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Zusammenfassung empfohlenem LB (Thieme) allgemeine und molekulare Genetik...

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Grundlagen der Genetik

Allgemeine Genetik DNA 

Die DNA ist eine Doppelhelix, die aus zwei Einzelsträngen aufgebaut ist. Die genetische Information, die in der Abfolge der Nukleotide (Nukleotidsequenzen) gespeichert ist, wird durch Transkription in RNA umgeschrieben und im Zytoplasma durch Translation an den Ribosomen in eine Aminosäurekette übersetzt.

Genom 

Bei dem Eukaryoten ist das Genom auf einen artspezifischen Satz von Chromosomen verteilt. Jedes Chromosom enthält eine durchgehende DNA-Doppelhelix.

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Der haploide Chromosomensatz (n) enthält alle Gene der Betreffenden Art je ein Mal. Ein Chromosomensatz mit 2n Chromosomen heißt diploid. Die Chromosomenpaare in diploiden Chromosomensätzen heißen homologe Chromosomen.

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Bei vielen diploiden Organismen gibt es morphologische auffällige Chromosomen, z.B. X- und Y-Chromosomen. Sie werden Heterosomen/Gonosomen genannt. Alle anderen Chromosomen heißen Autosomen.

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Durch Mutation entstehen verschiedene Varianten eines Genes (=codieren Merkmale z.B. Augenfarbe), die Allele (Bsp. grün, braun, blau)

Zellzyklus 

Die Vermehrung von Zellen erfolgt durch den Zellzyklus, in dem sich Interphase und Mitose abwechseln. Zellstoffwechsel und Wachstum finden vornehmlich in der G1-Phase der Interphase statt, während in der S-Phase die vorbereitende Verdopplung der Chromosomen erfolgt. Das verdoppelte Chromosomen besteht aus zwei identischen (Schwester-) Chromatiden.

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In der Mitose werden die Schwesterchromatiden jedes einzelnen Chromosoms auf die beiden neuen Zellkerne verteilt. Daher sind die Tochterzellen bezüglich des Genoms im Zellkern identisch.

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Die Meiose dagegen ist eingebunden in den Generationszyklus. Durch die beiden meiotischen Teilungen einer diploiden Zelle entstehen vier haploide Zellen, die untereinander verschieden sind.

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Die entspiralisierten Chromosomen der Interphase, bestehend aus DNA und assoziierten Proteinen, werden als Chromatin bezeichnet. Bis zur Metaphase werden die Chromosomen spiralisiert und im Verhältnis 1:10 000 verkürzt.

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Während der Verschiedenen Phasen des Zellzyklus sind entlang der Chromosomen unterschiedliche spiralisierte Regionen als Euchromatin und Heterochromatin erkennbar.

Mitose 

In der Mitose sorgt der Spindelapparat für eine geordnete Verteilung der beiden Schwesterchromatiden jedes einzelnen Chromosoms auf zwei Zellkerne.

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Die aus Mirkotubuli aufgebauten Spindelfasern verbinden die Spindelpole (Zentrosomen) mit den Kinetochoren, die an den Zentromeren der Chromosomen ausgebildet werden.

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Chromosomen sind besonders gut in der Metaphase sichtbar. Im Telophasekern ist das für die Zelle wichtige Genom enthalten, das für sie G1-Phase benötigt wird.

Grundlagen der Genetik Meiose 

Nach einer prämeiotischen S-Phase paaren sich in der Prophase der Meiose I die homologen Chromosomen einer diploiden Zelle und bilden eine Tetrade aus zwei Chromosomen mit insgesamt vier Chromatiden, die auch Bivalent genannt wird.

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Ein Chiasma ist die mikroskopisch sichtbare Überkreuzungsstelle zwischen zwei Chromatiden einer Tetrade. Ein Crossover ist die genetisch erkennbare Rekombination zwischen homologen Chromosomen

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Die Tetrade ist die Verteilungseinheit der Meiose. Ihre vier Chromatiden werden in zwei unmittelbare aufeinanderfolgende Zellteilungen auf vier Zellen verteilt.

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Wenn das Genom aus n Chromosomen besteht, sind n Tetrade an der Verteilung in der Meiose beteiligt. Die Chromatiden jeder Tetrade werden unabhängig von den anderen Tetraden des Chromosomensatzes verteilt. Dadurch wird interchromosomale Rekombination möglich. Genetische Rekombination kann also in jeder Meiose stattfinden – auch ohne Crossover.

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In der Anaphase I werden die beiden homologen Zentromer mit je zwei Chromatiden voneinander getrennt, die nicht mehr in ihrer vollen Länge Schwesterchromatiden sind. Durch Crossover sind die Allelfolgen innerhalb der Chromatiden neu kombiniert worden. In nahezu jeder Tetrade ist mindestens ein Crossover zu finden, das zu intrachromosomaler Rekombination führt.

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Die vier Meioseprodukte sind haploid. Sie enthalten auch dann den vollständigen Ausschnitt aus der Genfolge für das betreffende Chromosomen, wenn n der frühen Prophase ein Crossover stattgefunden hat.

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Die genetische Betrachtung der Meiose zeigt deutlich, dass dieser Zellteilungsprozess nicht mit der Mitose gleichzusetzten ist. Beide meiotischen Teilungen und darauf ausgelegt, unterschiedliche Genome in den Teilungsprodukten zu erreichen. Das Ziel der Mitose dagegen ist die Herstellung identischer Genome in den Tochterzellen.

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Eizellen sind groß und enthalten neben dem haploiden Genom Nährstoffe und Genprodukte für den Entwicklungsbeginn der nächsten Generation. Samenzellen sind klein und haploid.

Analyse von Erbgängen 

Gregor Mendel hat aus den Ergebnissen seiner Kreuzungsexperimente allgemein gültige Vererbungsregeln aufgestellt.

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Die Grundlage der Interpretation von Kreuzungsexperimenten ist die Meiose. Kreuzungsgenetik ist die verkürzte Ausdrucksform und Schreibweise der Meiose bzw. der Meiosen in den Individuen aufeinanderfolgender Generationen.

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Die Regeln der Kreuzungsgenetik ermöglichen es, aus der Beschreibung des Erbguts eines Merkmals auf die Vererbung der zugehörigen Allele zu schließen. Dadurch können Gene ein bestimmtes Chromosom des haploiden Chromosomensatzes und dort einem Ort in der Genkarte zugeordnet werden.

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Der Erbgang eines einzelnen Allels wird monohybrid genannt, ein Erbgang mit zwei Allelen dihybrid.

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Hat eine diploide Zelle auf beiden Homologen dasselbe Allel eines Gens, so ist sie homozygot, sind die beiden Allele des Gens verschieden heißt das heterozygot

Grundlagen der Genetik 

Ein euploider Chromosomensatz enthält n Chromosomen oder ein Vielfaches davon (diploid, triploid, polyploid). Ist ein einzelnes Chromosom unter- oder überzählig, so ist es ein aneuploider Chromosomensatz, z.B. Trisomie oder Monosomie.

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Als Non-disjunction wird das Nichttrennen der beiden homologen Chromosomen in der Meiose I oder der beiden Chromatiden n der Meiose II oder der Schwesternchromatiden in der Mitose bezeichnet. Dieser Fehler führt zu aneuploiden Chromosomensätzen.

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Wenn von einem Gen mehrere Allele vorhanden sind spricht man von multipler Allelie. Allele können verschiedenen Mutationsklassen zugeordnet werden. Als amorph, hypomorph oder hypomorph werden Allele bezeichnet, die funktionslos sind, aktiver als der Wildtypallel sind oder nur eine Restfunktion haben. Gleiche Allelkombination im Genotyp verschiedener Individuen bedeutet nicht immer gleicher Phänotyp. Mit der Penetranz wird der Anteil der Individuen bestimmt, die den Phänotyp zeigen, mit der Expressivität der Grad der Phänotypischen Ausprägung.

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Polygenie nennt man die Beeinflussung des Phänotyps eines Merkmals durch verschiedene Gene. Dagegen beschreibt Polyphänie die Wirkung eines einzelnen Gens auf mehrere Merkmale.

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Die Vererbung von Allelen, die in Populationen mit unterschiedlichen Häufigkeiten vertreten sind, wird mit dem Hardy-Weinberg-Gesetzt beschrieben.

Genetik der Geschlechtsbestimmung 

Bei vielen Tieren, diözischen Pflanzenarten und beim Menschen unterscheiden sich die Geschlechter durch die ungleiche Verteilung der Heterosome. Häufig ist das weibliche Geschlecht homogametisch XX, das männliche Geschlecht heterogametisch XY, seltener das männl. Geschlecht ZZ und das weibl. ZW.

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Die Bedeutung der beiden Heterosome für die Geschlechtsbestimmung ist unterschiedlich. Beim Menschen sind XX- und X0-Individuen Frauen, XY- und XXY-Individuen Männer. Das Bedeutet, dass das Y-Chromosom die Entwicklung zum männl. Geschlecht bestimmt. Bei Drosophila ist es daran nicht beteiligt, da die Genotypen mit einem X-Chromosom (XY und X0) männl., die mit zwei X-Chromosomen (XX und XXY) weiblich sind.

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Beim Menschen wurde das Gen SRY als der hodenbestimmende Faktor identifiziert. Bei Drosophila und einigen anderen Pflanzenarte wird die Richtung der Geschlechtsdifferenzierung durch das Verhältnis der Anzahl der X-Chromosomen zur Anzahl von Autosomensätzen entschieden.

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Die meisten Gene auf dem X-Chromosom spielen bei der Geschlechtsbestimmung keine Rolle. Da diese Gene in einem Geschlecht einfach, im anderen doppelt vorhanden sind, muss die Aktivität dieser unterschiedlichen Dosis kompensiert werden. Beim Menschen ist ein XChromosom aktiv, alle anderen werden inaktiviert. Bei Drosi wird das einzelne X-Chromosom hyperaktiv.

Chromosomenmutation 

Durch spontane oder induzierte Bruchereignisse und anschließende Fehlheilung können Chromosomenmutationen wie Defizienzen, Duplikationen, Inversionen oder Transduktionen entstehen.

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In natürlichen Populationen spielen parazentrische Inversionen wegen der Vererbung von Allelkombinationen innerhalb eines Chromosoms eine wichtige Rolle. Translokationen sind bei manchen Pflanzengattungen allgemein verbreitet.

Grundlagen der Genetik 

In der Labortechnik sind Inversionen ein wichtiger Bestandteil von so genannten Balancerchromosomen.

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Chromosomenmutationen können für Gene in der Nähe der Bruchpunkte Positionseffekte der Genexpression zur Folge haben. Dies ist besonders dann zu beobachten, wenn durch Duplikation, Inversion oder Transduktion ein Gen des Euchromatin in die Nähe des Heterochromatin verlagert wird.

Molekular Genetik Struktur und Funktion der DNA 

DNA ist ein langes, unverzweigtes Molekül, das aus vier Bausteinen, den Desoxyribonukleotiden, aufgebaut ist. Jedes Nukleotid besteht aus dem Zucker Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer heterozyklischen Base, Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin.

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Zwei DNA-Stränge bilden eine DNA-Doppelhelix, wobei die beiden Stränge antiparallel und komplementär zueinander angeordnet sind. Die beiden Stränge werden durch WBB zusammengehalten, wobei A/T zwei WBB und G/C drei WBB ausbildet.

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DNA kommt bei Eukaryoten im Zellkern, in Chloroplasten und in Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma vor.

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Je nach Häufigkeit des Vorkommens pro Genom unterscheidet man Einzelkopie-, mittelrepetitive und hochrepetitive DNA.

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Replikation setzt das Vorhandensein eines DNA-Einzelstrangs als Matrize voraus. Die Replikation doppelsträngiger DNA ist semikonservative. Ein Strang wird kontinuierlich, der andere diskontinuierlich synthetisiert. Der neu synthetisierte Strang beginnt stehts am 5#Ende und wird in 3 Richtung verlängert

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DNA-Polymerasen können ein vorliegendes Nukleotid (z.B. RNA-Primer) nur am 3‘ Ende verlängern, nicht aber die Synthese initiieren, das muss durch eine RNA-Polymerase geschehen. Die DNA-Polymerase I und Pol II sind hauptsächlich für Reparaturen zuständig. Pol I besitzt drei enzymatische Aktivitäten: Wachstum des DNA-Einzelstrangs, proofreading des zuletzt eingebauten Nukleotids, Degradierung doppelsträngiger DNA und RNA-Primer. DNA-Pol III ist die eigentliche Replikase.

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Homologe Rekombination erfolgt durch Trennung und Zusammenfügung von DNAEinzelsträngen an Regionen homologer Sequenzen. Das Holliday-Modell erklärt diesen Vorgang durch Bildung einer Heteroduplex und Verschiebung der Verzweigungsstelle entlang der DNA Die Auflösung der Holliday-Struktur führt zur Ausbildung rekombinanter DNADoppelhelices. Bei Vorliegen unterschiedlicher Allele kann es durch Reparatur falsch gepaarter Basenpaare zur Genkonversion kommen.

Bakteriengenetik 

Die Übertragung genetischer Informationen durch direkten Kontakt zwischen zwei Bakterien nennt man Konjugation. Die Übertragung erfolgt nur in eine Richtung, nämlich von der Donorzelle in die Empfängerzelle.

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Episomen und Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle, die zusätzlich zum Bakteriengenom in einer Zelle vorkommen können. Sie werden für die normale Funktion der Zelle nicht benötigt. Ihre Größe entspricht etwa 1-2% der Bakterien-DNA. Sie verdoppeln sich

Grundlagen der Genetik unabhängig vom Genom und werden bei der Teilung an die Tochterzelle weitergegeben. Plasmide enthalten zusätzlich Gene, wie z.B. Fertilität-Faktoren oder Resistenzgene. 

Virulente Phagen lösen die Lyse nicht-resistenter Bakterien aus. Temperente Phagen führen nach Infektion zur Bildung lysogener Bakterien. Diese tragen die Phagen-DNA als Prophage integriert in ihrem Genom. In seltenen Fällen kann die Aktivierung des Prophagen die Lyse der Bakterien induzieren.

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Bei der Transduktion übertrage Phagen Abschnitte bakterieller DNA von einer Zelle auf die nächste. Dabei können einige Phagen beliebige Stücke transduzieren (generelle Transduktion), während andere Phagen nur zur Übertragung bestimmter DNA-Abschnitte in der Lage sind (spezielle Transduktion).

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Die genetische Karte von Bakterien, d.h. die Reihenfolge der Gene, konnte mit Hilfe der Konjugation, der Transformation und der Transduktion erstellt werden. Bei der Konjugation wird DNA einer F+ - bzw. einer Hfr-Zelle in eine F- Zelle übertragen. Bei der Transformation wird freie DNA von einer Bakterienzelle aufgenommen und kann unter Umständen mit der entsprechenden Region des Bakterienchromosoms rekombinieren. Bei der Transduktion wird DNA durch Phagen übertragen.

Transkription 

In pro- und eukaryotischen Zellen gibt es verschiedene Klassen von RNA. mRNA bringt in DNA kodierte Information zu den Ribosomen um Translatiert zu werden. Heterogene nukleäre RNA (hnRNA) sind im Kern die Primärtranskripte/unreife Vorläufer der mRNA. rRNA kommt in Ribosomen vor. Transfer RNA bringt während der Translation die AS zu den Ribosomen. (small nuclear RNA: Spleißosomen, small nucleolar RNA: Reifung und Modifikation der rRNA

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Die Synthese der RNA (Transkription) wird von der RNA-Polymerase katalysiert. Sie braucht für die Initiation keinen Primer.

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Der Promotor bestimmt den Start der Transkription. Er ist durch spezifische DNA-Sequenzen charakterisiert. Bei Eukaryoten weist er eine komplexere Organisation als bei Prokaryoten auf.

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Eu- und Prokaryoten verwenden verschiedene Mechanismen zum Abbruch der Transkription.

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In Eukaryoten wird durch einen Reifungsprozess das Primärtranskript zur fertigen mRNA umgebildet. Dieser umfasst das Hinzufügen einer Kappe am 5‘-Ende, die Polyadenylierung am 3‘-Ende und das Spleißen.

Translation 

Ribosomen sind RNA-Protein-Komplexe, an denen bei Pro- und Eukaryoten die Translation durchgeführt wird. Die beiden Untereinheiten erhalten charakteristische rRNAs und ribosomale Proteine.

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tRNAs weisen eine typische 3D-Struktur auf. Die Bindung der jeweils spezifischen AS erfolgt am 3‘-Ende und wird durch Aminoacyl-tRNA-Synthase katalysiert. Das Anticodon ist komplementär zu einem Triplett der mRNA, dem Codon.

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Die Initiation der Translation erfordert bei Prokaryoten die Shine-Dalgarno-Sequenz, die Basenpaarungen mit einer komplementären Sequenz der rRNA der kleinen Untereinheit eingeht. Die Translationsinitiation eukaryotischer mRNA benötigt die 5‘-Kappe. Die Translation eukaryotischer mRNA beginnt fast immer am 5‘-Ende der mRNA, die Translation prokaryotischer mRNA wird häufig auch an intern liegenden Ribosomenbindungsstellen initiiert.

Grundlagen der Genetik 

Die Polypeptidkette wird am C-Terminus verlängert.

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Der genetische Code ist universell, d.h. er wird von allen Lebewesen sowohl Pro- als auch Eukaryoten verwendet.

Genmutationen 

In jeder Zelle treten spontan Mutationen auf, die zum Austausch, zur Deletion oder zur Duplikation von Basen führen können. Die Mutationen werden durch Instabilität der Basen, Fehler bei der Replikation oder durch chemische Modifikationen der Basen induziert.

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Mutationen können in Keimzellen und somatischen Zelle auftreten. Nur Mutationen in Keimzellen werden an die nächste Generation vererbt.

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Durch Behandlung mit Mutagenen kann die Mutationsrate erhöht werden. Als Mutagene wirken ionisierte Strahlung und Chemikalien.

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Chemische Mutagene können Basen modifizieren, sie können als Basenanaloga auftreten oder in die DNA interkalieren.

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Zellen verfügen über effiziente Reparatursysteme, die die meisten Fehler reparieren, so dass Mutationen verhindert werden. Schäden können sofort nach ihrer Entstehung oder erst nach der Replikation repariert werden.

Regulation der Genaktivität 

Ein Operon prokaryotischer Gene enthält neben der proteinkodierenden Sequenz auch eine regulatorische Region (Operator), über die eine positive oder negative Regulation durch Bindung eines Repressors erfolgen kann.

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Unter Attenuation versteht man die Regulation der Genexpression durch vorzeitigen Abbruch der Transkription. Im trp-Operon wird hierdurch in Gegenwart von Tryptophan Die Transkription der Strukturgene reduziert. Der Attentuator ist die Region, an der die Transkription abbricht, er bietet der RNA-Polymerase somit eine Entscheidungsmöglichkeit zur Fortsetzung oder zum Abbruch der Transkription.

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Viele Phagen, so auch der Phage λ, besitzen die Möglichkeit zur koordinierten Regulation mehrerer Operons.

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Zellen können durch Polytänie und Endopolyploidie ihre Genome vervielfältigen.

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Die Regulation der Transkription kann durch die Chromatinstruktur oder durch Verwendung unterschiedlicher Enhancer erfolgen. Enhancer sind DNA-Abschnitte von 50-200 bp, die vor, im oder hinter einem Gen liegen können und die die Rate, den Zeitpunkt und die Gewebespezifität der Transkription eines Gens beeinflussen können.

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Posttranskriptionelle Regulation kann durch alternative Polyadenylierung oder differenzielles Spleißen sowie durch Kontrolle der Stabilität und Lokalisation der RNA stattfinden.

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Differentielle Genaktivität kann durch die Kontrolle der Translation sowie posttranslational durch Modifikation, Reifung und Stabilität eines Proteins erfolgen.

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Die verschiedenen Mechanismen der Regulation der Genexpression führen dazu, dass die Anzahl der unterschiedlichen Genprodukte einer Zelle viel höher sein kann als die, die von der DNA-Sequenz abgeleitet wird...