Pharmazeutische Biologie – Genetik - uni-frankfurt.de

Prof. Dr. Theo DingermannDingermann@em.uni-frankfurt.de

Pharmazeutische Biologie– Genetik –

Prof. Dr. Theo Dingermann

N230-Raum 306Tel. (069) 798-29650

dingermann@em.uni-frankfurt.de

Montag, 17. Mai 2010

Genetische Information ist

in Form von Nukleinsäuren abgelegt

DNA Desoxyribonukleinsäure

RNA Ribonukleinsäure

in Form von Chromosomen organisiert

Anzahl hängt von der Größe des Genoms ab

Anzahl ist von Organismus zu Organismus unterschiedlich

1. Die Moleküle, ihre Funktion und Organisation

Genomgrößen

Escherichia coli! 1Saccharomyces cerevisiae! 1Fliege! 6Erbse! 14Sonnenblume! 34Katze! 38Kugelfisch! 42Mensch! 46Hund! 78Goldfisch! 94Farn (Ophioglossum)! 500-520

Anzahl der Chromosomen in

verschiedenen Organismen

Topoisomere der DNA

DNA-Gyrase

Topoisomerasen bei Pro- und Eukaryonten

Das menschliche Genom besteht aus

3 x 109 Basenpaare

Variationspotential für die Informationskodierung:

4n; n = 3 x 109

Das Vier-Buchstaben-Alphabet

Lebewesen können sich fortpflanzen

2. Die Prinzipien der Fortpflanzung

Replikation des Erbguts

Aufbau neuer Zellen

Weitergabe der Erbinformation

vegetativ= asexuell

geschlechtlich= sexuell

vegetativ= asexuell

Weitergabe der Information nach Kombination von zwei Teilgenomen

vegetativ= asexuell

Weitergabe der Information in

unveränderter Form

vegetativ= asexuell

unveränderter Form

mitotischeKern- und Zellteilung

vegetativ= asexuell

unveränderter Form

mitotischeKern- und Zellteilung

meiotischeKern- und Zellteilung

Zellzyklus

Phasen

Aktivitäten einer Zelle während des Zellzyklus

Zellzyklus

ProteinsyntheseZellwachstum

DNA-Synthese

ProteinsyntheseZellwachstum

Zellteilung(Mitose)

DNA-Gehalt einer Zelle während eines Zellzyklus

Zellzyklus

Zellen teilen sich durch Mitose oder Meiose

Funktion der Meiose:1. Reduktion des Chromosomensatzes auf die Hälfte

2. Neukombination von Allelen

Funktion der Meiose:1. Reduktion des Chromosomensatzes auf die Hälfte

2. Neukombination von Allelen

3. Vererbungsprinzipien

Mendel

Gregor Mendel (*1822, ✝ 1884)

Der Abt C. F. Napp (1792-1867) der Augustiner-Abtei in Alt Brünn nahm 1843 Mendel als Novize in sein Kloster auf.

Gregor Mendel, 1822 – 1884

War das Zufall?

Brünn: Das intellektuelle Zentrum Europas

War das Zufall?

Abt Napp: Präsident der Landwirtschaftlichen Gesellschaft und der Gesellschaft für Obst- und Weinbau, die später in “Pomologische Gesellschaft” umbenannt wurde.

Mendel sollte sich um Züchtungsprobleme kümmern!

War das Zufall?

Abt Napp: Präsident der Landwirtschaftlichen Gesellschaft und der Gesellschaft für Obst- und Weinbau, die später in “Pomologische Gesellschaft” umbenannt wurde.

Gregor Mendels Versuchsobjekt: Die Gartenerbse (Pisum sativum).Seine Resultate publizierte er u.a. 1866 in der Schrift „Versuche über Pflanzenhybriden“.

Erbsen

rund runzelig

1. Modell testen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzeligselfen =

mit sich selbstkreuzen

1. Modell testen

Mendels Experimente

Erbsen

1. Modell testen

Mendels Experimente

Erbsen

1. Modell testen

Mendels Experimente

Erbsen

1. Modell testen

Genetischreine

Stämme

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

2. Kontrollkreuzung

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

2. Kontrollkreuzung

kreuzen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

2. Kontrollkreuzung

kreuzen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

2. Kontrollkreuzung

F1runzelig war weg

kreuzen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

2. Kontrollkreuzung

F1runzelig war weg

kreuzen

Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

3. Selfen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

3. Selfen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

runzelig ist wieder da F2

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

4. Zählen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

4. Zählen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen5474

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

4. Zählen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen5474 1850

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

4. Zählen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen5474 1850 2,96/1

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

4. Zählen

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen5474 1850 2,96/1

Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

runzelig ist wieder da

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

Rrunzelig ist wieder da

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

RR/r R/rR/r R/rrunzelig ist wieder da

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

RR/r R/rR/r R/rrunzelig ist wieder da

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

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rrunzelig ist wieder da

Mendels Experimente

Erbsen

rund runzelig

5. Modell

F1runzelig war weg

kreuzen

selfen

R/R r/r

rR/R R/rR/r r/rrunzelig ist wieder da

Mendels Experimente

6. Vorhersagen

rR/R R/rR/r r/r

Mendels Experimente

6. Vorhersagen1/3 R/R

rR/R R/rR/r r/r

Mendels Experimente

6. Vorhersagenr/r1/3 R/R

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Mendels Experimente

r/r2/3 R/r

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Mendels Experimente

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kreuzen

rR/R R/rR/r r/r

Mendels Experimente

6. Vorhersagen

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r/r2/3 R/r

kreuzen

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Mendels Experimente

6. Vorhersagen

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r/r1/3 R/R

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kreuzen

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Mendels Experimente

6. Vorhersagen

rR/r R/rR/r R/r

r/r1/3 R/R

r/r2/3 R/r

kreuzen

Rund/runzelig: 1/0

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Mendels Experimente

6. Vorhersagen

rR/r R/rR/r R/r

r/r1/3 R/R

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kreuzen

Rund/runzelig: 1/0

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Mendels Experimente

6. Vorhersagen

rR/r R/rR/r R/r

r/r1/3 R/R

r/r2/3 R/r

kreuzen

Rund/runzelig: 1/0

rR/r r/rR/r r/r

rR/R R/rR/r r/r

Mendels Experimente

6. Vorhersagen

rR/r R/rR/r R/r

r/r1/3 R/R

r/r2/3 R/r

kreuzen

Rund/runzelig: 1/0 Rund/runzelig: 1/1

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"Versuche über Pflanzenhybriden"

Unabhängigkeitsgesetz: Unabhängige Vererbung einzelner Allele

"Versuche über Pflanzenhybriden"

Unabhängigkeitsgesetz: Unabhängige Vererbung einzelner Allele

*Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47.

Kreuzt man Individuen, die sich in einem Genort, einem Allel, unterscheiden, spricht man von einem monohybriden Erbgang.

Kreuzt man Individuen, die sich in einem Genort, einem Allel, unterscheiden, spricht man von einem monohybriden Erbgang.Zeigen beide Eltern Unterschiede in zwei, drei oder mehreren Allelen, so spricht man von dihybriden, trihybriden oder polyhybriden Erbgängen.

Mendels Vererbungsregeln

1. Mendel‘sche RegelMendels Vererbungsregeln

1. Mendel‘sche RegelKreuzt man zwei reinerbige Rassen, die sich in einem Allelpaar

unterscheiden, so sind die Nachkommen – die erste Filialgeneration (F1-Hybriden) – unter sich gleich.

UniformitätsgesetzNachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp

AA aa P

A A a a

AA aa P

A A a a

AA aa P

A A a a

AA aa P

Aa Aa AaAa F1

A A a a

AA aa P

Aa Aa AaAa F1

Genotyp

A A a a

AA aa P

Aa Aa AaAa F1rot rot rot rot

Genotyp

A A a a

AA aa P

Aa Aa AaAa F1rot rot rot rotPhänotyp

Genotyp

2. Mendel‘sche Regel

2. Mendel‘sche RegelKreuzt man zwei Monohybride der F1-Generation, so sind die

Individuen der Nachkommenschaft (F2-Generation) untereinander nicht gleich, sondern spalten in bestimmten Zahlenverhältnissen

2. Mendel‘sche RegelKreuzt man zwei Monohybride der F1-Generation, so sind die

Individuen der Nachkommenschaft (F2-Generation) untereinander nicht gleich, sondern spalten in bestimmten Zahlenverhältnissen

SpaltungsgesetzSegregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2

im Verhältnis 3:1

2. Mendel‘sche RegelSpaltungsgesetz

Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2im Verhältnis 3:1

Aa Aa AaAa

A A a a

Mendels Vererbungsregeln3. Vererbungsprinzipien

Aa Aa AaAa

A A a a

XA a A a

Aa Aa AaAa

A A a a

AA Aa aaAa

XA a A a

Aa Aa AaAa

A A a a

AA Aa aaAa

XA a A a

F2rot rot rot weiß

Rückkreuzung eines F1-Individuums mit einem homozygot-rezessiven Elternteil spaltet die Merkmale im Verhältnis 1:1 auf

Rückkreuzung

Aa Aa AaAa

A A a a

Aa aa aaAa

a a A a

rot weiß rot weiß

3. Mendel‘sche Regel

3. Mendel‘sche RegelKreuzt man zwei Rassen, die sich in zwei oder mehr Allelen unterscheiden, so werden die einzelnen Allele unabhängig voneinander vererbt und können neu kombiniert werden.

Gesetz von der Reinheit der GametenUnabhängige Segregation zweier dominanter und rezessiver

Merkmale in F2 im Verhältnis 9:3:3:1

3. Mendel‘sche RegelUnabhängige Segregation zweier dominanter und rezessiver

AABB P

X aabb

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AaBb AaBb AaBb AaBb

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AaBb AaBb AaBb AaBb

AB Ab ab aB AB Ab ab aB

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AaBb AaBb AaBb AaBb

AB Ab ab aB AB Ab ab aB

… gilt nur, wenn sich die analysierten Merkmale (Gene) auf verschiedenen Chromosomen (Kopplungsgruppen) befinden

Genotypen F2

ABAbabaB

Genotypen F2

ABAbabaB

AB Ab ab aBGenotypen F2

AABB AABb AaBb AaBBAABb AAbb Aabb AaBbAaBb Aabb aabb aaBbAaBB AaBb aaBb aaBB

ABAbabaB

AABB P

X aabb

aabb X

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

aabb X

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AaBb AaBb AaBb AaBb

aabb X

AABB P

X aabb

AB AB ab ab

AaBb AaBb AaBb AaBb

ab ab ab ab AB Ab ab aB

aabb X

Genotypen F2

abababab

Genotypen F2

abababab

aAbB Aabb aabb aabBaAbB Aabb aabb aabBaAbB Aabb aabb aabBaAbB Aabb aabb aabB

Erbinformation = Genom = Summe voneinander trennbarer Teilinformationen (Gene)

Phänotyp

Phänotyp Genotyp

Summealler genetischer

Information

Phänotyp Genotyp

Information

Ausprägungeiner genetischer

Teilinformation

Phänotyp Genotyp

Information

Teilinformation

Phänotyp Genotyp

Information

Teilinformation

Phänotyp Genotyp

Information

Teilinformation

z.T erheblich beeinflusst durch Umweltfaktoren

Funktionen eines Genoms

Ein Genom hat drei Aufgaben zu erfüllen:

Evolutionäre Funktion:

Phänotyp-Funktion:

Genotyp-Funktion:

Phänotyp-Funktion:

Genotyp-Funktion:Weitergabe der genetischen Information von einer Generation auf die nächste

Phänotyp-Funktion:

Kontrolle von Wachstum und Entwicklung der Nachkommen hin zum erwachsenen, reproduktionsfähigen Zustand

Phänotyp-Funktion:

Kontrolle von Wachstum und Entwicklung der Nachkommen hin zum erwachsenen, reproduktionsfähigen Zustand

Möglichkeit, auf veränderte Umweltbedingungen durch Anpassung der genetischen Information in Form von Mutationen zu reagieren.

haploid vs. diploidGen/Allel

homozygot wt

heterozygot

homozygot wt

homozygot mt

heterozygot

homozygot wt

homozygot mt

heterozygot

homologe Gene auf homologen Chromosomen, die in verschiedener oder gleicher Zustandsform vorliegen, d.h. eine minimal verschiedene Nukleotid-folge besitzen können.

Allele

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