Genetik

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Genetik

ISBN: 
978-3-662-44816-8

Von Mendel bis zu Genomforschung und Gentechnologie reicht dieses Standardwerk der Genetik. In der 6. Auflage um ein Kapitel zur Epigenetik und um Fragen und Antworten ergänzt sowie aktualisiert, bietet dieses Lehrbuch eine umfassende Darstellung der klassischen und der molekularen Genetik. Cytogenetik, Entwicklungsgenetik, Humangenetik und Anthropologie sowie Neuro- und Verhaltensgenetik sind weitere wichtige Inhalte. Technikboxen bereichern das umfassende Themen- und Methodenspektrum des Buches. Dieses Buch vermittelt genetisches Grundlagenwissen für das gesamte Studium. Dabei unterstützen zahlreiche hervorgehobene Lernhilfen und Beispiele aus allen Bereichen der Genetik sowie farbige Abbildungen.

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BegriffErklärung
Aberration(lat. abortus, Fehlgeburt, auch Schwangerschaftsabbruch). Beispiel: Chromosomenaberration (S. 404), Chromosomenveränderung.
Abort(lat. abortus, Fehlgeburt, auch Schwangerschaftsabbruch).
AkronVorderende eines Insektenembryos bzw. mehr allgemein im Articulatengrundbauplan.
Akrozentrisches ChromosomChromosom, bei dem das Centromer am Ende lokalisiert ist, dadurch ist die Länge der Chromosomenarme sehr unterschiedlich (S. 216).
AllelEine bestimmte Ausführung eines Gens (S. 3).
Weitere Begriffe
  • Kapitel 1: Was ist Genetik? (6)
  • Kapitel 2: Molekulare Grundlagen der Vererbung (5)
  • Kapitel 3: Verwertung genetischer Informationen (5)
  • Kapitel 4: Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene (8)
  • Kapitel 5: Die eukaryotische Zelle und Modellorganismen (4)
  • Kapitel 6: Eukaryotische Chromosomen (5)
  • Kapitel 7: Molekulare Struktur und Regulation eukaryotischer Gene (5)
  • Kapitel 8: Epigenetik (5)
  • Kapitel 9: Instabilität, Flexibilität und Variabilität des Genoms (5)
  • Kapitel 10: Veränderungen im Genom: Mutationen (5)
  • Kapitel 11: Formalgenetik (5)
  • Kapitel 12: Entwicklungsgenetik (5)
  • Kapitel 13: Genetik menschlicher Erkrankungen (4)
  • Kapitel 14: Verhaltens- und Neurogenetik (5)
  • Kapitel 15: Genetik und Anthropologie (4)
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Frage 1 von 76
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  • Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Genotyp und Phänotyp.

    Lösung

    Unter Genotyp verstehen wir die genetische Konstitution eines Organismus; in vielen Fällen bezieht sich der Begriff auch nur auf ein Gen (wenn wir von »genotypisieren« sprechen, wollen wir auf der Ebene der DNA den Wildtyp von einer Mutante unterscheiden; die Mutation muss man dazu natürlich kennen). Unter dem Phänotyp verstehen wir dagegen das äußerliche Erscheinungsbild oder auch die Ausbildung einer Krankheit. Ein gleicher Phänotyp kann durch verschiedene Genotypen verursacht sein; Umwelteinflüsse verändern den Phänotyp ebenfalls.
  • Warum ist es so schwierig, ein Gen zu definieren?

    Lösung

    Früher war man der Ansicht, dass ein Merkmal (biochemisch: ein Protein) durch ein Gen codiert wird. Heute wissen wir, dass Gene auf der DNA nicht immer in einem Block vorliegen, sondern häufig »gestückelt« sind; die Stücke sind dabei oft über größere Bereiche verteilt. Dazu kommen regulatorische Elemente, von denen sich einige direkt vor oder nach den codierenden Sequenzen befinden. Diese verschiedenen Elemente können in unterschiedlichen Geweben eines Organismus in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, sodass aus einem Gen viele verschiedene Proteine gebildet werden können. Dazu kommt, dass sich zwischen den verschiedenen »Stücken« eines Gens Elemente eines anderen Gens befinden können oder dass der Gegenstrang eine andere Information enthält, die auch abgelesen wird.
  • Was sind Allele?

    Lösung

    Allele sind verschiedene »Erscheinungsformen« eines Gens: Dabei können einzelne Basen ausgetauscht sein oder auch ganze Bereiche fehlen oder in ihrer Orientierung umgedreht sein. Wir sprechen von einem Null-Allel, wenn das Gen vollständig inaktiv ist.
  • Was verstehen wir unter der »Chromosomentheorie der Vererbung«?

    Lösung

    Die »Chromosomentheorie der Vererbung« besagt, dass sich die Träger der Erbinformationen im Zellkern befinden und auf
    »anfärbbaren Kernkörperchen« lokalisiert werden können – diese werden als Chromosomen bezeichnet.
  • Wieso eröffnete die Charakterisierung der DNA als Doppelhelix unmittelbar eine Erklärung für ihre Verdopplung (Replikation)?

    Lösung

    Man stellte sich vor, dass die Form der Doppelhelix mit ihren antiparallelen Strängen und den zentralen Basen vor der Verdopplung wie ein Reißverschluss geöffnet werden kann; die Basen des neuen Strangs legen sich quasi spiegelbildlich an einen der alten Stränge an, sodass aus den beiden alten Hälften zwei neue DNA-Moleküle entstehen können, die sich in ihrer Sequenz
    von dem Ausgangsmolekül nicht unterscheiden. Im Prinzip hat sich diese Vorstellung als richtig erwiesen (für Details 7 Abschn. 2.2).
  • Können wir erworbene Eigenschaften vererben?

    Lösung

    Erworbene Eigenschaften können nicht über die Keimbahn vererbt werden und haben keinen Einfluss auf die DNA-Sequenzen der Ei- und Samenzellen. Wir müssen davon aber spontane Mutationen in der Keimbahn unterscheiden, die unter einem bestimmten (evtl. viel später auftretenden Selektionsdruck) einen Vorteil darstellen und sich an die veränderten Umweltbedingungen als besser angepasst erweisen. Wir müssen davon auch epigenetische Markierungen unterscheiden (7 Kap. 8), die sich in unterschiedlichen biochemischen Modifikationen der DNA ausdrücken (vor allem Methylierungen) und die Aktivitäten von Genen regulieren können. Diese Modifikationen können als Antwort auf Umweltreize auftreten (z. B. Ernährung) und über Generationen weitergegeben werden. Oft wird auch von »kultureller Vererbung« gesprochen – hier handelt es sich aber um sozialwissenschaftliche Phänomene, die nicht Gegenstand der Genetik sind (höchstens insoweit, dass die genetischen Voraussetzungen für »Kultur« gegeben sein müssen und sich in der Evolution als vorteilhaft erwiesen haben).
  • Die menschliche DNA (einfacher Chromosomensatz) enthält 3,2 Mrd. Basenpaare. Berechnen Sie die Länge der menschlichen
    DNA-Doppelhelix (B-Konfiguration) unter Berücksichtigung der Angaben in Tab. 2.1 ohne Annahmen einer zusätzlichen Verdrillungsstruktur.

    Lösung

    Die DNA-Doppelhelix enthält ~ 10 bp pro Windung; eine Windung umfasst 3,4 nm: 320 Mio. Windungen × 3,4 nm = 1088 Mio. nm = 1,088 m. Die menschliche DNA ist also knapp 1,1 m lang, wenn man die DNA-Moleküle aller Chromosomen (einer Keimzelle) hintereinander anordnet – der doppelte Chromosomensatz ergibt dann entsprechend mehr als 2 m. Das verdeutlicht die Notwendigkeit der zusätzlichen Verdrillungen, um die gesamte DNA im Zellkern unterzubringen.
  • Warum ist es sinnvoll, die DNA-Replikation an den Zellzyklus zu koppeln?

    Lösung

    Durch die Kopplung der DNA-Synthese an den Zellzyklus wird gewährleistet, dass das Genom dann dupliziert wird, wenn es gebraucht wird – nämlich vor der Zellteilung. Wenn sich eine Zelle teilt, ohne vorher das Genom zu duplizieren, enthält eine der beiden Tochterzellen kein genetisches Material. Außerdem gibt es terminal differenzierte Zellen, die sich nicht weiter teilen, auch hier wäre eine weitere DNAReplikation eine unnötige Verschwendung der energetischen Ressourcen einer Zelle. Ausnahmen sind die polytänen oder Riesen chromosomen bei Drosophila (7 Abschn. 6.4.1).
  • Erklären Sie, warum wir mehr als einen Startpunkt der DNA-Replikation pro Chromosom brauchen.

    Lösung

    Die Geschwindigkeit des Replikationsprozesses beträgt bei Eukaryoten etwa 50 bp/s. Das haploide menschliche Genom enthält etwa 3 × 10^9 bp und 23 Chromosomen – wenn es auf jedem Chromosom nur einen Startpunkt gäbe, würde der Vorgang mehrere Wochen in Anspruch nehmen.
  • Erklären sie den Unterschied der DNA-Synthese am Leit- und Folgestrang sowie die Bildung von Okazaki-Fragmenten.

    Lösung

    Da die DNA-Polymerase nur in eine Richtung arbeitet (5’3’, unidirektional), kann die DNA-Synthese nur am Leitstrang kontinuierlich erfolgen. Am Gegenstrang (» Folgestrang«) muss die Synthese deshalb diskontinuierlich erfolgen, sodass immer
    nur kurze Fragmente (Okazaki-Fragmente) gebildet werden können, wenn sich die Replikationsgabel weiter öffnet.
  • Beschreiben Sie kurz das Problem der DNA-Replikation an den Enden der Chromosomen (Telomerproblem).

    Lösung

    Nur der Leitstrang kann bis zum Ende durchsynthetisiert werden; der Folgestrang würde einzelsträngig bleiben, da der RNAPrimer zum Starten des letzten Okazaki- Fragments nicht mehr durch eine DNA ersetzt werden kann (die DNA-Polymerase braucht ja ein freies 3’-OH-Ende). Dieser DNA-Einzelstrang ist jedoch nicht stabil, sodass sich das Telomer bei jeder Zellteilung entsprechend verkürzen würde. Deshalb wird dieser Teil der Replikation durch einen Telomerase-Komplex übernommen.
  • Beschreiben Sie das »zentrale Dogma der genetischen Information« und erläutern Sie, warum es nicht mehr gilt.

    Lösung

    Das »zentrale Dogma der genetischen Information« postulierte eine Richtung der Information: von der DNA über das Transkript (mRNA) zum entsprechenden Protein (bei manchen Genen endet der Weg natürlich auch bei der RNA [rRNA, tRNA, nicht-codierende RNA]). Seit der Entdeckung der Reversen Transkriptase wissen wir, dass Zellen diesen Weg auch rückwärts gehen können – von der RNA zur DNA. Damit ist dieses Dogma nicht mehr gültig.
  • Begründen Sie die Aussage, dass der genetische Code degeneriert ist.

    Lösung

    Wir haben einen 3-Basen-Code für die insgesamt 20 klassischen Aminosäuren. Dafür stehen 4^3 = 64 Möglichkeiten für Codierungen zur Vefügung, gebraucht werden aber nur 20 plus ein Satzzeichen für Stopp. Daraus ergibt sich, dass einige Aminosäuren (und auch das Stoppzeichen) durch mehrere Codons repräsentiert werden.
  • Was verstehen wir unter »gestückelten Genen« bei Eukaryoten?

    Lösung

    Bei Eukaryoten ist die codierende Information häufig nicht durchgängig in den Genen (und damit im primären Transkript) enthalten, sondern durch nicht-codierende Abschnitte (Introns) unterbrochen. Diese Introns müssen im Reifeprozess der mRNA herausgeschnitten werden, damit die einzelnen Stücke der genetischen Information (Exons) richtig zusammengesetzt in der
    mRNA auftauchen.
  • Erläutern Sie die mögliche Bedeutung synonymer SNPs (engl. single nucleotide polymorphisms) für das gebildete Protein.

    Lösung

    Jedes Codon wird durch eine spezifische tRNA erkannt; es gibt also umgekehrt mehrere verschiedene tRNAs für eine Aminosäure. Diese tRNAs liegen aber oft in unterschiedlicher Menge vor, sodass bei einem synonymen Austausch zwar die gleiche Aminosäure eingebaut wird, allerdings kann die gebildete Proteinmenge deutlich reduziert (oder erhöht) sein und damit durchaus pathologisch relevant werden.
  • Erläutern Sie, warum man das Spleißosom als Ribozym bezeichnet.

    Lösung

    Ribozyme sind katalytisch aktive RNAs, die mit Proteinen zusammenarbeiten können. Im Spleißsosom sind mehrere snRNAs (engl. small nuclear RNAs) und Proteine enthalten; da die RNA hier katalytische Aktivität hat, können wir das Spleißosom (ähnlich wie das Ribosom) als Ribozym bezeichnen.
  • Erläutern Sie die wichtigsten Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten.

    Lösung

    Die Prokaryoten haben keinen Zellkern; ihre ringförmige, doppelsträngige DNA liegt, assoziiert mit verschiedenen Proteinen, im Cytoplasma und bildet ein Nukleoid. Neben dem Chromosom besitzen Prokaryoten häufig Plasmide als extrachromosomale DNA.
  • Beschreiben Sie den Fluktuationstest und diskutieren Sie seine Bedeutung im Hinblick auf Lamarcks These von der »Vererbung erworbener Eigenschaften«.

    Lösung

    Eine Bakterienkultur wird in zwei Gruppen geteilt und jede Gruppe dann in weitere Untergruppen. Als Umweltfaktor wird nach einiger Zeit des Wachstums ein Bakteriophage zugegeben, und zwar einmal zu der Gruppe vor der Aufteilung in Untergruppen und in der anderen Gruppe direkt in die verschiedenen Untergruppen. Die Prüfung auf entwickelte Resistenzen in den infizierten Untergruppen zeigt erhebliche Schwankungen (Fluktuationen), was darauf hindeutet, dass diese Resistenzen zu unterschiedlichen Zeiten während der Vorinkubation entstanden sind. Die Prüfung der ersten Gruppe (Infektion vor der Aufteilung in die Untergruppen) ergab dagegen eine homogene Verteilung. Das Ergebnis wird so interpretiert, dass Mutationen unabhängig von dem Umwelteinfluss und zu jeder Zeit eintreten können und nur unter Selektionsbedingungen sichtbar werden.
  • Was sind Plasmide und worin besteht ihre wichtigste Funktion?

    Lösung

    Plasmide sind kleine, ringförmige, extrachromosomale DNA-Moleküle, die zusätzliche genetische Informationen (z. B. Resistenzgene) tragen und die über verschiedene Mechanismen zwischen gleichen und verschiedenen Bakterienstämmen ausgetauscht werden können.
  • Worin liegt die biologische Bedeutung von Restriktionsenzymen, und welche Bedeutung haben sie in der Gentechnologie/Molekularbiologie heute?

    Lösung

    Restriktionsenzyme sind Endonukleasen, die sequenzspezifisch doppelsträngige DNA zerschneiden. Sie kommen bei Prokaryoten vor, die sich damit gegen fremde DNA schützen und so den Wirtsbereich von Phagen begrenzen können (Restriktion). In der Gentechnologie/Molekularbiologie werden sie ebenfalls zur sequenzspezifischen Spaltung von DNA verwendet (7 Technikbox 13) und haben eine besondere Bedeutung beim Klonieren – viele Vektoren verfügen über multiple Klonierungsstellen, um so das Einfügen fremder DNA-Fragmente zu erleichtern.
  • Beschreiben Sie die Bedeutung der Cre-Rekombinase für Bakteriophagen und ihre Anwendung in der Maus-Genetik (lesen Sie dazu auch die 7 Technikbox 27).

    Lösung

    Die Cre-Rekombinase des Phagen P1 schneidet ein DNA-Fragment zwischen zwei loxP-Stellen heraus und ligiert die verbleibende DNA so, dass nur noch eine loxPStelle zurückbleibt. In der Maus-Genetik wird das Gen für die Cre-Rekombinase mit gewebespezifischen Promotoren eingesetzt, um Gene, die mit zwei loxP Stellen versehen wurden, in dem jeweiligen Zielgewebe auszuschalten. Dadurch kann die Funktion eines Gens in diesem Gewebe untersucht werden, wenn der Verlust des Gens im gesamten Organismus tödlich wäre.
  • Beschreiben Sie die wichtigsten Schritte der Rekombination bei Bakterien mithilfe des Meselson-Radding-Modells und der Holliday-Struktur.

    Lösung

    Die wichtigsten Schritte der Rekombination bestehen in der Anlagerung von zwei homologen DNA-Doppelsträngen, der Erzeugung eines Doppelstrangbruchs und anschließender Wiederverheilung ohne Neusynthese (Meselson-Radding). Die dabei beobachtete kreuzweise Anordnung der beiden DNA-Stränge, die zu der »falschen « Wiederverheilung führt, wird als
    Holliday-Struktur bezeichnet.
  • Was ist ein Operon?

    Lösung

    Ein Operon besteht aus mehreren Genen, die in einer polycistronischen RNA transkribiert und durch einen Promotor gemeinsam reguliert werden. Das Operon kann entweder konstitutiv aktiv sein und durch die Bindung eines Repressors an die Operator- Sequenz bei Bedarf abgeschaltet werden, oder es ist zunächst ausgeschaltet und wird durch die Bindung eines Induktors an die Operator-Sequenz bei Bedarf aktiviert. Dieses »Basismodell« kann natürlich durch komplexere Regulationsmechanismen verfeinert werden.
  • Was verstehen wir unter Quorum sensing?

    Lösung

    Quorum sensing ist ein System der Zell-Zell-Kommunikation bei Bakterien, mit dessen Hilfe sie auf konzentrationsabhängige (chemische) Signale mit Veränderungen ihres Expressionsmusters reagieren. Die Konzentrationsabhängigkeit ist üblicherweise mit der Populationsdichte korreliert.
  • Erklären Sie, warum es Vererbungsmuster gibt, die offensichtlich darauf beruhen, dass genetische Informationen mit dem Cytoplasma übertragen werden können.

    Lösung

    Mitochondrien (und bei Pflanzen die Chloroplasten) sind als Organellen im Cytoplasma vorhanden. Sie haben eigene kleine, ringförmige Genome und werden bei der Zellteilung auf die Tochterzellen übertragen. Bei einer Übertragung über die Keimbahn gelangen väterliche Organellen nicht in die befruchtete Eizelle, sodass hier immer ein mütterlicher Erbgang vorliegt.
  • Beschreiben Sie kurz die Rolle der Laminschicht an der Innenseite der Kernhülle des Zellkerns.

    Lösung

    Die Laminschicht ist für die Strukturierung des Zellkerns wichtig und an der Kontrolle des Strofftransports zwischen Zellkern und
    Cytoplasma beteiligt. Von besonderer Bedeutung ist die Laminschicht für die Anheftung der Chromosomen und damit auch für die Ausbildung der Chromosomenterritorien.
  • Was verstehen wir unter »Zellzyklus«?

    Lösung

    Der Zellzyklus ist der Zeitraum von einer Zellteilung zur nächsten. Er beginnt mit der G1-Phase nach der Zellteilung, die dann in die S-Phase der DNA-Synthese (DNAReplikation) übergeht. Nach Abschluss der Replikation folgt die G2-Phase mit der Vorbereitung auf die eigentliche Zellteilung, die Mitose (M-Phase).
  • Nennen Sie einige Charakteristika, die die genetischen Modellsysteme Hefe, Arabidopsis, Drosophila, Zebrafisch und Maus gemeinsam haben.

    Lösung

    Alle fünf genannten Organismen sind relativ klein, haben kurze Generationszeiten und weisen eine gewisse genetische Heterogenität auf. Damit eignen sie sich für die Haltung unter Laborbedingungen auch in größeren Zahlen, wie sie für genetische Arbeiten häufig notwendig sind. Außerdem sind viele Mutationen leicht an äußeren Merkmalen erkennbar, sodass sie gut gezüchtet und charakterisiert werden können.
  • Unterscheiden Sie Chromosomen, Chromatiden und DNA-Doppelstrang.

    Lösung

    Ein Chromosom in der Interphase besteht aus einer Chromatide, die aus einem DNA-Doppelstrang mit den dazugehörigen Proteinen (Histonen) aufgebaut ist. In der Metaphase der Mitose wurde die DNA bereits repliziert, und so erscheint das klassische Bild mit zwei Chromatiden, die am Centromer zusammenhängen.
  • Erläutern Sie die Funktion und Bedeutung der Telomerase.

    Lösung

    Die Telomerase ist eine Reverse Transkriptase, die am Telomer zunächst kurze RNAMoleküle (Pentamere, Hexamere oder Heptamere) anfügt und daran den Gegenstrang synthetisiert. Die Telomerase verhindert somit, dass die Enden der Chromosomen bei jeder Zellteilung verkürzt werden; sie ist in Einzellern aktiv sowie in höheren Eukaryoten in den Zellen der Keimbahn, in (embryonalen und adulten) Stammzellen, in Zellen des Immun systems und in Krebszellen.
  • Worin besteht die Bedeutung der Meiose im Vergleich zur Mitose?

    Lösung

    Die Mitose verteilt die verdoppelten Chromosomen bei einer regulären Zellteilung einfach auf die jeweiligen Tochterzellen; die Zellen befinden sich danach wieder im diploiden Zustand. Bei der Differenzierung der Keimzellen erfolgt in den beiden meiotischen Teilungen eine Reduktion auf eine haploide Keimzelle, sodass erst bei der Befruchtung erneut eine diploide Zelle entsteht. Die erste meiotische Teilung dient der Trennung der Chromosomen und die zweite der Trennung der Chromatiden. In der ersten meiotischen Teilung erfolgt außerdem ein Austausch von DNA-Fragmenten (Rekombination) zwischen den homologen (ursprünglich väterlichen und mütterlichen) Chromatiden, sodass die entstehenden Keimzellen eine individuelle Allelkombination enthalten. Zusammen erhöhen beide Mechanismen (Meiose und
    Rekombination) die genetische Vielfalt erheblich.
  • Was sind Riesenchromosomen?

    Lösung

    Riesenchromosomen (in den Speicheldrüsen vieler Insekten) bestehen aus einer großen Anzahl exakt gepaarter Chromatiden, die durch wiederholte Replikation der chromosomalen DNA ohne darauffolgende Zell- und Kernteilungen entstehen (Endoreplikation). Die Riesenchromosomen weisen eine hohe Transkriptionsaktivität auf; die Expression der Gene auf diesen Chromosomen wird durch den hohen Polytäniegrad deutlich erhöht. Die große Zahl der gepaarten Chromatiden ermöglicht außerdem die Beobachtung von strukturellen Unterschieden in den Chromosomen ohne weitere Färbetechniken.
  • Warum wird das menschliche Y-Chromosom nicht aussterben?

    Lösung

    Das menschliche Y-Chromosom ist gegenüber dem X-Chromosom degeneriert und enthält im Wesentlichen nur noch Gene, die für die Ausprägung des männlichen Phänotyps und für die männliche Fertilität wichtig sind. Allerdings enthält das Y-Chromosom viele Palindrome und repetitive Elemente, die häufige intrachromosomale Rekombinationen ermöglichen. Dadurch erscheint das Y-Chromosom durchaus als ein dynamisches Chromosom.
  • Erläutern Sie die besonders hohe Stabilität des Fibroinmoleküls anhand der molekularen Struktur des Fibroin-Gens.

    Lösung

    Das Fibroin-Gen ist aus vielen modularen Einheiten aufgebaut, die für Serin-, Glycinund Alanin-reiche Bereiche im Protein codieren. Dabei wechseln oft Ser-Gly- und Ala-Gly-Abschnitte ab; aufgrund der räumlichen Anordnung der Aminosäuren können sich lange und sehr stabile β-Faltblattstrukturen im Protein entwickeln.
  • Erläutern Sie die Besonderheiten des Titin-Gens.

    Lösung

    Bei einer Gesamtgröße des Titin-Gens von »nur« 300.000 bp enthält das Gen 363 Exons, die für 38.138 Aminosäuren codieren. Das entsprechende Titin-Protein ist mit 4,2 Mio. kDa das größte Protein des Menschen. Das Protein spielt eine bedeutende Rolle für die Elastizität des Muskels.
  • Zeigen Sie am Beispiel der Globin-Gene den Vorteil der vergleichenden DNA-Sequenzanalyse für evolutionäre Zusammenhänge.

    Lösung

    Aufgrund der vergleichenden Sequenzanalysen lässt sich ein evolutionärer »Stammbaum« der Globin-Gene aufstellen, der bis
    zum »Ur-Globin« vor ca. 1 Mrd. Jahren zurückreicht. Dabei sind die verschiedenen Duplikationen einzelner Globin-Gene oder größerer DNA-Abschnitte nachweisbar; des Weiteren gelang dadurch die Identifizierung bisher unbekannter Mitglieder der Genfamilie, z. B. des Neuroglobins.
  • Nennen Sie die wichtigsten Bestandteile eines eukaryotischen Promotors.

    Lösung

    Der Kernbereich eines eukaryotischen Promotors umfasst etwa 40 bp oberhalb und unterhalb des Transkriptionsstarts und enthält wichtige Elemente zur Positionierung der RNA-Polymerase II. In vielen Promotoren ist dafür in erster Linie die TATA-Box verantwortlich. Im proximalen Bereich des Promotors (Position −50 bis −200 bp in Bezug auf den Transkriptionsstart, der als »+1« gezählt wird) befinden sich häufig eine CAAT-Box und GC-reiche Regionen (»CpG-Inseln«), die als Bindestellen für viele allgemeine Transkriptionsfaktoren dienen (z. B. SP1). Außerdem befinden sich in dieser Region (ebenso wie im distalen Promotor oberhalb des proximalen Promotor bereichs) viele Bindestellen für gewebe spezifische Transkriptionsfaktoren.
  • Beschreiben Sie den Mechanismus des »Glucose-Fühlers« (glucose sensing) für die Regulation der Insulin-Genexpression.

    Lösung

    Da Insulin bei hoher Glucosekonzentration benötigt wird, damit Glucose in seine Speicherform Glykogen umgewandelt werden kann, benötigt die Zelle einen Mechanismus, um höhere Glucosekonzentrationen zu messen und gleichzeitig entsprechende Aktivierungsschritte einzuleiten. Dies geschieht dadurch, dass nur bei höherer Glucosekonzentration Glykosylierungsreaktionen von Proteinen möglich sind – in diesem Fall wird der für die INS-Expression wichtige Transkriptionsfaktor NeuroD1 glykosyliert, sodass er in den Zellkern gelangen kann, dort an den INS-Promotor bindet und so die INS-Expression aktiviert.
  • Was verstehen wir heute unter Epigenetik?

    Lösung

    Epigenetik bezeichnet stabile Veränderungen in der Regulation der Genexpression, die während der Entwicklung, Zelldifferenzierung und Zellproliferation entstehen und über Zellteilungen hinweg festgeschrieben und aufrechterhalten werden, ohne dass dabei die DNA-Sequenz verändert wird. Epigenetische Markierungen sind Methylierung der DNA sowie Methylierung, Acetylierung und Phosphorylierung der Histone. Außerdem zählen wir die Wirkung verschiedener nicht-codierender RNA-Moleküle dazu.
  • Was verstehen wir unter »passiver Demethylierung« von DNA?

    Lösung

    Bei der Replikation der DNA wird deren Methylierung auf den neuen Strang nicht »automatisch« weitergegeben, sondern bedarf der Wirkung von Enzymen (DNAMethylasen). Bleibt diese aus, bleibt der neue Strang unmethyliert. Nach mehreren Replikationsrunden sind nur noch die beiden ursprünglichen DNA-Stränge methyliert und die überwiegende Mehrzahl der DNA ist unmethyliert. Deswegen sind auch PCR-Produkte nicht methyliert.
  • Erläutern Sie kurz die Bedeutung des Enzyms Dicer.

    Lösung

    Das Enzym Dicer ist eine dsRNA-spezifische Nuklease der RNase-III-Familie; sie enthält ein dsRNA-bindendes Motiv und am N-Terminus eine DExH/DEAH-RNA-Helikase/ ATPase-Domäne sowie ein Motiv, das als »PAZ«-Domäne bezeichnet wird (PAZ: Piwi-Argonaute- Zwille – das sind verwandte Proteine aus Drosophila). RNase III pro duziert aus langer dsRNA Sequenz-unabhängig einheitlich kleine RNA-Fragmente, wovon die Bezeichnung Dicer abgeleitet wurde (aus dem Amerikanischen: Würfelschneidemaschine). Dicer-Enzyme spielen sowohl bei der Herstellung der kleinen interferierenden RNA (siRNA) als auch bei der Herstellung der wirksamen Formen der Mikro-RNA (miRNA) eine wichtige Rolle, da sie aus den Vor läuferformen die jeweils aktiven Formen herausschneiden.
  • Wieso ist die X-Inaktivierung bei Säugern ein besonderes Beispiel für die Wirkung langer, nicht-codierender RNA?

    Lösung

    Die Inaktivierung des X-Chromosoms geht vom X-Inaktivierungszentrum aus und beruht im Wesentlichen auf der Expression des Xist-Transkripts, das für kein Protein codiert. Als Ergebnis der Xist-Bedeckung wird die Transkription der Gene des X-Chromosoms abgeschaltet. Ähnliche Phänomene finden wir bei Genen, die genetisch geprägt sind, aber auch bei einzelnen Genen, die – abhängig vom Differenzierungsgrad der jeweiligen Zellen – dauerhaft stillgelegt werden.
  • Was bedeutet »genetische Prägung«?

    Lösung

    In manchen Bereichen des Genoms von Keimzellen sind Gruppen von Genen geschlechtsspezifisch ausgeschaltet; diese »genetische Prägung« (engl. imprinting) wird in Körperzellen im Prinzip aufrechterhalten und kann während der Entwicklung und Differenzierung modifiziert werden. Imprinting beruht im Wesentlichen auf der Methylierung von DNA als Erkennungsmechanismus für Geninaktivierung und wird durch weitere Mechanismen ergänzt (Expression von Gegenstrang-Transkripten, Chromatinstrukturen, Silencer). Die genetische Prägung eines chromosomalen Abschnitts wird oft von einem Prägungszentrum gesteuert (imprinting center). In Keimzellen wird die genetische Prägung in der frühen Phase ihrer Entwicklung gelöscht und in den späteren Phasen geschlechtsspezifisch neu programmiert.
  • Was sind »springende Gene«?

    Lösung

    »Springende Gene« sind DNA-Elemente, die ihre Position im Genom verändern können; sie kommen bei den meisten Prokaryoten und allen Eukaryoten vor. Sie besitzen in der Regel flankierende repetitive Elemente und benötigen Enzyme zum Ausschneiden aus der bisherigen Position und zum Integrieren an der neuen Position.
  • Erläutern Sie kurz die Bedeutung der Retroviren für die menschliche Gesundheit.

    Lösung

    Retroviren sind Viren, die ihre Erbinformation in Form von RNA enthalten. Diese RNA wird durch die Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben; diese kann so als »Provirus« in das Genom integrieren und dort für lange Zeit verbleiben. Die flankierenden Regionen (LTR) enthalten häufig starke Promotoren, sodass die Gene des Retrovirus in vielen Geweben exprimiert werden können. Häufig führen Retroviren zu Krebserkrankungen; Infektionen mit HIV verursachen AIDS.
  • Was verstehen wir unter »Kerndualismus«?

    Lösung

    Ciliaten verfügen für den Wechsel zwischen einem generativen und einem vegetativen Zustand der Zelle über zwei Zellkerne. Einer der beiden Zellkerne steht im Dienst generativer, also sexueller Prozesse, während der andere Zellkern für die vegetativen Funktionen der Zelle verantwortlich ist. Die Kontinuität der genetischen Konstitution ist dadurch garantiert, dass der vegetative Kern aus dem generativen durch eine Kernteilung entsteht, der jedoch keine Zellteilung folgt.
  • Wie können Hefen diploide Zellen bilden?

    Lösung

    Hefen sind als haploide oder diploide Zellen lebensfähig. Haploide Zellen können sich in ihrem Paarungstyp unterscheiden; Zellen unterschiedlicher Paarungstypen können fusionieren und diploide Zellen bilden. Der Paarungstyp (engl. mating type) wird durch die genetische Konstitution des MAT-Locus definiert.
  • Worauf beruht die Spezifität von Antikörpern?

    Lösung

    Antikörper bestehen aus zwei leichten und zwei schweren Proteinketten. Diese untergliedern sich in einen konstanten und einen variablen Abschnitt. Der variable Bereich vermittelt die Erkennung des Antigens. Die funktionellen Gene für Antikörper werden während der Differenzierung von Lymphocyten im Knochenmark durch komplexe intrachromosomale Rekombinationsereignisse aus Teilstücken zusammengesetzt. Durch Kombination unterschiedlicher Teilstücke vermag jeder Lymphocyt ein für ihn spezifisches Immunglobulin-Gen zusammenzustellen.
  • Erläutern Sie, warum Mutationen möglich und notwendig sind.

    Lösung

    Alle biologischen Prozesse sind fehlerbehaftet: die DNA-Replikation ebenso wie Rekombinationsereignisse oder die Verteilung von Chromosomen auf die Tochterzellen, sowohl in der Mitose als auch in der Meiose. Daraus können sich für Menschen, Pflanzen, Tiere oder Mikroorganismen mittelbar oder unmittelbar Schäden (Krankheiten) entwickeln; es können sich aber auch neue Möglichkeiten für die Evolution ergeben: Punktmutationen führen zu Veränderungen in den Eigenschaften von Proteinen oder der Regulation ihrer Expression; Verdoppelung von DNA-Abschnitten können sich zu ganz neuen funktionalen Einheiten entwickeln. Ohne Mutationen gibt es keine evolutionäre Entwicklung.
  • Erläutern Sie die Bedeutung repetitiver Elemente für die Art der Mutation und ihre Frequenz.

    Lösung

    Repetitive Elemente ermöglichen Rekombinationsereignisse innerhalb eines Chromosoms, aber auch zwischen zwei Chromosomen. Das kann zu Translokationen (zwischen zwei Chromosomen) oder auch Inversionen (innerhalb eines Chromosoms) führen. Translokationen können dabei zur Veränderung des Expressionsmusters (bzw. der Expressionsstärke) von Genen führen (wenn die Genregulation durch die Translokalisation beeinflusst ist). Wenn durch die Inversion codierende Sequenzen betroffen sind, führt das in der Regel zu einem Funktionsverlust des betroffenen Gens (vergleiche z. B. die unterschiedliche Mutationsrate beim Faktor-VIII-Gen gegenüber der des Faktor-IX-Gens; beide sind für die Ausprägung einer Hämophilie verantwortlich und liegen relativ dicht nebeneinander auf dem X-Chromosom, unterscheiden sich aber in der An- bzw. Abwesenheit repetitiver Elemente: Die Mutationsrate ist abhängig von der Anwesenheit eines repetitiven Elementes außerhalb des Faktor-VIII-Gens sowie in dessen Intron 22.
  • Was sind tautomere Basen, und welche Bedeutung haben sie für die Ausprägung von Mutationen?

    Lösung

    Adenin und Cytosin können zwischen einer Aminoform und einer Iminoform wechseln, Thymin und Guanin zwischen einer Ketound einer Enolform (jeweils aufgrund von relativen Ladungsverschiebungen innerhalb der heterozyklischen Ringsysteme). Dadurch können sich die Basenpaarungen ändern, sodass bei einer Replikation eine falsche Base eingebaut wird.
  • Erläutern Sie den möglichen cancerogenen Mechanismus bei Ethidiumbromid.

    Lösung

    Ethidiumbromid ist eine interkalierende Verbindung (Phenanthridin-Farbstoff ) und wird häufig eingesetzt, um in Agarosegelen DNA unter UV-Licht sichtbar zu machen. Durch die Interkalation verändert sich die Form der DNA-Helix, was zu Replikationsfehlern führen kann. Wenn Ethidiumbromid mit Hautzellen in Kontakt kommt, besteht also die Möglichkeit, dass es in Hautzellen zu solchen Replikationsfehlern kommt und dadurch Krebs entsteht. Ethidiumbromid ist deshalb als krebsverdächtiger Arbeitsstoff (in der Kanzerogenitäts-Kategorie 3B) eingestuft.
  • Warum werden konditionale Mausmutanten verwendet?

    Lösung

    Häufig sind Null-Mutanten (»Knock-out-Mäuse«) nicht lebensfähig, weil durch das Fehlen eines Gens die Embryonen nicht überlebensfähig sind. Durch Verwendung des Cre/loxP-Systems (vergleichbar: Flp/FRT oder induzierbare Systeme wie Tet-on/Tet-off) wird das zu untersuchende Gen aber nur dann ausgeschaltet, wenn die Cre-Rekombinase aktiv ist (was durch die Verwendung geeigneter Promotoren sehr präzise gesteuert werden kann). Dadurch ist es möglich, dass die Mutante die kritische Phase der Embryonalentwicklung überlebt und dann der Funktionsverlust des Gens in dem jeweiligen Gewebe im Erwachsenenalter untersucht werden kann.
  • Wo liegt der Unterschied zwischen der genetischen Fitness und der Fitness aus dem Fitnessstudio?

    Lösung

    Die genetische Fitness beschreibt den relativen Fortpflanzungserfolg eines Genotyps innerhalb einer Population; der Besuch eines Fitnessstudios wirkt sich dagegen auf den Phänotyp aus, der natürlich auch zu einem Fortpflanzungserfolg führen kann.
  • Warum ist die effektive Populationsgröße kleiner als die tatsächliche Größe einer Population?

    Lösung

    Zur Fortpflanzung tragen nur die Mitglieder einer Population bei, die sich im fortpflanzungsfähigen Alter befinden, also beispielsweise keine Kinder und Greise. Bei Zuchtpopulationen (z. B. Hunde, Rinder) ist außerdem oft das Geschlechterverhältnis nicht ausgeglichen – ein Rüde oder Bulle ist oft für die Befruchtung vieler weiblicher Tiere verantwortlich. Auch dadurch sinkt die effektive Populationsgröße (bei einem Bullen, der 400 Kühe besamt, ergibt sich eine effektive Populationsgröße von 4).
  • Erläutern Sie das Prinzip einer Haplotyp-Analyse.

    Lösung

    Ein Haplotyp (Abkürzung aus »haploider Genotyp«) ist eine Kombination von gekoppelten Allelen eines Chromosoms, die gemeinsam vererbt werden. Wir können verschiedene Haplotypen bei einer Kopplungsanalyse auf ihre jeweiligen Rekombinationspunkte untersuchen und dabei das kritische Intervall einer unbekannten Mutation bestimmen. Entsprechend kann man auch in populationsgenetischen Untersuchungen bestimmte Eigenschaften von Pflanzen, Tieren oder Menschen mit bestimmten Haplotypen assoziieren.
  • Nennen Sie verschiedene Mechanismen, die zu sympatrischer Artbildung beitragen können.

    Lösung

    Bei überlappenden (sympatrischen) Populationen müssen geeignete Isolationsmechanismen vorliegen, damit sich neue Arten entwickeln können. Dazu gehören die Inkompatibilität von Gameten (durch Punktmutationen oder auch durch eine veränderte Chromosomenverteilung) und Unterschiede im Paarungsverhalten einschließlich Rhythmusverschiebungen (Blütezeit, Paarungsfähigkeit) sowie Merkmale der Partnerwahl.
  • Erläutern Sie, warum Mutationen in kleinen Populationen oft eine größere Wirkung entfalten als in großen Populationen.

    Lösung

    In kleinen Populationen ist die freie Partnerwahl oft eingeschränkt, sodass es sehr häufig zu Inzucht kommt. Dadurch steigt die Homozygotie an diesem Locus, und es steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich rezessive Mutationen schnell phänotypisch manifestieren. Dies führt zu dem bekannten Phänomen der Gründermutation, das uns im 7 Kap. 13 über »Humangenetik« häufig begegnen wird. Umgekehrt herrscht in großen Populationen die Möglichkeit der freien Partnerwahl, sodass die Ausbreitung und Fixierung eines neuen Allels langsamer erfolgt.
  • Beschreiben Sie die Rolle des Florigens sowie die Einflüsse von Licht und Temperatur auf die Blühinduktion bei Pflanzen.

    Lösung

    Verschiedene Umweltreize (Vernalisierung, Licht, Wärme) zusammen mit autonomen Signalwegen führen in den Blättern zur Aktivierung des Florigens (FT; FLOWERING LOCUS T), das als »Ferntransporter« dieses Signal in das Meristem weitergibt, wo sich dann unter dem Einfluss von Gibberellinen und anderen Faktoren die Blüte entwickeln kann.
  • Erläutern Sie die Bedeutung des Begriffs »homöotische Mutation« jeweils an einem Beispiel aus dem Pflanzen- und Tierreich.

    Lösung

    Homöotische Mutationen bewirken eine Umwandlung von einem Körpersegment in ein anderes. Bei Pflanzen führt eine Verschiebung im Expressionsmuster der A-, Bund C-Genfunktionen der MADS-Box-Transkriptionsfaktoren (homöotische Mutation) zu einem völlig anderen Muster der Blütenorgane. Bei Drosophila bewirken homöotische Mutationen Veränderungen im grundlegenden segmentierten Körperbau (z. B. Umwandlung einer Antenne in ein Bein oder doppelter Thorax mit zweitem Flügelpaar).
  • Welche besondere Eigenschaft des Fadenwurms Caenorhabditis elegans führte zu der Formulierung des Konzepts der Apoptose?

    Lösung

    C. elegans verfügt über eine genau definierte Anzahl von Zellen: Von den 1090 somatischen Zellen des Zwitters sterben 131 in einer reproduzierbaren Art und Weise während der Entwicklung zum adulten Wurm ab. Man hat dieses Phänomen als »programmierten Zelltod« bezeichnet (Apoptose).
  • Erläutern Sie das Wirkungsprinzip von Morpholinos beim Zebrafisch. Warum können sie in diesem Organismus besonders gut eingesetzt werden?

    Lösung

    Morpholinos sind kurze antisense-Oligonukleotide, wobei die Vernetzung der Basen über einen Morpholinring und Phosphoamid-Gruppen erfolgt (Stabilität gegenüber RNasen; 7 Technikbox 31). Durch in-vivo-Injektion in frühe Zebrafisch-Embryonen werden die entsprechenden Gene inhibiert, und die morphologischen Konsequenzen können gut beobachtet werden. Man kann in relativ kurzer Zeit viele Embryonen injizieren und erhält damit auch statistisch gut abgesicherte Ergebnisse; durch die Injektion in eine Seite des Embryos kann die andere Seite als Kontrolle verwendet werden.
  • Begründen Sie, warum wir heute nicht mehr von einer getrennten Evolution von Facetten- und Linsenaugen sprechen können.

    Lösung

    Aufgrund der unterschiedlichen Morphologie des Facettenauges bei Drosophila und des Linsenauges bei Säugern war man lange
    davon ausgegangen, dass sich hier unterschiedliche evolutionäre Konzepte entwickelt haben. Sequenzuntersuchungen wichtiger
    Kontrollgene der Augenentwicklung zeigten jedoch große Homologien der entsprechenden Gene. Die ektopische Expression
    des Pax6-Gens der Maus in Drosophila führt zu einer Entwicklung von Ommatidien und entspricht damit der Wirkung des homologen eyeless-Gens von Drosophila. Das Experiment beweist damit die grundlegende Konservierung der genetischen Kontrollelemente in der Augenentwicklung zwischen Drosophila und Säugetieren.
  • Was ist eine pseudoautosomale Region? Und was geschieht, wenn das SRY-Gen in die pseudoautosomale Region gerät?

    Lösung

    Die beiden pseudoautosomalen Regionen der X- und Y-Chromosomen können frei miteinander rekombinieren und verhalten sich wie Autosomen (daher der Name). Wenn das SRY-Gen in die pseudoautosomale Region gerät, kann es auf das X-Chromosom übertragen werden. Damit wird aus einem XY-Genotyp eine Frau und aus einem XX-Genotyp ein Mann.
  • Wie werden Mutationen im Mitochondriengenom übertragen? Diskutieren Sie die Konsequenzen für die humangenetische
    Beratung im Hinblick auf die Konsequenzen für ein Kind, je nachdem ob der Vater oder die Mutter an einer Erkrankung leidet, die auf einer Mutation im Mitochondriengenom basiert.

    Lösung

    Die Übertragung erfolgt mit einem matrilinearen Erbgang (nur über die Mutter). Wenn Männer erkrankt sind, erfolgt keine Weitergabe der Erkrankung auf die Kinder; sind dagegen Frauen erkrankt, wird die Erkrankung an alle Kinder weitergegeben.
  • Angenommen, Sie betreuen eine kleine Familie, in der einige Mitglieder an der Leber’schen congenitalen Amaurose erkrankt sind. Zur molekularen Diagnostik wenden Sie den funktionellen Kandidatengen-Ansatz an, dabei finden Sie in dem Probanden eine Mutation, die in einem Gen zu einem Aminosäureaustausch führt. Nennen Sie vier allgemeine Kriterien, die erfüllt sein müssen, um die Kausalität der Mutation für das klinische Erscheinungsbild zu beweisen.

    Lösung

    Das Gen muss im Zielgewebe (hier: Auge) exprimiert sein, es muss in der Familie mit der Krankheit co-segregieren, es darf in der gesunden Bevölkerung nicht vorkommen, und eine Funktionsanalyse muss das Krankheitsbild erklären können.
  • Nennen Sie die wichtigsten Klassen krebserregender Viren. Welcher Virus ist für die Entstehung des Gebärmutterhalskrebses verantwortlich? Und welche Konsequenz hat das für eine mögliche Prävention?

    Lösung

    Die wichtigsten Klassen krebserregender Viren sind Papillomviren, Polyomaviren, Adenoviren, Retroviren und Herpesviren. Das humane Papillomvirus (HPV) ist für die Entstehung des Gebärmutterhalskrebses verantwortlich; durch rechtzeitiges Impfen (d.h. vor dem ersten Geschlechtsverkehr) kann eine Infektion der Frau verhindert werden.
  • Beschreiben Sie, wie man in der Maus genetische Modelle für Schlafstörungen im Menschen etablieren kann, und welches Gen tatsächlich gefunden wurde.

    Lösung

    Man induziert durch ENU (Ethylnitrosoharnstoff) zufällig im Genom verteilte Mutationen und analysiert mit einem geeigneten Testsystem das Auftreten eines veränderten Phänotyps in den Nachkommen der behandelten Maus. In diesem Fall verwendet man ein Laufrad und untersucht die Aktivität der Maus im Dauerdunkel, ob sie von der Wildtyp-Frequenz (23,7 h) abweicht, mit der sich Aktivitäts- und Ruhephasen wiederholen. Die Mutante zeigte eine Verlängerung der Frequenz um etwas mehr als eine Stunde (24,8 h); die Erblichkeit dieser Abweichung wurde in der Zucht bestätigt, sodass schließlich das Clock-Gen identifiziert werden konnte (engl. circadian locomotor output cycles kaput).
  • Wozu können bei Modellorganismen (z. B. Drosophila, Maus) Zuchten auf extreme Phänotypen verwendet werden?

    Lösung

    Zuchten auf extreme Phänotypen können dazu verwendet werden, einzelne Gene für komplexe Phänotypen zu identifizieren. Hypothesenfreie, genomweite Sequenzierungen mit entsprechender bioinformatischer Unterstützung erlauben heute, entsprechende genetische Unterschiede zu charakterisieren; wir haben das am Beispiel der Ratten diskutiert, die besonders viel bzw. besonders wenig Alkohol trinken (7 Abschn. 14.3.2).
  • Warum erkranken beim Rett-Syndrom nur Mädchen?

    Lösung

    Mutationen im MECP2-Gen sind für das Rett-Syndrom verantwortlich. Das Gen ist X-gekoppelt und hat einen dominanten Erbgang, d. h. heterozygote Mädchen erkranken. Die Auswirkungen sind jedoch im homozygoten Zustand (manche Mädchen) oder hemizygoten Zustand (alle betroffenen Jungen) so fatal, dass die betroffenen Kinder intrauterin sterben.
  • Beschreiben Sie zwei charakteristische Merkmale von Migräne und geben Sie die Häufigkeiten von Migräne für Frauen und Männer an. Nennen Sie drei Gene, deren Mutationen für monogene Formen der Migräne verantwortlich sind, und beschreiben Sie kurz ihre wichtigsten Funktionen. Welches dieser drei Gene spielt auch bei Epilepsie eine Rolle?

    Lösung

    Migräne ist eine wiederkehrende neurovaskuläre Erkrankung mit starken Kopfschmerzen, die häufig von weiteren Symptomen begleitet wird (z. B. Übelkeit und Überempfindlichkeit gegenüber verschiedenen Reizen); wir kennen Migräne mit und ohne Aura. Frauen erkranken wesentlich häufiger als Männer (Frauen: 17 %, Männer: 8 %). Die wichtigsten Migräne- Gene sind CACNA1A (es codiert für einen Calciumkanal), ATP1A2 (es codiert für eine ATPase) und SCN1A (es codiert für einen Natriumkanal). Mutationen in SCN1A sind auch für eine bestimmte Form der Epilepsie verantwortlich.
  • Welche Gene führen zu einem dominanten Erbgang bei der Alzheimer’schen Erkrankung? Erläutern Sie kurz den Mechanismus.

    Lösung

    Mutationen im APP-Gen (codiert für das amyloide Vorläuferprotein) sowie in den Genen PSEN1 und PSEN2 (codieren für Presenilin 1 und 2) weisen einen dominanten Erbgang für die Alzheimer’sche Erkrankung auf. Die Mutationen beeinflussen die Fähigkeit der Sekretasen, das amyloide Vorläuferprotein »richtig« zu spalten, sodass Fragmente entstehen, die neurotoxisch wirken und schließlich zu einer dramatischen Degeneration von Neuronen führen.
  • Erläutern Sie die Bedeutung der Fusion zweier Chromosomen der Affen zum Chromosom 2 des Menschen für die Evolutionslinie des Menschen.

    Lösung

    Mit der Bildung des humanen Chromosoms 2 war die Trennung von den Affen vollzogen, da Hybride nicht mehr lebens fähig sind: Bei mitotischen Teilungen würden die Chromosomen ungleich verteilt, da sowohl das humane Chromosom 2 als auch die beiden ursprünglichen Chromosomen der Affen in der befruchteten Eizelle jeweils nur einzeln vorkommen. Derartige Zellkonstruktionen sind in der Regel nicht lebens fähig.
  • Erläutern Sie die genetischen Argumente der Out-of-Africa-Hypothese.

    Lösung

    Die afrikanischen Populationen zeigen eine viel stärkere genetische Heterogenität als die Populationen außerhalb. Außerdem lassen sich viele charakteristische Sequenzen im mitochondrialen Genom, aber auch im Kerngenom, auf Sequenzen in Afrika zurückführen.
  • Betrachten Sie die . Abb. 15.27b: blau × braun ergibt blau. Die Angabe ist ein Mendel’scher Erbgang, bei dem braun dominant über blau ist. Erklären Sie damit die Augenfarbe der Kinder.

    Lösung

    Der braunäugige Elternteil ist heterozygot, wohingegen der blauäugige Elternteil homozygot für blau ist. Bei der geringen Zahl an Kindern (zwei) sind zufällig beide homozygot für blau. Bei einer größeren Zahl von Kindern würden wir dreimal mehr braunäugige als blauäugige Kinder erwarten.
  • Welche grundlegenden Erkenntnisse können wir aus der Betrachtung der genetischen Unterschiedlichkeiten heute lebender Menschen ziehen?

    Lösung

    Aus der Unterschiedlichkeit heute lebender Menschen können wir über Wanderungsbewegungen in der Vergangenheit informiert werden, und wir können berechnen, wann (und wo) der letzte gemeinsame Vorfahre der zu vergleichenden Gruppen ungefähr gelebt hat. Wir erkennen damit auch, welche Bereiche des Genoms variabel sind und welche konstant und damit für uns besonders wichtig sind. Aber auch Fragen der genetischen Epidemiologie lassen sich darüber beantworten – die Kenntnis der genetischen Struktur von Populationen ist Voraussetzung für genomweite Assoziationsstudien.
  • Fertig!

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Gene zum Schweigen gebracht - der faszinierende Mechanismus der RNA-Interferenz



Nicht jedes Gen tut, was gut für den Körper ist. Doch wie schaltet man es ab? Und wie kann man es so gezielt "stummschalten", dass keine unerwarteten Effekte auftreten? Das Zauberwort heißt RNA-Interferenz. Für die Entdeckung dieses molekularen Mechanismus im Jahr 1998 erhielten Andrew Fire und Craig Mello 2006 den Nobelpreis. Mello fungierte nun auch als wissenschaftlicher Berater für diese Animation. Gezeigt wird, wie sich kleine RNA-Fragmente gezielt verwenden lassen, um Gene stumm zu schalten, also zu verhindern, dass die darin kodierten Proteine im Körper hergestellt werden.

Übersetzung: Claudia Hecker, http://www.claudiahecker.de

Die Elemente der Animation, ob mikro-RNA, Ribosomen oder das Cytoplasma, sind hier genauer erklärt (auf Englisch): http://www.nature.com/nrg/multimedia/...

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