Kapitel 1 Was ist Genetik? 1.1 Gegenstand der Genetik 2 1.1.1
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Bibliografische Informationen http://d-nb.info/1000031128 Kapitel 1 Was ist Genetik? 1.1 Gegenstand der Genetik 1.1.1 Kurzer Abriss der Geschichte der Genetik 1.1.2 Das Genom 1.1.3 Der Genbegriff. 1.2 Konstanz und Variabilität 1.2.1 Umweltbedingte Variabilität 1.2.2 Genetisch bedingte Variabilität 1.3 Theoriebildung in der Biologie Technik-Box 1: Isolierung genomischer DNA 2 2 7 8 9 10 11 13 16 Kapitel 2 Molekulare Grundlagen der Vererbung 2.1 Funktion und Struktur der DNA 2.1.1 DNA als Träger der Erbinformation 2.1.2 Chemische Zusammensetzung 2.1.3 Konfiguration der DNA 2.1.4 Physikalische Eigenschaften der Nukleinsäuren 2.2 Die Verdoppelung der DNA (Replikation) 2.2.1 Semikonservative Replikation 2.2.2 Mechanismen der Replikation bei Prokaryoten 2.2.3 Mechanismen der Replikation bei Eukaryoten Technik-Box 2: Renaturierungskinetik Technik-Box 3: Gelelektrophorese 18 18 19 21 26 28 29 35 38 47 48 Kapitel 3 Verwertung genetischer Informationen 3.1 DNA, genetische Information und Informationsübertragung 3.2 Der genetische Code 3.2.1 Die Entschlüsselung des Codes 3.2.2 Beweis der Colinearität 3.2.3 Allgemeingültigkeit des Codes 3.3 Transkription 3.3.1 Allgemeiner Mechanismus der Transkription 3.3.2 Transkription bei Prokaryoten 3.3.3 Transkription Protein-codierender Gene bei Eukaryoten 3.3.4 Reifung eukaryotischer mRNA 3.3.5 Spleißen eukaryotischer prä-mRNA 3.3.6 Editieren eukaryotischer mRNA 3.3.7 Abbau eukaryotischer mRNA 3.4 Translation 3.4.1 Initiation 3.4.2 Elongation 52 56 56 58 58 61 61 62 65 65 67 72 77 80 82 85 digitalisiert durch Inhaltsverzeichnis 3.4.3 Termination Technik-Box 4: Polymerasekettenreaktion (PCR) Technik-Box 5: Markierung von DNA Technik-Box 6: Isolierung von mRNA, cDNA-Synthese und RACE Technik-Box 7: In-vitro-RNA-Synthese 86 89 91 92 94 Kapitel 4 Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 Bakterien als genetische Modellsysteme Extrachromosomale DNA-Elemente: Plasmide F-Plasmid Andere Plasmide Bakteriophagen Vermehrungszyklus Bakteriophage X Andere Bakteriophagen Transformation und Rekombination Transformation Rekombination Genstruktur und Genregulation Das /ßc-Operon Das Operonmodell Das trp-Operon RNA-codierende Gene Kommunikation in Bakterien: Quorum sensing Regulation im Genom des Phagen \ Regulation des lytischen Zyklus Regulation des lysogenen Zyklus DNA-Protein-Interaktionen Technik-Box 8: Klonierung von DNA Technik-Box 9: Two-Hybrid-Systeme Technik-Box 10: Restriktionsanalyse von DNA und Southern-Blotting Technik-Box 11: Northern-Blotting 96 103 104 107 109 110 112 114 118 118 121 126 128 129 131 137 139 143 143 144 145 147 150 152 154 Kapitel 5 Zelle, Zellteilungen und Modellorganismen 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 Die Entdeckung der Zelle Die eukaryotische Zelle Die Struktur der Zelle Chloroplasten Mitochondrien Zellkern und Nukleolus Der Zellzyklus Mitose Méiose Rekombination bei Eukaryoten Genkonversion Kontrolle des Zellzyklus Kontrollierter Zelltod: Apoptose Genetik des Alterns Wichtige eukaryotische Modellorganismen in der Genetik Hefen Pflanzen Der Fadenwurm 156 158 158 159 163 166 168 168 172 177 183 185 190 194 196 197 199 202 Inhaltsverzeichnis 5.4.4 5.4.5 5.4.6 Die Taufliege Der Zebrafisch Die Hausmaus Technik-Box 12: Homologe Rekombination Kapitel 6 Molekulare Struktur eukaryotischer Chromosomen 6.1 Das eukaryotische Chromosom 6.1.1 Chromosomen als Träger der Erbanlagen 6.1.2 Morphologie der Chromosomen 6.1.3 Das Centromer 6.1.4 Das Telomer 6.1.5 Repetitive DNA 6.2 Organisation der DNA im Chromosom 6.2.1 Chromosomale Territorien und Architektur des Zellkerns 6.2.2 Chromosomale Proteine 6.2.3 Nukleosomen und Chromatinstruktur 6.2.4 Chromatin und epigenetische Regulation 6.3 Variabilität der Chromosomen und Dosiskompensation 6.3.1 Die Variabilität der Chromosomen 6.3.2 Dosiskompensation bei Drosophila 6.3.3 Dosiskompensation bei Säugern Technik-Box 13: Autoradiographie an Geweben, Zellen und Chromosomen Technik-Box 14: Chromosomenbänderung und chromosome painting Kapitel 7 Molekulare Struktur und Regulation eukaryotischer Gene 7.1 Protein-codierende Gene: I. Einzelkopiegene 7.2 Protein-codierende Gene: II. Multigenfamilien 7.2.1 Die Globin-Genfamilie 7.2.2 Histon-Gene 7.2.3 Tubulin-Gene 7.2.4 Kristallin-Gene 7.3 Regulation eukaryotischer Genexpression 7.3.1 Der Promotor 7.3.2 Transkriptionsfaktoren 7.3.3 Enhancer 7.3.4 Locus-Kontrollregionen 7.4 RNA-codierende Gene 7.4.1 Die 5,8S-, 18S- und 28S-rRNA-Gene 7.4.2 Die 5S-rRNA-Genfamilie 7.4.3 Die tRNA-Genfamilien 7.5 Kleine regulatorische RNAs 7.5.1 Mechanismus der RNA-Interferenz 7.5.2 Kleine interferierende RNA (siRNA) 7.5.3 Mikro-RNA (miRNA) 7.5.4 Piwi-interagierende RNA (piRNA) Technik-Box 15: Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen Technik-Box 16: RNAi: spezifische Inaktivierung von Transkripten 204 205 210 215 218 218 220 227 229 233 235 236 240 241 245 249 249 258 260 268 269 272 277 277 283 285 287 289 289 291 293 296 297 297 306 310 313 314 317 319 320 324 325 Inhaltsverzeichnis Kapitel 8 Instabilität des Genoms: Flexibilität und Variabilität 8.1 8.1.1 8.1.2 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 Transposons Prokaryotische Transposons Eukaryotische Transposons (mit terminalen invertierten Wiederholungseinheiten) Retroviren Genomstruktur von Retroviren Humanes Immunschwäche-Virus (HIV) Retroelemente Mobile Elemente in Introns der Gruppe II Umlagerung von DNA-Fragmenten Kerndualismus: Mikro- und Makronuklei in einer Zelle Chromatinelimination und -diminution DNA-Amplifikation Wechsel des Paarungstyps bei Hefen Die Oberflächenantigene von Trypanosoma Das Immunsystem Funktion des Immunsystems der Säuger Die Immunglobulin-Gene Klassenwechsel, Hypermutation und Genkonversion bei Immunglobulin-Genen Technik-Box 17: Verwendung von Balancer-Chromosomen Technik-Box 18: P-Element-Mutagenese Technik-Box 19: Enhancer-Trap-Experimente 328 330 334 340 342 345 347 356 357 357 361 364 371 377 380 380 382 385 390 391 392 Kapitel 9 Veränderungen im Genom: Mutationen 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.7 9.7.1 9.7.2 Klassifikation von Mutationen Chromosomenmutationen Numerische Chromosomenaberrationen Polyploidie in der Pflanzenevolution und Pflanzenzucht Strukturelle Chromosomenaberrationen Spontane Mutationen Fehler bei Replikation und Rekombination Spontane Basenveränderungen Dynamische Mutationen Induzierte Mutationen Mutationen durch ultraviolette Strahlung Mutagenität ionisierender Strahlung Chemische Mutagenese Mutagenität und Mutationsraten Mutagenitätstests Mutationsraten und Evolution Reparaturmechanismen Reparatur UV-induzierter DNA-Schäden durch Photolyasen Exzisionsreparaturen SOS-Rekombinationsreparatur oder postreplikative Reparatur Ortsspezifische Mutationen Gentechnische Modifikationen von Pflanzen Gentechnische Modifikationen von Tieren Technik-Box 20: SSCP-Analyse Technik-Box 21: DNA-Sequenzierung Technik-Box 22: Transgene Mäuse 394 397 397 402 405 408 408 409 410 414 414 416 419 426 426 432 434 434 436 439 441 441 444 450 451 453 Inhaltsverzeichnis Kapitel 10 Formalgenetik 10.1 Grundregeln der Vererbung: Die MendePschen Regeln 10.2 Statistische Methoden 10.2.1 Mathematische Grundlagen 10.2.2 Die x2-Methode 10.3 Mendel aus heutiger Sicht - Ergänzungen seiner Regeln 10.3.1 Unvollständige Dominanz und Codominanz 10.3.2 Multiple Allelie 10.3.3 Der Ausprägungsgrad von Merkmalen 10.3.4 Polygene Vererbung - Genetik quantitativer Merkmale 10.3.5 Pleiotropie 10.4 Kopplung, Rekombination und Kartierung von Genen 10.4.1 Geschlechtsgebundene Vererbung 10.4.2 Kopplung von Merkmalen auf autosomalen Chromosomen 10.4.3 Klassische Dreipunkt-Kreuzung 10.4.4 Kartierung von Genen durch Tetradenanalyse 10.4.5 Moderne genomweite Kartierung mit Mikrosatelliten- und SNP-Markern 10.4.6 Kartierung von quantitativen Merkmalen und Modifikatorgenen 10.5 Populationsgenetik 10.5.1 Die Hardy-Weinberg-Regel 10.5.2 Genetische Zufallsveränderungen (random drift) 10.5.3 Natürliche Selektion 10.5.4 Migration und Isolation 10.5.5 Genetische Aspekte der Artbildung Technik-Box 23: Kartierung genetischer Merkmale Technik-Box 24: Immunologische Nachweismethoden Kapitel 11 Entwicklungsgenetik 11.1 Einführung 11.2 Entwicklungsgenetik der Pflanze 11.2.1 Musterbildung in der frühen Embryogenese 11.2.2 Wurzel-, Spross- und Blattentwicklung 11.2.3 Blütenentwicklung 11.3 Entwicklungsgenetik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans 11.3.1 Embryonalentwicklung von C. elegans 11.3.2 Organentwicklung bei C. elegans 11.4 Entwicklungsgenetik von Drosophila melanogaster 11.4.1 Keimbahnentwicklung bei Drosophila 11.4.2 Der frühe Embryo 11.4.3 Die Ausbildung der anterior-posterioren Körperachse 11.4.4 Die Ausbildung der dorso-ventralen Körperachse 11.4.5 Segmentierung bei Drosophila 11.4.6 Imaginalscheiben, Metamorphose und Organentwicklung bei Drosophila 11.5 Entwicklungsgenetik bei Fischen 11.5.1 Allgemeine Embryonalentwicklung des Zebrafisches 11.5.2 Frühe Embryonalentwicklung des Zebrafisches 11.5.3 Organentwicklung bei Zebrafischen: Herz und Auge 11.6 Entwicklungsgenetik bei Säugern 11.6.1 Embryonalentwicklung von Säugern 11.6.2 Entwicklung von Zwillingen beim Menschen 456 466 467 468 469 471 474 477 481 483 486 486 489 491 494 494 499 501 502 506 508 514 518 525 526 528 529 529 532 537 544 544 547 548 548 550 552 556 558 566 572 573 573 575 577 577 580 Inhaltsverzeichnis 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.7 11.7.1 11.7.2 11.7.3 11.8 11.8.1 11.8.2 11.8.3 Teratogene Effekte Organentwicklung bei Säugern Keimzellentwicklung und Geschlechtsdeterminierung bei Säugern Stammzellen Totipotenz von Zellkernen Embryonale Stammzellen Somatische Stammzellen Epigenetik und genetische Prägung Was ist genetische Prägung? Methylierung als epigenetische Markierung Wann erfolgt genetische Prägung? Technik-Box 25: /w-sifw-Hybridisierung von Nukleinsäuren Technik-Box 26: Morpholinos 582 584 590 593 593 595 598 599 599 602 605 610 611 Kapitel 12 Genetik menschlicher Erkrankungen 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.2 12.2.1 12.2.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.5 12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4 12.5.5 Methoden der Humangenetik Zwillingsforschung und Geschwisterpaar-Analyse Stammbaumforschung Das Human Genome Project Kartierung von Erbkrankheiten Genetische Epidemiologie Chromosomenanomalien Numerische Chromosomenanomalien Strukturelle Chromosomenanomalien Monogene Erbkrankheiten Autosomal-rezessive Erkrankungen Autosomal-dominante Erkrankungen X-chromosomale Krankheiten Y-chromosomale Gene Mitochondriale Erkrankungen Komplexe Erkrankungen Gene und Krebs Asthma Diabetes Genbasierte Diagnose- und Therapieverfahren Molekulare Diagnostik, Familienberatung und Reihenuntersuchungen . . . Gentechnische Aspekte bei der Behandlung von Krankheiten Pharmakogenomik und individualisierte Medizin Somatische Gentherapie Genetik und Reproduktionsmedizin Technik-Box 27: Differenzielle Genexpression Technik-Box 28: Geninaktivierung bei Mäusen 614 616 618 618 620 625 625 627 631 632 633 638 644 653 655 658 658 667 671 675 675 678 680 681 682 685 686 Kapitel 13 Verhaltens- und Neurogenetik 13.1 Endogene Rhythmik 13.1.1 Zugverhalten bei Vögeln 13.1.2 Zirkadiane Rhythmik 13.1.3 Schlafstörungen des Menschen 13.2 Lernen und Gedächtnis 13.2.1 Lernverhalten von Drosophila 13.2.2 Lernverhalten bei Mäusen 13.2.3 Kognitive Störungen bei Menschen 13.3 Angst, Sucht und psychiatrische Erkrankungen 692 692 696 703 704 706 706 712 713 Inhaltsverzeichnis 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.4.4 13.4.5 Angst und Depression Suchtkrankheiten Schizophrenie Neurodegenerative und neurologische Erkrankungen Das Rett-Syndrom Epilepsie Autismus Die Alzheimer'sche Erkrankung Die Parkinson'sche Erkrankung Technik-Box 29: in-vivo-Reportergen: das grün-fluoreszierende Protein (GFP) Technik-Box 30: Mikroarrays und DNA-Chips 714 720 726 729 730 733 735 737 743 748 749 Kapitel 14 Genetik und Anthropologie 14.1 Genetische Aspekte zur Evolution des Menschen 14.1.1 Menschen und Affen 14.1.2 Out of Africa 14.1.3 Der Neandertaler: ausgerottet oder assimiliert? 14.1.4 Die Unterschiedlichkeit moderner Menschen 14.2 Der Mensch und sein Gehirn 14.2.1 Evolution des menschlichen Gehirns 14.2.2 Genetische Aspekte zur Evolution der Sprache 14.2.3 Genetische Aspekte des Bewusstseins 14.2.4 Quo vadis, Homo sapiens'? 752 752 756 766 771 777 779 783 786 791 Literaturverzeichnis 793 Glossar 817 Personenverzeichnis 827 Sachverzeichnis 831
