Inhaltsübersicht

Vorwort XV

TEIL l Gene, Chromosomen und Vererbungslehre 1

Kapitel 1 Einführung in die Genetik 3
Kapitel 2 Mitose und Meiose 23
Kapitel 3 Mendel'sche Genetik 53
Kapitel 4 Anwendung der Mendel'schen Genetik 91
Kapitel 5 Chromosomenkartierung bei Eukaryoten 139
Kapitel 6 Genetische Analyse und Kartierung bei Bakterien und Bakteriophagen 189
Kapitel 7 Geschlechtsbestimmung und Geschlechtschromosomen 229
Kapitel 8 Chromosomenmutationen: Variation der Chromosomenanzahl und -anordnung 261
Kapitel 9 Extranukleäre Vererbung 299

TEIL II DMA: Struktur, Replikation und Variation 323

Kapitel 10 DNA-Struktur und -Analyse 325
Kapitel 11 DNA-Replikation und Rekombination 369
Kapitel 12 DNA-Organisation in den Chromosomen 401

TEIL III Expression und Regulation der genetischen Information 429

Kapitel 13 Der genetische Code und die Transkription 431
Kapitel 14 Translation und Proteine 471
Kapitel 15 Mutation, DNA-Reparatur und Transposition 507
Kapitel 16 Regulation der Genexpression bei Prokaryoten 551
Kapitel 17 Regulation der Genexpression bei Eukaryoten 577
Kapitel 18 Regulation des Zellzyklus und Krebs 609

TEIL IV Genomanalyse 641

Kapitel 19 Die Technik der rekombinanten DNA 643
Kapitel 20 Genomik und Proteomik 680
Kapitel 21 Die Identifizierung der Genfunktion: Mutationsanalyse bei Modellorganismen 721
Kapitel 22 Biotechnologie: Anwendungen und ethische Probleme 767

TEIL V Organismen- und Populationsgenetik 805

Kapitel 23 Entwicklungsgenetik von Modellorganismen 807
Kapitel 24 Quantitative Genetik und multifaktorielle Merkmale 841
Kapitel 25 Populationsgenetik 869
Kapitel 26 Evolutionäre Genetik 901
Kapitel 27 Genetik und die Erhaltung bedrohter Arten 934

Anhang 955


Inhaltsverzeichnis

Vorwort XV

TEIL l Gene, Chromosomen und Vererbungslehre 1

Kapitel 1 Einführung in die Genetik 3
1.1 Von Mendel zur DNA in weniger als einem Jahrhundert 5
1.2 Die Entdeckung der Doppelhelix 8
1.3 Die Entstehung der Genomik aus der Technik der rekombinanten DNA 12
1.4 Der wachsende Einfluss der Biotechnologie 13
1.5 Die Verwendung von Modellorganismen in der Genetik 17
1.6 Das Zeitalter der Genetik 20

Kapitel 2 Mitose und Meiose 23
2.1 Die enge Verbindung zwischen Zellstruktur und genetischer Funktion 24
2.2 Homologe Chromosomenpaare in diploiden Organismen 27
2.3 Die Mitose 30
2.4 Die Meiose 35
2.5 Die Entwicklung der Garneten während der Spermatogenese und Oogenese 40
2.6 Geschlechtliche Vermehrung 42
2.7 Die cytologische Beschaffenheit der mitotischen und meiotischen Chromosomen 44

Kapitel 3 Mendel'sche Genetik 53
3.1 Mendels Modellexperiment 54
3.2 Die Monohybridkreuzung 56
3.3 Die Dihybridkreuzung 60
3.4 Die Trihybridkreuzung 64
3.5 Die Wiederentdeckung von Mendels Arbeiten 66
3.6 Die Grundlagen der modernen Vererbungslehre 66
3.7 Unabhängige Verteilung 69
3.8 Wahrscheinlichkeitsgesetze 69
3.9 Der Chi-Quadrattest 72
3.10 Stammbäume 76

Kapitel 4 Anwendung der Mendel'schen Genetik 91
4.1 Veränderung von Phänotypen durch Allele 92
4.2 Symbole für Allele 93
4.3 Unvollständige Dominanz 94
4.4 Kodominanz 95
4.5 Multiple Allele 96
4.6 Letale Allele 100
4.7 Kombination von zwei Genpaaren mit zwei unterschiedlichen Vererbungsweisen 102
4.8 Bestimmung von Phänotypen 103
4.9 Die Expression eines einzelnen Gens 110
4.10 X-Kopplung 111
4.11 Geschlechtsbegrenzte und geschlechtsbeeinflusste Vererbung 114
4.12 Die Expression des Phänotyps 116

Kapitel 5 Chromosomenkartierung bei Eukaryoten 139
5.1 Auf demselben Chromosom verbundene Gene 140
5.2 Crossing-over als Grundlage zur Bestimmung der Distanz zwischen Genen 142
5.3 Die Bestimmung der Reihenfolge der Gene bei der Kartierung 148
5.4 Interferenz 157
5.5 Effekte der Distanz zwischen zwei Genen 158
5.6 Drosophila-Gene 160
5.7 Physikalischer Austausch zwischen Chromatiden 160
5.8 Rekombination 162
5.9 Austauschereignisse zwischen Schwesterchromatiden 162
5.10 Kopplungsanalysen und Kartierung 165
5.11 Lod-Score-Analyse und Hybridisierung somatischer Zellen 171
5.12 Genkartierung mit molekularer Analyse der DNA 174
5.13 Entdeckte Mendel die Kopplung? 175

Kapitel 6 Genetische Analyse und Kartierung bei Bakterien und Bakteriophagen 189
6.1 Spontane Mutation und Wachstum bei Bakterien 190
6.2 Konjugation 192
6.3 Die Entdeckung der Rec-Proteine 201
6.4 Plasmide 201
6.5 Transformation 202
6.6 Bakteriophagen 204
6.7 Transduktion 208
6.8 Intergene Rekombination 210
6.9 Intragene Rekombination beim Phagen T4 213

Kapitel 7 Geschlechtsbestimmung und Geschlechtschromosomen 229
7.1 Geschlechtliche Differenzierung und Lebenszyklen 230
7.2 X- und Y-Chromosomen 234
7.3 Das Y-Chromosom beim Menschen 236
7.4 Das Zahlenverhältnis von männlichen und weiblichen Individuen 242
7.5 Dosiskompensation beim Menschen und anderen Säugetieren 243
7.6 Das Zahlenverhältnis von X-Chromosomen zu Autosomen bei Drosophila 247
7.7 Geschlechtsbestimmung bei Reptilien 251

Kapitel 8 Chromosomenmutationen: Variation der Chromosomenanzahl und -anordnung 261
8.1 Terminologie 262
8.2 Nondisjunction 262
8.3 Monosomie 263
8.4 Trisomie 265
8.5 Polyploidie bei Pflanzen 270
8.6 Variationen in der Struktur und Anordnung von Chromosomen 275
8.7 Deletion 276
8.8 Duplikation 278
8.9 Inversionen 282
8.10 Translokationen 285
8.11 Fragile Stellen im menschlichen Chromosom 288

Kapitel 9 Extranukleäre Vererbung 299
9.1 Organellenvererbung durch DNA in Chloroplasten und Mitochondrien 300
9.2 Mitochondrien-DNA, Chloroplasten-DNA und Organellenvererbung 304
9.3 Mutationen in der mitochondrialen DNA beim Menschen 308
9.4 Infektiöse Vererbung 310
9.5 Der maternale Effekt 312

TEIL II DNA: Struktur, Replikation und Variation 323

Kapitel 10 DNA-Struktur und -Analyse 325
10.1 Vier Eigenschaften des genetischen Materials 326
10.2 Die Vorstellung von Protein als genetischem Material 327
10.3 Der Nachweis von DNA als genetischem Material 328
10.4 Ein indirekter und ein direkter Beweis der DNA als genetischem Material von Eukaryoten 335
10.5 RNA als genetisches Material bei Viren 337
10.6 Die Chemie der Nucleinsäure 338
10.7 Die Struktur der DNA 342
10.8 Alternative Formen von DNA 347
10.9 Die Struktur der RNA 349
10.10 Analysetechniken zur Untersuchung von DNA und RNA 351

Kapitel 11 DNA-Replikation und Rekombination 369
11.1 Reproduktion von DNA durch semikonservative Replikation 370
11.2 DNA-Synthese bei Bakterien 375
11.3 Prozesse während der DNA-Replikation 379
11.4 Entspiralisierung der DNA-Helix 380
11.5 Initiation der DNA-Synthese durch einen RNA-Primer 381
11.6 Replikation antiparalleler Stränge durch kontinuierliche und diskontinuierliche
DNA-Synthese 381
11.7 Simultane Synthese auf dem Leitstrang und dem Folgestrang 382
11.8 Korrekturlesen und Fehlerkorrektur 383
11.9 Ein kohärentes Modell der DNA-Replikation 383
11.10 Die Steuerung der Replikation 384
11.11 Die DNA-Synthese der Eukaryoten 385
11.12 Die Enden linearer Chromosomen 387
11.13 Die Steuerung der DMA-Rekombination 389
11.14 Genkonversion als Folge der DNA-Rekombination 391

Kapitel 12 DNA-Organisation in den Chromosomen 401
12.1 Virale und bakterielle Chromosomen 402
12.2 Spiralisierung 404
12.3 Spezialisierte Chromosomen 406
12.4 Organisation der DNA bei Eukaryoten 408
12.5 Chromosomenbanden 414
12.6 Repetitive DNA bei eukaryotischen Chromosomen 415
12.7 Nicht funktionale Gene 420

TEIL III Expression und Regulation der genetischen Information 429

Kapitel 13 Der genetische Code und die Transkription 431
13.1 Der genetische Code 432
13.2 Das funktioneile Grundmuster des Codes 433
13.3 Dechiffrierung des Codes 435
13.4 Das Wörterbuch der Codierung 441
13.5 Untersuchungen am Phagen MS2 443
13.6 Die Universalität des genetischen Codes 443
13.7 Überlappende Gene 444
13.8 Transkription 445
13.9 Untersuchungen zum Nachweis der mRNA 446
13.10 Die RNA-Polymerase 447
13.11 Transkription bei Eukaryoten 450
13.12 Introns 454
13.13 Die visuelle Darstellung der Transkription unter dem Elektronenmikroskop 459

Kapitel 14 Translation und Proteine 471
14.1 Die Translation der mRNA durch Ribosomen und Transfer-RNAs 472
14.2 Phasen der Translation von mRNA 476
14.3 Kristallstruktur prokaryotischer Ribosomen 480
14.4 Die Translation bei Eukaryoten 481
14.5 Die Bedeutung von Proteinen für die Vererbung 482
14.6 Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese 484
14.7 Codierung eines Polypeptids durch ein Gen 487
14.8 Colinearität der Nucleotidsequenz eines Gens und der Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins 490
14.9 Die Proteinstruktur als Grundlage der biologischen Vielfalt 490
14.10 Proteinfunktion und Molekülstruktur 495
14.11 Proteindomänen 496

Kapitel 15 Mutation, DNA-Reparatur und Transposition 507
15.1 Klassifizierungen von Mutationen 508
15.2 Die Rate der spontanen Mutationen 513
15.3 Replikationsfehler und Basenmodifikationen 516
15.4 Durch Chemikalien und Strahlung induzierte Mutationen 519
15.5 Genomsequenzierung und Gensequenzierung 523
15.6 Genetische Techniken, Zellkulturen und Stammbaumanalysen 526
15.7 Der Ames-Test 529
15.8 DNA-Reparatursysteme 530
15.9 Transponierbare Elemente 536

Kapitel 16 Regulation der Genexpression bei Prokaryoten 551
16.1 Mechanismen zur Reaktion auf Umweltbedingungen bei Prokaryoten 552
16.2 Der Lactosemetabolismus bei E.coli 553
16.3 Das Katabolitaktivatorprotein (GAP) 559
16.4 Bestätigung des Operonmodells durch die Kristallstrukturanalyse 561
16.5 Das Tryptophanoperon (trp) in E.coli 562
16.6 Attenuation bei der Regulation des frp-Operons von E. coli 564
16.7 TRAF- und At-Proteine bei B.subtilis 566
16.8 Das ara-Operon 567

Kapitel 17 Regulation der Genexpression bei Eukaryoten 577
17.1 Die eukaryotische Genregulation 578
17.2 Die Chromosomenorganisation im Zellkern 579
17.3 Transkriptionsinitiation 580
17.4 Phasen der Transkription bei Eukaryoten 583
17.5 Der Zusammenbau des Basaltranskriptionskomplexes am Promotor 585
17.6 Positive Induktion und Katabolitrepression bei den ga7-Genen der Hefe 589
17.7 DNA-Methylierung und Regulation der Genexpression 591
17.8 Posttranskriptionale Regulation der Genexpression 593
17.9 Alternatives Spleißen und die Stabilität der mRNA 597

Kapitel 18 Regulation des Zellzyklus und Krebs 609
18.1 Krebsgenetik 610
18.2 Genetische Defekte in Krebszellen 614
18.3 Krebszellen und die Regulation des Zellzyklus 616
18.4 Die Störung der Kontrolle des Zellzyklus 619
18.5 Die Beeinflussung des Zell-Zell-Kontakts durch Krebs 625
18.6 Erbliche Prädisposition für bestimmte Krebsformen 626
18.7 Viren und Krebsentwicklung 628
18.8 Umweltfaktoren und Krebsentwicklung 631

TEIL IV Genomanalyse 641

Kapitel 19 Die Technik der rekombinanten DNA 643
19.1 Die Technik der rekombinanten DNA als Verknüpfung verschiedener experimenteller Techniken 644
19.2 Die Technik der rekombinanten DNA als Grundlage der Genomanalyse 645
19.3 Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Erkennungssequenzen 645
19.4 Vektoren 647
19.5 Klonierung von DNA in prokaryotischen Wirtszellen 651
19.6 Hefezellen als eukaryotische Klonierungswirte 653
19.7 Gentransfer in eukaryotische Zellen 654
19.8 Die Polymerasekettenreaktion 655
19.9 Genbanken 657
19.10 Gewinnung spezifischer Klone aus Genbanken 661
19.11 Die Charakterisierung klonierter Sequenzen 663
19.12 DNA-Sequenzierung als bester Weg zur Charakterisierung von Klonen 667

Kapitel 20 Genomik und Proteomik 680
20.1 Genomik: Die Grundlage zur Identifizierung und Kartierung aller Gene eines Genoms 681
20.2 Überblick über die Genomanalyse 682
20.3 Funktionelle Genomik 686
20.4 Prokaryotische Genome 688
20.5 Genome von „Eubakterien" 690
20.6 Eukaryotische Genome 692
20.7 Das menschliche Genom 695
20.8 Vergleichende Genomik 699
20.9 Multigenfamilien und Genfunktion 704
20.10 Proteomik 707

Kapitel 21 Die Identifizierung der Genfunktion: Mutationsanalyse bei Modellorganismen 721
21.1 Genetisch manipulierbare Modellorganismen 722
21.2 Zielgerichtete Genetik 729
21.3 Genomik und reverse Genetik 738
21.4 Funktionelle Genomik und RNAi-Technologien 748
21.5 Genforschung bei Modellorganismen: Drei Fallstudien 751

Kapitel 22 Biotechnologie: Anwendungen und ethische Probleme 767
22.1 Biotechnologie und Landwirtschaft 768
22.2 Synthese pharmazeutischer Produkte in gentechnisch veränderten Organismen 771
22.3 Biotechnologie in der Diagnose von Erbkrankheiten 775
22.4 Gentherapie 782
22.5 Ethische Bedenken gegen die Gentherapie 786
22.6 Ethische Bedenken gegen das menschliche Genomprojekt 787
22.7 Auffinden und Kartieren von Genen im menschlichen Genom mit Hilfe der Technik der rekombinanten DNA 788
22.8 DNA-Fingerabdrücke 792

TEIL V Organismen- und Populationsgenetik 805

Kapitel 23 Entwicklungsgenetik von Modellorganismen 807
23.1 Entwicklungsgenetik: Vom Genom eines Organismus zum differenzierten Stadium 808
23.2 Konservierung von Entwicklungsmechanismen und der Einsatz von Modellorganismen 809
23.3 Master-Regulatorgene 810
23.4 Genetik der Embryonalentwicklung bei Drosophila: Festlegung der Körperachsen 813
23.5 Zygotische Gene: Die Segmentbildung bei Drosophila 817
23.6 Homöotische Gene 819
23.7 Differenzierung durch aufeinanderfolgende Genwirkungen 823
23.8 Homöotische Gene bei Pflanzen 824
23.9 Zell-Zell-Wechselwirkungen bei der Entwicklung von C.elegans 827
23.10 Programmierter Zelltod 831

Kapitel 24 Quantitative Genetik und multifaktorielle Merkmale 341
24.1 Schwellenmerkmale 842
24.2 Quantitative Merkmale 843
24.3 Die Untersuchung polygener Merkmale mit Hilfe statistischer Analyse 846
24.4 Vererbbarkeit: Schätzung des genetischen Beitrags zur Variabilität des Phänotyps 849
24.5 Zwillingsuntersuchungen 854
24.6 Die Kartierung quantitativer Merkmalsloci 855

Kapitel 25 Populationsgenetik 869
25.1 Allelhäufigkeiten in den Genpools einer Population 870
25.2 Das Hardy-Weinberg-Gesetz 871
25.3 Anwendung des Hardy-Weinberg-Gesetzes auf menschliche Populationen 873
25.4 Weitere Anwendungen des Hardy-Weinberg-Gesetzes 876
25.5 Natürliche Selektion und die Veränderung der Allelhäufigkeit 879
25.6 Neue Allele durch Mutation 885
25.7 Migration und Genfluss 887
25.8 Genetische Drift 889
25.9 Nicht zufällige Paarung 890

Kapitel 26 Evolutionäre Genetik 901
26.1 Speziation 902
26.2 Genetische Variation 904
26.3 Die genetische Struktur von Populationen 907
26.4 Die Definition einer Spezies 910
26.5 Verringerung des Genflusses zwischen Populationen 911
26.6 Genetische Unterschiede zwischen Populationen oder Spezies 918
26.7 Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte 922

Kapitel 27 Genetik und die Erhaltung bedrohter Arten 933
27.1 Genetische Vielfalt und Erhaltungsgenetik 935
27.2 Populationsgröße 938
27.3 Genetische Effekte in kleinen, isolierten Populationen 940
27.4 Genetische Erosion 942
27.5 Konservierung der genetischen Diversität 944

Anhang 955
A Glossar 956
B Lösungen zu ausgewählten Übungsaufgaben 977
C Index 1020