Klassische Genetik

Klassische Genetik
Mendelsche Genetik, Kopplung und genetische Kartierung
Es ist praktisch beispiellos, dass die Gründung einer wissenschaftlichen Disziplin ist mit
einem bestimmten Person gekoppelt, wie Genetik und Gregor Mendel. Er hat es richtig
beschlossen, dass nur eines von zwei alternativen Elementen in Keim- und Pollenzellen
enthalten ist, und bei der Befruchtung diese beiden Zelltypen zufällig kombiniert werden.
Mendel führte seine Versuche mit der Gartenerbse durch. Die Gartenerbse ist ein Zwitter, mit
weiblichen (Eizelle) und männlichen (der Pollen) Geschlechtsorgane, damit
Selbstbefruchtung und gezielte Befruchtung sind möglich. Zusätzlich, klassifizierte er nicht
nur die Merkmale der Nachkommen, sondern ermittelte - als erster - quantitativ die Anteile
der verschiedenen Klassen. Er hat sorgfältig reine Linien ausgewählt, welche ihre Merkmale
nach Selbstbefruchtung von Generation bis Generation unveränderlich aufwiesen. Die sieben
Merkmal-Paare waren die folgenden: Samen runder-runzlig; Samenfärbung gelb-grün;
Blütenfärbung lila-weiss; Hülse gewölbt-runzlig; Farbe der Hülse grün-gelb;
Blütenstellung Achsen-endständig; Achsenlänge kurz-lang. Dann kreuzte er die Pflanzen
paarweise, die sich in einem Merkmal unterschieden (runder X runzlig, gelb X grün, usw.,
Abb. 1). Die F1 Bastarde aus der Kreuzung reiner Linien waren untereinander gleich, und es
spielte keine Rolle, von welchem Elternteil das Merkmal vererbt wurde (Das Uniformitätsund Reziprozitätsgesetz, Abb. 2).
Die F2 Generation entstand nach Selbstbefruchtung. Die F2 Individuellen sind unter sich
nicht gleich, sondern es spalten die verschiedenen Erscheinungsformen (Phänotypen) heraus.
Das Phänotypische Verhältnis dominant:rezessiv ist 3:1 (Abb. 2). Dieses Verhältnis auf
phänotypische Ebene wird aufgelöst in ein 1:2:1 genotypisches Verhältnis wie homozygot
dominant: Heterozygot: homozygot rezessive (Abb. 4, das Spaltungsgesetz). Eine Form der
Darstellung genetischer Kreuzungen ist das sog. Kreuzungsquadrat oder Punett-Quadrat (Abb.
4). Der Name der Gene und deren Symbole sind kursiv geschrieben, wie z.B. das
menschliche Gen sterile alpha and TIR motif containing 1 oder SARM1. Dominante/rezessive
Allele unterscheiden sich mit grossen/kleinen Buchstaben wie A/a (Abb. 4).
Bei Zwitter-Pflanzen die Feststellung des Genotyps der F2 Generation ermöglicht die
Selbstbefruchtung. Die A/A oder a/a Homozygoten ergeben phänotypisch und genotypisch A
oder a Nachkommen, aber die A/a Heterozygoten weisen eine 3:1 phänotypische und 1:2:1
genotypische Spaltung auf (Abb. 4). Bei der Mehrheit der Tieren Selbstbefruchtung ist
unmöglich. Eine der genotypischen Analysen der phänotypisch A Nachkommenschaft bietet
die sg. Test-Kreuzung (testcross) an. Man verwendet in dieser Kreuzung einen Elternteil,
der/die homozygot rezessiv ist. Die Darstellungen der A/a X a/a und A/A X a/a Kreuzungen
in dem Punett-Quadrat ist wie folgt:
Gameten
A
a
a
¼ A/a
¼ a/a
a
¼ A/a
¼ a/a
Die Hälfte der Nachkommenschaft phänotypisch A und genotypisch A/a, die andere Hälfte
geno- und phänotypisch a/a wird.
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Die A/A X a/a Kreuzung ergibt total andere Ergebnisse:
Gameten
A
A
a
¼ A/a
¼ A/a
a
¼ A/a
¼ A/a
Die entstehende Nachkommenschaft ist uniform, phänotypisch A und genotypisch A/a (Abb.
5).
In einer Dihybridkreuzung jedes Merkmalspaar wird nach dem 2. Gesetz vererbt, und zwar
unabhängig von anderen Merkmalspaaren (3. Gesetz, das Unabhängigkeits- oder
Rekombinationsgesetz, Abb. 6). Insgesamt ergibt sich ein Zahlenverhältnis von 9:3:3:1 für die
vier auftretenden Phänotypen (Abb. 6). Die Mendelschen Gesetze sind universal, unabhängig
von Organismen. Ein Beispiel des dritten Gesetzes stellen die Abb.-en 7 und 8 dar.
T.H. Morgan fand ein weissäugiges Drosophila-Männchen unter den sonst rotäugigen
Fliegen, und es gelang ihm, einen Stamm mit weissäugigen Fliegen der Mutante white zu
züchten. Kreuzung der w+ Wildtyp-Weibchen mit w-Männchen ergab uniform rotäugige
Fliegen. In der reziproken Kreuzung erwarten wir das selbe Ergebnis, finden aber, dass die
Nachkommenschaft phänotypisch nicht uniform ist: Die Töchter haben rote, die Söhne aber
weisse Augen. Also, das Ergebnis verletzt das Uniformitäts- und Reziprozitätsgesetz. Aber
die Lage ist nicht so. Gene werden auf den Chromosomen verteilt, und Diploiden tragen zwei
homologe Chromosomen, die dieselben Gene enthalten, die Autosomen, ausser Männchen
mit X –Y Geschlechtsbestimmung. Die sind hemizygot für X-Chromosom koppelte Gene, da
auf dem Y Chromosom fast alle anderen Gene des X-Chromosoms fehlen (Abb. 9).
Die Anzahl der monogenischen vererbten autosomalen menschlichen Krankheiten liegt in der
Höhe von ~7000. Die überwiegende Mehrheit der Krankheiten einen rezessiven Erbgang hat.
Brachy- und Polydaktylie betreffen die Finger der Hände und die Zehen der Füsse, und beide
weisen einen dominanten Erbgang auf (Abb.–en 10, 11). Die Expressivität der Polydaktylie
kann unterschiedlich sein; einige mutationsträgenden Patienten entwickeln 0, einige 4
betroffene Extremitäten (extra Finger oder Zehe,).
Die häufigste autosomal rezessive Erkrankung der Kaukasischen Bevölkerung ist die
zystische Fibrose (Mukoviszidose). Die betrifft 1 zu 2500 Neugeborene; die
Heterozygotenhäufigkeit ist 1/25 in Mitteleuropa. Als Symptom der Erkrankungen ist die
Obstruktion der Drüsenausführungsgänge von hochviskösem Sekret, insbesondere in der
Lunge. Die Folge ist Sekundäre Zystenbildung und Fibrose der Gewebe. Das Gen kodiert
einen Chlorid-Kanal. Die häufigste Mutation ist die Deletion des Tripletts CTT, und
Phenylalanin 508 auf Protein-Ebene. Man spekuliert, dass die Heterozygoten einen
Selektionsvorteil während der Pestseuchen hatten, damit die Anhäufung entstehen können
hätte (Abb. 12).
In bestimmten Populationen seltene genetische Erkrankungen weit häufiger sein können als in
der allgemeinen Population. Ein Beispiel dafür ist die Tay-Sachs Erkrankung der AshkenazyJuden, unter den die Häufigkeit 1:3000 ist. Die Symptome der Erkrankung sind
Makrozephalie, mentale Retardierung, und Dezerebration (Funktionsverlust des Gehirns). Die
Symptome der Erkrankung ist die Folge eines Enzymdefekts, nämlich -Hexosaminidase A,
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B. Heterozygosität kann auf DNA-Ebene nachgewiesen werden, als das Enzymspiegel der
Heterozygoten ist nicht immer unbedingt 50 % (Abb. 13).
Sichelzellanämie ist am längsten bekannte Hämoglobinopathie. Basenpaarsubstitutionen in
dem haemoglobin S (HBS) Gen verändern die Löslichkeit des Hämoglobins. Das HBS Protein
polymerisiert in Filamente von hohem molekularem Gewicht, welche sich zu Faserbündeln
assoziieren. Diese verformen die Erythrozytenmembran in charakteristischer Weise zu
Sichelzellen. Sichelzellanamie ist in Afrika häufig. Der Grund für die hohe Frequenz ist eine
Selektionsvorteil gegen Malaria tropica (Abb. 14).
Hämophilie ist eine klassische X-chromosomal-rezessive Erkrankung. Bei etwa 85 % der
Hämophilienfamilien befindet sich einen Mangel an antihämophilem Globulin A, Faktor VIII
(Hämophilie A), bei etwa 15 % einen Mangel an antihämophilem Globulin B, Faktor IX
(Hämophilie B). Die Gerinnungsstörung führt zu bedrohlichen Blutungen bei Verletzungen.
Es treten schmerzhafte tiefe Hämatome der Muskulatur auf. Das Faktor VIII Gen ist 200 kb
gross und kodiert für 2351 Aminosäuren. Bei der schwer betroffenen Patienten tritt eine
micro-Inversion innerhalb der Promotorregion und im Intron 22. Der Erbgang ist typisch XChromosom-gekoppelt: Die heterozygotischen Frauen sind Konduktorinnen und weitergeben
das Mutation-trägende X Chromosom an Hälfte ihrer Söhne, die hemizygot für XChromosom sind (Abb.-en 15-18).
Die Darstellung eines menschlichen Stammbaums erfolgt nach bestimmten Regeln wie die
Generationenfolge, das Geschlecht und das berücksichtigte Merkmal. Die Vererbung
dominanter Kraushaarigkeit stellt Abb. 19 dar.
Sind zwei Gene auf verschiedene Chromosomen lokalisiert, oder gehören sie einem
Chromosom, einer Kopplungsgruppe an? Wir können diese Frage mit Hilfe einer
Rückkreuzung, oder Test-Kreuzung beantworten. In diesem Fall ein Elternteil für beide
rezessiven Allele homozygot ist. Im Fall der freien kombinierbarkeit von vg und e sind unter
den Eiern die beiden nicht rekombinanten und die beiden rekombinanten Typen jeweils gleich
häufig. Da das Test-Männchen nur einen Typ von Spermien mit den beiden rezessiven allelen
produziert, wird der Genotyp der Eizellen direkt als Phänotyp der Nachkommen sofort
sichtbar, und zwar als 1:1 Verhältniss von Nicht-rekombinanten : Rekombinanten (Abb. 20).
Diesen Typ der Rekombination nennen wir interchromosomal.
Bei genetischer Kopplung ist das Phänotypergebnis einer Test-Kreuzung ähnlich dem der
Nichtkopplung. Der Unterschied liegt in den Anteilen von nicht rekombinanten und
rekombinanten. Die beiden Nicht-Rekombinanten und Rekombinanten sind untereinander
gleich häufig. Der Anteil der Rekombinanten an der Nachkommenschaft spiegelt die
Crossoverhäufigkeit wieder: Je ferner zwei Gene zueinander liegen, desto häufiger tritt die
Rekombination auf (Abb. 21). DiesenTyp der Rekombination nennen wir intrachromosomal.
Die Eigenschaften der intrachromosomalen Rekombination ermöglichen die Bestimmung der
Positionen der Gene auf die Chromosomen. Die Rekombinationenhäufigkeit zwischen den pr
und vg Gene ist 10.7 % (Abb. 22). Dies bekommen wir wenn die Anzahl der Rekombinanten
(151+154=305) dividieren mit der Anzahl der Nachkommenschaft (Rekombinanten und
Nicht-Rekombinanten, 2839) und multiplizieren mit 100: 305/2839x100=10.7 %, 10.7
Kartenenheit, 10.7 centiMorgan, cM. Ein cM ist die Einheit der Genetischen Karte, und ist der
Abstand zweier Gene, zwischen den die Rekombinationenhäufigkeit 1 % ist.
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Der Abstand zwischen zweier Gene kann so gross sein, dass eine 50 prozentige
Rekombinationshäufigkeit auftritt, wie bei der interchromosomalen Rekombination. In
diesem Fall können wir es schwer entscheiden, mithilfe eines statistischen Tests, ob die zwei
Gene auf dasselbe, oder auf separierte Chromosomen liegen. Normalerweise kartieren wir die
Gene mit einem Abstand von 1-10 cM, und stellen deren Abstand nacheinander dar. Dieses
Verfahren spiegelt eine weitere Eigenschaft der genetischen Karte, und zwar ihre Additivität
wieder. Wie es schon erklärt wurde, der Grund der genetischen Kartierung ist die
Rekombinationenhäufigkeit. Grosse Chromosomen können eine Karte über 100 cM
beherrschen, weil die Karte kleiner Chromosomen in der Höhe von ein paar cM liegt.
Der Ort eines Gens (Genlocus, auf Englisch: locus, mehrzahl loci) und die Reihenfolge der
Gene auf das Chromosom ist genau bestimmt. Die Gene folgen nacheinander als Perle einer
Kette. Die genetische Karte zeigt ihren relativen Abstand, und allgemein, die genetische
Organisation eines Chromosoms (Abb. 23). Weshalb, die klassische genetische Kartierung
auch heutzutage eine grosse Beduetung hat, z.B. bei der Bestimmung eines unbekannten
menschlichen Gens, welches eine genetische Erkrankung verursacht. In der post-genomischer
Zeit die Nukleotidsequenz mehrerer Genome, einschließlich menschliches, bietet eine
hochgenaue genetische Karte an, wie ein Teil der Karte des menschlichen Chromosoms 11, in
Vergleich mit der syntänischen Regionen der Ratte und Maus (Abb. 24).
Wichtige Begriffe:
Allel
Zystische Fibrose
Genlokus
Brachydaktylie
Wild-typ Allel
Polydaktylie
Genotyp
Stammbaumanalyse
Phenotyp
Konduktor
Heterozygot
Dystrophin
Homozygot
Lesch-Nyhan syndrome
Hemizygot
Muscular dystrophie
Dominant
Hemophilie
Rezessiv
Sichelzellanämie
Hybrid
genetische Rekombination
Uniformitatsregel von Mendel
Kopplungsgruppe
Segregationsregel von Mendel
rekombinante Nachkommen
Unabhängigkeitsregel von Mendel
genetische Kartierung
Punnet Tabelle
centi Morgan (cM)
Kodominant Vererbung
Mitosis
Geschlechtgekoppelte Vererbung
Meiosis
Test-Kreuzung
Weiterführende Materialen im Buch Purves: Kapitel 12.1, 12.4, 12.5
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