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Mindmap-Galerie Tiergenetik-Mindmap (Zhongnong-Genetik-Klassenaufgabe)
Tiergenetik-Mindmap (Zhongnong-Genetik-Klassenaufgabe)
Inhalt; Molekularbiologische Grundlagen der Vererbung, Übertragung genetischer Informationen, Genexpression und -regulation, Veränderungen im genetischen Material, Genom und Gentechnik;
Bearbeitet um 2024-03-24 20:43:46
- Hundert Jahre Einsamkeit Charakter-Beziehungsdiagramm
Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
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- Projektmanagement-Prozess-Vorlage
Projektmanagement ist der Prozess der Anwendung von Fachwissen, Fähigkeiten, Werkzeugen und Methoden auf die Projektaktivitäten, so dass das Projekt die festgelegten Anforderungen und Erwartungen im Rahmen der begrenzten Ressourcen erreichen oder übertreffen kann. Dieses Diagramm bietet einen umfassenden Überblick über die 8 Komponenten des Projektmanagementprozesses und kann als generische Vorlage verwendet werden.
Tiergenetik-Mindmap (Zhongnong-Genetik-Klassenaufgabe)
- Hundert Jahre Einsamkeit Charakter-Beziehungsdiagramm
Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
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- Projektmanagement-Prozess-Vorlage
Projektmanagement ist der Prozess der Anwendung von Fachwissen, Fähigkeiten, Werkzeugen und Methoden auf die Projektaktivitäten, so dass das Projekt die festgelegten Anforderungen und Erwartungen im Rahmen der begrenzten Ressourcen erreichen oder übertreffen kann. Dieses Diagramm bietet einen umfassenden Überblick über die 8 Komponenten des Projektmanagementprozesses und kann als generische Vorlage verwendet werden.
- Für Sie empfohlen
- Gliederung
Tiergenetik-Leitfaden, Exemplar 2
Molekularbiologische Grundlagen der Vererbung
Träger genetischer Informationen
Der Prozess der Entdeckung von genetischem Material
Im Jahr 1928 zeigte Frederick Griffths Bakterientransformationsexperiment, dass R-Typ-Bakterien Transformationsfaktoren von toten S-Typ-Bakterien erhielten und sich in S-Typ-Bakterien verwandelten, wodurch sie pathogen wurden.
Im Jahr 1944 analysierten Oswald Avery et al. genetisches Material und bewiesen, dass DNA der Transformationsfaktor ist, der R-Typ-Bakterien in S-Typ-Bakterien umwandelt, und dass DNA der Träger genetischer Informationen ist (Vorwärtsbasis und Rückwärtsbasis).
Das Phageninfektionsexperiment hat erneut bewiesen, dass DNA genetisches Material ist (wissenschaftliche Schlussfolgerungen müssen wiederholt überprüft werden).
Es wurde entdeckt, dass das genetische Material des Tabakmosaikvirus RNA ist, und es wurden auch andere Träger des genetischen Materials entdeckt – RNA (es gibt immer „Ausnahmen“ von der allgemeinen Regel)
Grundlage für die Identifizierung von genetischem Material (d. h. grundlegende Merkmale des genetischen Materials)
Kann Stoffwechselprozesse und die Ausprägung von Merkmalen steuern
Korrespondenz zwischen Genen und Phänotypen
Kann sich selbst reproduzieren, sodass frühere und nachfolgende Generationen ein gewisses Maß an Kontinuität aufrechterhalten können
Experiment zur Phageninfektion
kann zu vererbbaren Veränderungen führen
Infektion mit Pflanzenviren
Infektion mit tierischen Viren – Virenbekämpfung/vollständige Heilung
Indirekter Beweis für DNA als primäres genetisches Material:
Inhalt: Der DNA-Gehalt ist konstant. Der DNA-Gehalt in Gameten ist halb so groß wie in somatischen Zellen, und der DNA-Gehalt in Polyploiden ist doppelt so hoch
Stoffwechsel: Der Stoffwechsel von DNA-Molekülen ist relativ stabil
Mutation: Die effektivste Wellenlänge, bei der ultraviolettes Licht eine Mutation auslöst, stimmt mit dem von der DNA absorbierten ultravioletten Spektrum überein, was beweist, dass genetische Mutation eng mit der Variation von DNA-Molekülen zusammenhängt.
Verbreitung: DNA wird von allen biologischen Chromosomen gemeinsam genutzt (einige Viren enthalten keine DNA und verwenden RNA als genetisches Material).
Methoden zur Überprüfung der genetischen Basis von Merkmalen
Korrespondenz zwischen Genen und Phänotypen – Relevanz, Notwendigkeit und Suffizienz
Entdeckung des Gens für grünschalige Hühnereier
Überprüfung der Funktion des Drosophila-Purple-Eye-Gens
molekulare Struktur von Nukleinsäuren
Nukleinsäure
Nukleotide sind die Grundstruktureinheiten von DNA und RNA, die durch Dehydratisierungskondensation von Pentosezuckern mit Basen und Phosphaten entstehen
DNA-Struktur und biologische Bedeutung
Primärstruktur der DNA – chemische Zusammensetzung Merkmale:
Die Primärstruktur der DNA bezieht sich auf die Verknüpfungsmethode und Anordnungsreihenfolge der vier Nukleotide im DNA-Molekül, normalerweise dargestellt durch die Basensequenz.
Äquivalentes Gesetz von Chargaff: [A]=[T], [G]=[C], A G=C T
Das erste Gesetz – doppelsträngige DNA – gilt für Teil- und vollständige Genome
Das zweite Gesetz – einzelsträngige DNA – gilt für das vollständige Genom doppelsträngiger DNA
Die Basensequenz von DNA-Molekülen ist äußerst unterschiedlich angeordnet und Änderungen in der Basensequenz können zu Veränderungen in der genetischen Information führen.
Sekundärstruktur der DNA – Kernpunkte der Watson-Crick-DNA-Doppelhelixstruktur:
Rechtsdrehende Helix, zwei komplementäre Stränge antiparallel
Die Phosphatgruppe und Desoxyribose befinden sich auf der Außenseite und die Basen auf der Innenseite der Helix.
Die beiden Stränge paaren sich durch Wasserstoffbrückenbindungen
Der Durchmesser der Doppelhelix beträgt 2 nm, die Ganghöhe beträgt 3,32 nm und jede Helix hat 10,5 Basenpaare.
Auf der Oberfläche der Helix erscheinen abwechselnd große und kleine Furchen, und Proteine erkennen Basen durch diese beiden Furchen.
Polymorphismus der DNA-Struktur: (die Bedeutung der DNA-Konformation)
Es sind 7 DNA-Doppelhelix-Konformationen bekannt: A-, B-, C-, D-, E- und T-Typen sind rechtshändige Helices, das W-C-Modell ist die B-Konformation und Z-DNA ist eine linkshändige Helix.
Fortgeschrittene Struktur der DNA – physikalische Konformation
Die Struktur höherer Ordnung der DNA bezieht sich auf die spezifische räumliche Struktur, die durch die weitere Verdrehung und Windung der DNA-Doppelhelix entsteht.
Die Superhelical-Struktur ist die Hauptform der DNA-Struktur höherer Ordnung, die in zwei Typen unterteilt werden kann: negative Superhelix (natürliche Doppelhelix-DNA) und positive Superhelix.
DNA und Chromosomen
Nukleosomen sind die Grundstruktureinheiten des Chromatins und bestehen aus DNA und Histonen.
DNA macht 30–40 % der Chromatinmasse aus
Die DNA-Sequenz der besonderen Struktur der Chromosomen
Euchromatin: Ein leicht gefärbtes Segment aus Chromatinfäden
Heterochromatin: Ein stark gefärbtes Segment von Chromatinsträngen
Konstitutives Heterochromatin: hauptsächlich Satelliten-DNA, wie z. B. Zentromere
Fakultatives Heterochromatin: Kommt irgendwo auf einem Chromosom vor, beispielsweise auf dem X-Chromosom bei Säugetieren
RNA-Klassifizierung und Strukturmerkmale
Sowohl Prokaryoten als auch Eukaryoten enthalten viele verschiedene RNA-Moleküle, die wichtigsten davon sind:
Boten-RNA – überträgt genetische Informationen und macht 5–10 % der gesamten RNA aus
Transfer-RNA – RNA mit kleinem Molekulargewicht, Transportaminosäuren, Erkennungscodons, kleeartige Sekundärstruktur, die 10–15 % der gesamten RNA ausmacht
Ribosomale RNA – bestehend aus großen und kleinen Untereinheiten, Ort der Proteinsynthese und -assemblierung, macht 75–80 % der gesamten RNA aus
Kodierende RNA und nicht-kodierende RNA
Kodierende RNA: RNA, die die Translation von Proteinen steuert
Nicht-kodierende RNA: RNA, die nicht für Proteine kodiert, wird aus dem Genom transkribiert, aber nicht in Proteine übersetzt und kann ihre biologischen Funktionen auf RNA-Ebene erfüllen. Einschließlich rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA und microRNA und anderer RNAs mit bekannten Funktionen sowie RNAs mit unbekannten Funktionen
Beispiele: kleine RNA (Mikro-RNA), lange nichtkodierende RNA
3D-Genomsequenzierung und T2T-Sequenzierung
Gen
Ursprung des Konzepts der Gene
Mendel, Erbfaktoren – der abstrakte Begriff der Gene
Johnson, Gene ersetzt genetische Faktoren, Genotyp und Phänotyp – das Substantivsystem der Gene
Morgan, Gene liegen auf Chromosomen – den materiellen Trägern der Gene
Avery, Hirsch und Chase, die chemische Essenz der Gene ist DNA – die materielle Basis der Gene
Watson und Crick schlugen das Doppelhelix-Modell der DNA vor – wie genetische Informationen übertragen werden
Die Entwicklung genetischer Inhalte
Springendes Gen: bezeichnet ein Gen, dessen Position auf dem Chromosom verschoben werden kann, beispielsweise ein Transposon.
Operator: Viele funktionell verwandte Gene sind in einer Kette verbunden und werden von einer gemeinsamen Kontrollregion für die Transkription kontrolliert, einschließlich der gesamten DNA-Sequenz von Strukturgenen und regulatorischen Genen.
Defekte Gene: Die kodierenden Sequenzen eukaryotischer Gene sind oft diskontinuierlich. Sie sind durch einige nichtkodierende Sequenzen getrennt und bilden eine gebrochene Genstruktur.
Überlappende Gene: bezieht sich auf die Existenz gemeinsamer DNA-Sequenzen zwischen zwei Genen.
Pseudogen: Ein Gen, das seine ursprüngliche Funktion verloren hat. Ein inaktiviertes Gen, das eine ähnliche Sequenz wie ein normales funktionelles Gen hat, aber aufgrund von Mutationen keine funktionellen Proteine synthetisieren kann.
Fusionsgen: Die Transkription beginnt mit einer DNA-Sequenz, die ein Protein kodiert, und geht zu einem anderen Gen über, das ein völlig anderes Protein kodiert.
Nichtkodierende Gene: Gene, die keine Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthalten und nicht in Form von Proteinen funktionieren
Ein Exon, das für ein Protein kodiert, kann chromosomale Grenzen überschreiten, indem es sich mit einem Exon an anderer Stelle im Gen verbindet.
scheinbare Genetik
Definition des Gens (2015): Gen: Es handelt sich um eine mit Regulation, Transkription oder Funktion verbundene Region, die in der Genomsequenz zu finden ist und einer genetischen Einheit entspricht.
Klassifizierung von Genen (nach funktioneller Form)
Gene, die Proteine mit Transkriptions- und Translationsfunktionen kodieren
Nichtkodierende RNA-Gene, Gene, die nur transkribierte Produkte ohne Übersetzung aufweisen
Gene, die nicht transkribiert werden, liegen in Form von DNA vor und regulieren die Genexpression.
Allgemeine Struktur eukaryotischer kodierender Gene
Die in eine Peptidkette übersetzte Region – Startcodon bis Stoppcodon
Die in mRNA transkribierte Region – Transkriptionsstartstelle bis Transkriptionsterminationsstelle, einschließlich 5’UTR, kodierender Region und 3’UTR
Region, die am Transkriptionsregulationsprozess beteiligt ist – 5‘-Flanke bis 3‘-Flanke
Hauptelemente der eukaryotischen Genstruktur
Introns und Exons: RNA-Spleißsignale, die GT-AG-Regel
Startstelle der Transkription: die erste Base auf der Vorlage, wenn die Transkription beginnt (1)
Promotor: die Stelle, an der die RNA-Polymerase erkennt und bindet (-100 bp)
Enhancer: Verbessert die Transkriptionseffizienz von Genen. Seine Wirkung hat nichts mit seiner Position, Richtung und Entfernung vom Gen zu tun. Er ist gewebespezifisch und zellspezifisch.
Schalldämpfer: Bindet an ein bestimmtes Protein, um die Gentranskription zu hemmen
Isolator: Zwischen dem Promotor und den regulatorischen Elementen gelegen, verhindert er die Funktion der regulatorischen Elemente und hat eine gerichtete Wirkung.
Übertragung genetischer Informationen
DNA Replikation
Definition: Der Prozess der Synthese neuer Nachkommen-DNA-Moleküle mit derselben Struktur wie die übergeordnete Vorlage unter Verwendung des übergeordneten DNA-Moleküls als Vorlage.
Grundgesetze der DNA-Replikation
Replikationsursprünge und Replikatoren
Verwandte Enzyme und Proteine, die an der DNA-Replikation beteiligt sind
DNA-Polymerase – Polymerisation, Exo-Funktionalität
prokaryotische DNA-Polymerase
DNA-Polymerase I (DNA-Korrekturlesereparatur), II (DNA-Schadensreparatur)
DNA-Polymerase I hat 5’-3’-Exonukleaseaktivität und schneidet den 5’-RNA-Primer heraus.
DNA-Polymerase III ist das Hauptenzym für die bakterielle DNA-Replikation
Eigenschaften der DNA-Polymerase III: 5'-3'-Polymeraseaktivität, katalysiert die Addition von dNTP an das 3'-OH-Ende der wachsenden DNA-Kette und ist nicht in der Lage, die 3'-5'-Exonuklease direkt zu initiieren; Aktivität hat eine Korrekturlesefunktion; hat keine 5'-3'-Exonukleaseaktivität.
eukaryotische DNA-Polymerase
Es gibt fünf Arten von DNA-Polymerasen in Eukaryoten: α, β, γ, δ und ε. DNA-Polymerase
δ gilt als das Hauptenzym, das die DNA-Replikation in Eukaryoten katalysiert.
Helikase – Entwindet die Doppelstränge der DNA.
Einzelsträngiges Bindungsprotein – schützt die DNA vor Hydrolyse und vor der Rückkehr zu Doppelsträngen.
Topoisomerase – I – eliminiert positive Superspiralen (kompaktiert), II – stellt negative Superspiralen wieder her (entspannt).
Prima-Enzym – RNA-Polymerase, katalysiert die Synthese von RNA-Primern (11-12nt).
DNA-Polymerase benötigt eine 3'-freie Hydroxylgruppe, RNA-Polymerase jedoch nicht. Eukaryontische DNA-Polymerase α weist Initiaseaktivität auf.
DNA-Ligase – ligiert Okazaki-Fragmente, jedoch keine einzelsträngigen DNA-Moleküle
Allgemeiner Prozess der DNA-Replikation
Initiierung der DNA-Replikation, Replikationsgabel
Verlängerung der DNA-Replikation, Fortschreiten der Replikationsgabel, verzögerte Strangbildung
Beendigung der DNA-Replikation: RNA-Primer-Exzision, Lückenfüllung, Okazaki-Fragment-Ligation und Wiederherstellung der Supercoiling. Die unidirektionale Replikation zirkulärer DNA endet in der Nähe des Replikationsursprungs; der Replikationsendpunkt der bidirektionalen Replikation linearer DNA und zirkulärer DNA ist nicht festgelegt.
Merkmale der eukaryotischen DNA-Replikation
Die eukaryotische DNA-Replikation erfolgt in einer bestimmten Phase des Zellzyklus – der Synthesephase (S) der Interphase der Zellteilung. Im Allgemeinen findet die zweite Replikationsrunde bei Prokaryoten erst statt, nachdem die erste Replikationsrunde während der gesamten Zelle abgeschlossen ist Wachstumsprozess Alle können eine DNA-Replikation durchführen, und der Replikationsursprung kann die Replikation kontinuierlich initiieren.
Zellen können aufgrund ihrer Teilungsfähigkeit in drei Kategorien eingeteilt werden:
Zyklische Zellen behalten immer ihre aktive Teilungsfähigkeit bei und treten kontinuierlich in den Zellzykluszyklus ein, wie z. B. hämatopoetische Stammzellen, Stammzellen der Epidermis und des Magen-Darm-Schleimhautepithels.
Die Gruppe der Zellen, die sich nicht vermehren (G0-Phasenzellen), sind differenzierte Zellen, die bestimmte Funktionen erfüllen. Sie befinden sich normalerweise in der G0-Phase und werden daher auch als G0-Phasenzellen bezeichnet. Unter bestimmten Reizen treten diese Zellen wieder in den Zellzyklus ein. Wie Leberzellen, renale tubuläre Epithelzellen, Kardiomyozyten und follikuläre Schilddrüsenepithelzellen. Nach einer teilweisen Hepatektomie teilen sich die verbleibenden Leberzellen schnell.
Terminal differenzierte Zellen, die die Fähigkeit zur Teilung verloren haben, werden auch terminale Zellen genannt, wie zum Beispiel reife rote Blutkörperchen, Nervenzellen und andere hochdifferenzierte Zellen.
Eukaryoten haben viele Replikationsursprünge, die während der S-Phase nicht gleichzeitig aktiviert werden. In verschiedenen Entwicklungsstadien ändern sich die Anzahl der Replikationsursprünge und die Replikongröße von Eukaryoten.
Die DNA-Replikationsrate (Anzahl der pro Minute kopierten Basen) von Eukaryoten ist langsamer als die von Prokaryoten. Allerdings verfügen Eukaryoten über mehrere Replikons, sodass die Replikationsgeschwindigkeit des gesamten Chromosoms nicht langsamer ist als die von Prokaryoten.
Wiederzusammenbau eukaryotischer Nukleosomen. Die eukaryotische DNA-Replikation ist mit dem Zusammenbau von Nukleosomen gekoppelt. Die Replikationsgabel synthetisiert neue DNA-Stränge und baut gleichzeitig Nukleosomen auf. Die DNA von Prokaryoten ist nackt, ohne daran gebundene Histone und ohne Nukleosomenstruktur.
Die Enden eukaryotischer Chromosomen – Telomere: bestehen aus kurzen Tandem-Wiederholungen und Telomer-bindenden Proteinen, die die Chromosomenstruktur schützen. Das 3'-Einzelstrangende ist in die doppelsträngige Wiederholungssequenz gefaltet, um eine Schleife zum Schutz zu bilden Chromosom endet. Telomere, Zentromere und Replikationsursprünge sind die drei Hauptelemente, die die Chromosomen intakt und stabil halten.
Replikation von DNA an den Enden eukaryontischer Chromosomen: Lineare DNA-Moleküle: Nachdem der Endprimer entfernt wurde, kann das 5'-Ende aufgrund des Fehlens von freiem 3'-OH nicht synthetisiert werden und führt zu Deletionen.
Die Bedeutung der Telomerreparatur
Die Beziehung zwischen DNA-Replikation und Vererbung:
Übertragung genetischer Informationen
Zellproliferation, Erneuerung
Auftreten und Korrektur von Variationen
Bilden die Grundlage für genetische Vielfalt, Evolution oder neue Merkmale
Merkmalsauswahl oder Krankheitsbehandlungsziele
Gentranskription
Unter Verwendung eines einzelnen DNA-Strangs als Matrize und vier Ribonukleotiden als Rohmaterialien erfolgt die Synthese einer RNA-Kette unter der Katalyse der RNA-Polymerase
Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Transkription und Replikation
Ähnlichkeiten zwischen Transkription und Replikation
Katalyse durch Polymerase
Verwendung von DNA als Vorlage
Hergestellt nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung
Erzeugen Sie neue Stränge in der 5’- bis 3’-Richtung
Unterschied zwischen Transkription und Replikation
Die Transkription findet nur in einem Teil der Region statt
Bei der Transkription dient nur ein Strang als Matrize, der als Matrizenstrang oder Antisense-Strang bezeichnet wird, während der andere als Sense-Strang oder Kodierungsstrang bezeichnet wird.
Die Initiierung der Transkription erfordert keine Beteiligung von Primern, die RNA-Polymerase benötigt keine freien 3‘-Hydroxylgruppen und die RNA-Kettensynthese erfolgt kontinuierlich.
Die Substrate für die Transkription sind vier Ribonukleosidtriphosphate (rNTPs), nämlich ATP, GTP, CTP und UTP
Während der Transkription ist das doppelsträngige DNA-RNA-Hybridmolekül instabil. Die einzelsträngige RNA löst sich während des Verlängerungsprozesses kontinuierlich vom Matrizenstrang und die Matrizen-DNA kehrt in den doppelsträngigen Zustand zurück.
Die durch die Transkription eukaryontischer Gene erzeugten Primärtranskripte müssen im Allgemeinen verarbeitet werden, um zu reifen RNA-Molekülen zu werden und biologische Funktionen zu erfüllen.
RNA-Polymerase
E. coli-RNA-Polymerase
In E. coli gibt es nur eine RNA-Polymerase, die für die Synthese aller mRNA, rRNA und tRNA verantwortlich ist. Es handelt sich um ein komplexes Enzym, das aus 5 Untereinheiten besteht (α2 ββ’σ). Die vier Untereinheiten von α2ββ' bilden das Kernenzym und die σ-Untereinheit bilden das Holoenzym. Die σ-Untereinheit hat keine katalytische Aktivität, kann aber den Promotor erkennen und einen stabilen Initiationskomplex bilden . Beteiligt an der Initiierung der Transkription.
Promotor (prokaryotisch): Es handelt sich um eine Region auf dem DNA-Molekül, die an die RNA-Polymerase binden und einen Transkriptionsinitiationskomplex bilden kann, um die Gentranskription und -expression zu steuern.
eukaryotische RNA-Polymerase
Es gibt drei Arten von RNA-Polymerasen, die für die Transkription in eukaryotischen Zellen verantwortlich sind: RNA-Polymerase I, II und III, die sich in verschiedenen Teilen der Zelle befinden. RNA-Polymerase II ist das Hauptenzym für die mRNA-Synthese und katalysiert die Synthese von mRNA und kleinen Kern-RNAs (wie snRNA, microRNA).
Promotor (eukaryotisch): Der Promotor ist ein Bestandteil des Gens, wie ein „Schalter“, der die Aktivität des Gens bestimmt und den Startzeitpunkt und den Grad der Genexpression (Transkription) steuert. Promotoren selbst steuern die Genaktivität nicht allein, sondern durch die Bindung an solche Proteine, die Transkriptionsfaktoren (TFs) genannt werden.
Allgemeiner Prozess der Gentranskription
Transkriptionsinitiierung
Suchpromotor für den Kernenzymfaktor
Durch RNA-Polymerase geschmolzen
Das Holoenzym bewegt sich zur Transkriptionsstartstelle und synthetisiert das erste rNTP der RNA-Kette.
Der Faktor dissoziiert, die Affinität des Kernenzyms zur Matrize nimmt ab und er bewegt sich auf der DNA
Erweiterung der Transkription
Nach Beginn der Transkription ist der σ-Faktor dissoziiert und der Verlängerungsprozess wird durch das Kernenzym katalysiert
Die RNA-Polymerase bewegt sich in der 3’-5’-Richtung des Matrizen-DNA-Strangs und die neu synthetisierte RNA-Kette selbst erstreckt sich in der 5’-3’-Richtung.
Der vom Kernenzym abgedeckte Bereich wickelt die DNA-Doppelstränge ab
Die Hybridstrangregion der RNA- und DNA-Paarung beträgt etwa 12 bp
Beendigung der Transkription
Terminator: Hierbei handelt es sich um eine Sequenz, die im Primärtranskript vorhanden ist, sich im Allgemeinen stromabwärts der Poly(A)-Stelle befindet und etwa einige hundert Basen lang ist.
Starker Terminator: Es hat eine palindromische Struktur und ist reich an GC-Sequenzen, die schwer zu entschlüsseln sind und die RNA-Polymerase daran hindern, sich vorwärts zu bewegen. Es gibt oligomere Us mit mehreren Nukleotiden am 3'-Ende, die mit der Matrize eine A-U-Paarung bilden, wodurch die RNA leicht freigesetzt werden kann. Die Transkription erfolgt ohne die Hilfe anderer Proteinfaktoren.
Schwacher Terminator: Es gibt auch palindromische Sequenzen mit geringem G-C-Gehalt in der Haarnadelstruktur und keinem oligomeren U am 3'-Ende. Dadurch wird die Polymerase angehalten. Ohne die Hilfe anderer Proteinfaktoren wird die Polymerase weiter über den Terminator hinaus „durchlesen“. Die Transkription wird erst beendet, wenn der Proteinfaktor ρ vorhanden ist.
Rho-Faktor-abhängiger Transkriptionsterminationsmechanismus
Merkmale der eukaryotischen DNA-Transkription
RNA-Polymerase
In Eukaryoten gibt es drei Arten von RNA-Polymerasen, die jeweils unterschiedliche RNAs transkribieren. In Prokaryoten gibt es nur eine Art von RNA-Polymerase, die die Synthese aller RNAs katalysiert.
Beginn der Transkription
Die eukaryotische RNA-Polymerase kann RNA nicht selbstständig transkribieren. Sie muss über ein Promotorprotein (Transkriptionsfaktor) verfügen, das an den Promotor gebunden ist, um an den Promotor zu binden. Zu den regulatorischen Proteinbindungsstellen gehören TATA-Box, CAT-Box, GC-Box, Enhancer-Sequenz usw.
RNA-Transport und -Verarbeitung
Nachdem die eukaryotische RNA transkribiert wurde, muss sie vom Zellkern zum Zytoplasma transportiert werden, um die Proteinsynthese zu steuern. Der durch Transkription erzeugte RNA-Vorläufer muss verarbeitet werden, um zu reifer und funktionsfähiger RNA zu werden.
Eukaryotische Gentranskription und Zellzyklus
Interphase 1 (G1) – aktive Transkription findet innerhalb der Zelle statt
Interphase 2 (G2) – geringe RNA- und Proteinsynthese
RNA-Verarbeitung und -Reifung
rRNA-Verarbeitung
Die rRNA-Sequenz wird in einen RNA-Vorläufer transkribiert, der einer Verarbeitung wie Faltung, Methylierung und terminaler Modifikation unterzogen wird, um reife rRNA zu bilden.
Verarbeitung von tRNA
Einschließlich: Scherung und Spleißen; 3’-OH-Verknüpfung – ACC-Struktur
mRNA-Verarbeitung
Generation einer 5‘-Endkappe
Die eukaryontische Kappe wird durch eine 7-Methylguanosingruppe gebildet, die über eine Triphosphatbindung am 5'-Ende mit dem 5'-Ende der mRNA verbunden ist. Die Cap-Struktur ist nicht auf der DNA kodiert, sondern wird dem ersten Nukleotid der mRNA hinzugefügt, bevor die Transkription 50 Nukleotide erreicht.
Hauptfunktionen: Verhindern Sie, dass mRNA durch Phosphatase und Nuklease angegriffen wird, stabilisieren Sie die Primärstruktur von mRNA, stellen Sie Ribosomenbindungsstellen bereit, fördern Sie die Kombination von Ribosomen und mRNA und fördern Sie die Proteinsynthese.
Erzeugung eines 3‘ langen PolyA-Schwanzes
Es gibt eine Tailing-Signalsequenz (3'-AAUAAA-5') 10-30 Nukleotide stromaufwärts der Tailing-Stelle. Die Endonuklease erkennt das Tailing-Signal und schneidet die mRNA 20 Nukleotide stromabwärts des Signalkörpers. OH, und PolyA-Polymerase fügt 100–200 Adenylat zum 3'-Ende hinzu.
Hauptfunktionen: Erhöhung der Stabilität der mRNA und Verzögerung der Abbaurate; Unterstützung des Transports reifer mRNA vom Zellkern zum Zytoplasma;
mRNA-Spleißen
Spleißen von mRNA: Bei der eukaryontischen Transkription werden sowohl Exons als auch Introns in hnRNA transkribiert. hnRNA schneidet die Introns unter der Wirkung von Endonuklease aus und verbindet dann die verschiedenen Teile der Exons unter der Wirkung von Ligase zu reifer mRNA. Dieser Vorgang wird als mRNA-Spleißen bezeichnet.
Alternatives Spleißen von mRNA: Unterschiedliche Gewebe oder unterschiedliche Entwicklungsstadien desselben Zelltyps haben unterschiedliche Spleißeffekte, was zu einer Übersetzung in unterschiedliche Proteinprodukte führt, was als alternatives Spleißen von mRNA bezeichnet wird.
Verarbeitung von Mikro-RNA
Transkriptom – die raumzeitliche Natur der RNA
Transkriptom: Der Sammelbegriff für die gesamte RNA nach der Transkription.
Die Definition beinhaltet zeitliche und räumliche Einschränkungen und die Genexpression derselben Zelle ist in verschiedenen Wachstumsstadien und Wachstumsumgebungen nicht genau gleich.
Unterschiede in den Expressionsprofilen können als molekulare Marker zur direkten Diagnose von Krankheiten genutzt werden.
Proteinbiosynthese
genetischer Code
Triplett-Codon – 3 benachbarte Nukleotide bilden ein Triplett-Codon ohne Leerzeichen, ohne Überlappungen und ohne Sprünge.
Leserahmen: Der Leserahmen, in dem ein Nukleotidabschnitt in ein Protein übersetzt werden kann.
Offener Leserahmen: Nur einer der drei Leserahmen einer DNA-Sequenz hat eine kodierende Rolle und kann in die vom Startcodon bis zum Stoppcodon kodierte Aminosäuresequenz übersetzt werden.
Geschlossener Leserahmen: Einige Leserahmen sind aufgrund häufiger Stoppcodons blockiert und können nicht in Proteine übersetzt werden.
Experimente zur Entschlüsselung des Codes: Mattei und Nirenberg fügten künstlich synthetisiertes PolyU zum zellfreien In-vitro-Proteinsynthesesystem hinzu und leisteten Pionierarbeit bei der Methode zur Entschlüsselung des genetischen Codes.
64 Triplett-Kombinationen, 61 Sense-Codons; 1 Start-Codon; 3 Stop-Codons.
Codon-Eigenschaften:
Degeneration – mehrere Codons kodieren für dieselbe Aminosäure
Universalität – Mit wenigen Ausnahmen ist der genetische Code aller Lebewesen derselbe, was auf ein gemeinsames Wesen und einen gemeinsamen Ursprung des Lebens hinweist.
Präferenz – Unterschiedliche Arten und unterschiedliche Organismen verwenden unterschiedliche Häufigkeiten degenerierter Codons, was häufig zu einer Artverzerrung führt.
Gegenseitige Erkennung von Codons und Anticodons
Wobble-Hypothese: tRNA-Moleküle können mit mehr als einer Art von mRNA-Codon gepaart und erkannt werden. Die erste und zweite Base des Codons sind genau aufeinander abgestimmt und die dritte Base ist variabel.
Struktur und Funktion von Ribosomen
Die großen und kleinen Untereinheiten prokaryotischer Ribosomen sind 50S und 30S
Eukaryontische Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, 60S und 40S.
Funktionsbereiche der Ribosomen: P-Stelle, A-Stelle, E-Stelle
Proteinbiosyntheseprozess: mRNA kann mit mehreren Ribosomen kombiniert werden, um gleichzeitig mehrere Peptidketten auf einer mRNA-Kette zu synthetisieren und so die Translationseffizienz zu verbessern.
Initiierung der Synthese: der Prozess, bei dem große und kleine Untereinheiten des Ribosoms, tRNA und mRNA mithilfe von Initiationsfaktoren zu einem Initiationskomplex kombiniert werden
Der Verlängerungsprozess der Peptidkette: Die Informationen auf der mRNA werden vom 5‘-Ende zum 3‘-Ende gelesen und die Peptidkette wird vom N-Ende zum C-Ende synthetisiert.
Carry: Die zweite aa-tRNA bildet unter der Wirkung von EF-Tu und GTP einen Komplex und bindet an die A-Stelle des Ribosoms. EF-Tu bindet GDP und verlässt das Ribosom.
Peptidbildung: Peptidyltransferase (Transpeptidase) katalysiert den Transfer des von der P-Position getragenen fMet-tRNA zur A-Position, um die erste Peptidbindung mit der eingehenden aa-tRNA zu bilden. Das Wesentliche der Katalyse ist die Umwandlung einer Esterbindung in eine Peptidbindung.
Translokation: katalysiert durch den Translokationsfaktor EF-G, GTP, EF-Ts und EF-Tu sind beteiligt. Die tRNA an der P-Position wird abgestoßen, das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA und die tRNA mit der Peptidkette an der ursprünglichen A Die Position wird auf die P-Position übertragen, und das nächste Codon tritt zur Fortsetzung der Translation in die A-Position ein.
Terminationsreaktion: Der Freisetzungsfaktor RF erkennt die Terminationscodons UAA, UAG und UGA, die in die A-Position des Ribosoms gelangen. Die Peptidyltransferase auf der großen Untereinheit allosterisiert und zeigt die Aktivität der Hydrolase, sodass die von der tRNA getragene Polypeptidkette entsteht an der P-Position wird von der tRNA getrennt. Die Esterbindung zwischen ihnen wird hydrolysiert. Die tRNA fällt von der P-Position ab, und das 70S-Ribosom löst sich sofort von der mRNA, dissoziiert in die 30S- und 50S-Untereinheiten und gelangt in die nächste Runde des Ribosomenzyklus, um ein weiteres neues Proteinmolekül zu synthetisieren.
Merkmale der eukaryotischen Proteinsynthese
Die Ausgangs-tRNA von Eukaryoten ist Met-tRNA und erfordert keine N-terminale Formylierung; die Ausgangs-tRNA von Prokaryoten ist fMet-tRNA.
Die eukaryotische kleine 40S-Untereinheit bindet zuerst an Met-tRNA und dann an mRNA; die prokaryotische kleine Untereinheit bindet zuerst an mRNA und dann an fMet-tRNA
Das Haupterkennungsmerkmal zwischen der kleinen eukaryotischen 40S-Untereinheit und der mRNA ist die Cap-Struktur, die die SD-Sequenz erkennt
Nachbearbeitung der Übersetzung
Entfernung von Methionin oder Formylmethionin am N-terminalen Ende der Peptidkette; Bildung von Disulfidbindungen; Entfernung der Peptidkette; Herausschneiden funktionell unnötiger Peptidsegmente aus dem Vorläufer
Spaltung und Verarbeitung von Peptiden
chemische Modifikation von Peptiden
Unter Phosphorylierung versteht man den durch Proteinkinase katalysierten Prozess der Übertragung der Phosphatgruppe von ATP oder GTP auf den Aminosäurerest eines Proteins und spielt eine wichtige Rolle im Prozess der Zellsignaltransduktion. Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind der Schlüssel zur Steuerung des Zellzyklus. Die Serinphosphorylierung kann häufig die Proteinaktivität verbessern; die Tyrosinphosphorylierung fördert hauptsächlich die Wechselwirkungen zwischen Proteinen und bildet Multiproteinkomplexe.
Glykosylierung ist der Prozess der Bindung von Zuckern an Proteine oder Lipide unter der Kontrolle von Enzymen und findet im endoplasmatischen Retikulum oder Golgi-Apparat statt. Proteine unterliegen einer Glykosylierung, um Glykoproteine zu bilden. Die Proteinstruktur verändert sich, widersteht dem Abbaueffekt von Proteasen, verbessert die Löslichkeit des Proteins und ermöglicht dem Protein, genau in die jeweiligen Organellen einzudringen. Einige Proteoglykane werden außerhalb von Zellen abgesondert, um eine extrazelluläre Matrix oder Schleimschicht zu bilden, andere sind auf Membranen verankert und haben eine schützende Wirkung auf Zellen.
Unter Acetylierung versteht man den Prozess der Anlagerung einer Acetylgruppe an einen Protein-Lysinrest unter der Wirkung von Acetyltransferase. Dabei handelt es sich um einen Mechanismus, durch den Zellen die Genexpression, Proteinaktivität oder physiologische Prozesse steuern. Im Zellkern befinden sich die Prozesse der Histonacetylierung und Histondeacetylierung in einem dynamischen Gleichgewicht und regulieren die Gentranskription und -expression genau. Die Acetylierung von Histon-Lysinresten führt dazu, dass die Seitenkette nicht mehr positiv geladen ist und die Fähigkeit verliert, fest an die DNA zu binden, was die Ablösung der DNA von den Nukleosomen begünstigt. Der Grad der Acetylierung von Kernhistonen stellt den Ausdruck der Gentranskription dar Aktivität. Hoch und niedrig.
Sekretiertes Protein: Ein Protein, das außerhalb der Zelle ausgeschieden wird, nachdem es innerhalb der Zelle synthetisiert wurde. Zum Beispiel: Speichelamylase, Pepsin, Verdauungsenzyme, Antikörper und einige Hormone.
Auf Ribosomen synthetisierte sezernierte Proteine passieren das endoplasmatische Retikulum und den Golgi-Apparat und werden nicht direkt zur Zellmembran transportiert.
Signalpeptid: eine hydrophobe Aminosäuresequenz am Anfang der Peptidkette, die von Rezeptoren auf der Membran des endoplasmatischen Retikulums erkannt und kombiniert wird. Sie gelangt durch die Proteinporen in der Membran in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums und wird dann von erkannt das auf der Lumenoberfläche befindliche Signalpeptid. Enzymatische Hydrolyse und Fragmentierung.
Signalpeptidsequenz: Ausgehend vom Startcodon eine Sequenz, die ein Signalpeptid kodiert.
Proteinsynthese und Zellzyklus
Während sich Zellen auf die Teilung vorbereiten, beschleunigt sich die Proteinsynthese;
Wenn sich Zellen in der Mitose befinden, wird die Proteinsynthese gehemmt
Proteom: Alle Arten von Proteinen, die von einer Zelle unter bestimmten physiologischen oder pathologischen Bedingungen exprimiert werden, werden als Proteom bezeichnet.
Die Definition des Proteoms beinhaltet zeitliche und räumliche Einschränkungen, und auch die Arten von Proteinen, die von verschiedenen Zellen in unterschiedlichen physiologischen oder pathologischen Zuständen exprimiert werden, sind unterschiedlich.
Genexpression und Regulation
Eukaryotische Genexpressionsregulation
DNA-Ebene
Genverlust
Während des Zelldifferenzierungsprozesses niederer Eukaryoten können einige somatische Zellen den Zweck der Genregulation erreichen, indem sie bestimmte Gene verlieren, um die Aktivität dieser Gene zu beseitigen.
Genamplifikation
Die Kopienzahl bestimmter spezifischer Gene in Zellen erhöht sich gezielt und massiv, sodass Zellen in kurzer Zeit genügend Genprodukte produzieren können, um bestimmte Bedürfnisse zu erfüllen.
Genumordnung
Veränderungen in der Struktur des Genoms verändern die Art und Weise, wie Zellen Proteintypen synthetisieren.
Der Einfluss der Chromatinstruktur auf die Transkriptionsregulation
DNA-Methylierung, Histonacetylierung
RNA-Spiegel – eukaryontische Regulierung der Transkriptionsinitiationsaktivität
Cis-regulatorisches Element: eine Komponente eines Gens, die den Startzeitpunkt und den Grad der Genexpression (Transkription) steuert, sich gegenseitig mit Transkriptionsfaktoren (TF) erkennt und die Genaktivität steuert, einschließlich Promotoren, Enhancern, Silencer usw. Anpassungselement
Enhancer: Es gibt eine charakteristische Kernsequenz, die unabhängig von Richtung, Position und Entfernung ist. Sie ist gewebespezifisch und erfordert einen Promotor, um zu funktionieren.
Trans-Element
Transkriptionsfaktoren: Proteine, die von bestimmten Genen kodiert werden und im Allgemeinen eine relativ spezielle Struktur aufweisen.
Molekulare Domänen von Transkriptionsfaktoren: DNA-Bindungsdomäne, Dimerisierungsdomäne und Transkriptionsaktivierungsdomäne
RNA-Ebene – Regulierung auf der posttranskriptionellen Ebene in Eukaryoten
Alternatives Spleißen von Prä-mRNA: bezieht sich auf den Prozess der Herstellung verschiedener mRAN-Spleißisoformen aus einer Prä-mRNA durch unterschiedliche Spleißmethoden.
RNA-Bearbeitung: Nach der Transkription verändert mRNA die ursprünglichen Informationen der DNA-Vorlage durch Einfügen, Löschen oder Ersetzen von Basen und exprimiert dadurch Proteine mit einer Vielzahl unterschiedlicher Aminosäuresequenzen.
Lange nichtkodierende RNAs regulieren die Transkription und Translation
Proteinebene – Übersetzungsebene
Stabilität der mRNA: Die Lebensdauer der mRNA wird von ihrer eigenen Struktur und anderen Faktoren innerhalb der Zelle beeinflusst. Die 5'-Kappe und der 3'-Schwanz tragen dazu bei, die Stabilität des mRNA-Moleküls zu erhöhen.
Regulierung der Translationsinitiationseffizienz durch mRNA-Struktur
Die untranslatierte 5‘-Region ist an der Regulierung der Translationsinitiierung beteiligt
Die Position des Startcodons und seiner flankierenden Sequenzen beeinflussen die Translationseffizienz
Die Struktur von 3’-UTR reguliert die Translation
Die Wirkung von miRNA auf die Ziel-mRNA und ob die Sequenz komplementär ist
miRNA-Regulierung
Eine unvollständige Paarung und Bindung von miRNA und Ziel-mRNA beeinflusst hauptsächlich den Translationsprozess
Die miRNA paart sich vollständig mit der Ziel-mRNA und führt zu einer spezifischen Spaltung und einem Abbau der Ziel-mRNA.
miRNA ist zwischen den Arten konserviert und ihre Expression ist zeitlich und gewebespezifisch.
Regulation der Translation durch Antisense-RNA (zu mRNA komplementäre RNA-Moleküle)
Anwendung
Antisense-RNA reguliert die Zielgenexpression durch Hemmung von Translationsvorlagen
Wird zur Überprüfung der Genfunktion verwendet; Hemmung tierischer und pflanzlicher Gentherapie usw.
Proteinebene – posttranslationale Verarbeitung und Transport
Spleißen der Peptidkette
Chemische Modifikation von Aminosäuren
Faltung der Polypeptidkette
Gezielte Zufuhr von Proteinen
Regulierung der prokaryotischen Genexpression
Um den Stoffwechselprozess an Veränderungen in der Umwelt anzupassen und ihr eigenes Überleben und ihre Fortpflanzung aufrechtzuerhalten, verfügen Prokaryoten über eine Reihe von Mechanismen zur genauen Regulierung der Genexpression und Proteinsynthese.
Betreibermodelle (Jacob und Monod)
Operon: In Prokaryoten sind regulatorische Gene, Operatorgene und Strukturgene in Clustern angeordnet und bilden zusammen eine transkriptionelle Funktionseinheit. Die Expression von Strukturgenen wird durch eine gemeinsame regulatorische Region gesteuert.
Spezifisches Beispiel – Glucose-Lactose-Sensitivitätsoperon
Struktur des Lactose-Operons
Drei Strukturgene, die für Enzyme kodieren, die am Laktosekatabolismus beteiligt sind
Vor dem Strukturgen befinden sich von nah nach fern das Operatorgen lacO, der Promotor PZYA, das regulatorische Gen lacI und der regulatorische Genpromotor PI
Es gibt auch eine Bindungsstelle für das Metabolit-Aktivator-Protein (CAP) stromaufwärts des Promotors PZYA.
Negativer Regulationsmechanismus des Lactose-Operons
Ohne einen Laktoseinduktor bindet das Repressorprotein an das Operator-Gen und verhindert so die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor. Das Strukturgen wird nicht transkribiert, wodurch der Laktosekatabolismus gehemmt wird.
Laktose oder ihre Derivate binden an das Repressorprotein, wodurch es eine Konformationsänderung erfährt und die Fähigkeit verliert, an das Operator-Gen zu binden. Die RNA-Polymerase initiiert die normale Transkription des Strukturgens, das für das Laktose abbauende Enzym kodiert, das Laktose in Galaktose zerlegt Glucose.
Negatives Feedback: Nachdem Laktose in Galaktose und Glukose zerlegt wurde, führt der Mangel an Laktosemolekülen dazu, dass das Repressorprotein an das Operatorgen bindet und die Expression von Strukturgenen stoppt.
Positiver Regulationsmechanismus des Lactose-Operons
In Abwesenheit von Glucose ist die Transkriptionsaktivität des Lactose-Operons erhöht. Adenylylcyclase wandelt ATP in zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) um, um ein Dimer zu bilden, und verbindet sich dann mit einer spezifischen DNA-Sequenz (CAP-Bindungsstelle), um die Effizienz der Laktoseoperon-Transkription zu erhöhen.
In Gegenwart von Glucose nimmt die cAMP-Konzentration ab und die Bindung von cAMP an CAP wird blockiert, sodass die Expression des Lactose-Operons abnimmt.
Wenn Glukose verfügbar ist, verwertet E. coli bevorzugt Glukose
Das Lactose-Operon reguliert den Prozess der Kohlenstoffquellenverwertung in Escherichia coli
Das Lactose-Operon ist ein automatisches Kontrollsystem zur Regulierung des Lactosestoffwechsels in Escherichia coli
Wenn Glukose vorhanden ist, wählen Bakterien bevorzugt Glukose als Energiequelle. Glucose hemmt die Transkription des Lactose-Operons, indem es die Konzentration von cAMP reduziert und die Bindung von cAMP an CAP verhindert, sodass Bakterien nur Glucose verwerten können.
In Abwesenheit von Glucose, aber nur Lactose, depolymerisiert das Repressorprotein die lacO-Sequenz. Gleichzeitig bindet CAP an cAMP und wirkt auf die CAP-Stelle des Lactose-Operons, um die Transkription zu aktivieren, wodurch die Bakterien Lactose effizient nutzen und Lactose abbauen können in Galaktose und Glukose umwandeln, liefern Energie
CAP ist ein positiver Regulierungsfaktor und Laktose-Repressor-Protein ist ein negativer Regulierungsfaktor
Konkretes Beispiel – Abschwächung des Tryptophan-Operons
Struktur des Tryptophan-Operons
Regulatorisches Gen trpR, Promotor P, Operator-Gen trpO, Leadersequenz trpL und Attenuator trpa sowie Strukturgen trpEDCBA – Tryptophan-Synthese-Gen. Regulierung von Genen weg von Operons
Leadersequenz vor kodierenden Genen: schwacher Rho-Faktor-unabhängiger Transkriptionsterminator
Dämpfungseffekt:
Wenn der Tryptophanspiegel hoch ist, übersetzt das Ribosom das Leitpeptid und stoppt am Stoppcodon. Das Ribosom deckt die Regionen 1 und 2 ab, und die Regionen 3–4 der Leitsequenz bilden ein Paar, und die RNA-Polymerase beendet die Transkription.
Wenn Tryptophan ausgehungert wird, hält das Ribosom an zwei Tryptophan-Codons an und die Regionen 2-3 der Leitsequenz bewegen sich weiter und Strukturgene werden transkribiert.
Zeitkontrolle
Veränderungen im genetischen Material
Gen Mutation
Nachweisbare und vererbbare Veränderungen im Erbgut auf genetischer Ebene
Allgemeine Merkmale genetischer Mutationen
Reproduzierbarkeit von Mutationen – Wiederauftreten derselben Art bei verschiedenen Individuen, zu unterschiedlichen Zeiten und an verschiedenen Orten
Reversibilität von Mutationen – positive Mutationen, umgekehrte Mutationen
Mutationspleiotropie – mehrere Allele
Parallelität von Mutationen – ähnliche Mutationen, die bei ähnlichen Arten auftreten
Geringe Häufigkeit von Mutationen – Mutationen treten innerhalb eines bestimmten Zeitraums seltener auf
Vor- und Nachteile von Mutationen – Diversität und Selektion
Molekulare Grundlagen genetischer Mutationen
Art der genetischen Mutation
Basensubstitution: Das Phänomen, bei dem ein Basenpaar durch ein anderes Basenpaar in einem DNA-Molekül ersetzt wird, einschließlich Übergängen und Transversionen.
Indel: Die Einführung oder der Verlust einer oder mehrerer Basen.
Genetische Auswirkungen von Basensubstitutionen und Frameshift-Mutationen
Genetische Auswirkungen von Mutationen in kodierenden Regionen
Synonymmutation: Nach der Basensubstitution repräsentiert das auf der mRNA erzeugte neue Codon dieselbe Aminosäure wie das ursprüngliche Codon, ohne dass es zu Änderungen in der Proteinsequenz kommt.
Missense-Mutation: eine Basensubstitution in der DNA-Sequenz, die die Codons auf der mRNA verändert, was zu Aminosäuresubstitutionen und den genetischen Auswirkungen von Mutationen in der nichtkodierenden Region führt.
Nonsense-Mutation: Nach der Basensubstitution erscheinen Nonsense-Codons in der mRNA früh, was zu einer unvollständigen Peptidkette führt.
Frameshift-Mutation: Das Hinzufügen oder Löschen von Basenpaaren im Genom verändert den Leserahmen des Gens, wodurch sich die Codons nach der Stelle ändern.
Genetische Auswirkungen von Mutationen in nichtkodierenden Regionen
Der Mechanismus, durch den genetische Variation auftritt
Chemisch induzierte Mutationen
Induzierte Mutationen von Basenanalogen: Während des Replikationsprozesses werden Basenanaloge in die DNA eingebaut und ihre Tautomeren paaren sich auf unterschiedliche Weise mit Basen, was zu Basensubstitutionen führt
Chemische Mutagene, die die chemische Struktur der DNA verändern: Einige Nitrite, Alkylierungsmittel und Hydroxylamin können die chemische Struktur von Nukleotiden in der DNA verändern und so zu Basenaustauschen führen.
Mutagene Verbindungen, die an DNA-Moleküle binden
Durch energiereiche Strahlen induzierte Mutationen: ultraviolette Strahlen
Rekombination: Die Neuanordnung von Chromosomen ist eine Rekombination. Die Rekombination findet während der Meiose statt und kommt auch in somatischen Zellen von Eukaryoten vor.
homologe Rekombination
Unter der Wirkung der Rekombinase dient jedes Paar homologer Sequenzen in zwei DNA-Molekülen als Substrate für den Austausch.
ortsspezifische Rekombination
Es beruht nicht auf der Homologie von DNA-Sequenzen, sondern auf spezifischen DNA-Sequenzen, die an bestimmte Enzyme binden können, die das Aufbrechen und Wiederzusammenfügen von DNA-Strängen katalysieren können.
Transpositionsrekombination
Transposition bedeutet, dass eine DNA-Sequenz von der ursprünglichen Stelle kopiert oder gebrochen, zirkularisiert und an einer anderen Stelle eingefügt werden kann. Wenn die Stelle innerhalb des Gens liegt, verursacht das transponierte Fragment häufig Frameshift-Mutationen oder eine Geninaktivierung.
Transponierbare Elemente werden in drei Kategorien unterteilt: Cut-and-Paste-Transposons, replizierende Transposons und Retrotransposons
Unterdrückung von Mutationen und Reparatur von DNA-Schäden
Mutationsunterdrückung
Codonfusionen – synonyme Mutationen (Hauptmethode)
Unterdrückung intragener Mutationen – Double-Frameshift-Mutationen
Unterdrückung intergener Mutationen: Unterdrückung von Nonsense-Mutationen und Missense-Mutationen, Unterdrückung von Frameshift-Mutationen
Reparatur der DNA-Polymerase-Replikation
System zur Reparatur von DNA-Fehlpaarungen
Reparatur von Pyrimidin-Dimeren – Photoreparatur
Exzisionsreparatur – dunkle Reparatur
Reorganisation
DNA-Polymorphismus
Basiskonzept
Genetischer Polymorphismus: In einer Population das Phänomen von zwei oder mehr Allelen eines Genorts.
DNA-Polymorphismus: In einer Population gibt es zwei oder mehr Variantentypen an einer Sequenzstelle.
Genetische Marker: Beziehen sich auf Materialmarker, die zur Unterscheidung biologischer Individuen oder Gruppen und ihrer spezifischen Genotypen verwendet werden können und stabil vererbt werden können.
Genetischer Markertyp
Phänotypische Marker – Aussehen, Verhalten und andere Merkmale
Proteinmarker – Unterschiede in der Proteinmolekülgröße und -konfiguration
DNA-Marker – Unterschiede in der Basenzusammensetzung
Einzelnukleotidpolymorphismus (SNP)
Kleine Einfüge- und Löschpolymorphismen (Indels)
Anzahl der Tandem-Wiederholungspolymorphismen (VNTR)
Variation der Kopienanzahl (CNP)
Nachweis und Anwendung genetischer Marker
PCR und Enzymverdau kombiniert zum Nachweis von SNP
PCR und Sequenzierung kombiniert zum Nachweis von Mikrosatellitenpolymorphismen
PCR und Elektrophorese kombinierte Detektionsinde
DNA-Chip
Eigenschaften eines idealen genetischen Markers
Anzahl der Marker – einzeln, kleine Menge, reichlich vorhanden (Sequenzierung, Chip)
Markerverteilung – konzentriert, dispergiert (SNP)
Marker-Diskriminierung – Dominanz, Co-Dominanz (Differenzierung von Heterozygoten)
Genetischer Polymorphismus – Dimorphismus, Trimorphismus oder höher (Fingerabdruck)
Anwendung von DNA-Polymorphismusmarkern in der genetischen Tierzucht
Genome und Gentechnik
Genomübersicht
Strukturmerkmale des Genoms
Genom: Die Sammlung der gesamten DNA, die von einem Satz Chromatiden einer Art getragen wird.
Kategorie 1
Einzelsequenz: eine oder mehrere Kopien einer DNA-Sequenz (50–80 % des Säugetiergenoms)
Sich wiederholende Sequenzen: Sequenzen, die hunderte oder sogar tausende Male vorkommen
Kategorie 2
Sequenzen mit hoher Wiederholungszahl: hohe Wiederholungsfrequenz – umgekehrte Wiederholungen, Tandemwiederholungen, eingestreute Wiederholungen
Invertierte Wiederholungssequenz: Palindrom oder Spiegelwiederholung
Tandemwiederholungen: Satelliten-DNA (Zentromere), Minisatelliten-DNA (Telomere) und Mikrosatelliten-DNA
Eingestreute repetitive Sequenzen: Transposons usw.
Mäßig repetitive Sequenzen: Dutzende bis Zehntausende Male wiederholt – lange verstreute Fragmente, kurze verstreute Fragmente
Lange verstreute Fragmente (LINIE): KpnI-Familie, 3–5 kb lang, verstreute Verteilung
Kurze verstreute Fragmente (SINE): Alu-Sequenz, Länge 300 bp, durchschnittlich 5 kb große Alu-Sequenz
Multigenfamilie: Eine Gruppe von Genen mit ähnlichen Sequenzen, die mehrere Gene einer Proteinfamilie kodieren, die strukturell und funktionell verwandt sind.
Pseudogen: In derselben Multigenfamilie ähneln einige Mitglieder anderen Genen, produzieren jedoch keine funktionellen Genprodukte.
Genom-C-Wert und C-Wert-Paradoxon
Der C-Wert bezieht sich auf die Gesamtmenge an haploider genomischer DNA in jedem Organismus
Der maximale C-Wert bezieht sich auf die Gesamtmenge an haploider genomischer DNA in jedem Organismus.
Der minimale C-Wert bezieht sich auf den Gesamtgehalt an DNA, die genetische Informationen kodiert (d. h. exonische DNA) in jedem Organismus.
C-Wert-Paradoxon und verwandte Erklärungen
C-Wert-Paradoxon: Es gibt keinen strikten Zusammenhang zwischen dem C-Wert einer Art und ihrer evolutionären Komplexität, das heißt, die Komplexität von Organismen nimmt nicht vollständig proportional zur Größe des Genoms zu.
Mögliche Gründe für das C-Wert-Paradoxon:
Variationen in der Genomgröße (C-Wert) werden hauptsächlich durch Variationen in nichtkodierenden DNA-Segmenten verursacht
Es gibt eine unterschiedliche Anzahl von Wiederholungssequenzen auf Chromosomen, was zu einer Vielzahl von Veränderungen der C-Werte des Genoms führt.
Der Ursprung und die Entwicklung von Genomen – Die „RNA-Welt“-Theorie
Der Wandel von der „RNA-Welt“ zur „DNA“-Welt:
Die kodierende Funktion der RNA wird durch die stabilere DNA ersetzt
Die katalytische Funktion der RNA wird durch Proteine ersetzt, die vielfältiger sind
RNA behält weiterhin ihre regulatorische Funktion, ist jedoch flexibler
Die Evolution des Genoms
Erzeugung neuer Gene
genetische Karte
Eine Karte zur Beschreibung des Verteilungsstatus von Genen auf Chromosomen, der linearen Anordnung und anderer Informationen
Genomkartentyp
genetische Karte
Die durch genetische Rekombinationsanalyse erhaltene lineare Anordnung von Genen oder Markern auf Chromosomen wird als genetische Verknüpfungskarte bezeichnet. Es berechnet die Rekombinationshäufigkeit zwischen verknüpften genetischen Markern und bestimmt deren relativen Abstand, der im Allgemeinen in Centimorganen (cM, d. h. die Rekombinationshäufigkeit jeder Meiose beträgt 1 %) ausgedrückt wird.
Physikalische Karte
Die lineare Anordnung von Genen oder Markern auf Chromosomen, die durch die Anordnung von Restriktionsenzymfragmenten oder durch Hybridisierung, Sequenzierung und andere Techniken bestimmt wird, wird als physikalische Karte bezeichnet. Sie wird oft als physischer Abstand zwischen genetischen Markern ausgedrückt (bp, d. h. die Anzahl der Basenpaare oder kb/Mb usw.).
Erstellung einer Verknüpfungskarte
Verknüpfungsanalyse: Lokalisieren Sie die relative Positionsbeziehung zwischen genetischen Markern oder Genen basierend auf der Rekombinationsrate zweier benachbarter genetischer Marker oder Gene, die sich auf demselben Chromosom befinden.
Physische Kartierung: Verwenden Sie Methoden wie die Chromosomen-in-situ-Hybridisierung oder somatische Zellhybridisierung, um Gene oder genetische Marker auf einem bestimmten Chromosom oder einer bestimmten Region eines Chromosoms zu lokalisieren.
Zu den typischen physischen Karten gehören:
Chromosomenkarte
Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung
Einschränkungskarte
Vollständige Genomsequenz
Die Bedeutung der Genomanalyse
Analyse wichtiger Gene, die komplexe Merkmale steuern
Molekulargenetische Tests
Markierungsgestützte Auswahl
Selektive Zucht des gesamten Genoms
Ausgrabung hervorragender genetischer Keimplasma-Ressourcen
Überblick über die Gentechnik von Tieren
Definition: Basierend auf den theoretischen Grundlagen der Molekulargenetik und unter Verwendung moderner Methoden der Molekularbiologie und Mikrobiologie werden Gene aus verschiedenen Quellen in vitro nach einem vorgefertigten Bauplan konstruiert und dann in lebende Zellen eingeführt, um den biologischen Ursprung zu verändern . bestimmte genetische Merkmale, erhalten neue Sorten und produzieren neue Produkte. Die gentechnische Technologie bietet ein leistungsstarkes Mittel zur Untersuchung der Genstruktur und -funktion.
Hauptbetriebstechniken der Gentechnik
Erhalten Sie DNA-Fragmente, die den Anforderungen entsprechen – Amplifikation, Enzymverdauung, künstliche Synthese
Konstruieren Sie einen Genexpressionsvektor – verwenden Sie DNA-Ligase, um den Vektor und fremde Fragmente zu verbinden
Führen Sie das gewünschte Gen in die Empfängerzellen ein
Nachweis und Identifizierung von Zielgenen
Anwendungen und Beispiele der transgenen Tiertechnologie
menschliche Krankheitsmodelle
Bioreaktor für pharmazeutische Proteine
Entdecken und überprüfen Sie die Genfunktion
Anbau und Verbesserung von Tierrassen
Anwendungen und Beispiele der Genbearbeitungstechnologie bei Tieren
Gen-Editing-Technologie: bezieht sich auf die Bearbeitung der Zielposition des Genoms, um das Ausschalten, Hinzufügen oder Umschreiben spezifischer DNA-Fragmente zu erreichen.
Bakterielles CRISPR/Cas-Abwehrsystem gegen Viren
So funktioniert das CRISPR Cas9-System