Die Purinbase Adenin ist Bestandteil der Nukleinsäuren DNA und RNA. In doppelsträngigen DNA-Molekülen bilden Adenin und Thymin ein Basenpaar.

Adenoviren sind für Menschen hochinfektiös und verursachen Erkrankungen der Atemwege. Die Viren enthalten ein doppelsträngiges DNA-Molekül. Da sie sich relativ leicht in die Zellen von Blutgefäßen, Gehirn, Leber und Atemwege einschleusen lassen, werden Adenoviren als Vektoren in der Gentherapie eingesetzt.

Das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens ist ein natürlicher Gentechniker: Es schleust Ti-Plasmide in Pflanzen ein. Die infizierten wuchernden Zellen bilden Wurzelhalsgallen und andere Tumoren am Pflanzenstiel und produzieren Substanzen (Octopin, Nopalin), die die Agrobakterien für ihr Wachstum nutzen. Diese Übertragung von genetischem Material machen sich Gentechniker zunutze, um fremde Gene in Pflanzenzellen zu transportieren und in deren Genom einzubauen. Dazu werden die ursprünglichen Tumorgene der Ti-Plasmide durch Fremdgene ausgetauscht. Ein Beispiel für die Transfektion mehrerer Gene in einen neuen Wirtsorganismus ist transgener Reis: Golden Rice.

Der Begriff Allel leitet sich vom griechischen allelon (zueinander gehörig) ab. Ein Allel ist eine von mehreren alternativen Formen des gleichen Gens, das sich an einem bestimmten Ort auf einem Chromosom befindet. Eine Zelle mit zwei gleichen Allelen, also identischen Genen auf seinen Chromosomenpaaren, ist homozygot. Unterscheiden sich die Gene ist die Zelle heterozygot.

Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Sie sind wasserlösliche organische Verbindungen mit sowohl sauren als auch basischen Eigenschaften. Es gibt 20 verschiedene natürliche Aminosäuren. Bei der Proteinbiosynthese, der Translation, werden die einzelnen Aminosäuren zu einer Kette verknüpft. Eine Kette von weniger als hundert Aminosäuren wird als Peptid bezeichnet. Jede Aminosäure enthält mindestens eine Amino-Gruppe (-NH2).

Die Anreicherung und Vermehrung eines Abschnitts von Nukleinsäuremolekülen mit Hilfe der PCR wird als Amplifikation bezeichnet.

Zwischen Mikroorganismen herrscht ein harter Wettbewerb um die Ressourcen. Antibiotika sind dabei eine häufig eingesetzte chemische Waffe, die das Wachstum von Bakterien unterdrückt. Diese wehren sich mit Enzymen, die die Wirkung der Antibiotika aufheben und ihnen eine Resistenz verleihen. So spaltet das bakterielle Enzym beta-Lactamase das Antibiotikum Penicillin und macht es dadurch unwirksam. Das Gen für die beta-Lactamase befindet sich auf einem Plasmid und kann so von Bakterium zu Bakterium weitergereicht werden. Für die Behandlung bakterieller Infektionen sind resistente Keime ein Rückschlag, machen sie doch das Medikament wirkungslos. Gentechniker nutzen dagegen die Resistenzgene. Sie fügen das Resistenzgen mit dem DNA-Abschnitt, den sie klonieren wollen, in ein Plasmid ein. Nur solche Bakterien, die das Plasmid aufgenommen haben, können sich in Anwesenheit eines Antibiotikums vermehren.

Antigen ist die von Antisomatogen abgeleitete Bezeichnung für Antikörperbildner. Nach dem Eindringen in einen Organismus rufen sie eine spezifische Immunantwort hervor. Diese äußert sich in der Bildung von Antikörpern (humorale Immunantwort) oder der Entwicklung spezifischer Abwehrzellen (zelluläre Immunantwort).

Immunglobuline, so genannte Antikörper, sind eine der wichtigsten Waffen des Immunsystems gegen Krankheitserreger. Antikörper erkennen und binden sehr spezifisch an ganz bestimmte Strukturen, den Antigenen (Antigen-Antikörper-Reaktion). So wehren sie Bakterien und Viren anhand deren charakteristischen Merkmalen ab. Sie werden von Abwehrzellen, den B-Lymphozyten produziert. Jede einzelne dieser Zellen produziert Antikörper einer ganz bestimmten Spezifität. Ihre Eigenschaft, Strukturen erkennen zu können, macht Antikörper zum idealen Werkzeug in der Molekularbiologie. Dank der Entwicklung der monoklonalen Antikörper stehen Wissenschaftlern und Medizinern genau charakterisierte Antikörper zur Verfügung.

Die Antisense-Technik blockiert gezielt die Herstellung eines bestimmten Proteins in einer Zelle durch eine künstliche Gegensinn-RNA. Ihre Sequenz ist komplementär zur Sequenz der zelleigenen mRNA des Zielgens. Diese Antisense-RNA bindet spezifisch an ihr Ziel und blockiert so die Translation dieser mRNA.

Körperzellen besitzen ein Selbstzerstörungsprogramm. Das durch Verletzungen absterbende (nekrotische) Gewebe verursacht Entzündungen. Die kontrollierte Selbstzerstörung bei der Apoptose verhindert diese Entzündungen. Beim programmierten Zelltod schnüren die dem Untergang geweihten Zellen ihre Zellmembranen ab und zerstören ihr Chromatin. Die Zellfragmente werden dann von Makrophagen aufgenommen. In der Embryonalentwicklung reguliert die Apoptose das Gleichgewicht zwischen der Neubildung und dem Verlust von Zellen im wachsenden Organismus. Für das Immunsystem ist die Apoptose ein wichtiger Vorgang, um überflüssig gewordene Zellen zu entsorgen.

Diese weltweit verbreitete Wildpflanze ist ein Modellorganismus, der stellvertretend für die zweikeimblättrigen Pflanzen erforscht wird. Arabidopsis hat große Ähnlichkeit mit den wichtigsten Kulturpflanzen. Ihr Genom setzt sich aus fünf Chromosomen mit rund 25 000 Genen zusammen. Ende 2000 wurde das Genom von Arabidopsis als erstes pflanzliches Genom vollständig entziffert.

Der schweizerische Mikrobiologe Werner Arber entdeckte 1967 die Restriktionsenzyme: molekulare Scheren, die DNA-Moleküle an ganz bestimmten Stellen auseinander schneiden. Für die Entdeckung, Isolierung und Charakterisierung dieser wichtigen Werkzeuge der Gentechnik erhielt Arber 1978 zusammen mit D. Nathans und H. Smith den Nobelpreis für Medizin.

1975 berieten Wissenschaftler in Asilomar, USA, wie mögliche Risiken der Gentechnologie abgeschätzt und vermieden werden können. Sie sprachen Empfehlungen aus, die weltweit zur Grundlage für Gesetze, Richtlinien und Sicherheitsanforderungen für gentechnische Arbeiten wurden.

Die Desinfektion von Arbeitsmitteln und Abfällen ist in der Bio- und Gentechnologie unerlässlich. Nur so kann vermieden werden, dass sich unerwünschte Keime im Labor verbreiten oder in die Umwelt gelangen. Daher werden alle Abfälle und die hitzebeständigen Gerätschaften im Autoklaven keimfrei gemacht: Druckkessel mit gesättigter Wasserdampfatmosphäre, in denen bei 120° bis 140° C und einem Druck von bis zu 3 bar kein Organismus überlebt.

Autosomen sind alle Chromosomen eines Chromosomensatzes mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen (Heterosomen). Der Mensch besitzt 22 Autosomenpaare und zwei Geschlechtschromosomen.

engl.: bacterial artificial chromosomes BACs – künstliche Bakterienchromosomen – sind Vektoren, die sich zur Klonierung großer DNA-Abschnitte eignen. Sie können problemlos durch Elektroporation in E. coli Zellen übertragen werden. BACs kommen vor allem in der Genomforschung zum Einsatz.

Bakterien sind einzellige Mikroorganismen, die praktisch überall vorkommen. Sie besitzen keinen echten Zellkern und gehören zu den Prokaryonten, onten. Einige Arten verursachen beim Menschen ernste Krankheiten, während andere als harmlose Mitbewohner und Symbionten in Mundhöhle oder Darm leben. In der Biotechnologie ist der Bakterienstamm E. coli eines der wichtigsten Werkzeuge für die Klonierung und Untersuchung von Genen, aber auch zur Herstellung von rekombinanten Proteinen.

Bakteriophagen („Bakterienfresser“) sind Viren, die nur Bakterien infizieren. Sie zeigen sich in ganz unterschiedlicher Gestalt. Die T4 Phagen sehen besonders spektakulär aus: In einem Kopfteil in Form eines Ikosaeders (20 gleiche Flächen) befindet sich das Genom mit ungefähr 300 Genen. Mit seinen Schwanzfasern dockt der Phage an ein Bakterium, injiziert seine DNA und programmiert die Bakterienzelle zur Phagenherstellung um. Die Infektion endet mit der Zerstörung (Lyse) der Bakterienhülle und der Freisetzung von bis zu 200 neuen Phagen. Für die Gentechnik war vor allem der Bakteriophage Lambda zur Herstellung von Genbanken von großer Bedeutung.

Die vier Basen im DNA-Doppelstrang liegen immer als Paare vor. Auf Grund der chemischen Struktur sind Paarbildungen zwischen Adenin und Thymin, sowie zwischen Cytosin und Guanin möglich. In RNA-Molekülen ersetzt die Base Uracil Thymin und bildet ein Paar mit Adenin. Die Anzahl der Basenpaare – bp – weist auf die Größe eines DNA-Moleküls hin: tausend bp sind eine Kilobase (kb).

Biochips sind kleine Probenträger aus Glas, Kunststoff oder Silizium. Auf ihnen können gleichzeitig hunderte bis tausende Experimente parallel stattfinden. So werden auf DNA-Biochips mit speziellen Druckern tausende von unterschiedlichen DNA-Molekülen aufgetragen, an die komplementäre, fluoreszenz-markierte Gegenstücke aus Untersuchungsmaterial binden (hybridisieren) und die dann durch spezielle Lesegeräte nachgewiesen werden. Solche Microarrays können z. B. die Unterschiede in der Genaktivität unterschiedlicher Gewebe oder Zellen aufspüren.

Durch die Entschlüsselung ganzer Genome entsteht eine Vielzahl von Daten, die es zu organisieren, zu analysieren und zu interpretieren gilt. Dabei hilft die Bioinformatik, indem sie Software für die Analyse von DNA-, RNA- und Protein-Sequenzen entwickelt. Durch die Bioinformatik können auch bestehende Datenbanken dazu genutzt werden, systematisch neue Erkenntnisse über die Struktur und Funktion unbekannter Erbinformationen zu gewinnen. Durch die Simulation der komplexen Vorgänge in einer Zelle hoffen die Bioinformatiker, das Verhalten und die Wirkung neuer Medikamente vorhersagen zu können.

Biopharmazeutika sind medizinische Wirkstoffe, die mit Hilfe lebender Zellen hergestellt werden. Es handelt sich in der Regel um rekombinante Proteine wie z. B. den Gewebe-Plasminogen-Aktivator t-PA, der für die Behandlung bei akuten Herzinfarkten eingesetzt wird.

Die Produktionsverfahren in der Biotechnologie finden in Behältern mit definierten Bedingungen statt: den Bioreaktoren oder Fermentern. Solche Produktionsanlagen sind nicht neu: Ein Braukessel, in dem Hefezellen gären, ist ebenfalls ein Bioreaktor. Moderne Bioreaktoren sind hermetisch verschlossene Edelstahlbehälter mit einem Volumen von bis zu mehreren tausend Litern. In ihrem Inneren herrschen genau festgelegte optimierte Bedingungen für die Produktion durch die Organismen.

Die Biotechnologie ist keine neue Erfindung: Bei der Herstellung von Bier oder Sauerteig ist sie schon lange im Einsatz. Die Fortschritte in der Molekularbiologie – und ganz besonders in der Gentechnik – eröffnen ein enormes Potenzial. Die Deutsche Industrievereinigung Biotechnologie definiert den Begriff folgendermaßen: „alle Methoden, Verfahren und Produkte, die die Nutzung von lebenden Organismen oder ihrer zellulären Bestandteile beinhalten.“ Das Gebiet rund um medizinische Forschung, Diagnostik und Medikamentenentwicklung wird als „rote Biotechnologie“ bezeichnet. Zur bunten Palette der Einsatzgebiete zählen außerdem die Pflanzenbiotechnologie („grün“), die Umweltbiotechnologie („grau“) und die Meeresbiotechnologie („blau“).

Der deutschstämmige Zellbiologe Günter Blobel erhielt 1999 den Nobelpreis für Medizin. Er entdeckte, dass Proteine Signalsequenzen besitzen: molekulare Adressen, die ihren Transport und ihre Lokalisation innerhalb der Zelle kontrollieren.

Sydney Brenner erhielt 2002 gemeinsam mit J. Sulston und R. Horvitz den Nobelpreis für Medizin. Das Trio wurde für seine Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der „genetischen Regulierung der Organentwicklung und des programmierten Zellsterbens“ geehrt. Brenner und seinen Kollegen gelang es, mit ihren Untersuchungen am Fadenwurm Caenorhabditis elegans, Gene zu identifizieren, die für die Regulation von Organentwicklung und der Apoptose verantwortlich sind. Auch bei höher entwickelten Organismen – einschließlich des Menschen – konnten diese Gene nachgewiesen werden.

Diese transgene Maissorte enthält das Bt-Eiweiß, das den Mais vor den Larven des Maiszünslers schützt. Bt steht für das Bodenbakterium Bacillus thuringiensis. Es schützt sich mit einer Hülle, die ein für Insektenlarven giftiges Protein enthält. Das Bt-Eiweiß bindet an spezifische Bindestellen im Darm der Larven und zerstört ihre Darmzellen. Für den Menschen ist das bakterielle Bt-Protein harmlos. In den USA wird Bt-Mais seit 1996 angebaut.

cDNA – complementary/copy DNA – wird mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase nach der Vorlage einer mRNA hergestellt. Die Sequenz der cDNA ist zu der mRNA komplementär. Sie repräsentiert die Exons des Gens, d.h. den Bauplan eines Proteins, enthält aber keine Intron-Sequenzen.

Chimären sind das Resultat einer Verschmelzung von zwei verschiedenen Arten. Bei Tieren ist die Schiege, eine Mischung aus Schaf und Ziege,bekannt. Die Biotechnologie erweiterte die Bezeichnung auf Moleküle, die ihren Ursprung in verschiedenen Spezies haben. So werden monoklonale Antikörper, die zu therapeutischen Zwecken benutzt werden, häufig „humanisiert“, d. h. sie enthalten neben dem ursprünglich von der Maus stammenden Anteil des Proteins auch menschliche Komponenten, um eine bessere Verträglichkeit zu garantieren.

Chinese hamster ovary cells – Zellen aus den Fortpflanzungsorganen weiblicher Hamster haben sich bei der Herstellung von biotechnisch hergestellten Medikamenten bewährt. Im Gegensatz zu Bakterien können diese Säugetierzellen Proteine nach ihrer Synthese chemisch verändern und rekombinante Glykoproteine herstellen. CHO Zellen kommen unter anderem bei der Produktion der Glykoproteine Erythropoetin (EPO) und Gewebe-Plasminogen-Aktivator (t-PA) zum Einsatz.

Bei den Chromatiden handelt es sich um Kopien der Chromosomen, die kurz vor der Zellteilung erzeugt werden. In der zentralen Einschnürung der Chromosomen, dem Centromer, sind die Chromatiden miteinander verknüpft.

Chromatin ist die Bezeichnung für die DNA und alle daran gebundenen Proteine und RNA-Moleküle im Zellkern von Eukaryonten. Neben der Stabilisierung und Verpackung der DNA hat die Struktur des Chromatins großen Einfluss auf die Aktivität der Gene. Nur wenn sie für die Transkriptionsfaktoren und die Polymerasen zugänglich sind, kann eine Transkription stattfinden. Daher ist die Chromatinstruktur sehr dynamisch: so wechselt das Histon-Protein H1 im Minutentakt seine Position. Bei der Zellteilung verdichtet sich das Chromatin sehr stark und bildet dabei die Chromosomen.

Die Chromatographie ist ein Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen mit Hilfe einer beweglichen und einer stationären Phase. Chromatographische Verfahren kommen sowohl bei der Aufreinigung großer Mengen von Biomolekülen als auch bei der Analyse kleinster Mengen zur Anwendung.

Durch „Wandern“ entlang der DNASequenz erkunden Genetiker das Genom. Basis dieser Sequenzierungsmethode ist eine Genbank, die überlappende Fragmente eines zusammenhängenden Genombereichs enthält. Die überlappenden Sequenzen der Fragmente werden identifiziert und so die Anordnung der Sequenzen im Genom bestimmt. Mit dem chromosomalen Wandern ist es gelungen, viele Gene zu identifizieren, zum Beispiel das Gen, das ursächlich an der Entstehung der zystischen Fibrose beteiligt ist.

Die Kette eines DNA-Moleküls kann bis zu mehreren Metern lang werden. Daher ist die sperrige Doppelhelix bei eukaryontischen Lebewesen ordentlich klein als Chromosom verpackt. Die Verpackung ist dabei so dicht und eng, dass man die 46 menschlichen Chromosomen mit einfachen Lichtmikroskopen erkennen kann. Prokaryonten enthalten nur ein Chromosom, eukaryontische Zellen mehrere. Die genaue Anzahl der Chromosomen ist artspezifisch. Menschen besitzen 23 Chromosomenpaare. Theodore Boveri beschrieb 1903 erstmals Chromosomen, Walter Sutton wies auf ihnen die von Gregor Mendel postulierten „genetischen Elemente“ nach.

Ein Cistron ist ein DNA-Abschnitt, der die genetische Information für ein bestimmtes Polypeptid, eine tRNA oder eine rRNA enthält. Als polycistronische mRNA werden mRNAMoleküle bezeichnet, die für mehrere Genprodukte codieren. Polycistronische mRNAs kommen bei Prokaryonten, einigen Viren, Mitochondrien und Chloroplasten vor.

Ein Codon ist die Abfolge von drei Basen – einem Triplett – in Nukleinsäuren, die bei der Translation die Information für eine bestimmte Aminosäure codieren. Als Startsignal für die Proteinbiosynthese dienen die Startcodons AUG bzw ATG. Drei der 64 Codons (UAG, UAA und UGA) führen in der Regel zum Abbruch der Proteinbiosynthese und signalisieren das Ende der Aminosäurenkette.

Wie die Plasmide sind Cosmide ringförmige DNA-Moleküle. Sie eignen sich als Vektoren, die große Fragmente einer gewünschten DNA aufnehmen können. Dank der enthaltenen COS (Abk. für cohesive site) Sequenzabschnitte des Bakteriophagen Lambda eignet sich dieser Vektor für das besonders effiziente Klonieren genomischer DNA.

Zusammen mit James Watson und Maurice Wilkins gelang dem Biochemiker Francis Crick 1953 die Aufklärung der Struktur der DNA. Für diese wissenschaftliche Leistung erhielt das Trio 1962 den Nobelpreis für Medizin.

Zytokine sind von verschiedenen Zelltypen gebildete Botenstoffe. Sie dienen unter anderem den verschiedenen Zelltypen des Immunsystems zur Kommunikation. Die genaue Wirkung hängt von der Mischung des Zytokin-Cocktails ab. Einige Zytokine locken Zellen an den Ort einer Entzündung, andere regen die Abwehrzellen zum Wachstum an. So bewirkt das Zytokin Interleukin-2 eine Aktivierung der Killerzellen des Immunsystems, um virusinfizierte Körperzellen zu zerstören.

Die Pyrimidinbase Cytosin ist Bestandteil der Nukleinsäuren DNA und RNA. In doppelsträngigen DNA-Molekülen bilden Cytosin und Guanin ein Basenpaar. An Cytosinen können DNA-Moleküle methyliert werden. Das beeinflusst die Aktivität der betroffenen Gene.

Die Taufliege Drosophila melanogaster dient seit 1907 als Modellorganismus für genetische und entwicklungsbiologische Untersuchungen. Zusammen mit ihrem Kollegen Eric Wieschaus erforschte Christiane Nüsslein-Volhard an diesen Fliegen, wie Kontrollgene die Embryonalentwicklung eines Organismus steuern. Beide Wissenschaftler erhielten dafür 1995 den Nobelpreis. Im Jahr 2000 war das Genom der Fliege auf den vier Chromosomenpaaren vollständig sequenziert.

Nach dem englischen Naturforscher John Dalton ist die Maßeinheit für die Masse von Proteinen benannt. Ein Dalton entspricht der Masse eines Wasserstoffatoms: 3,32 x 10 -24 Gramm. Die meisten Proteine haben eine Masse von 5500 bis etwa 220 000 Dalton.

Deletionen sind Mutationen bei DNA-Molekülen und Proteinen, bei denen ein oder mehrere Nukleotide bzw. Aminosäuren fehlen. Gentechniker können mit Hilfe der Restriktionsenzyme gezielt Deletionen herbeiführen, indem sie ein Stück DNA herausschneiden und die DNAStränge mit dem Enzym Ligase wieder miteinander verknüpfen.

engl.: deoxyribonucleic acid, dt.: Desoxyribonukleinsäure. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich die englische Abkürzung durchgesetzt.

Die Geburt des Schafs Dolly im Juli 1996 war eine wissenschaftliche Sensation: Dolly war das erste geklonte Säugetier. Einem Team um Ian Wilmut und Keith Campbell vom schottischen Roslin-Institut war es gelungen, den sechs Jahre alten Zellkern einer Spenderzelle in eine zuvor entkernte Eizelle einzubringen. Im Uterus einer Leihmutter entwickelte sich daraus der Klon. Dolly löste eine kontroverse öffentliche Diskussion um das Klonen aus. Das geklonte Schaf wies einige Merkmale auf, wie sie für ältere Tiere typisch sind. So waren die Telomere von Dollys Chromosomen verkürzt und das Tier litt an Krankheiten, wie sie für ältere Tiere typisch sind. Wegen einer Lungenentzündung wurde Dolly im Februar 2003 eingeschläfert.

Liegen in einer Zelle zwei verschiedene Erbmerkmale vor (heterozygote Allele), wird dasjenige als dominant bezeichnet, welches nach außen in Erscheinung tritt. Ein rezessives Merkmal muss dagegen von beiden Elternteilen vererbt werden und homozygot vorliegen, um als genetisches Merkmal zu erscheinen.

Das Bakterium Escherichia coli wurde erstmals 1886 von dem Kinderarzt Theodor Escherich beschrieben. Er entdeckte in den Ausscheidungen von Kindern die bis dahin unbekannte Bakterienart, die heute seinen Namen trägt. Coli-Bakterien kommen im Darm aller Menschen und vieler Wirbeltiere vor. Dort sind sie nicht nur harmlos, sondern sogar nützlich, denn sie leben in Symbiose mit ihrem Wirt: Sie helfen ihm beim Abbau von Nahrungsmitteln und erhalten im Gegenzug Nährstoffe, die sie selbst benötigen. Verlassen die Bakterien den Darm ihres Wirts, können sie unangenehme Entzündungen verursachen. Am häufigsten sind Blasen- und Nierenentzündungen. E. coli wurde zu einem der bedeutendsten Forschungsobjekte der Mikrobiologie und ist bis heute eines der wichtigsten Werkzeuge in der Gentechnik. Stämme (E. coli K12), denen bestimmte Eigenschaften für das Überleben in freier Wildbahn fehlen, werden in der Gentechnik häufig als Empfängerorganismen für die Klonierung von rekombinanten DNA-Molekülen eingesetzt. Der Stamm K12 ist nicht pathogen, das heißt er verursacht keine Krankheiten.

Die Elektroporation ist eine Methode zur Einführung fremder DNA oder RNA in Zellen oder Bakterien (Transfektion, Transformation) fremder DNA in Zellen. Starke elektrische Felder verursachen dabei kleine Poren in den Zellmembranen, die sich schnell wieder schließen.

engl.: enzyme linked immunosorbent assay - Dieses in der Diagnostik weit verbreitete Verfahren nutzt die Eigenschaft von Antikörpern, nur ganz bestimmte Strukturen – die Antigene – zu erkennen und zu binden. Mit ELISAs werden das Vorhandensein und die Menge solcher Antigene in einer Probe bestimmt. Die zu untersuchende Substanzmischung wird z. B. zunächst an einem festen Träger fixiert. Im nächsten Schritt binden die Antikörper und werden in einem weiteren Schritt mit einer Farbreaktion nachgewiesen.

Enhancer sind Bereiche der DNA, die die Aktivität eines Gens verstärken. Anders als Promotoren können sie sehr weit vom Ort des Gens, das sie beeinflussen, entfernt sein.

Enzyme sind biochemische Katalysatoren. Sie helfen ein Substrat zu verändern, indem sie die Aktivierungsenergie einer biochemischen Reaktion herabsetzen. Dazu bilden sie vorübergehend einen Enzym-Substrat-Komplex, gehen aber unverändert aus der Reaktion hervor. Für die katalytische Wirksamkeit ist das aktive Zentrum verantwortlich.

Dieser Begriff leitet sich vom griechischen epi (= auf) ab. Die Epigenetik beschäftigt sich mit vererbbaren Merkmalen, die nicht in der Sequenz der Genome festgelegt sind und auch nicht unbedingt den Mendelschen Regeln der Vererbung folgen. Epigenetische Vorgänge steuern die Aktivität der Gene in Zellen. Ein wichtiger Mechanismus für dieses genomische Imprinting ist die DNA-Methylierung, bei der die Cytosinbasen durch die Einführung einer Methylgruppe (CH3) modifiziert werden. Gering methylierte Gene sind aktiv, die Expression stark methylierter Gene wird dagegen unterdrückt. Der Grad und das Muster der Methylierung ist bei unterschiedlichen Zelltypen verschieden und reguliert die gewebetypische Genaktivität. In weiblichen Lebewesen wird durch Methylierung eines der beiden X-Chromosomen dauerhaft inaktiviert und bildet das so genannte Barr-Körperchen. Der Methylierungszustand eines Gens bleibt auch nach der Zellteilung erhalten. Das bedeutet, dass nicht nur die Gensequenz, sondern auch ihr regulatorischer Zustand vererbt werden kann.

Erbkrankheiten sind genetisch verursacht und können an die Nachkommen vererbt werden. Bei den Betroffenen muss dies nicht unbedingt zu einem äußeren Krankheitsbild führen. Rezessive Gendefekte werden erst offenbar, wenn sie entweder auf den Geschlechts-Chromosomen lokalisiert sind oder homozygot vorliegen, d. h. von beiden Eltern übertragen werden. Eine solche rezessiv vererbbare Krankheit ist die in Afrika weit verbreitete Sichelzellenanämie. Wegen eines Defekts im Gen für das Hämoglobin bilden sich bei den Erkrankten sichelförmige rote Blutkörperchen. Die Träger des Gens sind vor den Erregern der Malaria besser geschützt.

Das Hormon Erythropoietin (EPO) stimuliert die Neubildung von roten Blutkörperchen (Erythrozyten) im Knochenmark und wird überwiegend von den Nieren gebildet. Ein gesunder Mensch produziert etwa zwei Millionen rote Blutkörperchen pro Sekunde. Nierenkranke leiden dagegen oft an einem Mangel an Erythrozyten, weil sie zu wenig EPO bilden. Auch mit regelmäßigen Bluttransfusionen lässt sich dieser Mangel nur unzureichend behandeln. Dank der gentechnischen Produktion mit Zellkulturen, die das menschliche EPO-Gen enthalten, steht dieses Protein als Medikament in ausreichender Menge zur Verfügung. Es wird nicht nur bei Nierenpatienten eingesetzt, sondern auch bei Krebspatienten, die unter Blutarmut leiden. Zweifelhafte Bekanntheit erhielt EPO als Dopingmittel im Leistungssport.

engl.: expressed sequence tags. ESTs sind kleine DNA-Fragmente, mit deren Hilfe der genaue Ort von Genen im Genom lokalisiert werden kann. ESTs leiten sich von mRNA-Molekülen ab. Sie dienen als „Etiketten“ (tags) für Gene, weil sie anzeigen, welche DNA-Sequenzen exprimiert (expressed) werden.

engl.: fluorescence in situ hybridization. FISH ist eine Färbetechnik, mit der sich Gene auf den Chromosomen lokalisieren lassen. Mit einem fluoreszierenden Farbstoff markierte Gensonden lagern sich an komplementäre DNA-Sequenzen an. Unter dem Mikroskop werden sie sichtbar, wenn sie durch UV-Licht zum Fluoreszieren angeregt werden. Der Nachweis mit anderen Markierungen, z. B. radioaktiven Substanzen, wird als ISH (in situ hybridization) bezeichnet.

Bei dieser gentechnisch veränderten Tomatensorte wurde ein eigenes Gen der Tomaten verkehrt herum wieder eingeführt. Das Transgen in der falschen Orientierung blockiert die Expression eines Gens mit der Antisense-Technik. Es handelt sich um das Gen für die Polygalakturonidase, ein Enzym, das die Wände der Pflanzenzellen angreift und mit dafür verantwortlich ist, dass Tomaten weich und matschig werden. FlavrSavr („Geschmacksretter“) Tomaten wurden 1994 in den USA auf den Markt gebracht, waren aber wegen der mangelnden Qualität der Ausgangssorte kein Erfolg.

Fusionsproteine sind das Produkt von zwei zusammengesetzten Genen, die als Hybrid- oder Fusionsgen in einer Zelle exprimiert werden. Häufig werden solche Fusionsproteine gentechnisch erzeugt, um ein Protein über das zweite – bekannte – Protein in einer Proteinmischung nachzuweisen oder herauszufischen. Eine weitere Anwendung von Fusionsproteinen ist die Humanisierung von Antikörpern.

Mit dieser Methode lassen sich Nukleinsäuremoleküle oder Proteine analysieren. Die Proben werden dabei in ein Gel aus Agarose oder Polyacrylamid eingebettet. Ein elektrisches Feld trennt die Moleküle aufgrund ihrer unterschiedlichen Beweglichkeit der Größe nach auf. Ihre Wanderungsgeschwindigkeit hängt dabei von ihrer Größe und Ladung, der Stärke des elektrischen Feldes sowie der Porengröße des Trägergels ab.

Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf der DNA, welcher der Zelle die Informationen für die Herstellung eines Proteins oder einer funktionellen RNA liefert: eine so genannte Transkriptionseinheit.

Als Genbank wird eine Sammlung von klonierten Genfragmenten bezeichnet. Um Informationen über die Genaktivität eines bestimmten Gewebes zu erhalten, werden z. B. alle mRNA-Moleküle, die dieses Gewebe enthält, mit Hilfe der reversen Transkriptase in cDNA umgeschrieben. Die cDNA-Fragmente werden danach in geeignete Vektoren eingebaut und kloniert. So stehen sie für weitere Untersuchungen praktisch unbegrenzt zur Verfügung.

Gene delivery systems sind Methoden zur Übertragung von Genen. Als Vektoren kommen dabei unter anderem Liposomen, Plasmide und Viren zum Einsatz.

Die Genebank ist eine Datenbank der Nationalen Gesundheitsinstitute (NIH) der USA und enthält alle öffentlich zugänglichen Gen- und Proteinsequenzen. Außer den Sequenzdaten stellt sie auch Informationen zur Taxonomie, Kartierung und Proteinstruktur sowie biomedizinische Literaturangaben zur Verfügung.

Dieser Begriff wurde 1985 von Alec Jeffreys geprägt, als er die Abstammung eines Jungen aus Ghana nachwies. Das Kind erhielt eine Einwanderungserlaubnis, weil die Nachkommenschaft von seiner bereits in England lebenden Mutter mit diesem genetischen Verfahren bewiesen werden konnte. Die genetischen Fingerabdrücke werden häufig von isolierter DNA aus Speichelproben genommen. Die DNA enthält STRs (engl.: short tandem repeats): Das sind sich wiederholende kurze DNA-Abschnitte von wenigen Nukleotiden. Insgesamt sind solche STRs etwa 150 Basenpaare lang. Ihre genaue Länge und das Muster, das sich daraus ergibt, ist für jeden Menschen charakteristisch. Der genetische Fingerabdruck ist inzwischen eine weit verbreitete Methode in der Kriminalistik und bei Vaterschaftstests.

Die Genexpression ist die Synthese eines Genprodukts: Das Gen exprimiert seine Information. Die klassische Genexpression verläuft in zwei Schritten: Zunächst wird die genetische Information der DNA in die Sequenz der mRNA übertragen (Transkription). Dann wird diese Abschrift des Gens bei der Proteinbiosynthese im Zytoplasma für den Bau eines Proteins benutzt (Translation). Mit differenziellen Genexpressionsanalysen versuchen Genetiker herauszufinden, welche unterschiedlichen Gene in verschiedenen Geweben oder Zellen aktiv sind. Dabei kommen häufig Microarrays zum Einsatz.

Eine Genkarte beschreibt die lineare Anordnung der einzelnen Gene auf einem Chromosom. Beispielsweise lässt sich durch Züchtungskreuzungen ermitteln, ob Gene gekoppelt oder unabhängig voneinander vererbt werden. Die erste Genkarte beschrieb der AmerikanerThomas Morgan bereits 1909 für die Taufliege Drosophila melanogaster.

Das Genom umfasst die Gesamtzahl aller Erbanlagen einer Zelle oder eines Organismus.

Das Ziel der Genomforschung (Genomics) ist die Ermittlung der kompletten Erbinformationen eines Organismus.

Der Genotyp (griech.: genos = Geschlecht, Art; typos = Form) ist die Summe aller vererbbaren genetischen Informationen eines Lebewesens. Seine äußere Erscheinung ist der Phänotyp.

Gensonden sind Nukleinsäuremoleküle, mit denen ganz bestimmte DNA und RNA-Sequenzen aufgespürt werden. Sie bestehen aus einer einzelsträngigen DNA- oder RNA-Sequenz, die gezielt an eine komplementäre Sequenz bindet (hybridisiert). Bei der FISH-Methode ermöglicht eine fluoreszierende Markierung der Gensonde den Nachweis der gebundenen Sonde am Ziel..

Das Gentechnikgesetz bestimmt seit 1990 in Deutschland die Richtlinien für die Anwendung von gentechnisch veränderten Organismen in Laboren sowie für die absichtliche Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen in die Umwelt. Das Gesetz schreibt ein strenges Sicherheitskonzept vor und teilt gentechnische Arbeiten in vier Sicherheitsstufen ein: 

•  S1: Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft nicht von einem Risiko für die Gesundheit oder die Umwelt auszugehen ist.
• S2: Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft von einem geringen Risiko für die Gesundheit oder die Umwelt auszugehen ist.
• S3: Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft von einem mäßigen Risiko für die Gesundheit oder die Umwelt auszugehen ist.
• S4: Gentechnische Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft von einem hohen Risiko für die Gesundheit oder die Umwelt auszugehen ist.

Die Gentechnologie umfasst alle Verfahren zur gezielten Veränderung des Erbguts von Lebewesen. Das Jahr 1973 gilt als die Geburtsstunde der Gentechnik: Den amerikanischen Forschern Stanley Cohen und Herbert Boyer gelang es, Bakterien herzustellen, in deren Erbanlagen sie ein fremdes Gen eingebaut hatten.

Mit einer Analyse der DNA kann die Veranlagung für bestimmte Krankheiten ermittelt werden. Gentests sind bereits für viele Erbkrankheiten – darunter Chorea Huntington (Veitstanz), zystische Fibrose (Mukoviszidose) und erbliche Formen von Brustkrebs – verfügbar. Bei Gentests kommt häufig die PCR zum Einsatz.

Die Gentherapie verfolgt das Ziel, genetisch bedingte Krankheiten ursächlich durch das Einbringen von Genen in Zellen zu behandeln. Die vier größten Erkrankungsgruppen, die in den bisherigen klinischen Studien behandelt wurden, sind maligne Erkrankungen (Krebstherapie), monogene Erbkrankheiten, HIV-Infektionen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Der horizontale Gentransfer ist die Übertragung von Genen von einer Generation auf die folgende. Der vertikale Gentransfer – die Übertragung von Genen zwischen Zellen durch Transformation, Transduktion oder Transfektion – hat in der Molekularbiologie große Bedeutung. Bakterien haben natürliche Methoden für die Übertragung von Genen entwickelt, um sich schnell an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen. Unabhängig von ihrem Chromosom besitzen sie Plasmide, extrachromosomale DNA, auf denen sich beispielsweise Antibiotika-Resistenzgene befinden können. Es gibt drei verschiedene Arten des natürlichen Gentransfers bei Bakterien:

• Transformation: die Aufnahme freier DNA aus der Umgebung.
• Transduktion: Die DNA wird mit Hilfe eines Bakteriophagen von einem Bakterium zum anderen transportiert.
• Konjugation: der Transfer spezieller Plasmide durch einen Verbindungsschlauch (Sex pilus), der zwei Bakterienzellen verbindet. Der Bauplan für den Schlauch befindet sich auf diesen Plasmiden.

Als Gentransfer werden auch Methoden und Verfahren zur Übertragung von DNA-Sequenzen in Zellen bezeichnet. Unterschieden wird zwischen viralen (z. B. Adenoviren) und nicht-viralen (z. B. Mikroinjektion, Elektroporation, Liposomenverkapselung) Gentransfersystemen.

Glykoproteine kommen in fast allen Organismen und Zelltypen vor, außer in Bakterien. Sie enthalten Zuckermoleküle, die ihnen bei posttranslationalen Modifkationen angefügt werden. Glykoproteine sind u.a. wesentlicher Bestandteil von Zellmembranen und spielen als Rezeptoren auf Zelloberflächen eine wichtige Rolle.

engl.: good manufacturing practice, current good manufacturing practice. Die Grundregeln für eine gute Herstellungspraxis – die GMP – medizinischer Produkte sichern die Qualität und die Zuverlässigkeit von Medikamenten und medizinischem Gerät. Bei der Einhaltung der GMP achten die Zulassungsbehörden besonders auf den Produktionsbereich, die Überwachung und Dokumentation der Herstellung sowie die ordnungsgemäße Zusammensetzung eines Präparats.

Die goldgelbe Färbung ihrer Körner gab der transgenen Reissorte Golden Rice ihren Namen. Die Färbung rührt vom hohen Provitamin A-(beta-Carotin)-Gehalt der Reiskörner. Mit Ti-Plasmiden wurde die komplette Stoffwechselkette für die Synthese von beta-Carotin in die Reispflanzen eingebracht. Golden Rice soll dazu beitragen, den Vitamin-A-Mangel in Entwicklungsländern zu lindern.

Die Purinbase Guanin ist Bestandteil der Nukleinsäuren DNA und RNA. In doppelsträngigen DNA-Molekülen bilden Guanin und Cytosin ein Basenpaar.

GVO ist die Abkürzung für „gentechnisch veränderter Organismus“. Im Englischen ist der Begriff GMO (genetically modified organism) geläufig. Transgene Tiere und Pflanzen, genmanipulierte Bakterien, Zellen und Knock-out-Tiere sind GVOs.

engl.: yeast. Hefen (z. B. Saccharomyces cerevisiae) sind einzellige Pilze. Manche Arten können unter Luftabschluss Zucker zu Alkohol vergären. Schon seit über zweitausend Jahren setzen Menschen Hefen biotechnisch ein, um Brot, Bier oder Wein herzustellen. Hefen eignen sich für zahlreiche genetische Experimente. Gentechnisch veränderte Hefe-Zellen dienen unter anderem als Expressionssystem zur Herstellung rekombinanter Proteine, wie z. B. Hirudin. Die zwölf Millionen Basenpaare des Genoms von Saccharomyces cerevisiae sind mittlerweile vollständig sequenziert.

Mit dem Protein Hirudin verhindern Blutegel (Hirudo medicinalis), dass das Blut ihrer Opfer gerinnt. Hirudin blockiert das Enzym Thrombin, das bei der Blutgerinnung eine zentrale Rolle spielt. Das Gen für Hirudin wurde aus dem Blutegel isoliert und in Hefezellen eingeführt. Das in Hefen hergestellte rekombinante Protein wird als Medikament unter anderem zur vorbeugenden Behandlung von Patienten mit besonderem Thromboserisiko eingesetzt.

Homeobox ist die Bezeichnung für eine Sequenz von 180 Nukleotiden, die charakteristisch ist für Gene, die die Funktion anderer Gene regulieren. Sie werden deshalb auch als Master-Kontrollgene bezeichnet. Homeoboxgene kommen in allen Organismen vor und spielen eine wichtige Rolle bei der Ausbildung der Körperachsen während der Embryonalentwicklung. Das Homeobox enthaltende Pax6 Gen ist z. B. für die Steuerung des Gen-Netzwerks für die Augenentwicklung in allen Organismen verantwortlich.

Die Homologie (griech.: Übereinstimmung) beschreibt die nicht zufällige Übereinstimmung von Elementen. Homologe Chromosomen sind die strukturgleichen Chromosomen mütterlicher und väterlicher Herkunft. Über den Grad der Übereinstimmung der Sequenzen von Genen und Proteinen können Vorhersagen zur Funktion und Struktur getroffen werden.

Mit HTS (engl.: high throughput screening) – Hochdurchsatzverfahren – werden mit Hilfe von Robotern und vollautomatischen standardisierten Abläufen tausende von Substanzen getestet.

Die Human Genome Organization HUGO koordinierte die Arbeit an der Entzifferung des menschlichen Genoms.

Diese Bezeichnung leitet sich von dem griechischen Begriff „hybrid“ ab: von unterschiedlicher Herkunft. In der Molekularbiologie ist damit die spezifische Paarung zweier komplementärer Nukleinsäure-Einzelstränge zu einem doppelsträngigen Molekül gemeint. Hybridisierungsverfahren weisen mit Hilfe von markierten Gensonden bestimmte Gene nach.

Hybridome sind kultivierte Zellen, die Antikörper produzieren. Sie entstehen durch die Verschmelzung von Abwehrzellen (B-Zellen) des Immunsystems mit einerTumorzelllinie. Die Hybridome erhalten dabei die unbegrenzte Wachstumsfähigkeit der Krebszellen und die Fähigkeit, Antikörper einer ganz bestimmten Spezifität zu produzieren. Die Abkömmlinge einer bestimmten Hybridomzelle produzieren monoklonale Antikörper. Für die Entwicklung dieserTechnik erhielten Georges Köhler und Cesar Milstein 1984 den Nobelpreis für Medizin.

Durch eine Immortalisierung (durch chemische oder virale Transformation oder durch Fusion mit Tumorzellen) werden Zellen in Zellkultur unsterblich: Sie teilen sich unbegrenzt weiter. So lassen sich beispielsweise menschliche Zellen des Immunsystems durch eine Infektion mit dem Eppstein-Barr-Virus immortalisieren.

DNA-Moleküle können durch die Einführung einer Methylgruppe (CH3) an ihre Cytosin-Basen modifiziert werden (DNA-Methylierung). Das hat großen Einfluss auf die genetische Aktivität in den betroffenen Bereichen: Stark methylierte Gene sind inaktiv. Der Grad und das Muster der Methylierung ist bei unterschiedlichen Zelltypen verschieden und reguliert die gewebetypische Genaktivität. In weiblichen Lebewesen wird durch die Methylierung eines der beiden X- Chromosomen dauerhaft inaktiviert und bildet das so genannte Barr-Körperchen.

Interferone sind Signalstoffe aus der Gruppe der Zytokine, die von virusinfizierten Zellen freigesetzt werden, um das Abwehrsystem zu alarmieren und die weitere Ausbreitung der Viren im Körper zu verhindern. Sie binden an Rezeptoren auf den Zelloberflächen und aktivieren dadurch verschiedene Gene. Als Botenstoffe, die nur in äußerst geringen Konzentrationen vorkommen, können sie nur durch gentechnische Verfahren für therapeutische Zwecke gewonnen werden.

Die Interferone werden in drei Klassen eingeteilt:

• alpha-Interferon: Diese Klasse von Interferonen hemmt das Wachstum von Tumorzellen und wird deshalb bei der Behandlung bestimmter Formen von Leukämie verwendet. alpha-Interferon wird außerdem gegen das Hepatits-C-Virus eingesetzt, das chronische Gelbsucht und eine Leberschädigung verursacht.
• beta-Interferon: Die Zellen des Immunsystems steuern ihre Aktivität mit dem Botenstoff beta-Interferon. Als Medikament wird es bei der Behandlung von Multiple-Sklerose-Patienten erfolgreich eingesetzt.
• gamma-Interferon: Auch das gamma-Interferon reguliert das Immunsystem. Es stimuliert einen bestimmten Typ von Abwehrzellen. Diese so genannten Phagozyten töten dadurch in den Körper eingedrungene Bakterien besonders effizient. gamma-Interferon wird zur Behandlung einer seltenen erblichen Immunschwäche, der chronischen Granulomatose, und einer Knochenbildungsstörung, der Osteopetrose, eingesetzt. Es verringert die Anfälligkeit der Patienten für Infektionen.

Integrasen sind Enzyme, die Erbgut von Viren in das Genom der Wirtszellen einbauen. Die gezielte Blockade der Aktivität von Integrasen ist eine viel versprechende Strategie, um die Vermehrung von HI-Viren zu unterdrücken.

Introns sind von Exons flankierte DNA-Sequenzen innerhalb eines Gens, die nicht zum Bauplan eines Proteins beitragen. Sie werden bei der Transkription zwar zunächst in mRNA umgeschrieben, dann aber durch Spleißen aus der prä-mRNA entfernt.

Eine Inversion ist die Umkehrung eines DNA-Bereichs oder eines Chromosomen-Abschnitts um 180 Grad als Folge einer falsch orientierten Neuverknüpfung der Moleküle nach einem Bruch.

engl.: islet producing cells. IPCs sind Stammzellen, aus denen die Inselzellen der Bauchspeicheldrüse hervorgehen, die Insulin produzieren.

Als IRES-Sequenz (internal ribosomal entry site) wird eine komplexe Konformation bei mRNAMolekülen in einem Bereich bezeichnet, der keine Information für den Bau von Proteinen enthält. Die IRES kontrolliert die Translation bei einigen eukaryontischen und viralen mRNAs, beispielsweise bei Hepatitis A-Viren.

Der Karyotyp beschreibt die sichtbaren Merkmale (Anzahl, Größe, Gestalt) eines Chromosomensatzes, wie er bei der Mitose vorliegt. Die Darstellung wird als Karyogramm bezeichnet.

Kernrezeptoren sind eine Klasse von Proteinen im Zellkern. Wenn sie an ihren spezifischen Liganden, z. B. ein Hormon, gebunden haben, wirken sie als Transkriptionsfaktoren und steuern die Aktivität bestimmter Gene.

Klonen ist eine grundlegende molekularbiologische Technik, mit deren Hilfe genetisch identische Lebewesen oder Zellen erzeugt werden. Alle Klone leiten sich von einer ursprünglichen Zelle ab. Das Schaf Dolly war das erste geklonte Säugetier. Beim Klonen wird der Zellkern einer Körperzelle entnommen und in eine entkernte Eizelle eingeführt. Aus dieser manipulierten Eizelle wächst ein Embryo heran, der sich im Uterus einer Leihmutter zu einem Klon des Spenders des Zellkerns entwickelt. Die Erfolgsrate dieses Verfahrens ist sehr gering: 227 Eizellen waren für die Erzeugung von Dolly verbraucht worden. Das so genannte therapeutische Klonen verfolgt das Ziel, genetisch identischen Gewebe- oder Organersatz aus den Zellen des geklonten Embryos zu gewinnen. Eine solche Manipulation eines menschlichen Embryos ist ethisch sehr umstritten und in Deutschland verboten.

Im Laborjargon bezeichnet Klonieren den Einbau von DNA-Fragmenten oder Genen in einen Vektor, durch den die mitgeführte DNA in einer Wirtszelle vermehrt werden kann. Knock-out Organismen Knock-out Organismen sind transgene Tiere, bei denen durch homologe Rekombination ein bestimmtes Gen entfernt oder unbrauchbar gemacht wurde.

Mittels der kombinatorischen Chemie gelingt es, sehr viele Substanzen mit einer definierten Struktur gleichzeitig herzustellen. Eine solche Substanzbibliothek umfasst bis zu mehrere 10 000 Verbindungen, die chemische Varianten eines gemeinsamen Grundgerüstes sind. Die kombinatorische Chemie eignet sich besonders gut zur Optimierung der Eigenschaften von pharmazeutischen Wirkstoffen.

Bei diesem natürlichen Gentransfer tauschen Bakterien über einen Verbindungsschlauch, den Sex Pilus, spezielle Plasmide und manchmal auch Teile des Chromosoms aus.

Ein Leseraster (engl.: open reading frame, ORF) auf einem Nukleinsäure-Molekül besteht aus einer ununterbrochenen Reihe von Basentripletts (Codons), die für Aminosäuren kodieren. Das Leseraster ist eine von drei Möglichkeiten, eine Nukleotidsequenz als Folge von Tripletts zu lesen. Durch Entfernen und / oder Einfügen von Nukleotiden innerhalb einer solchen Sequenz entstehen neue Triplett-Abfolgen, wodurch sich auch die Zusammensetzung der Eiweißkette verändert. Solche Leserastermutationen können dazu führen, dass ein Protein nicht oder nur rudimentär gebildet wird.

In der Biochemie werden Moleküle, die genau wie ein Schlüssel ins Schloss in die Bindungsstelle von Rezeptor-Molekülen passen, als Liganden bezeichnet.

Eine DNA Ligase (lat.: ligare = binden) ist ein Enzym, das einzelne DNA-Stränge, die gebrochen oder zerschnitten sind, wieder miteinander verknüpft. Diese Vorgänge werden natürlicherweise während der DNA-Replikation oder Reparaturvorgängen in der Zelle benötigt. Beim Klonieren werden Gene mit Hilfe von Ligasen in Plasmide eingebaut. Zusammen mit den Restriktionsenzymen sind Ligasen die gängigsten Werkzeuge für die Gentechnik. Ligasen stammen aus Escherichia coli oder aus Phagen.

Liposomen sind künstlich hergestellte kleine Kügelchen, die eine Hülle aus Lipiddoppelschichten besitzen. In der Gentechnik werden sie als Verpackungshülle für DNA-Moleküle benutzt, die in Zellen übertragen werden sollen, da Liposomen mit der Membran von Zellen leicht verschmelzen.

Empfindliche Biomoleküle verlieren in Lösung schnell ihre Aktivität und Wirksamkeit. Werden sie eingefroren und in einer Vakuumkammer durch Entzug des Wassers zu Pulver gefriergetrocknet – lyophilisiert –, lassen sie sich in vielen Fällen sicher aufbewahren.

Die Botanikerin Barbara McClintock führte ab 1920 Kreuzungsexperimente bei Maispflanzen durch. Sie entdeckte, dass Gene ihren Ort auf den Chromosomen wechseln können. Für die Entdeckung der Transposons, der springenden Gene, wurde sie zunächst von der Fachwelt belächelt, erhielt aber dafür als späte Anerkennung 1983 den Nobelpreis.

Nährlösungen für kultivierte Bakterien, Zellen und Gewebe werden als Medien bezeichnet. Sie enthalten unter anderem die lebenswichtigen Zucker, Salze und Spurenelemente. Medien für die Kultivierung von Säugetierzellen enthalten häufig tierisches Serum, das unter anderem wichtige Wachstumsfaktoren enthält. Moderne biotechnische Herstellungsprozesse werden mit chemisch definierten Zusätzen serumfrei durchgeführt.

Bei der Reduktionsteilung, der Meiose, wird der Chromosomensatz einer Zelle halbiert.

Der Augustiner-Pater Gregor Mendel stellte die grundlegenden Regeln der Vererbung auf. Seine berühmten Kreuzungsversuche mit verschiedenen Speiseerbsen- und Bohnensorten machte er im Garten des Klosters in den Jahren 1856 bis 1864. Aus der statistischen Analyse leitete er noch heute gültige Gesetzmäßigkeiten – die Mendelschen Regeln – ab. Mendel wird als der „Begründer der Vererbungslehre“ bezeichnet.

Das Ziel der Metabolomik ist die systematische Erforschung und Erfassung aller Stoffwechselwege – des Metabolismus – in einem Organismus bzw. einer Zelle. Mit dem Wissen, ob, wann, wie, wo und wie schnell beispielsweise Medikamente verstoffwechselt werden, lassen sich optimale Wirkstoffe entwickeln.

Dieser Begriff wird häufig als Synonym für Biochips benutzt. In der Gentechnik sind am bekanntesten diejenigen DNA-Microarrays, bei denen tausende von DNA-Sequenzen auf einer Glasoberfläche in Reih und Glied angeordnet und fixiert sind. Mit ihnen können tausende von biochemischen Reaktionen parallel durchgeführt werden. Genexpressionsanalysen mit Microarrays zeigen, wie stark die Aktivität einzelner Gene ist.

Mit Mikroinjektionen werden gelöste Substanzen mit einer feinen Kapillare direkt in das Innere einer Zelle eingebracht. Die Kapillaren aus Glas haben einen Durchmesser von 0,1 bis 1 nm. Bei der Erzeugung von transgenen Tieren wird das fremde Gen durch Mikroinjektion in den väterlichen Pronukleus einer befruchteten Eizelle eingeführt und integriert sich im Genom.

Zellteilung

Modellorganismen erleichtern die Erforschung genetischer und entwicklungsbiologischer Mechanismen. Der ideale Modellorganismus ist klein und anspruchslos, damit die Haltung leicht und kostengünstig ist. Dank kurzer Generationszeit und schneller Entwicklung lässt er sich für Kreuzungsexperimente und die Untersuchung von Varianten leicht vermehren. Bekannte Modellorganismen sind die Taufliege D. melanogaster, der Fadenwurm C. elegans und die Pflanze A. thaliana. Bestimmte transgene Mäuse entwickeln Krankheiten, die menschlichen Erkrankungen wie Multipler Sklerose gleichen. Diese Modellorganismen dienen der Erforschung der Ursachen und neuer Strategien für die Behandlung dieser Krankheiten.

Monoklonale Antikörper werden von Zellen produziert, die durch eine Verschmelzung einer Antikörper produzierenden Zelle (B-Lymphozyten) mit einer unsterblichen (immortalisierten) Krebszelle erzeugt werden. Dieser Vorgang wird im Labor durchgeführt und erzeugt eine Hybridzelle (Hybridoma), welche die Eigenschaften beider Zellen besitzt. Diese Zellen sind alle identisch, da sie von einer einzelnen Zelle abstammen, und werden daher als „monoklonal“ bezeichnet. Sie erzeugen jeweils große Mengen eines spezifischen Antikörpers, der an ein spezifisches Antigen bindet. Monoklonale Antikörper sind ein wichtiges Werkzeug in der Forschung, bei der Diagnostik und als therapeutische Wirkstoffe.

Die messenger-RNA Moleküle (mRNA) entstehen bei der Transkription als eine Abschrift der genetischen Informationen der DNA. Die einsträngigen mRNA-Moleküle transportieren die Bauanleitung für Proteine zu den Ribosomen im Zellplasma, wo die Proteinsynthese (Translation) stattfindet.

Mutationen sind Veränderungen in der DNA-Sequenz oder in der Abfolge der Aminosäuren in Proteinen. Sie sind häufig die Folge von Fehlern bei der DNA-Verdopplung während der Zellteilung oder von Umwelteinflüssen wie radioaktiven Strahlen, UV-Strahlen oder Chemikalien. Mutationen können einerseits fatale Folgen haben, tragen aber andererseits zur Evolution der Lebewesen bei.

Mit dieser Methode werden RNA-Moleküle im Probenmaterial durch markierte komplementäre DNA-Moleküle aufgespürt. Nach der Auftrennung durch Gelelektrophorese wird die RNA auf eine Membran übertragen („blotten“) und mit Hilfe spezifischer Gensonden identifiziert.

Neuartige Lebensmittel mit chemischen Zutaten zur Nahrungsergänzung oder gentechnisch manipulierten Inhaltsstoffen fallen in Europa unter die Novel-Food-Verordnung. Ohne ausdrückliche Zulassung dürfen sie nicht in den Handel gebracht werden.

Die Biologin Christiane Nüsslein-Volhard erhielt 1995 zusammen mit den Amerikanern Eric Wieschaus und Edward Lewis den Nobelpreis für Medizin. Sie entdeckte bei der Taufliege Drosophila melanogaster grundlegende genetische Steuermechanismen der Embryonalentwicklung.

Die Nukleinsäuren verdanken ihren Namen ihrem Vorkommen und ihren chemischen Eigenschaften. Friedrich Mieschen entdeckte die „sauren Substanzen“ 1869 in den Zellkernen von Blutzellen. Da sie sich nicht durch Eiweiß-spaltende Enzyme zerstören ließen, folgerte er, dass es sich nicht um Proteine handeln konnte. Nukleinsäuren setzen sich aus Basen, Phosphatgruppen, sowie den Zuckern Desoxyribose (DNA) oder Ribose (RNA) zusammen. Sie sind die Träger der Erbinformationen.

Die Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren DNA und RNA. Jedes Nukleotid besteht aus einer Base (Purin oder Pyrimidin), einem Zuckermolekül (Desoxyribose oder Ribose) und einer Phosphatgruppe. Über Bindungen werden die Nukleotide miteinander zu Ketten verknüpft.

Nutraceuticals ist eine Wortschöpfung aus Pharmaceuticals (Heilmittel) und Nutrition (Ernährung) für Lebensmittel, die pharmazeutische Wirkstoffe enthalten.

Oligonukleotide sind kurze Nukleinsäurefragmente mit nur wenigen Nukleotiden. Sie werden wegen der Möglichkeit zur komplementären Paarung zum Beispiel verwendet, um mit der FISH-Methode nach Genen zu suchen. Als so genannte Primer kommen Oligonukleotide bei der PCR zum Einsatz.

Onkogene begünstigen oder verursachen die Entstehung von Krebs. Sie kodieren meist für Proteine, die an der Signaltransduktion und der Steuerung des Zellzyklus beteiligt sind. Eine Mutation oder Fehlregulierung in einem solchen Gen führt zu unkontrolliertem Wachstum einer Zelle und damit zu Tumoren.

Das Operon ist eine Organisationsform von funktionell zusammengehörigen Genen im Genom von Bakterien inklusive Steuerelementen wie Promotoren und Terminationssignalen. Beispiele sind die Gene „mal E“, „mal F“ und „mal G“, die jedes einzeln den Bauplan für jeweils ein Eiweißmolekül enthalten. Diese sind dann gemeinsam für den Transport des Zuckermoleküls Maltose aus der Umgebung der Bakterien ins Zellinnere zuständig. Die drei Gene werden gemeinsam reguliert.

Parenteralia sind Arzneimittel, die unter Umgehung des Magen-Darm-Traktes verabreicht werden, zum Beispiel durch Injektionen oder Infusionen direkt ins Blut. Bei der parenteralen Ernährung werden die notwendigen Nährstoffe direkt in die Venen verabreicht.

Ein Patent in Europa oder in den USA schützt den Erfinder davor, dass Dritte seine Erfindung ohne Lizenz für gewerbliche Zwecke nutzen. Patentfähige Erfindungen müssen neu und das Ergebnis einer erfinderischen Tätigkeit sowie gewerblich nutzbar sein.

engl.: polymerase chain reaction. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Methode zur schnellen Vervielfältigung (Amplifikation) bestimmter Abschnitte von RNA oder DNA mit Hilfe des hitzestabilen Enzyms Taq-Polymerase und sequenzspezifischer Oligonukleotide. Variationen der PCR sind:

• RT-PCR: Reverse Transkription PCR. Als Vorlage dienen aus mRNAMolekülen generierte cDNAMoleküle.
• Q-PCR: Quantitative PCR zur Bestimmung der Menge eines Nukleinsäuremoleküls.

Aminosäurensequenzen mit weniger als hundert Bausteinen werden als Peptide bezeichnet.

Der Phänotyp umfasst alle Merkmale eines Lebewesens – sein Erscheinungsbild. Er ist das Resultat der genetischen Informationen (Genotyp) sowie der äußeren Umwelteinflüsse.

Bei der Phosphorylierung wird eine Phosphatgruppe durch Enzyme (Kinasen) auf Nukleinsäuren oder Proteine übertragen. Die Aktivität und Funktion von Proteinen wird häufig durch den Grad ihrer Phosphorylierung gesteuert.

Plasmide sind autonome, selbstreplizierende ringförmige DNA-Moleküle, die genetische Informationen außerhalb der Chromosomen enthalten. Häufig liegen die Gene für Antibiotika-Resistenzen bei Bakterien auf Plasmiden. Für die Gentechnik von großer Bedeutung sind die doppelsträngigen DNA-Plasmide aus Bakterien, die bei Klonierungen als Vektoren eingesetzt werden.

Plasminogen-Aktivatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Auflösung von Blutgerinnseln. Sie aktivieren das Plasminogen zu Plasmin, welches das Fibrinnetz eines Blutgerinnsels zerstört und auflöst. Im menschlichen Körper kommen die Plasminogen-Aktivatoren Urokinase und t-PA vor, letzeres wird für therapeutische Zwecke rekombinant hergestellt.

Die Ploidie bezeichnet die Anzahl der Chromosomensätze in einer Zelle. Haploide Zellen besitzen einen, diploide Zellen zwei Chromosomensätze.

Alle Veränderungen von RNA-Molekülen nach der Transkription sind posttranskriptionelle Modifikationen. Dazu zählen das Spleißen, bei dem die Introne aus der mRNA entfernt werden, und das RNA-Editieren, bei dem die Sequenz der RNA durch spezielle Enzyme verändert wird oder Basen modifiziert werden.

Alle chemischen Veränderungen an Proteinen nach ihrer Synthese (Translation) sind posttranslationale Modifikationen. Sie spielen oft eine wichtige Rolle bei der Funktion und der Struktur von Eiweißen. Zu den wichtigsten posttranslationalen Modifikationen zählen die Acetylierung, die Glykosilierung und die Phosphorylierung.

Moleküle besitzen eine räumliche Anordnung. Beispiel Proteine: Die Primärstruktur ist die Reihenfolge der Aminosäuren. Durch chemische Wechselwirkungen und Wasserstoff-Brückenbindungen bilden sich Helix- und Faltblattstrukturen: die Sekundärstruktur eines Proteins. Die übergeordnete Faltung des Moleküls ist die Tertiärstruktur, die durch kovalente chemische Bindungen stabilisiert werden kann.

Prokaryonten sind einzellige Organismen, die keinen Zellkern besitzen. Ihre DNA liegt frei im Zellplasma vor. Zu den Prokaryonten zählen Bakterien, wie z. B. Escherichia coli.

Das Wachstum und die Vermehrung von Gewebe und Zellen wird als Proliferation bezeichnet.

Die Transkription eines Gens startet vor dem Beginn der Gensequenz an einer charakteristischen Stelle: dem Promotor. Innerhalb des Promotors sind die spezifischen Erkennungs- und Bindestellen für die RNAPolymerasen und Transkriptionsfaktoren lokalisiert. Promotoren steuern die Aktivität der Gene: Die Häufigkeit, mit der ein Gen abgelesen wird, hängt vom Wechselspiel der RNA-Polymerase mit dem jeweiligen Gen-Promotor ab und wird von vielen weiteren Faktoren reguliert.

Proteine (Eiweiße) sind Moleküle, die sich aus Ketten von mehr als hundert Aminosäuren aufbauen. Sie übernehmen vielfältige Aufgaben in einem Organismus und machen mehr als 50 Prozent der organischen Masse einer Zelle aus. Als Strukturproteine bilden sie das Gerüst, als Enzyme treiben sie den Stoffwechsel an oder regulieren die Aktivität der Gene. Sie können dabei als Mono- oder Multimere vorliegen. Zwei verknüpfte Proteine gleichen Typs bilden ein Dimer – sind sie verschiedener Klasse, nennt man sie Heterodimer.

Die umfassende Untersuchung aller Proteine in einer Zelle – des Proteoms – ist das ehrgeizige Ziel der Proteomik. Das Proteom gibt ein direktes Bild von der Aktivität einer Zelle, besser noch als das Transkriptom, denn viele Proteine werden nach ihrer Produktion durch die Zelle verändert (posttranslationale Modifikation).

Protoplasten sind die von der starren Zellwand eingeschlossenen Zellkörper von Pflanzenzellen. Wird die Zellwand entfernt, können die Protoplasten wie tierische Zellen kultiviert werden. Durch die Protoplastenfusion – dem Verschmelzen von Protoplasten durch einen Stromimpuls – können die Erbinformationen unterschiedlicher Pflanzenarten kombiniert werden. Protoplasten von Bakterienzellen können zur Transfektion von Säugetierzellen genutzt werden.

Der Herstellungsprozess eines Biopharmazeutikums umfasst die komplette Prozesskette: Fermentation, Zellernte, Aufreinigung / Isolierung, Formulierung und Abfüllung des Wirkstoffes sowie die dazu notwendigen technischen Anlagen.

Purine sind stickstoffhaltige basische Doppelringe. Sie besitzen wichtige Funktionen z. B. als Energieträger im Stoffwechsel oder als Bestandteile von Coenzymen. Die Purinbasen Adenin und Guanin sind Bestandteile der DNA und RNA.

Pyrimidine sind stickstoffhaltige, basische, einfache Ringe (Heterozyklen). Die Pyrimidinbasen Cytosin und Thymin sind Bestandteile der DNA; Cytosin und Uracil von RNAMolekülen.

Die Bezeichnung für die gezielte Neukombination von bisher nicht verknüpfter genetischer Informationen lautet rekombinant. Sie wird im pharmazeutischen Bereich synonym mit „gentechnisch hergestellt“ verwendet und bezeichnet Nachkommen, deren Genotyp sich von der Ausgangszelle unterscheidet.

Die Replikation dient der Verdoppelung der DNA. Beim Kopieren von doppelsträngigen DNA-Molekülen ist jeweils ein „alter“ DNA Strang die Vorlage für die Synthese eines neuen Tochterstrangs. Dank dieser semi-konservativen Replikation enthalten die neuen Doppelstränge je einen alten und einen neuen Strang.

Reportergene werden an die Stelle eines Gens gesetzt und stehen dann unter der Kontrolle von dessen Steuerungselementen und Promotoren. Auf diese Weise liefern sie Informationen, durch welche Einflüsse dieses Gen reguliertwird. Werden die Reportergene aktiviert, produzieren sie Proteine und Enzyme, die sich leicht nachweisen lassen und Rückschlüsse auf ihre Menge und ihre Lokalisation zulassen. Häufig wird das Gen für das grün fluoreszierende Protein (GFP) aus der Qualle Aequoria victoria verwendet . Unter UV-Licht betrachtet, verrät es sich durch sein grünes Leuchten. Weitere gängige Reportergene sind:

• Gen Genprodukt
• lacZ ß-Galactosidase
• lux Luziferase
• CAT Chloramphenicolacetyltransferase
• SEAP sekretierte alkalische Phosphatase.

Diese molekularen Scheren zählen zu den wichtigsten Werkzeugen in der Gentechnik. Restriktionsenzyme erkennen ganz bestimmte Sequenzen auf doppelsträngigen DNA-Molekülen und zerschneiden sie genau dort oder ein Stück davon entfernt. Sie treten natürlicherweise in Bakterien auf, wo sie eingedrungene Phagen-DNA zerstören. Die bakterielle DNA ist gegen sie durch Methylierung der spezifischen Schnittstellen geschützt.

Restriktionsenzyme erkennen und binden an eine ganz bestimmte Abfolge von Nukleotiden auf der doppelsträngigen DNA und zerschneiden das DNA-Molekül an dieser Stelle oder ein Stück davon entfernt. Für jeden Typ von Restriktionsenzymen gibt es charakteristische Restriktionsschnittstellen.

Die Reverse Transkriptase benutzt ein RNA-Molekül als Vorlage zur Synthese eines komplementären DNA-Stranges. Reverse Transkriptasen wurden ursprünglich aus Retroviren isoliert. Sie werden in den infizierten Wirtszellen zur Umschreibung des viralen RNA-Genoms in DNA benötigt. Im Labor sind sie ein nützliches Werkzeug, um mRNA in cDNA-Moleküle zu verwandeln.

Rezeptoren binden Liganden und leiten dieses Signal weiter. Die Bindung zwischen Ligand und Rezeptor ist sehr spezifisch nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Rezeptoren auf den Zelloberflächen nehmen Signale aus der Umgebung wahr. Andere, z. B. die Kernrezeptoren befinden sich im Inneren der Zellen.

Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus. Die Unterschiede der DNA-Sequenzen einzelner Individuen führen zu einem unterschiedlichen Muster von Schnittstellen für Restriktionsenzyme auf den DNA-Molekülen. Abhängig von diesem Muster entstehen durch das Zerschneiden der DNA mit den Enzymen unterschiedlich große Fragmente, die bei der Analyse ein charakteristisches Muster ergeben.

An den Ribosomen findet im Zellplasma die Proteinbiosynthese (Translation) statt. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: An der kleineren Untereinheit werden mRNA und tRNA zusammen geführt, an der großen Untereinheit die Aminosäuren miteinander verknüpft. Ribosomen sind aus Proteinen und ribosomalen RNA-Molekülen (rRNA) aufgebaut. Eukaryontische Ribosomen (80S-Typ) sind größer und komplizierter aufgebaut als die von Bakterien (70S-Typ).

Ribozyme bestehen aus der Nukleinsäure RNA und wirken nicht als Informationsspeicher oder -überträger, sondern haben katalytische Eigenschaften wie Enzyme: So zerstückeln sie ganz bestimmte RNA-Moleküle. Die Substrate können dabei andere RNA-Moleküle oder das Ribozym-Molekül selbst sein. Ihre Fähigkeit, Gene daran zu hindern, krankheitsverursachende Proteine zu produzieren, indem sie deren mRNA zerstören, machen die Ribozyme zur Grundlage eines interessanten therapeutischen Ansatzes. Für infektiöse Krankheiten oder Krebs gilt der Einsatz von Ribozymen als aussichtsreich. Derzeit wird unter anderem an anti-HIV- und anti-Hepatitis-Ribozymen gearbeitet.

RNA (engl.: ribonucleic acid) ist eine aus Nukleotiden zusammengesetzte Molekülkette. Bestimmte Typen dieser Ribonukleinsäure übernehmen in Zellen die Aufgabe der Informationsübertragung von den Genen zu den Ribosomen. Andere bilden Struktur- und Funktionselemente oder regulieren die Aktivität der Gene. Einige Viren – die Retroviren – speichern ihre genetischen Informationen in RNA statt DNA. Beispiele verschiedener Klassen von RNA-Molekülen sind:

• mRNA: messenger RNA
  Arbeitskopie der Gene für die Proteinsynthese.
• miRNA = micro RNA
  Regulation der Translation bestimmter mRNAs.
• rRNA = ribosomale RNA
  Struktur- und Funktionselemente der Ribosomem.
• siRNA = small interfering RNA
  Gezielte Hemmung der Translation bestimmter mRNAs.
• tRNA = Transfer-RNA
  Transport der Aminosäuren zu den Ribosomen.

Mit der RNA-Interferenz lassen sich Gene durch künstliche RNA-Moleküle gezielt ausschalten.

Der Biochemiker Frederick Sanger erhielt als einer der wenigen zweimal den Nobelpreis: das erste Mal im Jahre 1958 für seine Arbeiten zur Strukturaufklärung des Insulins, das zweite Mal im Jahre 1980 für die Entwicklung einer Methode zum Sequenzieren von Nukleinsäuren – beide Male war es der Nobelpreis für Chemie.

Auf dem Weg vom Labor in die großtechnische Produktion wachsen die Größenordnungen der Gefäße, in denen Mikroorganismen und Zellen kultiviert werden. Beim Scale-up werden die Kulturbedingungen, die verfahrenstechnischen Abläufe und die Prozesstechnik für die Produktion in großen Bioreaktoren angepasst und optimiert.

Selektionsmarker sind Gene, die in Zellen eingebracht werden, um transformierte / transfizierte Zellen von Nichttransformanten / -transfektanten zu unterscheiden. Antibiotika-Resistenzgene eignen sich beispielsweise als Selektionsmarker, um nur solche Bakterien zu vermehren, die das eingeführte Plasmid mit dem darauf lokalisierten Resistenzgen besitzen.

Mit Seneszenz werden alle Alterungsprozesse umschrieben. In der Zellbiologie bezeichnet dieser Begriff eine dauerhaft gehemmte Zellteilung, einen Stillstand des Zellzyklus.

Beim Sequenzieren wird die Abfolge der Basen eines DNA-Moleküls ermittelt oder – im Fall von Proteinen – die Reihenfolge der Aminosäuren. Zur Sequenzierung der DNA werden heutzutage komplementäre DNA-Einzelstrangmoleküle von einer DNA-Vorlage synthetisiert. Die erzeugten Fragmente sind jeweils um eine Base länger als das vorangegangene und die letzte Base ist zudem mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Jede der vier Basen ist mit einem anderen Farbstoff markiert. Die markierten Einzelstrangfragmente werden anschließend elektrophoretisch getrennt. Moderne Sequenziermaschinen ermitteln mit Laser automatisch die Reihenfolge der Nukleotide. Die Aminosäurensequenz eines Proteins wird häufig aus der kodierenden DNA-Sequenz abgeleitet.

Wie ein Schrotschuss zerstückelt die Methode 'Shotgun sequenzieren' das Genom in viele kleine Fragmente. Die DNA-Abschnitte werden anschließend geklont und sequenziert. Computer setzen alle einzeln ermittelten Sequenzdaten wieder zusammen, um die richtige Reihenfolge im Genom zu bestimmen. Diese Methode wurde von dem Unternehmen Celera Genomics bei der Entzifferung des menschlichen Genoms angewandt.

Signalsequenzen sind Abschnitte von Protein-Molekülen, die für den Transport und die richtige Lokalisation der Proteine sorgen. Günter Blobel, der für ihre Entdeckung 1999 den Nobelpreis erhielt, verglich die Signalsequenzen mit Adressaufklebern.

Die Signaltransduktion umfasst die Weiterleitung und -verarbeitung von Informationen aus der Umgebung einer Zelle ins Innere, meist in den Zellkern. In der Regel bindet dazu ein Botenstoff an einen Rezeptor auf der Zelloberfläche. Der vermittelt dieses Signal ins Zytoplasma, wo eine ganze Kaskade von Enzymen das Signal modulieren und verstärken kann.

engl.: single nucleotid polymorphism. SNPs sind die Unterschiede in der DNA-Sequenz zwischen den Individuen einer Art, bei denen nur eine Base verändert ist.

Der Southern Blot ist eine ursprünglich von Ed Southern entwickelte Methode, bei der durch Gelelektrophorese getrennte DNA-Fragmente auf Membranen übertragen („geblottet“) und mit spezifischen Gensonden identifiziert werden.

Die Genauigkeit – die Spezifität –, mit der Moleküle miteinander wechselwirken, ist mit der Passgenauigkeit eines Schlüssels in das passende Schloss vergleichbar.

Beim Spleißen schneiden Enzyme aus der mRNA die Introns aus und fügen die verbleibenden Exons wieder zur gereiften mRNA zusammen, die alle Informationen zum Bau eines Proteins enthält. Nach dem Spleißen wandert die mRNA aus dem Zellkern ins Zytoplasma zu den Ribosomen. Durch eine Variante dieser posttranskriptionellen Modifikation – dem differenziellen Spleißen - variieren die Produkte, die von einem Gen stammen: wie mit einem Baukasten entstehen aus einem Gen ganz unterschiedliche Proteine.

Stammzellen besitzen die Fähigkeit zur unbegrenzten Zellteilung. Nach der Teilung können die Tochterzellen identisch sein oder sich zu differenzierten Zelltypen weiter entwickeln. Nach ihrer Herkunft wird zwischen adulten und embryonalen Stammzellen unterschieden. Adulte Stammzellen befinden sich in vielen Geweben und Organen erwachsener Lebewesen. Im Knochenmark befinden sich die Blut bildenden (hämatopoetischen) Stammzellen, von denen alle Zellen im Blut abstammen. Oligopotente Stammzellen können nur wenige, pluripotente können viele verschiedene Zelltypen bilden. Aus Embryonen lassen sich Stammzellen gewinnen, die totipotent sind: Sie können sich zu allen Arten von Körperzellen entwickeln. Die Gewinnung von menschlichen embryonalen Stammzellen ist in Deutschland verboten. Ihre Einfuhr – ausschließlich zu Forschungszwecken – muss vom Robert-Koch-Institut genehmigt werden.

Stammzelltypen:

• adulte: stammen aus dem Gewebe
• embryonale: stammen aus Blastozysten, frühen kugelförmigen Embryos
• totipotente / omnipotente: bilden alle Gewebetypen
• oligopotente: bilden wenige Gewebetypen
• pluripotente: bilden viele Gewebetypen.

Viele eukaryontische Promotor-Regionen enthalten dieses typische Sequenzmotiv einer Abfolge von Thymin und Adenin. An diesem Abschnitt auf der DNA vor dem Beginn eines Gens bindet das TATA-Box-Bindeprotein und initiiert die Transkription.

Durch die Verdopplung der Chromosomen bei der Replikation verlieren die Enden der Chromosomen kleine Abschnitte. Das Enzym Telomerase verlängert die Telomere wieder und verhindert dadurch, dass die Chromosomen mit jeder Zellteilung kürzer werden.

Diese Endstücke der Chromosomen enthalten keine Gene, sondern bestehen aus sich wiederholenden Sequenzen. Sie schützen die Chromosomen vor dem Abbau und verhindern, dass sich zwei verschiedene Chromosomenenden miteinander verbinden.

Die Termination ist der Abbruch der Translation, der Proteinbiosynthese. Sie erfolgt normalerweise an den Stopp-Codons UAG, UAA oder UGA in der mRNA.

Die Pyrimidinbase Thymin ist Bestandteil der Nukleinsäure DNA. Sie paart sich mit der Purinbase Adenin im komplementären DNA-Strang. In RNA-Molekülen wird Thymin durch die Base Uracil ersetzt.

Die Ti-Plasmide der Agrobakterien verursachen Tumore in Pflanzenzellen. Gentechnisch veränderte Ti-Plasmide dienen als Vektoren, um Gene in Pflanzenzellen zu übertragen. Ein erfolgreiches Beispiel ist die Transfektion des Stoffwechselweges zur Synthese von Pro Vitamin A im Golden Rice.

Die National Science Foundation der USA definierte den Begriff 1988 folgendermaßen: „Tissue Engineering ist die Anwendung der Prinzipien und Methoden der Ingenieur- und Lebenswissenschaften für das grundlegende Verständnis derWechselwirkung von Struktur und Funktion normalen und kranken Gewebes sowie zur Entwicklung von biologischem Gewebe-Ersatz zur Rekonstruktion, dem Erhalt oder der Verbesserung der Gewebefunktionen“.

Susumu Tonegawa löste die Frage, wie das Immunsystem mit einer begrenzten Anzahl von Genen eine fast unerschöpfliche Vielfalt von Antikörpern bildet. Für seine Entdeckung der genetischen Grundlage dieses Variantenreichtums erhielt er 1987 den Nobelpreis.

Durch ihre Struktur, Verdrillungen und Windungen sind DNA-Moleküle starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Das Enzym Topoisomerase entspannt die gewundenen Moleküle und verhindert so Brüche der DNA.

engl.: tissue plasminogen activator. t-PA spielt eine wichtige Rolle bei der Auflösung von Blutgerinnseln. Seit 1987 wird rekombinant hergestelltes t-PA zur Therapie des akuten Herzinfarktes eingesetzt.

Das Kunstwort aus den Begriffen Transformation und Infektion bezeichnet die Infektion von eukaryontischen Zellen mit freier DNA (z. B. Plasmid-DNA) oder RNA. Bei einer stabilen Transfektion verbleibt die eingeschleuste DNA dauerhaft in den Zellen, bei transienten Transfektionen baut die Zelle die fremde DNA nach einer gewissen Zeit wieder ab.

Der Begriff Transformation bezeichnet das Einbringen von Vektoren in Bakterien, wird aber häufig als Synonym für die Transfektion von eukaryontischen Zellen benutzt. In der Medizin ist der Übergang einer normalen Zelle in eine Tumorzelle eine Transformation.

Transgene Organismen sind Lebewesen, denen ein fremdes Gen ins Erbgut eingeschleust wurde. Bei Tieren wird dafür das zusätzliche Gen in befruchtete Eizellen injiziert. Dann werden die veränderten Eizellen in den Uterus einer Leihmutter implantiert. In der Biologie und Medizin haben transgene Labortiere große Bedeutung in der Grundlagenforschung. Sie dienen als Modellorganismen für Krankheiten wie Krebs, Multiple Sklerose oder die Alzheimer-Krankheit. Auch die Knock-out Mäuse, denen gezielt ein Gen entfernt oder abgeschaltet wurde, zählen zu den transgenen Tieren.

Bei der Transkription wird die genetische Information der DNA in die Boten-Moleküle mRNA übertragen. Bei Prokaryonten erfolgt die Transkription im Plasma der Zellen, bei Eukaryonten im Zellkern. Vor dem Verlassen des Zellkerns können mRNA-Moleküle verändert werden (posttranskriptionelle Modifikationen), bevor an den Ribosomen im Zellplasma die Translation stattfindet.

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an der DNA binden und dadurch die Transkription positiv oder negativ beeinflussen. Das Zusammenspiel vieler verschiedener Transkriptionsfaktoren, die am Promotor und anderen Regionen binden, reguliert die Aktivität der Gene.

Die Gesamtheit aller RNA-Moleküle – Transkripte – einer Zelle bzw. eines bestimmten Gewebes ist das Transkriptom. Diese RNAs repräsentieren alle aktiven Gene. Da in verschiedenen Zellen jeweils unterschiedliche Gene aktiv sind und durch viele äußere Faktoren gesteuert werden, ist das Transkriptom sehr dynamisch. Mit Biochips können der Typ und die Menge bestimmter RNAMoleküle in einer Zelle bestimmt werden.

Bei der Proteinbiosynthese – der Translation – wird die Nukleotidsequenz der mRNA in eine Abfolge von Aminosäuren übersetzt. Die Translation findet im Zytoplasma an den Ribosomen statt.

Translokationen sind Chromosomenveränderungen, bei denen entweder Kopien eines Gens oder ein Teil eines Chromosoms ihre Position verändern. 1960 wurde die erste charakteristische Chromosomenveränderung bei einer Leukämie entdeckt: eine Verkürzung des Chromosoms 22. Dieses so genannte Philadelphia-Chromosom tritt regelmäßig bei der chronisch myeloischen Leukämie auf. Das fehlende Stück von Chromosom 22 mit dem Gen bcr verschmilzt mit dem Gen abl auf dem Chromosom 9. Das Gen abl im Fusionsgen enthält den Bauplan für ein Enzym, eine Tyrosinkinase. Dieses Enzym ist wesentlich an der Übertragung von Signalen beteiligt, die für die Regulation des Zellwachstums und der Zelldifferenzierung erforderlich sind. Durch die Fusion der beiden Gene wird das Tyrosinkinase-Gen aktiviert. Die Folge: Zellen mit dem Fusionsgen vermehren sich unkontrolliert.

Bei Transplantationen werden Zellen, Gewebe oder Organe von einem Lebewesen auf ein anderes übertragen.

Transplantationstypen:

• autogene: Empfänger und Spender sind identisch.
• allogene: Empfänger und Spender sind genetisch unterschiedlich, gehören aber derselben Art an.
• syngene / isogene: Empfänger und Spender sind genetisch identisch, z. B. eineiige Zwillinge oder Tiere desselben Inzuchtstammes.
• xenogene: Empfänger und Spender gehören verschiedenen Arten an.

Transposons sind DNA-Abschnitte, die innerhalb des Genoms ihre Position wechseln können. Sie werden deshalb auch als „springende Gene“ bezeichnet. Der Ortswechsel von Transposons führt häufig zu Deletionen oder der Inaktivierung von Genen. Sie wurden erstmals von der Botanikerin Barbara McClintock beschrieben, die dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Tumore sind Geschwulste aus Körperzellen, die sich unkontrolliert vermehren. Bösartige (maligne) Tumore infiltrieren und zerstören das umliegende Gewebe, werden zum Ausgangspunkt von Metastasen und führen, wenn sie nicht behandelt werden, zum Tod.

Tumorsuppressorgene kontrollieren den Zellzyklus und das Zellwachstum. Sie unterdrücken die Replikation von genetisch geschädigten Zellen und verhindern dadurch die Entstehung von Tumoren. Ein gut untersuchtes Tumorsuppressorgen ist p53, das auch als Wächter des Genoms bezeichnet wird. Das von p53 kodierte Eiweißmolekül bindet als Transkriptionsfaktor an die DNA und leitet dadurch die Synthese von anderen Proteinen ein, die den Zellzyklus anhalten oder dazu beitragen, dass die Zelle in den programmierten Zelltod – die Apoptose – getrieben wird.

Diese Base ist Bestandteil der Ribonukleinsäuren. Uracil ersetzt in RNA-Molekülen die Base Thymin in DNA-Molekülen.

Vektoren sind DNA-Moleküle, die Fremd-DNA aufnehmen können und sich in einem Zielorganismus replizieren können. Die gängigsten Vektoren sind Plasmide, weitere sind Phagen, Viren, Cosmide, VACs oder BACs. Das Einführen eines Plasmidvektors in eine geeignete kompetente Zelle heißt Transformation (Bakterien) bzw. Transfektion (eukaryontische Zellen).

Viren sind für ihre Vermehrung ganz auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen. In diese schleusen sie ihr Erbgut, das entweder aus DNA oder RNA besteht, und programmieren die infizierte Zelle zur Produktion von Viren um. Viren, die nur Bakterien infizieren, werden als Bakteriophagen bezeichnet.

Der amerikanische Biochemiker James Watson erhielt für die Entschlüsselung der DNA-Struktur zusammen mit Francis Crick und Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis für Medizin.

Western Blots (Immunoblots) sind eine gängige Methode, um bestimmte Proteine in einer Probe aufzuspüren und nachzuweisen. Dazu wird das Proteingemisch mit Hilfe der Gelelektrophorese aufgetrennt und auf eine Membran übertragen („geblottet“). Das gesuchte Protein kann durch spezifische Antikörper, die z. B. mit Enzymen oder Radioisotopen markiert sind, auf der Membran nachgewiesen werden.

Bei Eukaryonten geht der Teilung einer somatischen Zelle (Körperzelle) in zwei Tochterzellen normalerweise eine Mitose voraus: eine Teilung der Zellkerne in zwei Tochterkerne, die identische Chromosomen enthalten.

Mitose und Zellteilung verlaufen in vier Schritten:

• Prophase: Die Chromosomen kondensieren und werden dabei lichtmikroskopisch sichtbar. Zwei Zentriolen bewegen sich zu den beiden Zellpolen und bilden einen Spindelapparat aus. Gleichzeitig löst sich die Membran des Zellkerns auf.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich zwischen den Polen der Zelle an.
• Anaphase: Die beiden über das Centromer zusammen gehaltenen Chromatiden trennen sich komplett und wandern am Spindelapperat entlang zu den Polen.
• Telophase: Der Spindelapparat wird ab- und neue Zellkernmembranen werden aufgebaut. Die Chromosomen entspiralisieren sich und werden lichtmikroskopisch unsichtbar. Danach schnürt eine Teilungsfurche entlang des Äquators der Zelle die sich teilende Zelle durch.

Eine besondere Variante der Zellteilung ist die Meiose, die auch als Reduktionsteilung bezeichnet wird. Bei der Meiose entstehen aus einer Zelle durch zwei Zellteilungen vier haploide Zellen, die nur einen Chromosomensatz besitzen (Keimzellen). In der ersten Zellteilung werden zunächst die homologen Chromosomen voneinander getrennt. Sie ordnen sich in der Prophase paarweise an (Synapsis) und die Trennung erfolgt in der Anaphase.Im Gegensatz zur Mitose findet nach dieser Zellteilung keine DNA-Synthese statt, sondern es folgt die zweite Zellteilung in der wie in der Mitose die Chromatiden getrennt werden.

Alle Differenzierungs- und Wachstumsvorgänge einer Zelle zwischen zwei Zellteilungen sind im Zellzyklus zusammengefasst. Bei eukaryontischen Zellen verläuft der Zellzyklus in vier Phasen:

• M-Phase: In diesem Zeitraum findet die Mitose statt.
• G1-Phase: Die Gap-Phase (engl.: gap = Lücke) ist durch Zellwachstum gekennzeichnet. Bei vielen Geweben geht dieser Zustand in eine G0-Phase über. Das ist eine Arbeitsphase, in der die Zellen ausdifferenziert sind und sich nicht mehr teilen, z. B. die Nervenzellen.
• S-Phase: In der Synthesephase werden die Chromosomen verdoppelt.
• G2-Phase: In dieser Phase prüft die Zelle, ob die Chromosomen korrekt repliziert (Replikation) sind, und leitet dann die M-Phase ein.

Die Entscheidung, ob eine Zelle einen neuen Zellzyklus durchläuft, fällt in der G1-Phase und wird durch Wachstumsfaktoren ausgelöst. Gesteuert wird der Ablauf des Zellzyklus durch CDC-Genprodukte (engl.: cell division cycle) und so genannte Cycline. Cycline werden während der Mitose abgebaut und nach ihrem Abschluss wieder synthetisiert.