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Sequenz der ribosomalen RNA

Sequenz der ribosomalen RNA


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Ist es möglich, rRNA direkt zu sequenzieren, also das Ribosom statt der DNA aus dem Zellkern zu verwenden? Zum Beispiel schlägt dieses Papier, Complete nucleotide sequence of a 16s rRNA gene from E. coli, vor, dass DNA verwendet wird, um die Sequenz zu finden. Wäre es möglich, die rRNA zu isolieren und daraus die Sequenz abzuleiten?


Soweit ich weiß, ist es möglich, ein rRNA-Gen umgekehrt zu transkribieren, aber Sie erhalten möglicherweise nicht die besten Ausbeuten. Die Sekundär-/Tertiärstrukturen werden ein Problem darstellen, jedoch gibt es im Handel erhältliche reverse Transkriptasen, die mit Sekundärstrukturen umgehen können: Thermo-X™ Reverse Transcriptase von Invitrogen oder Sensiscript™ von Qiagen.


Eindeutig JA.

Bevor die DNA-Sequenzierung verwendet wurde, um die Sequenz klonierter oder revers transkribierter RNA-Moleküle abzuleiten, wurde eine langsamere und umständlichere direkte Sequenzierung der RNA mit der Methode von Sanger durchgeführt et al. (Sanger, F., Brownlee, G. G. und Barrel B. G. (1965) J. Mol. Biol. 13, S. 373-398). Dies verwendete Ribonukleasen in einer Art und Weise, die der Prä-Edmann-Proteinsequenzierung ähnlich war.

Aufgrund ihres Überflusses und ihrer einfachen Reinigung war ribosomale RNA eine geeignete Spezies für diesen Ansatz, und Carbon et al berichtete die komplette Abfolge von E coli 16S rRNA 1978 (Carbon P., Ehresmann C., Ehresmann, B. und Ebel J.P. (1978) FEBS Letters 94, S. 152-156).

Seufzen! Wie wenig wissen moderne Molekularbiologen über die Geschichte ihres Faches.


Nukleotidsequenz der ribosomalen RNA der kleinen Untereinheit von Physarum polycephalum, wie aus der Gensequenz abgeleitet: Sekundärstruktur und evolutionäre Implikationen

Die Nukleotidsequenz des Gens der kleinen ribosomalen RNA (SSU rRNA) der kleinen Untereinheit von Physarum polycephalum wurde bestimmt. Sequenzdaten zeigen, dass die reife 19S-SSU-rRNA 1.964 Nukleotide lang ist. Auf der Grundlage des Escherichia coli 16S rRNA-Modells und Daten aus vergleichenden Analysen von 28 verschiedenen eukaryontischen Sequenzen wurde ein vollständiges Sekundärstrukturmodell für P. polycephalum SSU rRNA konstruiert. Ein "Vier-Helix"-Modell wird für die variable Region der zentralen Domäne präsentiert. Dieses Modell kann sowohl auf Wirbeltier- als auch auf die meisten niederen eukaryotischen SSU-rRNAs angewendet werden. Die größere Größe der SSU-rRNA von P. polycephalum im Vergleich zu den kleineren SSU-rRNAs von anderen niederen Eukaryoten wie Dictyostelium, Tetrahymena oder Saccharomyces ist hauptsächlich auf drei G+C-reiche Insertionen zurückzuführen, die in zwei Regionen gefunden werden, von denen bekannt ist, dass sie bei Eukaryoten von variabler Länge sind . In einem phylogenetischen Baum, der aus paarweisen Vergleichen von eukaryotischen SSU-rRNA-Sequenzen erstellt wurde, ist zu sehen, dass der azelluläre Myxomycet P. polycephalum vor dem Erscheinen des zellulären Myxomyceten Dictyostelium discoideum divergiert.


Fact Sheet: Ribosomale RNA (rRNA), die Details

Das Ribosom ist eine zelluläre Maschine, die in allen Organismen vorkommt. Es dient dazu, die Anweisungen in der Boten-RNA (mRNA, die selbst aus Anweisungen in der DNA besteht) in die Aminosäureketten umzuwandeln, aus denen Proteine ​​bestehen. Das heißt, das Ribosom ist für die Synthese von Proteinen verantwortlich.

Struktur und Form des E.coli 70S-Ribosoms. Die große ribosomale 50S-Untereinheit (rot) und die kleine ribosomale 30S-Untereinheit (blau) werden mit einem 200 ngström (20 nm) Maßstabsbalken dargestellt. Für die 50S-Untereinheit sind die 23S (dunkelrot) und 5S (orangerot) rRNAs und die ribosomalen Proteine ​​(rosa) gezeigt. Für die 30S-Untereinheit sind die 16S-rRNA (dunkelblau) und die ribosomalen Proteine ​​(hellblau) dargestellt.

Das Ribosom selbst ist hochkomplex. Es besteht aus Dutzenden verschiedener Proteine ​​(die genaue Anzahl variiert ein wenig zwischen den Arten) sowie einigen spezialisierten RNA-Molekülen, die als ribosomale RNA (rRNA) bekannt sind. Beachten Sie – diese rRNAs enthalten keine Anweisungen zur Herstellung spezifischer Proteine ​​wie mRNAs. Die ribosomalen Proteine ​​sind rRNAs, die in zwei verschiedene ribosomale Stücke unterschiedlicher Größe angeordnet sind, allgemein bekannt als die große und die kleine Untereinheit des Ribosoms.

Die RNA-Welt

Die katalytische Schlüsselaktivität des Ribosoms – die Herstellung einer chemischen Bindung zwischen zwei Aminosäuren (bekannt als Peptidbindung) – kommt von der RNA-Komponente des Ribosoms. Diese und andere katalytische Funktionen für RNA wurden erst vor kurzem entdeckt und waren eine kleine Überraschung, da viele Jahre lang angenommen wurde, dass alle katalytischen Aktivitäten in Zellen von Proteinen ausgehen. Die katalytische Rolle der rRNA ist eine wichtige Stütze für die Hypothese der “RNA-Welt”, die postuliert, dass die ersten sich entwickelnden chemischen Einheiten auf der Erde RNA-Moleküle waren. Diese RNAs dienten gleichzeitig sowohl als Genotyp (d. h. genetisches Material) als auch als Phänotyp (d. h. sie hatten katalytische Aktivitäten, die eine gewisse Funktion ermöglichten). Irgendwann in der Evolution des Lebens „entdeckten“ einige dieser RNAs die DNA als stabileres Speichermedium für Informationen und Proteine ​​als vielseitigere Möglichkeit, enzymatische Reaktionen zu vermitteln. Einige katalytische Funktionen der RNA (z. B. die Synthese von Proteinen) sind jedoch in modernen Organismen als Relikt früherer Zeiten noch vorhanden.

Homologie des Ribosoms im Leben

Die meisten der einzelnen Komponenten des Ribosoms haben in allen Lebensformen gleichwertige Gegenstücke. Die übereinstimmenden Komponenten in verschiedenen Spezies (z. B. ribosomale Proteine ​​oder Oberschenkelknochen) werden als homolog angesehen – was bedeutet, dass sie sich aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben, der auch diese Komponente hatte (dh der Vorfahr hatte auch eine Version von das gleiche ribosomale Protein). Dies gilt für viele der im Ribosom gefundenen Proteine ​​und auch für die ribosomalen RNAs (weitere Einzelheiten finden Sie weiter unten im Abschnitt Homologie ribosomaler Komponenten. Wir können ribosomale Komponenten verschiedener Spezies vergleichen, so gut wir können Vergleichen Sie Knochen zwischen verschiedenen Säugetieren, indem Sie im Wesentlichen die Sequenzen der äquivalenten Komponente „aneinanderreihen“, um zu sehen, wo sie sich unterscheiden.

Homologie ribosomaler Komponenten

Homologie bezieht sich auf die Ähnlichkeit von Merkmalen aufgrund einer gemeinsamen Abstammung. Die menschliche Hand ist homolog zur Katzenpfote und zur Walflosse. Die drei Strukturen haben Eigenschaften für unterschiedliche Zwecke entwickelt, teilen jedoch eine zugrunde liegende Knochenstruktur, die von einem Vorfahren aller Säugetiere weitergegeben wurde.

Den gemeinsamen Knochenstrukturen liegen gemeinsame genetische Strukturen zugrunde. Homologe Gene kodieren für homologe Merkmale, von Skeletten und Organen bis hin zu den unsichtbaren Bestandteilen von Zellen. Das Ribosom ist einer der ältesten und essentiellsten zellulären Akteure und in allen Organismen homolog. Wir schließen eine Homologie von Ribosomen über alles Leben hinweg, weil sie nicht nur gleich aussehen und sich ähnlich verhalten, sondern auch bemerkenswert ähnliche Gensequenzen haben.

Zum Beispiel das Ribosom des Bakteriums Escherichia coli enthält ein Protein, das als ribosomales Protein L4 bekannt ist („L“ steht hier für die Tatsache, dass dieses Protein Bestandteil der großen Untereinheit des Ribosoms ist). Im Genom von E coli Es gibt eine Region, die die Anweisungen zur Herstellung dieses Proteins enthält, das als rpl4-Gen bekannt ist. Dieses Gen wird in mRNA transkribiert und die mRNA in das rpl4-Protein übersetzt. Alle Organismen auf dem Planeten haben ein Protein in ihren Ribosomen, vergleichbar mit L4 von E coli. Und natürlich haben alle diese Organismen auch ein Gen in ihrem Genom, das dem rpl4-Gen von entspricht E coli (sie könnten kein L4-Protein haben, wenn sie kein dafür kodierendes Gen in ihrem Genom hätten). Tatsächlich haben nicht nur alle Organismen ein Protein, das „wie“ E coli L4. Alle L4-ähnlichen Proteine ​​in allen Arten sind einander in ihrer Aminosäuresequenz so ähnlich, dass gefolgert wurde, dass ein gemeinsamer Vorfahre aller modernen Organismen auch ein L4-ähnliches Protein besaß.

Das gleiche Muster gilt im Allgemeinen für Dutzende anderer ribosomaler Proteine ​​sowie für mehrere ribosomale RNAs. Wir können die Komponenten der Ribosomen einer Spezies mit den Komponenten der Ribosomen anderer Spezies vergleichen, ähnlich wie wir Knochen zwischen verschiedenen Säugetieren vergleichen können. Aus diesen Vergleichen wurde geschlossen, dass ein gemeinsamer Vorfahre aller modernen Organismen ein Ribosom hatte, das den Ribosomen, die heute in allen Lebensformen vorkommen, sehr ähnlich war. Die äquivalenten ribosomalen Komponenten in verschiedenen Organismen (z. B. L4 in E coli und Menschen) gelten als aus einer gemeinsamen Ahnenkomponente hervorgegangen (d. h. L4 in einem gemeinsamen Vorfahren von Menschen und E coli). (Natürlich haben sich die Vorfahren von E. coli und den Menschen irgendwann, lange in der Vergangenheit, in verschiedene Linien aufgespalten – mehr zu diesem „Baum des Lebens“ in Kürze).

Die L4-Proteine ​​verschiedener Spezies gelten als homolog.

Unterschiedliche rRNAs in verschiedenen Organismen

Bakterien und Archaea besitzen drei verschiedene rRNAs, die manchmal als 5S-, 16S- und 23S-Formen bezeichnet werden. Das “S” in dieser Nomenklatur bezieht sich auf Svelberg-Einheiten, ein Maß für eine experimentelle Technik namens Sedimentation (siehe nächster Absatz für weitere Details dazu). Die 16S-rRNA ist die einzige rRNA in der kleinen Untereinheit des Ribosoms und wird daher manchmal als kleine Untereinheits-rRNA oder ss-rRNA bezeichnet. 5S und 23S sind beide Komponenten der großen Untereinheit des Ribosoms.

Die Sedimentation im Labor ist im Wesentlichen eine beschleunigte Form der Ablagerung von Partikeln, die bei der Sedimentbildung im See- und Meeresboden auftritt. Im Labor kann man den Prozess beschleunigen, indem man Proben in einer Zentrifuge sehr schnell (10 Tausend U/min) dreht. Um die Bestandteile einer Zelle wie die verschiedenen Teile des Ribosoms zu untersuchen, brechen die Forscher Zellen auf und drehen die Bestandteile dann in einem Röhrchen in einer Zentrifuge. Verschiedene Komponenten der Zelle setzen sich in verschiedenen Regionen des „Sedimentationsgradienten“ in der Röhre ab (wobei die spezifische Region einen Zahlenwert erhält – je höher die Zahl, desto weniger leicht bewegt sich etwas durch den Gradienten). Die genaue Region, in der sich etwas ansiedelt, basiert auf einer Kombination von Größe, Form und Dichte. Bei den meisten Bakterien und Archaeen siedeln sich die Hauptformen der ribosomalen RNA in den 5S-, 16S- und 23S-Regionen eines Sedimentationsgradienten an. Bei den meisten Eukaryoten siedeln sich die Hauptformen der ribosomalen RNA an leicht unterschiedlichen Regionen an und haben daher unterschiedliche Zahlenwerte (z. B. haben Menschen 5S, 5.8S, 18S und 28S und 40S und Archaeen, der 18S ist homolog zum 16S und der 28S ist homolog zum 23S.

3D-Struktur der 5S rRNA

Hauptmerkmale von rRNAs für die Phylogenetik

Die Funktion von rRNAs ist bei allen Spezies sehr ähnlich. Die Kernfunktion des Ribosoms ist bei verschiedenen Organismengruppen grundsätzlich gleich. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die rRNAs zwischen den Arten identisch sind. Die tatsächliche Sequenz der Nukleotide in rRNAs (und in den rDNA-Genen) variiert zwischen Spezies. Für unsere Zwecke gibt es drei Hauptmerkmale der Variation der rRNA-Sequenz zwischen den Spezies.

Zuerst falten sich die rRNA-Moleküle im Ribosom zu komplexen dreidimensionalen Formen. Die spezifische Form, die sie annehmen, ist zwischen den Arten hoch konserviert. Die lineare Nukleotidsequenz in jeder rRNA (auch als Primärsequenz bekannt) kann jedoch variieren, ohne die Funktion zu beeinträchtigen, da verschiedene Primärsequenzen im Wesentlichen in die gleiche Form gefaltet werden können.

Zweitens, wenn sich eine einzelne Spezies in zwei verschiedene evolutionäre Abstammungslinien aufspaltet, können sich Unterschiede in der Sequenz der rRNAs zwischen den beiden Abstammungslinien ansammeln. Biologen nennen den Prozess „Sequenzdivergenz“. Die Divergenz von rRNA-Sequenzen erfolgt im Allgemeinen sehr langsam (sie gehören zu den sich am langsamsten entwickelnden Genen, aber Veränderungen finden immer noch statt). Darüber hinaus bleiben die Struktur und Funktion der rRNAs im Allgemeinen zwischen den Spezies gleich (und Änderungen der tatsächlichen Struktur sind normalerweise tödlich).

Drittens entwickeln sich einige Regionen von rRNAs langsam (d. h. divergieren) und andere divergieren schnell. Einige Regionen sind in den meisten oder allen Taxa im Grunde gleich. Diese gemeinsame Sequenz hat es Forschern ermöglicht, eine spezielle Labormethode, die als Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bekannt ist, zu verwenden, um die Sequenzen von rRNAs von verschiedenen (und sogar unbekannten) Spezies zu lesen.

Hintergrundinformationen zur Proteinsynthese und zum Ribosom finden Sie hier.

Informationen zum Einsatz von rRNA-Sequenzen in der mikrobiellen Ökologie finden Sie hier.

Dieses Dokument wurde von microBEnet erstellt. Es wurde von Jonathan Eisen und David Coil geschrieben und von Elizabeth Lester mit Feedback von Hal Levin herausgegeben.


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A. RNA Diversity (www.hhmi.org, Multimedia Document) – Die RNA Diversity Click and Learn Präsentation enthält 13 Informationsfolien, die Sie anklicken können, um mehr über die verschiedenen Arten, Strukturen und Größen von RNA und viele Arten zu erfahren von Ribozymen.

B. RNA-Interferenz (www.hhmi.org, Multimedia-Dokument) – Die Click-and-Learn-Präsentation zu RNA-Interferenz enthält 16 Informationsfolien, die Sie anklicken können, um zu erfahren, wie doppelsträngige RNA die Wirkung von Gen-Silencing vermittelt, bekannt als RNA-Interferenz.

2. Genetic Science Learning Center der University of Utah: DNA zu Proteinen

A. Baue ein DNA-Molekül (learn.genetics.utah.edu, Multimedia-Seite)

Teil c


Arten von Ribonukleinsäure (RNA): mRNA, tRNA und rRNA

Es trägt die genetische Botschaft von den Chromosomen (DNA) zum Ribosom (Ort der Proteinsynthese). Diese RNA wird im Kern (oder der Kernzone bei Prokaryonten) gebildet und enthält eine komplementäre Basensequenz zu einem Teil eines DNA-Strangs (Gen).

Die Basensequenz in der mRNA gibt die Aminosäuresequenz in den Polypeptidketten an. In Prokaryonten kodiert ein einzelnes mRNA-Molekül entweder für eine Polypeptidkette, daher monocistronisch genannt, oder es kann für mehr als ein Polypeptid kodieren, daher polycistronisch genannt. In Eukaryoten sind die meisten mRNAs monocistronisch.

RNA-Typ # 2. Transfer-RNA (tRNA):

Es ist ein Adaptermolekül, das die in der mRNA kodierten Informationen liest und dementsprechend während der Proteinsynthese die entsprechende Aminosäure auf die wachsende Polypeptidkette überträgt. Für jede Aminosäure gibt es mindestens eine Art von tRNA. Einige Aminosäuren haben zwei oder mehr spezifische tRNAs. Mindestens 32 tRNAs sind erforderlich, um alle Aminosäurecodons zu erkennen (64 – 3 = 61).

Die meisten Zellen haben etwa 40-50 verschiedene tRNAs. Einige tRNAs können mehr als ein Codon erkennen (aufgrund von Wobbeln). tRNAs haben zwischen 73 und 93 Nukleotide in ihren Strukturen. Acht oder mehr Nukleotide sind ungewöhnliche modifizierte Basen, die methylierte Derivate der Hauptbasen sind. Die meisten tRNA’s haben Guanylat (pG) am 5′ Ende und haben die Basensequenz CCA am 3′ Ende.

Diese sind einzelsträngig und es gibt eine maximale Basenpaarung innerhalb der Kette, die ihm eine kleeblattförmige Struktur mit vier Armen verleiht.

Die vier Arme der tRNA sind:

(iii) Dihydrouridin-Arm (DHU-Arm) und

(iv) Ribothymidin-–-Pseudouridin-Arm (TΨC-Arm).

Der Aminoacylarm trägt eine spezifische Aminosäure, die mit seiner Carboxylgruppe an der 2′ oder 3′ Hydroxylgruppe des Adenosins am 3′ Ende der tRNA verestert ist. Der Anticodon-Arm enthält das Anticodon, d. h. eine Sequenz von drei Nukleotidbasen, die komplementär zum genetischen Code in der mRNA für diese bestimmte Aminosäure sind. Die beiden RNAs sind antiparallel gepaart, dh die erste Base des Codons (5′ → 3′) paart sich mit der dritten Base des Anticodons (3′ → 5′) und erzeugt eine Codon-Anticodon-Interaktion wie gezeigt .

Es gibt insgesamt 64 Codons, die durch Mehrfachkombinationen von drei beliebigen Nukleotidbasen von den vier Nukleotiden, die die Nukleinsäuren bilden, gebildet werden. Mindestens ein Codon spezifiziert eine Aminosäure und einige Aminosäuren haben mehr als ein Codon, aber die Anzahl der verschiedenen tRNAs für jede Aminosäure ist nicht so berühmt wie die Anzahl ihrer Codons.

Dies liegt daran, dass einige tRNAs das erste Anticodon-Nukleotid Inosinat (I) enthalten, das durch Wasserstoffbrücken mit drei Nukleotiden, nämlich U, C und A, Basenpaare bilden kann. Daher haben alle Aminosäurecodons, die sich am dritten Nukleotid unterscheiden, die gleiche tRNA. Dies wird als Wobbeln bezeichnet, d. h. es gibt sechs Codons für Arginin, aber nur vier verschiedene Arten von tRNA Ar g sind in der Zelle verfügbar. Eine dieser tRNAs enthält das Anticodon (3′) GCI (5′) und paart sich mit drei Codons für Arginin.

Die anderen drei Codons für Arginin, nämlich CGG, AGA und AGG, haben unterschiedliche tRNAs. Der DHU-Arm enthält das ungewöhnliche Nukleotid Dihydrouracil und der TΨC-Arm enthält Ribothymidin (T) und Pseudouridin (Ψ), die eine ungewöhnliche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen der Base und Pentosezucker aufweisen. Die Funktionen des DHU-Arms sind die Erkennung seiner richtigen Aminoacyl-tRNA-Synthetase und der TΨC-Arm ist an der Bindung der Aminoacyl-tRNA an die ribosomale Oberfläche beteiligt.

RNA-Typ # 3. Ribosomale RNA (rRNA):

Ribosomale RNA-Moleküle bilden in Verbindung mit Proteinen den Sitz der Proteinsynthese oder der Proteinsynthesemaschinerie, die als Ribosom bezeichnet wird. Die RNAs werden in Abhängigkeit von ihren Sedimentationskoeffizienten bezeichnet. Die in Prokaryoten gefundenen rRNAs sind 5S, 23S und 16S. Die in Eukaryoten gefundenen sind 5S, 18S, 28S und 5,8S. rRNA ist einzelsträngig mit Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der Kette.


Das Schicksal einer intervenierenden Sequenz-RNA: Exzision und Zyklisierung der ribosomalen RNA-Intervening-Sequenz von Tetrahymena in vivo

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Das zentrale Dogma der Biologie

Es gibt verschiedene Arten von RNA, die von der Zelle hergestellt werden. mRNA - Messenger-RNA ist eine Kopie eines Gens. Es fungiert als Photokopie eines Gens, indem es eine Sequenz aufweist, die zu einem Strang der DNA komplementär und mit dem anderen Strang identisch ist. Die mRNA fungiert als Busboy, um die in der DNA im Zellkern gespeicherten Informationen zum Zytoplasma zu transportieren, wo die Ribosomen sie zu Proteinen verarbeiten können.

tRNA - Transfer-RNA ist eine kleine RNA, die eine sehr spezifische Sekundär- und Tertiärstruktur hat, so dass sie an einem Ende eine Aminosäure und am anderen Ende mRNA binden kann. Es fungiert als Adapter, um die Aminosäureelemente eines Proteins an die geeignete Stelle zu transportieren, die von der mRNA kodiert wird.

rRNA - ribosomale RNA ist einer der strukturellen Bestandteile des Ribosoms. Es weist Sequenzkomplementarität zu Regionen der mRNA auf, so dass das Ribosom weiß, wo es an eine mRNA binden muss, aus der es Proteine ​​herstellen muss.

snRNA - kleine nukleäre RNA ist an der Maschinerie beteiligt, die RNAs verarbeitet, während sie zwischen Kern und Zytoplasma wandern. Wir werden diese später im Zusammenhang mit der eukaryotischen Genstruktur diskutieren.

Der genetische Code

Beachten Sie die Degeneration des genetischen Codes. Jede Aminosäure kann bis zu sechs Codons haben, die sie spezifizieren. Es ist auch interessant festzustellen, dass verschiedene Organismen unterschiedliche Häufigkeiten der Codon-Nutzung aufweisen. Eine Giraffe könnte CGC viel häufiger für Arginin verwenden als CGA, und das Gegenteil könnte für einen Pottwal der Fall sein. Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass einige Spezies von der oben beschriebenen Codon-Assoziation abweichen und unterschiedliche Codons für unterschiedliche Aminosäuren verwenden. Im Allgemeinen ist jedoch auf den abgebildeten Code Verlass.

Wie erkennen tRNAs, an welches Codon sie eine Aminosäure bringen sollen? Die tRNA hat an ihrem mRNA-bindenden Ende ein Anticodon, das komplementär zum Codon auf der mRNA ist. Jede tRNA bindet nur die entsprechende Aminosäure für ihr Anticodon.


Schau das Video: What Is 16s rRNA sequencing? (Juni 2022).


Bemerkungen:

  1. Jadarian

    es kann einen Raum schließen ...

  2. Abdul-Bari

    Dieser großartige Gedanke fällt übrigens

  3. Sucki

    Was kann er im Sinn haben?

  4. Fegami

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