Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I PDF

bio.libretexts.org Molekularbiologie I TM 12.6 Prof. Dr. Heidi Olzscha [email protected]  Lernziele  DNA-Replikation  Mutationen  DNA-Reparatur  Immungenetik Quervernetzung: Weitere Lehrveranstaltungen der Bi...

bio.libretexts.org Molekularbiologie I TM 12.6 Prof. Dr. Heidi Olzscha [email protected]  Lernziele  DNA-Replikation  Mutationen  DNA-Reparatur  Immungenetik Quervernetzung: Weitere Lehrveranstaltungen der Biochemie und der Zellbiologie (horizontale Vernetzung) sowie in der klinischen Chemie, Pharmakologie, Mikrobiologie und Onkologie (vertikale Vernetzung) Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 2  Weiterführendes Material und Lehrbücher Biochemie und Molekularbiologie  Löffler/Petrides, 10. Auflage, Kapitel 10, 44, 45, teilweise 70 (Immungenetik) Horizontale Quervernetzung  Lehrbücher der Anatomie  Lehrbücher der Biologie Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 3  DNA-Replikation Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 4  Das zentrale Dogma der Molekularbiologie „Es kann keine sequenzielle Information von Protein zu einem Protein oder zu Nukleinsäure übertragen werden“, Francis Crick, 1970. Allgemeine Übertragungsarten DNA → DNA: Replikation DNA → RNA: Transkription RNA → Protein: Translation Spezielle Übertragungsarten RNA → RNA: RNA-Replikation, geschieht z. B. bei RNA-Viren Was ist mit Prionen? RNA → DNA: Reverse Transkription, geschieht z. B. bei Retroviren DNA → Protein: Direkte Translation von DNA zu Protein, wurde in vitro in zellfreien Umgebungen nachgewiesen Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Nach dem zentralen Dogma unbekannte Übertragungsarten Protein → DNA Protein → RNA Protein → Protein (?) Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 5  DNA-Replikation Replikation oder Reduplikation bezeichnet die Vervielfältigung der Nukleinsäuremoleküle als Träger der Erbinformation einer Zelle oder eines Virus, sei es des gesamten Genoms aus DNA bzw. RNA oder auch nur einzelner Chromosomen oder Segmente. Die Reduplikation genannte Verdopplung der DNA in der Synthese-Phase des Zellzyklus geht einer Mitose voraus und betrifft gewöhnlich den gesamten Chromosomensatz. Replikation ist also die...... identische Verdoppelung der DNA.... DNA-Synthese aus DNA (durch DNA-Polymerasen).... Reduplikation des Genoms: aus 46 Chromatiden werden 92. Nicht zu verwechseln mit der Transkription. (also der DNA-abhängigen RNA-Synthese durch RNA-Polymerasen) Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 6  Wie wird DNA repliziert? Drei mögliche Szenarien Purves, Biologie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 7  Das Meselson-Stahl-Experiment: DNA wird semi-konservativ repliziert 1958 Beweis durch das Meselson-Stahl-Experiment Purves, Biologie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 8  Die Verlängerung der DNA von 5‘ nach 3‘ Purves, Biologie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 9  Das Replikonmodell Purves, Biologie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 10 3 Phasen der Replikation: Initiation, Elongation, Termination Man kann den Prozess der Replikation, wie auch die Transkription und Translation, in drei Phasen unterteilen:  Initiation  Elongation  Termination Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 11  Die Initiation bei Prokaryoten Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 12  Topoisomerasen lösen Torsionsspannungen Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 13  Verschiedene Klassen humaner Topoisomerasen Bächler, 2013 Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 14 Initiation bei Eukaryoten Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 15  Initiationsfaktoren: Prokaryoten vs. Eukaryoten Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 16  Die DNA-Polymerase katalysiert den nucleophilen Angriff der freien 3‘-OH- Gruppe des zu verlängernden DNA-Strangs auf die Anhydridbindung zwischen dem α- und β-Phosphat des anzuknüpfenden Desoxyribonucleotids. Die Elongationsphase DNA-Polymerasen katalysieren eine Reaktion nach folgendem Schema: Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 17  Start der Replikation durch RNA-Primer Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 18  Die Replikation der Doppelhelix: Führungsstrang vs. Folgestrang Der RNA-primer muss nach erfolgter Bei Prokaryonten Verlängerung wird durch eine als entfernt Primase und die bezeichnete RNA- entstandenen Polymerase ein Lücken aufgefüllt kurzes RNA- Stück werden. synthetisiert, das komplementär zur Matrize ist. Die freie 3‘-OH- Gruppe dieses primers nutzt die DNA-Polymerase für die Anheftung weiterer Nucleotide. Bei Eukaryonten ist die Primase eine Teilaktivität der DNA-Polymerase α. Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 19  Verankerung der DNA Polymerase auf der DNA (clamp-Prinzip) Modell zur Verankerung der β-Untereinheit und DNA-Polymerase auf dem Doppelstrang über den clamp loader. Die DNA-Polymerase beginnt die DNA-Neusynthese erst nach ihrer Anheftung. Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 20  Posaunenmodell: Simultane Replikation von Führungs-und Folgestrang  DNA ist antiparallel  Die beiden DNA-Polymerasen können wegen ihrer stabilen Interaktion aber nur gemeinsam der DNA-Helicase folgen Verzögerungsstrang bildet eine Schleife, so dass es zur gleichen Syntheserichtung beider Stränge kommt  Da diese Schleife während der Replikation periodisch größer und kleiner wird und somit an den Zug einer Posaune erinnert, wurde dieses Modell auch als Posaunenmodell (trombone model) bezeichnet. Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 21  Ersetzen der RNA-Fragmente am Beispiel von E.coli Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 22 Verknüpfung der Fragmente: Ligation Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 23 Die wichtigsten humanen DNA-Polymerasen im Überblick Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 24  Termination der Replikation  In Pro- als auch in Eukaryonten spezifische Terminationssequenzen, an die Terminationsproteine binden und so einen Stopp der Replikation auslösen können  Typ II Topoisomerasen werden für die Termination ringförmiger Chromosomen benötigt  Bei bestimmten eukaryotischen Zellen wie z. B. Stammzellen können Telomere durch die Telomerase verlängert werden Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 25  Das Telomer-Problem Purves, Biologie, 10. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 26  Die Lösung des Telomer-Problems: Die Telomerase Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 27  Zusammenfassung Replikation (in Echtzeit) Your Body's Molecular Machines, Veritasium Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 28  Mutationen Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 29  Mutationen Als Mutation (lat. mutare „ändern/verändern, verwandeln“) wird in der Medizin eine spontan auftretende, dauerhafte Veränderung des Erbgutes bezeichnet. Arten von Mutationen  Unterscheidung nach Erblichkeit  Unterscheidung nach Ursache  Unterscheidung nach Mechanismus  Unterscheidung nach Größe und Ort der Veränderung  Unterscheidung nach Folgen für das Protein  Unterscheidung nach Folgen für den Organismus Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 30  Mutationen: Somatische vs. Keimbahnmutation Studyflix.de Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 31  Mutationsarten Studyflix.de Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 32  Beispiele von Mutationen beim Menschen Glutamin Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 33  Arten von Genmutationen Studyflix.de Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 34  DNA-Schäden: Wie Fehler entstehen können Die DNA-Schäden werden in drei Gruppen eingeteilt: 1. Spontane DNA-Schäden entstehen laufend in unseren Zellen. 2. Induzierte DNA-Schäden sind durch externe Noxen (Schadstoffe) verursacht. 3. DNA-Schäden durch Fehler bei der Replikation. Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 35  Spontane DNA-Schäden  Spontane Depurinierung. Sie tritt bei normaler Körpertemperatur auf und führt zur thermischen Spaltung der N-glycosidischen Bindung zwischen Purinbasen und Desoxyribosen. Das Phosphodiestergerüst der DNA wird dabei nicht zerstört, es entstehen sog. AP-sites (apurinisch).  Spontane Desaminierung von Cytosin. Es entsteht Uracil, das mutagen wirkt, da es sich anstatt mit Guanin mit Adenin paart.  Sauerstoffradikale. Sie führen z. B. zur Hydroxylierung von Guanin zu 8-Hydroxyguanin und damit bei der Replikation zu einer Fehlpaarung mit Adenin statt Cytosin. Bis heute wurden ca. 100 unterschiedliche radikalische Schädigungen der DNA-Basen identifiziert. Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 36  Depurinierung und Desaminierung Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 37  Induzierte DNA-Schäden  Elektromagnetische Strahlung. z. B. ultraviolette Strahlung. Sie führt zur Ausbildung von Thymindimeren, die einen Replikationsstopp auslösen. Wegen ihres hohen Energiegehalts sind auch radioaktive und Röntgenstrahlung besonders schädlich für die DNA, da sie Einzel und Doppelstrangbrüche auslösen und/oder zur verstärkten Bildung von Radikalen führen können.  Alkylierung. Durch Anheftung einer Methyl- oder Ethylgruppe ändert sich die Basenpaarung; so paart O6-Ethylguanin mit Thymin anstelle von Cytosin. Weitere alkylierende Verbindungen sind z. B. Ethylmethylsulfonat (EMS), das in der Molekularbiologie zur Auslösung zufälliger Mutationen verwendet wird.  Interkalierende Substanzen. Z. B. Ethidiumbromid lagert sich zwischen zwei übereinanderliegende Basen im Inneren der DNA ein und führen so zu einem erhöhten Risiko von Strangbrüchen. Gleichzeitig bewirken sie einen Replikationsstopp. Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 38  Bildung von Thymin-Dimeren Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 39  Angriffspunkte chemischer Agenzien an DNA Voet, Biochemistry, 4th Edition Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 40  Interkalierende Substanzen hoelzel-biotech.com mdc.berlin.de Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 41  Zusammenfassung Mutationen  Das genetische Material eines Organismus ist dynamisch, d. h. es unterliegt einer permanenten Veränderung. Bei diesen als Mutationen bezeichneten Veränderungen können unterschieden werden: Genommutationen: Änderung der Gesamtzahl der Chromosomen eines Organismus Chromosomenmutationen: Änderungen innerhalb eines Chromosoms Genmutationen: Änderungen innerhalb eines Gens  Ursachen für Mutationen sind exogene Noxen, z. B. UV-Strahlung, radioaktive Strahlung oder der Kontakt mit DNA interagierenden Chemikalien. Diese exogenen Noxen können punktuelle Veränderungen an der DNA auslösen, aber auch zu Strangbrüchen führen.  Zusätzlich ist die chemische Instabilität der DNA Ursache für Mutationen, z. B. der spontane Verlust von Purinresten oder die spontane Desaminierung von Cytosin. In beiden Fällen kommt es zu Basenfehlpaarungen. Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 42  DNA-Reparatur und Immungenetik Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 43  Prinzip der DNA-Reparatur deutschlandfunk.de Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 44  Übersicht über DNA-Reparatursysteme Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 45   DNA-Glycosylase spaltet die N-glycosidische Bindung zwischen der defekten Base und der Desoxyribose  Eine AP- Endonuclease entfernt das Fragment (AP, apurinic bzw. apyrimidinic). Basenexcisions-  Die Entfernung von reparatur Desoxyribose und Phosphat erfolgt dann durch eine Phosphodiesterase.  Eine Ligase füllt die Lücke auf. Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 46 Nucleotidexcisions- reparatur Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 47 Mismatch-Reparatur Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 48  Die homologe Rekombination Stryer, Biochemie, 2018 Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 49  Reparatur durch homologe und nicht- homologe DNA- Rekombination Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 50  Reparatur durch homologe und nicht- homologe DNA- Rekombination Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 51  Beispiel für Variabilität: Die Antikörper Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 52  Beispiel für Rekombination: Die Entstehung der Antikörpervielfalt Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 53  Beispiel für Rekombination: Die Entstehung der Antikörpervielfalt x l Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 54  Der T-Zell-Rezeptor physiologie.cc Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 55 Beispiel für Rekombination: Die Entstehung der TCR-Vielfalt Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Löffler/Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 9. Auflage Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 56  Zusammenfassung DNA-Reparatur und Immungenetik  Die bei der DNA-Replikation auftretenden Fehler werden überwiegend mit Hilfe der 3’-5’-Exonucleaseaktivitäten der DNA-Polymerasen beseitigt.  Darüber hinaus führen chemische oder physikalische Noxen zur Schädigung der DNA.  Solche Schäden werden beseitigt durch: direkte Reparatur Basenexcisionsreparatur Nucleotidexcisionsreparatur mismatch-Reparatur  DNA-Doppelstrangbrüche können durch non-homologous end joining oder durch Rekombinationsreparatur beseitigt werden.  Die homologe Rekombination, die häufig eine charakterische Holliday- Struktur beinhaltet, spielt eine Rolle bei der Meiose und bei der Entstehung der TCR- und Antikörpervielfalt. Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 57  Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Wenn Sie Fragen oder Anregungen haben: Prof. Dr. Heidi Olzscha [email protected] Vorlesung 12.6 Molekularbiologie I 58