Molekularbiologie und Embryologie: Grundlagen und Experimente

Grundlagen der Molekularbiologie und Genetik

RNA-Typen und ihre Funktionen

• Messenger-RNA (mRNA): Trägt genetische Information von der DNA zu den Ribosomen.
• Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA): Sind wesentliche Elemente der Translation (Proteinbiosynthese) sowie verschiedene Arten von regulatorischen RNAs.

Das Operon-Modell der Genregulation

Das Operon-Modell der prokaryotischen Genregulation wurde 1961 von François Jacob und Jacques Monod vorgeschlagen. Die Idee wurde durch das Phänomen der Enzyminduktion inspiriert. Gruppen von Genen, die zusammenhängende Proteine kodieren, sind in Einheiten zusammengefasst, die als Operon bekannt sind.

Bestandteile eines Operons

Ein Operon besteht aus einem Operator, einem Promotor, einem Regulatorgen und strukturellen Genen. Das Regulatorgen kodiert für ein Protein (den Repressor), das sich an den Operator bindet. Dies behindert den Promotor (und damit die Transkription) der strukturellen Gene. Das Regulatorgen muss nicht direkt neben den anderen Genen im Operon liegen. Wenn das Repressor-Protein entfernt wird, kann die Transkription stattfinden.

DNA – Der Träger der Erbinformation

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist das Erbmaterial der meisten lebenden Organismen. Sie steuert die Vererbung und befindet sich im Zellkern.

Aufbau der DNA

DNA ist eine Nukleinsäure, die aus zwei Strängen von Nukleotiden besteht. Die beiden Stränge sind spiralförmig in einer Doppelhelix angeordnet und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Nukleotidbasen zusammengehalten. Die genetische Information ist in der Sequenz des Moleküls enthalten. DNA kann durch einen Prozess namens Replikation exakte Kopien von sich selbst erstellen, wodurch genetische Informationen bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben werden.

Rekombinante DNA (rDNA)

Rekombinante DNA ist ein Molekül, das absichtlich künstlich in vitro hergestellt wird, indem DNA-Sequenzen aus zwei Organismen unterschiedlicher Arten, die normalerweise nicht zusammen vorkommen, miteinander verbunden werden.

• Zusammensetzung und Wirkung: Die Einführung rekombinanter DNA in einen Organismus führt zu einer genetischen Veränderung. Dies kann die Hinzufügung neuer DNA, die Änderung bestehender Funktionen oder die Expression neuer Eigenschaften bewirken.
• Verwendung und Abgrenzung: Rekombinante DNA ist das Ergebnis verschiedener molekularbiologischer Techniken zur Manipulation von DNA-Molekülen. Sie unterscheidet sich von der natürlichen genetischen Rekombination, die ohne menschliches Eingreifen in der Zelle stattfindet.
• Prozess: Der Prozess beinhaltet die Entnahme eines DNA-Moleküls (z. B. von einem Virus, Bakterium oder einer Pflanze), dessen Handhabung im Labor und das Wiedereinfügen in einen anderen Organismus.
• Zweck: Dies kann zur Untersuchung der Genexpression, zur Produktion von Proteinen (z. B. zur Behandlung genetischer Krankheiten), zur Herstellung von Impfstoffen oder für wirtschaftliche und wissenschaftliche Zwecke erfolgen.

Grundlagen der Embryonalentwicklung

Zelltypen und frühe Stadien

• Spermatogonien: Abgerundete, männliche diploide Zellen, aus denen nach einer Reihe von Teilungen Spermatocyten und schließlich Spermien entstehen.
• Blastula: Ein frühes Stadium der Embryonalentwicklung bei Tieren. Bei Säugetieren wird dieses Stadium als Blastozyste bezeichnet.

Blastula-Typen

• Celoblastula
• Stereoblastula
• Discoblastula
• Periblastula

Epigenetik

Epigenetik beschreibt die Prozesse der individuellen Entwicklung, bei denen die Struktur komplexer wird. Das paradigmatische Beispiel ist das Wachstum, das sich von einer Zygote zu einer komplexen zellulären und organischen Struktur entwickelt.

Crossing-over (Genetischer Austausch)

Crossing-over ist der Prozess, bei dem zwei gepaarte Chromosomen DNA-Abschnitte austauschen.

• Prozess: Dies tritt typischerweise auf, wenn gepaarte Regionen eines Chromosoms brechen und sich dann an einem anderen Chromosom wieder anfügen.
• Ergebnis: Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein Austausch von Genen, der als genetische Rekombination bezeichnet wird.

Historische Experimente zur Embryologie

Das Experiment von Wilhelm Roux (1888)

Roux versuchte 1888 herauszufinden, wie die Organisation des Individuums aus dem Ei entsteht.

• Methodik: Er nahm Froscheier, die sich gerade zum ersten Mal geteilt hatten. Er zerstörte eine der beiden Zellen und beobachtete die Entwicklung der anderen.
• Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigten, dass immer nur ein halber Embryo entstand: manchmal die vordere Hälfte, manchmal die hintere oder die Hälfte der Länge nach.
• Fazit: Roux schloss daraus, dass das ungeteilte Ei alle notwendigen Informationen für die embryonale Entwicklung enthielt, während die Tochterzellen nach der ersten Teilung nur einen Teil dieser Anweisungen behielten. (Das befruchtete Ei teilte sich in zwei Zellen. Roux stach eine Zelle mit einer Nadel an; die andere unbeschädigte Zelle entwickelte sich zu einem halben Embryo.)

Das Experiment von Hans Spemann

• Methode A: Bei frisch befruchteten Eiern von Salamandern und Fröschen befindet sich die Region des grauen Halbmonds. Spemann schnürte ein Salamander-Ei mit einem Kinderhaar so ein, dass das graue Feld in zwei Hälften geteilt wurde.
• Ergebnis A: Beide Hälften entwickelten sich zu normalen Embryonen, wobei sich zunächst der Kern in der einen Hälfte und dann in der anderen entwickelte.
• Methode B: Ein weiteres Experiment bestand darin, ein Ei so einzuschnüren, dass der graue Halbmond in nur einer Hälfte des Eies verblieb.
• Ergebnis B: Diese Hälfte entwickelte sich zu einem normalen Embryo, während die andere Hälfte zu einer amorphen Masse unorganisierter Zellen wurde.
• Fazit: Spemann bewies, dass während der frühen Entwicklung jeder der Kerne des sich entwickelnden Organismus alle genetischen Informationen enthielt, die in der ursprünglichen Zygote vorhanden waren.

Das Embryonale Stadium (Organogenese)

Dieser Zeitraum erstreckt sich von der 3. bis zur 8. Woche. In dieser Phase bilden die embryonalen Keimblätter ihre eigenen Gewebe und Organsysteme aus. Nach der Organbildung entstehen die Hauptstrukturen des Körpers.

• Derivate (Ektoderm): Das Ektoderm bildet Organe und Strukturen, die in Kontakt mit der Außenwelt stehen: ZNS und PNS, Sinnesepithel des Ohrs, der Nase und der Augen, Haut und ihre Anhangsgebilde, die Hypophyse, Milchdrüsen, Schweißdrüsen und Zahnschmelz.

Eitypen (Klassifikation nach Dottergehalt)

Die Größe der Eier variiert je nach Art. Einer der Hauptfaktoren für die Eigröße ist die Menge der Nährstoffe, genannt Dotter (oder Deutoplasma), die sie enthalten.

Klassifikation der Eier

• Isolecithale Eier: Dies sind kleine Eier mit geringem Dottergehalt, der gleichmäßig über das Ei verteilt ist. Typisch für Arten, bei denen der Embryo nicht von Nährstoffreserven ernährt wird, sondern frühzeitig den Körper der Mutter oder die externe Umgebung nutzt (z. B. Nesseltiere, Stachelhäuter).
• Telolecithale Eier: Diese sind größer und haben einen höheren Dottergehalt. Sie werden unterschieden:
  • Telolecithal (ca. 50% Dotter, z. B. Amphibien): Der Dotter sammelt sich in der hinteren Hemisphäre des Eies (vegetativer Pol). Die restlichen 50% bestehen aus Plasma und Kern (animaler Pol).
  • Telolecithal (ca. 90% Dotter, z. B. Vögel): Hier ist der Kern vom Zytoplasma umgeben, und darum herum befindet sich der Dotter. Das Ganze ist von der Zellmembran und schließlich von der schützenden Eihülle umgeben. Der Embryo wird durch die inneren Nährstoffreserven ernährt.
• Centrolecithale Eier: Sie haben Dotter, der sich in der Mitte angesammelt hat. Der Kern ist vom Dotter umgeben, und das Zytoplasma liegt außen herum (z. B. Arthropoden).