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DNA-Mikroarrays (oder Biochips) geben uns die Möglichkeit, den Grade der Genexpression in einer Zelle/in einem Organismus zu testen. Dieses Verfahren kommt z. B. in der Krebsforschung oder in der allgemeinen Analyse von Genomen zum Einsatz. DNA-Mikroarrays können geringste Mengen mRNA oder rRNA nachweisen. Damit zeigen dies Ergebnisse die Transkriptionsaktivität an.

Zuvor noch einige Begriffsklärungen:

  • Menschliche DNA besteht aus Exons und Introns. Nur die Information der Exons ist in der reifen mRNA enthalten, die Introninformation wird nicht in der Proteinerzeugung verwendet. Introns werden durch Spleißen aus der Zelle herausgeschnitten. Die reife mRNA ist also gespleißte, intron-freie mRNA.
  • cDNA entsteht nun, wenn diese mRNA-Information durch eine Reverse Transkriptase wieder in DNA-Information zurück geschrieben wird. Dieser „Rückweg“ entspricht der Transkription in umgekehrter Weise und wird deshalb reverse Transkription genannt. Das c in cDNA steht für complementary!
  • (Gen-)Expression: Transkription einer Geninformation und Herstellung des Proteins aus der gegebenen mRNA-Information.
  • Die mRNA einer gesunden Hautzelle wird isoliert, ebenso die mRNA einer Krebszelle auf der Hautoberfläche. Nun wird von beiden mRNA-Proben wieder die cDNA erzeugt (Enzym: Reverse Transkriptase). Die mRNA wird im Reagenzglas abgebaut.
  • Die cDNA-Proben sind durch Einsatz unterschiedlicher Fluoreszenzmarker mithilfe eines grünen (unveränderte Hautzelle) und eines roten Lasers (Krebszelle) identifizierbar.
  • Nun wird die cDNA aus der Krebszelle mit der cDNA aus der gesunden Hautzelle gemischt. 
  • Parallel dazu wird der DNA-Mikroarray oder der DNA-Biochip vorbereitet. Auf diesem Chip finden sich mehrere tausend Plätze, auf denen DNA mit ausgesuchten Gensequenzen – sogenannten „Spots“ – gebunden sind. Die DNA ist einzelsträngig, sodass – wenn die cDNA aus der Probe komplementär dazu ist – diese an einen Spot binden kann.
  • cDNA, die nicht an die Spots binden konnte, wird in einem weiteren Schritt „herausgewaschen“.
  • Die gebundenen Proben werden dann mit einem grünen Laserstrahl abgetastet. Das entstehende Bild (gebundene Spots leuchten grün und entsprechen cDNA aus der gesunden Hautzelle) wird gespeichert. Anschließend wird der Vorgang mit dem roten Laserstrahl wiederholt: Die Spots, an denen Probenmaterial der Krebszelle komplementär gebunden hat, leuchten nun rot! Auch dieses Bild wird gespeichert.
  • Legt man beide Laserbilder übereinander, erkennt man nicht nur grüne und rote Spots, sondern auch gelbe. Ein gelbes Signal entsteht an den Stellen, an denen rote und grüne Spots übereinanderliegen, d.h., hier konnten beide Proben binden!
  • Gleiches kann auch direkt mit der mRNA durchgeführt werden

Beispiel: DNA-Mikroarray mit cDNA 

 

Die folgenden 5 Fotos stammen aus dem Transkriptom Analyse Labor (TAL) der Universitätsmedizin Göttingen. Im ersten Schritt werden die Proben einer unveränderten Hautzelle und einer durch Krebs veränderten Zelle vorbereitet.

Die folgenden fünf Fotos stammen aus dem TranskriptomAnalyseLabor (TAL) der Universitätsmedizin Göttingen. Im ersten Schritt werden die Proben einer unveränderten Hautzelle und einer durch Krebs veränderten Zelle vorbereitet.

Thermocycler können zur Erzeugung von DNA, mRNA oder auch - wie in unserem Fall cDNA - eingesetzt werden.
Thermozykler können zur Erzeugung von DNA, mRNA oder auch – wie in unserem Fall – cDNA eingesetzt werden.
Biochip -> auf dem Chip aus Glas sind unterschiedlichste Abschnitte des menschlichen Genoms "gespottet". Das heisst: an die Glasoberfläche sind kurze DNA-Sequenzen gebunden. Ist in der Probe eine komplementäre Sequenz enthalten, so kann sie an den Biochip binden.
Biochip: Auf dem Chip aus Glas sind unterschiedlichste Abschnitte des menschlichen Genoms „gespottet“. Das heißt: An die Glasoberfläche sind kurze DNA-Sequenzen gebunden. Ist in der Probe eine komplementäre Sequenz enthalten, so kann sie an den Biochip binden.
DNA Microarray Screener: In diesem Gerät werden die Proben auf dem Biochip mit unterschiedlichen Lasern bestrahlt und die Lichtimpulse werden pro Spot gespeichert. Dieses Gerät wurde von der Firma Agilent Technologies hergestellt.

DNA-Mikroarray-Screener: In diesem Gerät werden die Proben auf dem Biochip mit unterschiedlichen Lasern abgetastet, die Lichtimpulse werden pro Spot gespeichert. Dieses Gerät wurde von der Firma Agilent Technologies hergestellt.

Auswertung der Messergebnisse: Am Computerbildschirm kann sich der Forscher einen Überblick verschaffen. In großen Datenbanken wird abgelegt, an welcher Stelle welches Gen "gespottet" war und wo welche Probe gebunden hat!

Auswertung der Messergebnisse: Am Computerbildschirm kann sich der Forscher einen Überblick verschaffen. In großen Datenbanken wird zusätzlich registriert, an welcher Stelle welches Gen „gespottet“ war und wo welche Probe gebunden hat! Die Auswertung der „Spotergebnisse“ ist äußerst komplex und nur mithilfe von Spezialsoftware möglich.

Die Funktion von Mikroarrays

Wozu dient ein Mikroarray?

  • Er gibt Auskunft darüber, welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle aktiv sind.
  • Er liefert Informationen über den Funktionszustand und die Regulation bestimmter Gene sowie den Einfluss von endogenen und exogenen Faktoren.
  • Das Fluoreszenzsignal kann vom dazugehörigen Messgerät sowohl qualitativ als auch quantitativ ausgewertet werden. Der Mikroarray vermag es also nicht nur Auskunft über das Gen zu geben, dessen Expression verändert wurde, sondern er gibt auch gleichzeitig an, wie hoch die Expression im Vergleich zur „Normalzelle" ist.

Die Anwendungsmöglichkeiten des Mikroarrays sind vielfältig. Zu den für uns sicherlich spannendsten Gebieten gehört die Krebsforschung. Ist bekannt, welche Gene überexprimiert (also zu viel produziert werden) bzw. lahmgelegt sind (also fälschlicherweise nicht produziert werden), kann diese Fehlexpression im Rahmen der Krebstherapie ganz gezielt behandelt werden. Anstatt die Zellen als Ganze abzutöten und dem Patienten auf diese Weise unnötigen Schaden zuzufügen, können in Zukunft einzelne Genexpressionen unterbunden werden!

Multiple-Choice
Wofür steht cDNA?
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Methode: DNA-Microarray (Biochip) ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Molekularbiologie / Genetik.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
Vorstellung des Online-Kurses Molekularbiologie / GenetikMolekularbiologie / Genetik
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Molekularbiologie / Genetik

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  • Molekularbiologie als Thema im Abitur
    • Einleitung zu Molekularbiologie als Thema im Abitur
  • DNA als Erbsubstanz
    • Einleitung zu DNA als Erbsubstanz
    • Aufbau der DNA
      • Einleitung zu Aufbau der DNA
      • Einzelstränge der DNA
    • Experiment von Griffith (1928)
    • Mutationen
    • DNA- Replikation
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    • Organisation der DNA
  • Vom Gen zum Protein
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    "Ich habe wirklich schon aus verschiedensten Quellen gelernt, aber diese hier ist wirklich am leichtesten und am besten zu verstehen! Vielen Dank "

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