und Verteilung des genetischen Materials
4. Replikation und Verteilung
4.1.
Allgemeine Prinzipien der Replikation
4.1.1.
Replikation der DNA nach dem Prinzip der Basenpaarung
4.1.2.
Das Kornberg-Experiment
4.1.3.
Nachweis der semikonservativen Replikation .
4.2.
Ablauf der Replikation
4.2.1.
Enzyme und Gene der DNA-Replikation
4.2.2.
RNA-Primer
4.2.3.
Replikation des £-co/i-Chromosoms
4.2.4.
Initiation der Replikation
4.3..
Replikation der DNA im Chromosom der Eukaryoten
4.4.
Rolling-Circle-Replikation
4.4.1.
a-Replikation
4.4.2.
Replikation des PhagenßX 174
4.5.
Synthese von DNA-Teilsequenzen - Amplifikation
4.6.
Reverstranskription
4.7.
Replikation von RNA
4.8.
Verteilung der verdoppelten Erbinformation
4.8.1.
Verteilung bei Bakterien
4.8.2.
Verteilung bei Eukaryoten
4.8.2.1. Mitose
4.8.2.2. Meiose
"
4.8.2.3. Kernphasenwechsel - Ergebnis der Meiose
69
69
70
71
75
76
77
79
79
81
82
83
83
84
86
87
88
88
88
90
90
98
101
Wirkung der Gene
5. Proteinbiosynthese und Merkmalsausbildung
5.1.
Eigenschaften der Proteine
5.2.
Kurze Übersicht über die bei der Proteinbiosynthese ablaufenden Prozesse . .
5.3.
Transkription
5.3.1.
Ablauf der Transkription
5.3.2.
RNA-Polymerasen
5.3.3.
Promoter - Startsequenz der Transkription
5.3.4.
Synthese der mRNA bei Prokaryoten
5.3.5.
Synthese der mRNA-Vorstufen und Posttranskriptionsprozesse bei Eukaryoten .
5.3.6.
Synthese der tRNA
5.3.7.
Synthese der rRNA
5.4.
Translation
5.4.1.
Der Genetische Code
5.4.2.
Ribosomen
5.4.3.
tRNA
•
5.4.4.
Der Translationsvorgang am Ribosom
5.5.
Merkmalsausbildung
5.5.1.
Ein Gen - ein Polypeptid
5.5.2.
Polygenie
5.5.3.
Pleiotropie
5.5.4.
Zusammenwirken der Allele
5.6.
Aktivität in Cis oder Trans
5.6.1.
Cis-trans-Test
5.6.2.
Intergene und interallele Komplementation
5.6.3. '• Komplementationskarten
103
103
106
107
107
108
109
110
112
116
116
117
117
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122
124
127
127
130
130
131
134
135
137
138
Inhaltsverzeichnis
9
6. Regulation der Genaktivität
6.1.
6.2.
6.2.1.
6.2.2.
6.2.3.
6.2.4.
6.2.5.
6.3.
6.3.1.
6.3.2.
6.3.3.
6.3.4.
6.3.5.
6.4.
6.4.1.
6.4.2.
6.4.3.
6.4.4.
6.4.5.
6.5.
6.6.
6.6.1.
6.6.2.
6.6.3.
6.6.4.
6.6.5.
6.6.6.
Effektivität der Transkription am Promoter
Regulation der Transkription der Prokaryoten
Positive Regulation
Negative Regulation - Regulation am Operator
Regulation am Attenuator - Translationskontrolle der Transkription
Regulon
Autoregulation
Posttranskriptionale Regulation bei Prokaryoten
Initiation der Translation
Stabilität und Struktur der mRNA
Modulation
Autogene Regulation der Translation durch Proteine
Regulation durch andere, komplementäre RNA
Regulation bei Eukaryoten
Bedeutung der Struktur des Chromatins für die Regulation
Aktivitätswechsel im Polytänchromosom
Regulation am Promoter
Posttranskriptionale Regulation
Wirkung von Steroidhormonen auf die Transkription
Regulation der Translation
Genetik der Differenzierung und Entwicklung
Entwicklung von T7
Übergang zur Sporulation bei Bacillus subtilis
Differenzierung bei höheren Organismen
Homeotische Gene
Gibt es eine biologische Uhr?
Weitere an der Differenzierung beteiligte Faktoren
139
140
140
141
142
149
151
152
152
152
152
153
154
154
155
156
156
159
159
161
162
162
163
163
163
166
166
166
. . . .
7. Der Einfluß der Umwelt
7.1.
7.1.1.
7.1.2.
7.1.3.
7.1.4.
7.1.5.
7.1.6.
7.1.7.
7.2.
7.3.
7.4.
Modifikationen
Einfluß der Ernährung
Einfluß von Temperatur und Licht
Modifikationskurve
Modifikationen sind nicht erblich
Phänopathien beim Menschen •
Möglichkeiten für die Erforschung der Modifikationen beim Menschen
Euphenik
Dauermodifikationen
Prädeterminationen
Anpassungen durch Amplifikation
167
. . .
. .
8. Nachweise für den Erbträgercharakter von DNA und RNA
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
167
168
169
171
172
173
174
176
176
177
177
178
Transformation
Nachweis des Erbträgercharakters von Phagen-DNA
Andere molekularbiologische Beweise
Nachweis des Erbträgercharakters der RNA
178
179
180
181
Mutationen
9. Genmutationen
9.1.
9.1.1.
9.1.2.
Basenpaarsubstitutionen
Entstehung von Mutationen durch Replikationsfehler - Spontane Mutabilität
Basenpaarsubstitutionen durch Basenanaloga
182
.
187
189
191
10
Inhaltsverzeichnis
9.1.3.
9.1.3.1.
9.1.3.2.
9.1.4.
9.1.4.1.
9.1.4.2.
9.2.
9.2.1.
9.2.2.
9.2.3.
9.3.
9.3.1.
9.3.2.
9.3.3.
9.3.4.
9.4.
9.5.
9.6.
9.7.
9.7.1.
9.7.2.
9.7.3.
9.8.
9.9.
9.10.
9.11.
9.12.
Direkte Veränderungen einer Base
."
Nitrit (NA)
Hydroxylamin (HA)
Basenveränderungen, die nicht mehr als Muster für eine normale DNA-Replikation dienen -.
Alkylierende Substanzen
Mutagene Wirkung von Strahlen
Veränderungen der Nucleotidanzahl oder-folge
Frameshiftmutationen
Makroläsionen
Insertionsmutanten
Reparaturprozesse
Reparatur durch direktes Entfernen der Veränderung
Reparatur durch Excision fehlerhafter Basen oder Nucleotide
Postreplikationsreparatur
Plasmidbedingte Reparatur
Rückmutationen und Suppressormutationen
Nachweis von Genmutationen
Spezifische Mutagenempfindlichkeit
Genetisch bedeutungsvolle Mutanten
Auxotrophe Mutanten
Resistenzmutanten
Konditionale Mutanten
Gezielte Mutagenese
Phänotypische Ausprägung von Mutationen bei höheren Organismen . . . .
Multiple Allelie
'
Bedeutung der Mutationen für die Evolution
Mutationszüchtung
192
193
194
195
196
197
198
198
201
203
203
203
204
205
207
207
212
215
215
215
216
220
220
222
224
228
234
10. Chromosomenmutationen
10.1.
10.2.
10.3.
10.4.
10.5.
10.5.1.
10.5.2.
10.6.
10.7.
Deletionen
Duplikationen
Inversionen
Translokationen
Chromosomenmutationen beim Menschen
Deletionen
Translokationen
Anwendung von Chromosomenaberrationen in der Schädlingsbekämpfung
Unterscheidung von Chromosomen- und Genmutationen
11. Ploidiemutationen
11.1.
11. .1.
11. .2.
11. .2.1.
11. .2.2.
11.1.2.3.
11.1.3.
11.2.
11.2.1.
11.2.2.
11.2.3.
11.3. .
Euploidie
Haploidie
Polyploidie
Autop'loidie
Alloploidie
Autoalloploidie
Endopolyploidie
Aneuploidie
Hypoploidie'
Hyperploidie
Aneuploidie beim Menschen
Genomgleichgewicht und Polyploidie
235
.
.
237
240
242
244
249
249
250
250
251
251
252
253
253
257
259
263
264
265
266
266
267
270
Inhaltsverzeichnis
11
Rekombinationen
12. Interchromosomale Rekombination - Verteilung der Allele ungekoppelter Gene
12.1.
12.1.1.
12.1.1.1.
12.1.1.2.
12.1.1.3.
12.1.1.4.
12.1.1.5.
12.1.1.6.
12.1.1.7.
12.1.2.
12.1.3.
12.1.4.
12.1.5.
12.1.5.1.
12.1.5.2.
12.2.
12.2.1.
12.2.2.
12.3.
12.3.1.
12.3.2.
12.3.2.1.
12.3.2.2.
12.4.
Diploide Organismen
Monohybride Kreuzung
Das erste und zweite Mendelsche Gesetz
Vererbung des Geschlechts
Beweise für die Lokalisierung der Erbfaktoren in den Chromosomen
X-chromosomale Vererbung beim Menschen
Rekombination zum Nachweis von Mutationen
Xenien
Spaltung bei Prädetermination
Dihybride Kreuzung
Trihybride Kreuzung
Polyhybride Kreuzung
Vererbung bei Polygenie
Komplementäre Polygenie
Additive Polygenie
Haploide Organismen
Monohybride Kreuzung
Dihybride Kreuzung
Polyploide Organismen
Monofaktorielle Kreuzung bei Tetraploiden
Monofaktorielle Kreuzung bei Disomen und Trisomen
Disome
Trisome
Statistische Sicherung von Spaltungszahlen
.
.
.
. . . .
13. Intrachromosomale Rekombination
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
13.5.1.
13.5.2.
13.6.
13.7.
13.8.
Faktorenkoppelung und Faktorenaustausch
Die Rekombinationseinheit
Intrachromosomale Rekombination durch mitotisches Crossing over bei Diploiden
Intrachromosomale Rekombination durch meiotisches Crossing over . . . .
Intrachromosomale Rekombination durch meiotisches Crossing over bei Haploiden
Massensporenanalyse
Tetradenanalyse - r
Drei-Punkt-Kreuzung
Intragene Rekombination
Genkonversion
276
277
277
277
283
285
287
289
291
291
292
296
299
299
299
300
306
306
307
308
308
309
309
310
310
311
316
316
317
318
325
325
326
331
333
336
Rekombinationen in Verbindung mit parasexuellen Prozessen
14. Parasexuelle Prozesse bei Eukaryoten
14.1.
14.1.1.
14.1.2.
14.2.
14.3.
14.3.1.
14.3.2.
14.3.3.
14.3.4.
Parasexueller Zyklus bei Pilzen
Haploidisierung
Vorkommen parasexueller Zyklen
Vegetative Hybriden
Somatische Zellhybriden bei höheren Organismen
Somatische Zellhybriden aus tierischen Zellen
Kartierung menschlicher Gene
Somatische Zellhybriden bei Pflanzen
Fusion tierischer Zellen - chimäre Nachkommen
338
338
339
340
340
341
341
342
343
344
12
Inhaltsverzeichnis
15. Rekombination bei Phagen
15.1.
15.2.
15.3.
15.4.
Di- und trifaktorielle Kreuzungen bei Phagen
Partielle Heterozygotie bei Phagen
Gegenseitige Ausschließung
Phänotypisches Verhalten von Phagen, bei denen sich Genom und Proteinhülle
unterscheiden („Phenotypic mixing")
345
345
350
351
351
Rekombination bei Bakterien
16. Transformation
357
16.1.
Transformation bei Bakterien
357
16.2.
Transfektion
362
17. Transduktion
363
17.1.
Spezialisierte Transduktion
17.2.
Allgemeine Transduktion
17.3.
Spezialisierte Transduktion mit dafür ungewöhnlichen Genen
18. Plasmide und Konjugation der Bakterien
364
367
373
375
18.1.
18.1.1.
18.1.2.
18.1.3.
18.2.
18.2.1.
18.2.2.
18.2.3.
18.2.4.
18.3.
18.3.1.
18.3.2.
18.4.
Plasmide
Nachweis von Plasmiden
Vegetative Replikation der Plasmide
Andere plasmid-codierte Gene
Konjugation der Bakterien
Konjugativer Transfer der Plasmide
Mobilisierung
Konjugativer Transfer chromosomaler Gene
F-Plasmid bedingter Transfer bei E.coli
Rekombination zwischen verschiedenen Plasmiden
Cointegrate
Hybridplasmide
Integration chromosomaler Gene in Plasmide
19. Transponierbare Elemente und Transposition
19.1.
19.1.1.
19.1.2.
19.1.3.
19.1.4.
19.1.5.
19.2.
19.2.1.
19.2.2.
395
Transponierbare Elemente und Transposition bei Prokaryoten
399
Transponierbare Elemente der Klasse I
400
Transposons der Klasse II
401
Transponierbare Elemente der Klasse III
402
Übertragung von Transposons
403
Bedeutung der Transposons
403
Transponierbare Elemente und Transposition bei Eukaryoten
404
Typische Transponierbare Elemente
404
Retroviren und Retroviren-ähnliche Transposons und ihre Transposition . . . r 406
20. Rekombinierte DNA und Gentechnik
20.1.
20.1.1.
20.1.2.
20.1.3.'
20.1.4.
20.2.
20.2.1.
376
377
379
380
383
384
386
387
387
391
391
393
393
Vectoren
Vectoren für Bakterien und Hefen
Vectoren und andere Übertragungsverfahren für pflanzliche Zellen
Vectoren für tierische Zellen
Expressions-Vectoren
Gewinnung von Passagier-DNA
•
DNA-Synthese nach dem Protein
407
407
409
412
414
416
417
417
Inhaltsverzeichnis
20.2.2.
20.2.3.
20.2.4.
20.3.
20.4.
20.5.
20.5.1.
20.5.2.
20.5.3.
20.6.
20.6.1.
20.6.2.
20.6.3.
20.6.4.
20.6.5.
20.6.6.
20.6.7.
cDNA-Herstellung nach der mRNA
Schrotschuß (= shotgun)-Clonierung
Genbibliotheken
Ligation - Einbau der Passagier-DNA in den Vector
Transfer der Rekombinierten DNA in die Wirtszelle
Selektion des erwünschten Clons
Koloniehybridisierung
Weitere Clon-Analyse
Selektion des richtigen Clons nach den Genprodukten
Beispiele für Anwendungen der Gentechnik
Somatostatin-Synthese nach einem chemisch synthetisierten Gen
Interferon-Synthese durch Verwendung von cDNA
Analyse eines großen Gens nach der Methode des „Chromosomal Walking" . .
Insektenresistenz bei Pflanzen durch gentechnische Maßnahmen
Pränatale Untersuchung von DNA
'
Mikroinjektion von DNA in Eizellen von Tieren
Gentherapie?
21. Immungenetik
21.1.
21.2.
21.3.
21.4.
L-Ketten
H-Ketten
Joining in den V-Regionen
Allelic exclusion
22. Lokalisierung genetischer Bereiche
22.1.
22.1.1.
22.1.2.
22.1.3.
22.1.4.
22.1.5.
22.1.6.
22.1.7.
22.2.
22.2.1.
22.2.2.
22.2.3.
22.2.4.
22.3.
22.3.1.
22.3.2.
22.3.3.
Genetische Methoden
Zuordnung zum Genom oder Plasmon bei Eukaryoten
Zuordnung zum Genom oder zu den Plasmiden bei Prokaryoten
Bestimmung der Koppelungsgruppen
Lokalisierung von Genen im Chromosom
Aufstellung von genetischen Karten bei Prokaryoten
Lokalisierung von Mutationsorten im Gen
Vergleich des Abstandes in Rekombinationseinheiten mit dem Abstand in Aminosäuren und Nucleotidpaaren
Molekularbiologische Methoden
Isolation und Trennung von Eukaryoten-Chromosomen
DNA-Bibliotheken
.
Identifizierung von Clonen aus der DNA-Bibliothek
Zuordnung der Clone aus der DNA-Bibliothek oder anderer Clone zum Genom .
Optische Messung genetischer Bereiche
Elektronenoptischer Vergleich mit einer Referenz-DNA
Heteroduplexanalyse
Bestimmung A-T-reicher Sequenzen
23. Vererbung durch Gene außerhalb des Kerns
23.1.
23.1.1.
23.1.2.
23.1.3.
23.2.
23.2.1.
23.2.2.
23.2.3.
23.2.4.
23.3.
23.4.
DNA-Strukturen außerhalb des Kerns
DNA der Mitochondrien
DNA der Piastiden
Plasmide der Eukaryoten
Nachweis einer nichtchromosomalen Vererbung
Mütterliche Vererbung
Nichtmendelnde Vererbung
Vegetative Umkombination
Keine Lokalisierung in Koppelungsgruppen der Chromosomen
Entstehung von Plasmonmutationen
Auslösung extrachromosomaler Mutationen durch Kerngene
13
418
419
419
419
421
422
422
423
423
423
424
425
426
427
428
429
430
430
432
433
435
436
436
437
437
437
437
438
440
440
441
443
444
445
446
446
449
449
449
451
451
452
452
454
455
455
455
458
460
461
461
461
14
Inhaltsverzeichnis
23.5.
23.6.
23.7.
23.8.
Komplementation nach Zellfusion
Genetischer Flux
Senescence
Das Killer-Prinzip bei Paramecium
24. Populationsgenetik
24.1.
24.2.
24.3.
24.3.1.
24.3.2.
24.3.3.
462
463
463
463
465
Autogame Populationen
AUogame Populationen
Veränderungen der Population
Einfluß der Selektion auf die Population
Einfluß der Mutationen auf die Genfrequenz
Weitere auf die Population einwirkende Faktoren
465
466
469
469
471
471
25. Anwendung der Rekombinations- und Populationsgenetik in der Züchtung
471
25.1.
25.2.
25.3.
Selektionszüchtung
Kreuzungszüchtung
Heterosiszüchtung
472
472
475
Literaturverzeichnis
478
Register
491