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> Genomik <
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Microarray Laser-Scan
(Bild FGCZ)
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Wie die Aktivität von Genen gemessen wird.
Genaktivität bedeutet, dass ein bestimmter Abschnitt des Erbmaterials (ein Gen) in RNA umgeschrieben wird, die dann ihrerseits meist in ein Protein übersetzt wird, das die Funktion des Gens ausführt. Die RNA- oder Proteinmenge von einem bestimmten Gen kann demnach als Mass für die Genaktivität dienen. Je mehr RNA oder Protein in einer Zelle vorhanden ist, desto aktiver ist das entsprechende Gen. In der Praxis ist die Messung der gebildeten RNA-Mengen wesentlich einfacher als die von Proteinen.
Proteine sind aus einer bestimmten Kombination von Aminosäuren aufgebaut. Für den Aufbau stehen zwanzig verschiedene Aminosäuren zur Verfügung, die chemisch recht verschieden aufgebaut sind und daher sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Je nach Struktur und Funktion des Proteins werden die Aminosäuren unterschiedlich kombiniert und verleihen dem Protein damit auch ganz unterschiedliche chemisch- physikalische Eigenschaften, wie z.B. die Löslichkeit. Wegen ihrer unterschiedlichen Löslichkeiten ist es sehr schwierig, alle Proteine aus einer Zelle gleichermassen zu extrahieren, was ja eine Grundvoraussetzung für eine verlässliche, quantitative Analyse wäre.
Dagegen bestehen RNA-Moleküle aus nur vier, in vieler Hinsicht sehr ähnlichen Bausteinen und haben deshalb vergleichbare chemische und physikalische Eigenschaften, auch wenn sie sich durch Länge und Sequenz unterscheiden. Deshalb können alle RNA-Moleküle in einer Zelle gleich behandelt werden. Ausserdem hat RNA, wie alle Nukleinsäuren, eine Eigenschaft, die zum spezifischen Nachweis eines jeden Moleküls verwendet werden kann – sie bindet über Basenpaarung spezifisch an Nukleinsäuren der komplementären (spiegelverkehrten) Sequenz. D.h. eine Sequenz aus lauter Thymidinen (T) wird an eine Sequenz aus lauter Adeninen (A) binden, aber nicht an eine Reihe von Cytosinen (C), Guaninen (G) oder Thymidinen (T). Nach diesem Prinzip wird die DNA-Doppelhelix zusammengehalten und nach diesem Prinzip kann eine RNA an den DNA Strang binden, von dem sie abgelesen wurde. Dieser Bindungsvorgang wird auch Hybridisierung genannt. Die Hybridisierungsbedingungen können so gewählt werden, dass praktisch nur Moleküle binden, die über eine lange Sequenzstrecke genau komplementär zueinander sind. Moleküle mit nur wenigen komplementären Stellen binden dagegen nicht.
Zum Nachweis der erfolgten Hybridisierung wird meist einer der Partner an ein festes Trägermaterial gebunden und der andere mit einem Farbstoff oder radioaktiv markiert. In der Genomik wird die trägergebundene DNA als "probe" und der markierte Partner als "target" bezeichnet. Wir werden hier von Sonden-DNA (probe) und Ziel-DNA (target) sprechen. Bei Hybridisierung zwischen Sonden-DNA und Ziel-DNA wird an spezifischen Stellen des Trägers, wo sich die entsprechende Sonden-DNA befindet, ein Signal erzeugt. Die Signalstärke hängt von der Menge der markierten Ziel-DNA ab.
Diese Methode ist natürlich nur möglich, wenn die Basenabfolge (= Sequenz) der Gene, die man untersuchen möchte, bekannt ist. Nur so können die Gene als Sonden auf einen Träger fixiert werden und nur so kann im Experiment geprüft werden, ob Hybridisierungspartner (Ziel-DNA) in einem experimentellen Zellextrakt mit unbekannter RNA vorhanden sind. Deshalb konnte die Methode früher nur für einzelne Gene verwendet werden, deren Sequenz man zuvor im Verlauf spezieller Forschungsprojekte identifiziert hatte.
Dank der rasanten Entwicklung der Gen-Sequenziermethoden sind heute die Basensequenzen zahlreicher Genome entschlüsselt. Man kennt also die Basensequenz der gesamten DNA, d.h. aller bekannten und unbekannten Gene. Letztere können heute mit immer grösserer Sicherheit durch bioinformatische Methoden aus der grossen Menge - nach heutigem Wissen - unfunktioneller DNA herausgefiltert werden. Wenn man die Genomsequenz eines Organismus kennt, ist es im Prinzip möglich, nach Hybridisierungspartnern für jedes mögliche Gen zu suchen oder mit anderen Worten bei jedem Gen zu ermitteln, ob und wie viel zugehörige RNA in einer bestimmten Zelle vorhanden ist und wie sich dieses RNA-Profil ändert, wenn sich die Lebensbedingungen der Zelle ändern.
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Microarrays
Was sind Microarrays, wozu werden sie gebraucht? |
DNA-Chips
Wie die Genaktivität ganzer Genome gemessen wird. |
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