Größenverhältnisse von Viren, Bakterien und Eukaryotenzellen Virus
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Viren Größenverhältnisse von Viren, Bakterien und Eukaryotenzellen tierische Zell Virus 0,5 µm Campbell 17.1 1 Viren – die einfachsten Lebensformen • Obligate intrazelluläre Parasiten, können sich nur in Wirt vermehren • Keine eigene Replikation, kein eigener Stoffwechsel • Genome aus DNA oder RNA • Proteinmantel, der ein Virusgenom umhüllt = Capsid (kann verschiedenartig gestaltet sein) • Wirtsspezifität – Pflanzen, Tier, Bakterien Bakteriophagen, Phagen = Bakterienviren Da Viren keine Zellwand und keine Ribosomen besitzen können ihnen Antibiotika nichts anhaben! 2 Aufbau von Viren Tabakmosaik.virus Adenovirus Influenzavirus T-Phage RNA DNA RNA DNA Ikosaeder Campbell 17.2 3 Vereinfachter Vermehrungszyklus eines DNA-Virus 1. Replikation durch die Enzyme des Wirts 2. Translation durch Enzyme und Ribosomen des Wirts 3. Selbstzusammenbau der DNA und des Capsids Campbell 17.3 4 Lytischer und lysogener Zyklus von Bakteriophagen virulenter Virus temperenter Virus 5 Purves et al. 13.2 Wie macht man eine Bakteriophageninfektion sichtbar ? Infizierte Zelle Bakterien auf Agarmedium Lyse Phagen infizieren die Bakterien in der Nähe Plaque Bakterienrasen 6 Reproduktionszyklus des Influenzavirus Aufnahme in die Zelle durch Endocytose RNA-abhängige RNA-Polymerase 7 Purves et al. 13.4 Retroviren RNA-Viren z.B. HIV (Human Immunodeficiency Virus) verursacht AIDS (acquired immunodeficiency syndrome ) RNA Reverse Transkription Reverse Transkriptase DNA-Polymerase Reverse Transkriptase DNA cDNA (complemetary DNA) einzelsträngig doppelsträngig 8 Reproduktionszyklus von HIV Reverse Transkriptase In Deutschland 2006: ca. 56.000 Menschen mit HIV, darunter ca. 47.000 Männer, rund 8.500 Frauen und rund 400 Kinder. Bei 8.700 Personen war AIDS bereits ausgebrochen. Im Jahr 2006 kam es zu ungefähr 2.700 Neuinfektionen. HIV/AIDS in Deutschland – Eckdaten, Epidemiologische Kurzinformation des Robert Koch-Instituts Purves et al. 13.5 9 Escherichia coli Genom: 4600 kBp = 4,6 Mb Gene: 4491 wahrscheinlich best-untersuchter Organismus, das Werkzeug in der Molekularbiologie 10 E. coli Zelle Nucleoid-DNA Zelle bei der Teilung Replizierte DNAs 11 Plasmide: • kleine, ringförmige, eigenständige DNA-Moleküle • mit Genen, die in dem Haupt-DNA Molekül nicht vorkommen • tragen ein oder mehrere Gene • verleihen der Zelle nützliche Eigenschaften (z.B. Resistenz gegen Antibiotika) • besitzen Replikationsursprung, replizieren unabhängig vom Hauptmolekül • Größe variiert von 1 – 250 kb Nucleoid-DNA E. coli Zelle Plasmide Plasmid 12 Plasmide replizieren als unabhängige Einheiten Plasmid Replikation Episomen sind integrationsfähige Plasmide, die sich ins Haupt-DNA-Molekül einbauen können integriertes Episom Replikation als integriertes Episom 13 Wachsende E. coli Zellen im Labor Verdopplungszeit 20 min Aus einer Zelle geht eine Population identischer Zellen hervor ->Klon Purves et al. 13.7 14 Genetische Rekombination bei E. coli Experiment von Lederberg und Tatum Mischkultur von komplementär auxotrophen Mutanten -> ein prototropher Stamm kann nur durch Rekombination entstanden sein Purves et al. 13.7 15 Bakterielle Konjugation Physischer Kontakt durch kontraktilen Faden: Sexpilus FF+ = Spender (Donor) F- = Empfänger (Akzeptor) F+ Übertragung des F-Plasmids (F = fertility) über Konjugationsschlauch (Cytoplasmabrücke) 16 F-Plasmid (fertility-plasmid) • verantwortlich für Konjugation • nur in F+ Zellen • ca. 95 kb • wird nur einmal in jedem Zellzyklus repliziert • ca. 100 Gene • wichtig für Ausbildung der Pili • kann auch in Haupt-DNA Molekül integriert sein (Episom) ->Hfr-Stämme (high frequency of recombination) F-Plasmid F+ Zelle F-Plasmid F-Plasmid 17 Pili sorgen für Zellkontakt Pilus F-Plasmid F+ Zelle F- Zelle Über Konjugationsbrücke wird F-Plasmid auf F--Zelle übertragen Replikation und Übertragung 18 Integration des F-Plasmids in das Bakteriengenom erzeugt Hfr-Stämme (Hfr = high frequency of recombination) F+-Stamm Hfr-Stamm 19 Hfr-Stämme übertragen Teile des Haupt-DNA-Moleküls 20 Konjugation eines HFr-Stammes mit einem F--Stamm Replikation beginnt am F-Plasmid Übertragung der Gene A- und B- Konjugationsbrücke bricht, bevor das komplette F-Plasmid u. das Genom übertragen sind Rekombination zwischen den Chromosomen-Fragmenten A-B-C-D A-B--C-D 21 Campbell 17.12 Rekombination im Anschluss an die Konjugation 22 Purves et al. 13.9 Transformation und Transduktion 23 Purves et al. 13.10 Transdukktion Transformation Konjugation 24 Transduktion Veränderung der Bakterien durch Bakteriophagen, diese transferieren bakterielle DNA zwischen den Bakterien Transformation ungerichtete Aufnahme freier (nackter“) DNA aus dem Milieu (DNA lysierter Mikroorganismen) kann von einigen Bakterien aufgenommen werden. Hierbei treten unter Umständen Rekombinationséreignisse ein, welche die genetische Variabilität der Bakterien erhöhen Konjugation Austausch von Plasmiden (kurze, ringförmige DNAs mit zusätzlicher genetischer Ausstattung wie z.B. Resistenzgenen). Plasmide können innerhalb einer Population einer bestimmten Bakterienart weitergegeben werden oder sogar zwischen verschiedenen gram-negativen Bakterien. Modellcharakter hat der sogenannte F-Pilus (auch Sex-Pilus) bei E. coli. über diesen F-Pilus übertragen F+-Bakterien das Plasmid auf FEmpfängerbakterien. 25 Transposons (transponierbare Elemente) DNA-Abschnitte, die ihren Ort wechseln können „springende Gene“ Gen Transposon 26 Einfache Transposons Insertionssequenz (IS) von Bakterien atggc atggc Transposase inverted repeat 5‘ ATCCGGT------------------ACCGGAT 3‘ 3‘ TAGGCCA------------------TGGCCTA 5‘ 27 Janning & Knust 18.1 Transposition eines IS-Elements Einbau des Transposons Transposase katalysiert die Bewegung des Transposons von einer Stelle im Genom zu einer anderen 28 Campbell 17.13 Campbell 17.14 Komplexe Transposons Transposon Tn9 von E. coli Chloramphenicol-Resistenzgen flankiert von IS-Elementen Janning & Knust 18.3 29 Transposons bei Eukaryoten Maiskolben 30 Transposons bei Eukaryoten Gen für Blütenfarbe Windenblüte (Ipomoea purpurea) Campbell 18.9 31 Transposons beim Mais Graw 9.1 Barbara McClintock 1940-1955 32 Transponierbare genetische Elemente von Säugern sind repetitiv und können 45% des Genoms ausmachen Reverse Transkriptase Retroposons Janning & Knust 18.8 33 Repetitive Sequenzen LINE (long interspersed nculear elements:) 15 % des menschlichen Genoms bis zu 7000 bp lang ca. 100.000 – 500.000 Kopien pro Genom mit reverser Transkriptase, können autonom transponieren SINE (short interspersed nculear elements:) 15 % des menschlichen Genoms ca. 100.000 Kopien pro Genom bis 500 bp lang ohne reverse Transkriptase, können nicht autonom transponieren 34 Mutationen: Veränderungen im Genom 35 Chromosomenanomalien = Genommutationen Numerische Chromosomenanomalien Vervielfachung des Chromosomensatzes Polyploidy z. B 3n Triploidie Einzelnes Chromosom in seiner Zahl erhöht = Hyperploidie z. B. 2n + 1 Trisomie Einzelnes Chromosom in seiner Zahl erniedrigt = Hypoploidiez.B. 2n-1 Monosomie Gleichgewicht der Chromosomen gestört = Aneuploidie Bei Menschen: •Monosomien mit Ausnahme des X-Chromosoms grundsätzlich letal •Trisomien nur lebensfähig, wenn sie die Chromosomen 21, 18, 13 oder die Geschlechtschromosomen betreffen 36 Nondisjunktion führt zur Aneuploidie Nondisjunktion: Chromosomepaar wird in Meisoe I Oder Chromatidenpaar in Meiose II nicht getrennt Aneuploidie: Fehlen von Chromosomen oder Überzähligkeit von Chromosomen 37 Purves et al. 9.8 Chromosomenmutationen 38 Purves et al. 12.18 Punktmutationen: Veränderungen einzelner Basenpaare Spontan: •Strukturelle Veränderung der Basen •Fehler bei der Replikation •Chemische Modifikation Induziert durch Mutagene: •Strahlung: UV, Röntgenstrahlung, radioaktive Strahlung •Chemische Mutagene: basenmodifizierende Agenzien, Basenanaloga, interkalierende Agenzien 39 Transition: Purin -> Purin z. B. A->G Pyrimidin -> Pyrimidin z. B. T->C Transversion: Purin -> Pyrimidin z. B. A->T Pyrimidin -> Purin z. B. C->G 40 Die Keto- und seltene Enolform von Cytosin Normale Paarung mit Guanin Fehlpaarung mit Adenin 41 Janning & Knust 16.2 Auswirkung der Mutation eines C Purves et al. 12.19c 42 (missenseneutral) 43 Janning & Knust 16.4 Leseraster-Mutationen (frame shifts) CAT CAT CAT CAT CAT ATC ATC -1 bp Deletion CAT ACA TCA +1 bp Insertion CAT TCA TCA -2 bp Deletion CAT AAC ATC +2 bp Insertion CAT CAT CAT -3 bp Deletion = kein frame shift CAT AAA CAT +3 bp Insertion = kein frame shift 44 1. Induktion von Mutationen durch physikalische Einwirkungen auf DNA 1. Ionisierende Strahlen: α, β, γ Strahlung direkte Wirkung durch Zerstörung des DNA Moleküls (Einzelstrang- und Doppelstrang-Brüche) indirekte Wirkung durch Bildung von reaktiven Hydroxyl-Radikalen, was wiederum zur Bildung von 8-Oxoguanin führt Guanosin 8-Oxo-7-Hydro-Guanosin Fehlpaarung mit Thymin Transition von GC ->AT 45 2. UV-Strahlung: UV-induzierte Ausbildung von Dimeren zwischen Pyrimidinen insbesondere zwischen zwei Thyminbasen: Bildung von Thymindimeren Struktur der Doppelhelix gestört keine komplementäre Basenpaarung möglich 46 2. Induktion von Mutationen durch Chemikalien 1. induzierte Leserastermutationen durch interkalierende Agenzien z.B. Ethidiumbromid, Acridinorange Täuschen Basenpaarung vor -> bei Replikation Insertion von Basenpaaren 47 Janning & Knust 16.12 2. alkylierende Agenzien: z.B. Ethylmethansulfonat (EMS), Nitrosoguanidin (Nitrosamine) C-G -> T-A T-A -> C-G 48 Janning & Knust 16.10 3. deaminierende Agenzien: salpetrige Säure (HNO2), Schwefeldioxid (SO2) U in der DNA wird entfernt 49 Janning & Knust 16.6 4. Basenanaloga: z. B. 5-Bromuracil provoziert tautomere Umlagerungen 50 Mechanismen der DNA-Reparatur 51 Purves et al. 11.19 Reparatur von DNA-Schäden 52 Graw 10.42 Xeroderma pigmentosum erbliche Krankheit Defekte im UV Reparatursystem daher hochgradige Empfindlichkeit gegen Sonnenlicht Hautkrebs 53 konditional letale Mutationen Letale Mutationen in haploiden Organismen z.B. Hefe • alle Mutationen in der Bäckerhefe treten in Erscheinung (-> haploid) • alle Mutationen, die lebenswichtige Funktionen beeinflussen, lassen sich nicht analysieren Der Trick: konditional letale Mutationen z.B. temperatursensitive Mutationen: das veränderte Protein ist aktiv bei einer bestimmten Temperatur (z.B. 23 °C) -> die Zelle kann wachsen -> permissive Temperatur das veränderte Protein ist inaktiv (Konformationsänderung) bei einer bestimmten Temperatur (z.B. 37 °C) -> die Zelle kann nicht wachsen -> nicht-permissive (restriktive) Temperatur 54 Ich wünsch Ihnen einen schönen Feiertag! 55
