Einfüh­rung in Genetik - Fröhlich - Zusam­men­fas­sung der wich­tigsten Begriffe zur Prüfungs­vor­be­rei­tung

Einführung in Genetik – Fröhlich

Stoffzusammenfassung – Lernstoff - Glossar

Was ist Genetik?

Genetik ist die Wissenschaft der Vererbung. Ursprünglich untersuchten die Genetiker die Regeln der Vererbung, dann auch die dahinterliegenden Prinzipien. Die klassische Genetik untersucht die Grundelemente der Vererbung und ihre Verteilung bei der Zellteilung. Die molekulare Genetik untersucht die dahinterliegenden molekularen Vorgänge mit biochemischen Methoden.

Für die Untersuchung evolutionärer Vorgänge ist die Populationsgenetik wichtig, die sich mit der Vererbung in Organismengruppen (Herden, Familien) beschäftigt.

Anfänger der Genetik:

Schon vor der modernen genetischen Forschung entwickelten die Menschen durch Beobachtung und Experimente ein Gefühl für Vererbungsvorgänge. Alle heutigen Zuchtpflanzen und Tiere sind schon vor Jahrtausenden aus weniger ertragbringenden Wildformen herausgezüchtet worden. Da gelingt nur, wenn das dickste Vieh und die größte Frucht nicht besonders schnell verspeist wurden, sondern für die Weiterzucht eingesetzt wurden.

Für die Genetik wichtige Komponenten wurden im 19.Jh. und davor entdeckt, meist ohne dass ihre Rolle für Vererbung klar wurde:

-            Die Zelle als Grundbaustein lebender Wesen: Hooke 1665

-            Zellkerne bei Pflanzen (Brown 1831) und Tieren (Schwann 1839)

-            Zellteilung als Grundprinzip des Lebens, Virchow um 1870

-            Zellkerne verschmelzen bei Befruchtung 1875/77 Hertwigs, Strasburger

-            Chromosomen um 1870

-            Chromosomenzahl bleibt bei der Mitose unverändert (Flemming 1882)

-            Meiose als Teilung mit Chromosomenzahl-Halbierung 1885

-            Nukleinsäuren im Zellkern

Mendel:

Der Mönch Gregor Mendel veröffentlichte 1866 seine Versuche über Pflanzenhybride, in denen er seine meist an Erbsen durchgeführten Kreuzungsexperimente berichtete und daraus grundlegende Vererbungsregeln ableitete. Er benutzte dabei zum ersten Mal für biologische Forschung Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Er untersuchte eine Reihe gegeneinander abgrenzbarer Merkmale, die sich also nicht gegenseitig beeinflussen. Solche Abgrenzbarkeit von Merkmalen ist für genetische Forschung bis heute wichtig. (z.B. Größe und Gewicht voneinander abhängig, Größe und Haarfarbe unabhängig).

Mendels Experimente: Mendel kombinierte zwei Pflanzen mit alternativen Merkmalen in reziproken Kreuzungen (beide Pflanzen wurden als weiblicher und männlicher Partner eingesetzt, das geht nur bei einhäusigen (monözischen) Pflanzen).

Innzuchtstämme: Solche einhäusigen Pflanzen ermöglichen auch Selbstbefruchtung. Durch deren Wiederholung gelang man zu reinen Linien, Pflanzen, bei denen alle Nachkommen genetisch identisch sind. Solche Innzuchtstämme sind für genetische Arbeiten eine große Hilfe.

Durch Innzucht steigt aber die Wahrscheinlichkeit, dass rezessive Erbeffekte zur Ausprägung kommen.

1. Mendelsche Regel:

Als erstes Kreuzungsergebnis bei der Untersuchung nur eines Merkmalpaares (monohybride Kreuzung) zeigte sich, dass von den alternativen Merkmalsformen bei den Nachkommen der 1. Generation (F1, oder 1. Filialgeneration) immer nur eine zur Ausprägung kommt, so dass alle Mitglieder der F1- Generation die gleichen Merkmale ausprägen: Uniformitäts- oder Reziprozitätsregel.

Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linien besitzen einen einheitlichen Phänotyp.

Mendel beobachtete dabei auch eine Besonderheit, die man heute als Heterosis oder Überdominanz bezeichnet: Die Stammlängen der Hybriden war länger als selbst die des langwüchsigsten Elternteils. Hybride übertreffen häufig in Merkmalen ihre homozygoten (reinerbigen) Ausgangsformen. Beim Hybridmais beruht der erhöhte Ertrag auf Heterosis, das Saatgut muss aber immer neu gekauft werden, da die positive Eigenschaft bei Rückkreuzungen ausdünnt.

Zur Analyse von Kreuzungsexperimenten wird gern die Darstellung als Punnett- Viereck verwendet, weil darin alle entstehenden Typen und ihre Häufigkeit direkt .....[Volltext lesen]

Verbesserung (intensivere Farbe) ist viel seltener als Verschlechterung, noch seltener: neue Eigenschaft (andere Farbe)

Ein Allel, das im homozygoten Zustand zum Tod des Organismus führt, nennt man einen Letalfaktor. Bei essentiellen Genen ist das Nullallel ein Letalfaktor.  (wenn Giftstoffe entstehen, ebenfalls Letalfaktor)

Codominanz:

tritt auf, wenn sich verschiedene Allele eines Gens parallel ausprägen. Ein Beispiel ist das Blutgruppensystem AB0. Allel 0 (I0) ist tatsächlich ein funktionsloses Nullallel, Allel A (IA) bewirkt die Anheftung von N- Acetylglucosamin an die Erythrocytenmembran, Allel B (IB) die von Glucose.  Heterozygote IAIB tragen beide Zucker auf den Erythrozyten (Blutgruppe AB). Hier liegt also kein normales dominant- rezessiv Verhalten vor.

Im Falle der Blutgruppengene lässt sich auch nicht eins der beiden IA und IB als das Wildtypgen zuordnen. Man spricht in so einem Fall von Polymorphismus.

AB0: Oberflächenproteine von Blutzellen

Null-Allel: bei Blutgruppe 0 sind beide Allele defekt

Polymorphismus: 0 ist rezessiv, A und B sind dominant, AB ist die Mischform

Chemisch ist der Unterschied zwischen den Blutgruppensubstanzen A und AB gering.

Polygenie:

Werden Eigenschaften durch mehr als ein Gen geprägt (Polygenie, multifaktorielle Vererbung), ist der Erbgang schwieriger vorherzusehen. Polygenie ist sehr häufig und erschwert systematische Züchtungen nach klassischen Methoden.

Pleiotropie:

Umgekehrt kann ein Gen auch mehrere Eigenschaften beeinflussen. Man spricht dann von pleiotropen Effekten oder Pleiotropie.  Ein in Afrika verbreitetes Allel für das Hämoglobingen (roter Blutfarbstoff) führt zu Blutarmut (Sichelzellanämie), daneben zu Herzfehlern, Milzschäden, Schäden im Gehirn und häufiger Lungenentzündungen.

Auf der anderen Seite sind die Betroffenen resistenter gegen Malaria.  (Sichelzellen kommen durch Kapillaren schwer durch und verhaken sich)

Ein anderer Fall mit kleiner Ursache und großer Wirkung ist die Phenylketonurie. Ausgefallen ist das Enzym, das die Aminosäure Phenylalanin in Tyrosin umwandelt. Dadurch sammeln sich giftige Abbauformen des Phenylalanin an, die zu vielen Fehlerentwicklungen führen, darunter mentaler Retardierung.

Bei frühzeitiger Diagnose lassen sich die Symptome durch Phenylalanin- arme Kost weitgehend verhindern.  (Wenn Enzym nicht mehr funktioniert- kein Tyrosin mehr, Mangel- durch Nahrung kompensieren, schlimmer sind die giftigen Abbauformen)

Penetranz:

Die Ausprägung von Geneigenschaften kann auch z.B. durch Umwelteinflüsse beeinflusst werden.  (Phänotyp wird von Umwelt beeinflusst, Geneigenschaften sind aber gleich)

Unvollständige Penetranz: Das Gen ist im ganzen Körper vorhanden, tritt aber nicht überall auf. (Himalaja. Kaninchen)

E.....

Es blieben Zweifel, ob Spuren von Protein mit übertragen waren. 1951 markierten Hershey und Chase die Proteinhülle vom Bakteriophagen T2 mit 35S und die DNA mit 32P radioaktiv. Beim Infizieren der Bakterienzelle blieb die Proteinhülle außen zurück, nur das 32P, und damit die DNA, gelangte in die Zelle und bewirkte Neuentwicklung von Phagen.

Die neuen Phagen enthielten wiederum 32P- DNA, aber kein 35S vom Ursprungsphagen. Das Erbmaterial musste die DNA sein.

Exkurs: Isotopen und Radioaktivität:

(Isotopen haben gleiche p+ Zahl und unterschiedliche n- Zahl)

Der Einsatz von Isotopen ist ein wichtiges Hilfsmittel der biochemischen Forschung. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die positiv geladenen Protonen bestimmen den chemischen Charakter der Atome (welches Element es ist), die Neutronen „verdünnen“ die Protonen. Alle Atome mit gleicher Protonenzahl stehen an der gleichen Stelle im Periodensystem, sind daher Isotope desselben Elements- unabhängig von ihrer Neutronenzahl.

Daher gibt es für jede Protonenzahl einen optimalen Bereich für die Neutronenzahl. Bei dieser Mischung sind die Atome stabil, bei Abweichungen werden sie radioaktiv. Sie zerfallen spontan unter Aussendung von Strahlung. Das kann sehr schnell, aber auch erst nach langer Zeit geschehen.

Da sich Isotope chemis 1. Mendelsche Regel:

Als erstes Kreuzungsergebnis bei der Untersuchung nur eines Merkmalpaares (monohybride Kreuzung) zeigte sich, dass von den alternativen Merkmalsformen bei den Nachkommen der 1. Generation (F1, oder 1. Filialgeneration) immer nur eine zur Ausprägung kommt, so dass alle Mitglieder der F1- Generation die gleichen Merkmale ausprägen: Uniformitäts- oder Reziprozitätsregel.

Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linien besitzen eine.....

Ergänzungen zu den Mendel’schen Regeln:

Zu einer scheinbaren Ausnahme der Mendel’schen Regeln kommt es, wenn keine klare Dominanz vorliegt, sondern sich die Allele- Eigenschaften mischen (z.B. Blütenfarbe rosa bei weißen und roten Eltern). Man nennt das unvollständige Dominanz.

Wichtige Begriffe der Genetik:

Die Grundeinheit der Vererbung ist das Gen. Jedes Gen codiert für eine Polypeptidkette (Ausnahme: einige Gene codieren für funktionelle RNAs). Als Genom bezeichnet man die Gesamtheit der Erbsubstanz einer Zelle. Der Genotyp einer Zelle bezeichnet die Gesamtheit der Gene. Beim Begriff Genom geht es also eher um DNA- Moleküle (Biochemie), bei Genotyp eher um die Geneigenschaften (Genetik).

Das tatsächliche Erscheinungsbild einer Zelle bzw. eines vielzelligen Organismus ist der Phänotyp. Eine wichtige Aufgabe des Genetikers ist es, aus dem beobachteten Phänotyp auf den Genotyp zu schließen.

Varianten eines Gens bezeichnet man als Allele. Zwei Zellen, die die gleichen Gene, aber unterschiedliche Allele in (mind.) einem Gen haben, besitzen einen unterschiedlichen Genotyp.

Diploide Zellen enthalten zwei Chromosomensätze (haploide Zellen nur einen) und damit zwei Kopien jedes Gens. Sind die beiden Kopien identisch, ist der Organismus homozygot (reinerbig) für dies Gen, besitzt er aber zwei unterschiedliche Allele des Gens, ist er heterozygot (mischerb.....

Im Falle der Blutgruppengene lässt sich auch nicht eins der beiden IA und IB als das Wildtypgen zuordnen. Man spricht in so einem Fall von Polymorphismus.

AB0: Oberflächenproteine von Blutzellen

Null-Allel: bei Blutgruppe 0 sind beide Allele defekt

Polymorphismus: 0 ist rezessiv, A und B sind dominant, AB ist die Mischform

Chemisch ist der Unterschied zwischen den Blutgruppensubstanzen A und AB gering.

Polygenie:

Werden Eigenschaften durch mehr als ein Gen geprägt (Polygenie, multifaktorielle Vererbung), ist der Erbgang schwieriger vorherzusehen. Polygenie ist sehr häufig und erschwert systematische Züchtungen nach klassischen Methoden.

Pleiotropie:  

Umgekehrt kann ein Gen auch mehrere Eigenschaften beeinflussen. Man spricht dann von pleiotropen Effekten oder Pleiotropie.  Ein in Afrika verbreitetes Allel für das Hämoglobingen (roter Blutfarbstoff) führt zu Blutarmut (Sichelzellanämie), daneben zu Herzfehlern, Milzschäden, Schäden im Gehirn und häufiger Lungenentzündungen.

Auf der anderen Seite sind die Betroffenen resistenter gegen Malaria.  (Sichelzellen kommen durch Kapillaren schwer durch und verhaken sich)

Ein anderer Fall mit kleiner Ursache und großer Wirkung ist die Phenylketonurie. Ausgefallen ist das Enzym, das die Aminosäure Phenylalanin in Tyrosin umwandelt. Dadurch sammeln sich giftige Abbauformen des Phenylalanin an, die zu vielen Fehlerentwicklungen führen, darunter mentaler Retardierung.

Bei frühzeitiger Diagnose lassen sich die Symptome durch Phenylalanin- arme Kost weitgehend verhindern.  (Wenn Enzym nicht mehr funktioniert- kein Tyrosin mehr, Mangel- durch Nahrung kompensieren, schlimmer sind .....

Mendels Nachfolger:

Die Entdeckungen Mendels blieben zunächst praktisch unbeachtet. Um 1900 wurden sie von de Vries Tschernak- Seysenegg und Correns wieder entdeckt. Auf ihrer Basis wurde von Wilson, Sutton und Boveri die Chromosomentheorie der Vererbung aufgestellt. Ohne dass die chemische Struktur der Chromosomen damals klar wurde, wurden sie als Träger der Erbinformation erkannt.

Besonders wichtig war dabei die Parallelität der Vererbung der Geschlechtshormone (die nur bei einem Geschlecht auftreten) mit der Vererbung geschlechtsgebundener Merkmale.

Lange Zeit waren die Proteine wegen ihrer offensichtlichen Komplexität Favoriten der Forscher als Träger der Erbinformation. Griffith fand 1928, dass eine Mischung von nicht- pathogenen, kapsellosen Mutanten (R-Form) von Pneumococcus mit hitze- getöteten pathogenen Zellen (S-Form) infektiös ist und Mäuse an Lungenentzündung sterben lässt.

Offenbar war die genetische Information für die Virulenz übertragen worden (Pneumokokken- Transformation- wenn nackte DNA in Organismus übertragen wird). Der Kapseltyp entsprach immer dem der eingesetzten S-Form, nicht der infektiösen Vorläuferform der R-Mutante. Es handelt sich also nicht um eine Reversion der Mutation.

Avery, McLeoad und McCarthy gelang es 1944, aus der pathogenen S-Form Extrakte zu isolieren und damit die R-Form zur Pathogenität zu transformieren. Behandlung des isolierten Materials mit Proteasen und RNAsen verhinderten das nicht, wohl aber DNAse- Behandlung. Auch eine chemische Analyse des Extrakts zeigte, dass er überwiegend aus DNA bestand.

Es blieben Zweifel, ob Spuren von Protein mit übertragen waren. 1951 markierten Hershey und Chase die Proteinhülle vom Bakteriophagen T2 mit 35S und die DNA mit 32P radioaktiv. Beim Infizieren der Bakterienzelle blieb die Proteinhülle außen zurück, nur das 32P, und damit die DNA, gelangte in die Zelle und bewirkte Neue.....