Grundlagen Genetik und Zellbiologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Die Mendel'schen Regeln sind grundlegende Prinzipien der Vererbung, die auf Gregor Mendels Arbeiten mit Erbsenpflanzen basieren. Sie beschreiben, wie Merkmale von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden.

• Erste Mendel'sche Regel (Uniformitätsregel): Kreuzt man zwei homozygote Individuen, so sind die Nachkommen in der F1-Generation alle uniform (gleich).
• Zweite Mendel'sche Regel (Spaltungsregel): Kreuzt man die Hybriden der F1-Generation untereinander, so spalten sich die Merkmale in der F2-Generation in einem bestimmten Verhältnis auf (3:1 bei dominanten-rezessiven Erbgängen).
• Dritte Mendel'sche Regel (Unabhängigkeitsregel): Verschiedene Merkmale werden unabhängig voneinander vererbt, sofern sie auf unterschiedlichen Chromosomen liegen.
• Ausnahmen:
  • Kopplung (Linked genes): Gene auf dem gleichen Chromosom werden nicht unabhängig vererbt.
  • Codominanz: Beide Allele eines Gens sind vollständig und gleichwertig exprimiert.
  • Multiple Allele: Mehr als zwei Allele bestimmen ein Merkmal.
  • Pleiotropie: Ein einzelnes Gen beeinflusst mehrere phänotypische Merkmale.

a)

a) Die Uniformitätsregel: Kreuze zwei homozygote Erbsenpflanzen, eine mit gelben Samen (dominantes Merkmal) und eine mit grünen Samen (rezessives Merkmal). Beschreibe das Ergebnis der F1-Generation. Warum sind alle Pflanzen der F1-Generation gleich?

Lösung:

a) Die Uniformitätsregel: Kreuze zwei homozygote Erbsenpflanzen, eine mit gelben Samen (dominantes Merkmal) und eine mit grünen Samen (rezessives Merkmal). Beschreibe das Ergebnis der F1-Generation. Warum sind alle Pflanzen der F1-Generation gleich?

Wenn Du zwei homozygote Erbsenpflanzen kreuzt, eine mit gelben Samen (dominant) und eine mit grünen Samen (rezessiv), sieht das Ergebnis der F1-Generation wie folgt aus:

• Gelbe Samen: YY (homozygot dominant)
• Grüne Samen: yy (homozygot rezessiv)

Nehmen wir an, wir bezeichnen das gelbe Samenallel als Y (dominant) und das grüne Samenallel als y (rezessiv). Bei der Kreuzung von zwei homozygoten Pflanzen (YY und yy) erhält jede Pflanze der F1-Generation ein Y-Allel von der gelben Pflanze und ein y-Allel von der grünen Pflanze:

• F1-Generation: Yy

Da das Y-Allel dominant ist, dominieren die gelben Samen in der F1-Generation. Somit haben alle Pflanzen der F1-Generation gelbe Samen und sind alle heterozygot (Yy).

Die Pflanzen der F1-Generation sind alle gleich, weil das dominante Y-Allel das rezessive y-Allel überdeckt. Daher zeigen alle Pflanzen den gleichen phänotypischen Ausdruck – gelbe Samen.

b)

b) Die Spaltungsregel: Nimm an, du kreuzt die F1-Generation Pflanzen untereinander. Erkläre und berechne das Verhältnis der Nachkommen in der F2-Generation. Verwende das dominant-rezessive Modell und erstelle ein Punnett-Quadrat zur Visualisierung der Aufspaltung.

Lösung:

b) Die Spaltungsregel: Nimm an, du kreuzt die F1-Generation Pflanzen untereinander. Erkläre und berechne das Verhältnis der Nachkommen in der F2-Generation. Verwende das dominant-rezessive Modell und erstelle ein Punnett-Quadrat zur Visualisierung der Aufspaltung.

Um die Spaltung in der F2-Generation zu erklären, kreuzen wir zwei Pflanzen der F1-Generation mit dem Genotyp Yy, wobei Y das dominante Allel (gelb) und y das rezessive Allel (grün) ist.

Zunächst erstellen wir ein Punnett-Quadrat, um die möglichen Genotypen der Nachkommen zu bestimmen:

  Eltern: Yy x Yy      |  Y  |  y  |   -----------------  Y |  YY  |  Yy  |  y |  Yy  |  yy  |

Die möglichen Genotypen und deren Häufigkeit sind:

• YY (homozygot dominant): 1 von 4
• Yy (heterozygot): 2 von 4
• yy (homozygot rezessiv): 1 von 4

Dies entspricht einem Verhältnis von 1:2:1 der Genotypen in der F2-Generation. Da das Y-Allel dominant ist, manifestiert sich der Phänotyp der Pflanze wie folgt:

• 3 Pflanzen mit gelben Samen (YY und Yy)
• 1 Pflanze mit grünen Samen (yy)

Daher beträgt das Verhältnis der Phänotypen in der F2-Generation 3:1 (gelbe zu grüne Samen).

Zusammengefasst, beim Kreuzen von zwei F1-Hybriden (Yy) spalten sich die Merkmale in der F2-Generation im Verhältnis 3:1 auf, was bedeutet, dass 75% der Nachkommen gelbe Samen (dominant) haben, und 25% der Nachkommen grüne Samen (rezessiv) haben werden.

c)

c) Die Unabhängigkeitsregel: Angenommen, du betrachtest zwei Merkmale (Samenfarbe und Samenform), die auf unterschiedlichen Chromosomen liegen. Kreuzt man eine Pflanze, die für beide Merkmale heterozygot ist, mit sich selbst, welches Verhältnis erwartet man in der F2-Generation? Berechne und erkläre das Verhältnis mittels eines dihybriden Kreuzungsschemas.

Lösung:

c) Die Unabhängigkeitsregel: Angenommen, du betrachtest zwei Merkmale (Samenfarbe und Samenform), die auf unterschiedlichen Chromosomen liegen. Kreuzt man eine Pflanze, die für beide Merkmale heterozygot ist, mit sich selbst, welches Verhältnis erwartet man in der F2-Generation? Berechne und erkläre das Verhältnis mittels eines dihybriden Kreuzungsschemas.

Die Unabhängigkeitsregel besagt, dass verschiedene Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden, wenn sie auf unterschiedlichen Chromosomen liegen. In diesem Beispiel betrachten wir die Merkmale Samenfarbe (gelb, Y, dominant; grün, y, rezessiv) und Samenform (rund, R, dominant; runzelig, r, rezessiv).

Die Ausgangspflanzen sind heterozygot für beide Merkmale (YyRr).

Um die Aufspaltung in der F2-Generation zu berechnen, erstellen wir ein dihybrides Kreuzungsschema (Punnett-Quadrat):

Kreuzung: YyRr x YyRr      |   YR   |   Yr   |   yR   |   yr  |  --------------------------------------  YR |  YYRR | YYRr  | YyRR | YyRr |  --------------------------------------  Yr |  YYRr | YYrr  | YyRr | Yyrr |  --------------------------------------  yR |  YyRR | YyRr  | yyRR | yyRr |  --------------------------------------  yr |  YyRr | Yyrr  | yyRr | yyrr |

Die möglichen Kombinationen und deren Häufigkeit sind:

• YYRR, YYRr, YyRR, YyRr: 9 genotypische Kombinationen mit gelber, runder Form (dominant)
• YYrr, Yyrr: 3 genotypische Kombinationen mit gelber, runzeliger Form
• yyRR, yyRr: 3 genotypische Kombinationen mit grüner, runder Form
• yyrr: 1 genotypische Kombination mit grüner, runzeliger Form

Daher ergibt sich ein phänotypisches Verhältnis von 9:3:3:1 in der F2-Generation:

• 9 Pflanzen haben gelbe, runde Samen
• 3 Pflanzen haben gelbe, runzelige Samen
• 3 Pflanzen haben grüne, runde Samen
• 1 Pflanze hat grüne, runzelige Samen

Die Merkmale und ihre Aufspaltung in der F2-Generation sind unabhängig voneinander, was durch die Unabhängigkeitsregel von Mendel erklärt wird.

d)

d) Ausnahmen von Mendels Regeln: Beschreibe anhand von Beispielen den Einfluss der folgenden Ausnahmen auf die Vererbungsmuster:

• Kopplung auf dem gleichen Chromosom
• Codominanz
• Multiple Allele
• Pleiotropie

Lösung:

d) Ausnahmen von Mendels Regeln: Beschreibe anhand von Beispielen den Einfluss der folgenden Ausnahmen auf die Vererbungsmuster:

• Kopplung auf dem gleichen Chromosom Die Kopplung tritt auf, wenn zwei Gene auf demselben Chromosom liegen und daher gemeinsam vererbt werden. Dies widerspricht Mendels Unabhängigkeitsregel. Ein Beispiel ist der Mensch, bei dem Gene für rote Haare und Sommersprossen oft gekoppelt sind. Das bedeutet, dass Personen mit dem Gen für rote Haare häufig auch das Gen für Sommersprossen haben, da diese Gene nahe beieinander auf demselben Chromosom liegen und selten durch Rekombination getrennt werden.
• Codominanz Bei der Codominanz werden beide Allele eines Gens vollständig und gleichwertig exprimiert. Ein gutes Beispiel dafür ist das AB0-Blutgruppensystem beim Menschen. Personen mit Blutgruppe AB haben ein A-Allel und ein B-Allel, und beide Allele manifestieren sich in der Blutgruppe. Das führt dazu, dass beide Blutgruppeneigenschaften (A und B) im Blutserum gleichwertig vorhanden sind.
• Multiple Allele Multiple Allele bedeuten, dass es mehr als zwei Allele gibt, die ein Merkmal bestimmen. Ein Beispiel ist das Kaninchenfell, das von vier verschiedenen Allelen (C, c^ch, c^h, c) beeinflusst wird. Diese mehreren Allele können unterschiedliche Kombinationen ergeben und dadurch eine Vielzahl an Fellfarben und -mustern verursachen.
• Pleiotropie Pleiotropie liegt vor, wenn ein einzelnes Gen mehrere phänotypische Merkmale beeinflusst. Ein Beispiel ist die Sichelzellenanämie beim Menschen, bei der eine Mutation im HBB-Gen nicht nur die Form der roten Blutkörperchen verändert, sondern auch verschiedene Symptome wie Schmerzen, Anämie, Organfehlfunktionen und erhöhter Infektionsrisiken verursacht.

Diese Ausnahmen zu Mendels Regeln zeigen, dass die Vererbungsmuster in der Natur vielfältiger und komplexer sind als die einfachen Mendelschen Vererbungsregeln beschreiben.

Aufgabe 2)

Im Rahmen deiner Kenntnisse über die Genexpression und deren Regulation sei ein Szenario aus einer Laborstudie beschrieben. Du hast die Aufgabe, die Expression eines bestimmten Gens in Bakterien zu untersuchen. Dazu möchtest Du unter anderem wissen, wie verschiedene Faktoren und Mechanismen die Genexpression dieses spezifischen Gens beeinflussen. Betrachte insbesondere die Rolle von Transkriptionsfaktoren, epigenetischen Modifikationen sowie regulatorischen RNAs. Zudem soll der Lac-Operon als Modell dienen, um bestimmte Aspekte der Genregulation zu veranschaulichen.

a)

Erkläre, wie Transkriptionsfaktoren und DNA-Sequenzelemente wie Promotoren, Enhancer und Silencer die Transkription des untersuchten Gens regulieren könnten. Nimm dabei auch Bezug auf die Rekrutierung der RNA-Polymerase.

Lösung:

Regulation der Genexpression durch Transkriptionsfaktoren und DNA-Sequenzelemente

Um die Genexpression eines bestimmten Gens in Bakterien zu untersuchen, ist es wichtig, die Rolle verschiedener regulatorischer Komponenten zu verstehen, darunter Transkriptionsfaktoren und DNA-Sequenzelemente wie Promotoren, Enhancer und Silencer. Diese Elemente arbeiten zusammen, um die Transkription des Gens zu regulieren und die Rekrutierung der RNA-Polymerase zu steuern.

• Transkriptionsfaktoren: Dies sind Proteine, die spezifische DNA-Sequenzen erkennen und binden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Genexpression, indem sie entweder die Rekrutierung der RNA-Polymerase fördern oder hemmen. Transkriptionsfaktoren können als Aktivatoren oder Repressoren fungieren.
  • Aktivatoren: Diese Proteine binden an spezifische DNA-Sequenzen (Enhancer) und erhöhen die Transkriptionsrate eines Gens, indem sie die Rekrutierungsprozesse der RNA-Polymerase unterstützen. Sie können durch Protein-Protein-Interaktionen die RNA-Polymerase direkt rekrutieren oder indirekt durch die Rekrutierung von Co-Aktivatoren, die diese Funktion übernehmen.
  • Repressoren: Diese Proteine binden an Silencer-Sequenzen oder direkt an den Promotorbereich des Gens, um die Bindung der RNA-Polymerase zu blockieren und somit die Transkription zu verringern oder zu stoppen. Repressoren können auch mit anderen proteinkodierenden Molekülen interagieren, die als Kofaktoren fungieren, um die Transkription zu hemmen.
• DNA-Sequenzelemente: Diese Elemente sind spezifische DNA-Sequenzen, die als Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren dienen. Sie sind entscheidend für die präzise Regulation der Genexpression.
  • Promotor: Dies ist die DNA-Sequenz, die direkt vor dem Transkriptionsstartpunkt eines Gens liegt. Der Promotor enthält spezifische Sequenzen wie die TATA-Box, die als Bindungsstellen für die RNA-Polymerase und allgemeine Transkriptionsfaktoren dienen. Die Anlagerung der RNA-Polymerase an den Promotor ist der erste Schritt der Transkription.
  • Enhancer: Diese DNA-Sequenzen liegen oft weit entfernt vom Promotor des Gens, das sie regulieren. Enhance-Sequenzen binden Aktivator-Transkriptionsfaktoren und fördern die Transkription, indem sie die Schleifenbildung der DNA erleichtern, wodurch die Aktivatoren in die Nähe des Promotors gebracht werden und die RNA-Polymerase rekrutieren.
  • Silencer: Diese Sequenzen dienen als Bindungsstellen für Repressor-Transkriptionsfaktoren und haben die entgegengesetzte Wirkung von Enhancer-Sequenzen. Sie hemmen die Transkription, indem sie die Rekrutierung der RNA-Polymerase verhindern oder durch Chromatinmodifikationen eine weniger zugängliche DNA-Struktur schaffen.

Ein praktisches Beispiel für die Funktionsweise dieser Mechanismen ist der Lac-Operon in Escherichia coli:

• Der Lac-Operon enthält Gene, die für den Abbau von Laktose kodieren.
• In Anwesenheit von Laktose fungiert das Lac-Repressor-Protein als Repressor, indem es an den Operon gebunden ist und die Transkription blockiert.
• Wenn Laktose vorhanden ist, bindet sie den Repressor, wodurch dieser seine Konformation ändert und nicht mehr an die DNA binden kann, was die Transkription der Lac-Gene ermöglicht.
• Parallel dazu kann der cAMP-CRP-Komplex als Aktivator fungieren, der die Transkription des Lac-Operons fördert, wenn Glukosekonzentrationen niedrig sind.

Diese komplexen Wechselwirkungen zwischen Transkriptionsfaktoren und DNA-Sequenzelementen ermöglichen es Zellen, die Genexpression in Abhängigkeit von internen und externen Signalen präzise zu steuern.

b)

Diskutiere den Einfluss epigenetischer Modifikationen auf die Genexpression. Gehe dabei auf verschiedene Arten der DNA- und Histonmodifikationen ein und erkläre ihre möglichen Auswirkungen auf das von Dir untersuchte Gen.

Lösung:

Einfluss epigenetischer Modifikationen auf die Genexpression

Epigenetische Modifikationen sind maßgebliche Mechanismen, die die Genexpression kontrollieren, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Diese Modifikationen umfassen vor allem Veränderungen an der DNA selbst und an den Histonproteinen, um die die DNA gewickelt ist. Beide Arten der Modifikationen können die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase beeinflussen und somit die Genexpression regulieren.

• DNA-Methylierung:
  • Die Methylierung der DNA erfolgt meistens am Kohlenstoffatom 5 des Cytosins in CpG-Dinukleotiden. Diese epigenetische Veränderung kann die Bindung von Transkriptionsfaktoren an die DNA verhindern und somit die Genexpression reduzieren.
  • Auswirkung: Stark methylierte Regionen sind häufig transkriptionell inaktiv. Wenn also der Promotor oder regulierende Sequenzen des zu untersuchenden Gens methylierte CpG-Inseln enthalten, könnte dies zu einer verminderten Expression oder sogar vollständigen Silenzierung des Gens führen.
• Histonmodifikationen: Histone sind Proteine, um die die DNA gewickelt ist. Modifikationen dieser Histone können die Struktur des Chromatins verändern und somit die Zugänglichkeit der DNA beeinflussen.
  • Acetylierung: Die Acetylierung von Lysinresten an Histonproteinen durch Histonacetyltransferasen (HATs) neutralisiert deren positive Ladung, was die DNA lockerer wickelt. Dies führt zu einem offenen Chromatinzustand (Euchromatin), der die Transkription fördert.
  • Deacetylierung: Im Gegensatz dazu entfernt die Histondeacetylase (HDAC) Acetylgruppen, was die DNA stärker kondensiert. Dies führt zu einem geschlossenen Chromatinzustand (Heterochromatin), der die Genexpression hemmt.
  • Methylierung: Die Methylierung von Histonen kann entweder aktivierend oder repressiv sein, abhängig von der spezifischen Aminosäure, die modifiziert wird. Beispielsweise führt die Trimethylierung von Histon H3 an Lysin 4 (H3K4me3) zu einer Aktivierung der Transkription, während die Trimethylierung an Lysin 27 (H3K27me3) zu einer Repression führt.
  • Phosphorylierung: Phosphorylierungen an Histonen können ebenfalls die Chromatinstruktur verändern und haben oft eine Rolle in der DNA-Reparatur und den Zellzyklusregulationen. In Bezug auf die Genexpression kann sie sowohl aktivierende als auch reprimierende Effekte haben.
• Chromatin-Remodeling-Komplexe: Diese Komplexe nutzen die Energie von ATP, um Nukleosomen auf der DNA zu verschieben, zu entfernen oder zu reorganisieren. Dies kann die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsmaschinerien erhöhen oder verringern.

Zusammengefasst können epigenetische Modifikationen einen erheblichen Einfluss auf die Genexpression haben, indem sie die Struktur des Chromatins und die Zugänglichkeit der DNA für transkriptionelle Regulierung verändern. In Deinem spezifischen Laborstudie-Szenario könnten die Analyse der DNA-Methylierungsstatus und Histonmodifikationen des zu untersuchenden Gens wertvolle Einblicke in die Regulation und Expression dieses Gens liefern.

c)

Beschreibe, welche Rolle regulatorische RNAs wie miRNA und siRNA bei der Regulation der Translation des Gens spielen könnten. Erkläre die Mechanismen, durch die sie die Translation beeinflussen.

Lösung:

Rolle regulatorischer RNAs in der Regulation der Translation

Regulatorische RNAs, wie microRNA (miRNA) und small interfering RNA (siRNA), spielen eine entscheidende Rolle in der posttranskriptionalen Regulation der Genexpression, insbesondere bei der Steuerung der Translation von mRNA-Molekülen. Diese regulatorischen RNAs können die Stabilität von mRNA beeinflussen oder direkt die Translation hemmen. Hier sind die Mechanismen, durch die sie die Translation beeinflussen:

MicroRNAs (miRNAs)

miRNAs sind kleine, endogen codierte RNA-Moleküle, die normalerweise etwa 22 Nukleotide lang sind. Sie wirken hauptsächlich durch Basenpaarung mit komplementären Sequenzen in den 3'-untranslatierten Regionen (3'-UTR) von Ziel-mRNAs.

• Mechanismus der miRNA-vermittelten Regulation:
  • Nach ihrer Synthese werden miRNAs durch eine Sequenz von Prozessen verarbeitet und in einen RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC) integriert.
  • Der RISC-Komplex, der die miRNA enthält, bindet an die komplementären Sequenzen der Ziel-mRNA. Diese Bindung kann zu zwei Hauptmechanismen führen:
    • Translationale Repression: Die Bindung der miRNA an die mRNA blockiert die Bindung der Ribosomen an die mRNA, wodurch die Translation gehemmt wird.
    • mRNA-Degradation: Wenn die Basenpaarung zwischen der miRNA und der Ziel-mRNA perfekt oder nahezu perfekt ist, führt dies zur Rekrutierung von Enzymen, die die mRNA spalten und abbauen.

Small interfering RNAs (siRNAs)

siRNAs sind ebenfalls kleine RNA-Moleküle, die exogen eingeführt oder endogen produziert werden und typischerweise 20-25 Nukleotide lang sind. Sie funktionieren oft über ähnliche Mechanismen wie miRNAs, haben jedoch einige Unterschiede in ihrer Herkunft und Funktion.

• Mechanismus der siRNA-vermittelten Regulation:
  • siRNAs werden von doppelsträngiger RNA (dsRNA) abgeleitet, die zu kurzen dsRNA-Molekülen prozessiert wird.
  • Ein Strang der siRNA wird in einen RISC-Komplex geladen, ähnlich wie bei miRNAs.
  • Die siRNA innerhalb des RISC-Komplexes bindet an die komplementäre Sequenz der Ziel-mRNA. Die perfekte Basenpaarung führt zur Spaltung und Zerstörung der Ziel-mRNA.
  • Dieser Mechanismus führt hauptsächlich zur mRNA-Degradation und weniger zur translationalen Repression im Vergleich zu miRNAs.
• Anwendung in Bakterien: Obwohl siRNA-Mechanismen häufig in eukaryotischen Zellen untersucht werden, gibt es auch Beispiele für RNA-Interferenz-ähnliche Mechanismen in Bakterien, die regulatorische RNAs nutzen, um die Genexpression zu steuern.

Zusammengefasst regulieren sowohl miRNAs als auch siRNAs die Translation von Zielgenen durch Mechanismen, die zur Hemmung der Translation oder zur Zerstörung der mRNA führen. In Deinem Untersuchungsszenario könnten Analysen der spezifischen miRNA- und siRNA-Interaktionen wertvolle Einblicke in die posttranskriptionale Regulation des betrachteten Gens liefern.

d)

Anhand des Lac-Operons: Erkläre, wie Operons als genregulatorische Einheit in Prokaryoten fungieren. Zeichne ein Modell des Lac-Operons und beschreibe die Funktion der einzelnen Komponenten. Diskutiere, wie das Wissen über das Lac-Operon auf die Regulation des von Dir untersuchten Gens angewendet werden könnte.

Lösung:

Funktion von Operons in Prokaryoten: Das Lac-Operon

Operons sind genregulatorische Einheiten in Prokaryoten, die es ermöglichen, mehrere Gene unter der Kontrolle eines einzigen Promotors zu koordinieren. Diese Struktur erlaubt es den Bakterien, mehrere Proteine gleichzeitig zu synthetisieren, die für eine gemeinsame Stoffwechselreaktion notwendig sind. Ein klassisches Beispiel hierfür ist das Lac-Operon in Escherichia coli.

Modell des Lac-Operons

Das folgende Modell zeigt die Struktur und die funktionellen Komponenten des Lac-Operons:

Die wichtigsten Komponenten des Lac-Operons umfassen:

• Regulatorgen (lacI): Dieses Gen kodiert für den Lac-Repressor, ein Protein, das die Transkription des Operons hemmt, wenn kein Laktose vorhanden ist.
• Promotor (P): Dies ist die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, die die Transkription der nachfolgenden Gene einleitet.
• Operator (O): Dies ist die Bindungsstelle für den Lac-Repressor. Wenn der Repressor hier gebunden ist, wird die RNA-Polymerase blockiert und die Transkription der strukturellen Gene wird verhindert.
• Strukturelle Gene:
  • lacZ: Dieses Gen kodiert für die Beta-Galactosidase, ein Enzym, das Laktose in Glukose und Galaktose spaltet.
  • lacY: Dieses Gen kodiert für die Lactose-Permease, ein Protein, das den Transport von Laktose in die Zelle vermittelt.
  • lacA: Dieses Gen kodiert für die Thiogalactoside-Transacetylase, deren Funktion weniger gut verstanden ist, aber angenommen wird, dass sie toxische Nebenprodukte der Laktosemetabolismus entfernt.

Regulation durch das Lac-Operon

Die Regulation des Lac-Operons erfolgt hauptsächlich durch den Lac-Repressor und CAP (Catabolite Activator Protein):

• Ohne Laktose: Der Lac-Repressor bindet an den Operator und verhindert die Transkription der strukturellen Gene.
• Mit Laktose: Laktose bzw. das Isomer Allolaktose inaktiviert den Lac-Repressor, der dann vom Operator abweicht und die Transkription ermöglicht.
• Zusätzlich beeinflusst das cAMP-CAP-Komplex die Transkription: Bei niedrigen Glukosespiegel steigt die cAMP-Konzentration, CAP bindet cAMP und der Komplex fördert die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor und steigert die Transkriptionsrate.

Übertragung des Wissens auf Dein untersuchtes Gen

Das Wissen über die Funktionsweise des Lac-Operons kann auf die Untersuchung eines anderen spezifischen Gens in Bakterien wie folgt angewendet werden:

• Identifikation von Regulatorischen Elementen: Durch das Studium des Lac-Operons können ähnliche regulatorische Sequenzen (wie Promotoren und Operatoren) im Genom des Bakteriums identifiziert werden, die die Expression des interessierten Gens steuern.
• Erforschung von Repressor- und Aktivatorproteinen: Die Mechanismen, durch die der Lac-Repressor und CAP die Genexpression beeinflussen, können analog auf andere Repressor- und Aktivatorproteine angewendet werden, die das untersuchte Gen regulieren könnten.
• Analyse der Signalabhängigkeit: Das Verständnis, welche externen Signale (wie das Vorhandensein von Laktose oder Glukose) die Genexpression beeinflussen, kann genutzt werden, um ähnliche Abhängigkeiten für das untersuchte Gen zu identifizieren.

Durch diese Methoden kann ein tiefes Verständnis der Regulation des untersuchten Gens entwickelt werden und es ermöglicht gezielte Modifikationen, um die Genexpression nach Bedarf zu steuern.

Aufgabe 3)

Stelle Dir vor, Du bist ein Wissenschaftler im Labor und untersuchst den Mechanismus der DNA-Replikation und -Reparatur in Eukaryoten. Du führst Experimente durch, um die verschiedenen Enzyme und Schritte in diesem Prozess zu verstehen und zu analysieren.

a)

a) Beschreibe detailliert die einzelnen Schritte der DNA-Replikation in Eukaryoten, beginnend an den Origins of Replication bis zur vollständigen Verdopplung des DNA-Moleküls. Erkläre dabei die jeweilige Funktion der beteiligten Enzyme, insbesondere der Helicase, Primase, DNA-Polymerase III, DNA-Polymerase I und Ligase. Gehe auch auf die Unterschiede zwischen der Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs ein.

Lösung:

Um die DNA-Replikation in Eukaryoten detailliert zu beschreiben, müssen wir den Prozess Schritt für Schritt durchgehen und die Funktion der wesentlichen Enzyme hervorheben.

• Initiation an den Origins of Replication:Die DNA-Replikation beginnt an spezifischen Stellen der DNA-Sequenz, die als Origins of Replication bezeichnet werden. Mehrere Proteine, einschließlich ORC (Origin Recognition Complex), binden an diese Stellen und rekrutieren weitere Proteine, um die Replikationsgabel zu bilden.
• Entwindung der DNA:Die Helicase entwindet die Doppelhelix der DNA, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basenpaaren aufbricht. Dies erzeugt zwei Einzelstränge und bildet die Replikationsgabel.
• Primase-Aktivität:Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen. Diese Primer sind notwendig, da DNA-Polymerasen nicht de novo synthetisieren können, sondern ein freies 3'-OH-Ende benötigen.
• Synthese des Leitstrangs:Die DNA-Polymerase III beginnt an den RNA-Primern, den neuen DNA-Strang kontinuierlich in 5'-3'-Richtung zu synthetisieren. Dieser kontinuierliche Strang wird als Leitstrang bezeichnet.
• Synthese des Folgestrangs:Der Folgestrang wird in diskontinuierlichen Fragmenten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert. Die DNA-Polymerase III synthetisiert diese Fragmente auch in 5'-3'-Richtung, jedoch entfernt sich die Synthese von der Replikationsgabel, was wiederholte Synthese neuer RNA-Primer durch die Primase erforderlich macht.
• Ersetzung der RNA-Primer:Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer der Okazaki-Fragmente und ersetzt sie durch DNA.
• Verknüpfung der Fragmente:Die Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente durch die Bildung von Phosphodiester-Bindungen zwischen den Fragmenten, wodurch ein kontinuierlicher DNA-Strang entsteht.

Zusammengefasst:

• Helicase: Entwindet die DNA-Doppelhelix.
• Primase: Synthetisiert RNA-Primer.
• DNA-Polymerase III: Hauptenzym zur Synthese neuer DNA-Stränge.
• DNA-Polymerase I: Entfernt RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA.
• Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente zu einem kontinuierlichen Strang.

b)

b) Nach der Replikation können Fehler in der DNA vorliegen. Welche drei Haupttypen der DNA-Reparaturmechanismen gibt es und welche Art von Schäden korrigieren sie? Erkläre die Basis-Exzisionsreparatur (BER), die Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER) und die Fehlpaarungsreparatur (MMR) und gehe auf die dabei beteiligten Enzyme und deren Funktionen ein.

Lösung:

Nach der DNA-Replikation können Fehler in der DNA auftreten, die repariert werden müssen, um die Integrität des genetischen Materials sicherzustellen. Es gibt drei Haupttypen der DNA-Reparaturmechanismen:

• Basis-Exzisionsreparatur (BER):Dieser Mechanismus repariert kleine, nicht-helixverformende Basenmodifikationen wie durch Oxidation, Alkylierung oder Desaminierung verursachte Schäden. Die entscheidenden Schritte und Enzyme bei der BER sind:
• DNA-Glykosylase: Erkennung und Entfernung der beschädigten Base durch Abspaltung der N-glykosidischen Bindung, wodurch ein apurinischer oder apyrimidinischer (AP) Standort entsteht.
• AP-Endonuklease: Spaltet die DNA am AP-Standort, wodurch ein Einzelstrangbruch erzeugt wird.
• DNA-Polymerase: Fügt das korrekte Nukleotid an die offene Stelle ein.
• DNA-Ligase: Verknüpft den DNA-Strang, um die Integrität wiederherzustellen.
• Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER):Die NER erkennt und entfernt sperrige DNA-Schäden, die die Helixstruktur verändern, wie z.B. durch UV-Licht induzierte Pyrimidindimere oder chemische Addukte. Die wichtigsten Schritte und Enzyme bei der NER sind:
• Schadensspezifische Erkennung: Proteine erkennen die DNA-Veränderung und rekrutieren das Reparaturkomplex.
• Exonuklease-Komplex: Entfernt etwa 24-32 Nukleotide, einschließlich des beschädigten Abschnitts.
• DNA-Polymerase: Synthetisiert einen neuen DNA-Strang, der das entfernte Fragment ersetzt.
• DNA-Ligase: Schließt die verbleibende Lücke im Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA.
• Fehlpaarungsreparatur (MMR):MMR korrigiert Replikationsfehler, wie Fehlpaarungen und Insertion- oder Deletionsschleifen, die nicht vom Replikations-Maschinerie erkannt wurden. Die Hauptschritte und Enzyme bei der MMR sind:
• Erkennung: Proteine wie MutS erkennen und binden Fehlpaarungen oder Insertion/Deletionsschlaufen.
• Exzision: Komplexe wie MutL und Exonukleasen entfernen den fehlerhaften DNA-Abschnitt.
• DNA-Polymerase: Synthetisiert den neuen, korrekten Abschnitt des DNA-Strangs.
• DNA-Ligase: Verknüpft den neuen DNA-Abschnitt und stellt die Kontinuität des Strangs wieder her.

c)

c) Angenommen, eine Zelle weist nach der Replikation und Fehlpaarungsreparatur (MMR) noch immer eine bestimmte Anzahl an falschen Basenpaarungen auf. Angenommen, der Fehlerquotient beträgt 1 Fehler pro 10⁷ Nukleotide. Wenn das humane Genom etwa 3x10⁹ Basenpaare umfasst, berechne mathematisch, wie viele Fehler nach der Replikation verbleiben würden. Interpretiere die biologischen Konsequenzen dieses Ergebnisses für die Zelle.

Lösung:

Um die Anzahl an verbleibenden Fehlern nach der Replikation und Fehlpaarungsreparatur (MMR) zu berechnen, gehen wir wie folgt vor:

Berechnung:

• Gegeben ist ein Fehlerquotient von 1 Fehler pro 10⁷ Nukleotide.
• Das humane Genom umfasst ungefähr 3 × 10⁹ Basenpaare.
• Die Anzahl der Fehler wird berechnet, indem man die Gesamtanzahl der Basenpaare durch die Anzahl der Basenpaare pro Fehler teilt:

\[ \frac{3 \times 10^9 \text{ Basenpaare}}{1 \text{ Fehler pro } 10^7 \text{ Basenpaare}} = \frac{3 \times 10^9}{10^7} = 300 \text{ Fehler}\]

Es verbleiben also etwa 300 Fehler im gesamten humanen Genom nach der Replikation und MMR.

Interpretation der biologischen Konsequenzen:

• Mögliche Mutationen: Diese verbleibenden Fehler könnten zu Mutationen in verschiedenen Genen führen, was die Proteinexpression und -funktion beeinträchtigen könnte und potenziell Krankheiten verursachen könnte.
• Karzinogenese: Fehler in Genen, die für die Zellzyklusregulation oder DNA-Reparatur verantwortlich sind, könnten zu unkontrolliertem Zellwachstum und Tumorbildung führen.
• Zelluläre Seneszenz und Apoptose: Die Ansammlung von Fehlern könnte zur Seneszenz (Zellalterung) oder zum programmierten Zelltod (Apoptose) führen, was die Gewebe- und Organfunktion beeinträchtigen könnte.
• Evolutionäre Vorteile: Wenngleich selten, könnten einige der durch Fehler entstandenen Mutationen vorteilhaft sein und evolutionäre Vorteile bieten, indem sie zur Anpassung an neue Umweltbedingungen beitragen.
• Erhöhtes Krankheitsrisiko: Es könnte ein erhöhtes Risiko für genetische Erkrankungen und Anfälligkeit für verschiedene Krankheiten geben, einschließlich erblich bedingter Krankheiten und Krebserkrankungen.

Aufgabe 4)

Signaltransduktion und zelluläre Kommunikation: Zelluläre Kommunikation umfasst den Austausch von Signalen zwischen oder innerhalb von Zellen, während die Signaltransduktion den Prozess der Umwandlung eines extrazellulären Signals in eine zelluläre Antwort beschreibt. Dazu sind Schlüsselkomponenten wie Rezeptoren, Second Messenger und Signalkaskaden notwendig. Der Mechanismus besteht darin, dass ein Signal an einen Rezeptor bindet, was eine Konformationsänderung hervorruft und intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Bekannte Second Messenger sind cAMP, Ca²⁺, IP₃ und DAG. Diese Prozesse können Effekte wie Genexpression, Enzymaktivität und Zellverhalten beeinflussen. Typische Beispiele sind Hormone wie Insulin und Adrenalin sowie Wachstumsfaktoren wie EGF und PDGF.

a)

Beschreibe den Mechanismus der Signaltransduktion am Beispiel von Adrenalin. Gehe dabei auf die Rolle des Rezeptors, der intrazellulären Signalkaskaden und der Second Messenger ein.

Lösung:

• Einführung: Adrenalin, auch als Epinephrin bekannt, ist ein Hormon und Neurotransmitter, das bei Stress oder Gefahr freigesetzt wird und eine Vielzahl von physiologischen Reaktionen im Körper auslöst.

• 1. Bindung an den Rezeptor: Adrenalin wirkt durch Bindung an Beta-adrenerge Rezeptoren, die zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) gehören, auf der Zelloberfläche verschiedener Zellen.

• 2. Konformationsänderung und G-Protein-Aktivierung: Die Bindung von Adrenalin an den Beta-adrenergen Rezeptor führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors, die die Aktivierung eines assoziierten G-Proteins bewirkt. Dieses G-Protein besteht aus drei Untereinheiten: Alpha (\textalpha), Beta (\textbeta) und Gamma (\textgamma).

• 3. Aktivierung der Adenylylcyclase: Die aktivierte Alpha-Untereinheit des G-Proteins interagiert mit der Adenylylcyclase, einem Enzym an der Zellmembran. Diese Interaktion führt zur Umwandlung von ATP in den Second Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat).

• 4. Rolle des Second Messengers cAMP: cAMP fungiert als Second Messenger, der weitere intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Speziell aktiviert cAMP die Protein-Kinase A (PKA).

• 5. Aktivierung der Protein-Kinase A (PKA): cAMP bindet an die regulativen Untereinheiten von PKA, was zur Freisetzung und Aktivierung der katalytischen Untereinheiten führt. Diese katalytischen Untereinheiten können verschiedene zelluläre Proteine phosphorylieren und somit deren Aktivität verändern.

• 6. Zelluläre Antworten: Die durch PKA vermittelten Phosphorylierungen führen zu unterschiedlichen zellulären Antworten abhängig vom Zelltyp:
• In Leberzellen fördert PKA den Abbau von Glykogen zu Glukose, wodurch der Blutzuckerspiegel erhöht wird.
• In Muskelzellen erhöht PKA die Verfügbarkeit von Glukose für die Energieproduktion.
• In Herzzellen erhöht PKA die Herzfrequenz und Kontraktionskraft, was die Pumpleistung des Herzens verbessert.

• Zusammenfassung: Der Mechanismus der Signaltransduktion von Adrenalin umfasst die Bindung an Beta-adrenerge Rezeptoren, die Aktivierung eines G-Proteins, die Erhöhung des cAMP-Spiegels und die Aktivierung von PKA. Diese Kette von Ereignissen führt zu spezifischen zellulären Reaktionen durch Modifikation der Aktivität von Zielproteinen.

b)

Berechne und erkläre die Verstärkung eines Signals, wenn durch einen einzelnen Adrenalinmolekül 100 Moleküle des Second Messengers cAMP generiert werden und jedes cAMP Molekül wiederum 10 Moleküle eines Enzyms aktiviert. Wie viele Enzymmoleküle werden insgesamt aktiviert?

Lösung:

• Einführung: Bei der Signalverstärkung wird die Wirkung eines einzelnen Signalmoleküls vervielfacht, um eine stärkere und effizientere zelluläre Reaktion zu erzielen. Im Fall von Adrenalin erfolgt diese Verstärkung durch die Produktion von Second Messengers wie cAMP und deren nachgeschalteten Effekte.

• Gegebene Informationen:- Ein einzelnes Adrenalinmolekül generiert 100 Moleküle des Second Messengers cAMP.- Jedes cAMP-Molekül aktiviert 10 Moleküle eines Enzyms.

• Berechnung der Signalverstärkung:
• Ein Adrenalinmolekül → 100 cAMP-Moleküle
• Ein cAMP-Molekül → 10 Enzymmoleküle
Um die Gesamtanzahl der durch ein einzelnes Adrenalinmolekül aktivierten Enzymmoleküle zu berechnen, multiplizieren wir die Anzahl der cAMP-Moleküle mit der Anzahl der Enzymmoleküle, die jedes cAMP-Molekül aktiviert:\[ \text{Gesamtanzahl der aktivierten Enzymmoleküle} = 100 \times 10 = 1000 \text{ Enzymmoleküle} \]
• Erklärung: Der Mechanismus der Signalverstärkung beginnt mit dem Signal eines einzelnen Adrenalinmoleküls, das einen Rezeptor auf der Zelloberfläche aktiviert. Dieser Rezeptor produziert 100 Moleküle cAMP als Second Messenger. Jedes dieser cAMP-Moleküle aktiviert wiederum 10 Enzymmoleküle. Daher aktiviert ein einziges Adrenalinmolekül insgesamt 1000 Enzymmoleküle, was die zelluläre Reaktion erheblich verstärkt.

c)

Diskutiere die Rolle von Calciumionen (Ca²⁺) als Second Messenger. Beschreibe wie die Konzentration von Ca²⁺ innerhalb der Zelle reguliert wird und wie Ca²⁺ Signale zu zellulären Antworten führen kann.

Lösung:

• Einführung: Calciumionen (Ca²⁺) sind wichtige Second Messenger in vielen Signaltransduktionswegen, die eine Vielzahl von zellulären Prozessen wie Kontraktion, Sekretion und Genexpression regulieren. Die Verfügbarkeit von Ca²⁺ innerhalb der Zelle wird streng kontrolliert, um diese Prozesse effizient zu steuern.

• Regulation der Ca²⁺-Konzentration: Die Konzentration von Ca²⁺ in der Zelle wird durch verschiedene Mechanismen reguliert:
• Intrazelluläre Speicher: Ca²⁺-Ionen werden in Organellen wie dem endoplasmatischen Retikulum (ER) und Mitochondrien gespeichert. Auf Signal hin kann Ca²⁺ aus diesen Speichern freigesetzt werden.
• Plasmamembran-Kanäle: Spezielle Kanäle in der Zellmembran, wie spannungsgesteuerte und ligandengesteuerte Ca²⁺-Kanäle, können die Aufnahme von Ca²⁺ aus dem extrazellulären Raum in die Zelle ermöglichen.
• Pumpen und Transporter: Ca²⁺-Pumpen wie die Ca²⁺-ATPase und Na⁺/Ca²⁺-Austauscher entfernen überschüssiges Ca²⁺ aus dem Zytoplasma und transportieren es zurück ins ER oder aus der Zelle.
• Ca²⁺-Bindungsproteine: Proteine wie Calmodulin binden an Ca²⁺ und helfen, dessen Konzentration im Zytoplasma zu puffern und zu regulieren.
• Ca²⁺-Signaltransduktion:
• Ca²⁺ als Second Messenger wird häufig durch die Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) oder Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) aktiviert, was zur Freisetzung von Ca²⁺ aus dem ER durch IP₃-gesteuerte Kanäle führt.
• Die Erhöhung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration kann verschiedene Signalkaskaden und Effektoren aktivieren, wie z. B. Protein-Kinasen und Phosphatasen.
• Calciumionen binden an Calciumsensoren wie Calmodulin, die dann andere Proteine und Enzyme aktivieren oder modifizieren können.
• Durch diese Mechanismen führt die Ca²⁺-Signaltransduktion zu verschiedenen zellulären Antworten wie Muskelkontraktion, Sekretion von Hormonen, Zellproliferation und Genexpression.
• Beispiele für Ca²⁺-vermittelte zelluläre Antworten:
• Muskelkontraktion: In Muskelzellen bindet Ca²⁺ an Troponin, was die Interaktion von Aktin und Myosin und somit die Muskelkontraktion ermöglicht.
• Neurotransmitterfreisetzung: In Nervenzellen führt der Ca²⁺-Einstrom in synaptischen Endigungen zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
• Genexpression: Ca²⁺ kann über Calmodulin-abhängige Kinasen (CaMKs) die Expression bestimmter Gene durch Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren regulieren.
• Zusammenfassung: Calciumionen (Ca²⁺) spielen eine entscheidende Rolle als Second Messenger in der Signaltransduktion. Die Kontrolle der Ca²⁺-Konzentration in der Zelle erfolgt durch spezialisierte Speichersysteme, Membran-Kanäle, Pumpen und Bindungsproteine. Durch die Auslösung und Regulation von Ca²⁺-Signalen können verschiedene zelluläre Prozesse beeinflusst werden, von Muskelkontraktion über Sekretionsprozesse bis hin zur Genexpression.