Genome sind Informationspakete, die von Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben werden. Mit dieser Präsentation lernen Sie diese Informationspakete etwas näher kennen.
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Wegen der Verwendung kleiner Bilder in dieser Internetversion sind leider einige Details bisweilen schwer zu erkennen. Bei Interesse schicke ich Ihnen kostenfrei eine entsprechende PowerPoint-Präsentation mit deutlich größeren Bildern (tfester@scivit.de)
Genomkarten entsprechend den hier dargelegten Abbildungsregeln finden Sie bei meinen Bildern.
Diese Abbildung zeigt die Genome des Bakteriums Mycoplasma genitalium, des Archaeons Methanococcus janaschii, der Hefe Saccharomyces cerevisiae, der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, des Menschen und des Amphibiums Necturus lewisii (im Hintergrund). Im weiteren Verlauf der Präsentation erfahren Sie mehr über diese Organismen, ihre Genome und die hier verwendete Darstellungsweise.
Genome entsprechen einem DNA-Faden (gelb), an dem die Gene (rot) wie Perlen aufgefädelt sind.
Während wir die Bedeutung der Gene zumindest ungefähr kennen, gilt dies nicht für die DNA-Abschnitte zwischen den Genen.
Zwecks besserer Darstellung wickeln wir den DNA-Faden um eine Kugel.
(In Wirklichkeit wurden hier zwei DNA-Fäden um die Kugel gewickelt, aber das ist für den Moment nicht so wichtig…)
Jetzt übersetzen wir die Dichte der Gene (rote Punkte) in Kontinente und Berge und unser erster Planet ist fertig.
Große Abstände zwischen benachbarten Genen entsprechen Ozeanen, wie sie in der Äquatorregion des Planeten auftreten.
Es folgt ein kurzer Blick auf die Oberfläche des Planeten…
Die meisten Genome bestehen aus mehr als einem DNA-Faden.
Der bisher gezeigte DNA-Faden stammt von der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Jeder Zellkern dieser Pflanze enthält fünf Paar verschiedener DNA-Stränge (Chromosomen). Bisher haben wir nur das Chromosom I dieser Pflanze betrachtet. (Um darzustellen, dass zwei Kopien dieses Chromosoms existieren, wurde unsere Planetenkugel aus zwei parallelen DNA-Fäden aufgebaut.)
Hier sehen Sie die fünf verschiedenen Chromosomen von Arabidopsis thaliana in der
zuvor beschriebenen Darstellungsweise.
Hier die Zusammenfassung der verschiedenen Chromosomen: Unser erster echter Planet – das Genom der Modellpflanze Arabidopsis thaliana.
Es fehlen noch ein paar Details, die wir gleich hinzufügen werden…
Jedes Chromosom besitzt einen zentralen Ansatzpunkt für den Transport – das Centromer, das hier durch rote Kegel markiert ist.
Nur die Centromeren der Chromosomen I, III und IV sind sichtbar (in dieser Version erscheinen sie leider recht klein; bei Interesse fragen Sie bitte nach meiner PowerPoint-Version). Die übrigen Centromere befinden sich auf der Rückseite des Planeten. Weil für jedes Chromosom zwei Kopien existieren, gibt es in jedem Fall auch zwei Centromere.
Die meisten Zellen besitzen auch außerhalb des Zellkerns DNA-Moleküle; im Falle von Arabidopsis innerhalb der Mitochondrien und der Plastiden.
Die Gene des mitochondrialen DNA-Moleküls sind um den Nordpol herum angeordnet…
…die Gene des plastidären DNA-Moleküls hingegen um den Südpol.
Im weiteren Verlauf der Präsentation werde ich Ihnen die Genome einiger anderer Organismen vorstellen…
Arabidopsis thaliana ist bereits ein ziemlich komplizierter Organismus. Wir wollen unsere Tour durch die Welt der Lebewesen mit etwas Einfacherem beginnen: mit Bakterien.
Hier sehen Sie das Genom des Pesterregers (Yersinia pestis). Gene, bei denen eine Bedeutung für die tödlichen Eigenschaften der Bakterien nachgewiesen sind, sind als Vulkane markiert.
Im Baum des Lebens besitzen die Bakterien eine Schwestergruppe, die Archaeen. Obwohl Mitglieder beider Gruppen sich recht ähnlich sehen, existieren eine Reihe von Unterschieden.
Archaeen sind an das Leben unter extremen Bedingungen angepasst. Der dem hier dargestellten Genom entsprechende Organismus (Methanopyrus kandleri) lebt auf dem Grunde der Tiefsee bei Temperaturen jenseits des Siedepunkts.
Typische Gene der Archaeen sind mit gelben Symbolen markiert, Gene für das Leben bei hohen Temperaturen mit Vulkanen und Gene zur Produktion von Methan durch kleine rote Flammen.
Bakterien und Archaeen unterscheiden sich deutlich voneinander. Trotzdem tauschen sie genetische Information untereinander aus. Um das Ausmaß dieses ungewöhnlichen Prozesses zu demonstrieren, ist hier das Genom des Modellbakteriums Escherichia coli dargestellt, wobei alle Gene, die das Bakterium nicht von seinen direkten Vorfahren erhalten hat, als Krater markiert sind.
Bakterien und Archaeen sind die beiden Basisgruppen des Lebens. Sie haben viele Gemeinsamkeiten: Beide Gruppen sind sehr alt, und umfassen einfache (aber sehr effiziente) Organismen. Die Genome sind relativ klein und die Gene liegen in diesen Genomen dicht beieinander. (Auf den entsprechenden Planeten existieren also keine Ozeane, sondern viele Berge.)
Alle Organismen, die wir mit bloßem Auge sehen können (sowie noch viele weitere), gehören allerdings zu einer dritten Gruppe. An dieser Stelle ist, für den Anfang, das Genom eines relativ einfachen, mikroskopischen Vertreters dieser Gruppe dargestellt.
Mitglieder dieser dritten Gruppe sind komplexer aufgebaut als die der beiden anderen Gruppen: Sie besitzen komplexe Zellen und bestehen oft aus mehreren solcher Zellen. Sie verfügen über große Genome mit Chromosomen. Zwischen den einzelnen Genen finden sich oft größere Abstände. (Die entsprechenden Planeten besitzen also Ozeane und Ebenen.)
Viele wissenschaftliche Untersuchungen legen nahe, dass diese dritte Gruppe ursprünglich durch die Fusion zweier Vertreter der beiden anderen Gruppen (Bakterien und Archaeen) entstanden ist.
Genarchaeologische Untersuchungen stoßen noch heute auf Überreste dieser Fusion.
Ein Grund (unter mehreren) für die großen Genome der dritten Gruppe ist die Anwesenheit autonomer Elemente im Genom. Diese Elemente können sich selbständig vermehren und über das Genom verteilen.
Hier ist das Genom des Modellinsekts (Drosophila melanogaster) dargestellt, bei dem die genannten autonomen Elemente schwarz markiert wurden.
Die in Genomen gespeicherte Information wird auf sehr komplexe Art und Weise abgerufen.
Diese Präsentation des menschlichen Genoms zeigt zwei Gene (mit Bedeutung für Entzündungsprozesse und für die Krebsentstehung) die an der Regulation anderer Gene beteiligt sind.
Alle bisher gezeigten Genome wurden auch in Form historischer Karten dargestellt. Falls Sie an einer Verwendung solcher Karten interessiert sind, können Sie mich per e-mail kontaktieren (tfester@scivit.de).
Hier sehen Sie eine entsprechende Karte für den Pesterreger (Yersinia pestis).