Details zur Vorlesung

Grundlagen der Genetik - Vorlesung WS 2012/2013
Vorlesung Grundlagen der Genetik
Zeit: Dienstags 10:15-11:45 Uhr
Mittwochs 8:30-10:00 Uhr (8:15-9:45) Uhr
Ort: Gebäude A1 7, großer Hörsaal
Prof. Dr. Jörn Walter
Dr. Martina Paulsen
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Die in der Übersicht dargestellten Themenbereiche sind Grundlage für die Klausur.
Die Folien der Vorlesungen werden nach den Vorlesungen ins Netz gestellt und sind
passwordgeschützt als PDF herunterzuladen. Im Anhang der Folien werden zu jeder Vorlesung
mehrere Fragen zur Selbstarbeit angeführt, die eine Orientierung für die Abschlussklausur bieten.
Die Fragen können im Rahmen eines freiwilligen Tutoriums (voraussichtlich Ende Januar) mit
den Tutoriumsleitern diskutiert werden.
16.10.12 jörn
VL1 Einführung in Genetik: DNA als vererbendes Makromolekül
Defintion des Begriffs und der Bedeutung von Genetik und der DNA als vererbende
Substanz. Kurzer historischer Abriss zur Entdeckung der DNA, (Miescher, Griffith,
Avery, Hershey-Chase, Watson/Crick, Sanger, Mullis) Purin und Pyrimidin-Struktur,
Zucker-Phosphat-Rückgrat, glykosidische Bindung, Nucleosiden und Nukleotiden,
Polarität der Basenabfolge und Richtung der Basenverknüpfung. Prinzipien der BasenPaarung und Komplementarität, Wasserstoff-Brückenbindung,
17.10.12 jörn
VL2 Aufbau und Struktur der DNA I
Prinizipien der DNA-Struktur: Aufbau und Kennzahlen der Doppelhelix, Antiparallelität
des Aufbaus der Stränge, große und kleine Furchung der DNA, Strukturen und
Geometrien verscheidener Helix-Formen (A-, B- und Z-DNA). Bedeutung der
Basenpaarung, Basenabfolge und Basenzusammensetzung für die Stabilität der DNA.
Molekulare Prinzipien der Helixstruktur: Basenpaarung, Base-Stacking etc.. Stabilität der
Helix-Strukturen, Denaturier- und Renaturierbarkeit der DNA-Doppelstränge,
Organisation in größeren Molekülen: Chromosomen (Bakterien, Eukaryoten). Linear und
Ringförmige DNA, Chromosomenstruktur in Eukaryoten (Telomer, Zentromer,
Chromatide)
Bakterienchromosom und Plasmide: Spiralisierung ringförmiger DNA (Supercoiling),
Enzyme und Mechanismen. Grundprinzipien der DNA-Analyse: Isolation von DNA,
DNA-Spaltung durch DNA-Endonukleasen (Restriktionsenzyme), Trennung von DNAFragmenten in Gelelektrophorese.
23.10.12 jörn
VL3 Transkription: Expression der genetischen Information in Prokaryoten
Zentrales Dogma - DNA-RNA-Protein. Genetischer Code (Definition, Universalität),
Vergleich der Unterschiede von RNA und DNA (Uracil vs. Thymin, Desoxyribose vs.
Ribose, Stabilität der RNA
Definition des Gen-Begriffs: Strukturgen + Regulationsbereiche (Promoter, Terminator,
ORF=offener Leserahmen,). Kolinearität von ORF und Gen in Bakterien, Anordnung von
Genen, polycistronische messenger RNA in Bakterien.
24.10.12 Martina
VL4 Transkription: Expression der genetischen Information in Eukaryoten
Gen-Struktur, Intron-Exon, kodierende und nicht kodierende Bereiche, Größe von Genen,
Transkriptionsstart und Ende, Hinweis auf die Schwierigkeiten Gene (in silico) zu
identifizieren. Verhältnis der genomischen Gengröße zur reifen mRNA,
mRNA Prozessierung: Polyadenylierung, Splicing und Capping, Mechanismen des
Spleißen, alternatives Spleißen und Genvariabilität,
RNA-Editing als postgenomische Veränderung der genetischen Information
Unterschiede der Genfunktion und Genstruktur: RNA-codierende Gene (rRNA, tRNA),
Spezifität und Unterschiede der (eukaryotischen) RNA-Polymerasen
30.10.12 Martina
VL5 Translation: Die Übersetzung der genetischen Information in Proteine
Der genetische Code, Nirenberg-Experiment, Transport der m-RNA ins Cytoplasma und
an die Ribosomen, Aufbau pro- und eukaryotischer Ribosomen (Bedeutung von rRNA),
Prinzipien der Proteinsynthese: Initiation, Elongation und Termination der Translation,
tRNA Funktion, Beladung von tRNA, Wobble-Position, Mechanismen des
Peptidyltransfers. Besonderheiten der Translation in Eukaryoten: Besonderheiten der
Initiation und Synthese, sowie kurz IRES und nonsense mediated decay
Funktionen von RNAs
Faltung von einzelsträngiger RNA: RNA:RNA-Hybride, Funktion von dreidimensionalen
Strukturen).
Vielfalt von RNA-Formen und Funktionen: t-RNA, r-RNA, mRNA, Funktionen nur kurz
RNA-Formen und Funktion: RNAs als wesentliche Bestandteile von Ribosomen,
Spliceosomen, Compensasomen. RNA als Katalysator.
31.10.12 Martina
VL6 Replikation der genetischen Information in Bakterien
Allgemeine Prinzipien der Replikation: Prinzip der semikoservativen Vermehrung,
Meselson/Stahl Experiment, Initiation der Replikation in Bakterien (origin of replication),
Organisation der Replikationsgabel, Unterschiede der leading-lagging strand Synthese,
Okazaki-Fragmente Initiation der Replikation, beteiligte Enzyme: DNA-Polymerasen
(Funktionen), Topoisomerasen, Helicase, Primasen, SSBs. Initiation der Replikation am
Ori-C in E.coli (Organisation am ori und der Replikationsgabel), Replikation und
Fehleinbau (Reparatur), Steuerung der Replikationshäufigkeit und Timing.
Unterschiedliche Replikationsmechanismen rolling circle vs. theta-sigma Replication.
06.11.12 Martina
VL7 Replikation der genetischen Information in Eukaryoten
Vergleich von pro- und eukaryotischer Replikation: Unterschiede: Replikation von
linearen vs zirkulären Chromosomen; Bedeutung der Telomer-Replikation
Struktur der Replikations-Maschinerie, Regulation und Koordination der Replikation in
Eukaryoten, Synchronisation multipler Origins, Trennung von früh und spätreplizierenden Origins/Regionen; Auswirkungen fehlerhafter Replikation auf Mutationen.
07.11.12 jörn
VL8 Einführung in die Prinzipien der Vererbung I
Chromosomentheorie der Vererbung (Correns, Tschermak, de Vriess), Mendel:
Uniformitätsregel (Reziprozitätsregel), Dominanz, Rezessivität, Spaltungsregel,
Homozygotie, Heterozygotie, Genotyp, Phänotyp, mono-, di-hybride Kreuzungen,
Unabhängige Segregation von Merkmalen (Begriffe: Zygote, Haploidie, Diploidie)
13.11.12 Jörn
VL 9 Prinzipien der Vererbung II
Unvollständige Dominanz, Codominanz, Allel-Begriff, Penetranz und Expressivität,
Polygenie, Heterosiseffekte, Pleiotropie, Epistasie, Wechselwirkung Genetik-Umwelt,
Statistische Methoden in der Genetik: Zufallsschwankungen, Normalverteilung,
Wahrscheinlichkeitsberechnungen, x2-Analyse, Freiheitsgrade.
14.11.12 Jörn
VL10 Prinzipien der Rekombination
Einteilung der Rekombinationsereignisse: Allgemeine, homologe, sequenzspezifische und
illegitime Rekombinationsereignisse mit kurzen Beipielen (ganz grob)
Molekulare Prinzipien der DNA-Rekombination am Beispiel der homologen
Rekombination: Strangbruch, Paarung und Invasion, Strangwanderung (HollidayStruktur). Enzyme der Rekombination.
Experimente zur Detektion von Rekombinationsereignissen, Konsequenzen der
Rekombination: Genkonversion; Rekombinationsreparatur und Doppelstrangbrüche;
Meiose und homologe Rekombination;
20.11.12 Martina
VL11 Springende Elemente
Illegitime Rekombination und Genomstabilität,
Zusammensetzung menschlicher Chromosomen: Anteil und Verteilung einzigartiger und
wiederholter Sequenzen. Ursprung und Vorkommen transposabler Elemente in unserem
Genom: Retroviren, Retroposons, Retrotransposons, simple repeats (HERVs, LINEs,
ALUs,......
Chromosomale Veränderungen durch bewegliche genetische Elemente: Transposition
(bakterielle IS und TN’s, Struktur, Funktionen, Intergration und Excision). Eukaryotische
Transposons und Retroviren. Transposons und genetische Veränderungen: Virale
Onkogene, Transposons als gentechnische Hilfsmittel (P-Elemente, Retrovirale Vektoren)
21.11.12 Martina
VL 12 Chromosomale Basis der Vererbung I (Zytogenetik):
Zellzyklus (kurz). Mechanismen der Mitose. Prinzipien der Chromosomenkondensation.
und Meiose Stadien der Reduktionsteilung, Aufteilung der genetischen Information
(Chromosomen/Chromatiden), Rekombination elterlicher Chromosomen, Chiasma
(Crossing Over), Rekombinations-knoten, Schwesterchromatiden, Homologe Paarungen,
Synaptonemaler Komplex mit Proteinen,
27.11.12 Martina
VL 13 Chromosomale Basis der Vererbung (Zytogenetik II)
Aufbau der Chromosomen, Zentromer, Telomer Centromer-, Kinetochor-Funktionen,
Formen der Kondensation (Interphase, Metaphase). Feinstruktur der Chromosomen:
Histone, Nukleosomen, Rolle von Nicht-Histon-Proteinen und Modifikationen für die
Chromatinstruktur. Eu- und Heterochromatin, konstitutives und fakultatives
Heterochromatin. Bedeutung der Kompartimentalisierung durch den Zellkern, Aufbau des
Zellkerns, Kernstrukturen/Kerngerüste,
28.11.12 Martina
VL 14 Genom und Chromosomen-Veränderungen I
Generelle Prinzipien der Genomveränderungen: Effekte in Mitose und Meiose.
Gen und Genomduplikationen als Prinzip der Evolution. Polyploidien (Unterscheidung
Allo- und Autopolyploidie) und deren Bedeutung für Kulturpflanzen. Kombination von
unterschiedlichen Chromosomen in Hybriden und Sterilität.
Chromosomenveränderungen: Generelle Definition von Aneuploidien, Auswirkungen auf
die Meiose und Fertilität.
Genomveränderungen im Menschen: Aneuploidien im Menschen: Trisomien (Chrom.21),
Klinefelter-Syndrom, Monosomien: Turner Syndrom beim Menschen. Prinzipien
zytogenetischer Diagnostik durch Chromosomenbänderung (Giemsa, R-Banden,
Chromosomen-paints),
04.12.12 Jörn
VL 15 Genom und Chromosomen-Veränderungen II
Strukturellen Abberationen an Chromosomen: Insertionen, Deletionen, Duplikationen,
Inversionen, Translokationen (balancierte/unbalancierte). Auswirkungen chromosomaler
Veränderungen: Gen-Funktionsverlust/veränderung (Translokationen, Insertionen), GenDosis-Effekte (Duplikationen/Deletionen), Positionseffekte (Translokationen), FunktionsVerlust (Telomer/Centromer-Deletionen)
Ursachen für Translokationen etc. Kleiner Exkurs in die Strahlenbiologie, Primär- und
Sekundärschäden von radioaktiver Strahlung
05.12.12 Jörn
VL16 Ursachen von Punkt-Mutationen
Grundbegriffe der Veränderungen im Basenbereich: Basenaustausche (Transition,
Transversion), Strukturelle Veränderungen in der Basensequenz (Inversionen,
Deletionen), Auswirkungen von Basenveränderungen auf die genetische Information:
Stille Mutationen, Missense-,Nonsense- und Frameshift- Mutationen.
(Tautomere Formen, Depurinierung und Desaminierung, Basenanaloge, 5-MethylCytosin) Induzierte Mutationen: Mutagene Substanzen wie z.B. Strahlen (UV-,
Radioaktive-), DNA schädigende Chemikalien.
Genetische und molekulare Methoden zur Identifizierung von Mutationen: Kreuzung und
Selektion, Stammbaumanalysen, Dominanz, Rezessivität, konditionale Mutationen zur
Untersuchung von lethalen Phänotypen.
11.12.12 Martina
VL17 Reparatur von Punkt-Mutationen
Reparaturantworten auf Mutationsereignisse: Unterscheidung von replikativen und
postreplikative
Reparaturprozessen.
Basen-Excisionsreparatur,Nukleotidexcisionsreparatur, Photo- Excision-Repair, Doppelstrangbruchreparatur (nonhomologous-endjoining). Beispiele aus Bakterien für SOS-Reparatur, Short patch
mismatch Reparatur (Mut H,L,S),
12.12.12 Martina
VL18 Mechanismen der Genregulation in Prokaryoten:
Kontrolle der Genexpression in Bakterien: Definitionen von Genstruktur.
Transkriptionsstart/ende, Translationsstart/ende, Promotor, Operator, Repressor.
Regulation durch Transkriptionskontrolle am Beispiel des Lac-Operons.
(lysogener und lytischer Zyklus bei lambda Phagen)
18.12.12 Jörn
VL19 Allgemeine Prinzipien der Genregulation in Eukaryoten:
Eukaryotische Gen-Regulation: generelle Prinzipien und Unterschiede zu Bakterien.
Rolle und Definition der verschiedenen RNA-Polymerasen und Promoterstrukturen.
Rolle von allgemeinen und speziellen Transkriptionsfaktoren. Prinzip der Kombinatorik
von Transkriptionsfaktoren, Aktivatoren, Mediatoren etc.. Genstruktur und
Kontrollelemente differentieller Genexpression: Enhancer, Silencer, Boundary Elemente.
19.12.12 Jörn
VL 20 Grundlegende Mechanismen der differentiellen Genregulation in Eukaryoten
Epigenetische Mechanismen und Chromatinstruktur (kurz Histon-Modifikationen und
DNA Methylierung). Steuerung von Gen-Aktivität im Verlauf der Entwicklung über
genetische und epigenetische Mechanismen am Beispiel des Globin Lokus.
Grundprinzipien von RNAi
08.01.13 Jörn
VL21 Bedeutung extranukleärer Vererbung
Generelle Aspekte der Plastidenvererbung, Mitochondriale und Chloroplasten-Genome,
Gen-Anzahl und Funktion, Verschiedenheit des genetischen Codes, EndosymbiontenHypothese, RNA-Editing, Replikationsunterschiede zum Nukleären Genom,
Mitochondriale Erkrankungen.
09.01.13Jörn
VL22 Asexuelle und sexuelle Neukombination von genetischen Informationen
Prinzipien der Konjugation, Transformation, Transduktion. Ausfühlicher: Transformation
(natürlich/induziert),
Unterschiede
natürlicher
und
induzierter
Kompetenz,
Transformation von chromosomaler vs Plasmid DNA, Grenzen genetischen Austausches:
Abwehr fremder DNA durch Restriktion/Modifikations-Systeme.
Gentechnologische Bedeutung von Transformationen: Konstruktion von Plasmiden:
Verknüpfung
durch
DNA-Ligasen,
Trennung
von
DNA-Fragmenten
in
Gelelektrophorese, Grundprinzipien der gentechnologischen Veränderung: Plasmide als
Vektoren zur Klonierung (Vermehrung in Bakterien).
Ganz kurz das Prinzip einer Knockout-Maus
15.01.13 Martina
VL23 Geschlechtsbestimmung bei Eukaryoten + elterliche Prägung
Einführung in die Mechanismen sexueller und nicht sexueller Vermehrung in Eukaryoten:
Wechsel zwischen haploiden und diploiden Lebenszyklen. Wechsel zwischen
geschlechtlicher und ungeschlechtlicher Vermehrung bei einzelligen Eukaryoten und
Pilzen. Fakultativ geschlechtlich: Pilze (Hefe, Clamydomonas, Neurospora, (Pflanze).
Unterschiedliche Formen der Geschlechtsbestimmung. Verschiedene Formen der
genetischen
Geschlechtsbestimmung,
Grundprinzip
der
umweltinduzierten
Geschlechtsbestimmung
16.01.13 Martina
VL24 Populationsgenetik
Erbkrankheiten und Stammbaumanalysen, Zufallsschwankungen, Normalverteilung
Hardy-Weinberg-Regel, Genetic drift, Selektionsfaktoren, Heterozygtie: Vorteil und
Dominanz, Fitness, Genetic load, Eugenik.
22.01.13 Martina
VL25 Die Evolutiongeschichte des Menschen
Einführung in die grundlegenden Modelle der Primaten-Evolution. Genetische
Grundlagen der menschlichen Evolution. Die Bedeutung der Primaten-Genomprojekte
für das Verständnis der menschlichen Evolution. Die Interaktion zwischen genetischer
Ausstattung und natürlicher Selektion am Beispiel des menschlichen Genoms
23.01.13
VL26 Thema noch nicht festgelegt – zur freien Verfügung
Vorschlag (noch nicht festgelegt):
29.01.13 Tutorium
30.01.13 Tutorium
05.02.2013 Große Fragestunde
06.02.2013 Klausur: 8-10 Uhr
Großer Hörsaal in A1.7