11 MZB I - Sartori

-> Repair of the gap can lead to crossover (CO) or non-crossover (NCO) of the flanking regions

-> wichtiger Zwischenschritt des Crossing-overs

s.B.

BReast CAncer 1 und 2

BRCA1 und BRCA2 sind Tumorsuppressorprotein (wie p53)
-> BRCA1 and BRCA2 spielen eine zentrale Rolle in der DSB Reparatur (HR) !

Breast Cancer Risk:
1 in 9 women (11%) will develop breast cancer during their lifetime !
2 in 3 women (65%) carrying a mutated BRCA1 gene will develop breast cancer !

Konsequenz von Fehlerhaftem Verknüpfen von zwei DSBs;

• t(9;22) Translokation führt zu einem verkürzten Chromosom 22 (sog. Philadelphia Chromosom)
• 95% der CML Patienten weisen ein Philadelphia Chromosom auf
• der Chromosomenbruch liegt im Bereich von 2 Genen, BCR und ABL (Tyrosinkinase)
• das Fusionsprodukt BCR-ABL besitzt dauerhafte Kinase-Aktivität (onkogene Wirkung)
• die Zelle vermehrt sich unkontrolliert (unabhängig von Wachstumsfaktoren) und entartet

• Der Wirkmechanismus von Imatinib besteht in der kompetitiven und selektiven Blockade der ATPBindungsstelle der BCR-ABL Kinase. Damit wird die Übertragung eines Phosphatrestes auf das Substrat (Kinasierung) wird verhindert.
• Imatinib ist das Paradebeispiel für die “gezielte Krebstherapie”, die speziell auf die biologische Eigenarten der Krebszellen gerichtet ist (im Unterschied zu Chemo- oder Strahlentherapie).

Site-specific recombination is a type of genetic recombination in which DNA strand exchange takes place between segments possessing at least a certain degree of sequence homology.^[1][2][3] Site-specific recombinases (SSRs) perform rearrangements of DNA segments by recognizing and binding to short DNA sequences (sites), at which they cleave the DNA backbone, exchange the two DNA helices involved and rejoin the DNA strands.

Beispiel: V(D)J Rekombination -> Antikörperdiversität

• Antikörper (= Immunoglobuline, Ig) sind ein zentraler Bestandteil des Immunsystems
• Ig werden exklusiv in den B-Zellen (= B-Lymphozyten) produziert
• B-Zellen gehören zur Klasse der weissen Blutzellen (Leukozyten)
• B-Zellen werden im Knochenmark (Bone marrow) gebildet

Struktur der Antikörper:
2 identische schwere (Heavy) Ketten: H
2 identische leichte (Light) Ketten: L verknüpft durch kovalente Disulfidbrücken

Antikörper Repertoire von B-Zellen: ca. 10^9 bis 10^12 verschiedene Antikörper !!!

Antigene = körperfremde Moleküle (meist Proteine bzw. Peptide), bakterieller, viraler oder parasitärer Herkunft.

unlimitierte Vielfalt von Antigenen !

Die V(D)J-Rekombination (auch als somatische Rekombination bezeichnet) ist ein genetischer Umlagerungsprozess an der DNA von Wirbeltieren, der für dieVariabilität der von den B-Zellen gebildeten Antikörper (auch Immunglobuline genannt), der B-Zell-Rezeptoren, sowie der T-Zell-Rezeptoren sorgt.

Während der Entwicklung einer B-Zelle werden die Gene für die leichten und die schweren Ketten der Antikörper und T-Zell-Rezeptoren als zufällige Auswahlen von unterschiedlichen bereitstehenden DNA-Abschnitten zusammengefügt, rekombiniert.

"Die variablen Anteile beider Ketten (V-Regionen) setzen sich aus verschiedenen Abschnitten zusammen. Dies sind die V-Segmente und J-Segmente im Falle der leichten Ketten und zusätzlich zu diesen beiden die D-Segmente im Falle der schweren Ketten"

2 Typen von leichten Ketten: κ (Kappa) und λ (Lambda)
variabler Abschnitt besteht aus V-Gensegmenten und J-Gensegmenten die beliebig kombiniert werden können

1 schwere Ketten (5 Isotypen, je nach konstanter Region): µ (Mu:IgM), δ (Delta:IgD), γ(Gamma:IgG), ε (Epsilon:IgE), α (Alpha:IgA)
variabler Abschnitt besteht aus V-, D- und J-Gensegmenten die beliebig kombiniert werden können

Rekombinations-Signal-Sequenzen (RSS)
-> 2 Arten von Erkennungsstellen
  -> 12/23-Spacer-Regel: nur RSS mit unterschiedlich langen Spacerregionen können sich zusammenlagern.

Kompatible Gensegmente lagern sich über ihre Signalsequenzen (RSS) zusammen

RAG-(= Rekombination-Aktivierendes-Gen) Enzymkomplex:
- RAG1 und RAG2 Proteine werden nur in B- und T- Lymphozyten exprimiert
- erkennt und bindet kompatible RSS Erkennungsstellen der V-, D-, und J- Gensegmente
- Endonuclease Aktivität -> führt zur Bildung von DNA Doppelstrangbrüchen (DSB)

=> Zusätzliche Antikörper-Diversität entsteht durch Einfüllen von Nukleotiden (Schritte 6+7, ungenaues Prozessieren), die in der Originalsequenz nicht vorkommen (sog. Verknüpfungsdiversität)

SCID (engl. severe combined immunodeficiency; schwerer kombinierter Immundefekt):

• Sammelbezeichnung für Krankheiten oder ein Syndrom, die als Gemeinsamkeit eine angeborene schwere Störung des Immunsystems aufweisen.
• Häufigkeit: 1:50'000 – 1:100'000 (viele verschiedene Ursachen) • Immundefiziente SCID-Patienten mit Mutationen in RAG und NHEJ (Artemis, DNA Ligase IV, XLF)
• Patienten mit einem NHEJ Defekt sind zusätzlich auch noch sensitiv gegenüber ionisierender Strahlung = Radio-Sensitive (RS-SCID), da NHEJ in allen Körperzellen eine wichtige Rolle spielt bei der Reparatur von DSB.
• Verlauf ist meist tödlich bereits im Säuglingsalter, da die Patienten praktisch ungeschützt sind gegen Infektionen (bubble babies, Isolierung in sterilen Plastikzelten)
• Einzige Chance auf dauerhafte Heilung: Blutstammzellen-Transplantation. Voraussetzung für Transplantationen ist aber eine Ganzkörperbestrahlung zur Zerstörung des Immunsystems, was seinerseits Krebs verursachen kann.

Ein Transposon (umgangssprachlich springendes Gen) ist ein DNA-Abschnitt bestimmter Länge im Genom, der seine Position im Genom verändern kann (Transposition).
-> Transposition = Verschiebung genetischer Elemente innerhalb des Genoms
-> In Bakterien kommen nur DNA-Transposons vor

Mit dem Begriff Retrotransposon wird eine Klasse der transponierbaren DNA-Sequenzen bezeichnet. Diese trägt ihren Namen aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit mit Retroviren. Retrotransposons verwenden RNA als mobile Zwischenstufe. 

-> mobile Elemente ('springende Gene') machen 45% des menschlichen Genoms aus

-> Transposons können Mutationen auslösen

DNA-Transposons vermehren sich nur, wenn sie in der S-Phase des Zellzyklus von bereits kopierten in nicht-kopierte Regionen springen

-> Dieser auf den ersten Blick “ineffiziente” Mechanismus hat zu immerhin schon 300.000 Kopien (3% der DNA) im menschlichen Genom geführt.

IS (insertion sequence)-Elemente

– Base: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Uracil (U)
– Zucker: Ribose (DNA: Desoxyribose)
– Phosphat

RNA-Moleküle kommen hauptsächlich einzelsträngig vor und sind dadurch sehr flexibel

RNA-Moleküle bilden durch intra-molekulare (“auf demselben Strang”) Paarung von komplementären Basen häufig sog. Haarnadelschleifen (engl. hairpin-loops).

Einige RNAs besitzen katalytische Aktivität d.h einige RNA Moleküle sind mitverantwortlich für viele wichtige Reaktionen während der RNA Prozessierung (z.B. Spleissen, 5.8) und der Proteinsynthese

1. DNA wird vollständig repliziert, aber nur bestimmte Teile der DNA werden transkribiert (Gene)

2. Es wird nur 1 Strang eines jeweiligen Gens transkribiert (Matrizenstrang)

3. Die beiden DNA Stränge werden während der Transkription nur vorübergehend voneinander getrennt (“Transkriptionsblase”). DNA Replikation hingegen ist semikonservativ

4. RNA-Polymerase braucht keinen “Primer”

nur ca. 10 % des gesamten Genoms sind Gene (kodierende DNA) ; ca. 90 % des Genoms besteht aus nicht-kodierender DNA

kodierende DNA
-> mRNA

nicht-kodierende DNA
-> rRNA, tRNA, Promoter-Sequenzen, transposon, repetitive Sequenzen, pseudogene

Das erste transkribierte Nukleotid: Position +1 (= Startstelle)
- Nukleotid 3’ (downstream, stromabwärts) der Startstelle: Position +2, etc.
- Nukleotid 5’ (upstream, stromaufwärts) der Startstelle: Position -1, etc.

Als Matrizenstrang bezeichnet man den Strang der DNA-Doppelhelix, welcher während derTranskription von der RNA-Polymerase II abgelesen und in mRNA umgeschrieben wird. Auch bei derDNA-Replikation dient der Matrizenstrang als Vorlage.

Als Promotor, wird in der Genetik eine Nukleotid-Sequenz auf der DNA bezeichnet, die die regulierte Expression eines Gens ermöglicht. Der Promotor ist ein essenzieller Bestandteil eines Gens. Er liegt am 5'-Ende des kodierenden Stranges des Gens und somit in Syntheserichtung vor dem RNA-codierenden Bereich.

-> teilt der RNA-Polymerase mit wo sich die Startstelle befindet

Initiation, Elongation und Termination

s.B.

s.B.

s.B.

Bakterien besitzen eine einzige RNA-Polymerase, die aus mehreren Untereinheiten besteht:

Untereiheit: ¦Anzahl: ¦ Funktion
α                  2            Bindet regulatorische Sequenzen
β                  1            Bildet Phosphodiesterbindungen - Polymerase Aktivität
β”                 1            Bindet die DNA-Matrize
σ⁷⁰              1            Erkennt den Promotor und initiiert die Synthese
ω                 1            nicht-essentielle Untereinheit, Stabilisiert den Komplex

Core-Enzym (ohne σ):                          α2ββ'ω   (ca. 400 kDa), aktiv, aber unspezifisch
Holoenzym mit 6 Untereinheiten:         α2ββ'σω (ca. 480 kDa)

(-> Zur Elongation löst sich die σ-Untereinheit ab und das Core-Enzym allein übernimmt die Transkriptionstätigkeit)

RNA-Polymerasen in Eukaryoten:
• Pol-I: Synthese der ribosomalen RNA (rRNA)
• Pol-II: Synthese der messenger RNA (mRNA)
• Pol-III: Synthese der transfer RNA (tRNA)