Teil 11 des Glossars cytologischer, biochemischer und mikrobiologischer Fachbegriffe

- Genetik und Gentechnologie -


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Dieses Glossar enthält den elften Teil des Glossars cytologischer, biochemischer und mikrobiologischer Fachbegriffe mit dem Abschnitt 'Genetik und Gentechnologie'.
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Thematische Gliederung:


Genetik und Gentechnologie

maternal
- mütterlicherseits, d.h. im Kontext der genetischen Vererbung werden mit maternaler Vererbung diejenigen Erbinformationen bezeichnet, die (ausschliesslich) mütterlicherseits vererbt werden, z.B. die maternale Vererbung der mtDNA
paternal
- väterlicherseits, d.h. im Kontext der genetischen Vererbung werden mit paternaler Vererbung diejenigen Erbinformationen bezeichnet, die (ausschliesslich) väterlicherseits vererbt werden, z.B. die paternale Vererbung des Y-Chromosoms
GC-Gehalt
- Der GC-Gehalt ist der Anteil der Nucleotide (Basen) Guanin (abgk. G)und Cytosin (abgk. C) in einem DNA-Molekül. Meist wird die Angabe des GC-Gehaltes auf die gesamte DNA im Genoms eines Organismus bezogen und in Prozent aller Basenpaarungen ausgedrückt. Er wird insb. bei den grampositiven Bakterien zur taxonomischen Unterscheidung von GC-reichen (engl. high-GC) und GC-armen (engl. low-GC) Gruppen herangezogen. Die GC-Basenpaarung bildet in der DNA, im Gegensatz zu den zwei Wasserstoffbrücken der AT-Paarung, drei Wasserstoffbrücken aus. Daher liegt der 'Schmelzpunkt' TM, also der Punkt an dem die komplementär aneinander gebundenen DNA-Einzelstränge der DNA sich voneinander lösen (de-hybridisieren), GC-reicher DNA höher als der mit niedrigem GC-Gehalt.
GMO
- Akronym für engl. Genetic Modified Organism, einer Sammelbezeichnung für Organismen, die mit Methoden der Gentechnik, insb. mit Hilfe der rekombinanten DNA-Technologie, in ihrem Erbgut und damit meist auch in ihren Eigenschaften verändert wurden. Man unterscheidet zwischen transgenen Organismen, bei denen Teile des Erbguts durch DNA anderer Spezies ersetzt wurde oder denen DNA anderer Spezies zusätzlich zum bestehenden Erbgut hinzugefügt wurde, und cisgenen Organismen, bei denen das bestehende Erbgut verändert oder Teile davon entfernt wurden. GMO's finden eine breite Anwendung in der Forschung aber auch bei Nutzpflanzen und der Herstellung von biologischen Substanzen durch Mikroorganismen, z.B. bei der Produktion von Insulin durch genetisch veränderte Escherichia coli. Insb. die Verwendung von genetisch veränderten Organismen beim Anbau von Nutzpflanzen ("Grüne Gentechnik") ist heftig umstritten und wird kontrovers diskutiert. Funktionale Effekte bei genetisch veränderten Nutzpflanzen sind die Anreicherung mit besonderen Nährstoffen oder Vitaminen (z.B. 'golden rice') oder die Erzielung von Resistenzen, entweder direkt gegen potentielle Schädlinge (z.B. Bt-Mais, Bt-Baumwolle) oder indirekt durch Erzielung von Resistenz gegenüber Pflanzenschutzmitteln (z.B. 'triple stack corn'). Weitere GMO's sind die experimentellen, transgenen Varianten der biologischen Modellorganismen, wie der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana oder des Zebrafisches Danio rerio. Von letzterem wird eine transgene Variante, die Gene für fluoreszierende Proteine anderer Organismen enthält, als Aquariumsfisch mit dem Markennamen GloFish® vermarktet. Dieser Fisch ist patent- und markenrechtlich geschützt, wie dies auch auf viele andere GMO's zutrifft.
GVO
- Akronym für dt. Genetisch Veränderte Organismen, s. GMO
GEO
- Akronym für engl. Genetic Engineered Organism, eine andere Bezeichnung für GMO
Contig
- überlappende DNA-Fragmente, die bei der mechanischen oder enzymatischen Fragmentierung der DNA eines Genoms entstehen, z.B. bei der Methode des engl. shotgun sequencing.
DNA-Klonierung
- im Kontext der Gentechnologie: die Vervielfätigung von DNA mittels geeigneter Vektoren in einem Wirtsorganismen. Grundsätzlich kann es sich bei der klonierten DNA um unterschiedlichste Nucleotid-Sequenzen handeln, häufig ist man jedoch speziell an der Vervielfältigung codierender Abschnitte interessiert. Die Klonierung solcher, für ein oder mehrere Gene codierender DNA-Sequenzen wird dann auch als Gen-Klonierung bezeichnet.
Gen-Klonierung
- im Kontext der Gentechnologie: die Vervielfätigung eines Gens bzw. dessen Produkts mittels geeigneter Vektoren in einem Wirtsorganismen, meist Bakterien.
Gene und Genorganisation, Transkription, Translation, Replikation
Gen, Pl. Gene
- engl. gene, Pl. genes, von grch. genos oder lat. gens, dt. Gattung, Geschlecht, Familie, Sippe oder auch Abkömmling. Allg. wird unter einem Gen eine vererbbare, ein Merkmal bedingende Einheit bezeichnet. Auf molekularer bzw. biochemischer Ebene werden die Erbanlagen und Merkmalsträger aller Organismen durch die Abfolge (Sequenz) von Nucleotiden der DNA oder bei manchen Viren auch von RNA definiert, so dass ein bestimmter, vererbbarer Abschnitt der DNA (bzw. RNA), der zur Synthese eines biologisch aktiven Produktes in Form eines Peptids oder einer RNA codiert, im modernen Verständnis als Gen bezeichnet wird. Synthetisiert werden diese Produkte eines Gens mittels der Mechanismen der Genexpression bzw. Proteinbiosynthese, welche wiederum regulativen Mechanismen unterliegen, die zusammenfassend als Genregulation bezeichnet werden.
Obwohl der Begriff Gen sicherlich einer der meist verwendeten Begriffe der modernen Biologie ist und sich mittlerweile auch im allg. Sprachgebrauch eingebürgert hat, hat sich seine Definition durch fortschreitende Erkenntnisse und geänderte Sichtweisen in der Vergangenheit und v.a. in jüngerer Zeit mehrfach gewandelt, so dass sich das Verständnis des Begriffs 'Gen' erst vollständig im historischen Zusammenhang erschliesst.
Ursprünglich wird unter einem Gen eine Erbanlage verstanden; d.h. eine charakteristische Eigenschaft oder ein Merkmal eines Organismus, der von der vererbenden Elterngeneration (Parentalgeneration) auf nachfolgende Generationen (Filialgenerationen) übertragen wird. Merkmale unterliegen in einer natürlichen Population meist einer mehr oder minder starken Variation, so dass das gleiche Merkmal in verschiedenen Individuen eines Taxons (insb. innerhalb einer Art) unterschiedlich ausgeprägt sein kann (z.B. das Auftreten von weissen und roten Blüten innerhalb einer Pflanzenart). In der Parentalgeneration vorhandene Erbanlagen können, bestimmten Gesetzmässigkeiten folgend, unverändert oder in veränderten Zustand in den Nachfolgegenerationen auftreten. Diese grundsätzlichen Gesetzmässigkeiten der Vererbung von Merkmalen wurden bereits 1865 von Gregor Mendel erkannt und beschrieben. Sie kommen in den sog. Mendel'schen Regeln zum Ausdruck und werden v.a. bei der Züchtung von Pflanzen und Tieren zur Anwendung gebracht. Innerhalb der Mendel'schen Genetik tritt eine Wertigkeit der Erbanlagen auf, die in dem Dominanz- und Rezessivitäts-Konzept zum Ausdruck kommt. Dieses Konzept beschreibt die empirisch gefundene Tatsache, dass bei einem gleichen Merkmal bestimmte Merkmalsausprägungen (z.B. rote und weisse Blütenfarbe) bevorzugt (sog. dominante Merkmale) gegenüber anderen (sog. rezessive Merkmale) bei den Filialgenerationen in Erscheinung treten.
Dabei waren die Regeln der heute als Mendel'schen Genetik bezeichneten Lehre und den diversen darauf basierenden Vererbungslehren zunächst auf die äusseren, sichtbaren Merkmale (wie z.B. Blütenfarbe bei Pflanzen, Körperform oder Fellzeichnung bei Hunden, Katzen, Pferden, Rindern etc.) eines Organismus beschränkt, da zu Zeiten Mendels und auch einige Zeit danach wenig über die biochemischen Grundlagen des organismischen Lebens bekannt war. Die Erkenntnisse Mendels gerieten jedoch zeitweise in Vergessenheit und wurden erst an der Jahrhundertwende vom 19. zum 20. Jhr. u.a. durch Arbeiten von C. Correns, E. Tschermak und H. De Vries (1900) im Sinne der modernen Naturwissenschaften wiederentdeckt. Im Zuge dieses erneuten Interesses an den gesetzmässigen Vorgängen der Vererbung wurden auch der Begriff des Gens im Sinne eines erblich bedingten Merkmals (Erbanlage) durch Johannsen (1905/09), sowie durch William Bateson (1906) der Begriff Genetik als Wissenschaft der Vererbung geprägt. Mit der Erkenntnis, dass Organismen aus einzelnen Zellen aufgebaut sind (Schleiden 1838, Schwann 1839, Virchow 1855), die sich wiederum aus chemischen Bausteinen, wie den Proteinen, Kohlenhydrate, Lipiden usw. zusammensetzen, wurde deutlich, dass auch die Erbanlagen und Merkmale eines Organismus biochemisch manifestiert sein müssen. So wurden zwar bereits 1869 durch Miescher die Nukleinsäuren entdeckt, mit dem Nachweis dieser Substanzen war jedoch die biochemisch-molekulare Grundlage der Vererbung von Merkmalen noch nicht geklärt. Zunächst erfolgte Anfang des 20. Jhr. aufgrund struktureller Beobachtungen die Feststellung, dass die Erbanlagen bei eukaryotischen Organismen hpts. im Zellkern lokalisiert sind. Insb. durch Beobachtungen und Versuche von Walter S. Sutton (1903) und Theodor Boveri (1904) wurde dem in Chromosomen organisierten Chromatin, welches sich nahezu ausschliesslich im Zellkern befindet, die Rolle als Merkmalsträger zugeschrieben. Mit der Suche nach den zellulär-molekularen Ursachen der Vererbung wandelte sich der Merkmalsbegriff und so hatte Hugo De Vries, in Anlehnung an Darwins "Pangenesis"-Theorie, bereits 1889 den Begriff der "Pangene" eingeführt, den Wilhelm Johanssen 1905/09 in den Begriff des Gens abwandelte. Johannsen definierte das Gen als eine selbständige Einheit einer Erbanlage, ohne jedoch die chem.-strukturelle Natur dieser Einheit weiter zu ergründen. Zudem führte Johannsen die Begriffe Genotyp und Phänotyp ein, um zwischen den Erbanlagen einerseits und den ausgeprägten, sichtbaren Merkmalen andererseits zu differenzieren.
In der Folge tendierte man dazu, Proteine als Träger der Erbanlagen zu identifizieren. Jedoch schlugen E.L. Tatum und G.W. Beadle 1941/42 anhand von Beobachtungen an Mutationen von Neurospora, einem zu den Ascomycota (Schlauchpilze) zählenden Organismus, vor, dass einem Gen ein Merkmal in Form eines Enzyms bzw. Proteins entspricht. In der Folge erbrachten dann Arbeiten von Avery, MacLeod und McCarty (1944) an dem Bakterium Streptococcus pneumoniae, dem Erreger der Lungenentzündung, den Nachweis, dass tatsächlich die DNA den vererblichen Merkmalsträger darstellt. Durch Untersuchungen von Nukleinsäuren aus verschiedenen Organismen und Organen stellte E. Chargaff (1950) fest, dass bei den 4 in der DNA auftretenden Basen das Verhältnis von Adenin (A) zu Thymin (T) und von Cytosin (C) zu Guanin (G) in DNA immer nahezu 1:1 beträgt. Weitere Meilensteine stellten dann die Aufklärung der dreidimensionalen, molekularen Struktur der DNA durch Watson und Crick (1953) und der Mechanismen der DNA-Replikation durch Arbeiten von M. Meselson und F.W. Stahl (1958) dar. Durch diese u.a. Forschungsaktivitäten waren grundlegende Eigenschaften der DNA, wie die Ausbildung einer Helix-Struktur, sowie die komplementäre Basenpaarung und die dadurch bedingte semikonservative Replikation verstanden worden. Jedoch blieb der funktionale Zusammenhang, nämlich wie die Erbanlagen der DNA im Organismus die Merkmalsausprägung vermitteln, zunächst weiter im Dunklen. Zwar waren durch theoretische Überlegungen, z.B. durch W. Gamow (1954), bereits ein möglicher, funktionaler Zusammenhang zwischen DNA und Proteinen diskutiert worden, aber erst mit der Entdeckung des genetischen Codes durch Nirenberg und Matthaei (1961), weiteren Arbeiten u.a. von Ochoa und Weinstein (1964) und Leder und Nirenberg (1964), sowie den zahlreichen Arbeiten zur Aufklärung der Mechanismen der Transkription, d.h. der Übersetzung der molekularen Information der DNA in Moleküle der RNA, und der Translation, also der Übersetzung der RNA in Polypeptide an den Ribosomen, konnten die wesentlichen Grundlagen der molekularen Mechanismen der Merkmalsausprägung und der Vererbung geklärt werden. Damit wurde deutlich, dass die DNA eines Organismus nicht nur Träger der Erbanlagen ist, sondern auch physiologisch an der Merkmalsausprägung eines Organismus wesentlich beteiligt ist, indem in der Abfolge der Nucleotide und der sich daraus ergebenden Struktur die Informationen enthalten sind, die die Synthese lebensnotwendiger Moleküle in Form von Proteinen und RNA ermöglichen. Danach werden die einzelnen Aminosäuren eines Peptids durch die Abfolge von drei Nucleotiden ("Basen"), also den Bausteinen der Nukleinsäuren, codiert. Diese Dreiergruppen werden auch als Triplett oder Codon bezeichnet. Durch unterschiedliche Kombinationen der 4 in der DNA auftretenden Nucleoside Adenosin, Cytidin, Guanosin und Thymidin ergibt sich ein redundanter, auch als "degeneriert" bezeichneter Code aus 64 Tripletts, der für alle 20 bekannten, am Aufbau von Proteinen beteiligten Aminosäuren, sowie für spezielle Start- und Stop-Signale der Translation codiert. Der Vorgang des Transfers von Information der DNA über die Bildung von RNA hin zur Synthese von Proteinen wird allg. als Genexpression bezeichnet. Dieser Prozess wird zellulär durch verschiedene Mechanismen gesteuert, die zusammenfassend als Genregulation bezeichnet werden. Die Codierung von Proteinen und von RNA mittels DNA und die damit verbundenen molekularen Mechanismen der Vererbung besitzen eine allgemeine und fundamentale Gültigkeit im gesamten Organismenreich, finden sich also sowohl bei Viren, als auch bei zellkernlosen Prokaryoten und ein- oder mehrzelligen Eukaryoten wieder.
Durch mehr oder minder grosse Unterschiede in der Abfolge der Nucleotide eines Gens bei den unterschiedlichen Individuen innerhalb einer Art kommt die Variation von Merkmalen zustande. Solche variierenden Gene werden als Allele bezeichnet. Die molekularen Unterschiede können durch spontane oder induzierte, als Mutationen bezeichnete Veränderungen der Nucleotide oder durch Vorgänge der Rekombination zustande kommen. Diese Mechanismen werden auch zur Erklärung des Artenwandels und der daraus resultierenden Evolution herangezogen.
Im Zuge der Erkenntnisse der molekularen Grundlagen der Merkmalsausbildung und der Vererbung wurde eine lange gültige, molekularbiologisch ausgerichtete Definition für das Gen postuliert:
Gene sind durch die Nucleotidabfolge definierte, aufeinanderfolgende Abschnitte auf der DNA eines Organismus, die jeweils die Informationen für die Synthese eines bestimmten Peptids bzw. Proteins enthalten.
Dabei ist die DNA alleiniger Träger der vererbbaren Information; die Gesamtheit der DNA, die auf Tochterzellen bzw. die Nachkommen eines Organismus übertragen wird, bezeichnet man als Genom eines Organismus. Dieser Sachverhalt impliziert auch, dass nur die Substanzklasse der durch die DNA codierten Proteine, als vererbbare Merkmale in Frage kommt. Alle anderen Verbindungen (etwa Kohlenhydrate, Lipide, Vitamine u.a.) werden zwar in geringem Masse im Prozess der Zellteilung oder der Zellfusion auf die Tochtergeneration(en) übertragen, müssen aber in den lebenden Organismen grundsätzlich von aussen, bei Tieren etwa durch Nahrung, bei Pflanzen im Prozess der Photosynthese, entweder direkt oder in Form von Vorstufen zugeführt werden. Erst durch die im Stoffwechsel eines Organismus festgelegten Prozesse von katalytisch aktiven Proteinen (Enzymen) werden die makromolekularen Verbindungen und strukturgebenden Elemente eines Organismus aufgebaut, die letztendlich die nach aussen hin sichtbaren Merkmale konstituieren. Somit werden insb. bei mehrzelligen Organismen mit komplexer Organisation, die Ausprägung der äusserlichen Merkmale meist nicht durch ein einzelnes Gen, sondern durch das Zusammenwirken mehrerer bis vieler Gene bewirkt, was als Polygenie bezeichnet wird. Umgekehrt kann jedoch auch ein einzelnes Gen an der Ausprägung verschiedener Merkmale beteiligt sein, was durch den Begriff Pleiotropie zum Ausdruck gebracht wird. Hinzu treten weitere Phänomene, wie etwa die Synthese alternativer Proteine aus einem einzigen Gen durch sog. "Spleissen" (engl.splicing), die Stärke der Genexpression (z.B. als Folge der Gendosis) oder der Zustand der DNA (Epigenetik). Diese Tatsachen des komplexen Zusammenwirkens der Gene auf makroskopische Prozesse und Merkmale erschweren nicht nur die Behandlung genetisch bedingter Krankheiten beim Menschen, sondern lassen v.a. die im Europa der Kolonialzeit und insb. im 'Dritten Reich' Deutschlands verbreiteten und unheilbringenden "Rassentheorien" nicht nur als fragwürdig, sondern auch schlichtweg als falsch erscheinen. Ebenso fussen viele Ideen der sogenannten Eugenik, also der Verbesserung des menschlichen Erbguts durch künstliche und u.U. gesellschaftlich legitimierte Auslese von Menschen mit wünschenswerten Eigenschaften auf völlig falschen Vorstellungen. Dennoch lässt sich nicht leugnen, dass die fortschreitenden Erkenntnisse der Genetik und die damit verbundenen Möglichkeiten, z.B. aus der Anwendung der Gentechnologie, grundsätzlich einen ambivalenten Charakter aufweisen, der sich aus kommerziellen Interessen, v.a. aber aus der anthropozentrischen Interpretation und Wertung der durch diese Forschung erzielten Ergebnisse ergibt.
Die "Ein Gen, ein Enzym"-Hypothese von Beadle und Tatum musste durch moderne Forschungen zur Genstruktur, Regulation der Genexpression und Epigenetik insofern revidiert bzw. erweitert werden, als das nicht nur Proteine, sondern auch strukturell oder funktional bedeutsame RNA-Moleküle von der DNA codiert werden. Dies betrifft insb. die ribosomalen RNA's (rRNA), die Aminosäuren transportierenden transfer-RNA's (tRNA), sowie andere, z.T. regulativ wirkende RNA (z.B. die U-RNA's der Spliceosomen oder die micRNA's der RNAi). Somit muss die Gen-Definition um die von der DNA codierte RNA erweitert werden und man kann allgemein ein Gen als einen für ein Produkt (Peptid oder RNA) codierenden DNA-Abschnitt innerhalb des Genoms auffassen. Eine solche Definition des Gens bleibt für viele theoretische und praktische Überlegungen jedoch zu abstrakt, da auf biochemischer Ebene einem Gen eine definierte Nucleotidabfolge mit den informationsenthaltenden Anteilen, sowie einem Anfang und Ende, entsprechen muss. Diese Eingrenzung des Gens auf einen definierten Abschnitt der DNA, der mit seiner Abfolge von Codons dem letztendlich synthetisierten Produkt entspricht, wurde durch die Erkenntnis erschwert, dass zur Transkription solcher codierender Abschnitte, die in Eukaryoten durch sog. Exons charakterisiert sind, auch zahlreiche nicht-codierende Abschnitte beitragen, die tlw. unentbehrlich sind. Diese nicht-codierenden Sequenzen sind unterschiedlicher Natur: Sie können, die Stärke und Präzision der Transkription beeinflussende Regulationssignale enthalten (z.B. Promoter, Enhancer, ICR), als zwischengeschaltete (engl. spacer) oder intervenierende Sequenzen (IVS/Intron) codierende Abschnitte voneinander trennen, als transkribierte, aber nicht bzw. nur bedingt translatierte Sequenzen, die codierenden Abschnitt flankieren (engl. leader, trailer) oder die Enden von Chromosomen begrenzen (Telomere). Das Genom des Menschen besteht bspw. nur zu ca. 1-2 % (!) aus codierender DNA und zu 98-99 % aus nicht codierenden Sequenzabschnitten. In den nicht codierenden Sequenzen kommen nicht nur die regulativen Aspekte des Genoms zum Ausdruck, sondern sie weisen vielfach auch auf die evolutionär bedingten Veränderungen hin, die sich durch die verschiedenen genetischen Mechanismen im Laufe der Zeit im Genom eines Organismus ansammeln. So enthalten die Genome insb. eukaryotischer Organismen grosse Teile nicht codierender DNA, die überwiegend aus sich wiederholenden (repetitiven) Sequenzmotiven bestehen und denen bis dato in vielen Fällen keine funktionale Bedeutung zugeordnet werden konnte. Beim Menschen machen die repetitiven Sequenzen ca. 50 % des Genoms aus. Unter den sich wiederholenden Sequenzen finden sich auch Gene, die aus sog. Genduplikationen hervorgegangen sind. Solche mehrfach vorhandenen Gene können funktional sein, typische Vertreter sind bspw. die Gene für die rRNA, oder durch Mutationen im Laufe der Evolution funktionslos geworden sein. Diese funktionslos gewordenen Gene werden auch als Pseudogene bezeichnet. Im menschlichen Genom finden sich ca. 25000 funktionale Gene und ca. 20000 Pseudogene.
All diese Erkenntnisse haben dazu geführt, dass in der Molekularbiologie unterschiedlich weit gefasste Begriffe für die Information tragenden Abschnitte der DNA koexistieren. In mit Methoden der Informationstechnologie aufbereiteten Gendatenbanken ist ein häufig anzutreffender Ansatz, dass Gene als prozessierte ("reife") mRNA einer codierenden Sequenz dargestellt werden. Diese Darstellung reflektiert im wesentlichen eine Transkriptionseinheit und resultiert aus der labortechnischen Reversen Transkription von mRNA zur sog. cDNA, welche durch das molekularbiologische Verfahren der Gen-Klonierung in sog. Gen-Bibliotheken archiviert werden kann. Die Gesamtheit der produzierten mRNA's einer Zelle bzw. eines Gewebes oder gar eines Organismus wird in diesem Zusammenhang als Transkriptom bezeichnet; es liefert Informationen über die in der Zelle exprimierten Gene und die daraus resultierenden Proteine. Bei einer solchen Darstellung bleiben, mit Ausnahme der flankierenden leader und trailer Sequenzen, nicht-codierende Abschnitte eines Gens i.d.R. unberücksichtigt, daher werden die Sequenzen des Transkription in den Gendatenbanken idealerweise durch die zugrundeliegenden genomischen Abschnitte, von der die mRNA's stammen, komplettiert. Daraus ergeben sich aggregierte Daten für ein Gen, die die codierenden und nicht codierenden Sequenzen berücksichtigen, aber häufig keine Informationen über die regulierenden Sequenzen enthalten.
Eine klassische Minimaldefinition für ein Gen stellt das sog. Cistron dar, mit dem exakt diejenigen codierenden Abschnitte der DNA bezeichnet werden, denen in der Zelle ein biologisch aktives Molekül eines Peptids oder einer RNA entspricht. Der Begriff des Cistrons ist insb. bei der Unterscheidung der Genorganisation von Prokaryoten und Eukaryoten hilfreich, da in Eukaryoten meist in einem einzelnen Gen nur ein Peptid bzw. nur eine RNA codiert ist (monocistronische Gene), während in Prokaryoten i.d.R. in einem Gen mehrere Peptide bzw. RNA's codiert und in einer Transkriptionseinheit zusammengefasst sind (polycistronische Gene). Dabei gilt jedoch zu bedenken, dass umgekehrt auch ein einzelnes funktionales, jedoch aus mehreren Untereinheiten aufgebautes Protein über mehrere Gene bzw. mehrere Cistrons in unterschiedlichen Transkriptionseinheiten fragmentiert sein kann.
Als eine weiter gefasste Definition von codierenden Abschnitten kann der Begriff des sog. Regulon angesehen werden, der v.a. für prokaryotische Gene Bedeutung besitzt. Hierunter werden alle DNA-Abschnitte zusammengefasst, die einer gemeinsamen Regulation unterliegen. Ein Regulon enthält daher gewöhnlich mehrere Gene.
Eine vielfach gebräuchliche, molekulare Definition des Gens ist diejenige der Expressionseinheit. Sie umfasst im Prinzip alle DNA-Sequenzen, die an der Expression der in einer Transkriptionseinheit vorliegenden codierenden Sequenz in vivo beteiligt sind. Damit werden sowohl die innerhalb eines Gens liegenden, nicht codierenden Sequenzen, sowie auch die ausserhalb des eigentlich transkribierten DNA-Abschnitts liegenden nicht-codierenden, aber regulativen Elemente eingeschlossen. Eine Darstellung als Expressionseinheit bietet den Vorteil, das die genetische Information im Kontext ihrer Regulation betrachtet wird und damit eine grössere Annäherung an die tatsächlichen Verhältnisse im Genom eines Organismus bietet. Andererseits sind insb. regulative DNA-Abschnitte häufig nur mit erheblichem Aufwand eindeutig zu charakterisieren, so dass ihre exakte Position und Begrenzung häufig unscharf bleibt. Zudem können regulative und codierende Sequenzen innerhalb eines DNA-Moleküls weit voneinander entfernt auftreten oder gar im Genom auf gänzlich unterschiedliche Positionen (z.B. auf verschiedenen Chromosomen) verteilt sein.
Eine andere Definition des Gens unter rein evolutionären Gesichtspunkten wurde von dem engl. Zoologen Richard Dawkins 1972 in seinem Buch 'The selfish gene' vorgeschlagen: Dawkins sieht als Gen diejenigen Abschnitte der DNA eines Chromosoms bzw. eines ganzen Genoms an, die unabhängig von der Funktion im Laufe der Evolution von Generation zu Generation weitervererbt werden, wobei die DNA einerseits durch molekulare Mechanismen und andererseits dadurch dass sie die Merkmale des individuellen Organismus (Phänotyp) bedingt, der evolutionären Selektion unterliegt. Eine solche DNA bzw. ein solches Gen, das nur anhand seines Replikationserfolg gemessen wird, bezeichnet Dawkins als engl. 'selfish', dt. egoistisch. Diese Definition Dawkins bietet den Vorteil, dass die Gene nicht nur als reine, für Proteine codierende Funktionseinheiten betrachtet werden, sondern die ganze DNA des Genoms, einschliesslich der nicht codierenden und nicht funktionalen Anteile, als Ergebnis eines evolutionären Prozesses angesehen werden können. Diese Theorie der 'egoistischen Gene' bzw. der 'egoistischen DNA' wird jedoch z.T. kontrovers diskutiert und kann z.Zt. noch nicht als allgemeingütig anerkannt gelten.
Anhand der unterschiedlichen Definitionen des Genbegriffs wird deutlich, dass der Genbegriff sich wissenschaftstheoretisch in einem bis heute anhaltenden Wandel befindet, der durch die wachsenden Erkenntnisse der Molekularbiologie, der Evolutionsforschung und anderen Disziplinen einer ständigen Modifikation unterliegt.
Links und Literatur:
Mendel, G. (1865) 'Versuche über Pflanzenhybriden.', Verh. Naturf. Ver., Brünn, 4, 3-47, HTML Text, ZUM - Zentrale für Unterrichtsmedien im Internet e.V.
Miescher, J.F. (1871) 'Ueber die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen.', Hoppe-Seyler (ed) Medicinsch-chemische Untersuchungen, Heft 4, 441-460
Correns, C. (1900) 'G. Mendels Regel über das Verhalten der Nachkommenschaft der Rassenbastarde.', Ber. Dtsch. Bot. Ges., 18(4), 158-168, DOI: 10.1111/j.1438-8677.1900.tb04893.x
Tschermak, E. (1900) 'Über künstliche Kreuzung bei Pisum sativum.', Ber. Dtsch. Bot. Ges., 18(6), 232-239, DOI: 10.1111/j.1438-8677.1900.tb04903.x
De Vries, H. (1900) 'Das Spaltungsgesetz der Bastarde.', Vorl. Mitt. Ber. Dtsch. Bot. Ges., 18(3), 83-90, DOI: DOI: 10.1111/j.1438-8677.1900.tb04884.x
Sutton, W.S. (1903) 'The chromosomes in heredity.', Biol. Bull., 4(5), 231-248, Download PDF Adobe PDF, The Biological Bulletin
Boveri, Th. (1904) 'Ergebnisse über die Konstitution der chromatischen Substanz des Zellkerns.', Fischer, Jena, Download PDF Adobe PDF, Internet Archive
Johannsen, W. (1909) 'Elemente der exakten Erblichkeitslehre.', Gustav Fischer Verlag, Jena, Download PDF Adobe PDF, Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung, Köln, Deutschland
Beadle, G.W., Tatum, E.L. (1941) 'Genetic control in Neurospora.', Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 27(11), 499–506., PMC article 1078370, US National Library of Medicine, National Institutes of Health
Tatum, E.L., Beadle, G.W. (1942) 'Genetic control of biochemical reactions in Neurospora: An aminobenzoicless mutant.', Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 28(6), 234-243., PMC article PMC1078456, US National Library of Medicine, National Institutes of Health
Avery, O.T., MacLeod, C.M., McCarty, M. (1944) 'Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus Type III.', J. Exp. Med., 79(2), 137-158, DOI: 10.1084/jem.79.2.137
Chargaff, E. (1950) 'Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation.', Experientia, 6(6), 201-209, DOI: 10.1007/BF02173653
Watson, D., Crick, F.H. (1953) 'Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.', Nature, 171, 964-967, DOI: 10.1038/171964b0
Gamow, G (1954) 'Possible relation between deoxyribonucleic acid and protein structures.', Nature, 173, 318, DOI: 10.1038/173318a0
Meselson, M., Stahl, F.W. (1958) 'The replication of DNA in Escherichia coli.', Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 44(7), 671–682., PMC article 528642, US National Library of Medicine, National Institutes of Health
Nirenberg, M., Matthaei, J.H. (1961) 'The dependence of cellfree protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides.', Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 47(10), 1588-1602, PMC article 223178, US National Library of Medicine, National Institutes of Health
Leder, Ph., Nirenberg, M. (1964) 'RNA codewords and protein synthesis III: On the nucleotide sequence of a cysteine and a leucine RNA codeword.', Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 52(6), 1521-1529, PMC article 300480, US National Library of Medicine, National Institutes of Health
Codon
- Im urspünglichen Sinne eine Abfolge von drei Nucleotiden auf einer mRNA, die eine Aminosäure codieren. Da die Nucleotide der Nukleinsäuren biochemisch durch ihre basischen Gruppen (kurz "Basen") charakterisiert werden, werden die Codons auch als Basentripletts bezeichnet. Die Codons bilden damit die grundlegenden Informationseinheiten des sog. genetischen Codes, bei dem ein Basentriplett eines Codons als Codewort und die Basen der Nucleotide als Buchstaben dieser Codeworte aufgefasst werden können. Diese Codierung kommt dadurch zustande, dass im Zuge des Translationsvorgangs an den Ribosomen eine "Übersetzung" der Nucleotid-Sequenz der mRNA in ein Protein erfolgt, wobei die Abfolge von Codons die Aminosäuresequenz und damit die Struktur des Proteins bestimmt. Die Übersetzung eines Codons der mRNA am Ribosom erfolgt im Zusammenspiel mit einer komplementären Sequenz von drei Nucleotiden auf einer tRNA, die als sog. Anticodon bezeichnet werden. Die Codierung der Aminosäuresequenz der Proteine in Codons der mRNA ist, abgesehen von einigen Ausnahmen, im Bereich der Lebewesen universell, d.h. dieselbe Abfolge von Nucleotiden in einem Basentriplett entspricht jeweils immer derselben Aminosäure. So codiert bspw. die Abfolge der Basen Uracil, Cytosin und Guanin (kurz UCG) in nahezu allen Organismen für die Aminosäure Serin. Unter informationstheoretischen Gesichtpunkten weist der genetische Code neben der Universalität weitere Eigenschaften, wie v.a. Renundanz und Direktionalität, auf. Eine Direktionalität des genetischen Codes kommt dadurch zustande, dass die Nukleinsäuren der mRNA im Ribosom in einer bestimmten Richtung abgelesen werden und zwar vom sog. 5'-Ende des Nukleinsäure-Moleküls zum sog. 3'-Ende hin. Entsprechend können die Basentripletts der Codons auch nur in dieser Leserichtung translatiert werden, so dass bei der Schreibweise der Codons von links nach rechts auch eine 5'-3'-Richtung ausgedrückt wird, also bspw. 5'-UCG-3' für eines der Codons von Serin. Die auch als Degeneration bezeichnete Renundanz der Codons ergibt sich aus dem Umstand, dass sich die 4 im Organismenreich vorkommenden Basen der Nukleinsäuren in den 3 Positionen der Basentripletts zu 43, also 64, möglichen Codons kombinieren lassen, aber i.d.R. lediglich 20 Aminosäuren in den Proteinen auftreten, so dass alle Aminosäuren mit Ausnahme von Methionin (Met) und Tryptophan (Trp) von mehr als einem Codon codiert werden. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen Codons einer Aminosäure häufig nur in der Base an der dritten und letzten Position des Codons. 3 der 64 möglichen Codons werden engl. als amber, ochre und opal bezeichnet. Sie weisen eine rein regulative Funktion auf und vermitteln ein Stop-Signal für den Translationsvorgang, während mittels der verbleibenden 61 Codons die 20 Aminosäuren codiert werden. Dem Codon 5'-AUG-3' kommt eine Doppelfunktion zu, da es neben der Codierung für die Aminosäure Methionin zugleich am Ribosom als Start-Signal (Startcodon) für den Translationsvorgang dient. Durch die Signalcodons und insb. durch das Startcodon wird der genetische Code einer mRNA abhängig von jeweiligen Kontext, so dass die Abfolge von Nucleotiden in einer mRNA ein sog. offenes Leseraster (engl. open reading frame, abgk. ORF) bildet, aus dessen Translation ein funktionales Protein entstehen kann. Verschiebt sich ein solches Leseraster bspw. um eine Position, kann u.U. auch daraus ein Peptid gebildet werden, das aber dann im Organismus keine sinnvolle Funktion erfüllt, also dysfunktional ist. Solche Leserasterverschiebungen werden auch als Leserastermutation (engl. frameshift mutation) bezeichnet. Die Suche nach ORF's steht häufig im Vordergrund bei der Untersuchung genomischer DNA, da solche durch Signalcodons begrenzte Sequenzabschnitte i.d.R. funktionale Gene kennzeichnen. Hier wird der Begriff des Codons auf die DNA ausgedehnt, allerdings handelt es bei der Sequenz des Matrizenstranges von dem die mRNA transkribiert wird, um eine zu den Codons der mRNA komplementäre Sequenz.
Anticodon
- eine dem Codon entsprechende, komplementäre Sequenz, die als spez. Abschnitt in tRNA's auftritt und so die Zuordnung einer Aminosäure zum Codon einer mRNA im Ribosom vermittelt.
Cistron
- Codierende DNA-Sequenz eines einzelnen Polypeptids oder einer einzelnen RNA innerhalb eines Genoms. Die Bezeichnung Cistron geht auf Arbeiten von S. Benzer im Jahre 1957 zurück und folgte ursprünglich aus der Beobachtung, dass bei Vorliegen von zwei Kopien eines codierenden Abschnitts (z.B. auf den zwei zueinander homologen Chromosomen eines diploiden Organismen) und Schädigung (z.B. durch Mutationen) auf unterschiedlichen Teilen beider Kopien, diese Beeinträchtigungen durch den entsprechenden, ungeschädigten Teil der jeweils anderen Kopie kompensiert werden kann, was im Prinzip dem Mechanismus einer Komplementation entspricht. Im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Komplementation, die eigentlich das Verhalten homologer Gene beschreibt, findet die gegenseitige Kompensation jedoch auch dann statt, wenn beide Kopien so geschädigt sind, dass sie einzeln kein intaktes Genprodukt hervorbringen. Vorraussetzung dafür ist jedoch, dass sich die Mutationen in unterschiedlichen, sich nicht entsprechenden Teilen der beiden codierenden Einheiten befinden. Ursprünglich wurde ein solches Experiment mit dem Bakterium Escherichia coli durchgeführt, das mit zwei verschiedenen Typen des Bacteriophagen T4 infiziert wurde. Dabei wird die jeweils betrachtete Genregion des einen Phagen als cis- und die des anderen Typs als trans-Element bezeichnet, so dass man auch von einem sog. cis/trans-Test spricht. Genetische Elemente, deren Schädigung in cis durch unbeschädigte trans-Elemente kompensiert werden konnten, nannte Benzer Cistron. Nach moderner Interpretation versteht man daher unter einem Cistron einen in sich abgeschlossenen, für ein einzelnes Genprodukt codierenden DNA-Abschnitt, der eine eigene, einzelne Transkriptionseinheit bilden kann oder zu mehreren in einer Transkriptionseinheit zusammengefasst sein kann. Bildet ein einzelnes Cistron eine eigene Transkriptionseinheit, spricht man auch von monocistronischen Genen. Eine derartige monocistronische Genorganisation liegt bei der überwiegenden Zahl der eukaryotischen Gene vor, die für Polypeptide codieren, während polycistronische Gene, bei denen aus einem einzigen RNA-Transkript mehrere Polypeptide bzw. Proteine oder RNA's gebildet werden, insb. für Prokaryoten und die Gene der ribosomalen RNA (rRNA) in Eukaryoten charakteristisch sind. Entsprechend dieser Auffassung kann man das Cistron als die minimale Definition eines Gens verstehen, da es die elementare, codierende Einheit für ein Genprodukt darstellt.
Literatur:
Benzer, S. (1957) 'The elementary units of heredity.', Symposium on the chemical basis of heredity, 70-93
Benzer, S. (1962) 'The fine structure of the gene.', Sci. Amer., 1, 70-84
polycistronisch
- überwiegende Organisationsform prokaryontischer Gene und eukaryotischer rRNA-Gene, bei der eine Transkriptionseinheit aus mehreren Cistrons (d.h. aus mehreren, jeweils für ein Peptid oder eine RNA codierenden DNA-Abschnitten) besteht. Die einzelnen codierenden Einheiten eines solchen polycistronischen Gens sind meist durch sog. engl. spacer (d.h. nichtcodierende DNA-Sequenzen) voneinander getrennt.
monocistronisch
- überwiegende Organisationform der für Polypeptide codierenden Gene der Eukaryonten (meist sog. Klasse II Gene), bei denen eine Transkriptionseinheit aus einem einzigen Cistron (d.h. aus einem für ein einzelnes Peptid oder eine RNA codierenden DNA-Abschnitt) besteht.
Klasse I Gene
- Gruppe von eukaryotischen Genen, die dadurch charakterisiert sind, dass sie im Vorgang der Transkription von der RNA-Polymerase I (abgk. RNApol I, RNAP I oder auch Pol I) transkribiert werden. Klasse I Gene codieren überwiegend für die ribosomalen RNA's (abgk. rRNA), weisen selten Introns auf und sind polycistronisch organisiert, d.h. dass mehrere rRNA-Gene in einer Transkriptionseinheit liegen und gemeinsam, unter Bildung einer einzigen pre-rRNA transkribiert werden. Aufgrund dieser gemeinsamen Transkription muss das pre-rRNA Transkript weiter prozessiert werden, so dass einzelne funktionale rRNA-Moleküle aus dem Vorläufer entstehen. Dieses RNA-Processing erfolgt endonucleolytisch und wird auch als engl. RNA trimming bezeichnet. Ein weiteres Charakteristikum der Klasse I Gene ist, dass sie in einer speziellen, als Nucleolus bezeichneten Region des Nucleus transkribiert und prozessiert werden. Auch der Zusammenbau (Assemblierung) von ribosomalen Proteinen und den rRNA's zu funktionalen Ribosomeneinheiten erfolgt im Nucleolus.
Klasse II Gene
- Gruppe von eukaryotischen Genen, die dadurch charakterisiert sind, dass sie im Vorgang der Transkription von der RNA-Polymerase II (abgk. RNApol II, RNAP II oder auch Pol II) transkribiert werden. Dieser Typus von Genen enthält sehr häufig Introns, die in Bezug auf die Anzahl von Basenpaarungen einen beträchtlichen Anteil eines Klasse II Gens ausmachen können. Klasse II Gene stellen die typischen, meist monocistronisch organisierten und überwiegend für Polypeptide bzw. Proteine codierenden Gene der Eukaryoten dar und werden daher i.d.R. von der Pol II in pre-mRNA übersetzt. Allerdings finden sich auch zahlreiche Gene für RNA unter den Klasse II Genen, insb. diejenigen der snRNA, zu denen die U-RNA der Spliceosomen und die snoRNA gehören.
Klasse III Gene
- Gruppe von eukaryotischen Genen, die dadurch charakterisiert sind, dass sie im Vorgang der Transkription von der RNA-Polymerase III (abgk. RNApol III, RNAP III oder auch Pol III) transkribiert werden. Klasse III Gene sind häufig polycistronisch, enthalten selten Introns und codieren überwiegend für RNA. So zählen v.a. die Gene der tRNA, das Gen der 5S-rRNA, das Gen für die 7SL-RNA des SRP, das Gen der spliceosomalen U6-RNA und das Gen der 7SK-RNA zu den Klasse III Genen. Eine Besonderheit vieler Klasse III Gene stellt ihre Regulation dar: So fehlt meist die typische TATA-Box des Promoter-Elements, stattdessen besizten die Gene ein Regulationselement, das am Anfang des Genes innerhalb der codierenden Sequenz liegt und als engl. internal control region, abgk. ICR, bezeichnet wird. Von diesen ICR sind v.a. drei Sequenzmotive charakterisiert, die als A-, B- und C-Box bekannt sind. Solche ICR sind insb. in den Genen der tRNA (A- u. B-Box), der 7SL-RNA (A- u. B-Box) und der 5S-rRNA (A- u. C-Box) vorhanden, während die Gene der U6-RNA und der 7SK-RNA keine ICR aufweisen und durch Elemente reguliert werden, die in 5'-Richtung (upstream) ausserhalb der Transkriptionseinheit liegen. Ferner treten in den Klasse III Genen Introns wesentlich seltener auf.
Replicon
- Replikationseinheit
Operon
- Bezeichnung für eine genetische Einheit, bei der mehrere Gene durch einen gemeinsamen Faktor, dem sog. Operator, reguliert werden. Ein Operon stellt einen Mechanismus der Genregulation dar, der charakteristischerweise bei Prokaryoten anzutreffen ist.
Regulon
- Bezeichnung für eine genetische Regulationseinheit, die v.a. für Prokaryoten charakteristisch ist. In einem Regulon werden gemäss dem Operon-Modell mehrere Gene von einem Operator reguliert und bilden so eine funktionale Einheit. Ein klassisches Beispiel ist das sog. SOS-Regulon bei dem Bakterium Escherichia coli. Hier wird durch DNA-Schädigungen die Protease-Aktivität des RecA-Protein aktiviert, das nun i.d.L. ist spezifisch das Protein LexA zu spalten. LexA ist ein Gen-Repressor, der an den Operatorregionen verschiedener Gene deren Genexpression unterdrückt. Zu den durch LexA reprimierten Genen zählen u.a. das recA Gen und verschiedene für die DNA-Reparatur verantwortliche Gene. Durch die Spaltung von LexA wird die Repression aufgehoben und die Gene des Regulons werden transkribiert, so dass deren Produkte die DNA-Reparatur in Gang setzen. Ist diese erfolgreich, nehmen die RecA stimulierenden Faktoren ab und LexA reprimiert wieder zunehmend die Gene des Regulons.
Stimulon
- Ein Gen oder eine Gruppe von Genen, die durch äussere Faktoren, wie z.B. Temperatur, pH-Wert, chemische Signale u.ä reguliert ("stimuliert") werden.
cds
- Abk. für engl. coding sequence, zu dt. codierende Sequenz. Dabei bezeichnet die codierende Sequenz bzw. Region eines Gens diejenigen Abschnitte der DNA, die in eine Aminosäuresequenz translatiert oder in eine funktionale RNA transkribiert wird, also jenen Bereich, der aus den Exons eines Gens gebildet wird. Die Abk. cds findet sich häufig in Gendatenbanken, um die Exons und Introns enthaltende, genomische Sequenz eines Gens von der tatsächlich translatierten Sequenz zu unterscheiden.
ORF
- Akronym für engl. Open Reading Frame
Spacer
- Im Kontext der Genetik bzw. Molekularbiologie bezeichnet engl. spacer, dt. Platzhalter, allg. eine Zwischensequenz in der Struktur prokaryotischer und eukaryotischer Gene, d.h. ein i.d.R. nicht für ein Polypeptid oder eine RNA codierender DNA-Abschnitt eines Genoms, der zwischen Genen oder flankierend am 5'- oder 3'-Rand von Genen liegt. Im Gegensatz zu Introns unterbrechen spacer die codierenden Sequenzen also nicht, sondern trennen oder begrenzen diese. Man kann Spacer-Sequenzen unterscheiden, die im Zuge der Transkription in RNA übersetzt werden (engl. transcribed spacer) und solche die nicht transkribiert werden (engl. non-transcribed spacer). Spacer sind insb. charakteristisch für die Gene der ribosomalen RNA (rRNA), sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten. In den Prokaryoten trennen spacer insb. die Gene der rRNA und der tRNA und werden mit transkribiert, jedoch nach der Transkription aus den RNA-Transkripten im Zuge des sog. engl. RNA processing entfernt.
Bei den Eukaryoten werden die rRNA-Gene von der RNA-Polymerase I (abgk. RNApol I oder auch Pol I) transkribiert und zählen daher zu den sog. Klasse I Genen. Bei der eukaryotischen rDNA unterscheidet man engl. internal transcribed spacer (abgk. ITS), engl. external transcribed spacer (abgk. ETS) und engl. intergenic spacer (abgk. IGS). ITS werden von nicht-codierenden, aber transkribierten spacer-Regionen gebildet, die zwischen den einzelnen Genen der 18S-, 5,8S- und 28S-rRNA, innerhalb eines polycistronischen rDNA-Abschnitts liegen. ETS sind transkribierte Zwischensequenzen, die flankierend am 5'- und 3-Ende einen rDNA-Abschnitt begrenzen, während die IGS zwischen den einzelnen Wiederholungseinheiten der rRNA-Gene liegen und zumindest tlw. transkribiert werden. Die ITS und ETS werden nach erfolgter Transkription eines rRNA-Gens nucleolytisch, d.h. mit Hilfe von Nucleasen, im Nucleolus aus der pre-rRNA entfernt, so dass die einzelnen, reifen rRNA's entstehen. Die die einzelnen rRNA-Gene trennenden IGS enthalten wichtige Regulationssequenzen, welche für die Initiation (Promoter, UCE), die Termination, sowie für die Präzision und relative Stärke der Transkription der rRNA-Gene verantwortlich und unentbehrlich sind. Schematisch lässt sich die Genstruktur einer typischen, eukaryotischen rDNA so darstellen:
5'...- IGS - ETS - 18S RNA - ITS - 5,8S RNA - ITS - 28S RNA - ETS - IGS - ETS - 18S RNA - ITS -...3'
In Saccharomyces (Hefe) ist im Komplementärstrang der IGS zusätzlich ein Gen für die 5S-rRNA eingebettet, das von der RNA-Polymerase III (abgk. RNApol III oder auch Pol III) transkribiert wird und daher zu den Klasse III Genen zählt. Tlw. überlappen die Regulationselemente der IGS das 3'-Ende der intergenischen Region und das 5'-Ende der ETS, werden also von Sequenzabschnitten aus beiden spacer-Regionen gebildet. Die Transkription der rRNA-Gene beginnt am 5'-Ende (3'-Ende des Matrizenstrangs) der ETS und diese spacer sind transkribierter Bestandteil der ganzen pre-rRNA. Transkription in den IGS kommt dadurch zustande, dass in diesen Bereichen charakteristische Promoter-Motive der rRNA-Gene wiederholt vorliegen. Man geht davon aus, dass diese Promoter-Elemente verstärkend auf die Transkriptionsaktivität der engl. downstream (d.h. in 3'-Richtung auf dem Sinnstrang) liegenden rRNA-Gene wirken. An ihnen können Initiationskomplexe der RNA-Polymerase I binden und sehr kurze RNA-Transkripte synthetisieren, denen jedoch keine Funktion zugeschrieben wird. Ferner liegen die Terminationselemente eines rRNA-Gens nicht direkt am Ende der 28S-RNA, sondern innerhalb der sich daran anschliessenden IGS, so dass bis auf Höhe der Terminationssignale ein Teil der intergenischen Region mittranskribiert wird, welche später nucleolytisch entfernt wird. Da man diese sehr kurzen RNA's der transkribierten IGS zunächst nicht nachweisen konnte, nahm man an, dass diese Bereiche auch nicht transkribiert werden und bezeichnete diese daher als engl. non-transcribed spacer (abgk. NTS). Zumindest in Bezug auf die am besten untersuchten Klasse I-Gene aus den Organismen Saccharomyces (Hefe), Drosophila (Fruchtfliege), Xenopus (Krallenfrosch) und Homo sapiens (Mensch) muss der Begriff der non-transcribed spacer als veraltet angesehen werden; er findet sich jedoch noch häufig in älterer und auch jüngerer Literatur.
ITS
- Akronym für engl. Internal Transcribed Spacer, einer transkribierten DNA-Sequenz, die die Cistrons (d.h. die codierenden Abschnitte) innerhalb eines polycistronischen Gens voneinander trennt. ITS sind bspw. charakteristisch für die rRNA-Gene der polycistronischen rDNA von Eukaryoten (Klasse I Gene). Obwohl diese engl. spacer Sequenzen nicht für Genprodukte codieren, werden sie im Zuge der Transkription von der RNA-Polymerase I (abgk. RNApol I oder auch Pol I) mit mit in die pre-rRNA übersetzt und erst später durch nucleolytische Prozesse im Nucleolus von den Transkripten abgetrennt, so dass reife funktionale rRNA's entstehen. Weitere typische spacer bei dieser Gruppe von Genen bilden die sog. ETS, die flankierend die 5'- und 3'-Enden der rDNA Einheiten begrenzen, sowie die sog. IGS, die die einzelnen Wiederholungseinheiten der rDNA voneinander trennen.
ETS
- Akronym für engl. External Transcribed Spacer, einer transkribierten DNA-Sequenz, die die flankierend die 5'- und 3'-Enden eines i.d.R. polycistronischen Gens begrenzt. ETS sind typisch für die polycistronischen rRNA-Gene von Eukaryoten (Klasse I Gene). Obwohl diese engl. spacer nicht für ein Genprodukt codieren, wird sie dennoch im Zuge des Transkriptionsvorgangs durch die RNA-Polymerase I (abgk. RNApol I oder auch Pol I) mit in die pre-rRNA übersetzt und später durch nucleolytische Prozesse im Nucleolus von den Transkripten abgetrennt, so dass reife funktionale rRNA's entstehen. Eine weitere charakteristische spacer-Sequenz bei diesen Genen bilden die sog. ITS, die die einzelnen rRNA's einer rDNA Einheit voneinander trennen, sowie die sog. IGS, welche die einzelnen Wiederholungseinheiten der rDNA voneinander trennen. Den ETS bei den rRNA-Genen kommt zudem eine wichtige Bedeutung zu, da zum einen am 5'-Ende der ETS (bzw. 3' am Matrizenstrang) die Transkription beginnt und sich in diesem Abschnitt meist auch Teile der Promoter-Sequenz für die gesamte Transkriptionseinheit der rDNA liegen.
IGS
- Abkürzung für engl. intergenic spacer, nicht-codierende Sequenzabschnitte genomischer DNA, die zwischen Genen, also codierenden Abschnitten liegen. Im Gegensatz zu anderen engl. spacer Sequenzen, wie etwa den ETS oder ITS, liegen die IGS ausserhalb von Genen und werden daher auch nicht transkribiert. Obwohl die IGS keine genetische Information enthalten, die in Proteine oder RNA translatiert wird, können sie Replikations- oder Regulationssignale, wie z.B. engl. enhancer, aufweisen oder strukturelle Informationen beinhalten, die bspw. bei der Bildung von DNA-Überstrukturen eine Rolle spielt.
NTS, nts
- Akronym für engl. Non Transcribed Spacer, den nicht-codierenden und nicht transkribierten DNA-Sequenzen, die zwischen den codierenden Abschnitten von sich wiederholenden, i.d.R. polycistronischen Genen liegen. Der Begriff wurde ursprünglich insb. für die zwischen den eukaryotischen rRNA-Genen liegenden DNA-Abschnitte verwendet, eingehendere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass diese Regionen zumindest tlw. transkribiert werden, so dass sie daher treffender als engl. intergenic spacer (abgk. IGS) bezeichnet werden.
In Kleinschreibung steht 'nts' oder auch nur 'nt' als Abkürzung für engl. nucleotides, dt. Nucleotide und wird häufig verwendet, um die Anzahl der Nucleotide in einzelsträngigen Nukleinsäuren (DNA, RNA) anzugeben. Im Gegensatz dazu ist es bei doppelsträngigen Nukleinsäuren üblich, die Anzahl der Basenpaarungen mit der Abk. bp für engl. base pairs anzugeben.
UTR
- Abk. für engl. untranslated region, dt. untranslatierte Sequenz. Damit werden die beidseits der codierenden Regionen liegenden Sequenzen von engl. messenger RNA (mRNA) bezeichnet, deren Nucleotidabfolge im Zuge der Translation nicht in Aminosäuren bzw. ein Peptid übersetzt wird. Dabei muss zwischen der 5'-UTR, die am Beginn der mRNA vor der codierenden Sequenz liegt und der 3'-UTR, die sich hinter dem codierenden Abschnitt, aber noch vor dem polyadenylierten Ende der mRNA befindet, unterschieden werden. Die 5'-UTR wird auch als engl. leader sequence und die 3'-UTR als engl. trailer sequence bezeichnet. Obwohl diese Regionen i.d.R. nicht translatiert werden, können sie doch wichtige Regulationssignale enthalten, die modulierend auf den Ablauf der Translation einwirken.
leader sequence
- Die engl. leader sequence ist eine andere Bezeichnung für die 5'-UTR von mRNA. Sie umfasst die i.d.R. nicht codierende und nicht translatierte Nucleotid-Sequenz, die am 5'-G-cap beginnt und bis zum Initiations-Codon (i.d.R. das Codon AUG) des translatierten Genprodukts reicht. In Prokaryoten umfasst die leader sequence ca. 10-20 nts und besteht aus der zur Bindung an das Ribosom benötigten engl. ribosome binding site, abgk. RBS, in der auch das sog. Shine-Dalgarno-Sequenzmotiv enthalten ist. Im Gegensatz dazu kann die 5'-UTR von Eukaryoten 100 bis einige Tausend Nucleotide umfassen. In der eukaryotischen leader Sequenz sind zudem häufig Regulationsignale enthalten, die modulierend auf den Ablauf der Translation des nachfolgenden, codierenden Anteils der mRNA einwirken.
trailer sequence
- Die engl. trailer sequence ist eine andere Bezeichnung für die 3'-UTR von mRNA. Sie umfasst die i.d.R. nicht codierende und nicht translatierte Nucleotid-Sequenz, die nach der codierenden Sequenz am Terminations-Codon der mRNA beginnt und sich bis zum polyadenylierten 3'-Ende der mRNA erstreckt. In Eukaryoten variiert die Länge dieses Abschnitts zwischen 60 und ca. 4000 nts. Obwohl die Nucleotidfolge der 3'-UTR nicht translatiert wird, so kann diese doch wichtige Regulationssignale für die Translation der mRNA enthalten. Dabei wirken sich sowohl die Länge des trailers, der GC-Gehalt und das Vorhandensein oder Fehlen verschiedener Sequenzmotive aus. Einige dieser Sequenzmotive bedingen eine Faltung der 3'-UTR in charakteristische engl. stem-loop oder engl. hairpin Strukturen.
Exon
- Kodierende Sequenzabschnitte eines Gens, die durch den Prozess des Spleissens (engl. splicing) an der prä-mRNA, bei dem nichtkodierende Abschnitte, die Introns, entfernt werden, zu einem translatierbaren Transkript zusammengefügt werden.
EJC
- Abk. für engl. exon junction complex, einem makromolekularen Protein-Komplex, der beim Vorgang des engl. splicing, an den 3'- bzw. 5'-Enden der zu verbindenen Exon-Abschnitte eine rmRNA ausgebildet wird.
Intron
- Nichtkodierende, auch als IVS bezeichnete Sequenzabschnitte eines Gens, die durch den Prozess des Spleissens (engl. splicing) aus der prä-mRNA entfernt werden.
IVS
- Abk. für engl. intervening sequence, dt. intervenierende o. zwischengeschaltete Sequenz. Bezeichnung für einen nicht codierenden DNA- oder RNA-Abschnitt innerhalb einer codierenden Sequenz (d.h. innerhalb eines Cistrons), welcher die codierenden Abschnitte voneinander trennt. In funktionalen eukaryotischen Genen entspricht die IVS einem Intron, entsprechend werden die Begriffe IVS und Intron häufig synonym verwendet.
DR
- Akronym für engl. Direct Repeat, eine DNA-Sequenz, die aus Abfolgen sich wiederholender Nucleotide besteht. Im Gegensatz zu den engl. inverted repeats (abgk. IR) besteht die Wiederholungssequenz dabei aus linear aufeinander abfolgenden Nucleotiden, bei der die Polarität der Basenabfolge erhalten bleibt. Folgen die sich wiederholdenden Sequenzabschnitte der direct repeats unmittelbar aufeinander werden sie auch als engl. tandem repeats bzw. engl. direct tandem repeats bezeichnet, wie z.B. 5'...ATGATGATG...3'. Zwischen den Wiederholungssequenzen können jedoch auch Abschnitte nicht-repetitiver DNA liegen, wie z.B. 5'...ATGATG...CATTGC...ATGATG...3' Direct repeats finden sich vielfach in den Genomen von Prokaryoten und Eukaryoten; sie können bspw. bei der Insertion von transponierbaren Elementen (TE, Transposons) entstehen, da hier vor der Insertion des transponierenden Elements der DNA-Doppelstrang versetzt geschnitten wird und dadurch überhängende Einzelstrangabschnitte entstehen, die nach erfolgter Insertion komplementär ergänzt werden, was auch als Zielstellenverdoppelung bezeichnet wird. Dadurch erfolgt eine Duplikation dieser Einzelstrangsequenzen, so dass zwischen den sich wiederholenden Sequenzen zunächst andere, nicht-repetitive Sequenz-Abschnitte des TE liegen, z.B. 5'...ATGC...CCGATC...ATGC...3'. Somit sind DR Sequenzen insb. charakteristisch für transponierbare Elemente, da sie die begrenzenden IR-Sequenzen des Transposons flankieren, was sich schematisch so darstellen lässt: DR-IR-TE-IR-DR. Wird das Transposons im Laufe der genomischen Entwicklung wieder entfernt, werden die flankierenden DR-Abschnitte wieder zusammengeführt und bilden dann häufig ein tandem repeat aus, der auf die ehemalige Insertion eines Transposons hinweist.
tandem repeat
- engl. Bezeichnung für direkt aufeinanderfolgende Wiederholungen von Nucleotiden innerhalb einer DNA-Sequenz. Tandem repeats stellen also eine Sonderform von engl. direct repeats (abgk. DR) dar, bei der die sich wiederholenden Sequenzmotive direkt aufeinander abfolgen und nicht von anderen Sequenzen unterbrochen werden, wie z.B. in z.B. 5'...ATGATGATG...3'.
IR
- Akronym für engl. Iverted Repeat, dt. invertierte Wiederholungssequenzen. Inverted repeats bestehen aus sich wiederholenden DNA- oder RNA-Sequenzen, bei denen die gegenüber einer Ausgangssequenz sich wiederholende Sequenz in ihrer Polarität umgekehrt und komplementär ist, wie z.B. 5'...ATG...CAT...3'. Folgen die IR-Sequenzen unmittelbar aufeinander, wie z.B. 5'...ATGCAT...3', werden sie als palindromische Sequenzen oder kurz als Palindrome bezeichnet. Diese Sequenzmotive müssen von sog. symmetrischen Sequenzen, die auch als "echte Palindrome" bezeichnet werden, unterschieden werden, da bei diesen die Abfolge von Nucleotiden unabhängig von der Leserichtung (5'->3' oder 3'->5') gleich bleibt, also z.B. 5'...ATGCCA ACCGTA...3'. Stimmen IR-Sequenzen in ihrer Komplementarität an jedem Nucleotid überein, spricht man von perfekten IR's, weichen einige Nucleotide von der strikten Komplementarität ab, werden die Wiederholungssequenzen als imperfekte IR's bezeichnet.
IR-Sequenzen sind insb. charakteristisch für transponierbare genetische Elemente (abk. TE), die sie an ihren 5'- und 3'-Enden begrenzen und als Erkennungssequenz für das Enzym Transposase dienen. Solche flankierenden oder begrenzenden IR-Sequenzen werden insb. bei frei vorliegender DNA, wie im Falle einiger Viren-Genome, auch als engl. inverted terminal repeats, abgk. ITR bezeichnet; sie finden sich bspw. an den Enden der Genome von Vaccinia-, Variola-, Asfar-, oder Parvoviren.
Palindromische Sequenzen treten bspw. häufig am sog. res-Locus der Klasse II Transposons von Prokaryoten auf. Ferner sind IR's auch typisch für den Ursprungsort der Replikation (engl. origin of replication, abgk. ori) und finden sich in Replicons nahezu aller Organismengruppen, einschliesslich der Viren.
IR's besitzen in einzelsträngigen DNA- oder RNA-Sequenzen insofern eine besondere Bedeutung, als die komplementären Sequenzabschnitte sich zu Doppelstrangabschnitten verbinden können und so spezielle Strukturen, wie etwa Haarnadeln (engl. hairpins) oder Schleife-Stamm Strukturen (engl. loop-stem structures) ausbilden können. Solchen Strukturen kommt bspw. in sog. engl. riboswitches der mRNA oder in Ribozymen, wie z.B. die sog. engl. pseudoknot der Telomerase, funktionale Bedeutung zu. In doppelsträngiger, genomischer DNA führt ein hoher Anteil von IR's zu Instabilitäten, da die IR's die Bildung ungewöhnlicher DNA-Strukturen (z.B. cruciforme Extrusionen/engl. four stem junctions) begünstigen. Strukturelle Veränderungen dieser Art können die Mechanismen von Replikation und Transkription beeinträchtigen und so zu Mutationen, Insertionen oder Deletionen führen.
ITR
- Akronym für engl. Inverted Terminal Repeats oder auch Internal Terminal Repeats, eine Bezeichnung für die charakteristischen IR-Sequenzen, die an den 5'- und 3'-Enden von Transposons oder von viralen Genomen auftreten.
IRS
- Akronym für engl. Inverted Repeating Sequences, synonyme Bezeichnung für die IR-Sequenzen
LTR
- Akronym für engl. Long Terminal Repeats, dt. lange endständige Wiederholungen. LTR's sind charakteristische DNA-Sequenzen, die aus Abfolgen sich wiederholender Nucleotide bestehen und sich bspw. flankierend an den 5'- oder 3'-Enden von Retroviren befinden, die als Provirus in die genomische DNA von Eukaryoten integrieren können. Auch für eine bestimmte, den Retroviren ähnlichen Klasse von Retrotransposons, also mobilen genetischen Elementen der Eukaryoten, sind LTR-Sequenzen kennzeichnend.
stem loop structure
- engl. für dt. Stamm-Schleife Struktur. Damit werden in der molekularen Genetik besondere Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren, insb. von RNA, bezeichnet, die aus einer partiellen, komplementären Basenpaarung innerhalb eines Nukleinsäurestranges resultieren. Die gepaarten Sequenzabschnitte bilden eine sog. Stamm-Struktur (engl. stem) aus, während die zwischen den zueinander komplementären Abschnitten liegenden Nucleotide am Ende des doppelsträngigen Stamms eine einzelsträngige Schleife ausbilden. Besteht diese Schleife nur aus wenigen (1-5) Nucleotiden, spricht man auch von engl. hairpin structures, dt. Haarnadel-Strukturen. Ist nur ein einziges Nucleotid in der Schleife vorhanden, wird diese auch als engl. bulge loop bezeichnet. Stem-loop Strukturen können grundsätzlich sowohl an doppelsträngigen als auch einzelsträngigen Nukleinsäuren ausgebildet werden, jedoch finden sie sich meist an einzelsträngigen RNA-Molekülen vor, wie z.B. bei den tRNA's, bei denen sie ein charakteristisches Strukturmerkmal dastellen. Zur Entstehung von stem-loops führen sog. engl. inverted repeats (abgk. IR) in der Sequenz eines Nukleinsäuremoleküls, welche bei entsprechender Faltung die komplementären Stamm-Strukturen ausbilden können. Da stem-loops die dreidimensionale Struktur eines Moleküls verändern, können sie funktionale Bedeutung besitzen, indem sie bei Ribozymen bspw. Erkennungs- und Bindungsmotive für die Interaktion mit Proteinen bilden, oder die Interaktion mit anderen zellulären Komponenten modulieren, wie dies z.B. bei den tRNA's der Falls ist. Ein weiteres Beispiel für die regulative Wirkung von stem-loop Strukturen stellt die sog. Attenuierung dar, welche bei Prokaryoten die Transkription und Translation bestimmter Gene beeinflusst.
hairpin structure
- engl. für dt. Haarnadel-Struktur. Damit werden in der molekularen Genetik besondere Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren, insb. von RNA, bezeichnet, die aus einer teilweisen, komplementären Basenpaarung innerhalb eines Nukleinsäurestranges resultieren. Die gepaarten Sequenzabschnitte bilden eine sog. Stamm-Struktur (engl. stem) aus, während die zwischen den zueinander komplementären Abschnitten liegenden Nucleotide am Ende des doppelsträngigen Stamms eine kleine Schleife ausbidlen, die aus wenigen (1-5) Nucleotiden besteht, was der Sekundärstruktur in der schematischen Darstellung ein haarnadelförmiges Aussehen verleiht. Aufgrund dieser strukturellen Bildung können hairpins als Sonderform der Stamm-Schleife Strukturen (engl. loop-stem structures) angesehen werden, bei der die Schleife aus nur wenigen Nucleotiden besteht. Hairpins können grundsätzlich sowohl an doppelsträngigen als auch einzelsträngigen Nukleinsäuren ausgebildet werden, jedoch finden sie sich meist an einzelsträngigen RNA-Molekülen vor, wie z.B. den Viroiden. Zur Entstehung von hairpins führen sog. engl. inverted repeats (abgk. IR) in der Sequenz eines Nukleinsäuremoleküls, welche bei entsprechender Faltung die komplementären Stamm-Strukturen ausbilden können. Da hairpins die dreidimensionale Struktur eines Moleküls verändern, können sie auch funktionale Bedeutung besitzen, indem sie bei Ribozymen bspw. Erkennungs- und Bindungsmotive für die Interaktion mit Proteinen bilden, oder die Interaktion mit anderen zellulären Komponenten modulieren, wie z.B. die engl. riboswitches der mRNA.
Transposition
- Allg. der Vorgang der Verlagerung von DNA-Sequenzen (insb. von Genen) innerhalb eines Genoms von einem Locus zu einem anderen. Solche potentiell zur Verlagerung befähigten DNA-Abschnitte werden als transponierbare oder mobile genetische Elemente (abgk. TE, engl. transposable oder mobile genetic elements), oder auch kurz als Transposons bezeichnet. Transposition genomischer DNA tritt sowohl bei Viren und Prokaryoten, als auch bei Eukaryoten auf.
TE
- Abk. für engl. transposable elements oder dt. transponierbare Elemente, auch als Transposons bezeichnet.
Transposon
- Bezeichnung für die transponierbaren oder mobilen genetischen Elemente (abgk. TE), also die zur Transposition befähigten DNA-Abschnitten.
Transkription
- Vorgang der "Übersetzung" von genomischer DNA in RNA, welche dann im Prozess der Translation in ein Polypeptid- bzw. Proteinprodukt übersetzt wird.
Transkriptom
- Derjenige Anteil des Genoms eines Organismus der in RNA übersetzt (transkribiert) wird.
Transcriptom
- andere Schreibweise für Transkriptom
prätranskriptional, prä-transkriptional
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die zeitlich vor der Transkription von Genen ablaufen. Zu diesen Vorgängen zählt bei den sog. Klasse II Genen z.B. die Formierung des Präinitiationskomplexes (abgk. PIC), der v.a. durch die Bindung von Transkriptionsfaktoren und anderen regulativen Proteinen an spezielle Sequenzmotive des transkribierten Gens oder regulativer Elemente gekennzeichnet ist.
cotranskriptional, co-transkriptional
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die gleichzeitig während der Transkription von Genen ablaufen. Zu diesen Vorgängen zählen bei den sog. Klasse II Genen z.B. das sog. engl. RNA capping oder die Assemblierung von engl. splicing Komplexen, den sog. spliceosomen. So wird bspw. schon während die DNA eines Klasse II Gens durch eine RNA-Polymerase in RNA übersetzt wird, an der entstehenden pre-mRNA das sog. 5'-Methyl-cap gebildet und an dem sich verlängernden RNA-Molekül binden die snRNP des spliceosomen-Komplex an entsprechenden splicing Signalen, die in der Sequenz der pre-mRNA enthalten sind.
posttranskriptional, post-transkriptional
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die zeitlich nach der Transkription von Genen und speziell bei den sog. Klasse II Genen noch vor der Translation ablaufen. Zu diesen Vorgängen zählen bei den Klasse II Genen bspw. das engl. splicing der pre-mRNA durch als spliceosomen bezeichnete Proteinkomplexe. Hierbei ist anzumerken, dass insb. das splicing durch die spliceosomen des seltenen U12-Typs als posttranskriptionaler Prozess angesehen wird, während man bei den spliceosomen des Haupttyps sowohl von co-transkriptionalem, als auch post-transkriptionalem splicing ausgeht. Ein weiterer wesentlicher Vorgang bei den Klasse II Genen ist die Prozessierung und Polyadenylierung des 3'-Endes der pre-mRNA durch die Proteinkomplexe des engl. cleavage stimulation factor (abgk. CstF), des engl. cleavage and polyadenylation specifity factor (abgk. CPSF) und der engl. poly-A polymerase (abgk. PAP). Aber auch die Bindung von engl. exon junction complex Proteinen, abgk. EJC, an den Verbindungsstellen der Exons oder die Bindung anderer Proteine bzw. Ribonucleoproteine (RNP) an die reife mRNA findet posttranskriptional statt. Diese Anheftungen von Proteinen dienen v.a. der Unterscheidung reifer mRNA von noch zu prozessierenden Vorstufen oder zu degradierenden RNA-Anteilen, wie etwa den entfernten Intronabschnitten. Die Bindung eines engl. nuclear export factor vermittelt den Export der mRNA aus dem Nucleus in das Cytoplasma zum Ort der Translation.
Bei Klasse I Genen findet nach der Transkription v.a. die als engl. RNA trimming bezeichnete Prozessierung des polycistronischen pre-rRNA-Transkripts in die einzelnen reifen und funktionalen rRNA's, sowie eine ausgeprägte Modifikation der Nucleotide der pre-rRNA durch Methylierung statt.
Promoter
- von engl. to promote, dt. fördern, begünstigen. Als Promoter werden besondere DNA-Sequenzmotive der genomischen DNA bezeichnet, die als "Erkennungssequenzen" und Ansatzstellen der RNA-Polymerasen am Beginn von Genen, d.h. den codierenden DNA-Abschnitten innerhalb des Genoms fungieren. Promoter bilden damit wichtige und meist unabdingbare Elemente der Genregulation, die zum einen die Initiation und zum anderen die Effizienz und Präzision der Transkription beeinflussen. Promoter finden sich sowohl bei prokaryotischen als auch eukaryotischen Organismen. Eine typische Promoter-Sequenz bildet bspw. die sog. TATA-Box, die als Initiationsstelle der Transkription bei vielen prokaryotischen und eukaryotischen Genen vorhanden ist. In Eukaryoten regulieren Promoter im Zusammenspiel mit proteinogenen Transkriptionsfaktoren häufig auch die entwicklungs- und differenzierungsspezifische Transkription von Genen, so dass viele Gene bspw. nur in speziellen Organen oder zu bestimmten Zeitpunkten der Entwicklung aktiv sind.
Promotor
- andere, v.a. im deutschsprachigen Raum verbreitete Schreibweise für engl. Promoter.
TATA-Box
- Sequenzmotiv der Promoter-Region genomischer DNA in dem typischerweise die namensgebende Nucleotidabfolge 5'-TATA-3' auftritt. Die TATA-Box findet sich zusammen mit anderen Elementen des Promoters sowohl bei prokaryotischen als auch bei eukaryotischen Genen. Bei den Prokaryoten liegt dieses, hier auch als Pribnow-Box bezeichnete, Sequenzmotiv im Bereich von 10 bp (-10 bp) vor der Initiationsstelle der Transkription (+1) auf dem nicht transkribierten Strang der DNA. Die TATA-Box weist hier eine Consensussequenz von 5'-TATAAT-3' auf, wobei das unterstrichene Thymidin fast immer vorhanden ist. In Bakterien wird die Bindung des RNA-Polymerase Holoenzym an die TATA-Box durch eine Untereinheit der RNA-Polymerase, den sog. σ-Faktor, vermittelt, Verschiedene Untersuchungen haben dabei ergeben, dass je grösser die Übereinstimmung der TATA-Box eines Promoters mit der Consensussequenz ist, desto effektiver erfolgt die Transkription des nachfolgenden Gens, so dass man 'starke' und 'schwache' Promotern unterscheiden kann.
In Eukaryoten finden sich TATA-Box Motive, die nach ihren Entdeckern hier auch als Hogness-Goldberg-Box bezeichnet wird, vielfach in den Promotern von Klasse II Genen. Hier liegt die TATA-Box ca. 25 bp (-25 bp) vor dem Startpunkt der Transkription auf dem nicht transkribierten Strang und weist die Consensussequenz 5'-TATAAAA-3' auf. Die Effektivität der Transkription hängt dabei neben den Effekten anderer Regulationselemente von den die TATA-Box umgebenden Sequenzen ab. Die Aktivierung und Initiation der Transkription erfolgt durch Bildung eines proteinogenen Transkriptionskomplexes, dessen Formierung bei den Mammalia (Säugetiere) durch Bindung des Transkriptionsfaktors TFIID an die TATA-Box eingeleitet wird. An das gebundene TFIID bindet nun TFIIA, dann TFIIB und die RNA Polymerase II. Schliesslich führt die Bindung von TFIIE und TFIIF zur Vervollständigung des Präinitiationskomplexes (abgk. PIC), so dass die Transkription des nachfolgenden Gens starten kann.
Pribnow-Box
- Charakteristisches Sequenzmotiv, das Teil der Promoter-Region bei Genen der Prokaryoten ist und auch als TATA-Box bezeichnet wird (s. dort). Die ihrem Entdecker benannte Region liegt in 5'-Richtung (engl. upstream) im Bereich von -10 bp vor der Initiationsstelle der Transkription.
Hogness-Goldberg-Box
- Nach ihren Entdeckern benannte, alternative Bezeichnung für die TATA-Box in Promotern eukaryotischer Gene.
PIC
- Abk. für engl. Pre-Initiation Complex, dt. Präinitiationskomplex, bezeichnet eine Konformation von verschiedenen Proteinen und deren Wechselwirkungen, die in Eukaryoten vor der Initiation der Transkription gebildet wird und aus den Proteinen TBF (Abk. für engl. TATA box binding protein), polII (Abk. für engl. RNA polymerase II), β-Actin und TF (Abk. für engl. transcription factor) Proteinen besteht.
ICR
- Akronym für engl. Internal Control Region, dt. interne Kontrollregion. ICR's sind charakteristische Sequenzmotive genomischer DNA, die die Transkription von Klasse III Genen regulieren. Im Unterschied zu den weit verbreiteten Promotern bspw. der Klasse II Gene liegen die ICR innerhalb der transkribierten Abschnitt des Gens in Nähe des Initiationsstartpunkt und bestehen aus einem Motiv von ca. 10 bis 20 Nucleotiden. Drei dieser Motive sind besonders gut untersucht, sie werden als A-, B- und C-Box bezeichnet. Die A-Box ist in allen bisher untersuchten Genen mit ICR's enthalten und meist jeweils mit einem der beiden anderen Motive kombiniert. So enthält das Gen für die 5S-rRNA eine A-Box und eine C-Box und die Gene für tRNA und die 7SL-RNA des SRP ein A- und eine B-Box. In einigen Fällen sind die ICR's mit 'herkömmlichen' Regulationselementen die in 5'-Richtung (engl. upstream) ausserhalb des transkribierten Bereichs liegen kombiniert.
HRE
- Abk. für engl. Hormone Response Elements, dt. Hormon regulierte Elemente oder auch "Hormonantwortelemente". HRE sind besondere genomische DNA-Sequenzmotive, die so mit Hormonen interagieren, dass die Transkriptionsaktivität der mit den HRE assoziierten Gene positiv (Genaktivierung) oder negativ (Genrepression) reguliert werden. HRE sind also der Transkriptionssteuerung dienende Elemente der Genregulation. Dabei interagieren die Hormone nicht selbst mit der DNA, sondern werden zunächst von einem Rezeptor-Protein gebunden. Dieser Rezeptor-Hormon-Komplex interagiert dann mit spezifischen Sequenzmotiven, die i.d.R. in 5'-Richtung (engl. upstream) vor dem regulierten Gen lokalisiert sind.
IRE
- Akronym für engl. Iron Response Element(s), einem charakteristischen Sequenzmotiv in mRNA's von eukaryotischen Genen des Eisenstoffwechsels, das durch Bindung regulatorischer Proteine (engl. iron regulatory protein, abgk. IRP) die Translation der mRNA in dem sich das Element befindet blockieren kann. IRE können in der mRNA sowohl in der 5'-UTR (leader) als auch in der 3'-UTR (trailer) lokalisiert sein.
MRE
- Akronym für engl. Metal Response Element(s) oder auch für engl. miRNA response element(s). Die 'Metal Response Elements' sind besondere genomische DNA-Sequenzmotive in den Promotern von Metallothionein-Genen der Mammalia (Säugetiere). Die Metallothioneingene codieren für kleine Cystein-reiche Proteine, die in der Zelle Schwermetalle, wie Blei, Cadmium oder Quecksilber oder auch Kupfer binden. Die MRE's im Promoter dieser Gene binden einen metallabhängigen Transkriptionsfaktor, der die Transkription dieser Gene im Zusammenspiel mit anderen Regulationselementen aktiviert.
Die 'miRNA response elements' sind Sequenzmotive auf eukaryotischer mRNA, die mit micro RNA's interagieren und so durch Mechanismen der RNAi die Translation der mRNA modulieren. Diese MRE sind im 3'-UTR (trailer) der mRNA lokalisiert.
RNA capping
- engl. für einen charakteristischen, co-trankriptionalen Mechanismus bei der Transkription eukaryotischer Klasse II Gene, bei dem an dem 5'-Ende der entstehenden pre-mRNA ein methyliertes Guanin-Nucleotid, das sog. G-Cap, angehängt wird.
G-Cap
- Zu Beginn des Transkriptionsvorgangs wird an der entstehenden pre-mRNA, am 5'-Ende ein methyliertes Guanin-Nucleotid angehängt, das die pre-mRNA und später die reife mRNA vor Abbau durch Exonucleasen schützt und zudem die Effektivität der Translation erhöht. Das G-Cap ist typisch für alle eukaryotischen mRNA's, die aus der Transkription von Klasse II Genen resultieren.
cap
- engl. für dt. Kappe, Hut; kurze Bezeichnung für das G-Cap von mRNA's.
RNA processing
- engl. für dt. RNA-Prozessierung. Damit werden allg. Mechanismen bezeichnet, die bei der Weiterverarbeitung von Primärtranskripten (Prä-RNA) zu reifen und funktionalen RNA's eine Rolle spielen. Dies umfasst v.a. das engl. trimming von pre-rRNA's, das engl. splicing von pre-mRNA's, das RNA editing und andere Modifikationen, wie z.B. die Bindung von Proteinen oder die Methylierung einzelner Nucleotide.
RNA-Prozessierung
- dt. für engl. RNA processing.
RNA trimming
- Ein Mechanismus des engl. RNA processing, bei dem "unreife" Primärtranskripte in Form von pre-RNA nucleolytisch zu reifen funktionalen RNA's gespalten und und evtl. vorhandene, funktional irrelevante Sequenzen, wie etwa engl. spacer, leader oder trailer, entfernt werden. RNA trimming tritt sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten auf und ist insb. charakteristisch für RNA (rRNA, tRNA) codierende Gene beider Organismenreiche, insb. da diese Gene häufig polycistronisch organisiert sind. Die Prozessierung kann sowohl endonucleolytisch als auch exonucleolytisch erfolgen. Polycistronische Prä-rRNA-Transkripte von rDNA-Transkriptionseinheiten in Escherichia coli enthalten bspw. die 16S-, 23S- und 5S-rRNA, sowie ein oder zwei tRNA's, die durch nicht-codierende spacer Abschnitte voneinander getrennt sind. Unmittelbar nach der Transkription werden die einzelnen rRNA's durch das Enzym RNAse III von den spacer Sequenzen getrennt. Dabei spaltet die RNAse III insb. innerhalb von Doppelstrangstrukturen, die sich durch intramolekulare, komplementäre Basenpaarungen als sog. engl. stem-loop Sekundärstrukturen in der pre-rRNA ausbilden, wobei die jeweiligen rRNA's innerhalb der loop-Region liegen. Die Spaltungen der RNAse III erfolgen versetzt, so dass die entstehenden rRNA's an ihren Enden noch kurze spacer-Abschnitte enthalten, die in einem 5'-Phosphat- und einen 3'-Hydroxyl-Rest enden. Diese Enden werden nun von einer RNA-Exonuclease entfernt, so dass die funktionalen rRNA's entstehen.
Pre-tRNA's werden im Zuge des trimmings ebenfalls durch charakteristische Nucleasen prozessiert: Das Ribozym RNAse P produziert dabei durch Entfernung der leader Seqeuenz die 5'-Phosphatenden von prokaryotischen wie auch eukaryotischen tRNA's. In Prokaryoten erfolgt die Prozessierung des 3'-Endes durch eine Endonuclease, sowie die Exonuclease RNAse D das 3'-Ende prozessiert. Falls in der tRNA am 3'-Ende die korrekte Nucleotidfolge 5'-CCA-3' des Akzeptorstammes vorhanden ist, stoppt die Prozessierung durch RNAse D an dieser Sequenz. Fehlt diese, hält die Prozessierung an einer Sequenz, die als Primer für eine tRNA-Nucleotidyltransferase dient, welche das korrekte CCA-Ende des Akzeptorstamms ergänzt.
In Eukaryoten findet der Prozess des trimming i.d.R. in speziellen Proteinkomplexen des Nucleolus statt. Auch hier
splicing
- engl. für dt. 'spleissen', bezeichnet den Prozess, bei dem das Transkriptionsprodukts eines Gens, die mRNA oder präziser die pre-mRNA so prozessiert wird, dass nichtkodierende Anteile, die sog. Introns, entfernt werden und die kodierenden Anteile, die sog. Exons, zu einem funktionalen Transkript zusammengefügt (Ligation) werden. Es existieren zwei verschiedene Typen des splicings, das sog. engl. self-splicing und das durch Spliceosomen vermittelte splicing. Bei letzerem kommt es in manchen Fällen zum sog. alternativen oder differentiellen Spleissen (engl. alternate splicing), bei dem zwei oder mehrere alternative mRNA's gebildet werden, die auch zu alternativen Genprodukten translatiert werden.
Spliceosom
- engl. Bezeichnung für die Proteinkomplexe, die im Zellkern eukaryotischer Zellen das Spleissen (engl. splicing) von pre-mRNA-Transkripten zu reifen, funktionalen mRNA's prozessieren. Die Spliceosomen enthalten dabei charakteristische RNA's, die sog. U-RNA's, welche den Hauptanteil von im Zellkern lokalisierten kleinen RNA's, den sog. engl. small nuclear ribonucleic acid, abgk. snRNA ausmachen. Die U-RNA's stellen die besonderen katalytischen Funktionen der Spliceosomen bereit und vermitteln auch die RNA Bindungseigenschaften. Einzelne U-RNA's treten mit bestimmten Proteinen zu Komplexen zusammen, die als engl. small nuclear ribonucleoproteins, abgk. snRNP bezeichnet werden. Aufgrund der katalytischen Aktivität werden die U-RNA's auch zu den Ribozymen gezählt. Entsprechend der verschiedenen Typen von U-RNA's werden die snRNP in U1, U2, U4/U6, U5, U11 und U12 snRNP's unterteilt. Diese sind in unterschiedlichen Kombinationen an den verschiedenen Mechanismen des splicings beteiligt, so dass ein sog. Haupttyp von Spliceosomen, ein wesentlich seltenerer U12-Typ, sowie ein sog. trans-Typus unterschieden wird. Der Haupttyp von Spliceosomen ist nahezu bei allen eukaryotischen Organismen vorhanden. Beim Mechanismus dieses Haupttyps wird die entstehende pre-mRNA schon während des Transkriptionsvorgang von den U1- und U2-snRNP's gebunden.
self-splicing
- Mechanismus des splicing, bei dem die gebildete pre-mRNA autokatalytische Aktivität aufweist und i.d.L. ist, sich selbst zu spleissen, d.h. bestimmte Intron-Abschnitte auszuschneiden und die verbleibenden Exon-Abschnitte zu einer funktionalen mRNA zu verbinden.
trans-splicing
- Besonderer Mechanismus des splicing, bei dem aus zwei verschiedenen pre-mRNA's stammende Exon-Abschnitte zu einer funktionalen, translatierbaren mRNA verbunden werden.
Polyadenylierung, Polyadenylation
- Polyadenylierung ist ein posttranskriptionaler Prozess, der am 3'-Ende der primären Transkripte (pre-mRNA) der genomischen DNA von eukaryotischen Klasse II Genen erfolgt. Dieser Vorgang findet v.a. an Genen statt, die für Peptide codieren. Hierzu assoziiert die pre-mRNA nach erfolgter Transkription mit den Proteinkomplexen des engl. cleavage stimulation factor (abgk. CstF), des engl. cleavage and polyadenylation specifity factor (abgk. CPSF) und der engl. poly-A polymerase (abgk. PAP). CstF und CPSF "schneiden" die pre-mRNA an ihrem 3'-Ende auf eine, durch bestimmte Sequenzsignale definierte Länge und die PAP synthetisiert ca. 50-200 Adenin-Nucleotide, welche an das prozessierte 3'-Ende angehängt werden. Die Polyadenylierung schützt die reife mRNA zusammen mit dem G-Cap vor dem Abbau durch Nucleasen, besonders vor RNAsen des Cytoplasmas. Prokaryotische RNA wird nicht polyadenyliert, da die prokaryotische RNA nicht aus einem Zellkern exportiert werden muss, sondern direkt nach bzw. schon während der Transkription translatiert wird. Ebenso findet keine Polyadenylation eukaryotischer pre-RNA der Klasse I und Klasse III Gene, sowie einiger Klasse II Gene statt, da diese Gene für RNA codieren (rRNA, tRNA, snRNA), die i.d.R. im Zellkern verbleiben.
Translation
- Prozess der "Übersetzung" der Information der mRNA in die korrespondierende Aminosäuresequenz des in der Nucelotidabfolge der mRNA kodierten Polypeptids bzw. Proteins. Die Translation und damit die eigentliche Proteinbiosynthese erfolgt an den Proteinkomplexen der Ribosomen.
prätranslational, prä-translational
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die zeitlich vor der Translation von mRNA's in funktionale Peptide bzw. Proteine ablaufen.
cotranslational, co-translational
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die während der Translation von mRNA's in funktionale Peptide bzw. Proteine ablaufen. Zu diesen Vorgängen zählt bspw. die am sog. rauhen Endoplasmatischen Retikulum (abgk. rER) stattfindende Protein-Translokation, bei der schon während des Translationsvorgangs das entstehende Protein durch spez. proteinogene Transportsysteme (z.B. Sec) über die Membran des ER in das Lumen des ER transportiert wird.
posttranslational, post-translational
- Bezeichnung für Vorgänge und Mechanismen die zeitlich nach der Translation von mRNA's in funktionale Peptide bzw. Proteine ablaufen. Zu diesen Vorgängen zählen bspw. alle Modifikationen von Peptiden und Proteinen, die im Zuge der zellulären Regulationsmechanismen stattfinden. Damit gelten insb. Phosphorylierungs- u. Dephosphorylierungs-Reaktionen, Glykosilierungen, Palmitoylierungen und ähnliche Modifikationen oder auch die Ubiquitinylierung von Proteinen als post-translationale Prozesse. Aber auch Faltungsvorgänge, insb. wenn sie unter Beteiligung von ATP-abhängigen Chaperone-Proteinen stattfinden, und Prozessierungen durch Peptidasen bzw. Proteasen zählen zu den post-translationalen Vorgängen.
Shine-Dalgarno-Sequenz
- Nach ihren Entdeckern Shine und Dalgarno benanntes Sequenzmotiv prokaryotischer Gene, die den Translationsstartpunkt in der mRNA markiert. Nach der Transkription liegt die Shine-Dalgarno Sequenz in der engl. leader Sequenz (5'-UTR) der mRNA und konstituiert hier einen Teil der Ribosomenbindungstelle (abgk. engl. RBS).
RBS
- Akronym für engl. Ribosome Binding Site, einem charakteristischen Sequenzmotiv im leader der mRNA's von prokaryotischen Genen. Innerhalb der ca. 30-50 nts umfassenden RBS befindet sich neben anderen Nucleotidabschnitten das Sequenzmotiv für den Translationsstartpunkt (sog. Shine-Dalgarno-Sequenz) und das Startcodon AUG.
kognat
- "erkennend", "passend". Bezeichnung für das Anticodon einer tRNA bzw. der an diese gebundenen Aminosäure. Im Vorgang der Translation am Ribosom binden tRNA mit ihrem Anticodon an das entsprechende Codon der mRNA, so dass die tRNA in der A-Bindungstelle des Ribosom positioniert wird und eine Elongation des Peptids erfolgen kann.
Terminator
- Spez. Signale, die die Termination des Transkriptions- oder des Translationsprozesses vermitteln.
amber
- Bezeichnung für das Codon 5'-UAG-3', das neben den beiden anderen Stopcodons opal und ochre in der mRNA als Terminationssignal der Translation dient.
ochre
- Bezeichnung für das Codon 5'-UAA-3', das neben den beiden anderen Stopcodons opal und amber in der mRNA als Terminationssignal der Translation dient.
opal
- Bezeichnung für das Codon 5'-UGA-3', das neben den beiden anderen Stopcodons amber und ochre in der mRNA als Terminationssignal der Translation dient.
umber
- alternative Bezeichnung für das Stopcodon opal.
Attenuierung, Attenuation
- von lat. 'attenuo', dt. schwächen, vermindern, d.h. allg. "Abschwächung". Im Kontext der Transkription von genomischer DNA ist die Attenuation ein Mechanismus der Genregulation unter dem eine Transkriptionsabschwächung bzw. ein Transkriptionsabbruch verstanden wird. Eine solche Attenuierung des Transkriptionsprozesses wird durch besondere, als Attenuatoren bezeichnete "Abschwächungssignale" vermittelt. Bei Prokaryoten sind solche Signale als spezielle Sequenzmotive im engl. leader der mRNA lokalisiert und bewirken den Abbruch der Transkription des zugehörigen Gens. Diese Wirkung kommt dadurch zustande, dass bei der Transkription prokaryotischer Gene die Translation der gebildeten mRNA an Ribosomen gleich nach Beginn der Transkription einsetzt. Kommt es aufgrund der Attenuatorsignale in der leader-Sequenz der mRNA zu einer Veränderung des Translationsvorgangs, wird der Transkriptionsvorgang und damit die weitere Bildung von mRNA unterbrochen.
Für die Abschwächung pathogener Keime s.a. Attenuation.
Attenuator
- spezielle Sequenzmotive im leader der mRNA prokaryotischer Gene, die den als Attenuierung bzw. Attenuation bezeichneten Mechanismus der Genregulation vermitteln. Attenuator-Sequenzmotive bewirken einen Transkriptionsabbruch oder eine Abschwächung der Transkription durch Ausbildung von alternativen Sekundärstrukturen in der mRNA, welche entweder die Translation am Ribosom blockieren oder die weitere Elongation des Polypeptids nicht unterbrechen. Mechanismen der Attenuator-Regulierung sind insb. bei den Operons der Aminosäure synthetisierenden Gene nachgewiesen worden. Hier bestehen die alternativen Sekundärstrukturen aus engl. hairpin oder engl. stem loop Strukturen, deren Ausbildung von der Abfolge bestimmter Codons und dem Angebot der diesen Codons entsprechenden tRNA's abhängt. So befinden sich im engl. 5'-leader der mRNA des Operons der Tryptophan-Synthese-Gene zwei aufeinanderfolgende Codons für die Aminosäure Tryptophan (Trp). Da in Prokaryoten die Translation der mRNA sich unmittelbar an die Transkription anschliesst, beginnt die Translation der leader Sequenz schon, während das Trp-Operon noch transkribiert wird. Erreicht das Ribosom die Trp-Codons hängt es vom Angebot von tRNATrp ab, ob diese Aminosäuren in das entstehende Polypeptid eingebaut werden. Ist genügend tRNATrp vorhanden, werden diese Aminosäuren schnell eingebaut. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Attenuator-Region eine Sekundärstruktur ausbildet, die einen Abbruch der Transkription bewirkt. Ist nicht genügend tRNATrp vorhanden, kommt es zur Verzögerung der Translation und die Attenuator-Sequenz nimmt eine Konformation ein, die den Fortgang der Transkription (und auch der Translation) gewährleistet. Ähnliche Mechanismen sind auch im Histidin-, Phenylalanin-, Leucin- und Threonin-Operon nachgewiesen worden. Für die Zelle bedeutet diese Art der Regulation eine zeitnahe Anpassung an schnell wechselnde Zustände, da im Prinzip die Gene der Aminosäuresynthese immer angeschaltet bleiben können, aber dennoch auf Angebot und Nachfrage des synthetisierten Produkts reagieren können.
Primer
- allg. ein kurzer Nucleotidabschnitt der für RNA- oder DNA-Polymerasen, oder andere, Nucleotidpolymere synthetisierende Enzyme, wie z.B. die tRNA-Nucleotidyltransferase, als Ansatz- bzw. Initiationsstelle dient.
So bildet ein kurzes RNA-Oligonucleotid bei der DNA-Replikation die Ansatzstelle für die DNA-Polymerase. Es wird benötigt, um die Replikation des nachfolgenden DNA-Abschnitts zu katalysieren. Dieses RNA-Fragment bildet mit der DNA des engl. template strand einen hybriden Doppelstrang aus DNA und RNA (Heteroduplex) und wird sowohl auf dem engl. leading strand, wie auch dem engl. lagging strand synthetisiert. Der Prozess der Primer-Synthese wird von speziellen, als DNA-Primasen bezeichneten Enzymen katalysiert, die in der Lage sind, zwei initiale Nucleotide miteinander kovalent zu verbinden und weitere Nucleotide in 5'->3' Richtung zu polymerisieren. In Eukaryoten ist der RNA-Primer meist etwa 10 Nucleotide lang und wird auf dem lagging strand etwa alle 100-200 Nucleotide synthetisiert. Nach erfolgter Replikation werden die RNA-Primer durch eine RNAse H entfernt und die enstandenen Lücken durch DNA-Polymerase und Ligase geschlossen.
Ribozyme
- Bezeichnung für enzymatische, d.h. katalytisch aktive RNA. Ribozyme sind in der Zelle an der katalytischen Funktion der Ribosomen, beim Splicing, bei der Bildung der Telomere und anderen Prozessen, z.B. beim trimming von prokaryotischen tRNA's durch RNAse P, nachgewiesen worden. Grundsätzlich können Ribozyme durch alleinstehende RNA-Moleküle gebildet werden, in Zellen sind sie jedoch i.d.R. mit Proteinen assoziiert, die strukturell oder auch funktional zur katalytischen Wirkung des Ribozyms beitragen. Solche Komplexe werden als Ribonucleoproteine, abgk. RNP, bezeichnet und bilden essentielle Strukturen der lebenden Zelle, zu denen u.a. die Ribosomen, snRNP's, die RNAse P oder die Telomerasen zählen.
Eine Reihe der mit Ribozymen verknüpften Entdeckungen wurde mit Nobelpreisen ausgezeichnet: So erhielten 1989 Sidney Altman und Thomas R. Cech den Chemie-Nobelpreis für die Aufklärung der Mechanismen der RNAse P und des engl. self splicing und 2009 Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider und Jack W. Szostak den Medizin-Nobelpreis für die Aufklärung der Mechanismen von Telomerase und Telomeren. Diese den Nobelpreisen zugrundeliegenden Arbeiten und viele andere Forschungsergebnisse werden auch als Hinweis bzw. Bestätigung für die Existenz einer sog. "RNA-Welt" gedeutet, die möglicherweise eine frühe Entwicklungsstufe in der molekularen Evolution darstellt.
Links:
Nobelpreisträger Chemie 1989, Nobel prize committee, Stockholm, Sweden
Nobelpreisträger Medizin 2009, Nobel prize committee, Stockholm, Sweden
RNP
- Abk. für engl. ribonucleoprotein, dt. Ribonucleoproteine
Ribonucleoproteine
- Ribonucleoproteine abgk. RNP sind Komplexe aus RNA und Proteinen mit i.d.R. enzymatischen Funktionen, wobei die katalytische Funktion je nach Ribonucleoprotein ganz von dem RNA-Anteil (Ribozym), ausschliesslich von dem Protein-Anteil oder nur im Zusammenspiel beider Komponenten erbracht wird. Zu den bisher bekannten Ribonucleoproteinen zählen die Ribosomen, die hnRNP's, snRNP's und snoRNP's, die Telomerase und die RNase P.
hnRNP
- Abk. für engl. heterogenous nuclear ribonucleoprotein, eine Familie von Ribonucleoproteinen die transkribierte mRNA binden und mit dieser Komplexe bilden, die der Weiterverarbeitung (engl. RNA processing) des mRNA-Transkriptes dienen. Die genaue Funktion vieler hnRNP's ist unbekannt, aber es wird vermutet, dass sie neben der Prozessierung (5'-Capping, 3'-Polyadenylierung) an Verpackung und Transport der mRNA beteiligt sind.
snRNP
- Abk. für engl. small nuclear ribonucleoprotein, eine Familie von Ribonucleoproteinen
snoRNP
- Abk. für engl. small nucleolar ribonucleoprotein, dt. kleine nucleoluläre Ribunucleoproteine
Telegen
- besondere genetische Disposition menschlicher Individuen oder tierischer Organismen, die den Trägern dieser Disposition besondere Vorteile innerhalb der selektiven Mechanismen der medialen Industrie und Umwelt, insb. innerhalb der Fernsehanstalten und Filmproduktionen, verschafft.
Insertion
- im Kontext der Genetik versteht man unter einer Insertion, die Einfügung einer Nukleotidsequenz in eine bestehende Nukleinsäuresequenz.
Deletion
- im Kontext der Genetik versteht man unter einer Deletion das Entfernen einer Nukleotidsequenz aus einer bestehenden Nukleinsäuresequenz.
Ligation
- allg. die Verbindung von separaten Nukleotidsequenzen zu einem gemeinsamen Abschnitt. Dabei kann es sich grundsätzlich um einzel- oder doppelsträngige DNA oder RNA handeln. Bei doppelsträngigen Nukleotiden können ferner die miteinander zu verbindenden Endabschnitte stumpf aufeinander stossen (engl. blunt ends), oder einer der Einzelstränge (5'- oder 3'-Ende) über den anderen Strang verlängert sein (engl. sticky or cohesive ends), wobei die Basenabfolge der überlappenden Nukleotide in den zu verbindenden Stücke komplementär zueinander sein sollten. Die Verbindungsreaktion wird durch spez., als Ligasen bezeichnete Enzyme katalysiert. Ligation erfolgt in der Zelle z.B. bei DNA-Reparaturen oder im Vorgang des DNA-Rearrangement in den Lymphozyten des Immunsystems. Den Mechansimus der Ligation macht man sich Molekularbiologie und Gentechnologie zunutze, um bspw. einen DNA-Abschnitt, i.d.R. ein Gen, mit einem geeigneten Vektor, wie z.B. einem Plasmid zu ligieren. Diese Methode wird auch Gen-Klonierung oder molekulare Klonierung (engl. gene oder molecular cloning) bezeichnet. Ein weit verbreitete Ligase, die bei dieser Technik zur Anwendung kommt ist die engl. T4 polynucleotide kinase.
Polygenie, Adj. polygenisch
- ein durch die Einflüsse vieler Gene bestimmtes Merkmal (Phän), im Gegensatz zur Pleiotropie
Pleiotropie, Adj. pleiotrop
- ein Gen, das die Ausprägung vieler Merkmale (Phäne) beinflusst
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Genom u. Genomorganisation
Genom, Adj. genomisch
- In der modernen Genetik wird unter dem Genom die Gesamtheit des Erbgutes einer Zelle bzw. eines Organismus verstanden. Dabei wird das Genom insb. von der Anzahl und der Art der vorkommenden Gene, sowie der Gesamtmenge der vorhandenen DNA charakterisiert, während die konkrete Sequenz der DNA in einem Individuum einer Spezies, die sich insb. in den unterschiedlich vorhandenen Allelen äussert, durch den Genotyp zum Ausdruck gebracht wird.
In einem eingegrenzteren Verständnis der klassischen Genetik, wie sie sich vor allem in älteren Publikationen findet, wird unter dem Genom jedoch lediglich die bei Eukaryoten sich im Zellkern befindliche und in Chromosomen organisierte DNA und bei Prokaryoten die im Genophor bzw. Bakterienchromosom lokalisierte DNA als Genom bezeichnet und von der extra-nucleären, d.h. plastidären, mitochondrialen oder in Plasmiden organisierten DNA unterschieden. In diesem klassischen Verständnis wird die Gesamtheit des Erbgutes als Idiotyp bezeichnet und die in unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle befindlichen Anteile des Erbgutes entsprechend differenziert: So bezeichnet das Karyom den im Nucleus lokalisierten Teil des Erbgutes, während das extranucleäre, plasmidale Erbgut als Plasmon, die mitochondriale Erbinformation als Chrondriom und die für Plastiden charakteristische DNA als Plastom bezeichnet wird. Je nach Kontext spricht man jedoch auch vom Genom der Organellen, also dem mitochondrialen Genom oder dem Genom der Plastiden und versteht darunter die Gesamtheit der Erbanlagen, die in diesen Organellen anzutreffen sind.
Quantitativ wird die Grösse eines Genoms meist als sog. engl. c-value (dt. C-Wert) in der Anzahl der Basenpaarungen, also der Anzahl der gepaarten Nucleotide der zugrundeliegenden DNA, oder als Gewicht der DNA, meist in pg (picogramm = 10-12 gramm), ausgedrückt. Bei der Angabe in Basenpaarungen wird als Einheit dabei die Abkürzung bp für engl. base pairs benutzt und Grössenordnungen von Tausend (103), Millionen (106) und Milliarden (109) werden durch die Präfixe Kilo-, Mega- und Giga-, sowie deren Abkürzungen als Einheiten von Kbp, Mbp und Gbp wiedergegeben. Eine weitere wichtige quantitative Kenngrösse eines Genomes ist die Anzahl von Genen, die in einem Genom vorliegen. Da die Grösse eines Gens jedoch nicht festgelegt ist und somit von Gen zu Gen stark schwankt und zudem verschiedene Genome in unterschiedlichem Ausmass Bereiche nichtcodierender DNA enthalten, wie z.B. Spacer- und Intronelemente, lässt der C-Wert nicht ohne weiteres Rückschlüsse auf die Anzahl der Gene in einem Genom zu.
Genregulation
- Allg. Bezeichnung für Mechanismen, die die Aktivität von Genen regulieren.
Mit der Erkenntnis, dass die Erbanlagen der Organismen in als Genen bezeichneten DNA-Abschnitten organisiert sind, wurde deutlich, dass mit den Genen nicht nur Merkmale von Generation zu Generation übertragen werden, sondern diese Merkmale als Produkte der Gene in Form von Proteinen und RNA auch aktiv im Stoffwechsel der Organismen synthetisiert werden und somit an nahezu allen Lebensvorgängen beteiligt sind. Dieser physiologische Vorgang der Merkmalsausprägung wird im wesentlichen durch die als Proteinbiosynthese und als Genexpression bezeichneten Prozesse beeinflusst. Die genetisch manifestierten Merkmale in Form der Proteine und RNA werden dabei nicht einmalig und auch nicht gleichzeitig produziert, sondern es findet eine kontinuierliche, aber differentielle Synthese der Genprodukte statt, deren Ablauf in der Entwicklung eines Organismus und in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen zeitlich und räumlich koordiniert wird. Diese Koordination der Synthese genetisch codierter Moleküle des Stoffwechsels eines Organismus kommt durch die Mechanismen der Genregulation zustande. Aufgrund der Universalität der Nukleinsäuren bei der Codierung von Proteinen und RNA, finden sich solche genregulatorischen Mechanismen grundsätzlich bei allen Organismen. Man kann jedoch zum einen bei den verschiedenen Organismengruppen Mechanismen unterscheiden, die für die jeweilige Gruppe charakteristisch sind und zum anderen genregulatorische Vorgänge hinsichtlich der Organisationsebene auf der sie wirken klassifizieren. Bei der generellen Betrachtung genregulatorischer Mechanismen unterscheiden sich zahlreiche Prozesse der Prokaryoten von denen der Eukaryoten, obwohl in vielerlei Hinsicht auch prinzipielle Übereinstimmungen aufgezeigt werden konnten. Prozesse der Genregulation können auf der Ebene der Transkription (Transkriptionssteuerung), also der Übersetzung der Information der DNA in RNA, oder der Translation (Translationssteuerung), also der Übersetzung von RNA in Proteine, angesiedelt sein. Bis heute wurde eine grosse Vielfalt genregulatorischer Mechanismen entdeckt und die Details der molekularen Steuerung von Genen stehen im Zeitalter der Biotechnologie im besonderen Fokus der Forschungsbemühungen moderner Biologie. So lässt sich der Gesamtablauf der Genregulation mit Mitteln der Prozessanalytik und der Systemwissenschaften analysieren und modellieren, so dass abstrakte Modelle der Prozessablaufsteuerung entstehen, in denen funktionale Zusammenhänge durch Konzepte wie Rückkoppelung, Induktion, Verstärkung u.a.m. repräsentiert werden. Dieser systemanalytische Ansatz hat zur Herausbildung eines eigenen Teilbereichs in der Disziplin der Systembiologie geführt, der sich in der modernen Biologie zunehmend mit der informationstechnol. Erfassung und Modellierung durch Computer und Hochleistungsrechensystemen verbindet.
Eine sinnvolle Einteilung der mannigfaltigen Mechanismen der Genregulation lässt sich u.a. auch hinsichtlich der molekularen Strukturen, die einer Regulation unterliegen, vornehmen: So werden bspw. alle Mechanismen, die auf die Struktur der Chromosomen bzw. der in diesen enthaltenen Proteine und DNA einwirken, um bspw. bestimmte Chromsomenabschnitte für die Transkription zugänglich bzw. unzugänglich zu machen, unter dem Begriff 'allgemeine Genregulation' zusammengefasst. Hierunter fallen bei den Eukaryoten insb. Prozesse, die die hochkondensierte, in Nucleosomen und weiteren Überstrukturen verpackte DNA entfalten, z.B. durch charakteristische Acetylierungen und Methylierungen der Histone oder Umlagerungsreaktionen in den S/MAR-Bereichen. Deutlich wird diese differentielle Kondensation des Chromatins z.B. durch Methoden der Kernfärbung, die eine Unterscheidung in Euchromatin und Heterochromatin hervorheben, wobei generell im Euchromatin transkriptionsaktive Bereiche von DNA vorliegen, während das Heterochromatin aus nicht-codierenden oder inaktiven Regionen besteht. Auch die in vielen Zelltypen beobachteten Lampenbürstenchromosomen kommen durch Entfaltung transkriptionsaktiver DNA-Abschnitte zustande, welche in Form von schleifenartigen Ausstülpungen aus der Chromosomenachse herausragen und so die DNA für die Enzyme und Faktoren der Transkription zugänglich machen. Eine besondere Struktur stellt in diesem Zusammenhang der Nucleolus im Zellkern der Eukaryoten dar, da in diesem die Gene der ribosomalen RNA (rRNA) räumlich zusammentreten und ihre Transkription und Prozessierung, sowie die Assemblierung ihrer und auch anderer Genprodukte koordiniert ablaufen.
Der eigentliche Transkriptionsprozess wird sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten einerseits auf der Ebene der DNA und andererseits durch proteinogene Faktoren reguliert. Die in der DNA vorhandenen Sequenzmotive werden verallgemeinernd auch als cis-Elemente klassifiziert, während die proteinogenen Faktoren als trans-Elemente bezeichnet werden. So wird die Transkription eines bestimmten Gens i.d.R. durch spezielle und tlw. hochkonservierte Sequenzmotive beeinflusst. Die Grösse, Lage und ausgeübten Effekte dieser Sequenzmotive ist sehr unterschiedlich: Meist besitzen Gene eine als Promoter bezeichnete Region, die in einem bestimmten Abstand stromaufwärts (engl. upstream), d.h. in 5'-Richtung des nicht transkribierten Stranges des DNA, ausserhalb des transkribierten Bereichs liegt. Solche Promoter, wie z.B. die sog. TATA-Box, fungieren als Bindungs- und Initiationsstelle der DNA abhängigen RNA Polymerasen, die mit anderen Proteinen unter Bildung eines sog. Präinitiationskomplexes (abgk. PIC) am Promoter assemblieren und die nachfolgenden DNA-Bereiche transkribieren. Häufig hängt von der Art des Promoters die Effizienz der Transkription ab, d.h. der Promoter eines Gens hat Einfluss darauf, ob in einer gegebenen Zeiteinheit viele oder wenige Transkripte gebildet werden und mit welcher Präzision dies geschieht. Tlw. finden sich den Promotern analoge, regulative Elemente auch innerhalb des transkribierten Bereichs. Solche Sequenzmotive sind bspw. für die sog. Klasse III Gene der Eukaryoten charakteristisch und werden hier als engl. internal control regions, abgk. ICR, bezeichnet.
Zusätzlich zum Promoter sind meist zusätzliche, nicht-codierende aber regulierende Elemente vorhanden, die in unterschiedlichen Positionen relativ zur codierenden Region eines Gens angeordnet sein können. Diese Elemente können die Funktion des Promoters lediglich unterstützen oder aktivierend bzw. inhibierend auf die Gentranskription einwirken. Bei Prokaryoten bspw. befindet sich in vielen Genen ein weiter stromaufwärts vom Promoter gelegenes Sequenzmotiv, das als Erkennungsstelle für die RNA-Polymerase dient und so die Assemblierung des PIC am Promoter unterstützt. Ferner wurde bei vielen prokaryotischen Genen ein sog. Operator-Element nachgewiesen, das i.d.R. innerhalb des Promoters positioniert ist oder sich stromabwärts (engl. downstream), d.h. also in 3'-Richtung des nicht-transkribierten Stranges, an den Promoter anschliesst. Operatoren finden sich meist bei polycistronischen Genen und regulieren damit mehrere Genprodukte gleichzeitig. Solche durch Operatoren regulierte Gene werden gemäss einem von F. Jacob und J. Monod 1961 entwickelten Modell auch als Operon bezeichnet. Die regulative Wirkung kommt dadurch zustande, das im Bereich des Operatormotivs ein als Repressor bezeichnetes Protein an die DNA bindet, welches die Transkription der nachfolgenden codierenden Sequenzen blockiert; ein Mechanismus der auch als Genrepression bezeichnet wird.
Bei eukaryotischen Genen treten häufig Elemente auf, die als engl. Enhancer bezeichnet werden. Enhancer wirken sich positions- und orientierungsunabhängig stark aktivierend auf die Transkription aus, so dass bei der experimentellen Enfernung (Deletion) solcher Elemente die Transkriptionsaktivität mitunter um das Hundertfache erniedrigt wird. Die Enhancer-Wirkung kommt i.d.R. durch DNA bindende Proteine zustande, die an die Sequenzmotive der Enhancer binden und so die Bildung des PIC durch Protein-Protein Wechselwirkungen oder Konformationsänderungen der DNA begünstigen. Ähnlich den Enhancer-Elementen sind umgekehrt auch positions- und orientierungsunabhängige Elemente bekannt, die die Transkriptionsaktivität stark herabsetzen bzw. völlig blockieren und die als engl. silencer bezeichnet werden.
Eine weitere wichtige Gruppe von regulatorischen Elementen stellen diejenigen Sequenzmotive und Faktoren dar, die den als Termination bezeichneten Abbruch der Transkription regulieren. So finden sich sowohl in prokaryotischen als auch eukaryotischen Genen am Ende der transkribierten Regionen Sequenzmotive, die eine Ablösung der RNA-Polymerase von der DNA begünstigen und so die Transkription beenden. Solche Sequenzmotive werden als Terminationssequenzen oder kurz als Terminatoren bezeichnet. Zusätzlich können Terminationssignale auch durch proteinogene Faktoren vermittelt werden, wie z.B. bei den Prokaryoten das hexamere ρ-Protein, das mit der transkribierten RNA interagiert und die Transkription beendet. Mechanismen und Faktoren, die einer Termination entgegenwirken, werden entsprechend als Antitermination bzw. Antiterminatoren bezeichnet. In eukaryotischen Klasse II Genen sind Terminationssequenzen mit Motiven kombiniert, die in der synthetisierten pre-mRNA zu einer Polyadenylation des 3'-Endes führen.
Auch auf Ebene der Transkripte in Form von pre-mRNA bzw. prozessierter mRNA findet in vielen Fällen eine Regulation statt, wodurch meist die Menge des gebildeten Genprodukts gesteuert wird oder eine zell- oder gewebespezifische Expression von Proteinen erzielt wird. So können in Eukaryoten bei der RNA-Prozessierung mittels des Vorgangs des Spleissens (engl. splicing) aus einer pre-mRNA alternative mRNA's gebildet werden, die zur Translation unterschiedlicher Polypeptide führt. Dieser Vorgang wird als alternatives Spleissen (engl. alternate splicing) bezeichnet und findet sich häufig bei entwicklungs- oder gewebespezifischer Expression von Proteinen. In Prokaryoten geht die Transkription meist unmittelbar in die Translation über, d.h. noch während ein Gen transkribiert wird, findet bereits die Translation der mRNA an Ribosomen statt. In diesem Zusammenhang wurde ein insb. bei Genen der Aminosäure-Synthese vorhandener Mechanismus nachgewiesen, der als Attenuierung bzw. Attenuation bezeichnet wird und der zwar auf der Ebene der Translation ausgelöst wird, aber auf die noch andauernde Transkription zurückwirkt und diese unterbricht. Attenuierung kommt durch spezielle, als Attenuatoren bezeichnete Sequenzmotive zustande, die alternative Sekundärstrukturen in der mRNA ausbilden können. Diese unterschiedlichen Sekundärstrukturen werden in Abhängigkeit von der Konzentration bestimmter tRNA's gebildet und führen entweder zur einer Unterbrechung der Translation mit fortgeführter Transkription oder zu einer fortgeführten Translation in einem bestimmten Bereich der mRNA, die jedoch die weitere Transkription unterbindet. Ein weiterer Mechanismus der Regulation von mRNA's stellt die sog. RNA-Interferenz (abgk. RNAi) dar. Hierbei bilden kleine, als micro RNA bezeichnete RNA's mit Teilen der mRNA durch komplementäre Basenpaarungen doppelsträngige RNA-Abschnitte aus, was dazu führt, dass diese doppelsträngigen Abschnitte durch RNAsen erkannt und abgebaut wird. Solche genregulativen Vorgänge sind sowohl bei Prokaryoten als auch Eukaryoten nachgewiesen worden. Durch RNAi kann somit die Menge des gebildeten Genprodukts herabgesetzt oder die Wirkung eines Gens durch den Abbau aller gebildeten mRNA's völlig unterbunden werden, was mittlerweile nicht nur experimentell genutzt wird, sondern auch hinsichtlich therapeutischer Anwendungen untersucht wird.
bp
- Abk. für engl. base pairs, dt. Basenpaare. Diese Abk. dient als Einheit zur Kennzeichnung der Anzahl von Basenpaarungen bei doppelsträngigen Nukleinsäuren, insb. von doppelsträngiger DNA (dsDNA) und kennzeichnet als indirektes Mass die Länge eines Nukleinsäuremoleküls. Grössenordnungen von Tausend-, Millionen- und Milliarden werden durch die Präfixe Kilo, Mega und Giga, sowie deren Abkürzungen als Einheiten von Kbp bzw. kbp, Mbp bzw. mbp und Gbp bzw. gbp wiedergegeben. Im Gegensatz zu doppelsträngigen Nukleinsäuren, ist bei einzelsträngigen Molekülen die Abk. nts für engl. nucleotides gebräuchlich, allerdings findet sich für einzelsträngige Moleküle auch die Abk. 'b' für engl. bases, dt. Basen. Auch hier werden mit den Präfixen Kilo (kb/Kb), Mega (mb/Mb), Giga (gb/Gb) die entsprechenden Grössenordnungen von Tausend-, Millionen- und Milliarden zum Ausdruck gebracht.
Genlocus, Pl. Genloci
- Bezeichnung für den Ort (lat. locus) oder Position eines Gens innerhalb der DNA-Sequenzen eines Genoms. Gene nehmen i.d.R. eine mehr oder weniger konstante Position auf den DNA-Molekülen des Genoms eines Organismus ein, d.h. dass bei den verschiedenen Individuen einer Art, ein bestimmtes Gen am selben Abschnitt innerhalb der DNA auftritt. Diese Positionen von Genen werden bei kartierten oder sequenzierten Genomen oder Plasmonen der Prokaryoten häufig durch Abstands- oder Distanzangaben relativ zum Startpunkt der Replikation (engl. origin of replication, abgk. ori) angegeben. Bei den in Chromosomen organisierten Genomen der Eukaryoten erfolgt die Angabe des Genlocus meist in Abhängigkeit von den Methoden, mit denen die Lage der Gene auf den Chromosomen ermittelt wurde. Verbreitet sind hierbei sog. zytogenetische Karten, die mittels Karyogrammen, Methoden der Kernfärbung, FISH u.ä. erstellt wurden. Bei dieser Form der Kartierung erfolgt die Angabe des Genlocus durch die relative Lage des Gens gegenüber festgestellten Fixpunkten auf dem Chromosom, wie z.B. die durch Färbungen ermittelten Bänderungen. Beim menschlichen Genom wurde diese Form der Genkartierung, den standardisierten Verfahren einer internationalen Konvention folgend, 1971 normiert. Gemäss dieser Nomenklatur werden die nicht geschlechtsspezifischen Chromsomen (Autosomen) von 1 bis 22 durchnummeriert und die Geschlechtschromosomen (Gonosomen) mit dem Grossbuchstaben X für das weibliche und Y für das männliche Geschlechtschromsom gekennzeichnet. Innerhalb der Chromosomen wird anhand der primären Einschnürung des Chromosoms am Centromer der kürzere der beiden sich am Centromer vereinigenden Chromosomenabschnitte mit p (von franz. petit) und der längere mit q (von franz. queue) bezeichnet. Die auf den Chromosomenarmen auftretenden Bänderungen (G- und C-Banden) der standardisierten Giemsa-Färbungen werden vom Centromer ausgehend in nummerierte Regionen eingeteilt und die Banden innerhalb der Regionen ebenfalls durchnummeriert. Sich durch höhere Auflösungen ergebende Unterbanden innerhalb der Hauptbanden werden durch Zahlen angegeben, die mittels eines Punktes von der vorhergehenden Nummerierung abgetrennt werden. Ferner erhalten alle entdeckten Gene des Menschen den Regeln des HUGO Gene Nomenclature Committee (HGNC) folgend einen eindeutigen Namen mit einer entsprechenden Kurzform. So findet sich bspw. das mit HBA1 bezeichnete Gen für die α-Untereinheit des menschlichen Hämoglobins im Genlocus 16p13.3, also in der Unterbande 3 der Bande 3 der Region 1 auf dem kurzen Arm des Chromosoms 16.
Neben dieser zytogenetischen Kartierung existieren weitere Kartierungen, die aus Untersuchungen an gekoppelten Genen, an mittels Röntgenstrahlung produzierten Chromsomenbruchstücken oder aus der Sequenzierung der DNA der Chromosomen resultieren. Bei allen letztgenannten Methoden der Genkartierung erfolgt die Angabe des Genlocus durch einen relativen Abstand- oder Distanzwert, der bei dem Verfahren der gekoppelten Gene (engl. genetic linkage mapping) in der Einheit Morgan (abgk. M) bzw. centi-Morgan (abgk. cM), bei der Methode der durch Röntgenstrahlung produzierten Chromsomenfragmente (engl. radiation hybrid mapping, abgk. RH) in Rays (abgk. R) bzw. centi-Rays (abgk. cR) und bei den durch DNA-Sequenzierung (engl. sequence mapping) festgestellten Genloci in Basenpaaren (engl. base pairs, abgk. bp) und deren Zehnerpotenzen (engl. kilo base pairs, abgk. kbp oder mega base pairs, abgk. mbp) ausgedrückt wird. Diese durch unterschiedliche Verfahren gewonnen Informationen zu Genen und ihrer Lokalisierung werden in separaten Koordinatensystemen repräsentiert. So werden bei den sequenzierungsbasierten Angaben des Genlocus bei den menschlichen Chromosomen die Basenpaare der DNA vom Ende des p-Arms in Richtung des Endes auf dem q-Arm gezählt. Allerdings schwanken hier die Angaben je nach Herkunft und Darstellungsweise der Daten. Vergleichbar werden die verschiedenen Koordinatensysteme durch bestimmte Marker, wie z.B. die sog. STS. Für das menschliche Genom sind die Ergebnisse dieser verschiedenen Verfahren in den Datenbanken des National Center for Biotechnology Information (abgk. NCBI) der U.S. amerikanischen Gesundheitsbehörde NIH oder anderen Institutionen abgelegt und können von dort abgerufen und verglichen werden. Für andere gut untersuchte und vollständig sequenzierte Organismen, wie z.B. den Fadenwurm Caenorhabitis, die Fruchtfliege Drosophila, die Ackerschmalwand Arabidopsis u.a. existieren ähnliche Datenbanken, die die Informationen von DNA-Sequenz und Genlocus integrieren.
Homologie, Homolog, Adj. homolog
- Im Kontext der Genetik eine Bezeichnung für sich entsprechende DNA- oder RNA-Sequenzen, Gene oder Proteine, die aus einem gemeinsamen Vorläufer bzw. Vorfahren hervorgegangen sind. Dabei können homologe Verhältnisse sowohl in demselben Organismus bzw. Art, als auch in unterschiedlichen Organismen bzw. Arten auftreten. Eine Homologie von Genen oder Proteinen bei verschiedenen Organismen, die auf ein gemeinsames Vorläufergen bzw. -protein zurückzuführen ist, wird in diesem Zusammenhang auch als Orthologie bezeichnet. Handelt es sich um Homologien, die aus einer Genduplikation herrühren, werden diese als Paraloge bezeichnet.
Die Homologie von DNA-Sequenzen bzw. Genen bildet einen zentralen Bestandteil von vergleichenden, taxonomischen Untersuchungen, die den Ausgangspunkt für die Erstellung phylogenetischer Stammbäume anhand genetischer Informationen darstellen.
Eine weitere, abgewandelte Bedeutung des Homologiebegriffs findet sich in der Zytogenetik, wo einander entsprechende Chromosomen ebenfalls als homolog bezeichnet. In diploiden Organismen wird je ein Chromosom eines homologen Chromsomenpaares von einem Elternteil beigesteuert. Die Homologie beschränkt sich dabei i.d.R. auf die geschlechtsunspezifischen Chromosomen (Autosomen), während die geschlechtsspezifischen Chromosomen nicht zueinander homolog sind. Homologe Chromosomen paaren sich während der Meiose im Vorgang der Synapsis bzw. Syndese.
Generell muss die Verwendung des Begriffs Homologie in der Genetik von derjenigen der Zoologie unterschieden werden, da in der Zoologie hpts. morphologisch-anatomische Merkmale, wie z.B. Organe, zur Untersuchung von Homologien anhand sog. Homologiekriterien herangezogen werden (s.a. Homologie in der Zoologie). Dennoch muss man sowohl in der Genetik, als auch in der Zoologie beachten, unter welchen Gesichtspunkten man zur Feststellung von Homologien gelangt, um Zirkelschlüsse zu vermeiden. So sind bspw. Gene per Definition nur dann zueinander homolog, wenn sie einen gemeinsamen Vorläufer aufweisen und daher die festgestellten Ähnlichkeiten diesem Zusammenhang zugeschrieben werden können. In der Praxis werden jedoch häufig zueinander sehr ähnliche DNA-Sequenzen, ab einer Übereinstimmung von, je nach Definition, 10 bis 30 %, als homolog bezeichnet. Dieser Umstand wird dann dazu benutzt, den Sachverhalt einer gemeinsamen Abstammung zu postulieren. Jedoch ist es zum einen denkbar, wenn auch unwahrscheinlich, dass zuneinander sehr ähnliche Sequenzen nicht auf einer gemeinsamen Abstammung beruhen und zum anderen kann umgekehrt die Ähnlichkeit der von einem gemeinsamen Vorläufer abstammenden Sequenzen im Laufe der evolutionären Entwicklung verloren gegangen sein. Hilfreich sind hierbei zusätzliche Informationen, die bereits auf einen verwandtschaftlichen Zusammenhang hinweisen. So sind bspw. zwei einander sehr ähnliche Sequenzen, die beide aus der Gruppe der Vertebrata (Wirbeltiere) stammen, mit grösserer Wahrscheinlichkeit zuneinander homolog, als wenn Sequenzen aus weiter voneinander entfernten Gruppen miteinander verglichen werden. Da man eine Homologie im Sinne einer gemeinsamen Abstammung nicht zwangsläufig von einer Homologie im Sinne einer grossen Ähnlichkeit ableiten kann, ist es daher häufig sinnvoller, erst dann von homologen Genen, Proteinen etc. zu sprechen, wenn die vermuteten Homologien auch durch weitere Befunde bestätigt werden.
Orthologie, Ortholog, Adj. ortholog
- homologe, in ihrer Sequenz meist sehr ähnliche Gene oder Proteine verschiedener Organismen, von denen man annimmt, dass sie sich im Zuge der evolutionären Entwicklung aus einem Vorläufergen (bzw. -protein) in einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben. So stellen bspw. das α-Hämoglobin-Gen von Mus musculus (Maus) und das α-Hämoglobin-Gen von Gallus gallus (Huhn) Orthologe dar. Orthologe weisen also in phylogenetischen Untersuchungen auf die Verwandtschaft von Organismen hin und können u.U. auch Aufschluss über den Zeitraum geben, in dem die Gene einer divergenten, d.h. auseinanderstrebenden, Entwicklung ausgesetzt waren. Insb. bei orthologen Proteinen wird im allgemeinen dabei von der Sequenzhomologie auch auf eine funktionale Übereinstimmung der Orthologe geschlossen, was jedoch in vielen Fällen nicht zutrifft und eine experimentelle Überprüfung erfordert.
Paralogie, Paralog, Adj. paralog
- Bezeichnung für homologe Gene innerhalb eines Organismus oder in verschiedenen Organismen, die durch Genduplikationen enstanden sind. Bspw. werden die α- und β-Hämoglobin-Gene von Mus musculus (Maus) als Paraloge angesehen, aber auch bei dem α-Hämoglobin-Gen der Maus und dem β-Hämoglobin-Gen Gallus gallus (Huhn) liegt eine Paralogie vor. Paraloge Genkopien, die im Laufe der Evolution funktionslos geworden sind, werden als Pseudogene bezeichnet.
Pseudogen
- Bezeichnung für durch Genduplikationen enstandene Kopien von Genen, d.h. sog. Paraloge, die im durch Mutationen im Laufe der Evolution funktionslos geworden sind. Insb. in eukaryotischen Genomen sind Pseudogene häufig vorzufinden, so enthält das menschliche Genom neben den ca. 25000 funktionalen Genen ca. 20000 Pseudogene.
Genotyp
- Der Genotyp bezeichnet die exakte genetische Konstitution eines Organismus, also v.a. die hinsichtlich eines Gens oder einer Gruppe von Genen in einem Organismus vorhandenen Allele (d.h. die innerhalb eines Gen-Pools auftretenden Variationen eines oder mehrerer Gene). Ursprünglich beschränkt sich der Genotyp dabei auf die im Zellkern der Eukaryoten oder im Genophor der Prokaryoten vorhandene Erbinformation und dient v.a. der Differenzierung von intra-spezifischen Unterschieden im Erbgut, während die gesamte, in einer Zelle vorhandende Erbinformation als Idiotyp bezeichnet wird. Diese strikte Unterscheidung ist in der modernen genetischen Interpretation häufig aufgeweicht, so dass der Begriff Genotyp mitunter synonym zu dem des Idiotyps verwendet wird (s.a. Genom) und man auch von einem mitochondrialen oder seltener von einem plastidären Genotyp spricht.
Auch hinsichtlich der in einem Organismus auftretenden Chromosomen wird häufig von einem Genotyp gesprochen, der auch als chromosomaler Genotyp bezeichnet wird. V.a. in der Genetik und Entwicklungsbiologie von Drosophila (Fruchtfliege) wird vielfach mit einem solchen chromosomalen Genotyp gearbeitet. Bei der Annotation des Genotyps eines Organismus existieren je nach Spezies verschiedene Nomenklaturen. Eine häufige Konvention ist z.B., dass gebräuchliche Gennamen oder deren Abk. bei rezessiven Allelen klein geschrieben werden, während der Anfangsbuchstabe oder die ganze Bezeichnung dominanter Allele in Grossbuchstaben ausgedrückt wird, z.B. adh und Adh bzw. ADH für die rezessiven und dominanten Allele der Alkoholdehydrogenase bei Drosophila. Eine weitere Konvention besteht darin, dass bei diploiden Organismen Heterozygosität mittels eines Bruchstrichs oder eines Schrägstrichs ausgedrückt wird, so dass die beiden heterozygoten Allele eines Gens oder die verschiedenen Chromosomentypen über und unter dem Bruchstrich stehen bzw. diesseits und jenseits des Schrägstrichs aufgeführt werden, z.B. adh/Adh für einen bezüglich der Alkoholdehydrogenase heterozygoten Genotyp. Bei homozygoten Genotypen entfällt diese Schreibweise und das entsprechende Allel wird nur einfach aufgeführt.
Im Gegensatz zum Genotyp eines Organismus wird mit dem Phänotyp die tatsächlich in Erscheinung tretenden Merkmale eines Organismus zum Ausdruck gebracht, wie z.B. die weisse oder rote Blütenfarbe einer Pflanze. Nicht selten lässt sich dem Phänotyp eines Organismus ein bestimmter Genotyp zuordnen, dies ist z.B. in der Drosophila Genetik verbreitet, wo bestimmten, äusserlich sichtbaren Mutationen, z.B. der Augenfarbe oder der Flügelform, ein entsprechendes, charakteristisches Allel zugeordnet werden kann. Häufig ist der Zusammenhang von Phänotyp und Genotyp jedoch komplexer, da bspw. ein gleicher Phänotyp durch verschiedene Allele bedingt sein kann (häufig z.B. beim sog. Wildtyp). Auch Effekte der Pleiotropie und der Polygenie üben einen nicht unerheblichen Einfluss auf diesen Zusammenhang aus.
Idiotyp
- Im klassischen Verständnis der Genetik die Gesamtheit der Erbinformationen (DNA) einer konkreten Zelle bzw. eines Organismus, d.h. sowohl die im Nucleus lokalisierte (Karyom), als auch die extranucleär in den Mitochondrien (Chondriom), den Plastiden (Plastom) oder Plasmiden (Plasmon) vorhandene und dem Organismus zugehörige DNA. In der modernen Interpretation wird der Begriff Genom häufig mit dem Idiotyp gleichgesetzt, auch findet sich mitunter eine synonyme Verwendung von Idiotyp und Genotyp.
Karyom
- Die Gesamtheit des im Zellkern (Nucleus) der Eukaryoten vorhandenen Erbgutes. Der Begriff Karyom wird insb. verwendet, um die in einem Genom vorhandenen und im Zellkern lokalisierten Erbinformation von den extra-nucleären Erbinformationen abzugrenzen.
Genpool, Gen-Pool
- Die Gesamtheit der in einer Population oder einer Art vorhandenen Gene bzw. deren, als Allele bezeichneten, Variationen.
Allel
- Ursprünglich werden die auf den unterschiedlichen, aber zueinander homologen Chromosomen diploider bzw. polyploider Organismen liegenden und einander entsprechenden Gene als Allele (von grch. allelon, dt. einander, gegenseitig) bezeichnet. So spricht man bspw. bei den beiden, jeweils auf einem der beiden Chromosomen 11 des Menschen liegenden β-Globin-Genen von einem mütterlichen und einem väterlichen Allel. Diese Gene können hinsichtlich ihrer DNA-Sequenz identisch sein, was als homozygoter Genotyp bezeichnet wird, oder mehr oder weniger unterschiedlich, was einer heterozygoten Konstitution entspricht. Aufgrund der Feststellung, dass bestimmte Varianten eines Gens in einer Population von Individuen mit einer gewissen Häufigkeit (Frequenz) auftreten, wurde der Begriff des Allels verallgemeinernd auf die verschiedenen, im Gen-Pool einer Art oder Population auftretenden Gene ausgedehnt. Dabei wird das am häufigsten anzutreffende Allel i.d.R. als Wildtyp bezeichnet. Solche Varianten eines Gens kommen durch Unterschiede in der genomischen DNA-Sequenz des Gens zustande und nicht durch eine unterschiedliche Prozessierung des Genprodukts, wie z.B. durch alternatives Spleissen (engl. alternate splicing). Die Existenz von Allelen lässt sich prinzipiell dadurch erklären, dass Gene im Laufe der Evolution Mutationen ausgesetzt sind und sich daher in den unterschiedlichen Fortpflanzungslinien oder Populationen verändern. Somit ist grundsätzlich der Übergang von einem mutierten Gen zu einem Allel fliessend, allerdings spricht man i.d.R. erst dann von Allelen, wenn sich mutierte Gene im Gen-Pool einer Art oder Population manifestiert haben, also mit einer bestimmten Frequenz auftreten, was bedeutet, dass die variierenden Gene bereits über einen gewissen Zeitraum vorhanden sind und über eine bestimmte Anzahl von Generationen vererbt worden sind. Da Allele durch eine variierende DNA-Sequenz zustande kommen, müssen Allele nicht zwangsläufig zu einem abweichenden Phänotyp führen. Vielfach bedingen unterschiedliche Allele jedoch einen charakteristischen Phänotyp und können mitunter für Erbkrankheiten verantwortlich sein. So hat man beim Menschen mehr als 500 erblich bedingte Krankheiten nachgewiesen, die grösstenteils auf bestimmte Allele zurückzuführen sind. Ein bekanntes Beispiel ist ein mutiertes Gen des Hämoglobin A (HbA) des Menschen, das zur Bildung eines veränderten Hämoglobin S (kurz HbS) führt und das die sog. Sichelzellanämie hervorruft, wenn das Allel homozygot vorliegt. Bei der Sichelzellanämie entstehen insb. unter Sauerstoffmangelbedingungen durch das veränderte Hämoglobin S abnorm gestaltete, häufig sichelförmige Erythrozyten mit verminderter Elastizität, die Durchblutungsstörungen und Organschädigungen hervorrufen. Das veränderte Hämoglobin kommt durch eine Punktmutation im Gen der β-Kette des Hämoglobins (β-Globin) zustande, die dazu führt, dass an der Position 6 des β-Ketten-Peptids die Aminosäure Valin anstatt Glutaminsäure 'eingebaut' wird. Derartiges Hämoglobin lagert sich zu fibrillären Komplexen zusammen, wenn kein Sauerstoff gebunden ist, d.h. also insb. bei Sauerstoffmangelbedingungen. Die fibrilliäre Struktur des HbS bedingt die sichelartige Verformung der Erythrocyten, was so zu deren Verklumpung und Verhakung untereinander und damit zu einer verminderten Durchblutung der Kapillaren führt, die wiederum eine Unterversorgung von Geweben mit Sauerstoff zur Folge hat. Andererseits bedingt das rezessive HbS-Allel eine erhöhte Resistenz gegen Malaria, so dass in Malariagebieten die Frequenz von heterozygot auftretenden HbS Allelen stark erhöht ist.
Wildtyp
- Der in einer Art oder Population am häufigsten auftretende Phänotyp bzw. Genotyp. Auch in Bezug auf einzelne Gene spricht man von einem Wildtyp, wenn das betreffende Gen das am häufigsten anzutreffende Allel in einem Gen-Pool darstellt.
Polymorphismus, Adj. polymorph
- Allg. Vielgestaltigkeit bzw. vielgestaltig. Im Kontext der Genetik wird als Polymorphismus die Variation, d.h. die Abweichungen und Unterschiede in den DNA-Sequenzen von Individuuen einer Art oder einer Population bezeichnet. Bei polymorphen Sequenzen kann es sich grundsätzlich um Gene, aber auch um nichtcodierende DNA-Abschnitte handeln. Polymorphismus äussert sich bei Genen bspw. darin, dass man eine grosse Anzahl von Allelen in einer Population vorfindet, wie dies z.B. bei dem für die MHC-Proteine codierenden HLA-Genlocus des Menschen der Fall ist. Ein weiteres Beispiel für die Eigenschaft des Polymorphismus bilden die sog. engl. restriction fragment length polymorphism (abgk. RFLP). Dies sind codierende oder nicht-codierende DNA-Abschnitte des Genoms, deren Spaltmuster, d.h. die Länge der bei einem Verdau mittels Restriktionsendonucleasen gebildeten Fragmente, sich von Individuum zu Individuum unterscheidet. Da die Variationen der RFLP sich mit zunehmendem genetischen Abstand (d.h. mit Abnahme des Verwandtschaftsgrades) vergrössern, werden RFLP, wie auch andere polymorphe Sequenzen, bevorzugt als genetische Marker verwendet und bspw. zur Analyse verwandtschaftlicher Verhältnisse eingesetzt. Auch treten manche RFLP gekoppelt mit bestimmten Allelen auf und lassen sich daher verwenden, um bspw. bestimmte mutierte, Erbkrankheiten bedingende Allele pränatal nachzuweisen, so z.B. bei der Sichelzellanämie. Bei der Erstellung von genetischen Datenbanken werden u.U. auch die sog. engl. single nucleotide polymorphism (abgk. SNP) berücksichtigt. Dies sind Punktmutationen, die aus Abweichungen eines Nucleotids an einer bestimmten Stelle des Genoms auftreten. Im menschlichen Genom wurden SNP's mit einer Frequenz von 1 aus 1000 Nucleotiden festgestellt und mehrere Hunderttausend SNP's kartiert. SNP's können u.U. Hinweise auf Erbkrankheiten liefern, wenn sich bestimmte Krankheitsbilder mit dem Auftreten von SNP's korrelieren lassen.
RFLP
- Akronym für engl. Restriction Fragment Length Polymorphism.
SNP
- Akronym für engl. Single Nucleotide Polymorphism.
Phän
- engl. phene, ein definiertes, (sichtbares) Merkmal eines Organismus. In ihrer Gesamtheit bilden die Phäne eines Organismus in Analogie zum Genom das sog. Phänom, obwohl dieser Begriff in der Genetik eher ungebräuchlich ist. Häufiger wird hingegen vom sog. Phänotyp gesprochen, der im Gegensatz zu dem durch die Gene bestimmten Genotyp, ein bestimmtes Merkmal oder eine Kombination von Merkmalen eines Organismus bezeichnet. Mitunter ist die Verwendung des Begriffes Phänotyp insofern mehrdeutig als darunter sowohl das Merkmal selbst (z.B. der Phänotyp rote Blütenfarbe) als auch die Ausprägung eines Merkmals bei einem konkreten Organismus (z.B. die rote Blütenfarbe einer best. Rose) verstanden wird. Die Begriffe Phänotyp und Genotyp wurden ca. um 1905 von dem dän. Genetiker Wilhelm Johannsen eingeführt, während der Begriff des Phäns erst später, vermutlich durch den russ. Genetiker Alexander Serebrovsky, um 1920 enststand.
Die Unterscheidung in äusserlich sichtbare Merkmale, den Phänen, und den tatsächlichen Erbanlagen, den Genen, wurde durch die Erkenntnis notwendig, dass nur die DNA und die auf ihr codierten Gene tatsächlich von Generation zu Generation weitervererbt werden, während die sichtbaren Merkmale und Eigenschaften eines Organismus durch diese Gene lediglich zustande kommen, aber nicht direkt vererbt werden. In diesem Sinne kann ein Phän durch ein einziges Gen oder durch mehrere bis viele Gene konstituiert werden. Letzterer Fall wird auch als Polygenie bezeichnet, während umgekehrt ein einzelnes Gen auch die Ausprägung mehrerer bis vieler Phäne beeinflussen kann, was als Pleiotropie bezeichnet wird.
In der modernen Molekularbiologie stellen letztendlich die unmittelbar durch die Gene codierten Proteine die Phäne dar, so dass es sich bei den Phänen nicht mehr zwangsläufig um nach aussen in Erscheinung tretende, qualitativ oder quantitativ sichtbare Merkmale, wie etwa die Blütenfarbe, Fellzeichnung, Anzahl Beine etc. handelt, sondern der Phänotyp bzw. das Phänom eines Organismus durch sein Proteom gebildet wird. Dennoch stellen die makroskopischen, sichtbaren Phäne weiterhin wichtige Anhaltspunkte dar, insb. für die Tier- und Pflanzenzüchtung, sowie die Taxonomie, da sie komplexe Merkmale bilden, durch welche die evolutionäre Organisation eines Taxons u.U. besser zum Ausdruck gebracht wird, als durch ein einzelnes Protein oder einer Gruppe solcher Verbindungen. Im Hinblick auf die Mechanismen der Evolution ist die Unterscheidung in Phäne und Gene insofern von Bedeutung, als dass insb. bei mehrzelligen, komplex organisierten Organismen es i.d.R. die Phäne und nicht die Gene der DNA sind, auf die die Mechanismen der Selektion einwirken; so wird bspw. die rote oder weisse Blütenfarbe einer Pflanze von bestäubenden Insekten bevorzugt und nicht die die Gene konstituierende Nucleotidsequenz der zugrundeliegenden DNA, welche dieses Merkmal bedingen. In diesem Verständnis stellen die Gene zwar die Informationsträger, aber nicht die Information selber dar. Diese durch Phäne ausgedrückte Information tritt erst durch die Ontogenese des Individuums und im Zusammenspiel mit Umweltbedingungen zutage. Dies impliziert, dass es hypothetisch möglich ist durch unterschiedliche Gene denselben Selektionseffekt zu erzielen (bspw. eine unterschiedliche Kombination von Genen die eine vorteilhafte Blütenfarbe bedingen). Innerhalb der zellulären Organisation kann die DNA (v.a. bei Prokaryoten) mit ihrer Nucleotidabfolge u.U. selbst ein Phän darstellen, da, ohne dass die Information der Gene verändert ist, die DNA bestimmten selektiv wirkenden Mechanismen ausgesetzt ist. So treten z.B. unterschiedliche Replikationsergebnisse bei thermophilen Prokaryoten auf, die durch einen unterschiedlichen Gehalt an A/T und G/C-Basenpaarungen hervorgerufen werden.
Phänom
- die Gesamtheit der Phäne eines Organismus. Das Phänom, engl. phenome kann damit, in Bezug auf die ausgeprägten Merkmale, dem durch die Gene (Erbanlagen) gebildeten Genom gegenübergestellt werden. Ein einzelnes Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen eines Individuums oder einer Spezies wird hingegen als Phänotyp bezeichnet. Der Begriff Phänom ist eher ungebräuchlich und häufig wird die Bezeichnung Phänotyp synonym verwendet.
Phänotyp
- Der Ausprägungstypus eines individuellen Organismus oder einer Spezies hinsichtlich eines bestimmten Merkmals oder einer Gruppe von Merkmalen, z.B. der Phänotyp rote Blütenfarbe. Der Phänotyp bezieht sich somit im Gegensatz zum Genotyp auf tatsächlich in Erscheinung tretenden Merkmale, entspricht also dem i.d.R. nach aussen hin sichtbaren Ausprägungsmuster eines oder mehrer Gene, während mit dem Genotyp die konkret vorhandene genetische Information ausgedrückt wird.
phene, Pl. phenes
- engl. für dt. Phän.
Chromatin
- Bezeichnung für die gesamte DNA und der mit ihr assoziierten Proteine des eukaryontischen Nucleus, insb. das gesamte Material, das sich während der Mitose in den Chromosomen befindet. Die Bezeichnung leitet sich historisch von dem Färbeverhalten (grch. chromos, dt. Farbe) des Zellkernmaterials in verschiedenen Färbemethoden mit Kernfarbstoffen ab, wie z.B. bei der Feulgen-Färbung oder Kernfärbungen mittels Orcein oder Karmin bzw. Karminessigsäure. Dieses charakteristische Verhalten gegenüber den Kernfarbstoffen führte zu der Bezeichnung Chromatin, noch bevor die exakte chemische Zusammensetzung und Struktur der Nukleinsäuren bekannt war. Als weiter gefasster Begriff wird der Ausdruck Chromatin auch für die mit Proteinen assoziierte Erbsubstanz von Prokaryonten, Mitochondrien, Plastiden oder Viren verwendet.
Heterochromatin
- stark kondensiertes Chromatin der Interphase eukaryontischer Zellen, an dem keine bzw. selten Transkription stattfindet.
Euchromatin
- aufgelockertes Chromatin der Interphase eukaryontischer Zellen, an dem Transkription stattfindet.
Chromosom
- Im engeren und ursprünglichen Sinne (d.h. historisch bedingt) werden unter Chromosomen die hochkondensierten Chromatinportionen verstanden, wie sie während der Mitose (insb. während der Metaphase) in eukaryotischen Zellen durch entsprechende Färbemethoden (s.a. Feulgenfärbung) und u.U. mit Hilfe von Spindelgiften wie Colchicin sichtbar gemacht und lichtmikroskopisch beobachtet werden können. Dabei wird nach dieser Definition vorrausgesetzt, dass jedes Chromosom mind. ein Kinetochor enthält. Somit entsprechen die Chromosomen im ursprünglichen Sinne einem transienten, also vorübergehenden, Zustand des Chromatins und können auch als Transportform des Chromatins angesehen werden.
Da diesen Strukturen jedoch auch voneinander unterscheidbare Einheiten der DNA-Organisation zugrundeliegen, können im weiter gefassten Sinne alle als einzelne DNA-Doppelstränge vorliegenden Einheiten des Genoms eines Organismus als Chromosomen bezeichnet werden, was damit auch das meist ringförmige Genophor der Prokaryoten einschliesst, welches häufig auch als Bakterienchromosom bezeichnet wird. Bei Eukaryoten wird die Anzahl der gesamten Chromosomen eines Zellkerns als Chromsomensatz oder Karyotyp bezeichnet. Sie ist für jeden Organismus charakteristisch. Der Karyotyp wird i.d.R. als haploider, d.h. einfacher Chromosomensatz schematisch in einem sog. Karyogramm oder Idiogramm dargestellt.
Autosomen, Adj. autosomal
- Diejenigen Chromosomen eines Karyotyps, die die geschlechtsunspezifischen Erbinformationen enthalten und somit in den weiblichen und männlichen Individuen einer Art gleichermassen vorhanden sind. Im Gegensatz zu den Autosomen werden die geschlechtspezifischen bzw. die das Geschlecht bestimmenden Chromosomen Gonosomen genannt. Ferner wird entsprechend der Erbinformation der auf den Autosomen lokalisierten Gene und der damit verbundenen Merkmale die Weitergabe dieser Erbinformationen als autosomale Vererbung bezeichnet. I.d.R. werden die Autosomen eines Organismus bestimmten Übereinkünften folgend durchnummeriert; so besitzt Homo sapiens (Mensch) 22 Autosomen, die entsprechend von 1-22 nummeriert sind.
Gonosomen, Adj. genosomal
- Geschlechtschromosomen, d.h. diejenigen Chromosomen, die die geschlechtsspezifischen Erbinformationen enthalten und somit eine unterschiedliche Verteilung in den weiblichen und männlichen Individuen einer Art aufweisen. Die auch als Heterosomen bezeichneten Chromosomen werden i.d.R. durch einen Grossbuchstaben vom Ende des Alphabets gekennzeichnet, so ist das weibliche Geschlecht bei Homo sapiens (Mensch) durch den Besitz zweier X-Chromosomen gekennzeichnet, während das männliche Geschlecht je ein X- und ein Y-Chromosom aufweist. Ähnliche Verhältnisse liegen auch bei vielen anderen Eukaryoten vor.
Heterosomen
- andere Bezeichnung für die Gonosomen.
polytänes Riesenchromosom
- besondere Bildung von Chromosomen, die auch als Polytänchromosomen bezeichnet werden. Riesenchromosomen wurden 1881 von Éduard-Gérard Balbiani (1823-1899) erstmals beschrieben und finden sich v.a. in den Zellen der Speicheldrüsen von Diptera (Zweiflügler, Fliegen), wie z.B. Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) oder Chironomus tentans (Zuckmücke). Sie bestehen aus zahlreichen Chromonemata, die durch mehrere DNA-Replikationen ohne anschliessende Mitose entstanden sind. Die Chromonemata hängen so miteinander zusammen, dass die Riesenchromosomen lichtmikroskopisch deutlich sichtbare Strukturen bilden. Die sich entsprechenden Abschnitte der DNA-Helix eines jeden Chromonema liegen dabei auf derselben Höhe, so dass in Kernfärbungen ein ausgeprägtes Bandenmuster von Chromomeren und Interchromomeren entsteht, die Abschnitte von Heterochromatin und Euchromatin kennzeichnen. So weisen in Drosophila die Riesenchromosomen gegenüber dem gewöhnlichen Metaphase-Chromosom mit einer Länge von ca. 7,5 μm eine Länge von ca. 2 mm auf. Ferner weisen die Riesenchromosomen von Drosophila die Besonderheit auf, dass die homologen Chromosomen gepaart sind und alle Chromosomen mit ihrer Centromer-Region in einem "Sammelchromozentrum" miteinander verbunden sind. Durch ihre Grösse und damit ihrer guten Beobachtbarkeit waren die Riesenchromosomen ein wichtiges Forschungsobjekt in den Anfängen der Zytogenetik. So lässt sich an den Riesenchromosomen besonders gut die Überstruktur des Euchromatins demonstrieren, die in Form eines charakteristischen Bandenmusters von Chromomeren zutage tritt. Auch die Loci und die strukturellen Bildungen der Transkriptionsaktivität konnten in Form der sog. Puffs bzw. Balbianiringe nachgewiesen werden.
Polytänchromosom
- andere Bez. für die polytänen Riesenchromosomen.
Balbianiringe
- besondere stark ausgebildetete, lichtmikroskopisch sichtbare Puffs von polytänen Riesenchromosomen, die nach dem Entdecker der Riesenchromosomen Éduard-Gérard Balbiani (1823-1899) benannt sind.
Puff
- von engl. to puff, dt. sich aufblähen. Puffs stellen besondere Strukturen von polytänen Riesenchromosomen in den Zellen der Speicheldrüsen von Diptera (Zweiflügler, Fliegen) dar, die von Regionen mit hoher Transkriptionsaktivität gebildet werden. Diese Regionen sind lichtmikroskopisch sichtbar und erscheinen in Kernfärbungen als helle Bänder, die dadurch zustande kommen, dass das Chromatin in diesen Bereichen dekondensiert und stark aufgelockert ist. In elektronenmikroskopischer Auflösung erscheinen die Chromosomen an diesen Stellen aufgebläht und bilden hervorstehende Ausstülpungen der Chromonemata. Die Verteilung, Anzahl und Lage der Puffs auf den Riesenchromosomen bilden entwicklungsabhängige Muster aus, die sich im Laufe der Larvalentwicklung verändern. Besonders grosse Puffs mit charakteristischer Ringbildung werden nach dem Entdecker der Riesenchromsomen Éduard-Gérard Balbiani (1823-1899) als Balbianiringe bezeichnet. Durch radioaktive Markierung mittels Tritium-haltigem Uridin konnte gezeigt werden, dass an den Puffs sehr viel RNA entsteht und daher diese Bereiche mit einer verstärkten Transkription von Genen in funktionalem Zusammenhang stehen müssen.
Lampenbürstenchromosom
- besondere Bildung von Chromosomen, engl. lampbrush chromosome, in der Meiose, bei der an den Chromomeren des Chromosoms schleifenartige Ausstülpungen (engl. loops) entstehen, in denen eine starke Transkriptionsaktivität auftritt, die elektronenmikroskopisch sichtbar gemacht werden kann. Die Ausstülpungen treten lateral zur Chromosomenachse auf und weisen gewöhnlich eine Länge von 10-50 μm, mitunter auch von bis zu 200 μm auf. An den ausgestülpten DNA-Schleifen lassen sich elektronenoptisch RNA-Transkripte verschiedener Länge ausmachen, wobei die zunehmende Länge der Transkripte entlang eines Schleifenabschnitts generell Aufschluss über die Transkriptionsrichtung gibt. Über den relativen Abstand der Transkripte untereinander lassen sich Rückschlüsse auf die Transkriptionsaktivität ziehen, da ein kleinerer Abstand auf eine höhere Frequenz der Transkriptionsinitiation hindeutet. Lampenbürstenchromosomen sind im Diplotän-Stadium dotterreicher Oocyten der Vertebrata (Wirbeltiere), in Spermatocyten der Aves (Vögel), Reptilia (Reptilien) und der Selachii (Haie), aber auch im Nucleus der einzelligen Grünalge Acetabularia nachgewiesen worden.
Links und Literatur:
Scheer, U., Franke, W.W., Trendelenburg, M.F., Spring, H. (1976) Classification of loops of lampbrush chromosomes according to the arrangement of transcriptional complexes., J. Cell Sci., 22(3), 503-519
Chromatide
- Die sog. "Spalthälfte" des Chromosoms in der Metaphase der Mitose. Da in der S-Phase des Zellcyclus durch den Vorgang der DNA-Replikation die Anzahl der Chromosomen verdoppelt wird, liegt bei diploiden Organismen vor Beginn der eigentlichen Kern- bzw. Zellteilung ein tetraploider Chromosomensatz vor. Die verdoppelten Chromosomen sind an ihrem Centromer miteinander verbunden und bilden eigentlich ein Chromosomenpaar, dass in der Metaphase, also der Phase der stärksten Kondensation, als X-förmige Struktur sichtbar wird. Die beiden einzelnen Chromosomen dieses Chromosomenpaares werden als Chromatiden bezeichnet und werden während der Anaphase durch die Tätigkeit des Spindelapparates voneinander getrennt, woher auch die Bezeichnung "Spalthälfte" rührt.
Telomer
- Hochrepetitive, d.h. sich vielfach wiederholende, Sequenzen an den Enden der Chromosomen, die eine Schutzfunktion gegen die replikationsbedingte Verkürzung der Chromosomen ausüben. Die Telomere werden nach jeder Replikation durch das Enzym Telomerase, einem Ribozym, erneuert, wobei man annimmt, dass dieser Prozess einen entscheidenden Einfluss auf das Altern eines Organismus hat. Für die Entdeckung der Telomerase und die damit verbundenen Vorgänge wurden 2009 Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider und Jack W. Szostak mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet.
Links:
Nobelpreisträger Medizin 2009, Nobel prize committee, Stockholm, Sweden
Centromer
- Einschnürung der Chromosomen, die zentral bis terminal (akrozentrisch, metazentrisch, submetazentrisch, telozentrisch) an einem Chromosom lokalisiert sein kann. In ihrer Nucleotid-Abfolge charakteristische Abschnitte der DNA der Centromere wird auch mit CEN bezeichnet. An einer speziellen Region des Centromers, dem Kinetochor setzen die Mikrotubuli des Spindelapparates bei der Mitose an.
CEN
- Abk. für die charakteristischen DNA-Sequenz Abschnitte der Centromere von Chromosomen.
telozentrisch
- Bez. für die Lage bzw. Position des Centromers von Chromosomen, bei der das Centromer am Ende Chromosoms liegt.
metazentrisch
- Bez. für die Lage bzw. Position des Centromers von Chromosomen, bei der das Centromer in der Mitte des Chromosoms liegt. Beim Menschen sind die Chromosomen 1 bis 3 metazentrisch.
submetazentrisch
- Bez. für die Lage bzw. Position des Centromers von Chromosomen, bei der das Centromer in der Nähe der Mitte, aber ausserhalb des Mittelpunktes des Chromosoms liegt. Beim Menschen sind die Chromosomen 4 bis 12 submetazentrisch.
akrozentrisch
- Bez. für die Lage bzw. Position des Centromers von Chromosomen, bei der das Centromer in der Nähe des Endes des Chromosoms liegt. Beim Menschen sind die Chromosomen 13 bis 15, sowie die Chromosome 21 und 22 akrozentrisch.
dizentrisch
- Bez. für Chromosomen, die neben dem Centromer eine weitere Einschnürung aufweisen. Bei dieser zusätzlichen Einschnürung handelt es sich häufig um die NOR-Region, die an der Ausbildung des Nucleolus beteiligt ist. So bilden beim Menschen insb. alle akrozentrischen Chromosomen eine sek. Einschnürung aus.
azentrisch
- Bez. für Chromosomen, die kein Centromer aufweisen.
NOR
- Akronym für engl. Nucleolus Organizing Region, einer Bezeichnung für die Abschnitte von Chromosomen, die an der Organisation des Nucleolus beteiligt sind. Bei den menschlichen Chromosomen treten diese Regionen als charakteristische, sekundäre Einschnürungen neben der primären Einschnürung des Centromers an den akrozentrischen Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 hervor. An die NOR schliesst sich in Richtung des Chromosomensendes i.d.R. noch eine sehr kurzes Stück des Chromosoms an, das als Satellit bezeichnet wird.
Satellit
- Bez. für einen sehr kurzen Abschnitt des Chromosoms, der sich insb. bei menschlichen Chromosomen mit sekundären Einschnürungen des Nucleolusorganisator (NOR) am Ende des Chromosoms bildet.
MAR
- Akronym für engl. Matrix Attachment Region. MAR's bilden besondere Sequenzabschnitte auf der genomischen DNA, die das Chromatin an den Proteinen der Kernmatrix verankern. Damit kommt ihnen eine sehr ähnliche Funktion zu, wie den SAR's, so dass diese DNA-Regionen auch zusammenfassend als S/MAR bezeichnet werden.
SAR
- Akronym für engl. Scaffold Attachment Region, dt. "Gerüst-bindende Region". Die SAR bezeichnen diejenigen Abschnitte eukaryontischer DNA im Nucleus, die an die sog. engl. scaffolding proteins gebunden sind. Die scaffolding proteins bilden eine Art Gerüststruktur in der Kernmatrix aus, von der sich die DNA in langen Schleifen, die eine Länge von 30-100 kb aufweisen, ausbreitet. Diese Schleifen werden auch als Chromatin-Domänen bezeichnet und sind Ort der Transkriptionsaktivität. Da die SAR-Sequenzen in ihrer Funktion den MAR's sehr ähnlich sind, werden diese beiden DNA-Regionen häufig auch zusammenfassend als S/MAR bezeichnet.
S/MAR
- zusammenfassende Bezeichnung für die SAR und MAR Abschnitte des Chromatins.
ori
- Abk. für engl. origin of replication, dt. Replikationsstartpunkt, bezeichnet insb. bei Bakterienchromosomen und Plasmiden den Ort an dem die Replikation der DNA startet.
ARS
- Akronym für engl. Autonomously Replicating Sequence(s), dt. autonom replizierende Sequenz(en). ARS bezeichnen kurze, doppelsträngige DNA-Sequenzabschnitte von ca. 100 Nucleotiden, die sich von chromosomalen Replikationsstartpunkten ableiten und daher in der Lage sind, in bestimmten Vektorsystemen (z.B. Plasmide oder Minichromosomen) eine Replikation des Vektors zu initiieren, ohne das andere, u.U. vektortypische Replikationsstartpunkte vorhanden sind. Die ARS wurden in sog. Schaukelvektoren entdeckt, die aus einer Kombination des 2-Micron-Plasmid von Saccharomyces cerevisiae (Hefe) und eines Plasmid (pBR322) von Escherichia coli gentechnisch hergestellt werden. Jeder der Plasmid-Anteile aus den unterschiedlichen Organismen besitzt einen charakteristischen Replikationsstartpunkt, der jeweils die Replikation des Schaukelvektors in einer der beiden Organismen gewährleistet. Nach Entfernen des Anteils des Hefe-Plasmids aus dem Schaukelvektor kann dieser in der Hefe nicht mehr replizieren, wird in E. coli jedoch weiter vermehrt. Nachdem man in solche Plasmide jedoch bestimmte Hefe-Gene inserierte, konnten diese Vektoren nicht nur zur Genklonierung in E. coli, sondern auch in der Hefe verwendet werden. Mit den Hefe-Genen waren weitere flankierende Sequenzabschnitte übertragen worden, die als Replikationsstartpunkte in den Chromsomen der Hefe fungieren und daher die Replikation des E. coli Plasmids in Hefezellen ermöglichen. Als konservierte Kernsequenz solcher Replikationsstartpunkte ist ein Abschnitt von ca. 11 bp isoliert worden, der auch als ARS-Box bezeichnet wird. Dieser weist die Nucleotidabfolge 5'-A/T TTTAT A/G TTT A/T-3' auf und ist von weiteren charakteristischen Sequenzmotiven in 5'- (engl. upstream) und 3'-Richtung (engl. downstream) flankiert, die jedoch je nach ARS variieren. Im Genom von S. cerevisiae liegen etwa 400 solcher ARS in einem Abstand von 30-40 kbp vor.
Minichromosomen
- künstlich, d.h. mit Methoden der Gentechnik de-novo oder aus bestehendem Material hergestellte Konstrukte aus doppelsträngiger DNA, die sich in eukaryotischen Zelle weitestgehend so verhalten, wie die zelleigenen Chromosomen. Dies bedeutet v.a., dass Minichromosomen während des Zellcyclus nur einmal repliziert werden und zusammen mit den anderen Chromsomen im Zuge der Mitose bzw. Meiose auf die Tochterzellen verteilt werden. Minichromosomen werden insb. bei Saccharomyces cerevisiae (Hefe) zur Untersuchung des Segregationsverhalten von Chromosomen und als Vektoren zur heterologen Genexpression verwendet. Ein weiterentwickelter Typus der Minichromosomen wird hier auch als engl. yeast artificial chromosome (abgk. YAC) bezeichnet. Um die chromsomentypischen Eigenschaften zu erzielen, enthalten Minichromosomen einen funktionalen Anteil der Centromerregion (abgk. CEN) regulärer Chromosomen. Dieser umfasst bei der Hefe minimal 500 bp und reguliert zum einen die Kopienzahl und sorgt zum anderen durch die Kinetochor-Region für die Anheftung an den Spindelapparat bei der Mitose. Zusätzlich enhalten Minichromosomen eine ARS, welche für die Replikation des Konstrukts benötigt werden. Die DNA von Minichromosomen mit den genannten Sequenzelementen ist circulär geschlossen, eine Linearisierung erreicht man durch den zusätzlichen Einbau von Telomersequenzen. Bei einer anderen Vorgehensweise werden Minichromosomen aus regulären Chromosomen hergestellt, indem Telomer-Abschnitten in das zu verkleinernde Chromosom integriert werden, was eine Verkürzung des Chromosoms zur Folge hat. Diese Methode wurde bspw. angewandt um Minichromosomen bei Zea mays (Mais) herzustellen. Die Stabilität der Minichromosomen, sowie das Segregationsverhalten in Mitose und Meiose hängt von der Grösse der Minichromsomen ab. In Hefezellen sind sehr kleine Konstrukte unter 20 Kbp in der Mitose instabil und segregieren ungenau, so dass die Konstrukte in bestimmten Zelllinien verloren gehen, in anderen jedoch in mehrfachen Kopien vorliegen. Ab ca. 50 Kbp werden die Minichromosomen stabiler und ab ca. 150 Kbp verhalten sie sich wie normale Chromosomen. Durch das Fehlen von Histonen, tlw. durch ihre Grösse (z.B. kleine Minichromosomen mit 10 Kbp) und dadurch das bei Fehlen von Telomer-Sequenzen die doppelsträngige DNA im Gegensatz zu gewöhlichen Chromosomen circulär geschlossen ist, ähneln Minichromsomen häufig strukturell eher den Plasmiden. Daher werden Minichromosomen der Hefe auch mit bakteriellen Plasmiden kombiniert, so dass Schaukelvektoren entstehen, die sowohl zur Genklonierung in Bakterien, wie auch zur Genexpression und Untersuchung des Segregationsverhalten in Hefezellen verwendet werden können.
YAC
- Akronym für engl. Yeast Artifical Chromosome(s), dt. künstliche(s) Hefechromosom. Bezeichnung für gentechnisch hergestellte Chromosomen von Saccharomyces-Arten. Derartige Chromosomen leiten sich von den Minichromosomen ab und enthalten neben einem oder mehreren Replikationsstartpunkten, eine Centromer-Sequenz und Telomere. Dadurch werden YAC's wie die regulären Chromosomen während des Zellcyclus einmal repliziert und im Zuge der Zellteilung auf die entstehenden Tochterzellen verteilt.
Chromonema, Pl. Chromonemata
- Die kleinste Längseinheit eines Chromosoms. Bei regulären Metaphase-Chromosomen entspricht das Chromonema der Chromatide, in verschiedenen Sonderbildungen, wie z.B. den polytänen Riesenchromosomen in den Speicheldrüsen mancher Diptera (Zweiflügler, Fliegen), sind durch wiederholte DNA-Replikationen jedoch mehrere (in manchen Fällen über 1000) Chromonemata entstanden, die miteinander zusammenhängen und die lichtmikrokopisch sichtbaren Riesenchromosomen ausbilden.
Chromomere
- Abschnitte im Euchromatin des Interphase- oder Prophase-Chromosoms, die stärker kondensiert ("geknäult") sind als andere Bereiche, was bspw. bei Kernfärbungen durch eine stäkere Anfärbung der Chromomeren in polytänen Riesenchromosomen lichtmikroskopisch beobachtet werden kann. Die Chromomeren stellen Knäuelungen der 300 nm Fibrille des Chromatins dar und treten dabei in Form einer charakteristisches Bänderung als sog. Chromomerenmuster hervor, wobei jedes Band ca. 30000 bp enthält. Die zwischen den Chromomeren liegenden Abschnitte werden als Interchromomere bezeichnet.
Interchromomere
- Die zwischen den Chromomeren liegenden Abschnitte im Chromatin.
Chromozentrum
- Bez. für bestimmte Abschnitte eukaryotischer Chromosomen, wie insb. die Centromer- oder die Satellitregionen, die auch während der Interphase des Zellcyclus einen hochkondensierten Zustand einnehmen und daher in Kernfärbungen stark angefärbt werden.
Nucleosom
- Der eine Einheit bildende Komplex aus eukaryotischer DNA und Histon-Proteinen. Dabei besteht ein Nucleosom aus je zwei Histon-Proteinen H2A, H2B, H3 und H4, die ein sog. Octamer ausbilden, um das die DNA zweimal (exakt 1.75-mal) gewunden ist. Das H1-Histon verbindet benachbarte Octamere mittels eines 17-80 bp umfassenden DNA-Abschnitts (sog. engl. linker-DNA) und zieht diese zu sog. Nucleofilamenten zusammen, so dass eine "perlschnurartige" Struktur mit einem Durchmesser von ca. 10 nm entsteht, die im Elektronenmikroskop sichtbar ist. Sogenannte NHP-Proteine sind am Zusammenbau und der Kontrolle der Nucleosomen beteiligt. Das Nucleosom ohne den Abschnitt der linker-DNA, aber mit dem Histon H1, wird als Chromatosom, ohne das H1 Histon als Nucleosomenkern (engl. core) bezeichnet. Die Nucleosomenstruktur kann als grundlegende Organisationseinheit eukaryotischer Chromosomen angesehen werden, deren weitere räumliche Anordnung, z.B. durch Überspiralisierung, zu weiteren Organisationsstufen der DNA, wie der 25-30 nm Fibrille führen, die der Kompaktierung der DNA und damit einer weiteren Raumeinsparung dienen. Dabei wird der DNA-Doppelstrang mit 6 Nucleosomen pro Umlauf schraubig aufgewunden. Diese Kompaktierung wird auch als Chromatinfibrille oder DNA-Super-Superhelix bezeichnet, wobei die schraubig aufgewundenen Abschnitte als Solenoid und partikuläre Abschnitte als Nucleomeren bezeichnet werden.
Chromatosom
- Nucleosom, bestehend aus Histon-Octamer und H1-Histon, aber ohne engl. linker-DNA.
Solenoid
- Bezeichnung für eine Überstruktur des eukaryotischen Chromatins, die aus schraubenartig gewickelten Nucleosomen (6 Nucleosomen pro Schraubenumlauf) besteht. Diese Struktur wird innerhalb der 30 nm-Fibrille (Chromatinfibrille) gebildet und wechselt mehr oder weniger ausgeprägt mit partikulären Abschnitten, den sog. Nucleomeren, ab.
Nucleomer
- Bezeichnung für eine Überstruktur des eukaryotischen Chromatins, die aus Abschnitten von partikulären, d.h. nicht schraubig gewundenen Nucleosomen innerhalb der 30 nm-Fibrille (Chromatinfibrille) gebildet wird.
Chromatinfibrille
- Überstruktur des eukaryontischen Chromatins mit einem Durchmesser von 25-30 nm (daher auch häufig 30 nm-Fibrille genannt). Die Chromatinfibrille setzt sich aus schraubig aufgewundenen, als Solenoid bezeichneten und aus partikulären bzw. gestreckten Abschnitten, die als Nucleomere bezeichnet werden, zusammen.
Karyogramm
- Bild der Metaphase-Chromosomen. Während der Metaphase der Mitose sind die Chromosomen maximal kondensiert und voneinander unterscheidbar, so dass man häufig bereits lichtmikroskopisch die Anzahl und Struktur der Chromosomen erkennen und beschreiben kann. Die Abbildung des vollständigen haploiden oder diploiden Chromosomensatzes eines Organismus kann photographisch (Karyogramm im engeren Sinne) oder als Skizze erfolgen, wobei aus dem Karyogramm insb. die Anzahl der Chromosomen, ihre relative Grösse, sowie die Anzahl und Lage der vorhandenen Einschnürungen (Centromere) hervorgehen soll. Bei der skizzenhaften Darstellung werden häufig auch die in den verschiedenen Methoden der Kernfärbungen (z.B. Feulgen- oder Giemsa-Färbung) auftretenden Bänderungen (G-, C-, R- und Q-Banden) der Chromosomen eingezeichnet, welche hetero- und euchromatischen Abschnitten der Chromosomen entsprechen und so u.U. erste Hinweise auf codierende und nicht-codierende Abschnitte der DNA liefern. Eine solche schematische Darstellung der Chromosomen und ihrer Bänderung wird auch als Idiogramm bezeichnet. Beim Menschen dient das photographische Karyogramm in der klinischen Diagnostik zur Feststellung von Chromosomenanomalien, wie etwa Invertierungen, Deletionen, Translokationen, Aneuploidie o.a.. In der allg. biol. Forschung lässt sich durch den Vergleich der Karyogramme verschiedener Individuen einer Art, die charakteristische Anzahl und Struktur der Chromosomen feststellen und anhand der gefundenen Übereinstimmungen der Karyotyp der untersuchten Art feststellen. I.d.R. werden die in einem Karyogramm ermittelten Chromosomen der Grösse nach geordnet, die geschlechtsunspezifischen Chromosomen (Autosomen) durchnummeriert und die geschlechtsspezifischen Chromosomen (Gonosomen) durch Grossbuchstaben des Alphabets gekennzeichnet. Die Beschreibung der menschlichen Chromosomen wurde 1971 normiert und beruht auf standardisierten Verfahren der Giemsa-Färbung, die eine charakteristische Bänderung (G- und C-Banden) der Chromsomen hervorrufen. Ausgehend von der primären Einschnürung des Centromers wird der kürzere der beiden sich am Centromer vereinigenden Chromosomenabschnitte mit p (von franz. petit) und der längere mit q (von franz. queue) bezeichnet. Die sich durch die Giemsa-Färbungen ergebenden Banden werden in Regionen eingeteilt und vom Centromer aus durchnummeriert. Lassen sich in einer Bande bei höherer Auflösung weitere Unterbanden unterscheiden, werden diese ebenfalls nummeriert und bei Lageangaben diese Zahl durch einen Punkt abgetrennt angegeben. So bezeichnet bspw. die Angabe 22q11.2 die Unterbande 2 der ersten Bande in der ersten Region auf dem langen Arm des Chromosoms 22. Aus der Kombination der aus Karyogrammen, Chromosomenfärbungen und Untersuchungen zur Lage von Genen, lassen sich Genkarten erstellen, aus der die als Genlocus bezeichnete Position eines Gens innerhalb eines Genoms hervorgeht.
Karyotyp
- Die im Zellkern (Nucleus) der Eukaryoten lokalisierte Erbinformation, die i.d.R. in Form von Chromosomen organisiert ist. D.h. mit dem Karyotyp eines Organismus wird insb. die aus Karyogrammen ermittelte Anzahl, Grösse und Struktur der Chromosomen, sowie die sich aus Kernfärbungen ergebenden Bänderungen angegeben. Häufig wird der Karyotyp schematisch idealisiert in einem sog. Idiogramm dargestellt (weiteres s. Karyogramm).
Idiogramm
- Skizzierte, schematische Darstellung von Chromosomen, die die relative Länge der Chromosomen, die Anzahl und Lage der Einschnürungen (Centromere) und insb. die durch die Methoden der verschiedenen Kernfärbungen hervortretenden Bänderungen berücksichtigt. Idiogramme werden insb. zur Darstellung des Karyotyps eines Organismus verwendet. Die für die schematische Darstellung benötigten Parameter können mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen von angefärbten Chromosomen und anhand photographischer Karyogramme erstellt werden.
c-value
- quantitatives Mass für die Grösse eines Genoms, das meist in Anzahl der Basenpaarungen der zugrundeliegenden DNA ausgedräckt wird. Als Einheit wird dabei die Abkürzung bp für engl. base pairs benutzt und Grössenordnungen von Tausend-, Millionen- und Milliarden werden durch die Präfixe Kilo, Mega und Giga, sowie deren Abkürzungen als Einheiten von Kbp, Mbp und Gbp wiedergegeben. Mitunter wird der c-value, dt. C-Wert, auch als Masse der vorhandenen DNA in pg (1 Picogramm = 10-12 g) angegeben. Aufgrund der Kenntnis der statistischen Verteilung der einzelnen Nucleotide in der DNA lassen sich verschieden ausgedrückte c-values meist mit ausreichender Genauigkeit ineinander umrechnen.
Links:
Plant DNA C-values Database, Royal Botanic Gardens, UK
C-Wert
- dt. Bezeichnung für engl. c-value
satellite DNA
- engl. Bezeichnung für spezielle, nicht-codierende Abschnitte von DNA in eukaryotischen Genomen, die aus Abfolgen sich wiederholender Nucleotide bestehen (engl. repeats, dt. repetitive DNA). Das sich wiederholende Muster kann aus nur einem einzigen Nucleotid bestehen (engl. mononucleotide repeats, z.B. 5'...CCCC...3'), wird jedoch i.d.R. von engl. tandem repeats, d.h. Abschnitte von zwei oder mehr sich wiederholender Nucleotide (wie z.B. 5'...AGGCAGGC...3'), gebildet. Die Gesamtlänge von satellite DNA kann dabei bis zu mehreren mbp (Megabasenpaaren) betragen. Das Auftreten von Satellite DNA ist v.a. charakteristisch für die Centromer- und Telomer-Regionen der Chromosomen, sowie für das Heterochromatin. Die Namensgebung der satellite DNA rührt daher, dass, aufgrund der hohen Wiederholungsrate der Nucleotidmotive, sich in den chromosomalen Abschnitten mit hohem Anteil von satellite DNA eine andere Basenzusammensetzung ergibt, als in der statistischen Nucleotidverteilung des gesamten Genoms. Das führt dazu, dass bei der Zentrifugation der gesamten DNA des Genoms im CsCl-Dichtegradienten, die repetitive DNA, sowie auch die mehrfach vorhandene DNA der tRNA- und Histon-Gene spez. Banden ausserhalb der restlichen genomischen DNA bildet, die als Satelliten-Banden bezeichnet werden. Werden eigene Banden gebildet, lässt sich die DNA der Satellitenbanden abtrennen und weiter untersuchen; mitunter liegen die repetitiven Abschnitte jedoch in der Hauptbande der Gesamt-DNA, man spricht dann von kryptischen Satelliten. Die satellite DNA der Centromere und Telomere ist i.d.R. heterochromatisch und wird, wie andere Abschnitte des Heterochromatins auch, in der Giemsa-Färbung angefärbt und bildet die für diese Färbemethode charakteristischen C-Banden am Chromosom aus.
minisatellite DNA
- engl. Bezeichnung für sich wiederholende Abschnitte von DNA-Sequenzen in einem Genom, deren Wiederholungsmotiv im Unterschied zur engl. microsatellite DNA aus 10-60 Nucleotiden besteht, die i.d.R. reich an den Nucleotiden Guanin und Cytosin sind (s.a. GC-Gehalt). Alternativ werden solche repetitiven Abschnitte auch als engl. variable number tandem repeat (abgk. VNTR) bezeichnet. Im humanen Genom findet sich minisatellite DNA innerhalb der Chromosomen zu 90% nahe den Telomeren (subtelomere Region). Man nimmt an, dass die minisatellite DNA mit chromosomaler Instabilität assoziiert ist, da sie sich häufig in der Nähe von Translokationsstellen findet oder in Bereichen nachgewiesen wird, die während der Meiose häufiger rekombiniert werden (engl. recombination hotspots). Aufgrund des hohen Polymorphismus von minisatellite DNA, also der grossen Variabilität von Sequenz und Anzahl der Wiederholungen, werden solche DNA-Bereiche häufig als genetische Marker eingesetzt, z.B. in Verwandschaftsuntersuchen oder in engl. DNA fingerprinting Verfahren.
microsatellite DNA
- engl. Bezeichnung für 3- bis 100-mal sich wiederholende Abschnitte von DNA-Sequenzen in einem Genom, deren Wiederholungsmotiv aus 1 bis 6 Nucleotiden besteht. Alternativ wird microsatellite DNA auch als SSR, STR oder SSLP bezeichnet. Solche microsatellite Sequenzen finden sich sowohl in prokaryotischen und eukaryotischen Genomen, als auch in den Genomen von Mitochondrien und Plastiden. Sie können in nicht-codierenden (intergenischen), als auch, i.d.R. mit geringerer Häufigkeit, in codierenden Abschnitten der genomischen DNA auftreten. Bei microsatellite DNA innerhalb eines Exons von einem Gen handelt es sich meist um Wiederholungsmotive von 3 Nucleotiden (engl. tri-nucleotide repeats), da diese im Zuge der Transkription bzw. Translation als "reguläre" Codons von Aminosäuren interpretiert werden und in den translatierten Proteinen als Wiederholungen der den Codons entsprechenden Aminosäuren in Erscheinung treten.
SSR
- Akronym für engl. Simple Sequence Repeat(s) oder auch Short Sequence Repeat(s). SSR sind spezielle, nicht-codierende Abschnitte der DNA in einem Genom, die aus Abfolgen sich wiederholender Nucleotide bestehen. Solche Sequenzen finden sich ubiquitär im Genom der Prokaryoten, der Eukaryoten, sowie in der DNA von Organellen (Mitochondrien, Plastiden).
STR
- Akronym für engl. Short Tandem Repeat(s). STR sind spezielle, nicht-codierende Abschnitte der DNA in einem Genom, die aus Abfolgen sich wiederholender Nucleotide bestehen. Solche Sequenzen finden sich ubiquitär im Genom der Prokaryoten, der Eukaryoten, sowie in der DNA von Organellen (Mitochondrien, Plastiden).
ISSR
- Akronym für engl. Inter Simple Sequence Repeat(s), einer Bezeichnung für die Abschnitte eines Genoms, die zwischen den Genloci von microsatellite DNA (SSR, STR, SSLP) liegen.
SINE
- Akronym für engl. Short Interspersed Nuclear Elements. Damit werden hochrepetitive DNA-Sequenzen innerhalb des Genoms von Eukaryoten bezeichnet, deren Wiederholungsmotiv aus 70 bis 500 bp besteht, die im gesamten Genom in der Grössenordnung von 105 wiederholt vorliegen. Dabei sind die einzelnen Einheiten sich sehr ähnlich in Sequenz und Länge, aber nicht identisch. SINE's finden sich v.a. im Genom der Mammalia in nicht-codierenden Regionen, wie intergenischen Bereichen, Introns oder engl. satellite DNA. Auch in Myxomycota (Schleimpilzen), den Insecta (Insekten), den Echinodermata (Stachelhäuter), den Fischen und den Amphibia (Amphibien) konnten SINE-ähnliche DNA-Regionen nachgewiesen werden.
Charakteristischerweise enthalten SINE's an ihrem 3'-Ende Adenin-reiche Regionen (Poly-A-Sequenzen). Zudem werden viele SINE's von direkten Sequenzwiederholungen (engl. direct repeats, abgk. DR) an ihrem 3'- und 5-'Ende begrenzt. Je nach Sequenz werden die SINE in Familien eingeteilt, wobei einzelne dieser Familien bis zu 5% der Gesamt-DNA des jeweiligen Genoms ausmachen können. Zusammen mit den LINE-Sequenzen machen die SINE bspw. ca. 40% des menschlichen Genoms aus. Es gibt viele Hinweise darauf, dass die SINE Pseudogene der sog. Klasse-III-Gene darstellen, also aus Genduplikationen herrührende, funktionslos gewordene Gene für tRNA oder andere RNA, die normalerweise durch die RNA-Polymerase-III transkribiert werden. Dafür spricht auch die Tatsache, dass viele SINE's die typischen, internen Promoter-Elemente (Boxen A und B) von Klasse-III-Genen aufweisen. Dass eine Transkription durch die RNA-Polymerase III möglich ist, konnte an vielen klonierten SINE-Sequenzen in vitro demonstriert werden. Dabei beginnt die Transkription exakt am 5'-Ende und endet innerhalb der ersten Adenin-Nucleotide der 3' Poly-A Region. Von einer aktiven in vivo Transkription durch die RNA-Polymerase III wird jedoch nur in wenigen Fällen ausgegangen, tlw. erfolgt aber eine Transkription durch die RNA-Polymerase II, z.B. wenn SINE-Sequenzen innerhalb von Introns, engl. 5'-leader oder engl. 3'-trailer Regionen regulärer Klasse-II-Gene liegen. Solche in vivo transkribierten SINE-Sequenzen lassen sich in der hnRNA des Zellkerns, also auch in unprozessierten mRNA's nachweisen.
Eine den Klasse-III Genen sehr ähnliche SINE-Sequenz wird bspw. von der sog. Alu-Familie gebildet, einem SINE, das zu den am besten untersuchten SINE's aus dem Genom der Primaten zählt und beim Menschen in ca. einer Million Kopien im Genom vorliegt, was etwa 9% der Gesamt-DNA des Genoms entspricht. Bei diesen Alu-Sequenzen nimmt man aufgrund der Sequenzähnlichkeit an, dass sie aus dem Gen für die sog. 7SL RNA des SRP hervorgegangen sind. Weitere Beispiele für Klasse-III ähnliche SINE-Sequenzen bildet die sog. ID-Familie von Rattus norvegicus (Wanderratte), die ca. 105 Kopien pro haploiden Genom aufweist und dem Gen für die Alanin-tRNA (tRNAAla) ähnelt. Bei der Maus ähnelt die Typ-II (B2)-Familie stark dem Gen für die tRNA des Serins (tRNASer) und liegt in einer Kopienzahl von ca. 8 x 104 pro haploidem Genom vor. Nach moderner Auffassung werden die SINE's als mobile genetische Elemente eingestuft und den sog. nicht-retroviralen Retrotransposons zugeordnet, was neben Rekombinationsvorgängen auch die hohe Kopienzahl im Genom, sowie die häufig vorzufindenen DR's erklärt.
Links und Literatur:
Singer, M.F. (1982) 'SINE's and LINE's: Highly Repeated Short and Long Interspersed Sequences in Mammalian Genomes.', Cell, 28(3), 433-434, DOI: 10.1016/0092-8674(82)90194-5
LINE
- Akronym für engl. Long Interspersed Nuclear Sequences, damit werden hochrepetive DNA-Sequenzen innerhalb des Genoms bezeichnet, deren Wiederholungsmotiv aus über 5000 bp (5 kb) besteht, die im gesamten Genom in der Grössenordnung 104 wiederholt vorliegen.
Links und Literatur:
Singer, M.F. (1982) 'SINE's and LINE's: Highly Repeated Short and Long Interspersed Sequences in Mammalian Genomes.', Cell, 28(3), 433-434, DOI: 10.1016/0092-8674(82)90194-5
Alu, Alu-Sequenzen
- Spezielle Familie von SINE-Sequenzen im Genom von Altweltprimaten. Die DNA-Sequenzen weisen typischerweise eine Erkennungsstelle für das Restriktionsenzym AluI auf, was auch namensgebend für diese SINE-Familie war. Eine einzelne Alu-Sequenz wird aus zwei aufeinanderfolgenden, ca. 130 bp umfassenden DNA-Abschnitten gebildet, deren jeweiliges 3'-Ende durch Adenin-reiche Regionen charakterisiert ist. Im menschlichen Genom sind diese Dimere ca. eine Million mal vorhanden und machen etwa 9% der Gesamt-DNA des Genoms aus. Die Alu-Sequenzen treten dabei verteilt in den nicht-codierenden Abschnitten der DNA auf, wie den intergenische Regionen, Introns (z.B. im humanen β-Hämoglobin-Gen) oder engl. satellite DNA. Die Anzahl und Verteilung der Alu-Sequenzen ist so ausgeprägt, dass in einer typischen Bibliothek aus Teilstücken der genomischen DNA des Menschen mehr als 90% dieser Abschnitte mit einer aus einer Alu-Sequenz gebildeten DNA-Sonde hybridisieren. Die Sequenz eines Monomers weist sehr grosse Ähnlichkeit mit der Sequenz der 7SL RNA aus dem engl. signal recognition particle (abgk. SRP) auf, jedoch fehlen ca. 155 bp aus der Mitte des 7SL RNA Gens in der Alu-Sequenz. Flankierend an den 3'- und 5'-Enden des Alu-Dimers befinden sich i.d.R. Sequenzen von engl. direct repeats (abgk. DR), was darauf hinweist, dass sich die Alu-Sequenzen als nicht-retrovirale Retrotransposons im Genom vervielfältigt haben könnten. Bei der Maus entspricht der Alu-Familie die sog. Typ I (B1)-Familie; sie liegt in einer Kopienzahl von ca. 400000 im murinen Genom vor.
SSLP
- Akronym für engl. Simple Sequence Length Polymorphism
VNTR
- Akronym für engl. Variable Number Tandem Repeat(s)
EST
- Akronym für engl. Expressed Sequence Tag, kurze cDNA-Abschnitte, die aus 500-800 Nucleotiden bestehen und als Marker für mRNA-Transkripte bzw. deren zugrundeliegende Gene eines Genoms dienen. Entsprechend werden die ermittelten EST eines Genoms in Datenbanken gesammelt, mit den genomischen Sequenzinformationen abgeglichen und sukzessive als Werkzeug zur Vorhersage für die Existenz von Genen oder deren gewebsspezifische Expression genutzt.
Links:
EST Datenbank des National Center for Biotechnology Information, USA
STS
- Akronym für engl. Sequence Tagged Sites. STS sind kurze, in einem Genom einzigartige DNA-Abschnitte, die aus 200-800 Nucleotiden bestehen und als Marker eines Genoms, insb. bei der Anwendung der PCR-Technologie, genutzt werden können. Entsprechend sind die STS durch charakteristische Primer-Paare definiert. Die STS-Sequenzen werden in Datenbanken gesammelt und dienen der Identifizierung und Lokalisation von genomischen Abschnitten und Genen. Sie können repetitive Elemente, wie engl. microsatellites, SCAR's, CAP's oder ISSR's enthalten, solange die flankierenden Enden (5'- und 3'-Enden) der repetitiven Elemente für das jeweilige Genom einzigartige Sequenzabschnitte darstellen, die den Nutzen der STS als Marker gewährleisten.
Links:
STS Datenbank des National Center for Biotechnology Information, USA
Haploidie, Adj. haploid
- Einfacher Chromosomensatz. Dies impliziert meist, dass auch die überwiegende Zahl der Gene nur einmal vorhanden ist. Haploide Organismen werden als Haplonten bezeichnet, ebenso wie bestimmte haploide Generationsstadien eines Organismus. Auch nahezu alle Prokaryoten sind haploid.
Haplont
- Haploider Organismus oder haploides Generationsstadium eines Organismus.
Diploidie, Adj. diploid
- Doppelter Chromosomensatz
Diplont
- Diploider Organismus oder diploides Generationsstadium eines Organismus.
Triploidie, Adj. triploid
- Dreifacher Chromosomensatz
Tetraploidie, Adj. tetraploid
- Vierfacher Chromosomensatz
Polyploidie, Adj. polyploid
- Mehrfacher Chromosomensatz, d.h. mehr als der doppelte (diploide) Chromosomensatz
Aneuploidie, Adj. aneuploid
- von der regulären Anzahl von Chromosomen eines Organismus abweichende Anzahl von Chromosomen. Dabei können sowohl überzählige Chromosomen auftreten, als auch einzelne Chromosomen fehlen. Aneuploidie kann auf einzelne Zellen beschränkt sein (Mosaik, Krebszellen) oder in allen Zellen des Organismus auftreten. Letzterer Fall ist beim Menschen i.d.R. tödlich, d.h. Föten mit einer Aneuploidie sind meist nicht lebensfähig.
homozygot
- bezüglich eines Gens (Allels) oder mehrer Genloci auf den sich entsprechenden (homologen) Chromosomen eines polyploiden (meist diploiden) Organismus gleich.
heterozygot
- bezüglich eines Gens (Allels) oder mehrer Genloci auf den sich entsprechenden (homologen) Chromosomen eines polyploiden (meist diploiden) Organismus unterschiedlich.
Bakterienchromosom
- analog zum Begriff des eukaryotischen Chromosom gebrauchter Begriff für die genomische Erbinformation von Prokaryoten, insb. der Eubakterien, die i.d.R. in Form eines einzigen, meist circulär geschlossenen, selten linearen, DNA-Doppelstrangs vorliegt. Häufig wird der Begriff Bakterienchromosom synonym zu dem Begriff Genophor verwendet, mitunter findet sich auch eine synonyme Verwendung des Begriffs Nucleoid, wobei dieser eher die Lokalisation des DNA-Moleküs umschreibt, also den zellulären Raum (Kernäquivalent), den das Bakterienchromosom einnimmt.
Ein circuläres Bakterienchromosom ist durch den Besitz eines Replikationsstartpunktes gekennzeichnet, an dem die Replikation des DNA-Moleküs durch den Enzymkomplex der DNA-Polymerase startet. Dieser Replikationsstartpunkt wird in der schematischen Darstellung eines Bakterienchromosoms auch mit ori für engl. origin of replication abgekürzt. Da das DNA-Molekül aus einem Doppelstrang gebildet wird, unterscheidet man einen engl. forward strand (5'->3') und einen engl. reverse strand (3'->5') für dt. vorwärts- und rückwärtsgerichteten Strang. Auf beiden Strängen sind i.d.R. Gene (codierende Sequenzabschnitte) lokalisiert. Neben der Molekülgrösse, ausgedrückt in Anzahl der Basenpaarungen (Kbp oder Mbp), und der Art und Anzahl von Genen wird als weiteres Unterscheidungs- und Klassifizierungskriterium von Bakterienchromosomen der sog. GC-Gehalt ermittelt, also der Anteil der Nucleotide Guanin und Cytosin an der Gesamt-DNA.
Plasmid
- Extrachromosomale, i.d.R. genetische Information tragende DNA. Die plasmidale DNA ist meist circulär organisiert, d.h. die DNA ist zu einem Ring geschlossen; es gibt jedoch auch, allerdings eher selten, lineare Plasmide (z.B. Borrelia burgdorferi). Plasmide finden sich hpts. in Prokaryoten, konnten aber auch in Eukaryoten nachgewiesen werden (z.B. in der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae). Sie sind meist i.d.L. sich autonom zu replizieren, besitzen daher eine Replikationsstartsequenz (engl. abgekürzt ori für origin of replication) und enthalten i.d.R. kodierende DNA-Abschnitte mit 1-2 oder mehr Genen. Die Replikation des Plasmids kann dabei von den DNA-Replikationsenzymen der Wirtszelle ausgeführt werden, was typisch für kleinere Plasmide ist, oder durch spezifische Replikationsenzyme erfolgen, die auf dem Plasmid selbst kodiert sind. Manche Plasmide können in das Genom, insb. beim Bakterienchromosom der Prokaryoten, des Wirtsorganismus integrieren und werden so zusammen mit diesem repliziert. Solche zur Integration befähigten Plasmide werden auch als episomal bzw. Episomen bezeichnet. Sie können über viele Generationen innerhalb des Genoms integriert bleiben, werden unter bestimmten Vorraussetzungen aber auch wieder de-integriert und liegen dann wieder als unabhängige genetische Elemente vor. Nicht selten kodieren die plasmidalen Gene für Proteine bzw. Enzyme besonderer Stoffwechselleistungen oder chem. Synthesewege. So sind häufig die Antibiotika-Resistenzen bedingenden Gene ("Resistenzgene") auf Plasmiden lokalisiert. Auch andere Eigenschaften wie Toxizität oder die Fähigkeit zur sexuellen Konjugation ("Konjugationskompetenz") werden häufig durch plasmidale Gene bestimmt. Entsprechend diesem funktionalen Spektrum werden bspw. R- (kurz für engl. resistance, dt. Resistenz), F- (kurz für engl. fertility, dt. Fertilitäts) Plasmide unterschieden. Sog. degradative Plasmide ermöglichem dem Wirtsorganismus den Abbau eher ungewöhnlicher Substanzen wie etwa Toluol oder Salicylsäure. Virulenzplasmide tragen Gene deren Produkte die Pathogenität des Wirtsorganismus bedingen (z.B. Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens) und Col-Plasmide kodieren für Colicine, d.h. Proteine, die toxisch auf andere Bakterien wirken. Prokaryotische Plasmide haben eine Grösse von einigen hundert Basenpaarungen bis zu 250 kB und können in einer Kopienzahl von 1-50 oder mehr in einer Zelle vorliegen, wobei i.d.R. die Kopienzahl um so höher ist, je kleiner das Plasmid ist. Verschiedene Plasmidtypen können nebeneinander in einer Zelle vorkommen, bei Escherichia coli wurden bis zu 7 verschiedene Plasmide gleichzeitig festgestellt. Allerdings sind nicht alle Plasmid-Typen kompatibel zueinander, d.h. bestimmte Plasmide können nicht gleichzeitig in einer Zelle vorhanden sein, so dass man Plasmide zu sog. Kompatibilitäts- bzw. Inkompatibilitätsgruppen zusammenfassen kann. In Prokaryoten können Plasmide von Individuum zu Individuum durch sexuelle Konjugation weitergegeben werden, was eine besondere Form von horizontalem Gentransfer darstellt, der bspw. dazu führen kann, das zunächst unschädliche Organismen pathogene Eigenschaften entwickeln. Die Information für diesen Austauschvorgang ist auf den konjugativen F-Plasmiden durch die sog. Transfer-Gene (tra-Gene) kodiert. U.U. werden jedoch auch Plasmide, denen diese tra-Gene fehlen, zusammen mit den konjugativen Plasmiden von der Wirtszelle in die Rezipientenzelle übertragen. Plasmide haben in der Forschung und insb. in gentechnol. Verfahren enorme Bedeutung erlangt, da man durch Manipulation der genetischen Information der Plasmide gezielt Gene in diese einsetzen kann und somit Kontrolle über bestimmte Eigenschaften der Wirtorganismen, wie etwa Resistenzen oder die Produktion eines speziellen Proteins erlangt. D.h. Plasmide werden insb. als Überträger oder Übermittler (Vektoren) von genetischer Information in die Wirtsorganismen benutzt. Dabei wird die Menge identischer, plasmidaler DNA sowohl durch Erhöhung der Kopienzahl, wie auch durch die Vermehrung der Wirtsorganismen, stark erhöht, was als DNA-Klonierung oder auch als Genamplifikation bezeichnet wird.
Plasmon
- Analog zum Begriff des Genoms wird unter dem Plasmon die Gesamtheit der in den Plasmiden einer Zelle enthaltenen Erbinformationen verstanden.
T-DNA
- derjenige Abschnitt des sog. Ti-Plasmids, der bei der Infektion von Pflanzenzellen durch das Bakterium Agrobacterium tumefaciens in die Wirtszelle übertragen und in das Genom inseriert wird.
Fosmid
- Auf bakteriellen F-Plasmiden basierende Plasmide
Phasmid
- Künstlich, mit Methoden der Gentechnologie hergestellte DNA-Konstrukte, die sowohl aus Elementen von Bacteriophagen, als auch aus Teilen von Plasmiden gebildet werden.
Cosmid
- Cosmide sind gentechnisch veränderte Plasmide die sog. cos-Sequenzen aus dem Phagen λ tragen, die die in vitro-Verpackung der Cosmide in Phagenpartikel (Capside) ermöglicht, welche man wiederum zur Infektion von E.coli-Kolonien einsetzen kann. Dabei wird die Cosmid-DNA mittels Restriktionsenzymen geschnitten und mit einer zu klonierenden DNA-Sequenz ligiert. Durch die kohäsive Enden bildenden cos-Stellen entstehen sog. Concatemere, welche durch die phageneigene Endonuclease des Gens A an den cos-Stellen geschnitten wird und mithilfe weiterer Proteine in Phagencapside verpackt wird.
Mitochondriom
- Analog zum Begriff des Genoms wird unter dem Mitochondriom die Gesamtheit der in den Mitochondrien in Form von mtDNA enthaltenen Erbinformationen verstanden. In verkürzter Form wird das Mitochondriom meist einfach als Chondriom bezeichnet.
Chondriom
- andere, verkürzte Bezeichnung für das Mitochondriom.
Plastom
- Analog zum Begriff des Genoms wird unter dem Plastom die Gesamtheit der in den Plastiden in Form von ptDNA enthaltenen Erbinformationen verstanden.
Episom, episomal
- die meist circuläre DNA eines Virus-Genoms, die im Nucleus einer Wirtszelle extrachromosomal vorliegt. Je nach Virus sind Episomen in der Lage sich unabhängig von dem Zellcyclus der Wirtszelle zu replizieren oder werden gemeinsam mit den Chromosomen des Wirts während der S-Phase des Zellcyclus repliziert. Letzteres tritt insb. dann auf, wenn das Episom eng mit dem Chromatin der Wirtszelle assoziiert ist, wie z.B. bei den Herpesviren. Tlw. findet auch eine Transkription mit der Bildung von mRNA oder antisense-RNA der RNA Interferenz statt. Meist sind Episomen jedoch kennzeichnend für ein latentes Virenstadium, in denen keine Virusproduktion und keine bzw. nur eine eingeschränkte Synthese viraler Produkte erfolgt. Replizierte Episomen können während der Mitose auf die entstehenden Tochterzellen übertragen werden.
Provirus
- Das in das Genom einer Wirtszelle integrierte Genom eines Virus. Eine solche Integration ist v.a. für die Retroviren charakteristisch.
upstream
- engl. für dt. stromaufwärts. Im Kontext der molekularen Genetik bedeutet upstream eine Richtungsangabe in der Sequenz einer Nukleinsäure und deutet einer Konvention zufolge in Richtung des 5'-Endes einer Nukleinsäure, während die entgegengesetzte Richtung des 3'-Endes mit engl. downstream, dt. stromabwärts bezeichnet wird.
downstream
- engl. für dt. stromabwärts. Im Kontext der molekularen Genetik bedeutet downstream eine Richtungsangabe in der Sequenz einer Nukleinsäure und deutet einer Konvention zufolge in Richtung des 3'-Endes einer Nukleinsäure, während die entgegengesetzte Richtung des 5'-Endes mit engl. upstream, dt. stromaufwärts bezeichnet wird.
CRISPR
- Akronym für engl. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, spezielle Genloci in Prokaryoten (Bacteria und Archaea), die dazu dienen, kurze Sequenzabschnitte von DNA aufzunehmen, die aus dem Genom invasiver Bakteriophagen oder Plasmide stammen. Diese inserierten DNA-Fragmente werden von den Wirtszellen in sog. crRNA's transkribiert und so genutzt, um durch Interaktion der crRNA's mit den ebenfalls im CRISPR-Locus codierten Cas-Nucleasen die DNA der infizierenden Partikel bei einer erneuten Infektion zu degradieren.

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Letzte Aktualisierung: 12.11.23