D.T. Suzuki, A. J. E Griffiths J. H. Miller, R.C Lewontin
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D.T. Suzuki, A. J. E Griffiths J. H. Miller, R.C Lewontin Genetik Übersetzt von Sabine Achten und Petra Böhm (Leitung) Ingeborg Kruczek, Marlies Schulze-Eckel Anna Starzinski-Powitz, Sebastian Vogel VCH Weinheim • New York • Basel • Cambridge 1 Genetik und Organismus 1 Die Chromosomentheorie der Vererbung 43 Die Entdeckung der geschlechtsgebundenen Vererbung 45 Ein Blick auf die genetischen Symbole 48 Der Beweis für die Chromosomentheorie 49 . Geschlechtschromosomen und die geschlechtsgebundene Vererbung 57 X-chromosomale Vererbung 52 Y-chromosomale Vererbung 53 X- und Y-chromosomaler Erbgang 54 Die Chromosomentheorie im Überblick 54 Die Mendelsche Genetik und der Lebenszyklus 56 Diploidie 57 Haploidie 57 Die Aufeinanderfolge von Haploidie und Diploidie 59 Zusammenfassung 61 übersetzt von /. Kruczek Die biologische Palette der Genetik 2 Genübertragung 3 Das Gen und der Organismus 4 Genotyp und Phänotyp 7 Die Reaktionsnorm 8 Entwicklungsschwankungen 9 Techniken der genetischen Analyse 11 Genetik, Mensch und Umwelt 12 2 Die Mendelsche Analyse 17 übersetzt von /. Kruczek Mendels Experimente 18 Pflanzen, die sich in einem Merkmal unterscheiden 19 Pflanzen, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden 24 Die Wahrscheinlichkeitsregeln 24 Problemstellungen und ihre Lösungen 27 Einfache Mendelsche Genetik beim Menschen 28 Einfache Mendelsche Genetik in der Landwirtschaft 29 Varianten und genetische Dissektion 32 Zusammenfassung 33 3 Die Chromosomentheorie der Vererbung übersetzt von /. Kruczek Mitose und Meiose 36 Die Mitose 36 Die Meiose 40 55 4 Ergänzungen zur Mendelschen Analyse 63 übersetzt von /. Kruczek Variationen der Dominanzbeziehungen 64 Multiple Allele 65 Die ABO-Blutgruppen des Menschen 65 C-Gene beim Kaninchen 66 Bestimmung der Allelie 66 Kleeblatt-Muster 66 Inkompatibilitäts-Allele bei Pflanzen 67 Histokompatibilität beim Menschen 68 Letale Gene 69 Mehrere Gene beeinflussen dasselbe Merkmal 71 Die Fellfarbe bei Säugetieren 71 Beispiele von Genwechselwirkungen bei anderen Organismen 74 Penetranz und Expressivität 75 Zusammenfassung 77 VII Inhalt 5 Kopplung I: Grundlagen der Genkartierung bei Eukaryonten 79 übersetzt von /. Kruczek Die Entdeckung der Kopplung 80 Rekombination 82 Interchromosomale Rekombination 83 Intrachromosomale Rekombination 84 Symbole für die Darstellung der Kopplung 84 Kopplung von Genen auf dem X-Chromosom 85 Genkartierung 85 Die Drei-Faktor-Testkreuzung 87 Interferenz 89 Der 2-Test 92 Frühe Überlegungen zur Beschaffenheit des Crossing-overs 95 Kartierung durch Rekombinationsanalyse beim Menschen 97 Zusammenfassung 98 Kopplung II: Spezielle Techniken der Genkartierung bei Eukaryonten 99 übersetzt von /. Kruczek Kartierungsfunktionen 100 Die Poisson-Verteilung 700 Ableitung der Kartierungsfunktion 702 Die Tetradenanalyse 704 Die Analyse linearer Tetraden 106 Die Analyse ungeordneter Tetraden 770 -Chromatiden-Interferenz 772 Mitotische Segregation und Rekombination 772 Mitotische Segregation 772 Mitotisches Crossing-over 113 Pilze als Testsystem 114 Die Kartierung menschlicher Chromosomen 775 Zusammenfassung 119 7 Genmutation 123 übersetzt von I. Kruczek Somatische Mutationen und Mutationen der Keimbahnzellen 124 Somatische Mutationen 124 Mutationen in den Keimbahnzellen 725 Phänotypen von Mutanten 725 Vom Nutzen der Mutationen 727 Systeme zum Nachweis von Mutationen 727 Wie häufig sind Mutationen? 129 Selektionssysteme 750 Mikrobiologische Techniken 757 Reversion auxotropher Mutationen 752 Anreicherung durch Filtration 755 VIII Anreicherung durch Penicillin 755 Resistenz 755 Berechnung der Mutationsrate 136 Selektionstechniken für Zellkulturen höherer Organismen 756 Die Induktion von Mutationen 75 7 Mutagene in der genetischen Analyse 139 Mutationszüchtung 141 Zusammenfassung 142 Chromosomenmutation I: Veränderungen der Chromosomenstruktur 143 übersetzt von /. Kruczek Die Topographie von Chromosomen 144 Veränderungen der Chromosomenstruktur 147 Deletionen 147 Duplikationen 149 Inversionen 752 Translokationen 154 Zusammenfassung 759 Chromosomenmutation II: Veränderungen der Chromosomenzahl 161 übersetzt von I. Kruczek Abnorme Euploidie 162 Monoploide Organismen 762 Polyploide Organismen 164 Triploide Organismen 164 Autotetraploide Organismen 765 Alloploide Organismen 766 Somatische Allopolyploidie durch Zellhybridisierung 168 Polyploidie bei Tieren 770 Aneuploidie 777 Nullosome Organismen (2«-2) 777 Monosome Organismen (2«-l) 777 Trisome Organismen (2« +1) 772 Somatische Aneuploidie 774 Praxis der Pflanzenzüchtung 775 Zusammenfassung 777 10 Rekombination bei Bakterien und ihren Viren 179 übersetzt von S. Vogel Die Arbeit mit Mikroorganismen 180 Konjugation bei Bakterien 757 Die Entdeckung der Genübertragung bei Bakterien 755 Der Aufbau des Experiments 755 Inhalt Die Notwendigkeit des physischen Kontakts 184 Erste Versuche, Kopplung bei Bakterien nachzuweisen 184 Die Entdeckung des Fertilitätsfaktors F 755 Die Bestimmung der Transferrichtung 755 Verlust und Wiedergewinnung der TransferFähigkeit 756 Konjugation 756 Hfr-Stämme 756 Bestimmung der Kopplung durch Experimente mit Paarungsunterbrechung 756 Die Ringform des Chromosoms 757 Die Integration des F-Faktors 755 Episomen 755 Transfermechanismen 759 Überblick 790 Rekombination zwischen Genmarkern nach der Übertragung 797 Der Übertragungsgradient 797 Die Ermittlung der Genreihenfolge mit Hilfe des Übertragungsgradienten 792 Hochauflösende Kartierung anhand der Rekombinationshäufigkeit bei Bakterienkreuzungen 792 Kreuzung: ein Beispiel 795 Die Herleitung der Genreihenfolge aus reziproken Kreuzungen 194 Infektiöser Transfer von Markergenen durch Episomen 795 Die Transformation von Bakterien 796 Kopplungsanalyse durch Transformation 796 Phagengenetik 796 Die Phagenkreuzung 796 Die Ringform der genetischen Karte von T2 200 Lysogenie 207 Die genetische Ursache der Lysogenie 207 Die Assoziation des Prophagen 202 Transduktion 203 Allgemeine Transduktion 203 Die Enstehung der transduzierenden Partikel 204 Kopplungsbefunde aus Transduktionsexperimenten 204 Rückblick 205 Spezielle Transduktion 206 Die Karte des Bakterienchromosoms 270 Überblick 277 Zusammenfassung 277 11 Die Struktur der DNA 213 übersetzt von P. Böhm Die DNA: Das genetische Material 214 Die Entdeckung der Transformation 214 Das Experiment von Hershey und Chase 214 Die Struktur der DNA 276 Die Doppelhelix 275 Der dreidimensionale Aufbau der Doppelhelix 227 Folgerungen aus der DNA-Struktur. 222 v -Alternative Strukturen 222 \ DNA-Replikation 224 Semikonservative Replikation 224 Das Meselson-Stahl-Experiment 224 Autoradiographie 225 Harlekin-Chromosomen 226 Die Struktur der Chromosomen 227 Die Replikationsgabel 227 Replikationsstartpunkt 225 Enzymologie der Replikation 229 DNA und das Gen 257 Zusammenfassung 234 12 Die Natur des Gens 235 übersetzt von S. Achten Wie Gene arbeiten 236 Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese 236 Die Experimente von Beadle und Tatum 237 Die Beziehungen zwischen Gen und Protein 239 Die Struktur von Proteinen 239 Die Bestimmung der Proteinsequenz 243 Die Beziehung zwischen Genmutationen und veränderten Proteinen 244 Die Kolinearität von Gen und Protein 246 Die Funktion von Proteinen 247 Temperatursensitive Allele 248 Erklärung von genetischen Segregationsverhältnissen und Dominanz durch Enzymwirkungen 248 Gene und Zellstoffwechsel: Genetische Erkrankungen 250 Die genetische Feinstruktur 253 Die Feinstrukturanalyse des Gens 254 Der Lebenszyklus der Bakteriophagen 254 Das /-77-System 254 Selektion in genetischen Kreuzungen von Bakteriophagen 256 Intragene Rekombination 257 Mutierte Stellen 255 Deletionskartierung 255 Die Analyse der Mutationsorte 260 Die Widerlegung der Perlentheorie 263 Komplementation 264 Komplementation bei diploiden Organismen 264 Komplementation beim Bakteriophagen T4 265 Das Cistron 266 Rekombination und Komplementation 266 j Komplementation und das Konzept des Gens 265 Zusammenfassung 265 IX Inhalt 13 Die Funktion der DNA 269 übersetzt von S. Achten Die Transkription 270 RNA als Übermittler - frühe Experimente 270 Eigenschaften der RNA 270 Die Initiation 273 Die Elongation 274 Die Termination 274 Die Translation 274 Der Einsatz von Saccharosegradienten 274 Die verschiedenen Klassen von RNAMolekülen 275 Die Proteinsynthese 277 Spezifität in der Proteinsynthese 277 Die Ribosomen 279 /Der genetische Code 252 Überlappende versus nicht-überlappende Codes 252 Die Anzahl der Buchstaben im genetischen Code 255 Beweis des Triplett-Codes durch SuppressorMutanten 284 Die Degeneration des genetischen Codes 255 Rückblick 256 Die Entschlüsselung des genetischen Codes 256 Mehrere Codons codieren für die gleiche Aminosäure 257 Stopcodons 255 Nonsense-Suppressor-Mutationen 259 Das Startcodon 290 Das Ribosom - ein ungelöstes Problem 290 ^_\ Ribosomen-Bindungsstellen 297 LJberblick über die Proteinsynthese 292 Eukaryontische RNA 295 RNA-Synthese 295 RNA-Processing 295 Gestückelte Gene 296 Das Spleißen von RNA 295 Selbstspleißende RNA 299 Auswirkungen von unterbrochenen Genen 299 Warum unterbrochene Gene und Spleißen? 507 Protein-Processing 507 t Rückblick 305 Zusammenfassung 305 h 14 Struktur und Funktion eukaryontischer Chromosomen 307 übersetzt von S. Achten Die Struktur der Chromosomen 505 DNA-Moleküle in eukaryontischen Chromosomen 505 Die Packung der DNA in eukaryontischen Chromosomen 570 f I I 1 ' 15 Sequenzorganisation 576 Die Anzahl der Gene bei Drosophila 316 Genfamilien 575 Struktur und Aktivität von Chromosomen 320 Konstitutives Heterochromatin 320 Fakultatives Heterochromatin 323 Dosiskompensation bei Drosophila 329 Zusammenfassung 329 Die Manipulation der DNA < 331 übersetzt von S. Achten Die Bedeutung der Komplementarität der Basen 332 Denaturierung von DNA durch Hitze 332 Reassoziation von komplementären Einzelsträngen 333 Lokalisierung von DNA-Sequenzen auf dem Chromosom 334 Die Isolierung von spezifischen DNASequenzen 335 Die Entdeckung der Restriktionsenzyme 33 7 Das Phänomen der wirtskontrollierten Restriktion 337 DNA-Modifikation 338 Die Spezifität von Restriktionsenzymen 339 Genkartierung mit Restriktionsenzymen 342 Die Herstellung rekombinanter DNA 344 Die direkte Verknüpfung von überhängenden Enden 346 Das Anfügen von „Nukleotidschwänzen" (Tailing) 348 Die Ligasierung glatter Enden 545 Vektoren 348 Plasmide 348 Der Phage A 348 Einzelsträngige Phagen 349 Expressionsvektoren 349 Methoden der rekombinanten DNA-Technologie 350 Klonierungsstrategien 350 Nachweis klonierter Gene 352 Wandern auf dem Chromosom 354 Bestimmung von DNA-Sequenzen 355 Sequenzbestimmung nach der DidesoxyMethode 555 Die Synthese von Genen 555 In v#ro-Mutagenese 360 Anwendungen rekombinanter DNA-Techniken bei Prokaryonten 362 Gentechnik bei Bakterien 362 Gezielte Mutagenese 362 Beispiele für die Synthese von Genen 363 Rekombinante DNA-Technik bei Eukaryonten 365 Wie man DNA in eukaryontische Zellen hineinbekommt 365 Transgene Hefe 366 Inhalt Hefevektoren 367 Anwendungsbereiche von Hefevektoren 565 Selektion auf den Verlust des Plasmids 368 Geninaktivierung 369 Regulationsstudien 370 Isolierung von Sequenzen 5 77 Anwendungen in der Zukunft 577 Transgene Pflanzen 577 Das Ti-Plasmid 577 Ti-Plasmide als Vektoren 5 72 Infektion von Pflanzengewebe 5 74 Expression der klonierten DNA 5 74 Transgene Tiere 374 Gentherapie 375 Regulation 376 Erbkrankheiten 376 Veränderte Restriktionsschnittstellen 377 Nachweis von veränderten Sequenzen 5 77 Kopplung von Genloci mit veränderten Restriktionsschnittstellen 575 RFLPs als Referenzpunkte auf der Restriktionskarte 550 Die Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE) 557 Rekombinante DNA und soziale Verantwortung 557 Zusammenfassung 552 16 Die Kontrolle der Genexpression Trans-aktive Faktoren 408 Steroidhormone 409 Struktur und Wirkungsweise frans-aktiver Proteine 410 Die Regulation ubiquitärer Moleküle in eukaryontischen Zellen 411 Genetische Redundanz 411 Genamplifikation 411 Zusammenfassung 412 17 Mechanismen der genetischen Veränderung I: Genmutationen 413 übersetzt von S. Vogel Die molekularen Grundlagen der Genmutation 415 Spontane Mutationen 415 Induzierte Mutagenese 422 Biologische Reparaturmechanismen 427 Unmittelbare Umkehr der Schädigungsreaktion 428 Reparatur durch Ausschneiden 425 Reparatur nach der Replikation 431 Eine Gesamtstrategie für die Reparatur 432 Mutator-Mutanten 432 Revertantenanalyse 432 Der Arnes-Test 434 Zusammenfassung 437 385 übersetzt von S. Vogel Grundlegende Regelkreise 556 Negative Kontrolle: Die Entdeckung des /ac-Systems 557 Gemeinsam regulierte Gene 559 Das 7-Gen 559 Der Repressor 559 Der Operator und das Operon 390 Allosterie 597 Der /ac-Promotor 597 Übersicht über die Mutationen im lac-System 392 Die Charakterisierung des foc-Repressors und des /ac-Operators 393 Positive Kontrolle: Die Katabolitrepression des toc-Operons 394 Positive und negative Doppelregulation: Das Arabinose-Operon 396 Stoffwechselwege 397 Die Tryptophan-Gene: Negative Kontrolle mit übergeordneter Attenuation 399 Der Phage A: Ein Komplex aus Operons 401 Repression mehrerer Operons 404 Die Struktur der regulatorischen Proteine 404 Transkription: Genregulation bei Eukaryonten 405 Die Transkriptionskontrolle 405 Promotoren 407 Enhancer 408 / 18 Die Mechanismen der genetischen Veränderung II: Rekombination 439 übersetzt von /. Kruczek Allgemeine homologe Rekombination 440 Bruch und Wiedervereinigung von DNA-Molekülen 440 Chiasmata: die Orte des Crossing-overs 441 Das Holliday-Modell 441 Enzymatische Spaltung und die Entstehung von Heteroduplex-DNA 443 Branch-migration (Schenkelwanderung) 443 Die Auflösung der Holliday-Struktur 443 Die Anwendung des Holliday-Modells auf genetische Kreuzungen 444 Veranschaulichung von RekombinationsZwischenprodukten 448 Der enzymatische Mechanismus der Rekombination 449 Sequenzspezifische Rekombination 450 Die Kontrolle der Genexpression 450 Zusammenfassung 451 i XI Inhalt 19 Die Mechanismen der genetischen Veränderung III: Transponierbare genetische Elemente 453 Mitochondriengene der Hefe 489 Die Kartierung des Mitochondriengenoms der Hefe 491 Das Mitochondriengenom im Überblick 495 Das Chloroplastengenom im Überblick 498 Extragenomische Plasmide bei Eukaryonten 499 Kopienzahl extranukleärer Genome 507 Zusammenfassung 507 übersetzt von I. Kruczek Transponierbare genetische Elemente bei Prokaryonten 454 Insertionssequenzen 454 Polare Mutationen 454 Der strukturelle Nachweis der DNA-Insertion 455 Die Sichtbarmachung der eingefügten DNA 455 Die Identifizierung diskreter IS-Elemente 456 Die Orientierung von IS-Elementen 456 Transposons 457 Der Aufbau von Transposons 45 7 Die Bewegung von Transposons 459 Der Phage Mu 460 Der Mechanismus der Transposition 461 Die replikative Transposition 467 Die konservative Transposition 463 Die molekularen Folgen der Transposition 464 Umlagerungen, die durch transponierbare Elemente hervorgerufen werden 465 Rückblick 465 Transponierbare genetische Elemente bei Eukaryonten 467 Die Ty-Elemente der Hefe 467 Transponierbare Elemente bei Drosophila 467 Die Anwendungen der P-ElementTransposition 469 Retroviren 470 Transposition über ein RNA-Intermediat 471 Die Kontrollelemente beim Mais 472 Die Experimente von McClintock: Das 7)s-Element 473 Der wx-(waxy-) Locus 474 Allgemeine Eigenschaften von Kontrollelementen 475 Die molekulare Analyse von Kontrollelementen 475 Rückblick 476 Zusammenfassung 477 20 Das extranukleäre Genom 479 übersetzt von S. Vogel Variegation in den Blättern höherer Pflanzen 480 Armselige Neurospora 483 Der Heterokaryon-Test 485 Die Windung von Schneckenhäusern: Ein Täuschungsmanöver der Natur 486 Extranukleäre Gene bei Chlamydomonas 486 Die Kartierung der Chloroplastengene von Chlamydomonas 488 XII 21 Gene und Differenzierung 503 übersetzt von A. Starzinski-Powitz Nukleare und cytoplasmatische Faktoren in der Entwicklung 504 Umweltfaktoren 506 Maternale Effekte 506 Sind Kerne differenzierter Zellen totipotent? 507 Das An- und Abschalten von Genen 577 Frühe embryonale Genregulation 572 Sichtbare Differenzierung von Genaktivität 575 Das An- und Abschalten von Genen in Mikroorganismen 576 Differenziertes Gewebe als Ausdruck verschiedener Genaktivitäten 577 Induzierbare Systeme in vielzelligen Organismen 577 Die Genetik der Entwicklung 579 Mutationen beeinflussen Entwicklungsprozesse 579 Spezielle Fälle der Differenzierung 523 Geschlechtsbestimmung 523 Krebs 526 Immungenetik 557 Zusammenfassung 536 22 Genetische Analyse von Entwicklung: Fallstudien 539 übersetzt von A. Starzinski-Powitz Mutationen als Hilfe in der Embryologie 540 Tetraparentale Mäuse 540 Entwicklung in Caenorhabditis elegans 543 Genetik 543 Entwicklung 543 Zellstammbaum 544 Die hermaphroditische Vulva 545 Entwicklung bei Drosophila 548 Genetische Mosaike 548 Die frühe embryonale Entwicklung 55t0 Entwicklungsstadien 552 Determinierung innerhalb der Scheiben 562 Zusammenfassung 566 Inhalt 23 Quantitative Genetik 567 24 Populationsgenetik 597 übersetzt von M. Schulze-Eckel übersetzt von M. Schulze-Eckel Einige statistische Grundbegriffe 569 Verteilungen 569 Korrelation 572 Regression 574 Stichproben und Populationen 575 Verteilung von Genotyp und Phänotyp 575 Reaktionsnorm und phänotypische Verteilung 5 75 Die Erblichkeit eines Merkmals 5 75 Familiarität und Erblichkeit 5 79 Bestimmung von Reaktionsnormen 557 Ergebnisse der ReaktionsnormUntersuchungen 552 Quantifizierung der Erblichkeit 584 Methoden zur Abschätzung von H2 584 Die Bedeutung von H2 585 Wozu dieses Interesse an H21 586 Zählen und Lokalisieren der Gene 555 Die Methode der künstlichen Selektion 555 Kopplungsanalyse 590 Genwirkung 590 Mehr über die Varianzanalyse 590 Additive und Dominanz-Varianz 597 Abschätzung von Komponenten genetischer Varianz 592 Unterteilung der Varianz der Umweltbedingungen 594 Der Gebrauch von h2 in der Zucht 595 Zusammenfassung 596 Darwins Revolution 595 Variation und ihre Veränderung 599 Beobachtungen der Variabilität 599 Variabilität in und zwischen Populationen 605 Quantitative Variabilität 606 Die Ursprünge der Variabilität 607 Variabilität aufgrund von Mutation 607 Variabilität durch Rekombination 609 Variabilität durch Migration 609 Der Ursprung neuer Funktionen 670 Die Auswirkung sexueller Reproduktion auf die Variabilität 670 Inzucht und ausgesuchte Paarung 672 Das Gleichgewicht zwischen Inzucht und neuer Variabilität 675 Selektion 676 Fitneß und der Kampf ums Dasein 676 Zwei Formen des Existenzkampfes 67 7 Das Messen von Fitneßunterschieden 675 Wie Selektion arbeitet 679 Die Änderungsrate von Genfrequenzen 620 Balancierter Polymorphismus 622 Multiple Anpassungsgipfel 624 Künstliche Selektion 625 Zufällige Ereignisse 627 Das Zusammenwirken der Kräfte 628 Die Erforschung von Anpassungsgipfeln 630 Der Ursprung der Arten 630 Zusammenfassung 657 Anhang A Übungsaufgaben und Lösungen 633 Anhang B Ergänzende Literatur 661 Anhang C Glossar 669 Register 655 XIII
