Grundlagen Genomik und genetische Übungen - Cheatsheet.pdf

DNA-Replikation und -Reparatur

Definition:

Prozess der Verdopplung der DNA vor der Zellteilung sowie Mechanismen zur Korrektur von Fehlern in der DNA.

Details:

• Replikation: Semi-konservativer Mechanismus
• Enzyme:
• Helikase: Entwindet DNA-Doppelhelix
• Primase: Synthetisiert RNA-Primer
• DNA-Polymerase: Synthetisiert neuen DNA-Strang
• Ligase: Verbindet Okazaki-Fragmente
• Replikationsursprung: Ori-Sequenz
• Reparaturmechanismen:
• Mismatch-Reparatur (MMR)
• Basenexzisionsreparatur (BER)
• Nukleotidexzisionsreparatur (NER)
• Homologe Rekombination (HR)
• Non-Homologous End Joining (NHEJ)

Next-Generation Sequencing (NGS)

Definition:

Hochdurchsatzsequenzierungsmethoden zur schnellen und kostengünstigen Analyse von DNA- oder RNA-Fragmenten.

Details:

• Schneller als die traditionelle Sanger-Sequenzierung
• Ermöglicht paralleles Sequenzieren von Millionen von Fragmenten
• Anwendungen: Genomsequenzierung, Transkriptom-Analyse, Metagenomik
• Datenverarbeitung: Erfordert spezialisierte bioinformatische Tools
• Beispiele: Illumina, Oxford Nanopore, PacBio

CRISPR und andere Methoden zur Genomeditierung

Definition:

CRISPR und andere Methoden zur Genomeditierung ermöglichen gezielte Veränderungen am Erbgut eines Organismus.

Details:

• CRISPR/Cas9: DNA-schneidendes Enzym und RNA-Sequenzen, die spezifische Stellen im Genom erkennen. Nutzt Reparaturmechanismen wie NHEJ oder HDR.
• TALENs: Transcription Activator-Like Effector Nucleases. Proteine, die DNA-spezifisch erkennen und schneiden durch FokI-Endonuklease.
• Zinkfinger-Nukleasen: Verbindung von DNA-Bindedomänen (Zinkfinger) und nukleolytischen Domänen zur spezifischen DNA-Spaltung.
• Ältere Methoden: Meganukleasen, Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese.
• Anwendungen: Genforschung, gentherapeutische Ansätze, Landwirtschaft, Modellorganismen.

Transkription und Translation

Definition:

Transkription: DNA wird in mRNA umgeschrieben. Translation: mRNA wird in ein Protein übersetzt.

Details:

• Transkription: RNA-Polymerase bindet an Promotorregion, synthetisiert mRNA-Strang von 5' nach 3'.
• mRNA-Prozessierung: Capping, Polyadenylierung, Splicing.
• Translation: Ribosomen lesen mRNA in 5' nach 3' Richtung, tRNA liefert Aminosäuren.
• Startcodon: AUG (Methionin), Stopcodons: UAA, UAG, UGA.
• Genetischer Code: Drei-Basen-Codons, redundant, aber nicht ambig.

Bioinformatik-Software-Werkzeuge wie BLAST

Definition:

Bioinformatik-Software-Werkzeuge zur Analyse von Nukleotid- und Proteinsequenzen. BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) häufig verwendet für Sequenzvergleiche.

Details:

• BLAST: Vergleich von Sequenzen gegen Datenbanken, um Ähnlichkeiten zu finden
• Typen: blastn (DNA vs. DNA), blastp (Protein vs. Protein), blastx (DNA vs. Protein)
• E-Wert (\textit{e-value}): gibt die statistische Signifikanz der Treffer an; je kleiner, desto besser
• Score: numerisches Maß für die Ähnlichkeit zwischen Sequenzen
• Anwendungen: Genomannotationen, Funktionsvorhersagen, phylogenetische Studien

Epigenetische Veränderungen

Definition:

Veränderungen der Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz.

Details:

• Methylierung: Hinzufügen von Methylgruppen an Cytosinbasen (\textit{DNA-Methylierung} durch DNA-Methyltransferasen: \textit{DNMTs})
• Histonmodifikation: chemische Veränderungen der Histonproteine (z.B. Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung)
• Chromatin-Remodeling: Veränderung der Chromatinstruktur, beeinflusst Zugänglichkeit der DNA
• nicht-kodierende RNAs: Regulierung der Genexpression (z.B. \text{miRNA}, \text{siRNA})
• Vererbung: können an Tochterzellen weitergegeben werden

Analyse der Sequenzierungsdaten

Definition:

Verarbeitung und Interpretation von DNA-, RNA- und Protein-Sequenzen; Bioinformatische Werkzeuge notwendig

Details:

• Qualitätskontrolle: Entfernen schlechter Reads, Adapter-Trimming
• Alignment an Referenzgenom: Algorithmen wie BWA, Bowtie
• Genauigkeit der Kartierung: Sensitivity und Specificity
• Variantenanalyse: SNPs, InDels; Software: GATK, SAMtools
• Differenzielle Genexpression: RNA-Seq Daten; Tools: DESeq2, edgeR
• Visualisierung: IGV, Circos
• Statistische Analyse: P-Werte, False Discovery Rate (FDR)

Techniken zur Messung der Genexpression, z.B. RT-PCR

Definition:

Techniken zur Messung der Genexpression ermöglichen die Quantifizierung und Analyse der Transkription von Genen. Ein Beispiel ist die RT-PCR.

Details:

• RT-PCR (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction): Methode zur Quantifizierung von mRNA.
• Reverse Transkription: mRNA wird mit Hilfe der Reverse Transkriptase in cDNA umgewandelt.
• PCR: Amplifikation der cDNA zur Detektion und Quantifikation von spezifischen Genen.
• Quantifizierung: Meistens durch Real-Time PCR (qPCR), wodurch die Menge der ursprünglichen mRNA bestimmt werden kann.
• Wichtig bei Untersuchungen von Genexpression in verschiedenen Zelltypen und Zuständen.