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DNA – Verpackung und Chromatin

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Maja O.
DNA – Verpackung und Chromatin
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema DNA – Verpackung und Chromatin

Inhalt

Verpackung der DNA – Biologie

In eukaryotischen Zellen befindet sich der größte Teil der genetischen Information in Form von DNA im Zellkern. Wusstest du, dass die gesamte DNA im Zellkern einer menschlichen Zelle etwa drei Meter lang ist? Das entspricht ungefähr dem 300 000-fachen Durchmesser des Zellkerns. Warum die DNA trotzdem in den Zellkern passt, werden wir uns im Folgenden genauer anschauen. Du wirst also die einzelnen Ebenen der DNA-Verpackung kennenlernen und erfahren, warum die DNA verpackt wird.

DNA-Organisation in Prokaryoten und Eukaryoten – Unterschied

Die gesamte genetische Information einer Zelle wird als Genom bezeichnet. Bei Prokaryonten, also einzelligen Organismen ohne Zellkern wie zum Beispiel Bakterien, liegt die DNA frei im Cytoplasma als ringförmiges Molekül vor. Bei ein- und mehrzelligen Organismen mit einem Zellkern – den Eukaryonten, zu denen auch wir Menschen gehören – befindet sich der größte Teil der DNA in eben jenem Zellkern.

DNA-Aufbau und DNA-Verpackung – Eukaryoten

Zunächst werden wir uns die Strukturen der eukaryotischen DNA einmal genauer ansehen.

DNA-Doppelstrang

Unsere DNA ist ein Makromolekül, das heißt, sie besteht aus sehr vielen zusammengesetzten Einheiten – den Nukleotiden (Zucker + Phosphatgruppe + organische Base). Die DNA bildet einen Doppelstrang, der in seiner Struktur einer „Strickleiter“ ähnelt, bei der sich Zuckermoleküle und Phosphatgruppen abwechseln und die „Seile“ an den Außenseiten bilden. Die komplementären Basenpaare (Adenin (A) mit Thymin (T) und Cytosin (C) mit Guanin (G)) zeigen nach innen, ähnlich wie „Leitersprossen“, und bilden Wasserstoffbrückenbindungen aus.

DNA-Doppelhelix

Die beiden gegenüberliegenden DNA-Stränge ordnen sich räumlich als Helix an, was „gewunden“ bedeutet, und bilden zusammen die DNA-Doppelhelix. Eine vollständige Verdrehung ist nach zehn Basenpaaren erreicht. Der Durchmesser der Doppelhelix entspricht etwa zwei Nanometern.

Nukleosom

Damit die DNA-Doppelhelix verpackt werden kann, benötigt die Zelle spezielle Proteine, die Histone. Diese bilden einen Histonkomplex aus acht Untereinheiten. Wie Haare um einen Lockenwickler windet sich die DNA zweimal um den Histonkomplex und bildet so die erste Verpackungsstufe im Zellkern. Die Einheit aus Histonkomplex und DNA wird als Nukleosom bezeichnet und hat einen Durchmesser von etwa zehn Nanometern (1. Verpackungsstufe). Viele Nukleosomen hintereinander bilden also eine Struktur, die man sich wie eine Perlenkette vorstellen kann. Dadurch wird die DNA um das Siebenfache verdichtet.

Chromatin

Die Nukleosomenkette wird weiter eingedreht, wobei sechs Nukleosomen eine Windung bilden. Es entsteht also eine Spirale, die als Chromatinfaden bezeichnet wird. Da diese innen hohl ist, spricht man auch vom Solenoid-Modell, was übersetzt „Röhren-Modell“ heißt. Der Chromatinfaden hat einen Durchmesser von 30 Nanometern und verdichtet die DNA um das Vierzigfache (2. Verpackungsstufe). Indem der Chromatinfaden an ein Proteingerüst geheftet wird, entstehen schleifenartige Strukturen. Dadurch liegt die DNA 200-fach verdichtet vor und die Struktur hat einen Durchmesser von etwa 300 Nanometern (3. Verpackungsstufe). Diese Struktur, auch als aktives Chromatin bezeichnet, liegt vor allem zwischen zwei Zellteilungen in der Interphase vor, wenn unter anderem die DNA-Replikation stattfindet.

Chromatid und Chromosom

Durch weitere Verdrehung und Faltung entsteht das sogenannte Chromatid und dieses bildet das Chromosom. Diese Struktur hat einen Durchmesser von 700 Nanometern und die DNA ist 10 000-fach komprimiert (4. Verpackungsstufe).
Vor der Zellteilung und der DNA-Replikation liegt das genetische Material als Ein-Chromatid-Chromosom vor. Wenn sich die Zelle verdoppelt, wird das Chromatid repliziert, sodass es als Zwei-Chromatid-Chromosom vorliegt. Es besteht also aus zwei identischen Chromatiden.
Diese Struktur ist unter dem Lichtmikroskop während der Kern- und Zellteilung (Mitose) sichtbar und wird auch als kondensierter Zustand der DNA bezeichnet. Dadurch kann die DNA während der Mitose transportiert werden, sodass zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen. Die beiden Chromatiden des Chromosoms werden auch Schwesterchromatiden genannt und sind durch das Centromer miteinander verbunden. Das Centromer enthält ein Proteingerüst, das Kinetochor. Es dient als Anheftungspunkt für die Spindelfasern zur Trennung der Chromosomen während der Zellteilung. An den Enden des Chromosoms befinden sich auch die Telomere, sie sind wichtig für die Stabilität. Die oberen Arme des Chromosoms werden als „p-Arme" und die unteren Arme als „q-Arme" bezeichnet. Der Durchmesser beträgt etwa 1400 Nanometer. Nun kennst du die Verpackungsebenen der DNA, die du auch noch einmal im Schaubild betrachten kannst.

DNA-Verpackungsebenen

Doch wie wirkt sich die DNA-Verpackungsdichte auf die Genregulation aus?

Euchromatin und Heterochromatin – Genregulation

Unterschiedliche Verpackungsdichten der DNA spielen eine wichtige Rolle bei der Genregulation. Denn je dichter DNA verpackt ist, desto schlechter ist sie zugänglich für Moleküle, die Gene ablesen. Dabei bezeichnet Euchromatin eine aufgelockerte Form der DNA und erleichtert die Transkription. Der geringere Verpackungsgrad des Euchromatins ermöglicht Genaktivität.
Im Gegensatz dazu weist Heterochromatin einen hohen Verpackungsgrad auf und Gene können nicht mehr abgelesen werden. Der Bereich ermöglicht keine Genaktivität. Die beiden Formen des Chromatins lassen sich auch durch Färbetechniken unterscheiden. Zum Beispiel erscheint Heterochromatin nach einer Giemsa-Färbung stärker gefärbt als Euchromatin.

DNA-Verpackung – Zusammenfassung

In diesem Video hast du gelernt, welche Formen der DNA-Verpackungen es gibt und warum die DNA verpackt wird. Die wichtigsten Punkte fassen wir noch einmal zusammen:

  • Damit das genetische Material (DNA) in den Zellkern passt, wird es verpackt und somit auch geschützt.

  • Die Ebenen der DNA-Verpackung werden durch die Nukleosomen (Histon-DNA-Komplexe), den Chromatinfaden, das Chromatin und die Chromosomen gebildet.

  • Chromatin (nicht kondensierte DNA) liegt überwiegend in der Interphase vor.

  • Durch weitere Falten- und Schleifenbildungen an einem Proteingerüst entsteht das Chromatid.

  • Je nach Zellzyklusphase liegt die DNA als Ein- oder Zwei-Chromatid-Chromosom vor.

  • Die beiden Chromatiden eines Zwei-Chromatid-Chromosoms werden auch Schwesterchromatiden genannt und sind während der Zellteilung (Mitose) sichtbar. Die kondensierte Form ermöglicht den DNA-Transport.

Um dein neu erlerntes Wissen zu testen, gibt es interaktive Übungsaufgaben zum Video. Damit ist das Thema „DNA-Verpackung“ in der nächsten Klassenarbeit sicher kein Problem für dich!

Häufig gestellte Fragen zum Thema DNA – Verpackung und Chromatin

Beschreibe die unterschiedlichen Stufen der Verdichtung eukaryotischer DNA.
Wo ist die DNA verpackt?
Die DNA wird bildhaft auch als Strickleiter oder Reißverschluss beschrieben. Bewerte die Modellvorstellung und deren Grenzen.
Warum ist die DNA verpackt?
Stelle Vor- und Nachteile der Verpackung der DNA bei Eukaryoten auf und erkläre sie.
Ist die DNA immer um Histone gewickelt?
Warum spiralisiert sich die DNA?
Warum muss DNA in einer Zelle aufgewickelt sein?
Was ist der Unterschied zwischen Histonen und Nukleosomen?
Wie sieht die Verpackung der DNA aus?
Wer entdeckte die Verpackung der DNA?
Warum wäre das Verpacken der DNA bei Prokaryoten hinderlich?
Wie kommt die Verpackung der DNA zustande?
Was sind die Ebenen der DNA-Verpackung?
Wie ist die DNA im Zellkern verpackt?
Warum ist die DNA nicht ständig in Form von Chromosomen in der Zelle verpackt?
Warum gibt es verschiedene Verpackungszustände der DNA?

Transkript DNA – Verpackung und Chromatin

Hallo! Ich bin Biola und dieses Video handelt über die DNA-Verpackung. Wir lernen also wie die DNA im Zellkern vorliegt, den Aufbau von Chromatin und den Chromosomen und gehen die einzelnen Ebenen der DNA-Verpackung durch. Die DNA ist der Träger der Erbsubstanz. Die DNA-Austattung einer Zelle, also ihre gesamte genetische Information, bezeichnet man als Genom. Die Größe des Genoms unterscheidet sich bei verschiedenen Lebewesen. Bei Prokaryoten, also Einzellern, die keinen Zellkern enthalten, wie etwa Bakterien, ist das Genom in vielen Fällen ein einzelnes, ringförmiges DNA-Molekül. Bei Eukaryoten, also Ein- und Vielzellern, die einen Zellkern aufweisen, liegt die meiste DNA hingegen im Zellkern vor. Das Genom besteht aus mehreren DNA-Doppelsträngen. Die gesamte DNA einer menschlichen Zelle, die im Zellkern vorliegt, hat eine ungefähre Länge von 3m. Das entspricht dem 300.000-fachen Durchmesser des Zellkerns. Wir lernen jetzt wie ein so langer DNA-Faden im Inneren des kleinen Zellkerns Platz findet. Wenn man die DNA einer Zelle anfärbt und sie unter dem Mikroskop betrachtet, erscheint sie in unterschiedlichen Phasen des Zellzyklus verschieden dicht gepackt zu sein. Betrachtet man eine Zelle, die sich auf die Zellteilung vorbereitet, also sich in der Interphase befindet, so erscheint die im Zellkern liegende angefärbte, wenig dicht verpackte DNA als eine Masse diffuser DNA-Fäden. Diese Fäden werden Chromatinfäden genannt. Da in der Interphase die DNA-Replikation, also die Verdopplung der DNA stattfindet, müssen die Komponenten, die bei diesem Prozess beteiligt sind, gut an die DNA heran kommen. Die Replikation und Aufteilung der DNA während der Zellteilung ist nur deshalb möglich, weil die DNA sehr dicht verpackt ist. Bei der dicht verpackten und gefalteten DNA spricht man vom kondensierten Zustand der DNA. Durch die Kondensation des Chromatinfadens werden unter dem Mikroskop die Chromosomen sichtbar. Wie wird die DNA in einen Chromatinfaden und in ein Chromosom verpackt? Wie du bereits gelernt hast, ist die DNA in einer DNA-Doppelhelix organisiert. Diese besteht aus einem helikal geschwungenen Zucker-Phosphat-Rückgrat, das über Wasserstoffbrücken zwischen den Basen miteinander verbunden ist. Jedes Chromosom enthält eine einzige lineare DNA-Helix. Der Durchmesser der Doppelhelix beträgt 2 nm. Diese DNA-Doppelhelix ist zweimal um bestimmte Proteine gewickelt, die Histone. Die bestehen aus 8 Untereinheiten. Dabei werden die sogenannten Nucleosomen gebildet, diese wiederum formen eine Art Perlenkette. An der Außenseite dieser Perlenkette ist ein weiteres Histon angelagert, das als H1-Histon bezeichnet wird. Durch diese Form der Verpackung hat das DNA-Protein-Konstrukt einen Durchmesser von 10 nm. Die DNA wird um den Faktor 7 verdichtet. Diese Nucleosomen-Kette wird weiter gefaltet. Hierbei liegen 6 Nucleosomen pro Bindung vor. Es wird der sogenannte Chromatinfaden gebildet. Da er innen hohl ist und eine Art Röhre darstellt, spricht man auch vom Solenoid-Modell. "Solen" heißt auf griechisch "Röhre". Der Chromatinfaden hat einen Durchmesser von 30 nm. Das entspricht einer 40-fachen Verdichtung. Vor der Zellteilung verdichtet sich der Chromatinfaden zu einer kompakteren Struktur. Hierfür wird der Chromatinfaden an bestimmten Stellen an ein Protein-Gerüst geheftet, wodurch Schleifen entstehen. Es handelt sich hierbei um Nicht-Histon-Proteine. In diesem Zustand hat die Struktur einen Durchmesser von 300 nm, was einer Verdichtung um den Faktor 200 entspricht. Durch weiteres Verdrillen und Falten entsteht eine Struktur, die man als Chromatid bezeichnet. Ein Chromatid weist einen Durchmesser von 700 nm auf und einen Verpackungsfaktor von 10.000. Zwei Chromatide, die miteinander verbunden sind, bilden ein Chromosom. Diese Struktur ist während der Zellteilung unter dem Mikroskop sichtbar. Gehen wir also näher auf das Chromosom ein. Die beiden Chromatiden eines Chromosoms, werden als Schwesterchromatiden bezeichnet. Der Durchmesser eines Chromosoms beträgt also 2×700 nm, also etwa 1400 nm. Die beiden Schwesterchromatiden enthalten identische Kopien des DNA-Moleküls. Sie hängen an einem bestimmten Bereich, dem Centromer, zusammen. An dieser Stelle befindet sich ein Protein-Gerüst, das als Kinetochor bezeichnet wird. Hier befindet sich die Ansatzstelle für die Spindelfasern, die während der Zellteilung ausgebildet werden. Die Enden des Chromosoms werden als Telomere bezeichnet. Die sind wichtig für die Stabilität des Chromosoms. Die oberen beiden Arme des Chromosoms werden als p-Arme, die unteren 2 als q-Arme bezeichnet. Bei der Färbung der DNA wird durch die Wahl eines bestimmten Farbstoffes ein bestimmtes Bandenmuster sichtbar. Durch die Färbung mit Gimsa werden zum Beispiel die g-Banden sichtbar. Da die beiden Schwesterchromatiden identisch sind, weisen sie auch das gleiche Bandenmuster auf. In der Realität schaut das Ganze eher so aus. Homologe Chromosomenpaare gleichen sich in der Größe und auch im Bandenmuster. Färbt man die DNA-Proteinkomplexe an, erscheinen die als Heterochromatin bezeichneten dicht verpackten Bereiche intensiver gefärbt. Diese Heterochromatin-Bereiche gelten als genetisch inaktiv. Das bedeutet, dass in diesem Bereich keine Gene abgelesen werden. Das Euchromatin ist hingegen weniger dicht verpackt und erscheint somit leichter angefärbt. Diese Bereiche gelten als genetisch aktiv. Das bedeutet, dass die DNA-Bereiche aufgelockert werden, damit die Gene auf der DNA abgelesen werden können. Es wird also erst die mRNA und dann das Genprodukt gebildet. Fassen wir also zusammen was wir über die DNA-Verpackung gelernt haben. Die erste Verpackungsebene der DNA ist das Chromatin oder Chromatinfaden. Dieser besteht aus DNA und Histonen. Die Nucleosom-"Perlenkette" bildet eine Röhre. Das Chromatin ist vor allem in der Interphase sichtbar. Die nächste Verpackungsebene ist das Chromatid. Dieses entsteht durch weitere Faltung und Schleifenbildung an einem Proteingerüst. Durch weitere Teilung entsteht das Chromosom. Dieses besteht aus zwei Schwesterchromatiden. Die DNA liegt im kondensierten Zustand vor. Die Chromosomen sind vor allem während der Zellteilung sichtbar. Wir haben den Aufbau der Chromosomen besprochen, die Bandenmuster und wir haben den Unterschied zwischen Hetero- und Euchromatiden gelernt. Danke für euer Interesse. Tschüss, bis zum nächsten Video! Eure Biola

12 Kommentare

12 Kommentare
  1. Die Videos regen eher zum Einschlafen als zum aufmerksamen Mitlernen an....

    Von Ihre heilige Priorität, vor 10 Monaten
  2. Hallo, wo würde ich den Transkription für diesen Video finden?
    LG

    Von Zara Stern, vor fast 2 Jahren
  3. Hallo J.Kamali,
    schau dir das Video nochmal ab 3:09 an. Ab dort wird erklärt wie Histone, Nukleosome, Chromatin und Chromatid zusammenhängen.
    Falls du noch weitere Fragen hast, helfen dir gerne unsere Lehrerinnen und Lehrer des Hausaufgabenchats weiter. Der Chat ist von Montag bis Freitag zwischen 17-19 Uhr für dich da.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor etwa 3 Jahren
  4. 4:19 sind das nicht Histone?
    Oder liege ich falsch?

    Von J.Kamali, vor etwa 3 Jahren
  5. Hallo Jpzons,
    vielen Dank für deinen Kommentar. Wir haben die schlechte Tonqualität dieses Videos vermerkt und arbeiten an einer Verbesserung.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als 3 Jahren
Mehr Kommentare

DNA – Verpackung und Chromatin Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video DNA – Verpackung und Chromatin kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre, was sich hinter den Begriffen, die die Verpackungseinheiten der DNA beschreiben, verbirgt.

    Tipps

    Ein Chromatinfaden ist eine Röhre aus vielen Schleifen, wobei jede Schleife sechs Histone beinhaltet.

    Ein Chromatid benötigt ein weiteres Proteingerüst, um noch dichter gepackt zu werden.

    Lösung

    Die erste Verpackungsstufe der DNA bildet das Nucleosom. Es besteht aus einem DNA-Strang, der ähnlich einer Perlenkette um Histone gewickelt ist.

    Histone sind Proteine, die aus acht Untereinheiten bestehen. Durch die Ummantelung der Histone verdichtet sich die DNA um den Faktor sieben.

    Durch weitere Faltung der DNA entsteht das Chomatin. Hier liegt die DNA in einer 40-fachen Verdichtung vor. Das Selenoid-Modell beschreibt den Aufbau des Chromatins. Eine Chromatinfibrille ist aus regelmäßigen Schrauben aufgebaut, wobei jede Schraube aus sechs Nucleosomen besteht.

    Das Chromatid besteht aus einem DNA-Doppelstrang, der in einer 10.000-fachen Verdichtung vorliegt. Zwei Schwesterchromatiden bilden ein (Metaphase-)Chromosom. Die beiden Schwesterchromatiden enthalten identische Kopien des DNA-Moleküls und sind über das Centromer miteinander verbunden. Das Chromosom liegt nur im Falle einer Kernteilung im spiralisierten Zustand vor, es ist also nur in diesem Zustand sichtbar.

  • Bestimme die Größe der Verpackungseinheiten der DNA.

    Tipps

    Die kleinste Verpackungseinheit der DNA besteht aus einem DNA-Strang, der um Histone gewickelt ist.

    Woraus besteht ein Chromosom?

    Erst wenn die DNA-Stränge als Chromosomen vorliegen, kann eine Zellteilung erfolgen.

    Lösung

    Der einzelne DNA-Strang stellt noch keine Verpackungseinheit dar. Die kleinste Verpackungseinheit der DNA ist das Nucleosom. Hierbei handelt es sich um einen DNA-Strang, der um Histone gewickelt ist. Die nächstgrößere Verpackungseinheit der DNA ist das Chromatin. Im Chromatin liegt die DNA bereits 40-fach verdichtet vor. Durch weitere Faltung entsteht aus dem Chromatin das Chromatid. Zwei dieser Chromatide bilden ein Chromosom.

  • Bestimme die Merkmale der unterschiedlichen Chromatintypen.

    Tipps

    Was ist der Grund dafür, dass sich der eine Chromatintyp besser anfärben lässt als der andere?

    Heterochromatin ist ein stark kondensierter Chromatinabschnitt.

    Lösung

    Das Chromatin der Chromosomen liegt in Form von zwei unterschiedlichen Typen vor: Heterochromatin und Euchromatin. Das Heterochromatin befindet sich dauerhaft in einem kondensierten Zustand. Das ist auch der Grund dafür, warum es sich beim Kontakt mit Farbstoff besonders intensiv anfärben lässt. Diese Bereiche des Chromatins sind genetisch inaktiv.

    Der Bereich des Euchromatins hingegen ist genetisch aktiv. Hier werden also im Zuge der Transkription Gene abgelesen. Deshalb befinden sich in diesen Abschnitten auch sehr viele Gene. Da das Euchromatin nicht so stak verpackt ist wie das Heterochromatin, lässt es sich auch nicht so stark anfärben.

  • Beschreibe die Bedeutung der Telomere.

    Tipps

    Die Telomere schützen unsere Chromosomen.

    Aufgrund der Lage der Telomere kannst du Rückschlüsse auf ihre Bedeutung und Funktion ziehen.

    Lösung

    Telomere sind Strukturelemente der DNA, die sich an den Enden der Chromosomen befinden und für deren Stabilität verantwortlich sind. Telomere tragen keine entscheidenden genetischen Informationen. So können sie sich bei jeder Zellteilung um einige Basenpaare verkürzen, ohne dass es zu einem Verlust von Informationen kommt. Sind die Telomere stark verkürzt, so leitet die Zelle die Apoptose, den programmierten Zelltod, ein. Die Telomere spielen also eine große Rolle im Prozess der Zellalterung und somit auch im allgemeinen Alterungsprozess des Menschen.

  • Beurteile die folgenden Aussagen zum Aufbau der Chromosomen.

    Tipps

    Die Telomere sind Strukturelemente der DNA, die wichtig für deren Stabilität sind.

    Der Wortstamm „Telo“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „Ende“. Welchen Teil des Chromosoms bezeichnet dann das Telomer?

    Lösung

    Ein Chromosom ist ein langer Strang an DNA, der als Doppelhelix um viele Proteine (=Histone) gewunden vorliegt. Das Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden, die beide identische Kopien des DNA-Moleküls enthalten. Die Einschnürungsstelle in der Mitte des Chromosoms bezeichnet man als Centromer. Dieses Centromer ist die Verbindungstelle der Schwesterchromatiden und hier setzen während der Kernteilung die Spindelfasern an. Chromosome besitzen p- und q-Arme, wobei die p-Arme die kleineren Arme bilden. Die Enden der Chromosomen bezeichnet man als Telomere. Sie sind von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Chromosoms. Sichtbar sind Chromosome nur während der Kernteilung, denn während dieser Zeit liegen sie in spiralisiertem Zustand vor.

  • Beurteile die Aussagen zu Möglichkeiten und Gefahren der Telomerase.

    Tipps

    Eine niedrige Aktivität der Telomerase wird mit Zellalterung assoziiert.

    Lösung

    Die Telomerase ist ein Enzym, das aufgrund seiner inversen Transkriptase-Eigenschaft Telomerabschnitte wieder aufbauen kann. Dieses Enzym befindet sich im Zellkern. Bei Krebszellen führt dieses Enzym dazu, dass sich Zellen unkontrolliert teilen können. Auch in der Schönheitsindustrie findet dieses Enzym Beachtung, denn es spielt eine große Rolle im menschlichen Alterungsprozess. Forscher versuchen diesbezüglich in Experimenten herauszufinden, ob mithilfe dieses Enzyms Hautalterung aufzuhalten ist. Vergrößern wird sich ein Chromosom aufgrund der Telomeraseaktivität jedoch nicht. Ebenso ist es der Telomerase nicht möglich, eine Zelle, die bereits die Apoptose, den programmierten Zelltod, eingeleitet hat, aus diesem zurückzuholen.

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