11 Gentec – Gloor

Gentechnologie

Gentechnologie


H. M.
Diese Karteikarten bieten einen umfassenden Überblick über die Molekularbiologie und Genetik auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie DNA, Proteine, PCR, Gentherapie und rekombinante Proteine ab, wobei auch spezifische Techniken wie CRISPR/Cas9, RFLP und STR-PCR behandelt werden. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Medizin, die sich mit den Grundlagen und Anwendungen der Gentechnik vertraut machen möchten.
Flashcards
45
Students
9
Language
German
Category
Medical
Level
University
Created / Updated
29.05.2016 / 19.01.2021

Cartes-fiches

Genklonierung:

Vektor

Vektor
zirkuläres DNA Molekül
- kann in Wirtszelle repliziert werden
- enthält durch rekombinante Technik eingebaute Sequenz für ein Gen
- enthält einen Promotor für die Expression des Gens
- enthält einen Selektionsmarker

Rekombinante Proteine.

Was benötigt man um ein Rekombinantes Protein herzustellen?

Rekombinante Proteine sind biotechnologisch hergestellte Proteine, die mit Hilfe von gentechnisch veränderten Organismen oder mit transient transfiziertenZellkulturen erzeugt wurden.

• das (in der Regel humane) Gen, das für das Protein codiert (nur die codierende Sequenz, in klonierter Form)
• der Organismus, in welchem das rekombinante Protein hergetellt werden soll
• Plasmide/Vektoren: biologische Trägermoleküle des Gens
• die experimentelle Vorgehensweise, um das rekombinante Protein aufzureinigen
• ein biologisches System, um die Funktionalität des rekombinanten Proteins zu testen

Rekombinante Proteine:

Gen des Proteins; Problem/Herstellung

das Gen eines humanen Proteins: cDNA Synthese (wegen Exon/Intron Struktur)

Die cDNA (englisch complementary DNA, deutsch komplementäre DNS) ist eine DNA, die mittels des Enzyms Reverse Transkriptase aus RNA (wie mRNA undncRNA) synthetisiert wird.

Herstellung von rekombinanten Proteinen in Escherichia Coli:

Vorteile

Einige Vorteile des bakteriellen Expressionssystems
• Bakterien sind einfach in der Handhabung und “billig”
• mit Bakterien können in der Regel technisch einfach grosse Proteinmengen hergestellt werden
• Bakterien können einfach genetisch verändert werden
• in Bakterien können auch für das Bakterium schädlicheProteine einigermassen effizient hergestellt werden

Herstellung von rekombinanten Proteinen in Escherichia Coli:

Nachteile

Einige Nachteile des bakteriellen Expressionssystems
• sekretierte Proteine werden in Bakterien oft nicht richtig gefaltet (kein endoplasmatisches Reticulum, andere Redoxbedingungen) und sekretiert
• Bakterien prozessieren Proteine anders als eukaryontische Zellen (Glycosylierung, proteolytische Prozessierung)
• bei der Aufreinigung können bakterielleKomponenten als Kontaminationen vorhanden sein: Endotoxine (Lipopolysaccharide, d.h. Membranbestandteile), Lösen beimMenschen Fieber und Entzündungsreaktionenaus

Plasmide

Plasmide sind:
• DNA Moleküle, nicht Bestandteil des Chromosoms, autonom replizierend
• natürlich vorkommend (in Bakterien, Hefen), und gentechnisch umgebaut
• ringförmig, doppelsträngig, mit Genen, die für das Bakterium wichtig sind
• für die Gentechnik: “Trägermoleküle” für “das Gen”

Verhalten von Plasmiden bei der Mitose

• Plasmide werden bei der Zellteilung weitergegeben
• Plasmide kommen in vielfacher Kopie pro Zelle vor (10 bis > 100)
• Plasmide werden bei der Zellteilung zufällig auf die Tochterzellen verteilt
• Für die Proteinherstellung werden Plasmide verwendet, die unabhängig vom Genom repliziert werden und in sehr hoher Kopienzahl vorkommen

Zur Herstellung von rekombinanten Proteinen muss ein Gen kloniert werden;

Wie macht man das?

bei der in vitro Synthese von DNA (z.B cDNA Synthese) können Fehler entstehen. Für die korrekte Herstellung eines rekombinanten Proteins muss jedoch jedes hergestellte DNA Molekül die richtige Sequenz haben
 => ausgehend von einem einzigen DNA Molekül müssen genügend genetisch identische Moleküle hergestellt werden, damit Gentechnik betrieben werden kann

diese Anforderung wird erreicht, indem 1 DNA Moleül in 1 Bakterium eingeschleust wird: Transformation von Bakterien
-> aus jedem Bakteriumwird eine Kultur hochgezogen (eine grosse Population genetisch identischer Bakterien, ein Klon)
-> Durch die Klonierung kann die DNA des Gens jederzeit rasch und in grossen Mengen hergestellt werden

Aber: wenn DNA Moleüle bei der Synthese Fehler bekommen, dann wird es auch Klone mit Fehlern geben => die DNA von mehreren bakteriellen Kulturen (von mehreren Klonen) muss analysiert werden: DNA Sequenzanalyse

Rekombinante Proteine:

Einbau vom Gen in den Vektor:

Prinzip

Enzyme

• der circuläre Vektor wird mit einer Restriktionsendonuklease linearisiert
• der DNA Abschnitt mit dem Gen wird mit dem linearisierten Vektor gemischt
• die freien DNA Enden werden mit dem Enzym DNA Ligase verbunden
• => Vektorenden und Genenden müssen passen (kompatible Enden)

Rekombinante Proteine:

Restriktionsendonukleasen

Sticky / Blunt Ends

• Restriktionsendonukleasen sind bakterielle Endonukleasen, die doppelsträngige DNA spalten
• Spaltung bedeutet Hydrolyse einer Phosphoesterbindung • Restriktionsendonukleasen sind in der Regel homodimere Proteine, die spezifisch mit DNA Basen wechselwirken
• die in der Gentechnik verwendeten Restriktionsendonukleasen erkennen palindrome DNA Sequenzen und produzieren nach der Hydrolyse ein 5’-Phosphat und ein 3’-OH Ende

5‘-G A A T T C-3‘
3‘-C T T A A G-5‘

Gelelektrohorese

Prinzip

Verwendetes Fluoreszenzmittel

• EtBr absorbiert im UV Bereich (ca. 300 nm)
• EtBr emittiert im sichtbaren Bereich (ca. 600 nm, orange)
• Emission eines interkalierten EtBr Moleküls ist ca. 50-100x höher als Emission eines freien EtBr Moleküls

DNA Sequenzierung:

was passiert, wenn anstelle eines dNTP ein ddNTP als Substrat bei der DNA Synthese eingebaut wird?

die DNA Synthese bricht ab, wenn ein ddNTP eingebaut wird, weil die freie 3’– OH Gruppe fehlt

DNA Sequenzierung:

Prinzip (der Reaktion)

durch die Verwendung von markierten Molekülen (früher Radioaktivität, heute fluoreszierende Primer) können die neu synthetisierten DNA Moleküle sichtbar gemacht werden
• mit Acrylamid Gelelektrophorese werden die markierten DNA Moleküle nach Grösse aufgetrennt. Diese Technik erlaubt, DNA Moleküle zu trennen, die sich um ein Nucleosidmonophosphat unterscheiden (n Basen vs. n+1 Basen)

DNA Sequenzierung:

Wie wird die Raktion ausgewertet (früher und heute)

früher • vertikale Gele (ca. 50 cm lang, 0.3 cm dick)

heute • Kapillaren (50-80 cm lang, Durchmesser 0.1 cm) (s.B.)

Proteinproduktion in Bakterier:

Was tut ein Promotor?

Was ist ein Operator?

Promotor • die Bindungsstelle für die RNA Polymerase

Operatorbereich • DNA Abschnitt, an den Regulationsproteine binden (regulieren Bindung der RNA Polymerase)

lac Regulationssystem

Prinzip

• in Abwesenheit von Laktose werden die Enzyme für den Metabolismus von Laktose nicht benötigt. Der Repressor ist am Operator gebunden => keine Expression
• wenn Laktose vorhanden ist, wirken einige Laktosemoleküle als Induktor. Die Enzyme für den Metabolismus werden nun produziert (IPTG ist der synthetische Induktor)

=> Laktose wirkt als allosterischer Regulator. Laktose reduziert die Affinität des Repressors an den Operator 

IPTG

verwendung

Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid (IPTG) ist ein Galactose-Thioglycosid (S-Glycosid), welches als künstlicher Induktor des Lactose-Operons in Escherichia coli verwendet wird.

Das pET/BL21 System

• durch den lac Repressor (das Gen kommt im Genom und auf dem Expressionsvektor vor) wird die Expression der T7 RNA Polymerase verhindert, deren Gen im Genom des Bakterienstamms BL21 integriert ist
• die T7 RNA Polymerase bindet sehr spezifisch an eine ca. 20 bp lange Sequenz , den T7 Promotor
• durch den lac Repressor wird zusätzlich verhindert, dass eine bakterielle RNA Polymerase das “fremde Gen” auf dem Expressionsvektor exprimieren kann
• die Induktion mit IPTG ermöglicht die Produktion der T7 Polymerase, die nun das ebenfalls nicht mehr reprimierte “fremde Gen” exprimieren kann

Proteinproduktion in Bakterien:

Selektionsmarker

• das Einschleusen von Plasmid DNA in ein Bakterium (Transformation) ist ein sehr ineffizienter Prozess
• über den Selektionsmarker (Resistenz gegen ein Antibiotikum) können aus Milliarden von Bakterien sehr einfach diese Bakterien identifiziert werden, die erfolgreich transformiert wurden. Aber: mit der Selektion wird nicht nach der Anwesenheit des Gens selektioniert!
• resistente Klone (aus einem transformierten Bakterium entstandene Population) müssen auf die Anwesenheit (und Korrektheit) des Gens analysiert werden (1020 Klone, Restriktionsanalyse DNA Sequenzanalyse)

Western Blot

Nachweis des rekombinanten Proteins: Western Blot ein korrekter Klon ist gefunden. Wird auch das Protein gemacht?
• Acrylamid Gelelektrophorese (SDS PAGE)
• Auftrennung aller Proteine eines Klons nach Masse der Proteine
-> Welches Protein ist das Richtige? Aufgrund der berechneten Masse des rekombinanten Proteins kann nur vermutet werden 
• Transfer aller Proteine auf eine dünne Membran (Cellulose, Nylon)
• Identifikation des Proteins mit Hilfe von Antikörpern

Reinigung des rekombinanten Proteins:

Affinitätschromatographie 

Prinzip

His-Tag
• Expressionsvektoren enthalten oft die DNA Sequenz für 5 - 6 Histidine
• abhängig von der Klonierungsstrategie erhält das rekombinante Protein zusätzlich 5 - 6 Histidine am N- oder C-Terminus
Met-(His)5-As-As-As.... ....As-As-As-(His)5
• die Seitenketten von His werden zur Reinigung des rekombinanten Proteins verwendet

Ni2+
• die Seitenketten von His können eine Koordinationsbindung mit Ni2+ eingehen
• Ni2+ ist selbst koordinativ an eine inerte Matrix gekoppelt
• aus dem gesamten bakteriellen Proteingemisch bleibt (theoretisch) nur das rekombinante Protein an der Matrix hängen

Elution (Elution oder Eluierung bezeichnet das Ab- oder Herauslösen von Substanzen aus einer stationären Phase, die sowohl aus festem als auch aus flüssigem Material bestehen kann. )
• die Elution des rekombinanten Proteins erfolgt mit einem Kompetitormolekül.

Fazit
• theoretisch kann das rekombinante Protein mit einem Aufreinigungsschritt isoliert werden
• praktisch gesehen ist das Protein nach einem biochemischen Reinigungsschritt nie rein
• weitere biochemische Schritte sind nötig: Ionenaustauschchromatographie Gelfiltration
• Grundprinzip verschiedene physikochemische Eigenschaften des zu reinigenden Proteins werden sequentiell genutzt (Ladung, Masse, Löslichkeit)
• aber: das rekombinante Protein ist mit dem natürlichen nicht identisch (His-Tag, evtl. Glycosylierung)

stacking interactions

der DNA Doppelstrang wird durch Wasserstoffbrücken und Stacking Interactions (hydrophobe Wechselwirkungen parallel übereinanderliegender Basen) stabilisiert

minor groove
major groove

Die Oberfäche der Doppelhelix hat zwei Einfurchungen: minor groove major groove

PCR:

Was wird für die Synthese in vitro benötigt?

• DNA Matrize (doppelsträngig oder einzelsträngig, linear oder circulär)
• alle Nukleotide
• 2 Primer (-OH Gruppe, Startpunkt der DNA Synthese)
• DNA Polymerase (hitzestabil)
• Mg2+, etwa pH 7.5 für die Synthese

PCR

3 Teilschritte

- Trennung der beiden DNA Stränge in Einzelstänge (Denaturierung, ca. 30s)
- Hybridisierung der Primer mit den einzelsträngigen Matrizen (Annealing, ca. 30 s)
- DNA Synthese (ca. 60-120 s)

-> die 3 Teilschritte laufen im selben Reaktionsgefäss ab. Die Teilschritte unterscheiden sich einzig durch die Reaktionstemperatur

PCR:

Temperaturen der 3 Schritte

• bei 95°C denaturieren DNA-Doppelstränge
• bei ca. 50-60°C annealen die Primer
• bei 72-74°C hat die verwendete DNA Polymerase ihr Temperaturoptimum !

Annelaingtemperatur:

Wo sollte sie liegen?

Formel

Bestimmung der Annealingtemperatur
• die Primer sollten nur an die exakt komplementäre Sequenz binden
  • eine zu hohe Temperatur lässt keine Bindung zu
  • eine zu tiefe Temperatur lässt auch Bindungen zu, die nicht zu 100% komplementär sind
=> irgendwo dazwischen liegt ein Temperaturoptimum

Tm = 4 x (Anzahl CG bp) + 2 x (Anzahl AT bp)

Taq Polymerase:

Fehlerrate

Die Taq Polymerase
• die Fehlerrate der Taq Polymerase liegt be ca. 1/104 (wegen fehlender 3’-5’ Exonuklease Aktivität)
• wegen Fehlerfortpflanzung kann nach 30 Zyklen im Durchschnitt alle 300 bp ein Fehler vorhanden sein

PCR:

Wie kann man testen ob sich ein Fehler im PCR Produkt befindet?

durch Klonierung und Sequenzanalyse können fehlerfreie DNA Moleküle identifiziert werden

PCR

An welchem Ende können an einen Primer zusätzliche Basen angehängt werden?

Was bringt das?

• PCR Primer müssen am 3’-Ende perfekt mit der Matrize basenpaaren, damit die DNA Polymerase polymerisieren kann
• aber: an den 5’-Enden müssen die Primer nicht zwingend mit der Matrize basenpaaren => am 5’-Ende können die Primer zusätzliche Basen erhalten, die z.B. ein Erkennungsmotif für ein Restriktionsenzym enthalten

Bessere Primer, damit PCR DNA auch “genetisch korrekt” in einen Vektor gebaut werden kann
• das PCR Produkt ist stumpfendig und hat an den Enden keine Erkennungsstellen für Restriktionsenzyme
=> ein PCR Fragment kann präzise (Leseraster) in einen Vektor eingebaut werden

DNA Mutationen:

Punktmutationen

Tranistion, Transversion

Austausch einer Base. Das Leseraster bleibt erhalten
Transition (Purin -> Purin bzw. Pyrimidin -> Pyrimidin)
Transversion (Purin -> Pyrimidin bzw. Pyrimidin -> Purin)

PCR:

Einsetzen von Mutationen in die Mitte eines Gens

s.B.

Polymorphismus

Polymorphismus (SNP, Single Nucleotide Polymorphism)
eine spezifische Position im Genom, die zwischen den Mitgliedern einer Population verschieden ist

Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP)

Eine Sequenz enthält beispielsweise bei Person 1 eine Schnittstelle für ein Restriktionsenzym, in der Sequenz bei Person 2 kommt diese nicht vor. Werden nun diese Sequenzen mit einem Restriktionsenzym geschnitten, entstehen bei Person 1 zwei Fragmente und bei Person 2 ein Fragment. Werden nun die Längen der Sequenzen verglichen, kann ein RFLP festgestellt werden, die Fragmente sind unterschiedlich lang, der Locus ist polymorph.

eine spezielle Form von SNP, bei der als Folge der Punktmutation für ein Restriktionsenzym eine Erkennungsstelle generiert oder zerstört wird
• ist die Stelle bekannt, kann mit Hilfe genomischer DNA eine Analyse durchgeführt werden:
- PCR eines DNA Abschnittes mit dem RFLP
- Restriktionsverdau
- Auftrennung der Fragmente nach Grösse
- Unterscheidung

Microsatelliten DNA

kurze repetitive Sequenzen (ca. 2 – 12 Basen), die ca. 5 – 20 mal hintereinander angeordnet sind
• die Wiederholungszahl ist für jedes Individuum spezifisch
• mit PCR kann die Wiederholungszahl bestimmt werden

Microsatelliten DNA (short tandem repeats (STRs)):

Häufigster STR

das häufigste menschliche STR ist [CA]n (5 < n < 20)
• in einem Individuum existieren mehrere Allele des [CN]n STR
• für die Individuumsidentifizierung müssen die flankierenden DNA Sequenzen bekannt sein
• in einer PCR Reaktion mit der Primermischung für mehrere [CN]n STRs werden alle Bereiche gleichzeitig amplifiziert (multiplex PCR)

Verwandtschaftsanalyse können mit STR-PCR

Verwandtschaftsanalyse können mit STR-PCR durchgeführt werden • 3 der 4 Kinder haben STR 12 vom Vater geerbt => noch keine zwingende Schlussfolgerung, dass die 3 Kinder Geschwister sind, auch wenn das Allel “STR 12” sehr selten wäre
• mit der Analyse mehrerer STR Bereiche aus DNA beider Erwachsenen und aller Kinder kann die Zuordnung gesichert werden

Geschlechtsidentifikation mit PCR

wie kann “kein Signal” (weibliche DNA Probe) von “PCR hat nicht geklappt” unterschieden werden?
• das Amelogenin Gen (ein Protein für Zahnschmelzbildung) kommt auf X- und Y-Chromosom vor. Xund Y-Kopie unterscheiden sich jedoch durch Anbzw. Abwesenheit kurzer DNA Bereiche

Rekombinante Proteine:

t-PA

t-PA (tissue-type plasminogen activator)
• t-PA katalysiert die Auflösung von Fibringerinseln, die nach Herzinfarkten oder Schlaganfällen entstehen können. Es existieren verschiedene gentechnisch modifizierte Varianten von t-PA, die verbesserte Halbwertszeiten haben

Rekombinante Proteine:

Insulin

Insulin
• Bei Insulinmangel eingesetzt. Der Welt-Jahresbedarf liegt bei 5-6 Tonnen! Dieser Bedarf lässt sich nicht mehr über Schlachtschweine decken 

Lernen