Grundbegriffe der Genetik: Mendel, Allele & Vererbung

1. Grundbegriffe der Genetik

Merkmal (Trait) ist eine Funktion eines Organismus, die von Generation zu Generation weitergegeben wird.

Gen: Eine Einheit des Erbmaterials, die ein Stück Information enthält; wenn sie exprimiert wird, bewirkt sie ein bestimmtes Merkmal.

Genotyp: Die spezifische Gruppe von Genen in einer Zelle für einen bestimmten Merkmalssatz, also die genetische Ausstattung eines Organismus.

Phänotyp: Die Gesamtheit der beobachtbaren Eigenschaften eines Organismus. Der Phänotyp ist die nachweisbare Manifestation eines bestimmten Genotyps.

Allel: Eine der alternativen Formen eines Gens, die ein Merkmal steuert. Ein Individuum besitzt für ein bestimmtes Merkmal in der Regel zwei Allele.

Homozygot: Ein Individuum mit identischen Allelen für ein bestimmtes Merkmal. (Auch Reinzucht genannt.) Alle Gameten sind in Bezug auf dieses Merkmal identisch.

Heterozygot: Ein Individuum mit zwei verschiedenen Allelen für ein bestimmtes Merkmal. (Auch Hybrid genannt.)

Nach der Anzahl der betrachteten Merkmale können Kreuzungen unterschiedlich bezeichnet werden:

• Monohybrid: Hybrid aus Reinzuchteltern, die sich nur in einem erblichen Merkmal unterscheiden. Sie produzieren zwei verschiedene Gametentypen.
• Dihybrid: Hybrid aus Reinzuchteltern, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden. Sie können vier verschiedene Gametentypen bilden.
• Polyhybrid: Hybrid aus Reinzuchteltern, die sich in mehr als zwei Merkmalen unterscheiden. Sie können 2^n verschiedene Gametentypen produzieren (n = Anzahl der Hybridmerkmale).

Dominantes Allel: Eine Allelform, die die Erscheinung einer anderen Allelform in heterozygoten Organismen überdeckt.

Rezessives Allel: Eine Allelform, deren Erscheinung in heterozygoten Organismen von einem dominanten Allel maskiert wird.

Kodominante Allele: Allele, die in heterozygoten Individuen gleich stark zum Phänotyp beitragen, sodass beide Merkmalsformen nebeneinander sichtbar sind.

Unvollständige Dominanz (Zwischenforma-Vererbung): Der Phänotyp der Heterozygoten liegt zwischen den beiden homozygoten Phänotypen und zeigt eine intermediäre Ausprägung.

2. Die frühen Studien in der Genetik

Der erste Wissenschaftler, der systematisch die Vererbung von Merkmalen über Generationen untersuchte, war Gregor Mendel.

Er verwendete Erbsenpflanzen (Pisum sativum) in seinen Versuchen; diese lassen sich sehr gut künstlich bestäuben und besitzen verschiedene Merkmale, die klar unterscheidbare alternative Formen zeigen.

Er wandte statistische Techniken zur Auswertung der Ergebnisse an und leitete daraus ab, dass bestimmte Vererbungsfaktoren existieren, die über Generationen weitergegeben werden (heute als Gene bezeichnet).

Seine Ergebnisse werden in Form seiner drei Mendelschen Gesetze zusammengefasst.

2.1. Die Mendelschen Gesetze

Erstes Mendelsches Gesetz (Uniformitätsgesetz): Kreuzt man zwei reinerbige Individuen, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Nachkommen der ersten Generation (F1) in Genotyp und Phänotyp uniform (gleich).

Zweites Mendelsches Gesetz (Spaltungsgesetz): Kreuzt man zwei Individuen der F1-Generation miteinander, erscheinen in der F2-Generation zwei oder mehr Phänotypen in definierten Verhältnissen (z. B. 3:1 bei dominant-rezessiver Vererbung).

Drittes Mendelsches Gesetz (Unabhängigkeitsgesetz): Werden Individuen gekreuzt, die sich in mehr als einem Merkmal unterscheiden, werden die Merkmale in der Regel unabhängig voneinander vererbt (sofern die Gene auf verschiedenen Chromosomen liegen oder weit genug auseinander).

Zusammengefasst lässt sich sagen:

• Für jedes Merkmal gibt es zwei Faktoren (je einen von jedem Elternteil).
• Bei der Gametenbildung geht jeweils nur ein Faktor in die Gameten ein.
• Bei unterschiedlichen Faktoren für ein Merkmal maskiert der dominante Faktor den rezessiven.
• Faktoren für verschiedene Merkmale werden in der Regel unabhängig voneinander vererbt.

3. Spezielle genetische Fälle

Manche Vererbungsfälle folgen nicht exakt den einfachen Mendelschen Regeln und führen zu abweichenden phänotypischen Verhältnissen, weil komplexere Mechanismen beteiligt sind.

3.1. Multiple Allele

Über 70 % unserer Gene sind monoallel, d. h. wir besitzen für dieses Merkmal in der Population nur ein relevantes Allel oder nur eine Allelfunktion. Etwa 30 % sind di-allel (zwei mögliche Allele), wie bei Mendels Experimenten. Nur wenige Gene sind polyalllel (mehr als zwei verschiedene Allele in der Population, wobei ein Individuum höchstens zwei Allele besitzen kann). Dies nennt man multiple Allele. Ein Beispiel dafür ist das ABO-Blutgruppensystem.

3.2. Geninteraktion

Geninteraktion tritt auf, wenn ein Allelpaar die Expression eines anderen Allelpaars beeinflusst. Beispielsweise kann eine Person mit zwei Allelen für Albinismus weiße Haut haben, obwohl sie andere Gene für dunklere Haut besitzt, weil das Gen für die Melanin-Synthese die Expression der anderen Gene überlagert.

3.3. Lethale Gene

Ein lethales Gen verursacht vorzeitigen Tod: wenn es dominant wirkt, kann bereits ein einzelnes Allel tödlich sein; ist es rezessiv, ist die tödliche Wirkung oft erst in homozygoter Kombination ausgeprägt. Lethale Gene verändern erwartete phänotypische Verhältnisse, weil bestimmte Genkombinationen nicht überleben und deshalb in der Nachkommenschaft fehlen.

3.4. Quantitative Vererbung

Im Gegensatz zur qualitativen Vererbung, bei der die möglichen Phänotypen klar abgrenzbar sind, tritt quantitative Vererbung auf, wenn ein Merkmal viele graduelle Phänotypen zeigt, die entlang eines kontinuierlichen Bereichs variieren (z. B. die menschliche Hautfarbe). Solche Merkmale werden nicht von einem einzigen Allelpaar kontrolliert, sondern von zahlreichen Genpaaren (z. B. wird die Hautfarbe beim Menschen von mindestens drei oder mehr Genpaaren beeinflusst).

4. Genort

Obwohl Mendels Faktoren als Teilchen gedacht wurden, konnte Mendel ihre zelluläre Lokalisation nicht nachweisen. Später verknüpften Wissenschaftler Gene mit Chromosomen und erklärten so Mendels Regeln auf molekularer Basis.

4.1. Chromosomentheorie der Vererbung

Mehrere Forscher wie Boveri, Sutton und Morgan zeigten, dass die Vererbung genetischer Merkmale mit dem Verhalten der Chromosomen bei Mitose und Meiose zusammenhängt. Die Chromosomentheorie der Vererbung lässt sich zusammenfassen:

• Gene liegen entlang der Chromosomen. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA in einem Chromosom (es gibt viel mehr Gene als Chromosomen).
• Jedes Gen ist an einem bestimmten Ort (Locus) lokalisiert. Die Gene sind in einer bestimmten, festen Reihenfolge entlang der Chromosomen angeordnet.
• Zwei Allele für ein bestimmtes Merkmal befinden sich an entsprechendem Ort auf zwei Chromosomen gleicher Größe und Ausstattung, den sogenannten homologen Chromosomen.

4.2. Gekoppelte Gene

Mendels drittes Gesetz gilt nicht, wenn sich Gene auf demselben Chromosom befinden. Solche Gene nennt man gekoppelte Gene und sie werden meist gemeinsam vererbt. Man unterscheidet:

• Unabhängige Gene: liegen auf verschiedenen Chromosomen und werden unabhängig vererbt.
• Gekoppelte Gene: liegen auf demselben homologen Chromosomenpaar und werden in der Regel gemeinsam vererbt; Crossing-over kann sie jedoch beeinflussen.
• Gekoppelte Gene mit Rekombination: liegen ebenfalls auf demselben Chromosom, können aber durch Crossing-over getrennt werden. Dadurch entstehen neue Kombinationen von Allelen (Rekombination), eine Art Gen-Shuffling.

4.3. Chromosomenkartierung

Eine Chromosomenkarte ist eine grafische Darstellung der Positionen von Genen auf Chromosomen. Karten kann man durch Beobachtung von Rekombinationshäufigkeiten erstellen: Die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination zwischen zwei Orten ist direkt proportional zum Abstand zwischen ihnen auf dem Chromosom.

5. Sexuelle Vererbung

Es werden zwei Aspekte unterschieden: Geschlechtsbestimmung (wie das Geschlecht festgelegt wird) und geschlechtsgebundene Vererbung (Merkmale, die auf Geschlechtschromosomen liegen).

5.1. Geschlechtsbestimmung

Die Geschlechtsbestimmung ist ein biologisches System, das die Entwicklung von Geschlechtsmerkmalen in einem Organismus steuert. Bei Tieren kann das Geschlecht auf verschiedene Weisen bestimmt werden:

a) Genetische Geschlechtsbestimmung

Das Geschlecht ist genetisch determiniert. Es gibt mehrere Systeme:

• XX/XY-System (z. B. bei Säugetieren): Es gibt zwei Geschlechtschromosomen X und Y. Individuen mit zwei gleichen Geschlechtschromosomen (XX) sind weiblich; mit zwei verschiedenen (XY) sind männlich. Das Y-Chromosom trägt oft Gene für männliche Merkmale; das X-Chromosom enthält zahlreiche Gene für weibliche und nicht geschlechtsgebundene Merkmale.
• ZZ/ZW-System (z. B. bei Vögeln): Das System ist umgekehrt zum XX/XY-System. Es gibt Z und W; ZZ ist männlich, ZW ist weiblich.
• XX/X0-System (z. B. bei manchen Insekten): Es gibt nur ein Geschlechtschromosomentyp X. Individuen mit zwei X sind weiblich; Individuen mit nur einem X (X0) sind männlich.
• X-zu-Autosomen-Verhältnis: In einigen Fällen (z. B. Drosophila melanogaster) hängt das Geschlecht vom Verhältnis der Anzahl der X-Chromosomen zur Anzahl der Chromosomensätze (Autosomen) ab.
• Haplodiploidie: Bei manchen Insekten (Bienen, Ameisen, Wespen) sind diploide Individuen weiblich, haploide Individuen männlich. Ein befruchtetes Ei entwickelt sich zu einer weiblichen Nachkommenschaft; eine unbefruchtete Eizelle entwickelt sich zu einem männlichen Nachkommen.

b) Umweltabhängige Geschlechtsbestimmung

Hier wird das Geschlecht nicht primär durch Gene oder Chromosomen bestimmt, sondern durch Umweltfaktoren:

• Bei einigen Reptilien (z. B. Krokodilen und Schildkröten) entscheidet die Temperatur der Eier während einer bestimmten Entwicklungsphase über das Geschlecht.
• Bei manchen Fischen kann sich das Geschlecht im Laufe des Lebens ändern; junge Tiere können später männlich oder weiblich werden (sequentielle Hermaphroditen).

5.2. Geschlechtsgebundene Vererbung

Geschlechtsgebundene Vererbung tritt auf, wenn Gene auf den Geschlechtschromosomen liegen. Da Männchen und Weibchen unterschiedliche Geschlechtschromosomen haben, zeigen geschlechtsgebundene Gene geschlechtsspezifische phänotypische Verhältnisse.

• X-chromosomale Vererbung: Tritt auf, wenn ein Gen auf dem X-Chromosom liegt. Frauen können homozygot oder heterozygot für ein X-gebundenes Allel sein; heterozygote Frauen können Träger des rezessiven Allels sein, ohne phänotypisch betroffen zu sein. Männer besitzen nur ein X und können daher solche rezessiven Allele unmittelbar exprimieren und sind keine klassischen Träger.
• Y-chromosomale Vererbung: Tritt auf, wenn ein Gen auf dem Y-Chromosom liegt. Diese Gene kommen bei Frauen nicht vor. Nur sehr wenige Gene sind auf dem Y-Chromosom angesiedelt; eines davon beeinflusst z. B. das Wachstum der Ohrbehaarung (aurikuläre Hypertrichose).

6. Mutationen

Eine Mutation ist eine Veränderung im genetischen Material. Theoretisch sollte die Weitergabe der genetischen Information von Generation zu Generation fehlerfrei erfolgen, doch gelegentlich entstehen Fehler bei der Replikation (Muta-tionen).

Mutationen bilden das Rohmaterial für natürliche Selektion und Evolution, da sie neue genetische Variationen erzeugen, auf die Selektionsprozesse wirken können.