Molekulare Genetik E-Book

• Herausgeber: Thieme
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 1282

Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

Vollständig und aktuell –molekulare Genetik für Ihr Studium. Eine fundierte Kenntnis der molekularen Genetik gilt als Schlüsselqualifikation zum erfolgreichen Studium von Biologie und Medizin und deren speziellen Ausrichtungen wie z. B. Biochemie oder Molekularmedizin. Dieser Klassiker bietet das gesamte aktuelle Grundwissen der molekularen Genetik. Er wurde für die 10. Auflage vollkommen überarbeitet und auf den neuesten Stand der Wissenschaft gebracht. Die molekulargenetischen Prozesse werden an mikrobiellen und tierischen Systemen, inklusive des Menschen, dargestellt. Trotz der hohen Komplexität der Materie sind die Inhalte dieses Lehrbuches verständlich formuliert. Gut durchdachte Abbildungen in konsequentem Farbkonzept ergänzen die Texte optimal. "Zusatzinformationen" in separaten Boxen ermöglichen Ihnen den Blick über den "Tellerrand". Jederzeit zugreifen: Die Inhalte dieses Buches können Sie sich online freischalten und sie dann mit allen gängigen Smartphones, Tablets und PCs nutzen.

Leseprobe

Molekulare Genetik

Herausgeben von Alfred Nordheim, Rolf Knippers †

Mit Beiträgen von Alfred Nordheim, Rolf Knippers, Peter Dröge, Gunter Meister, Elmar Schiebel, Martin Vingron, Jörn Walter

11., unveränderte Auflage

620 Abbildungen

Vorwort der Herausgeber

Das Wissenschaftsgebiet Molekulare Genetik gewinnt weiterhin ständig an Bedeutung. Mit zunehmender Genauigkeit und immer tiefer gehendem Verständnis der mechanistischen Details erforscht die Molekulare Genetik die Grundlagen allen Lebens auf der Erde.

Neue methodische Entwicklungen, vor allem die parallelisierte Nucleinsäure-Sequenzierung (next generation sequencing, NGS), und die verstärkte Einbeziehung neuer Wissenschaftsdisziplinen, speziell die Bioinformatik, haben in den vergangenen 10 Jahren die Molekulare Genetik revolutioniert. Dies wird besonders deutlich an den überraschenden Einblicken in die unerwartete funktionelle Vielfalt von RNA-Molekülen oder die verblüffende Komplexität epigenetischer Regulationsprozesse.

Die vorliegende 10. Auflage des Lehrbuches Molekulare Genetik trägt diesen neueren Entwicklungen Rechnung. Während alle bisherigen Auflagen dieses Lehrbuches seit dem Jahre 1971, d.h. über den Zeitraum von mehr als 40 Jahren, meist von einem Autor verfasst wurden, so wird die neue Version jetzt von einem Sieben-Autoren-Team vertreten. Wir haben uns gemeinsam der Aufgabe gewidmet, die Molekulare Genetik – unter Einbeziehung historischer Entwicklungen – in ihrem aktuellen Kenntnisstand zu präsentieren. Obwohl die aktuelle 10. Auflage weitgehend auf der vorangegangenen 9. Auflage aufbaut, wurden doch sehr wesentliche Veränderungen vorgenommen: Neue Kapitel wurden formuliert und alle früheren Texte und Abbildungen wurden umfassend bearbeitet, aktualisiert und in neue didaktische Zuordnungen gebracht. Trotz der hohen Komplexität der Materie haben wir uns – entsprechend der Tradition dieses Lehrbuches - um eine verständliche Darstellung bemüht. Wir vermitteln die Prinzipien molekulargenetischer Prozesse hauptsächlich an mikrobiellen und tierischen Systemen, inklusive des Menschen als besonderem und vielfach interessantem „Modellorganismus“. Für genetische Systeme der Pflanzen, aber auch für Spezialbereiche wie Neuro- und Immungenetik von Mensch und Tier, verweisen wir auf einschlägige Lehrbücher.

Vermutlich hat sich das Spektrum interessierter Leser dieses Lehrbuches gegenüber früheren Auflagen erweitert. Denn molekulargenetisches Wissen ist unerlässlich für das Verständnis aller Lebensprozesse. Bereits in gymnasialen Leistungsfächern wird Molekulare Genetik vermittelt. Im Besonderen gewinnt die Molekulare Genetik auch weiterhin zunehmenden Einfluss in der Medizin. Zu einem großen Teil basiert das Verstehen von Krankheit bei Mensch und Tier, sowie die Entwicklung neuer molekülbezogener Therapien, auf Erkenntnissen der Molekulargenetik. Somit gilt eine fundierte Kenntnis der Molekularen Genetik als Schlüsselqualifikation zum erfolgreichen Studium der Fachrichtungen Biologie und Medizin, besonders auch spezieller Ausrichtungen wie Biochemie, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Evolutionsbiologie, Molekularmedizin, Nano-Technologie und Pharmazie.

Im Namen des Autorenteams wünschen wir allen Lesern ein gewinnbringendes, kreatives und freudvolles Studium der molekularen Genetik. Wir erhoffen uns, dass dieser Text zu eigenständigem Nachdenken und selbstständiger forscherischer Tätigkeit ermuntert.

Als Herausgeber bedanken wir uns für die überaus wertvolle Unterstützung durch den Thieme Verlag, Stuttgart, speziell durch Frau Dr. K. Hauser, Frau Dr. B. Jarosch, Frau M. Mauch und Herrn Lehnert.

Wir bitten die Leser um Kommentare zu dieser 10. Auflage, vor allem um Hinweise auf potenzielle Fehler, sowie Anregungen zur Verbesserung von Text und Bild.

Alfred Nordheim, Tübingen, Dezember 2014

Rolf Knippers, Konstanz, Dezember 2014

Inhaltsverzeichnis

Vorwort der Herausgeber

Teil I Grundlagen

1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern

1.1 Einleitung

1.2 Eukaryoten

1.3 Prokaryoten

1.3.1 Literatur

2 DNA: Träger der genetischen Information

2.1 Einleitung

2.2 Bausteine: Nucleotide

2.3 DNA-Doppelhelix

2.4 DNA-Helices: Flexibilität

2.5 Denaturierung und Renaturierung

2.6 Natürliche DNA-Moleküle

2.7 DNA-Ringe: Helix und Superhelix

2.8 Einige wichtige Methoden zur Untersuchung von DNA

2.8.1 Elektrophorese

2.8.2 Zentrifugation

2.8.3 Elektronenmikroskopie

2.8.4 Enzyme als Hilfsmittel: Deoxyribonucleasen

3 RNA: Überträger und Regulator der genetischen Information

3.1 Einleitung

3.2 Aufbau und räumliche Faltung von RNA-Molekülen

3.3 RNA-Klassen

3.4 Zelluläre Funktionen von RNAs

3.4.1 Literatur

4 Proteine: Funktionsträger der Zelle

4.1 Einleitung

4.2 Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren

4.2.1 Aminosäuren

4.2.2 Peptidbindung

4.2.3 Wechselwirkungen zwischen Aminosäureseitenketten

4.3 Sekundärstruktur: α-Helix und β-Faltblatt

4.3.1 α-Helix

4.3.2 β-Faltblatt

4.4 Tertiärstruktur: komplexere Faltung der Aminosäurekette

4.4.1 Proteindomänen

4.5 Quartärstruktur: Aufbau aus Untereinheiten

4.6 Proteinfaltung

4.6.1 Literatur

5 Transkription, Translation und der genetische Code

5.1 Einleitung

5.2 Transkription: die Synthese von RNA

5.2.1 RNA-Polymerase

5.2.2 Genanfang: der Promotor

5.2.3 Ereignisse am Promotor

5.2.4 Elongation der RNA-Kette

5.2.5 Termination

5.2.6 Stabile und nicht stabile RNA

5.3 Transfer-RNA (tRNA) und die Aktivierung von Aminosäuren

5.3.1 Struktur der tRNA

5.3.2 Beladung der tRNA

5.4 Translation: Ribosomen und Proteinsynthese

5.4.1 Ribosomen: eine kurze Beschreibung

5.4.2 Proteinsynthese: Genauigkeit des Starts

5.4.3 Initiation der Translation

5.4.4 Elongation: die programmierte Verknüpfung von Aminosäuren

5.4.5 Termination der Translation

5.4.6 Geschwindigkeit und Genauigkeit der Translation

5.4.7 Besonderheiten der Translation bei Bakterien

5.5 Der genetische Code

5.5.1 Rückblicke

5.5.2 Codewörter

5.5.3 „Wobble“ bei der Erkennung von Codon und Anticodon

5.5.4 Der genetische Code in der Zelle

5.5.5 Selenocystein und Pyrrolysin

5.5.6 Verwendung von Codewörtern

6 Escherichia coli und der Bakteriophage Lambda: Gene und Genexpression

6.1 Einleitung

6.2 Vermehrung von Bakterien

6.2.1 Die DNA als Nucleoid

6.2.2 Das Genom

6.2.3 Die biologische Genkarte und das F-Plasmid

6.2.4 F′-Plasmide

6.2.5 Konjugation und Genkartierung

6.3 Grundlagen bakterieller Genregulation

6.3.1 Regulons: Gengruppen unter gemeinsamer Kontrolle

6.3.2 Negative und positive Genregulation: das lac-Operon als Bezugssystem

6.3.3 Positive Regulation: das CRP-Protein

6.4 Exkurs: Bakteriophagen

6.4.1 Ausblick

6.5 Der Bakteriophage Lambda und seine Gene

6.5.1 Das Lambda-Genom

6.5.2 Expression der Lambda-Gene

6.5.3 Induktion und lytischer Infektionsweg

6.5.4 Wege der Lambda-Replikation

6.5.5 Das Ende des lytischen Infektionswegs

7 DNA im Zellkern: Chromatin und Chromosomen

7.1 Einleitung

7.2 Der Zellkern

7.2.1 Die Kernhülle

7.2.2 Der Innenraum des Zellkerns

7.3 Das Chromatin

7.3.1 Histone

7.3.2 Nucleosomen

7.3.3 Modifikation von Histonen

7.3.4 Einige wichtige Nicht-Histonproteine

7.3.5 Chromatinfasern

7.4 Chromosomen

7.4.1 Chromosomen des Menschen

7.4.2 Polytäne Chromosomen

Teil II Molekulare Dynamik chromosomaler DNA

8 DNA-Replikation: Verdopplung der genetischen Information

8.1 Einleitung

8.2 Molekulare Grundlagen der Replikation

8.2.1 Erste Hinweise auf semikonservative Replikation

8.2.2 Allgemeine Polymerisationsreaktion von Deoxynucleotiden

8.2.3 Prokaryotische DNA-Polymerasen und wichtige replikative Hilfsproteine

8.2.4 DNA-Helikasen

8.2.5 Eukaryotische DNA-Polymerasen

8.2.6 Drei Phasen der DNA-Replikation

8.3 Replikation des bakteriellen Genoms

8.3.1 Die Initiation bakterieller DNA-Replikation

8.3.2 Elongationsphase bakterieller DNA-Replikation

8.3.3 Beendigung (Termination) der bakteriellen DNA-Replikation

8.3.4 Regulation der Initiation bakterieller Replikation

8.3.5 Topologische Probleme während der Replikation

8.3.6 Andere Probleme während der DNA-Replikation

8.4 Replikation des eukaryotischen Genoms

8.4.1 Replikationsstartpunkte

8.4.2 Initiation eukaryotischer Replikation

8.4.3 Elongationsphase eukaryotischer Replikation

8.4.4 Termination eukaryotischer Replikation

8.4.5 Replikation im Chromatin

8.4.6 Schwer zu replizierende Genomabschnitte

9 Segregation der Chromosomen: Zellzyklus, Mitose und Meiose

9.1 Einleitung

9.2 Zellzyklus

9.2.1 Zellzyklusphasen

9.2.2 Molekulares Verständnis des Zellzyklus

9.2.3 Defekte bei Chromosomentrennung und Cytokinese

9.3 Meiose

9.3.1 Zellzyklusregulation der Meiose

9.3.2 Meiose I

9.3.3 Meiose II

10 Rekombination der DNA

10.1 Einleitung

10.2 Homologe Rekombination

10.2.1 Grundlagen der homologen Rekombination

10.2.2 Homologe Rekombination in prokaryotischen Zellen

10.2.3 Homologe Rekombination in eukaryotischen Zellen

10.3 Ortsspezifische Rekombination

10.3.1 Grundlagen der ortsspezifischen Rekombination

10.3.2 Ortsspezifische Rekombination in prokaryotischen Zellen

10.4 Illegitime Rekombination

10.4.1 Bewegliche genetische Elemente bei Bakterien

10.4.2 Bewegliche genetische Elemente bei Eukaryoten

10.4.3 Retrotranspositionen

11 Mutationen, DNA-Schädigungen und DNA-Reparatur

11.1 Einleitung

11.2 Allgemeine Grundlagen

11.2.1 Arten von Mutationen

11.2.2 Mutationen in eukaryotischen Zellen

11.2.3 Häufigkeiten von Mutationen

11.2.4 Spontan auftretende Mutationen

11.2.5 Hot Spots spontaner Mutationen

11.3 Entstehung und Vermeidung von Mutationen bei der DNA-Synthese

11.3.1 Falscheinbauten von Deoxyribonucleotiden

11.3.2 Korrekturlesen

11.3.3 Falscheinbau von Ribonucleotiden in die DNA

11.3.4 Mismatch-Reparatur

11.3.5 Entstehung von Indels

11.4 Mutationen durch Schäden von DNA-Basen

11.4.1 AP-Stellen und Reparatur

11.4.2 Alkylierte DNA-Basen und Reparatur

11.4.3 Oxidative Basenschäden und Reparatur

11.4.4 Unförmige Anheftungen an DNA

11.4.5 DNA-Schäden durch ultraviolettes Licht und ihre Reparatur

11.5 Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen

11.5.1 DNA-Schäden durch Strahlen

11.5.2 DNA-Schäden durch gebremste Replikationsgabeln

11.5.3 Reparatur von Doppelstrangbrüchen

11.6 Zusammenfassung

11.6.1 Literatur

Teil III Gene und Genprodukte

12 Struktur eukaryotischer Gene

12.1 Einleitung

12.2 Definition des Genbegriffs

12.3 Pol-I-transkribierte Gene

12.3.1 Struktur der Pol-I-transkribierten Gene: rRNA-Gene

12.3.2 Promotoren für die RNA-Polymerase I

12.4 Pol-II-transkribierte Gene

12.4.1 Struktur der proteincodierenden Pol-II-transkribierten Gene

12.4.2 Promotoren für die RNA-Polymerase II

12.4.3 Regulatorische Elemente der Pol-II-Gene: Enhancer, Silencer

12.4.4 Nicht-proteincodierende Pol-II-transkribierte Gene

12.5 Pol-III-transkribierte Gene

12.5.1 Struktur von Pol-III-Genen

12.5.2 Promotoren für die RNA-Polymerase III

12.6 Exons und Introns

12.6.1 Exon-Intron-Struktur proteincodierender Gene am Beispiel von Globin-Genen

12.6.2 Eigenschaften von Exons und Introns

12.6.3 Vorkommen von Introns in eukaryotischen Genen

12.6.4 Bedeutung von Introns

12.7 CpG-Inseln

12.8 Pseudogene

12.9 Repetitive DNA-Elemente

12.9.1 Literatur

13 Eukaryotische Transkription: Funktion und Regulation der RNA-Polymerasen

13.1 Einleitung

13.2 Allgemeine Prinzipien der eukaryotischen Transkription

13.2.1 RNA-Polymerasen

13.2.2 Drei Phasen der Transkription

13.2.3 Generelle und regulatorische Transkriptionsfaktoren

13.3 Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase I

13.3.1 Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol I

13.3.2 Regulation der Pol-I-vermittelten Transkription

13.4 Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase II

13.4.1 Generelle Transkriptionsfaktoren der Pol II

13.4.2 Interaktion von Transkriptionsfaktoren während der unterschiedlichen Phasen der Transkription

13.4.3 Regulation der Pol-II-vermittelten Transkription

13.5 Das Transkriptionssystem der RNA-Polymerase III

13.5.1 Zusammenbau des Präinitiationskomplexes

13.5.2 Regulation der Pol-III-vermittelten Transkription

13.6 Regulation eukaryotischer Transkription durch die Struktur des Chromatins

13.7 Strukturmotive von DNA-bindenden Proteinen

13.7.1 Homöodomäne

13.7.2 Basische Helix-Loop-Helix-Domäne (bHLH-Domäne)

13.7.3 Basische Leucin-Zipper-Domäne (bZip-Domäne)

13.7.4 Zinkfingermotiv

13.7.5 Schleifenmotiv

13.8 Das Transkriptom der eukaryotischen Zelle

13.8.1 Literatur

14 Signalgesteuerte Genregulation

14.1 Einleitung

14.2 Prinzipien der intrazellulären Signalübertragung

14.3 MAPK-Signalkaskade: Genaktivierung innerhalb von Sekunden

14.4 cAMP-Signalgebung: CREB als Effektor des sekundären Botenstoffs cAMP

14.5 Aktindynamik: Kommunikation zwischen Cytoskelett und Genom durch MRTF/SRF

14.6 Cytokinsignalgebung

14.6.1 JAK/STAT-Signalkaskade

14.6.2 Aktivierung von NF-κB

14.7 TGFβ-Signalgebung: SMADs als regulatorische Transkriptionsfaktoren

14.8 Wnt-Signalkaskade: β-Catenin als Transkriptionsfaktor

14.9 Sauerstoff: HIF als Sensor und Transkriptionsfaktor

14.10 Steroide: nucleäre Hormonrezeptoren regulieren die Genexpression

14.11 Signalgebung durch Abbau von Proteinen im Proteasom

14.11.1 Literatur

15 RNA-Prozessierung

15.1 Einleitung

15.2 Prozessierung von prä-rRNA

15.3 Prozessierung von prä-mRNA

15.3.1 Capping am 5‘-Ende

15.3.2 Spleißen

15.3.3 Polyadenylierung am 3‘-Ende

15.3.4 mRNA-Editing

15.3.5 Koordination von Transkription und mRNA-Prozessierung

15.3.6 mRNA-Stabilität und Abbau

15.3.7 mRNA-Export aus dem Zellkern

15.4 Prozessierung von prä-tRNA

15.4.1 Literatur

16 Translation: Proteinsynthese in Eukaryoten

16.1 Einleitung

16.2 Das eukaryotische Ribosom

16.2.1 Aufbau des eukaryotischen Ribosoms

16.2.2 Biogenese des eukaryotischen Ribosoms

16.2.3 snoRNAs (small nucleolar RNAs)

16.3 Ablauf der eukaryotischen Translation

16.3.1 Initiation der Translation in Eukaryoten

16.3.2 Elongation, Termination und Ribosomenrecycling

16.3.3 Peptidsynthese

17 Regulation der eukaryotischen Translation

17.1 Einleitung

17.2 Regulation der eukaryotischen Translationsinitiation

17.2.1 Regulation auf der Ebene der mRNA-Sequenz

17.2.2 Regulation von eIF4E

17.2.3 Regulation von eIF2

17.3 IRES – Initiation ohne Cap-Struktur

17.4 Translation von sezernierten oder membranständigen Proteinen

17.4.1 Komponenten der Proteintranslokationsmaschinerie

17.4.2 Proteintranslokation

17.5 Nonsense-vermittelter mRNA-Abbau (NMD)

17.5.1 NMD-Komponenten

17.5.2 Identifizierung eines PTCs und der Mechanismus des NMDs

17.5.3 NMD in der Hefe

18 Regulatorische RNAs

18.1 Einleitung

18.2 RNA-Interferenz (RNAi)

18.2.1 siRNAs (short interfering RNAs)

18.2.2 Mechanismen der RNA-Interferenz

18.3 Genregulation durch mikroRNAs

18.3.1 MikroRNA-Gene

18.3.2 Biogenese von mikroRNAs

18.3.3 Funktion von miRNAs

18.3.4 Virale miRNAs

18.4 piRNAs

18.5 Das CRISPR-System: eine Verteidigungslinie von Bakterien gegen Phagen

18.5.1 Genomische Organisation eines CRISPR-Locus

18.5.2 CRISPR-Aktivität und Phagenabwehr

18.6 Lange, nicht-codierende RNAs (lncRNAs)

18.6.1 lncRNA-Gene

18.6.2 Dosiskompensation und lncRNAs

18.6.3 Genomische Prägung (Imprinting) und lncRNAs

18.6.4 HOTAIR und lncRNAs

19 Gene in Mitochondrien und Chloroplasten

19.1 Einleitung

19.2 DNA in Mitochondrien

19.2.1 Mütterliche Vererbung

19.2.2 mtDNA des Menschen

19.2.3 Expression mitochondrialer Gene

19.2.4 Der genetische Code in Mitochondrien

19.2.5 Replikation mitochondrialer DNA

19.2.6 Mitochondriale Krankheiten

19.2.7 Sequenzunterschiede mitochondrialer Genome

19.2.8 Formen mitochondrialer DNA

19.2.9 RNA-Editing in Mitochondrien

19.2.10 Evolution von Eukaryoten und Endosymbiosen

19.3 DNA in Chloroplasten

19.3.1 Allgemeine Merkmale der Chloroplasten-DNA

19.3.2 Anordnung und Funktion der Gene auf der ctDNA

19.3.3 Expression von Genen auf der ctDNA

Teil IV Epigenetik

20 Epigenetische Mechanismen

20.1 Einleitung

20.2 Molekulare Grundlagen: Modifikation chromosomaler DNA und Proteine

20.3 Histonmodifikationen und epigenetische Prozesse

20.3.1 Histonmodifikationen als epigenetisches Gedächtnis

20.3.2 Histonmodifikationen und Genomstruktur

20.3.3 Modelle der Vererbbarkeit von Histonmodifikationen

20.3.4 Epigenetische Steuerung der Entwicklung durch PRC-Komplexe

20.3.5 Etablierung von ortsspezifischem Heterochromatin durch histonmodifizierende Enzyme

20.4 Regulatorische RNAs und epigenetische Prozesse

20.5 DNA-Methylierung

20.5.1 Vorkommen und allgemeine Prinzipien

20.5.2 Oxidierte Modifikationsformen von 5-Methylcytosin

20.5.3 Auswirkung der DNA-Methylierung im Genom

20.5.4 Welche Enzyme kontrollieren die DNA-Methylierung?

20.5.5 Einfluss der DNA-Methylierung auf die genetische Information

20.5.6 Methylierung der „richtigen“ DNA-Sequenzen

20.5.7 RNA-abhängige DNA-Methylierung

20.6 Epigenomforschung: ein Ausblick

20.6.1 Literatur

21 Epigenetische Kontrolle biologischer Prozesse

21.1 Einleitung

21.2 Genomweite epigenetische Reprogrammierung und Entwicklungsprozesse in Säugetieren

21.2.1 Epigenetische Reprogrammierung im frühen Embryo

21.2.2 Reprogrammierung in der Keimbahn

21.3 Epigenetische Kontrolle der X-chromosomalen Gendosis

21.4 Genomische Prägung

21.4.1 Genomische Prägung in der medizinischen Genetik

Teil V Genomik

22 Von der Genkarte zur Genomsequenz

22.1 Einleitung

22.2 Organisation von Genomen

22.2.1 Biologische Genkarten

22.2.2 Biologische Genkarte des Menschen

22.2.3 Von der biologischen zur physikalischen Genkarte

22.3 Sequenzierung von Genomen

22.3.1 Schrotschuss-Sequenzierung

22.3.2 Hochdurchsatz-Sequenzierung

22.4 Annotierung sequenzierter Genome

22.4.1 Beispiele für Genomannotierungen

22.4.2 Evolution von Genomen

22.4.3 Ausblick

23 Funktionelle Genomik

23.1 Einleitung

23.2 Expressionsanalytik

23.2.1 Transkriptomik

23.2.2 Proteomik

23.3 Funktionelle Analytik

23.3.1 Yeast two hybrid-System

23.3.2 Bestimmung der Bindungsstellen von Proteinen im Chromatin

23.3.3 Systematischer Knock-down von Genen

24 Variabilität des Genoms

24.1 Einleitung

24.2 Einzelnucleotid-Polymorphismen (SNPs)

24.2.1 SNPs als DNA-Marker

24.2.2 Haplotypen

24.2.3 DNA-Chips

24.2.4  Genotypisierung

24.3 Kopienzahl-Varianten (CNVs)

24.4 Mikrosatelliten-Polymorphismen

24.4.1 Mikrosatelliten-DNA zur Identifizierung von Personen

24.4.2 Mikrosatelliten in Genen: Trinucleotidfolgen

24.5 Retrotransposon-Insertionspolymorphismen (RIPs)

24.5.1 Literatur

Teil VI Schlüsseltechnologien

25 Bioinformatik

25.1 Einleitung

25.2 Sequenzvergleich

25.2.1 Dotplot und Alignment

25.2.2 Datenbank-Recherche

25.3 Hochdurchsatz-Sequenzierung und die Kartierung der Teilsequenzen

25.4 Information in Genfamilien

25.5 Regulatorische DNA-Elemente

25.6 Sequenzierung und Genom-Assemblierung

25.7 Genvorhersage

25.8 Proteinstrukturvorhersage und Homologiemodellierung

25.9 Molekulare Evolution und phylogenetische Stammbäume

25.9.1 Literatur

26 DNA-Analysen

26.1 Einleitung

26.2 Polymerasekettenreaktion (PCR)

26.3 Gentechnik oder das Klonieren von DNA-Fragmenten

26.3.1 Traditionelles Klonieren und Herstellung von Genombibliotheken

26.3.2 cDNA-Klonieren

26.3.3 PCR-Klonieren

26.4 DNA-Sequenzierung

26.4.1 DNA-Sequenzierung nach der Kettenabbruch- oder Dideoxymethode

26.4.2 Sequenziermethoden der nächsten Generation

26.5 Expressionsanalytik durch RNA-Seq

26.5.1 Literatur

27 Funktionelle Genomanalysen

27.1 Einleitung

27.2 RNA-Interferenz: siRNA/shRNA-Screens

27.3 Knock-out-Technologie: homologe Rekombination im Genom der Maus

27.4 Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)

27.5 Proteomanalyse

27.5.1 Literatur

Teil VII Anhang

28 Glossar einiger Begriffe aus der klassischen Genetik

Autorenvorstellung

Anschriften

Sachverzeichnis

Impressum

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Teil I Grundlagen

1  Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern

2  DNA: Träger der genetischen Information

3  RNA: Überträger und Regulator der genetischen Information

4  Proteine: Funktionsträger der Zelle

5  Transkription, Translation und der genetische Code

6  Escherichia coli und der Bakteriophage Lambda: Gene und Genexpression

7  DNA im Zellkern: Chromatin und Chromosomen

1 Lebensformen: Zellen mit und ohne Kern

Rolf Knippers

1.1 Einleitung

Seit einigen Jahrzehnten wird die Genetik geprägt durch Informationen über die molekulare Struktur des Erbguts (des Genoms) von immer mehr und immer komplexeren Organismen. Genauer gesagt, geht es um die Reihenfolgen („Sequenzen“) der Bausteine („Basen oder Nucleotide“) in den fadenförmigen DNA-Molekülen, die die Träger der Gene sind. Die DNA ist der universelle Träger der genetischen Information aller Organismen auf der Erde. Jeder Organismus besitzt ein Genom. Als Genom bezeichnet man die Gesamtheit der genetischen Information eines Organismus.

Wir werden später lernen, wie die Informationen in den Sequenzen der Nucleinsäurebasen aussehen, wie sie gedeutet werden und welche Methoden man dabei einsetzt.

An dieser Stelle ist das folgende Ergebnis wichtig: Ein Vergleich von DNA-Sequenzen zeigt, dass sich die Lebewesen auf der Erde in drei große Reiche oder Domänen ordnen lassen:

Bakterien (Bacteria)

Archaeen (Archaea)

Eukaryoten (Eukarya)

Zu den Eukaryoten gehören alle Pflanzen und Tiere, dazu Hefen, Protozoen und andere einzellige Protisten.

Mithilfe computergestützter Analysen können die Vergleiche von Genomsequenzen unterschiedlicher Organismen in der Form eines Baumes dargestellt werden (▶ Abb. 1.1). Das Bild deutet die Verwandtschaftsverhältnisse an: Je ähnlicher die DNA-Sequenzen sind, desto enger müssen die untersuchten Organismen verwandt sein, und umgekehrt.

Abb. 1.1Lebensformen. Die ursprünglichen Daten, die dieser Konstruktion der Verwandtschaftsverhältnisse zugrunde liegen, stammen aus den Vergleichen eines bestimmten und allgemein verbreiteten DNA-Abschnitts, nämlich eines Gens für ribosomale RNA ▶ [1]. Ribosomale RNA ist ein Bestandteil von ▶ Ribosomen, den kompliziert zusammengesetzten molekularen Maschinen, die den Bau von Proteinen durchführen. Die Berücksichtigung nur eines einzigen Gens ist eine starke Einschränkung, doch Vergleiche der Sequenzen vieler Gene bei vielen Organismen, oder gar Vergleiche kompletter Genomsequenzen verschiedener Organismen, kommen zu ähnlichen Ergebnissen ▶ [2].

(nach Olsen GJ, Woese CR (1997) Archaeal genomics: an overview. Cell 89: 991–994)

Die Darstellung der ▶ Abb. 1.1 ist eine Vereinfachung, die wir uns hier gestatten, um eine erste Ordnung in die Welt des Lebendigen zu bringen. In der Wirklichkeit der Evolution hat es einen Austausch von Genen zwischen den verschiedenen Zweigen des Stammbaums gegeben, vor allem zwischen den verschiedenen Zweigen des Bakterienastes, zudem zwischen Bakterienästen und Archaeenästen.

Die Erkenntnis, dass die lebende Welt aus drei Reichen oder Domänen besteht, hat sich erst seit den späten 1970er-Jahren in der Wissenschaft durchgesetzt. Vorher verließ man sich weitgehend auf eine einfache Betrachtung mit dem Mikroskop. Dies zeigt, dass Eukaryotenzellen größer sind als Bakterien und Archaeen (▶ Abb. 1.2) und vor allem dass sie ein vielgestaltetes Inneres haben mit einem auffälligen, meist kugelförmigen Gebilde, dem (Zell-)Kern.

Daher stammt ihre Bezeichnung. Eukaryot heißt: mit einem echten oder richtigen Kern ausgestattet (von eu, griech. echt; und karyos, griech. Kern). Bakterien und Archaeen besitzen keinen Kern. Deswegen fasst man sie unter der Bezeichnung Prokaryoten zusammen.

Betrachtungen mit dem Elektronenmikroskop oder Analysen mit den Methoden der Zell- und Molekularbiologie ergeben eine Vielzahl von Unterschieden zwischen Eukaryoten und Prokaryoten – und bei den Prokaryoten dann wieder zwischen Bakterien und Archaeen. Für die Zwecke dieses Buches ist von Interesse, dass sich die drei großen Reiche des irdischen Lebens in grundlegenden genetischen Strukturen und Funktionen unterscheiden.

Definition

Als Genom bezeichnet man die Gesamtheit der genetischen Information eines Organismus.

1.2 Eukaryoten

Wir betrachten die einfache Skizze (▶ Abb. 1.2) und daneben die elektronenmikroskopische Aufnahme einer Säugetierzelle (▶ Abb. 1.3). Wie gesagt, ist das auffälligste Gebilde im Innern der Zelle der Kern. In der englischen Wissenschaftssprache wird das lateinische Wort für Kern, Nucleus, verwendet. Daraus leitet sich das Adjektiv ab, das auch in diesem Buch oft benutzt wird: nucleäre DNA, nucleäre RNA, oder nucleäre Proteine.

Abb. 1.2Größenvergleiche. Das Schema einer tierischen Zelle mit dem Kern als dem prominenten Bestandteil und mit zahlreichen anderen Strukturen. Daneben ein Bakterium, etwa von der Art Escherichia coli, die in der molekularen Genetik eine wichtige Rolle spielt.

Die Funktion des Zellkerns ist die Aufbewahrung der DNA. Mit diesem Satz bringen wir etwas zum Ausdruck, was alles andere als trivial ist, wie einem leicht klar wird, wenn man sich die Dimensionen vor Augen führt.

Kerne in den meisten menschlichen Zellen haben einen Durchmesser zwischen 5 und 20 Mikrometer (10–6 m; μm) (▶ Tab. 1.1). Sie umschließen DNA-Fäden mit einem Durchmesser von etwa 2 Nanometern (10–9 m; nm) und einer Gesamtlänge von 2 Metern. Um sich die Verhältnisse vorstellen zu können, multiplizieren wir die wirklichen Dimensionen mit dem Faktor von einer Million. Die DNA würde dann einer kräftigen Angelschnur mit einer Länge von 2000 km entsprechen. Die Schnur reichte also von Konstanz nach Rostock und zurück und müsste zu einer Kugel mit dem Durchmesser von 5 m geknäuelt, gefaltet oder gestaucht werden.

Ein großer Teil des Kap. ▶ 7 wird darstellen, wie die strukturelle Organisierung der DNA-Fäden in der Zelle realisiert ist. Dort werden wir auch lesen, dass der Zellkern von einer doppelten Lipidhülle umgeben ist, von denen die äußere in das komplexe cytoplasmatische Membransystem des endoplasmatischen Retikulums (ER) außerhalb des Kerns übergeht.

Der Raum der Zelle außerhalb des Kerns ist das Cytoplasma. Das Cytoplasma ist von einem komplexen, vernetzten Membransystem durchsetzt, dem Endomembransystem, zu dem u. a. das ER gehört. Weiterhin ist das Cytoplasma von netzwerkähnlichen Gerüststrukturen langkettiger Proteinmoleküle durchzogen, dem Cytoskelett. Eine Gruppe dieser Proteinmoleküle bestimmt als Aktinmikrofilament Form und Beweglichkeit der Zelle, andere Proteinmoleküle bilden das Intermediärfilament und verleihen der Zelle Stabilität.

Das Cytoplasma enthält mehrere Arten von kompliziert aufgebauten, membranumschlossenen Körperchen, den Organellen. Dazu gehören z.B. die Lysosomen und Peroxisomen. Das auffälligste der Organellen ist das Mitochondrium. Die meisten Eukaryotenzellen haben mehrere, bis über 1000 Mitochondrien, die zum Teil schlauchförmig verbunden sind. Ihre Aufgabe ist die Verwendung von Sauerstoff für die Produktion des universellen biologischen Energieträgers, Adenosintriphosphat, kurz ATP, aus Nährstoffen, die von außen in die Zelle transportiert werden. Für die Genetik ist wichtig: Mitochondrien enthalten DNA als Träger von Genen mit der Information zur Herstellung einiger mitochondrialer Proteine. Mitochondriale DNA macht meist weniger als 0,1 % der Gesamtmenge der DNA einer Zelle aus. Aber die mitochondriale DNA ist notwendig für das Leben der Zelle. Im Kap. ▶ 19 werden die Struktur und die Aufgaben der DNA in Mitochondrien ausführlich beschrieben.

Pflanzenzellen besitzen außer den Mitochondrien noch eine zweite Gruppe DNA-tragender Organellen, Chloroplasten (▶ Abb. 1.4). Das sind die Orte der Photosynthese, in denen das CO2 der Luft fixiert wird und die Synthese von Kohlenhydraten erfolgt. Auch über die DNA von pflanzlichen Chloroplasten werden wir im Kap. ▶ 19 Genaueres erfahren.

Pflanzenzellen unterscheiden sich von Tierzellen noch durch mindestens zwei andere typische Merkmale (▶ Abb. 1.4):

Anders als Tierzellen, die von einer Cytoplasmamembran in Form einer Lipiddoppelschicht mit vielen eingelagerten Proteinen umgeben sind, besitzen Pflanzenzellen zusätzlich eine starre Zellwand mit Cellulose als Grundgerüst, das der Cytoplasmamembran von außen aufliegt.

Pflanzenzellen enthalten oft große, flüssigkeitsgefüllte Vakuolen, die den Zellkern gegen die starre Zellwand drängen und dabei dessen Form verändern können.

Merke

Tierzellen haben zwei genetische Systeme, eines im Zellkern und ein weiteres in Mitochondrien.

Pflanzenzellen haben dazu noch ein drittes genetisches System in Chloroplasten.

1.3 Prokaryoten

Im Gegensatz zu den Eukaryoten besitzen Prokaryoten, also Bakterien und Archaeen, keine Organellen. Ihre DNA ist nicht von Membranen umgeben, sondern liegt als freies Knäuel im Zellinnern (▶ Abb. 1.5). Das Cytoplasma ist nicht durch ein Membransystem oder ein Cytoskelett organisiert. Es ist nach außen von einer Cytoplasmamembran begrenzt, in der u. a. auch energieliefernde Prozesse ablaufen, vergleichbar den Prozessen, die sich bei Eukaryoten in den Mitochondrien abspielen. Bei den meisten Bakterien liegt zusätzlich eine feste Zellwand außen auf der bakteriellen Cytoplasmamembran.

Im Laufe der Evolution hat sich eine bis heute noch nicht überschaubare Zahl an Bakterienarten entwickelt, die sich an viele, oft extreme ökologische Bedingungen angeglichen haben und deswegen ungewöhnliche Stoffwechselleistungen bringen müssen. Das zeigt sich nicht zuletzt daran, dass viele Bakterienarten mit oder ohne Sauerstoff und unter extrem heißen oder sauren Bedingungen leben und sich vermehren können.

In den Labors der Molekulargenetiker werden meist nur wenige Bakterienarten untersucht. Besonders populär ist die Bakterienart Escherichia coli(E. coli). Arbeiten über E. coli haben das Fundament der heutigen Molekularen Genetik gelegt. Deswegen wird dessen Genetik im Kap. ▶ 6 gesondert zur Sprache kommen.

Abb. 1.5Schnitt durch eine Bakterienzelle. Endvergrößerung ca. 200 000×. Beachte das zentral gelegene hantelförmige DNA-Knäuel (hell) und die drei Schichten der Zellhülle: erstens die als Doppellinie sichtbare äußere Membran, zusammengesetzt aus Lipopolysacchariden, Phospholipiden und porenbildenden Proteinen, die die Passage kleiner Moleküle wie Zucker und Aminosäuren erlauben, aber große Moleküle wie Proteine zurückhalten, zweitens die dicht darunter als Einzellinie erkennbare starre Peptidoglykanschicht und drittens die Cytoplasmamembran, eine Lipiddoppelschicht, in der viele verschiedene Proteinarten eingelagert sind, darunter solche, die den Transport von Nährstoffen und Salzen steuern.

(Aufnahme: H. Frank, Tübingen, 1975)

In eng abgegrenzten biologischen Räumen (Biotopen) finden sich charakteristische Mischungen (Populationen) verschiedener Bakterienarten. Solche biotopspezifischen Populationen unterschiedlicher mikrobieller Organismen werden als Mikrobiome bezeichnet. Beispielhaft genannt seien die Mikrobiome des Erdbodens in der Umgebung pflanzlicher Wurzeln, das Mikrobiom des menschlichen Dickdarms oder das Mikrobiom eines Korallenriffs. Da die einzelnen Bakterienarten eines Mikrobioms oft nicht unter experimentellen Kulturbedingungen gezüchtet werden können, ermöglicht die effiziente Sequenzierung der DNA-Nucleotide der vollständigen Genome von Mikrobiomen eine molekulargenetische Beschreibung der Vielfalt mikrobieller Populationen.

Definition

Unter dem Mikrobiom versteht man die Mischpopulation vieler mikrobieller Arten, die gemeinsam ein spezifisches Biotop bevölkern.

Archaeen (oder Archaea, Einzahl: Archaeon, griech. der/das Alte) vereinigen Eigenschaften von Bakterien, insbesondere, was ihre Stoffwechselleistungen angeht, mit Eigenschaften von Eukaryoten, vor allem in der Art, wie ihre Gene aufgebaut sind, wie die Information der Gene genutzt wird und wie Gene von Generation zu Generation weitergegeben werden.

Eine Existenz in extremen Umwelten ist das besondere Merkmal der Archaeen. Dazu gehören

die Methanobacteria, die CO2 zu Methan reduzieren können,

die Halobacteria, die sich in gesättigten Salzlösungen vermehren, und

die Thermokokken mit Temperaturoptima von bis zu 100 °C oder darüber sowie Organismen mit Vorlieben für extrem alkalische oder extrem saure Umgebungen.

Mikrobiologen untersuchen diese Lebensformen mit viel Aufmerksamkeit. Ein Grund dafür ist ihre Bedeutung für die Biotechnologie. Zum Beispiel liefern thermophile Organismen nützliche temperaturresistente Enzyme und acidophile Organismen können bei der Extraktion wertvoller Metalle aus komplexen Mineralien hilfreich sein.

Ein zweiter Grund ist ihre Bedeutung für alle Überlegungen zur Entstehung des Lebens. Denn die „extremophilen“ Prokaryoten vermehren sich unter Bedingungen, die vermutlich vor drei oder vier Milliarden Jahren auf der Erde geherrscht haben, also zu der Zeit, als sich erstes zelluläres Leben zu entwickeln begann.

Forscher haben mögliche und plausible Szenarien zur Entstehung und frühen Evolution des Lebens auf der Erde entworfen. Davon wird einiges an anderen Stellen des Buches anklingen, aber eine angemessene Beschreibung würde viele Seiten in Anspruch nehmen und den Rahmen dieses Buches überschreiten.

Merke

Alle Organismen auf der Erde enthalten DNA als universellen Träger der genetischen Information. Das ist ein starkes Argument dafür, dass die Evolution der belebten Natur von einer Urzelle mit DNA als genetischem Material ausging.

1.3.1 Literatur

Zitierte Literatur

[1] Olsen GJ, Woese CR (1997) Archaeal genomics: an overview. Cell 89: 991–994

[2] Blair Hedges S (2002) The origin and evolution of model organisms. Nat Rev Genet 3: 838–849

Weiterführende Literatur

[3] Kutschera U (2008) Evolutionsbiologie. 3. Aufl. Uni-Taschenbuch, Stuttgart

[4] Storch V, Welsch U, Wink M (2013) Evolutionsbiologie. 3. Aufl. Springer-Spektrum, Heidelberg

2 DNA: Träger der genetischen Information

Rolf Knippers

2.1 Einleitung

Der Schweizer Forscher Friedrich Miescher (1844–1895) hat während seiner Tätigkeit am Physiologisch-Chemischen Institut der Universität Tübingen als Erster die Substanz „Nuclein“ aus menschlichen Zellen isoliert und später in wissenschaftlichen Aufsätzen beschrieben (1871). Heute weiß man, dass „Nuclein“ ein Gemisch der Nucleinsäuren DNA und RNA war. Miescher legte die Grundlage für die Arbeiten der Chemiker nach ihm, die im Laufe mehrerer Jahrzehnte schließlich die Struktur der DNA- und RNA-Bausteine aufklärten. Hier geht es erst einmal um DNA.

Oswald T. Avery (1877–1955) und seine Mitarbeiter an der Rockefeller-Universität (damals: Rockefeller Institute) in New York haben erstmals und eindeutig nachgewiesen, dass DNA der Träger von genetischer Information ist (1944). Ihr Nachweis bestand, vereinfacht zusammengefasst, in der Übertragung vererbbarer Eigenschaften, nämlich Zellwandformationen und Virulenz, von einem Pneumokokken-Stamm auf einen anderen. Die Forscher fanden, dass die Übertragung durch eine „transformierende Substanz“ vermittelt wird und dass diese „Substanz“ nichts anderes als DNA ist.

Anders als man heute im Rückblick vielleicht erwarten würde, hatte die wichtige Entdeckung von Avery zunächst kein besonders großes Echo in der wissenschaftlichen Welt gefunden und Lehrbücher behaupteten noch im Jahr 1950, dass „mit großer Sicherheit gesagt werden kann: Die Erbfaktoren sind große Eiweißmoleküle“, so die Genetikerin Anna-Elise Stubbe in ihrem Buch „Das Rätsel der Vererbung“. Wobei wir zur Erläuterung hinzufügen, dass „Erbfaktor“ das alte Wort für Gen und „Eiweiß“ eine auch heute noch gelegentlich verwendete, aber veraltete deutschsprachige Bezeichnung für Protein ist.

Die Situation änderte sich schnell, als James D. Watson und Francis H. C. Crick im Jahr 1953 – basierend auf Röntgenbeugungsanalysen von Rosalind Franklin – die Aufklärung der dreidimensionalen Doppelhelixstruktur der DNA veröffentlichten. Denn die Struktur zeigte unmittelbar auf, wie genetische Information gespeichert ist, wie sie von Generation zu Generation weitergegeben und auf welche Weise sie gelegentlich durch Mutationen verändert werden kann .

2.2 Bausteine: Nucleotide

Der Träger der Geninformation ist ein Makromolekül mit der Bezeichnung Deoxyribonucleinsäure, kurz: DNS oder – gebräuchlicher – DNA (nach der englischen Bezeichnung deoxyribonucleic acid).

Als Makromolekül ist die DNA aus Einzelbausteinen zusammengesetzt, den Nucleotiden. Das gilt auch für die zweite Art von Nucleinsäuren, nämlich für Ribonucleinsäure oder RNA (ribonucleic acid), über die ausführlicher im Kap. ▶ 3 berichtet wird. Auch RNA ist aus Nucleotiden aufgebaut, die allerdings in einigen Merkmalen von den Nucleotiden in der DNA abweichen.

Jedes Nucleotid hat drei Komponenten (▶ Abb. 2.1):

eine Purin- oder eine Pyrimidinbase, die über eine N-glykosidische Bindung an das C1′-Atom einer Zuckerkomponente gebunden ist; die DNA enthält zwei Purinbasen, Adenin und Guanin, und zwei Pyrimidinbasen, Cytosin und Thymin; in RNA kommt anstelle von Thymin die Pyrimidinbase Uracil vor;

einen C5-Zucker: Deoxyribose in der DNA, Ribose in der RNA;

einen Phosphatrest, der mit dem C5′-Atom des Zuckers über eine Esterbindung verknüpft ist.

Abb. 2.1Bausteine von Nucleinsäuren.

Merke

Komponenten der DNA:

Pyrimidinbasen: Cytosin, Thymin; Purinbasen: Adenin, Guanin

Zucker: Deoxyribose

Phosphatrest

Komponenten der RNA:

Pyrimidinbasen: Cytosin, Uracil; Purinbasen: Adenin, Guanin

Zucker: Ribose

Phosphatrest

Die DNA enthält zwei Purinbasen, Adenin und Guanin, und zwei Pyrimidinbasen, Cytosin und Thymin. In RNA kommt die Pyrimidinbase ▶ Uracil anstelle von Thymin vor. Einige Prozent der Cytosinbausteine in der DNA von Tieren und Pflanzen tragen eine Methylgruppe: 5-Methylcytosin. Ein Teil davon trägt eine Hydroxygruppe: 5-Hydroxymethylcytosin. Wir werden später sehen, dass die Methylierung und die Hydroxymethylierung der Cytosine wichtige genetische Konsequenzen haben (Kap. ▶ 12 und ▶ 20). Die „modifizierte“ Base 5-Methylcytosin findet man auch in der DNA von Bakterien. Überdies kann in der Bakterien-DNA auch ein kleiner Anteil der Adeninreste methyliert sein: 6-Methylaminopurin.

Die Verbindungen von den Purin- oder Pyrimidinbasen mit dem Zucker nennt man Deoxynucleoside (in DNA) oder einfach Nucleoside (in RNA), die Verbindungen von Nucleosiden und Phosphatresten heißen Deoxynucleotide (in DNA) oder einfach Nucleotide (in RNA) (s. ▶ Abb. 2.1).

Merke

Deoxynucleosid/Nucleosid: Verbindung von Base und Zucker

Deoxynucleotid/Nucleotid: Verbindung von Nucleosid und Phosphatrest

In den natürlichen DNA- oder RNA-Molekülen sind viele Tausend Nucleotide miteinander zu langen unverzweigten Fäden verknüpft, und zwar durch Phosphatbrücken (oder Phosphodiesterbindungen) zwischen dem C5′-Atom des einen und dem C3′-Atom des benachbarten Nucleotids. So kommt es, dass die polymeren Nucleinsäuren eine Richtung mit einem freien (nicht mit einem Nachbarnucleotid verknüpften) 5′-Ende und einem freien 3′-Ende haben, wie aus der einfachen Skizze in ▶ Abb. 2.2 unmittelbar hervorgeht.

2.3 DNA-Doppelhelix

Die Arbeit von James Watson und Francis Crick (1953)über die DNA-Struktur ging hauptsächlich von zwei Befunden aus:

Diese Informationen und das geistige Rüstzeug, das der herausragende Chemiker Linus Pauling zuvor für die Aufklärung der ▶ α-Helixstruktur in Proteinen geschaffen hatte (1951), ermöglichten Watson und Crick den Bau von Modellen, aus denen schließlich die Struktur der DNA-Doppelhelix hervorging.

Einen einfachen Überblick über den Bau der Doppelhelix gibt ▶ Abb. 2.3b, der die Doppelhelix als eine rechtsläufige Spirale aus zwei Bändern zeigt. Die beiden Bänder sind ähnlich wie die Wangen einer Wendeltreppe durch Stufen miteinander verbunden. Die Bänder stellen das Rückgrat der DNA-Ketten dar und entsprechen dem Zucker-Phosphat-Teil der Nucleotide. Die „Stufen“ zeigen die Lage der basischen Purin- und Pyrimidinringe an. Sie sind nach innen gerichtet, und zwar so, dass je ein Purinring mit je einem Pyrimidinring ein Basenpaar bildet.

Abb. 2.3Die DNA-Doppelhelix.

Abb. 2.3a Die beiden Stränge der DNA verlaufen „antiparallel“: Ein „freies“ nicht mit einem Nachbarnucleotid verknüpftes 5′-Ende befindet sich am linken Strang unten und am rechten Strang oben.

Abb. 2.3b Dimensionen der Doppelhelix: Eine vollständige Windung verläuft über 3,4 nm und enthält 10 bp.

(nach Watson JD, Crick FHC (1953) A Structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: 737–738)

Abb. 2.3c Kalottenmodell der DNA-Doppelhelix. In diesem Modell wurde für jedes Atom, das an der DNA-Struktur beteiligt ist, eine Kugelkalotte eingesetzt. Das Verhältnis von Form und Größe dieser Kalotten entspricht ungefähr den Dimensionen der verschiedenen Atome.

(nach einer Publikation aus dem Labor von M. H. F. Wilkins: Feughelham M, Langridge R, Weeds WE et al (1955) Molecular structure of desoxyribonucleic acid and nucleoprotein. Nature 175: 834–839)

Über spezifische Wasserstoffbrücken kommen stets ein Adenin mit einem Thymin und ein Guanin mit einem Cytosin in Kontakt (▶ Abb. 2.4). Man spricht von der Basenpaarungsregel oder Komplementarität.

Abb. 2.4Basenpaarungen. R gibt die Stelle an, wo die Basen mit der Deoxyribose verbunden sind.

Das hat zur Konsequenz, dass man aus der Nucleotidfolge des einen Stranges die Nucleotidfolge des anderen ohne Weiteres ableiten kann:

5′–A C C G T A G C–3′3′–T G G C A T C G–5′

Parallel zu den Bändern der Wendeltreppe in ▶ Abb. 2.3 sind zwei gegenläufige Pfeile eingetragen. Die Pfeile deuten an, dass die Zucker-Phosphat-Bänder gegenläufig oder, wie man sagt, antiparallel angeordnet sind. Was darunter verstanden wird, geht besser aus der Strichskizze in ▶ Abb. 2.3a hervor: Ein DNA-Strang in der Doppelhelix läuft von unten nach oben in 5′-3′-Richtung, während sein komplementärer Partnerstrang in 3′-5′-Richtung läuft.

Merke

Die beiden Stränge der DNA sind komplementär, was bedeutet, dass Adenin in dem einen Strang mit Thymin im anderen Strang in Wechselwirkung steht, ebenso wie Guanin mit Cytosin.

Die komplementären Einzelstränge der DNA-Doppelhelix haben eine gegenläufige, d.h. antiparallele 5‘-3‘-Orientierung.

Die Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen tragen erheblich zur Stabilität der Doppelhelix bei. Einen weiteren Beitrag liefern die hydrophoben Bindungen zwischen den benachbarten, aufeinandergestapelten Basenpaaren (base stacking). Wie aus dem Kalottenmodell in ▶ Abb. 2.3c hervorgeht, liegen die Basen wie Bücher in einem Bücherstapel dicht aufeinander.

Die Abbildung der Doppelhelix zeigt weiter, dass die Zucker-Phosphat-Bänder wie Schläuche erscheinen, die zwei Furchen unterschiedlicher Weite begrenzen: eine große Furche und eine kleine Furche. Der Grund dafür ist, dass die glykosidischen Bindungen, also die Anheftungsstellen der Basen an die Deoxyribosereste, nicht rechtwinklig (90°) an dem Zuckermolekül ansetzen (▶ Abb. 2.4).

2.4 DNA-Helices: Flexibilität

Die Doppelhelix in ▶ Abb. 2.3c ist das Standardbild oder so etwas wie eine Idealform. Tatsächlich haben viele Untersuchungen gezeigt, dass der allergrößte Teil der DNA in den lebenden Zellen eine Form einnimmt, die dem Standardbild mehr oder weniger genau entspricht. Die Röntgenstrukturforscher der 1950er-Jahre sprachen von der B-Form der DNA, und diese Bezeichnung hat sich bis heute gehalten. Die B-Form ist durch einige Merkmale charakterisiert, nämlich durch die Zahl der Basenpaare pro Helixwindung, durch die Abstände zwischen den Basenpaaren und durch den Winkel zwischen Helixachse und den Basenpaaren, wie in ▶ Abb. 2.3 angedeutet und in ▶ Tab. 2.1 zusammengefasst.

Tab. 2.1

Strukturmerkmale von rechtsläufigen DNA-Formen.

A-Form

B-Form

Basenpaare/Helixwindung

ca. 11

10,4–10,5

Abstand der Basenpaare

0,26 (±0,04) nm

0,34 (±0,04) nm

Winkel zwischen zwei Basen

33,1°(±5,9)

35,9°(±4,3)

Winkel zwischen Helixachse und Basenpaaren

71–77°

ca. 90°

Konformation des Zuckers

C3′-endo

C2′-endo

Freilich zeigen kristallografische Untersuchungen an DNA-Segmenten mit genau bekannten Folgen von Basenpaaren, dass sich innerhalb der Grenzen der B-Form-Geometrie verschiedene Strukturen ausbilden können, abhängig von der Art und der Reihenfolge der beteiligten Basenpaare. Eines der Kriterien für die genaue räumliche Lage benachbarter Basenpaare ist die Ausbildung optimaler hydrophober Bindungen, etwa durch Vermeidung des Zusammentreffens funktioneller Nucleotidseitengruppen. Eine Ursache für diese Flexibilität der Doppelhelix ist, dass die chemischen Bindungen im Fünferring der Deoxyribose und die Bindungen zwischen der Deoxyribose und den Phosphatresten beweglich sind (▶ Abb. 2.5), ebenso wie die glykosidischen Bindungen, um die sich die Purin- oder Pyrimidinringe wie starre Scheiben drehen können (▶ Abb. 2.6).

Abb. 2.5Flexibilität der Bindungen in einem Ribonucleotid (Pfeile). Die Winkel zwischen benachbarten Atomen werden durch griechische Buchstaben gekennzeichnet.

(nach Saenger W (1984) Principles of nucleic acid structure. Springer, Heidelberg)

Abb. 2.6Lage von Nucleotiden und Nucleotidpaaren relativ zur Helixachse (senkrechter Pfeil).

(nach Wells R, Collier DA, Hanvey JC et al (1988) The chemistry and biology of unusual DNA structures adopted by oligopurine-oligopyrimidine sequences. FASEB J 2: 2939–2949)

Schon in den frühen Zeiten der DNA-Forschung kannte man eine besonders drastische Änderung der DNA-Struktur: Übergang von der B-Form in die A-Form der DNA. Dies erfolgt bei Abnahme des Wassergehalts, wenn sich viele Strukturmerkmale der DNA ändern (▶ Tab. 2.1): In der A-Form der DNA stehen die Basenpaare nicht senkrecht zur Zentralachse, sondern sind in einem Winkel von etwas mehr als 70° gekippt und zur großen Furche hin verschoben. Dadurch kommt es zu einem offenen Raum im Innern des Moleküls und zur Ausbildung einer tiefen, aber engen großen Furche (▶ Abb. 2.7).

Abb. 2.7DNA-Formen. B-Form (links) und A-Form (rechts) in Seitenansicht (oben) und Aufsicht (unten).

(nach Saenger W (1984) Principles of nucleic acid structure. Springer, Heidelberg)

Entscheidend für den Übergang von der B-Form in die A-Form ist der Verlust einer Schicht von Wassermolekülen. Dadurch ändert sich die Konfiguration der Deoxyribose: In der A-Form liegt das C3′-Atom oberhalb der Ringebene, in der B-Form dagegen das C2′-Atom. Das hat Auswirkungen auf die Lage und Anordnung der Phosphatreste und der Nucleotidbasen, wie es die ▶ Abb. 2.8 zeigt.

Merke

RNA-Doppelstränge liegen immer in einer Art A-Form vor, weil die 2′-OH-Gruppe der Ribose die Ausbildung einer B-Form aus sterischen Gründen nicht zulässt.

Eine Doppelhelix in der A-Form oder in der B-Form läuft rechtsherum. Aber man kennt auch linksläufige DNA-Helices. Dabei nimmt das Zucker-Phosphat-Rückgrat eine Zick-Zack-Form ein. Deshalb spricht man von der Z-Form der DNA. Zuerst wurde die Z-Form bei biochemischen Untersuchungen von DNA-Stücken mit der Nucleotidfolge

..G C G C G C G C G C....C G C G C G C G C G..

(kurz: [CG]n) in Lösungen mit hohem Salzgehalt gefunden. Stabilisierung von Z-DNA erfolgt auch bei ▶ negativ superhelikaler Verdrillung.

Ursache ist die Umorientierung der gykosidischen Bindung zwischen Guanin und der Deoxyribose unter den gewählten experimentellen Bedingungen. Zucker und Base liegen normalerweise in sogenannter anti-Konformation vor, aber in der Z-Form-DNA ändert sich das (▶ Abb. 2.9). Die glykosidische Bindung zwischen Cytosin und Deoxyribose bleibt in anti-Konformation, aber Guanin und Deoxyribose sind im syn. Deswegen wechselt syn- mit anti-Konformation in benachbarten Basenpaaren und das Zucker-Phosphat-Rückgrat nimmt einen Zick-Zack-Kurs in der Z-DNA (▶ Abb. 2.9).

Abb. 2.8Konformationen der Deoxyribose in A-Form und B-Form DNA Doppelhelices.

(nach Rich A, Nordheim A, Wang AHJ (1984) The chemistry and biology of left-handed Z-DNA. Annu Rev Biochem 53: 791–846)

Abb. 2.8a Zucker in der C3′-endo-Form.

Abb. 2.8b Zucker in der C2′-endo-Form.

Abb. 2.9B- und Z-DNA im Vergleich. Neben der Z-DNA ist noch einmal die klassische B-Form der DNA abgebildet (▶ Abb. 2.3). Deoxyribose und Guanin liegen in der syn-Konformation vor, Deoxyribose und Cytosin aber in der normalen anti-Konformation. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat der Z-DNA verläuft linksherum als Zick-Zack-Linie (daher der Name Z-DNA).

(nach Rich A, Nordheim A, Wang AHJ (1984) The chemistry and biology of left-handed Z-DNA. Annu Rev Biochem 53: 791–846)

Ob A-Formen und Z-Formen der DNA nur Produkte von Versuchen im Reagenzglas sind oder ob sie auch gelegentlich an manchen Stellen in der DNA von Zellen, z.B. im aktiven Chromatin, vorkommen, ist bis heute unter Fachleuten umstritten. Aber für uns ist die Beschreibung der Formen nützlich, weil sie ganz allgemein die Flexibilität von DNA-Strukturen deutlich macht. Später werden wir bei den Besprechungen von Genstrukturen und Genregulationen sehen, dass Abweichungen von der klassischen B-Form der DNA nicht selten vorkommen.

2.5 Denaturierung und Renaturierung

Das Erhitzen von DNA-Doppelsträngen oder eine Behandlung unter mild alkalischen Bedingungen löst die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen, während die kovalenten Phosphodiesterbindungen intakt bleiben. Als Konsequenz trennen sich die beiden Stränge der Doppelhelix. Man spricht von Denaturierung oder Schmelzen (▶ Methode 2.1).

Methode 2.1

Denaturierung der DNA

Am einfachsten denaturiert man die DNA-Doppelhelix durch Erhitzen oder durch Zugabe von Alkali. ▶ Abb. 2.10 vergleicht die Hitzedenaturierung der DNA aus den Bakterienstämmen Pneumococcus und Serratia. Bei schrittweiser Temperaturerhöhung wird der Anteil an einzelsträngiger DNA in den Lösungen gemessen. Es entstehen charakteristische Schmelzkurven, deren Verlauf man u. a. durch Messung der Absorption von UV-Licht bei einer Wellenlänge von 260 nm verfolgen kann. Einzelsträngige DNA absorbiert das Licht bei 260 nm etwa 1,4-mal stärker als doppelsträngige DNA (Hyperchromizität). Die Zunahme der Absorption ist daher ein Maß für den Anteil an einzelsträngiger DNA.

Die Lage der Schmelzkurven hängt vom Lösungsmittel ab. Bei niedrigen Salzkonzentrationen, erhöhtem pH-Wert und in Anwesenheit einiger organischer Lösungsmittel wie Formamid, verschieben sich die Kurven nach links, d.h. die DNA „schmilzt“ bei einer niedrigeren Temperatur.

Das Schmelzverhalten der DNA ist eine direkte Folge des prozentualen Anteils von GC-Nucleotidpaaren, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Je größer der molare Anteil an GC-Paaren in der DNA, desto höher liegt der Schmelzpunkt Tm (▶ Abb. 2.11). Der Wert Tm bezeichnet die Temperatur, bei der die Hälfte der DNA-Moleküle einzelsträngig vorliegt. In unserem Beispiel liegt der Tm für Pneumococcus-DNA bei ca. 85  °C und für Serratia-DNA bei ca. 94  °C, weil die Serratia-DNA einen höheren GC-Anteil hat.

Abb. 2.10Absorptionszunahme bei Temperaturerhöhung.

(nach Schildkraut CL, Mamur J, Doty P (1962) Determination of the base composition of desoxyribonucleic acid from its buoyant density in CsCI. J Mol Biol 4: 430–443)

Abb. 2.11Abhängigkeit des mittleren Schmelzpunktes vom GC-Gehalt einer DNA. Übrigens, das menschliche Genom hat einen durchschnittlichen GC-Gehalt von 38 %.

(nach Schildkraut CL, Mamur J, Doty P (1962) Determination of the base composition of desoxyribonucleic acid from its buoyant density in CsCI. J Mol Biol 4: 430–443)

Unter geeigneten Bedingungen finden komplementäre DNA-Stränge wieder zueinander und bilden doppelsträngige DNA-Moleküle, ein Vorgang, den man als Renaturierung oder Reassoziation bezeichnet. Der Ablauf einer Reassoziation von komplementären DNA-Strängen ist in Plus 2.1 beschrieben und in ▶ Abb. 2.12 dargestellt.

Abb. 2.12Reassoziationsabläufe. Der c0t1/2-Wert ist der Wert, bei dem sich die Hälfte der vorhandenen Komplementärstränge zum Doppelstrang gefunden hat. Er nimmt mit der Größe der DNA zu. Die hier untersuchte Satelliten-DNA besteht aus einigen Hundert Basenpaaren. Die Doppelstrang-RNA des Phagen MS2 besteht aus ca. 3500, die DNA des Phagen T4 aus ca. 160 000 und die E. coli-DNA aus ungefähr 4 Millionen Basenpaaren.

(nach Britten RJ, Kohne DE (1968) Repeated sequences in DNA. Science 161: 529–533)

Bei ihren systematischen Untersuchungen über die Reassoziationen von DNA-Proben aus verschiedenen Organismen stellten Forscher in den Jahren zwischen 1960 und 1970 überraschende Unterschiede fest:

Wie ▶ Abb. 2.12 zeigt, reassoziieren die DNA-Stränge von Bakterien und Viren mit einer einfachen Kinetik. Anders die DNA-Stränge der meisten eukaryotischen Organismen. Ihre Reassoziation folgt einem komplexen Kurvenverlauf (▶ Abb. 2.13). Der Grund dafür ist, dass ein erheblicher Teil der DNA von Tieren und Pflanzen aus sich oft wiederholenden DNA-Abschnitten besteht. Diese repetitiven Sequenzen finden im Zuge der Reassoziation relativ schnell einen Partnerstrang, und zwar in Abhängigkeit von der Häufigkeit, mit der gleiche oder ähnliche Abschnitte in der DNA vorkommen. Dagegen werden Abschnitte, die in wenigen Kopien oder gar nur einmal in der DNA vorkommen (Einzelkopiesequenzen), mit entsprechend niedrigerer Wahrscheinlichkeit auf ihre komplementären Partner treffen. Entsprechend erfolgt die Reassoziation solcher Stränge verzögert.

Abb. 2.13Vergleich der Renaturierungskinetiken von Bakterien- und Säugetier-DNA. Blaue Kurve: Die Reassoziation der Bakterien-DNA folgt einer einfachen sigmoidalen Kinetik, weil jeder Abschnitt der DNA nur einmal vorkommt. ① Erster steiler Abfall der roten Kurve: Ein Teil der Säugetier-DNA reassoziiert schon bei einem sehr niedrigen c0t-Wert. Dies spricht für das Vorkommen sehr vieler sich wiederholender Nucleotidsequenzen. ② Zweiter steiler Abfall der roten Kurve: Ein anderer Teil der Säugetier-DNA reassoziiert in einem Bereich höherer c0t-Werte, wie man es aufgrund der Genomgröße erwarten würde.

(nach Britten RJ, Kohne DE (1968) Repeated Sequences in DNA. Science 161: 529–533)

Analysen der Abläufe von Reassoziationen haben die ersten Hinweise auf das Vorkommen von hoch- und mittelrepetitiven Abschnitten in Eukaryotengenomen gebracht. Dies ist inzwischen längst durch die Bestimmung der Basenpaarfolgen von natürlichen DNA-Molekülen bestätigt worden (s. Plus 2.2). Wir werden im Laufe des Buches noch oft auf diese merkwürdige Besonderheit der DNA in Eukaryoten zu sprechen kommen.

Plus 2.2

Repetitive DNA-Abschnitte: ein erster Überblick

Satelliten-DNA in den Centromer- und Telomerbereichen von Chromosomen. Die Centromer-DNA hat eine wichtige Funktion beim Aufbau des Spindelapparats während der ▶ Mitose. Die Telomer-DNA trägt zum Schutz der Chromosomenenden bei. In beiden Fällen handelt es sich um Wiederholungen von Hunderten oder Tausenden hintereinandergeschalteter kurzer DNA-Abschnitte. Satelliten-DNA renaturiert bei sehr niedrigen c0t-Werten und kann bis zu 5  % der Gesamt-DNA eines Säugetiers ausmachen.

SINE (short interspersed repetitive elements): Wie aus der Bezeichnung hervorgeht, sind diese repetitiven Elemente über das Genom verteilt (interspersed). Es gibt mehrere Arten oder, wie man sagt, Familien von SINE-Sequenzen. Ein Beispiel ist die sogenannte Alu-Familie im Humangenom. Alu-Elemente bestehen aus etwa 300 bp mit ähnlichen Sequenzen. Das Genom enthält mehr als eine Million Alu-Elemente. Das entspricht 10–15 % des Gesamtgenoms.

LINE (long interspersed repetitive elements): der Prototyp besteht aus 6000–7000 bp, aber viele Mitglieder von LINE-Familien sind verkürzte Versionen. Insgesamt addieren sich die DNA-Abschnitte von LINE-Familien bis zu etwa 20 % des Gesamtgenoms.

Jede Tier- oder Pflanzenart hat ihr eigenes Repertoire von SINE- und LINE-Familien. Man hat eine ungefähre Vorstellung von der Entstehung und Ausbreitung dieser repetitiven DNA, aber ihre genetische Bedeutung ist nicht bekannt.

Wir haben die Reassoziation komplementärer Nucleinsäurestränge auch deswegen ziemlich ausführlich beschrieben, weil sie die Grundlage für wichtige Methoden der molekularen Genetik ist. Wir werden in späteren Kapiteln immer wieder darauf zurückkommen. Hier nur als Beispiel eine der ersten Anwendungen in den frühen 1970er-Jahren. Molekularbiologen wollten überprüfen, ob ein gegebener DNA-Abschnitt aus einem Organismus mit einem entsprechenden DNA-Abschnitt aus einem anderen Organismus verwandt ist. Sie denaturierten die DNA-Abschnitte und ermöglichten dann die gemeinsame Reassoziation in einem Reaktionsgefäß. Die Frage war, ob sich ein Strang der einen mit einem komplementären Strang der anderen DNA zum Doppelstrang zusammenfindet. Wenn das zutraf, konnte man auf eine Ähnlichkeit der Sequenzen schließen.

Auch RNA-Stränge können mit komplementären DNA-Strängen einen Doppelstrang bilden. Man spricht dann von einem RNA-DNA-Hybrid. Überhaupt wird ein solches Verfahren oft als Nucleinsäure-Hybridisierung bezeichnet, abgeleitet von dem griechischen Wort hybrid, das in der Genetik so viel heißt wie „von zwei verschiedenen Eltern“ oder „von unterschiedlicher Herkunft“.

2.6 Natürliche DNA-Moleküle

Die kleinsten natürlich vorkommenden DNA-Moleküle bestehen aus einigen Tausend Basenpaaren und bilden das genetische Material von Viren (▶ Tab. 2.2). Die größten DNA-Moleküle kommen in Chromosomen von Tieren und Pflanzen vor und können aus bis zu mehreren Milliarden Basenpaaren aufgebaut sein.

Die Größen sind in erster Näherung ein Maß für die Menge an genetischer Information einer DNA. Viren kommen mit wenig genetischer Information aus, weil sie die infizierten Wirtszellen für ihre Zwecke ausnutzen. Außerdem ist der Zweck eines Virus eine möglichst schnelle und möglichst häufige Vermehrung, wofür die Wirtszelle die Bausteine und die Enzyme liefert. Dagegen brauchen zelluläre Organismen umfangreiche genetische Programme für die komplizierten Stoffwechselprozesse, für die Synthese von Aminosäuren und Nucleotiden, für den Aufbau von Proteinen und Nucleinsäuren, von Zellorganellen und Zellwänden usw. Wozu auch immer die genetische Information letztendlich verwendet wird, ihre unmittelbare Funktion ist es, den Bauplan für Proteine bereitzustellen. In trockenen Worten: Die lineare Folge von Nucleotiden in der DNA bestimmt die lineare Folge der Aminosäuren, also der Bausteine von Proteinen.

Hier gibt es ein Problem, das die Molekularbiologen in den Jahren nach der Beschreibung der Doppelhelix sehr beschäftigt hat. Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren, die in wechselnder Zahl, Zusammensetzung und Reihenfolge zu langen Ketten verknüpft sind, aber die DNA enthält nur vier verschiedene Nucleotide. Demnach kann ein Nucleotid in der DNA nicht die Position einer Aminosäure in der Aminosäurekette bestimmen.

Diese vorläufigen Betrachtungen helfen uns bei der Abschätzung des Informationsgehalts von DNA. Da die meisten Proteine aus 200–500 Aminosäuren zusammengesetzt sind und da genetische Information aus Tripletts zusammengesetzt ist, können wir schließen, dass der Abschnitt auf der DNA, der die Information zur Herstellung eines Proteins trägt, aus 600–1500 Nucleotid- oder Basenpaaren aufgebaut sein sollte. Wir bezeichnen einen solchen Abschnitt als proteincodierendes Gen.

Wir wiederholen die Definition, aber fügen gleich hinzu, dass sie nur vorläufig gelten soll, bis sie später im Buch (s. Kap. ▶ 12) ergänzt, erweitert und ersetzt wird:

Definition

Ein proteincodierendes Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Information zur Herstellung eines Proteins trägt.

Diese Definition werden wir später präzisieren, denn es gibt Gene, die keine Proteine codieren, sondern RNAs, die nicht in Proteine übersetzt werden.

Um einen Eindruck von der Größe natürlicher DNA-Moleküle (oder Genome) zu erhalten, betrachten wir die ▶ Tab. 2.2, die die Zahl der Basenpaare und die Zahl der Gene in der DNA einiger Viren und Prokaryoten enthält. Man kennt diese Zahlen so genau, weil die Nucleotidfolgen – oder wie man sagt: Sequenzen – der Genome bestimmt worden sind. Die Methoden, die dabei zur Anwendung kommen, werden wir an einer anderen Stelle besprechen (Kap. ▶ 26.4), ebenso wie die Konsequenzen dieser wichtigen Forschungsarbeiten. An dieser Stelle wollen wir nur anmerken, dass Quotienten aus der Zahl der Basenpaare und der Zahl der Gene Werte liefern, die ungefähr der theoretischen Überlegung entsprechen. Demnach besteht ein proteincodierendes Gen im Durchschnitt aus 600–1200 bp. Daraus folgt weiterhin: Zwischen den einzelnen Genen in prokaryotischen Genomen können, wenn überhaupt, nur sehr kurze Abstände liegen.

Anders die Genome von Eukaryoten: Zwischen den einzelnen Genen liegen oft lange Abschnitte von DNA, die keine Information zur Herstellung von Proteinen enthalten. Deswegen sind die DNA-Moleküle in den Zellkernen von Eukaryoten sehr viel länger, als man aufgrund von Schätzungen über die Zahl der Gene erwarten würde.

Diese Aussage wird durch die Angaben in der ▶ Tab. 2.3 belegt. Allerdings sind zum Verständnis der Tabelle einige Anmerkungen notwendig:

In den Kernen der meisten Zellen von Tieren und höheren Pflanzen kommt die DNA/das Genom in zweifacher Ausführung vor. Man sagt: Die Zellen oder Organismen sind diploid (di-ploid, griech. zwei-fach). Die Angaben in der Tabelle betreffen das einfache oder haploide Genom.

Die DNA in Zellkernen ist kein durchgehender DNA-Faden, sondern kommt in Einzelabschnitten vor. Das wird zur Zeit der ▶ Mitose sichtbar, wenn die Einzelabschnitte als Chromosomen verpackt werden. So kann man den Werten der ▶ Tab. 2.3 entnehmen, dass die DNA (haploid) in den Kernen von Säugetierzellen etwa 1 m lang ist. Diese Strecke ist in Zellen der Maus in 20 und in Zellen des Menschen in 23 Abschnitte (Chromosomen) aufgeteilt.

Tab. 2.3

DNA im Zellkern einiger Eukaryoten.

Art

Größe des Genoms [in Basenpaaren; ungefähre Werte]

Zahl der Chromosomen

Zahl der proteincodierenden Gene [ungefähre Werte]

Hefe (Saccharomyces cerevisiae)

12 Millionen

16

6240

Fadenwurm/Nematode (Caenorhabditis elegans)

97 Millionen

6

18 240

Fliege (Drosophila melanogaster)

180 Millionen

4

13 600

Säugetiere

Maus (Mus musculus)

3000 Millionen

20

22 000

Mensch (Homo sapiens)

3000 Millionen

23

21 000

Pflanzen

Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana)

120 Millionen

5

30 000

Mais (Zea mays)

2300 Millionen

10

32 000

Reis (Oryza sativa)

380 Millionen

12

30 000

* Die Angaben in dieser Tabelle gelten für haploide Genome und haploide Chromosomensätze. Beachte, dass das Maisgenom um ein Mehrfaches größer ist als das Reisgenom, obwohl es gleich viele Gene enthält. Der Unterschied beruht auf einem viel umfangreicheren Anteil an repetitiven DNA-Abschnitten. Die angegebene Zahl der Gene bezieht sich auf proteincodierende Gene. Weitere Erläuterungen s. Text.

Die einfachen Schlussfolgerungen aus den Zahlen der ▶ Tab. 2.3 werden durch die gesamtgenomischen Sequenzierprojekte unterstützt: Täglich gelangen neue Basenpaarsequenzen von Genen und intergenischen (Zwischen-Gen-)Bereichen der verschiedensten Eukaryotenarten in die Datenbanken und immer wieder zeigt sich, dass zwischen und selbst innerhalb von Genen oft lange Abschnitte nicht codierender DNA vorkommen. Tatsächlich ist bekannt, dass meist nur ein oder wenige Prozent der DNA von Tieren und Pflanzen für die Codierung von Proteinen reserviert ist. Die DNA zwischen den Genen besteht oft aus vielfach vorkommenden, „repetitiven“ Abschnitten ▶ (Plus 2.2) mit meist unbekannter genetischer Funktion (▶ Abb. 2.14) (Kap. ▶ 12.9).

Abb. 2.14Organisation der Genome von Tieren und Pflanzen. Einzelkopie-DNA (Gen) und repetitive DNA (LINE, SINE usw.) im Wechsel. Stark vereinfachte Skizze.

2.7 DNA-Ringe: Helix und Superhelix

Die DNA in den eukaryotischen Chromosomen ist linear – wie ein Faden mit zwei Enden. Aber die Genome der weitaus meisten bekannten Bakterien sind zu Ringen geschlossen. Auch die DNA in Mitochondrien und Chloroplasten ist ringförmig, ebenso wie die DNA mancher Viren, etwa die DNA des Simian-Virus 40 (SV40; ▶ Tab. 2.2, ▶ Abb. 2.15).

Abb. 2.15Elektronenmikroskopische Aufnahme von SV40-DNA (▶ Tab. 2.2). Eines der beiden abgebildeten DNA-Moleküle liegt als offener Ring vor, das zweite als „Superhelix“ – ein in sich gedrehter, verdrillter DNA-Ring. Die offene, entspannte, „relaxierte“ DNA entsteht aus der superhelikalen DNA nach Einführen eines Bruches in einem der beiden Stränge, beispielsweise nach Öffnung einer Phosphodiesterbindung durch das Enzym Deoxyribonuclease.

(Aufnahme: R. Wessel, Konstanz)

Die Ringstruktur der DNA hat Konsequenzen. Bei einer Denaturierung werden die Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basenpaaren geöffnet, aber die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix können sich so ohne Weiteres nicht voneinander trennen, wie man sich anhand der ▶ Abb. 2.16 deutlich machen kann. Überdies ist ringförmig geschlossene DNA oft verdrillt, wie eines der beiden SV40-DNA-Moleküle in der elektronenmikroskopischen Aufnahme der ▶ Abb. 2.15. Man bezeichnet dies oft als Superhelix, denn die Verdrillungen sind den Windungen in der Doppelhelix überlagert.

Die Zahl der Verdrillungen (supercoils) kann von DNA-Molekül zu DNA-Molekül verschieden sein. Man sagt: Ringförmig geschlossene DNA-Moleküle kommen in verschiedenen topologischen Formen vor. Die in Plus 2.3 enthaltene Information gibt zusammen mit der ▶ Abb. 2.17 eine formale Beschreibung der DNA-Topologie.

Abb. 2.17Topologie von unterwundener DNA. Verknüpfungszahlwerte mit und ohne Unterwindung. Erklärungen der Abkürzungen Lk, Tw und Wr siehe Plus 2.3.

Die Verhältnisse lassen sich mit einem einfachen Experiment verdeutlichen: Ein Bindfaden wird an einem Ende festgehalten und am anderen mehrmals um die Längsachse gedreht; dann werden die Enden – ohne Aufgabe der Drehungsspannung – aneinandergefügt. Als Ergebnis treten Verdrillungen, Supercoils, auf.

Wenn wir dieses Experiment auf die DNA übertragen, müssen wir die Richtung der Drehung berücksichtigen: Da die doppelsträngige DNA rechtsläufig ist, wird durch eine Drehung nach rechts die Tendenz in Richtung zunehmender Helixwindungen gehen, während durch Drehung nach links die Tendenz in Richtung abnehmender Helixwindungen geht.

Auf diese Weise entstehen Supercoils unterschiedlicher Richtung. Wenn die Doppelhelix entwunden wird, entstehen negative Supercoils und die Superhelix ist rechtsläufig (▶ Abb. 2.17). Eine Überwindung der Helix (nach einer Rechtsdrehung) führt zu positiven Supercoils und linksläufiger Superhelix. Die meisten natürlich vorkommenden DNA-Moleküle haben negative Supercoils.

In Bakterien werden negative Supercoils durch spezielle Enzyme eingeführt, durch ▶ Topoisomerasen. Diese Enzyme verändern die Topologie der DNA durch eine konzertierte Aktion von Schneiden und Wiederverknüpfen. Sie haben wichtige Funktionen bei allen genetischen Reaktionen, die mit einer Entwindung des DNA-Doppelstrangs einhergehen, wie etwa bei der Transkription von Genen oder bei der Replikation.

Auch die DNA in Pflanzen- oder Tierzellen ist negativ verdreht. Der Grund ist hier die besondere Organisation der DNA im Zellkern. Die DNA ist eng um Proteinkomplexe ▶ (Nucleosomen) gewunden. Negative Supercoils entstehen bei der Abtrennung der Proteinkomplexe.

In natürlicher DNA können auch positive Supercoils vorkommen. Allerdings treten positive Supercoils meist nur vorübergehend auf, etwa vor einer Replikationsgabel. Die entstehenden Drehspannungen müssen durch Topoisomerasen aufgelöst werden, sonst käme es zum Stillstand der Replikation.

2.8 Einige wichtige Methoden zur Untersuchung von DNA

Unser erster methodischer Überblick betrifft drei Verfahren, nämlich die Elektrophorese