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Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) 1) Aufbau und Funktion des Zellkerns 2) Organisation und Funktion eukaryotischer Gene 3) Zellteilung (Mitose) 4) Keimzellbildung (Meiose) 5) Rekombination und Genkartierung Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Zellteilung und Zellzyklus Bei der Vermehrung von Zellen wechseln sich Zellwachstum (kontinuierlich) und Zellteilung (diskontinuierlich) ab Den Ablauf der Zellteilung kann man als einen wiederkehrenden zyklischen Prozeß betrachten (Zellzyklus) Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Zellzyklus Mikroskopisch kann man die Interphase (Chromosomen nicht sichtbar) von der Mitose (Chromosomen sichtbar) unterscheiden Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Interphase (G0-Phase: Ruhezustand teilungsinaktiver Zellen) G1-Phase: Vorbereitung zur DNA-Replikation S-Phase: DNA-Synthese G2-Phase: Vorbereitung der Mitose Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Eukaryotischer Zellzyklus Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Mitose Nur während der Mitose sind die Chromosomen sichtbar Damit eine Aufteilung erfolgen kann, werden die Chromosomen durch Kondensation stark verkürzt Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Mitosestadien Prophase: Kondensation der Chromosomen Abbau der Kernhülle Metaphase: Aufbau des Spindelapparates Anaphase: Trennung der Chromatiden Telophase: Entspiralisierung der Chromosomen Wiederaufbau der Kernhülle Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Interphase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Prophase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Späte Prophase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Metaphase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Aufbau des Spindelapparates Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Anaphase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Telophase Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Film zur Mitose (siehe online-media) Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor “Graphics” benötigt. Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Mitosis-promoting factor (MPF) Mitotische Zellen enthalten eine aktive Komponente, die in den Kernen mitotische Veränderungen (Auflösung der Kernhülle, Chromosomenkondensierung) hervorruft. Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Nachweis von MPF (Mitosis promoting factor) Mitotische Zelle G1-Phase Zelle Kondensiertes chromatin Mitotische Zelle S-Phase Zelle Kondensiertes chromatin Mitotische Zelle G2-Phase Zelle Kondensiertes chromatin Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Cycline Während der Zellteilung wird eine zyklische Veränderung der Konzentration bestimmter Proteine (Cycline) beobachtet Die MPF-Aktivität korreliert mit der beobachteten Cyclin-Menge Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Aufstieg und Fall von MPF Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks) MPF ist ein Komplex aus einer Cyclinabhängigen Kinase (Cdk) und einem Cyclin Cdk ist eine Proteinkinase, die andere Proteine phosphoryliert Cyclin-abhängige Kinase (Cdk) mitotic cyclin cyclindependent kinase Cdc2 MPF Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Kontrollpunkte (checkpoints) Der Zellzyklus wird an bestimmten Kontrollpunkten von verschiedenen Cdk-Cyclin-Komplexen gesteuert: Eintritt in die S-Phase (Start) Eintritt in die Mitose Beendigung der Mitose (Metaphase-Anaphase Übergang) Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Start der Mitose Metaphase-AnaphaseÜbergang Initiation der DNA-Replikation Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Initiation der Mitose M-phase-promoting factor mitotisches Cyclin Cdk G1-Cyclin Start-Kinase Initiation der DNA-Replikation Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Regulation von Start in eukaryotischen Zellen Durch Phosphorylierung des Rb (Retinoblastoma)Proteins kommt es zur Freisetzung eines Transkriptionsfaktors, der Gene für die Initiation des Zellzyklus aktiviert Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) G0-Zelle aktives RbProtein inaktiver Transkriptionsfaktor Zielgen Teilungsaktive Zelle inaktives phosphoryliertes Rb-Protein aktiver Transkriptionsfaktor Transkription Zielgen Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Onkogene und Tumorsuppressorgene Die Teilungsaktivität wird von Proto-Onkogenen und Tumorsuppressorgenen gesteuert Zu einer unkontrollierten Vermehrung kommt es, wenn entweder beide Kopien des Tumorsuppressors defekt sind oder eine dominante Mutation in einem Proto-Onkogen eine Hyperaktivierung des Zellzyklus bewirkt Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Beide Kopien des Tumorsuppressors inaktiviert Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Meiose Bei der Keimzellbildung kommt es in der Meiose zu einer Reduktion der Chromosomensätze Die Meiose besteht aus einer Reduktionsteilung (Meiose I) und einer anschließenden Mitose (Meiose II) Aus einer diploiden Ausgangszelle entstehen vier haploide Keimzellen Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Haploid (1N) Diploid (2N) Eine Kopie des genetischen Zwei Kopien des genetischen Materials aufgeteilt auf Materials aufgeteilt auf Chromosomen Chromosomen Drei nicht-homologe Chromosomen Drei Paare homologer Chromosomen Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Meiose In der ersten meiotischen Teilung (Reduktionsteilung) lagern sich die homologen Chromosomen aneinander und bilden den synaptonemalen Komplex Dies geschieht während der Prophase, die sehr lange dauert und in verschiedene Stadien eingeteilt wird Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Leptotän Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Zygotän Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Pachytän Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Diplotän Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Diakinese Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Film zur Meiose (siehe online-media) Zur Anzei ge wird der Qui ckTime™ Dekompressor „Video“ benöti gt. Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Synaptonemaler Komplex Die Zusammenlagerung der homologen Chromosomen erfolgt im synaptonemalen Komplex, der sich während der Prophase der Meiose I bildet Im synaptonemalen Komplex kommt es zu Chromosomenbrüchen, die zur Ausbildung von Crossing over-Strukturen (Chiasmata) führen Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Synaptonemaler Komplex Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Chiasmata Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Interchromosomale Rekombination Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Intrachromosomale Rekombination Chiasma „Crossover“ Intrachromosomale Rekombination A B a B A b a b Drosophila melanogaster Thomas Hunt Morgan Einheit der Rekombinationsfrequenz 5 cM A 20 cM B 3 cM C 28 cM D E 42 cM 1 cM (centiMorgan) entspricht 1 % Rekombination Stammbaumanalyse D/- D/- D/d D/d D/d D/d ? d/d D/- d/d ? ? D/- D/- d/d ? ? D/- D/- D/- D/- „Variable number tandem repeats (VNTR)“ D d Kartierung mit Hilfe von DNA-Markern Sonde d D D/D D/d d/d Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (RFLP) Kartierung mit Hilfe von DNA-Markern D/- D/- D/d D/d D/d D/d d/d D/- d/d D/D/d D/- RFLP-Muster d/d D/- D/D/d D/- D/D/d
