Genetik

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1. Einführung in die Genetik

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Alle wollen nur das Eine

Sexuelle Fortpflanzung spielt bei allen höheren Organismen eine herausragende Rolle, natürlich auch bei Pflanzen. Für alle sich sexuell fortpflanzende Organismen gilt das Grundschema der Vererbung (klick Materialien). Durch die Verschmelzung der Gameten mit jeweils einfachen Erbanlagen entsteht die Zygote mit doppelten Erbanlagen.

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2. Mendel I (monohybr. Erbgang)

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"Erbsenzählerei" von Gregor Mendel

Mendel kam zu seiner Uniformitätsregel, indem er bei einem monohybriden, dominant-rezessiven Erbgang die homozygoten Parentalgeneration kreuzte und eine heterozygote Filialgeneration herausbekam, wobei der Phänotyp gleich war, es sich allerdings um genotypische Bastarde handelte. Alles klar ? Bei Fachbegriffen hilft ein Glossar. ==>

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3. Mendel II (dihybr. u. intermed. Erbgang)

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Mendel und das Glück des Tüchtigen

Hätte Mendel anstelle der Gartenerbse mit einer Pflanze experimentiert, die einen intermediären Phänotyp hervorbringt und würden die Anlagen der Erbse bei dihybriden Erbgängen nicht unabhängig, sondern (wie häufig) gekoppelt weitervererbt, er hätte seine Regeln nicht aufstellen können und Sie vor dem Lernen der Mendelschen Regeln bewahrt.

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4. Lokalisierung der Erbanlagen

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Welcher Hut passt auf den transplantierten Stiel einer Acetabularia mediterranea ?

Um diese wichtige Frage beantworten zu können muss man Versuche mit einzelligen Schirmalgen machen. Fragestellung, Versuchsanordnung, Hypothesenbildung, Versuchsbeobachtung und Ergebnisdeutung gehören zu einem naturwissenschaftlichen Versuch.

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5. Chromosomentheorie der Vererbung

Chromosomen: Jeder hat sie, kaum einer kennt sie

Betrachtet man das menschliche Karyogramm von Metaphasechromosomen, so zeigt es einen diploiden Chromosomensatz bestehend aus 22 unterschiedlichen Autosomenpaaren (jeweils zwei homologe Zwei-Chromatid-Chromosomen) und ein Gonosomenpaar, wobei bei diesem das Centromer, das die beiden genetisch identischen Schwesterchromatiden verbindet, an unterschiedlichen Stellen liegt und das X-Chromosom auch viel größer als das Y-Chromosom ist.

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6. Meiose, Keimzellenbildung

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Die Meiose ist sexy

Ohne Meiose würde sich bei der sexuellen Fortpflanzung in jeder Generation der Chromosomensatz verdoppeln und es deshalb in der Biologie keinen Sex geben. Die erste biologische Funktion der Meiose ist die Reduktion des Chromosomensatzes in den Keimzellen zu einem haploiden. Außerdem kommt es während der Meiose zur Neukombination des elterlichen Erbmaterials durch interchromosomale und intrachromosomale Rekombination, weshalb Geschwister sich nie gleichen.

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7. Die Meiose beim Menschen

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Haben Sie schon eine Meiose II erlebt ?

Jede Sekunde beginnen beim Mann 1000 diploide Spermien-Mutterzellen mit der Meiose und nach 1-2 Monaten liegen dann reife haploide Spermien vor. Die Ei-Mutterzellen der Frau werden vor der Geburt gebildet und beginnen dann bereits mit der Meiose, setzen diese aber erst (10 - 50 Zellen) zu Beginn des Monatszyklus fort. Nach dem Eisprung der ersten reifen Eizelle sterben die anderen ab, und diese führt erst die 2. Reifeteilung nach einer etwaigen Besamung durch.

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8. Genkopplung

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Hat sich Mendel bei der Neukombinationsregel geirrt oder was ?

Kreuzt man einen Wildtyp (NNFF) von Drosophila-melanogaster mit einer Mutante mit schwarzer Körperfarbe und Stummelflügeln (nnff) und macht man mit der F1-Fliegen (NnFf) eine Rückkreuzung, dann würde man nach Mendels 3. Regel in der RF2-Generation vier Phänotypen erwarten, tatsächlich bekommt man aber nur die großelterlichen Phänotypen im Verhältnis von 1:1. Wie kommt das ?

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9. X-Chromosomen-
gebundener Erbgang
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Was das Barr-Körperchen über das Geschlecht verrät

Das Barr-Körperchen ist ein inaktives X-Chromosom in jeder weiblichen Zelle (Sextest). Welches der beiden X-Chromosomen (mütterl. oder väterl. Herkunft) aktiv ist, ist zufallsmäßig fifty-fifty. Liegt auf einem der beiden X-Chromosomen ein Gendefekt vor, dann betrifft dies die Hälfte aller Zellen (auch Keimzellen). Die Trägerin ist dann zwar meist phänotypisch gesund, genotypisch gilt sie bei der Vererbung aber als Konduktorin.

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Wieso zeigt die Anzahl weißäugiger Fliegen den Abstand ihrer Gene an ?

36 % der F2-Fliegen nannte Thomas H. Morgan Rekombinanten, weil sie nicht den Phänotyp der Parentalgeneration (weißäugige Weibchen mit Miniflügeln und Wildtypmännchen) besaßen, was bei einer Genkopplung auf den X-Chromosomen zu erwarten gewesen wäre. Stattdessen kommt es zu einer partiellen Entkopplung der Gene durch crossing-over. Der Prozentsatz der Rekombinanten sagt etwas über den Abstand der betreffenden Gene auf dem Chromosom aus, je kleiner der Abstand, desto weniger Rekombinanten und vice versa.

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11. Genkartierung

Meilensteine auf den Straßenkarten der Chromosomen

Um Genkarten von Autosomen z.B. der Fruchtfliege erstellen zu können, bedient man sich der Dreipunktanalyse. Aus der Rückkreuzung einer in Bezug auf alle drei betrachteten Gene heterozygoten F1-Fliege mit einem homozygot rezessiven Elternteil ergeben sich in der F2-Generation neben den elterlichen Phänotypen sechs Typen von Rekombinanten. Aus der Häufigkeit ihres Aufretens lässt sich die relative Lage der Gene auf dem betreffenden Chromosom ermitteln.

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12. Nachweis der DNA als Substanz der genetischen Information

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Warum mussten Griffith´ Mäuse an harmlosen und abgetöteten Bakterien sterben ?

Diese Tatsache wunderte auch 1928 Frederick Griffith, denn eine Infektion der Mäuse mit dem R-Stamm der Pneumokokken (von "rough" = rauhe Oberfläche), die keine Schleimkapsel ausbilden können, überlebten sie ebenso, wie die Injektion eines zellfreien Extrakts hitzebehandelter abgetöteter Pneumokokken des S-Stammes (von "smooth" = glatte Oberfläche durch eine Polysaccharid-Schleimkapsel), die normalerweise virulent sind und letal wirken. Diese Zusammenhänge klärten dann 1944 die Transformationsversuche von Oswald Avery auf.

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13. Die Entdeckung der DNA-Struktur

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Für nur eine Seite den Nobelpreis

Die jungen James Watson und Francis Crick bauten das maßstabsgetreue Modell der DNA mithilfe der Kenntnisse über die Helixstruktur durch die Röntgenstrukturanalyse von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins und die Chargaff-Regel der Basenpaarungen A-T und C-G nach dem trial and error Verfahren. Ihre Veröffentlichung umfasste nur eine Seite und der letzte Satz lautet: "It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material."

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14. Bau der DNA

Watson forderte von der DNA: "Schön muss sie sein !"

Die DNA ist ein Polynucleotid. Dabei sind die einzelnen Nucleotide einerseits innerhalb ihres Stranges durch die Phosphatgruppe und die Desoxyribose verbunden und andererseits über Wasserstoffbrücken jeweils mit der komplementären Base des anderen Stranges gepaart, so dass eine Doppelhelix entsteht. Die Basenfolge eines Stranges ist aperiodisch und enthält die genetische Information, die beiden Stränge sind antiparallel gegenläufig angeordnet.

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15. Aufklärung des Mechanismuses der Replikation


Schwere und leichte Stickstoffatome in kleinen Darmbakterien

Die DNA ist hat die einzigartige Fähigkeit, sich selbst identisch zu replizieren und somit Zellvermehrung und Vererbung erst möglich zu machen. Aber wie funktioniert der Kopiermechanismus, konservativ, semikonservativ oder dispersiv? Meselson und Stahl führten 1958 mit Darmbakterien das Experiment durch, das diese Frage beantwortete.

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16. Ablauf der DNA - Replikation


Das Reißverschluss-Prinzip in der Natur

Bei der DNA - Replikation sind verschiedene Enzyme beteiligt. Die Helicase trennt reißverschlussartig die komplementären Stränge auf und SSB-Proteine besetzen die freien Basenenden. Die DNA-Polymerase beginnt jeweils am Primer mit der Synthese der neuen Nukleotide und die DNA-Ligase ermöglicht die Verknüpfung der einzelnen Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang, während sich der Leitstrang kontinuierlich an der Replikationsgabel in 5' - 3' Richtung synthetisieren kann.

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17. Der Zellzyklus


Das Kreisverkehr-Prinzip in der Natur

Mehrzellige Organismen bestehen aus vielen Millionen Zellen, die meisten von ihnen wachsen und teilen sich, besonders im Entwicklungsstadium des Organismus. Wie wird sichergestellt, dass einerseits ständig neue Zellen mit identischem Erbgut entstehen und andererseits es zu keinem unkontrollierten Zellwachstum kommt. Dieses erklärt der Zellzyklus, der sich aus einer gesteuerten Abfolge von Mitosen, G1- , Synthese- und G2-Phasen zusammensetzt.

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18. Die Proteinbiosynthese


Wenn aus vier Buchstaben Lebensgeschichten werden

Die DNA dient zum einen als genetische Kopiervorlage, wenn die Erbinformation von Zelle zu Zelle weitergegeben wird (Replikation) und zum anderen stellt sie die Matrize zur Abschrift jener Teile des genetischen Textes dar, die zur phänotypischen Umsetzung der Erbinformation von der Zelle gerade benötigt werden (Genexpression). Auf dem Weg vom Gen zum Merkmal wird die DNA-Sequenz in mRNA umgeschrieben (Transkription), welche der t-RNA als Vorlage zur Bildung einer bestimmten Aminosäurekette dient (Translation), dem fertigen Protein.

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19. Die Transkription


Gene zum Abschreiben

Bei der Transkription wird ein "codierender" Abschnitt der DNA (ein Gen, aus dem ein Polypeptid entsteht) als mRNA exakt abgeschrieben. Dazu setzt sich mRNA-Polymerase an die als Promotor bezeichnete Basensequenz (TATA-Box) und öffnet die DNA Doppelhelix. An die freien Basenenden setzen sich komplementäre RNA-Nucleotide, bis die Polymerase den Terminator erreicht. Die fertige mRNA wandert aus dem Zellkern ins Cytoplasma.

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20. Die Translation


Der Code des Zellkerns wird in die Sprache der Zellen übersetzt

Proteine steuern und bestimmen die wesentlichen Zellfunktionen. Die Funktion eines Proteins hängt von seiner dreidimensionalen Gestalt ab und diese wiederum wird von der Aminosäuresequenz bestimmt. tRNA-Moleküle tragen "ihre" speziellen Aminosäuren zu den Ribosomen, wo sie in der Reihenfolge zusammengesetzt werden, die die mRNA durch die Abfolge ihrer Basentripletts vorgibt. Die mRNA trägt also den Code, der in eine bestimmte Aminosäureabfolge eines Proteins übersetzt wird.

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21. Die Ein-Gen-ein-Enzym Hypothese


Was Beadle und Tatum vom Brotschimmel gelernt haben

Der Wildtyp-Stamm des Brotschimmels benötigt nur ein Minimalmedium aus Zucker, Mineralsalzen und einem Vitamin um nach einigen Stoffwechselschritten die lebenswichtige Aminosäure Arginin herzustellen. Dies gelingt Pilzmutanten nicht, deren Gene bestimmte Enzyme für die Stoffwechselschritte nicht herstellen können. Beadle und Tatum zogen den Schluss, dass verschiedene Mutationen auf Defekte an verschiedenen Genen zurückzuführen sind, wovon jedes die Synthese eines bestimmten Enzyms steuert und formulierten ihre berühmte Hypothese.

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22. Die Sichelzellen-Anämie


10 % der Afro-Amerikaner in den USA sind gegen Malaria resistent, obwohl es dort überhaupt keine Erreger mehr gibt.

Nur homozygote Träger des Sichelzellengens, das eine Punktmutation aufweist, erkranken an dieser Anämie, es handelt sich um eine rezessive Erbkrankheit. Unter Sauerstoffmangel wandelt das Hämoglobin die roten Blutkörperchen von Sichelzellenpatienten in eine Sichelform um. Vielfältige Erkrankungen sind die Folge: es kann zu Herzversagen, Gehirnschäden und diversen Organschäden mit z.T. frühem tödlichen Ausgang kommen. Jeder 400. Schwarze in den USA ist homozygoter, jeder 10. heterozygoter Allelträger.

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23. Dominante Erbkrankheiten;
Gendiagnostik

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Es gibt keine gesunden Träger dominant defekter Gene

Anders als bei rezessiven Erbkrankheiten hat bei dominanten Erbkrankheiten das defekte Gen auf den Organismus eine dominante Wirkung bzw. sein Ausfall kann durch das normale Allel nicht kompensiert werden. Bereits die heterozygoten Träger des mutierten Allels sind krank und sie wissen, dass zu 50% ihre Kinder krank werden. Genetische Beratung und Gendiagnostik (z.B. die PID) spielen hier zunehmend eine wichtige Rolle. 

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24. Phenylketonurie; Genwirkkette


Jedes 10.000ste Neugeborene erbt diese Krankheit

Die Phenylketonurie ist eine rezessive Erbkrankheit, bei der die Genwirkkette des Phenylalanin-Stoffwechsels aufgrund eines Enzymausfalls unterbrochen ist. Die Aminosäure Phenylalanin wird mit dem Eiweiß der Nahrung aufgenommen. Phenylketon ist ein giftiges Abbauprodukt, das sich bei Phenylalaninstau im Blut konzentriert. Ein Überschuss an Phenylalanin und ein Mangel an Tyrosin schädigen das sich entwickelnde Gehirn, was ohne entsprechende Behandlung zu geistiger Behinderung führt.

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25. Down-Syndrom;
      Genommutation

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Die bekannteste Erbkrankheit ist eigentlich gar keine

Neben dem charakteristischen äußeren Erscheinungsbild (z.B. schräge Augenstellung mit Epikanthus (Mongolenfalte)), einer Verzögerung der motorischen Entwicklung und einer sehr variabel ausgeprägten Intelligenzminderung, haben Menschen mit Down-Syndrom gehäuft Herzfehler, Fehlbildungen im Magen-Darm-Trakt, Seh- und Hörstörungen oder auch Leukamie. Die Prognose hat sich durch die mögliche Behandlung dieser Folgeerkrankungen deutlich verbessert. Das Syndroms wird durch eine Genommutation verursacht, da aufgrund eines Non-disjunction Ereignisses oder einer Translokation eine Trisomie des Chromosoms 21 vorliegt.

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26. Pränatale Diagnostik

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Nachricht aus den Zotten

Die vorgeburtliche Diagnostik dient der Identifizierung eines kranken oder behinderten Fötus bei Schwangeren, die zu den Risikogruppen zählen (Familien mit Erbkrankheiten, über 35-jährige Frauen). Liegt als Ergebnis eine Chromosomenaberration vor, dann kommt eine Abtreibung in Betracht. Die Methoden, Amniozentese und Chorionzottenbiopsie, versuchen zu einem möglichst frühen Zeitpunkt an Zellen des Fötus zu gelangen, stellen aber für das werdende Kind ein unterschiedliches Risiko dar.

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27. Genregulation


Angebot und Nachfrage  -  regelt das Operon

Nicht jedes Gen wird in jeder Zelle zu jeder Zeit abgelesen und exprimiert. Gene, die bestimmte Enzyme für den Abbau eines Stoffes codieren, werden erst abgelesen, wenn dieses Substrat auch gehäuft auftritt (Substratinduktion). Andererseits kommt die Synthese von Enzymen, die bestimmte Stoffe herstellen, zum Erliegen, wenn das Produkt in ausreichender Menge vorliegt (Endproduktrepression). Die Franzosen F. Jacob und J. Monod haben das Modell der Genregulation an Bakterien entdeckt.

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28. DNA-Klonierung mit Bakterien

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Werkzeuge, Fabriken und Taxis der Gentechniker

Gentechniker schleusen DNA-Fragmente (z.B. vom Menschen) in Plasmide von Bakterienzellen (meist E.coli) ein, um sie dort vervielfältigen oder exprimieren zu lassen. Die Bakterien fungieren als Kopiermaschinen oder als Fabriken zur Herstellung von erwünschten Genprodukten. Als Gen-Taxis dienen Klonierungsvektoren, sie werden mit Restriktionsenzymen und Ligasen bearbeitet und zeigen darüberhinaus noch an, wenn sie den erwünschten "Fahrgast", das DNA-Fragment, enthalten.

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29. Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

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Nadeln im Heuhaufen finden und vervielfältigen

Die PCR hat die Gentechnik revolutioniert. Mit ihrer Hilfe kann man ein kleines Stück DNA auch aus geringen Mengen Erbsubstanz herausfinden und anschließend beliebig oft vervielfältigen. Im Prinzip wird der natürliche Vorgang der identischen Replikation im Reagenzglas nachgeahmt und zwar beliebig häufig nach der Formel: trennen - koppeln - vermehren - trennen - koppeln - vermehren - usw. Es werden dazu nur benötigt: passende Primer, hitzebeständige Taq-Polymerase und DNA-Nucleotide.

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30. DNA-Sequenzierung

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Wissen aus Kettenabbrüchen erzeugen

Wenn ein Didesoxynucleotid während der Replikation eines   DNA-Fragment an seine komplementäre Base bindet, hört die Polymerase sofort mit der weiteren Synthese des Stranges auf. Ist dieses Nucleotid markiert, dann kann auch sein komplementärer Bindungspartner identifiziert werden. Um die Bindungsstelle herauszubekommen, müssen die unterschiedlich langen Fragmente nur noch sortiert werden. Alles das machen heute superschnelle Sequenziermaschinen.

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31. Der genetische Fingerabdruck

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"Motive" überführen Väter und Täter

95% der menschlichen DNA codieren keine Genprodukte. Innerhalb dieser Bereiche gibt es Loki, die aus kurzen, sich vielmals wiederholenden DNA-Sequenzen bestehen (STR; "Short Tandem Repeats"). Eine solche Sequenz nennt man ein Motiv. Bei jedem Menschen kommen diese Motive vor, nur die Anzahl ihrer Wiederholungen variiert von Mensch zu Mensch. Aufgrund der Individualität der Motivwiederholungen spricht man hier auch von hochvariablen DNA Bereichen und nutzt diese zur Ermittlung eines persönlichen genetischen Fingerabdrucks.

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32. Das Human-Genom-Projekt


Im Buch des Lebens lesen

Das Ziel des Humangenomprojekts ist die Entschlüsselung des gesamten menschlichen Genoms, des Bauplans des Lebens. Der "Text des Lebens" ist eine Aneinanderreihung von 3 Milliarden chemischen Buchstaben (Nucleotide), verpackt in zwei mal 23 Chromosomen in jeder Zelle des Menschen. Drei Millarden Buchstaben - das sind 75 Meter nebeneinandergestellte Brockhaus Bände. In dieser Buchstabenkette enthalten sind die etwa 40.000 Gene, welche die eigentlichen Erbinformationen des Menschen enthalten. An diese Gene wollen die Forscher des HGP heran, weil sie die Bauanleitung für die Proteine sind, die die Zellen aufbauen und deren Funktion steuern. Kennt man die wichtigsten Gene und ihre Funktionen, dann stehen mächtige Werkzeuge für biologische und medizinische Anwendungen zur Verfügung.

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