Molekulare Genetik - Molecular genetics

Eine nicht-technische Einführung in das Thema finden Sie unter Einführung in die Genetik .
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Die Molekulargenetik ist ein Teilgebiet der Biologie, das sich damit befasst, wie sich Unterschiede in der Struktur oder Expression von DNA- Molekülen als Variation zwischen Organismen manifestieren. Die Molekulargenetik wendet häufig einen "untersuchungstechnischen Ansatz" an, um die Struktur und/oder Funktion von Genen im Genom eines Organismus unter Verwendung genetischer Screens zu bestimmen . Das Studienfach basiert auf der Zusammenführung mehrerer Teilbereiche der Biologie: klassische Mendelsche Vererbung , Zellbiologie , Molekularbiologie , Biochemie und Biotechnologie . Forscher suchen nach Mutationen in einem Gen oder induzieren Mutationen in einem Gen, um eine Gensequenz mit einem bestimmten Phänotyp zu verknüpfen. Die Molekulargenetik ist eine leistungsstarke Methode, um Mutationen mit genetischen Erkrankungen in Verbindung zu bringen, die die Suche nach Behandlungen/Heilmitteln für verschiedene genetische Erkrankungen unterstützen können.

Geschichte

Damit sich die Molekulargenetik als Disziplin entwickeln konnte, waren mehrere wissenschaftliche Entdeckungen notwendig. Die Entdeckung der DNA als Mittel zur Übertragung des genetischen Codes des Lebens von einer Zelle zur anderen und zwischen den Generationen war entscheidend für die Identifizierung des für die Vererbung verantwortlichen Moleküls.  Watson und Crick (zusammen mit Franklin und Wilkins ) fanden die Struktur der DNA heraus, einem Eckpfeiler der Molekulargenetik. Die Isolierung einer Restriktionsendonuklease in E. coli durch Arber und Linn im Jahr 1969 eröffnete das Gebiet der Gentechnik . Restriktionsenzyme wurden verwendet , um DNA für die Trennung durch Elektrophorese zu linearisieren und Southern - Blotting ermöglichte die Identifizierung spezifischer DNA - Segmente über Hybridisierungssonden . 1971 verwendete Berg Restriktionsenzyme, um das erste rekombinante DNA- Molekül und das erste rekombinante DNA- Plasmid herzustellen . 1972 schufen Cohen und Boyer den ersten rekombinanten DNA-Organismus, indem sie rekombinante DNA-Plasmide in E. coli einführten , heute als bakterielle Transformation bekannt , und den Weg für das molekulare Klonen ebneten. Die Entwicklung von DNA-Sequenzierungstechniken in den späten 1970er Jahren, zuerst von Maxam und Gilbert und dann von Frederick Sanger , war von entscheidender Bedeutung für die molekulargenetische Forschung und ermöglichte es Wissenschaftlern, genetische Screens durchzuführen, um genotypische Sequenzen mit Phänotypen in Verbindung zu bringen . Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) unter Verwendung der Taq-Polymerase, die 1985 von Mullis erfunden wurde, ermöglichte es Wissenschaftlern, Millionen von Kopien einer bestimmten DNA-Sequenz zu erstellen, die zur Transformation verwendet oder mittels Agarosegel- Trennung manipuliert werden konnte . Ein Jahrzehnt später wurde das erste vollständige Genom sequenziert ( Haemophilus influenzae ), gefolgt von der letztendlichen Sequenzierung des menschlichen Genoms über das Human Genome Project im Jahr 2001. Der Höhepunkt all dieser Entdeckungen war ein neues Gebiet namens Genomik , das die molekulare Struktur verknüpft eines Gens auf das Protein oder die RNA, die von diesem DNA-Segment kodiert wird, und die funktionelle Expression dieses Proteins innerhalb eines Organismus. Heute wird die Genomik durch Anwendung molekulargenetischer Techniken in vielen Modellorganismen untersucht und Daten in Computerdatenbanken wie NCBI und Ensembl gesammelt . Die Computeranalyse und der Vergleich von Genen innerhalb und zwischen verschiedenen Arten wird Bioinformatik genannt und verknüpft genetische Mutationen auf evolutionärer Ebene.

Das zentrale Dogma

Dieses Bild zeigt ein Beispiel für das zentrale Dogma, bei dem ein DNA-Strang transkribiert und dann übersetzt wird, und zeigt wichtige Enzyme, die in den Prozessen verwendet werden

Dieses Bild zeigt ein Beispiel für das zentrale Dogma, bei dem ein DNA-Strang transkribiert und dann übersetzt wird, und zeigt wichtige Enzyme, die in den Prozessen verwendet werden

Das Zentrale Dogma ist die Grundlage aller Genetik und spielt eine Schlüsselrolle bei der Erforschung der Molekulargenetik. Das zentrale Dogma besagt, dass DNA sich selbst repliziert, DNA in RNA transkribiert und RNA in Proteine ​​übersetzt wird. Zusammen mit dem zentralen Dogma wird der genetische Code verwendet, um zu verstehen, wie RNA in Proteine ​​übersetzt wird. Die Replikation von DNA und die Transkription von DNA zu mRNA erfolgt in den Mitochondrien, während die Translation von RNA zu Proteinen im Ribosom stattfindet . Der genetische Code besteht aus vier Basenpaaren: Adenin, Cytosin, Uracil und Guanin und ist redundant, was bedeutet, dass mehrere Kombinationen dieser Basenpaare (die dreifach gelesen werden) dieselbe Aminosäure produzieren. Proteomik und Genomik sind Felder der Biologie, die aus dem Studium der Molekulargenetik und des Zentralen Dogmas hervorgegangen sind.

Techniken

Vorwärtsgenetik

Vorwärtsgenetik ist eine molekulargenetische Technik, die verwendet wird, um Gene oder genetische Mutationen zu identifizieren, die einen bestimmten Phänotyp erzeugen . Bei einem genetischen Screening werden zufällige Mutationen mit Mutagenen (Chemikalien oder Strahlung) oder Transposons erzeugt und Individuen werden auf den spezifischen Phänotyp gescreent. Häufig kann nach der Mutagenese ein sekundärer Assay in Form einer Selektion folgen, wo der gewünschte Phänotyp schwer zu beobachten ist, beispielsweise in Bakterien oder Zellkulturen. Die Zellen können unter Verwendung eines Gens für Antibiotikaresistenz oder eines fluoreszierenden Reporters transformiert werden, so dass die Mutanten mit dem gewünschten Phänotyp aus den Nicht-Mutanten ausgewählt werden.

Mutanten, die den interessierenden Phänotyp aufweisen, werden isoliert und ein Komplementationstest kann durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob der Phänotyp von mehr als einem Gen herrührt. Die mutierten Gene werden dann als dominant (was zu einem Funktionsgewinn führt), rezessiv (was einen Funktionsverlust zeigt) oder epistatisch (das mutierte Gen maskiert den Phänotyp eines anderen Gens) charakterisiert . Schließlich wird der Ort und die spezifische Natur der Mutation durch Sequenzierung kartiert . Die Vorwärtsgenetik ist ein unvoreingenommener Ansatz und führt oft zu vielen unerwarteten Entdeckungen, kann jedoch kostspielig und zeitaufwändig sein. Modellorganismen wie der Fadenwurm Caenorhabditis elegans , die Fruchtfliege Drosophila melanogaster und der Zebrafisch Danio rerio wurden erfolgreich verwendet, um Phänotypen zu untersuchen, die aus Genmutationen resultieren.

Ein Beispiel für Vorwärtsgenetik bei C. elegans (einem Nematoden) unter Verwendung von Mutagenese.

Reverse Genetik

Diagramm zur Veranschaulichung des Entwicklungsprozesses des Vogelgrippe- Impfstoffs durch Techniken der reversen Genetik

Reverse Genetik ist der Begriff für molekulargenetische Techniken, die verwendet werden, um den Phänotyp zu bestimmen, der aus einer absichtlichen Mutation in einem interessierenden Gen resultiert. Der Phänotyp wird verwendet, um die Funktion der nicht mutierten Version des Gens abzuleiten. Mutationen können zufällige oder beabsichtigte Veränderungen des interessierenden Gens sein. Mutationen können eine durch Nukleotid-Substitution verursachte Fehlsinn-Mutation , eine Nukleotid-Addition oder -Deletion zur Induktion einer Leseraster-Mutation oder eine vollständige Addition/Deletion eines Gens oder Gensegments sein. Die Deletion eines bestimmten Gens führt zu einem Gen-Knockout, bei dem das Gen nicht exprimiert wird und ein Funktionsverlust resultiert (zB Knockout-Mäuse ). Fehlsinnmutationen können zu einem vollständigen Funktionsverlust oder zu einem teilweisen Funktionsverlust führen, der als Knockdown bezeichnet wird. Knockdown kann auch durch RNA-Interferenz (RNAi) erreicht werden. Alternativ können Gene in das Genom eines Organismus (auch als Transgen bekannt ) substituiert werden , um einen Gen-Knock-in zu erzeugen und zu einem Funktionsgewinn durch den Wirt zu führen. Obwohl diese Techniken in Bezug auf die Entscheidung, einen Phänotyp mit einer bestimmten Funktion zu verknüpfen, eine gewisse Voreingenommenheit aufweisen, ist die Produktion viel schneller als die Vorwärtsgenetik, da das interessierende Gen bereits bekannt ist.

Siehe auch

Quellen und Hinweise

Weiterlesen

Externe Links