3 Mutation & Genetische Variabilität

GENETIK
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis _________________________________________________________ 1
1 Erbgänge ______________________________________________________________ 2
1.1
1.2
2
Genome _______________________________________________________________ 3
2.1
2.2
3
Allgemein _____________________________________________________________
Allestorische Hemmung _________________________________________________
Enzyminduktion _______________________________________________________
Einfluss des Milieus auf den Phänotyp ____________________________________
6
6
6
7
Pholygenetische Verwandschaft __________________________________________ 7
Synthetische Evolutionstheorie __________________________________________ 7
7.1
7.2
8
Allgemein _____________________________________________________________ 5
Anwendungsbeispiel ___________________________________________________ 5
Genregulation & Genexpression __________________________________________ 6
5.1
5.2
5.3
5.4
6
7
Mutation ______________________________________________________________ 3
Crossing-Over __________________________________________________________ 4
Genetische Variabilität __________________________________________________ 4
Populationsgenetik _____________________________________________________ 5
4.1
4.2
5
Prokaryoten ____________________________________________________________ 3
Eukaryoten ____________________________________________________________ 3
Mutation & Genetische Variabilität ______________________________________ 3
3.1
3.2
3.3
4
Stammbäume und Interpretation _________________________________________ 2
Genkopplung __________________________________________________________ 2
Allgemein _____________________________________________________________ 7
Selektion ______________________________________________________________ 8
Begriffe _______________________________________________________________ 9
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13.05.2016
1
Erbgänge
1.1
Stammbäume und Interpretation
1.2
Genkopplung
Gene werden gekoppelt vererbt, wenn sie auf demselben Chromosom „in einer gewissen
Nähe“, d.h. nicht zu weit voneinander entfernt, vorhanden sind. Allgemein nennt man alle
Gene eines Chromosoms eine Kopplungsgruppe. Der Mensch mit seinen 23 +1
Chromosomen hätte demnach 24 Kopplungsgruppen.
Je näher zwei Gene zusammenliegen, desto eher
werden Sie wie die der Eltern (ohne Crossingover)
vererbt. Wir können diese Aussage quantifizieren,
indem wir die Austauschhäufigkeit theta (q)
definieren:
q = (Anzahl der rekombinanten Gene auf dem
Chromosom) / (Gesamtzahl der Gene des
Chromosoms).
Theta muß im Bereich 0 bis 0.5 liegen. Ein Wert von 0
bedeutet, die Gene liegen so nahe zusammen, daß nie
Crossingover geschieht, ein Wert von 0.5 bedeutet, daß
die Gene nicht gekoppelt sind. (Das Maximum 0.5 und
nicht 1 kommt daher, daß Crossingover nach der DNAReplikation stattfindet und beinhaltet nur 1 Chromatid
pro Chromosom.)
Durch Genkopplungen wurde klar, dass die dritte Mendelsche Regel nur unter einer der
folgenden Bedingungen: Die Gene sind auf unterschiedlichen Chromosomen oder
die Gene liegen auf einem Chromosom, sind aber weit auseinander.
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2
Genome
2.1
Prokaryoten
Prokaryoten wie Bakterien haben einen einfachen Zellaufbau. Die DNS liegt als
Bakterienchromosom frei im Zellplasma. Die Transkription verläuft bei ihnen sehr schnell:
Mit der Geschwindigkeit von ca. 2500 Nukleotiden pro Minute werden Teile der DNS in mRNA umgeschrieben. Diese m-RNA wird nun ohne jede Veränderung von mehreren
Ribosomen hintereinander abgelesen. Nach ca. einer halben Minute ist ein Protein
entstanden. Das entstandene Protein wird aber nach wenigen Minuten bereits wieder
abgebaut. Diese kurze Lebensdauer ist sehr wichtig, da dadurch eine schnelle Reaktion auf
Umwelteinflüsse möglich ist.
2.2
Eukaryoten
Bei Eukaryoten verläuft die
Proteinsynthese nicht genau
gleich wie bei den
Prokaryoten. Die
Transkription hat denselben
Ablauf. Doch bevor es zur
Translation kommt, wird die
m-RNA prozessiert: Die mRNA ist zunächst ungleich
länger als bei den
Prokaryoten. Sie ist länger als
es das codierte Protein
erfordern würde. Nur einige
Abschnitte der m-RNA, die
Exons, enthalten die
Informationen für das
Protein. Dazwischen liegen
die „leeren“ (für das Protein nicht erforderliche Informationen) Abschnitte, die Introns. Die
Introns werden an vorbestimmten Stellen exakt herausgeschnitten und die Exons
miteinander verbunden. Diesen Vorgang nennt man Spleissen. Der Grund, weshalb dieses
Spleissen nicht auch bei den Prokaryoten passiert, ist, weil den Prokaryoten die dafür
nötigen Enzyme fehlen. Die Eukaryoten können m-RNA’s verschieden spleissen, d.h.
verschiedene Exons kombinieren. Dadurch entstehen auch verschiedene m-RNA’s. Durch
das gleiche Gen können verschiedene Proteine codiert werden.
3
Mutation & Genetische Variabilität
3.1
Mutation
Genmutationen sind Veränderungen des Erbguts, die sowohl in Keimzellen als auch in
normalen Körperzellen auftreten können. Also einfach gesagt: Eine Änderung in der
DNA
Mutationen geschehen während der Replikation. Man unterscheidet zwischen zwei
verschiedenen Mutationen:
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13.05.2016
-Punktmutation: Eine Base eines Gens wird gegen eine
andere ausgetauscht oder in eine andere verändert, die
Punktmutation betrifft also nur eine einzige Base der
DNA. Folglich werden auch immer falsche Proteine
gebildet, auf Grund der dann falschen m-RNA Sequenz,
die dann einen falschen Bauplan des Proteins beinhält.
-Rastermutation: In ein Gen wird eine zusätzliche Base
eingefügt (Insertion) oder es geht eine Base verloren
(Deletion). In beiden Fällen wird das Triplett-Leseraster der m-RNA verschoben. Folglich
resultiert dann bei der Proteinsynthese ein völlig verändertes Protein. Zudem unterscheidet
man:
-Chromosomenmutation: Veränderungen der Form und Struktur des Chromosoms. Darunter
findet man die Rastermutation.
-Genommutation: Veränderung der Chromosomenanzahl, Bsp: Trisomerie 21
Mutationen finden immer zufällig und ungesteuert statt. Da Proteine, vor allem die Enzyme,
hoch spezialisierte Werkzeuge der Zelle sind, wird eine zufällige ungerichtete Änderung der
DNA mit grösster Wahrscheinlichkeit die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen oder ganz
unmöglich machen. Die meisten Mutationen sind rezessiv, sie sind also phänotypisch nur
erkennbar, wenn sie im homozygoten Zustand vorliegen. Mutationen werden durch die
Keimzellen an die Nachkommen weitergegeben, ca. 10 bis 40 % aller Keimzellen des
Menschen dürften eine Mutation aufweisen. Sie können unterschiedlichster Art sein, es kann
eine Veränderung vorliegen in der Anzahl der Chromosomen, in der Struktur eines
Chromosoms oder in einem Gen.
Mutationen sind für die Entstehung von genetischer Variabilität in Individuen und somit
auch in Populationen ursächlich verantwortlich. Für Organismen mit sexueller
Fortpflanzung spielen meiotische Mutationen und Rekombination die entscheidende Rolle
für die genetische Variabilität, da Veränderungen sich direkt auf Nachkommen auswirken
und sich in einer Population etablieren können. Mutationen und Rekombination beruhen auf
Zufallsereignissen. Mutationen sind quasi der Motor der Evolution, da sie neue Allele
erzeugen.
3.2
Crossing-Over
Unter einem Crossing-Over versteht man einen Faktoren- oder
Stückaustausch, der zwischen zwei homologen Chromosomen
während der Meiose stattfindet.
Die in der Meiose auftretenden Überkreuzungen von
Chromatiden werden als Chiasma bezeichnet.
Fall A: Die Chromatide überkreuzen sich und werden unter
Ausbildung eines Crossing-Overs getrennt.
Fall B: Zuerst findet zwischen zwei Nicht-SchwesterChromatiden ein Crossing-Over statt. Bei der nachfolgenden
Trennung treten aufgrund der Paarung homologer
Chromatiden Chiasmata auf.
3.3
Genetische Variabilität
Variabilität in erblichen Merkmalen gilt als Vorraussetzung für die Anpassungsfähigkeit von
Tier- und Pflanzenbeständen an ihre sich ständig ändernde Umwelt (Mayr, 1967). Die
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13.05.2016
genetische Variabilität innerhalb von Populationen und die genetische Differenzierung
zwischen Populationen einer Art werden dabei durch die Faktoren Mutation, Selektion,
Gendrift und Genfluss (=Genaustausch) zwischen Populationen beeinflusst. Genetische
Variabilität wird durch Mutationen erzeugt, und Selektion (gerichtet) und genetische Drift in
endlichen Populationen (ungerichtet) sorgen für eine Differenzierung zwischen
Populationen.
4
Populationsgenetik
4.1
Allgemein
Die Populationsgenetik untersucht mit statistischen Methoden Art und Häufigkeit von
Allelen in Populationen. George Hardy und Wilhelm Weinberg entwickelten eine Methode,
mit der die Häufigkeit von Allelen und Phänotypen in einer Population bestimmt werden
können. Die Hardy-Weinberg-Gleichung basiert auf einer Idealpopulation: - Anzahl
Individuen ist so gross, dass Tod und Geburt praktisch keine Änderung der Allelhäufigkeit
bewirkt; - Alle Individuen können sich beliebig paaren; - Kein Genotyp hat gegenüber
anderen einen Selektionsvorteil; - Es treten keine Mutationen auf; - Es gibt weder Zu- noch
Abwanderung von Individuen. In Idealpopulationen treten in der P1 und in der F1 dieselben
Allelfrequenzen auf. Folglich bleibt in der Idealpopulation die Allelfrequenz und damit der
Genpool konstant: p  q  100%  1
Die Beziehung zwischen der relativen Häufigkeit von Allelen und Genotypen bezeichnet
man als Hardy-Weinberg-Regel: p 2  2 pq  q 2  1 . Sie zeigt, dass die Genotyphäufigkeiten
der möglichen Phänotypen ausschliesslich von den Allelfrequenzen p und q bestimmt
werden. Diese bleiben unter vorausgesetzten Idealbedingungen unverändert; folglich würde
keine Evolution stattfinden. Das Hard-Weinberg-Gleichgewicht gilt erst ab der F1Generation. Denn würde man die Regel auf homozygote Eltern anwenden, würde sich ein
bestimmter Wert a für den heterozygoten Anteil (2pq) ergeben.
Die Hardy-Weinberg-Regel gilt nur für Idealpopulationen, die in der Natur aber nie
realisiert sind. Es finden ständig Genpooländerungen statt und damit auch Evolution. Aber
trotzdem kann man die Hardy-Weinberg-Regel für reale Populationen anwenden. Man
nähert sich damit dem tatsächlichen Wert an.
4.2
Anwendungsbeispiel
Dominant-rezessive wirkende Allelpaare: In einer Hasonpopulation von 1600 Tieren haben
vier Tiere die rezessive Fellfarbe weiss. Nun soll die Anzahl der homozygoten und der
heterozygoten schwarzen Tiere berechnet werden.
Relative Häufigkeit des Genotyps ss:
Absolute Häufigkeit von SS:
q2  4
1600
 0.0025  0.25%
p 2 1600  0.9025 1600  1444
Allelfrequenz von s:
q 4
1600
 0.05  5%
Relative Häufigkeit von Ss:
2 pq  2  0.95  0.05  0.095  9.5%
Allelfrequenz von S:
Absolute Häufigkeit von Ss:
Relative Häufigkeit von SS:
152 der 1596 schwarzen Hasen sind
q  p 1
p  1  q  1  0.05  0.95  95%
2 pq 1600  0.095 1600  152
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13.05.2016
p 2   0.95   0.9025  90.25%
2
heterozygot
5
Genregulation & Genexpression
5.1
Allgemein
Die Genregulation ist ein Begriff für die Steuerung der Aktivität von Genen, also für die
Genexpression. Als Genexpression wird der gesamte Prozess des Umsetzens der im Gen
enthaltenen Information in ein Protein bezeichnet, der in mehreren Schritten erfolgt. An
jedem dieser Schritte können regulatorische Faktoren einwirken und den Prozess steuern.
Operon: Abschnitt auf der DNA, der eine Regulationseinheit bildet und aus einem
Promoter, Operator sowie mehreren Strukturgenen besteht. Prinzipiell wird das Operon
positiv und negativ kontrolliert, wobei die anschließend dargestellte negative Kontrolle sich
noch in Enzymrepression und Enzyminduktion unterteilen lässt.
Operator: DNA-Abschnitt mit Kontrollfunktion. Es ist der Bindungsort für das
Regulatorprotein (Repressor).
Promoter: DNA-Abschnitt, der als Bindungsort für die RNA-Polymerase fungiert.
Strukturgen: Gene, die die Information von Proteinen enthalten und deren Aktivität
reguliert wird. Strukturgene eines Operons werden in eine gemeinsame t-RNA transkripiert.
Diese Form der t-RNA konnte bisher für Eukaryonentenzellen nicht nachgewiesen werden.
5.2
Allosterische Hemmung = Enzymrepression
Normale Transkription und Translation. Start beim Promotor. Repressor und Strukturgene
werden codiert. Es entstehen also Regulationsgene und Proteine (z.B. Enzyme). Die
entstandenen Proteine beginnen mit der Produktion von Stoffen. Die Konzentration an
Produkten steigt. Dadurch erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Produkt an
das Regulationsgen koppelt, das dann seine räumliche Struktur so verändert, dass es in den
Operator passt. Folglich können keine Strukturgene mehr codiert werden. Die Produktion
hört dann langsam auf.
Die allestorische Hemmung passiert zum Beispiel bei der Regulation von Hormonen.
5.3
Enzyminduktion
Bei der Enzymindukiton sitzt der Repressor (=Regulatorgen) bereits am Operator
(Hemmstelle). Der Repressor verhindert also die Bindung zwischen der RNA-Polymerase
und der DNS. Damit wird verhindert , dass die Strukturgene nicht willkürlich codiert
werden. Der Repressor kann aber inaktiviert werden, indem Stoffe (Effektor) in die Zellen
kommen, die sich an den Repressor binden und dieser dadurch seine räumliche Struktur
verändert. Die Bindung des Repressors mit der DNS bricht also (Promotor wird frei
gegebenen), wodurch die RNA-Polymerase mit der Transkription der Strukturgene
beginnen kann. Die dann enstandene m-RNA wird zu Proteinen codiert. Diese beginnen zu
arbeiten, z.B. spalten sie, wie es bei der der Verdauung der Fall ist, Stoffe. Schlussendlich
spalten sie auch noch den Stoff, der sich mit dem Repressor verbunden hat. Dadurch
verändert der Repressor wieder seine Form und verbindet sich wieder mit dem Operator.
Folglich werden keine Strukturgene mehr transskribiert. Die Enzyminduktion passiert bei
der Verdauung.
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5.4
Einfluss des Milieus auf den Phänotyp
Der Erreger Staphylococcus aureus (SA) kann bei vielen gesunden Menschen nachgewiesen
werden. Er besitzt eine Vielzahl von Virulenzfaktoren und ist somit für etliche
Infektionskrankheiten verantwortlich (z.B. Hautinfektionen). SA ist sehr anpassungsfähig.
Bei Kranken, die in der Lunge extrem viskosen Schleim haben (CF Patienten), werden die
Bedingungen für SA anaerob. Unter anaeroben Bedingungen ändert SA seinen Phänotyp
und produziert einen Bio-Film, der ihn gegen das menschliche Immunsystem schützt.
Solange die Bedingungen anaerob sind, kann sich SA ungehindert vermehren, da er durch
seinen Bio-Film geschützt ist. Die Gene, die für die Produktion des Bio-Films verantwortlich
sind, exprimieren sich unter aerob/anaeroben Bedingungen unterschiedlich.
Fazit: Das unterschiedliche Milieu (aerob/anearob) hat eine unterschiedliche Genexpression
zur Folge.
6
Phylogenetische Verwandtschaft
Um den Verwandtschaftsgrad zu bestimmen geht man von folgender molekulargenetischen
Erkenntnis aus:
Je näher die Verwandtschaft, desto ähnlicher das Erbgut d.h. desto ähnlicher ist die DNA
bzw. deren codierte Proteine. Wichtige Methoden, um Ähnlichkeiten zu erkennen sind: Vergleich wichtiger Stoffwechselproteine durch Vergleich der Aminosäure-Sequenzen; Vergleich der Serumproteine durch serologische Tests; -Vergleich der DNA wichtiger Gene
durch Vergleich der Basensequenz.
Bei dem Verfahren des Vergleiches der DNS wichtiger Gene durch Vergleich der
Basensequenz wird die Basenabfolge in einem Gen, das bei vielen Lebewesen vorkommt
verglichen. Je ähnlicher die Abfolge der Basen, desto enger verwandt (jede abweichende
Base ist eine Folge der Mutation). Je mehr Mutationen, desto früher muss die getrennte
Entwicklungslinie begonnen haben. Vergleicht man aber nur einen kurzen Gen-Abschnitt,
kann die Aussage über Verwandtschaft nur sehr ungenau sein. Da die Mutationshäufigkeit
in manchen Genen sehr unterschiedlich ist, müssen viele Gene untersucht werden.
Beispiel: Ausschnitt eines DNA-Abschnitts aus den Mitochondrien von Mensch und Rind:
7
Synthetische Evolutionstheorie
7.1
Allgemein
Die synthetische Evolutionstheorie definiert sich als moderne Selektionstheorie, die alle
Erkenntnisse der Naturwissenschaften mit einbezieht. Die wichtigsten Ursachen für die
Entstehung von neuen Arten sind folgende Evolutionsfaktoren:
 Mutation und Rekombination
 Selektion
 Isolation
 Gendrift
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13.05.2016
7.2
Selektion
Selektion definiert die unterschiedliche Fähigkeit von Lebewesen, ihre Gene in die nächste
Gereation weiterzugeben, d.h. unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg. Die Selektion
bewertet die genetischen Varianten auf ihren Anpassungswert und gibt damit der Evolution
eine Richtung durch Änderung der Häufigkeiten der Genotypen. Man unterscheidet
zwischen 3 Arten von Selektionstypen:
 Stabilisierende Selektion: Erhaltung eines Anpassungsoptimums. Alle
Abweichungen des Anpassungsoptimums werden selektiert. Z.B. sind die
Bedingungen in grossen Tiefen der Meere konstant, sodass kaum Änderungen im
Phänotyp zu sehen sind.
 Dynamische Selektion: Selektion, die zu einer Verschiebung des
Anpassungsoptimismus führt, z.B. bei Umwelt- oder Klimaänderungen. Z.B. passten
sich in England im 19. Jahrhundert hellpygmentierte Schmetterlinge der durch die
Umweltverschmutzung (Russ) dunkler gewordenen Stämme an. Fressfeinde sorgten
durch dynamische Selektion dafür, dass nur dunklere Vatianten überlebten.
 Aufspaltende Selektion: Selektion in Richtungen zweier neuer Anpassungsoptima.
Die Selektion fördert die Entstehung zweier neuer Phänotypen, z.B. zwei
verschiedene Wuchshöhen von Gräsern durch bestimmte Weidetiere.
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8
Begriffe
Population: Fortpflanzungsgemeinschaft von Individuen einer Art mit einem gemeinsamen
Genpool
Genpool: Gesamtheit der Gene aller Individuen einer Population
Genfrequenz (Allelfrequenz): relativer Anteil eines bestimmten Allels an der Gesamtheit
der an diesem Genort in einer Population vorkommenden Allele
Panmixie: Partnerwahl unabhängig von Merkmalen
Paarungssiebung: Auswahl des Partners nach genetisch bedingten Merkmalen (z.B. Größe,
Haarfarbe, auch Erbkrankheiten wie Seh- oder Hörbehinderung)
Genfluß: langsamer Austausch von Genen zwischen zwei oder mehreren Populationen
Migration: Wanderung, führt zu Vermischung von Populationen mit verschiedenen
Genfrequenzen
Gen-Drift: zufällige Veränderung der Genfrequenz in einer Population, besonders wirksam
in kleinen Populationen
Gründereffekt: häufiges Vorkommen eines seltenen Allels, das sich - von einem Gründer
ausgehend - in den Folgegenerationen ausgebreitet hat
Selektion: Auslese; Selektionsvorteil (Heterosis = Selektionsvorteil Heterozygoter, z.B.
Sichelzellanämie); Selektionsnachteil (z.B. rhesus negative Frau)
Konsanguinität: Blutsverwandtschaft
Pholygenetisch: Beteiligung mehrerer Gene an der Ausbildung einer Eigenschaft; dies ist
der Normalfall für die Merkmalsausprägung.
Monogenetisch: Die Ausbildung eines Merkmals durch ein einziges Gen; solch ein Erbgang
wird i.d.R. bei schweren Erbkrankheiten beobachtet
Evolution: Änderung der Genfrequenz in einer Population in Abhängigkeit der Zeit
Link:
http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/skript_biologieleistungskurs.ht
m
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