Genetik

Die Genetik beschäftigt sich mit der Weitergabe von Merkmalen von den Eltern auf deren Nachkommen. Bereits im 19. Jahrhundert forschte Gregor Mendel an Pflanzen, wie sich Farbe und Form über Generationen hinweg veränderte. Dabei stellte er Regeln auf, die auch heute noch gerne beim MedAT abgeprüft werden. Seither ist allerdings auch eine Menge an Wissen über die Genetik des Menschen dazugekommen. Darüber wollen wir dir hiermit einen Überblick verschaffen. 

Die Mendelschen Regeln wurden von Gregor Johann Mendel beschrieben. Er studierte Theologie, war aber Naturwissenschaftler und führte Kreuzungsexperimente an Erbsen durch. Mit diesen Experimenten erforschte er die Vererbung von Merkmalen von der Elterngeneration auf die Nachkommensgeneration.

Die Merkmale, die mit seiner Theorie beschrieben wurden, sind nur durch ein einziges Gen codiert. Diese Gene werden in ihrer Ausprägung Allele genannt.

Zu jedem Gen gibt es zwei Allele, eins von der Mutter und eins vom Vater.
Wenn diese Allele identisch sind, wird das Gen homozygot genannt und wenn die Allele unterschiedlich sind, wird es heterozygot genannt.

Zudem werden Allele auch unterschiedlich ausgeprägt. Die Variationen heißen dominant oder rezessiv sowie intermediär oder auch kodominant.

Die dominanten Allele setzen sich gegenüber den rezessiven durch. Bei intermediären Allelen entstehen Mischformen der beiden ursprünglichen Allele. Bei den kodominanten Genen setzen sich beide gleichermaßen durch.

Zudem gibt es noch die Begriffe des Geno- und Phänotyps:

• Als Genotyp bezeichnet man die Information, genauer Erbinformation, im Gen.
• Als Phänotyp bezeichnet man die tatsächlich sichtbaren Eigenschaften resultierend aus den Informationen im Erbgut bzw. Gen.

Anhand dieses Vorwissens, gehen wir an dieser Stelle zu den Mendelschen Regeln über:

1. Uniformitätsregel: Sie beschreibt den Fall, wenn zwei homozygote Eltern Nachkommen zeugen. Alle Nachkommen weisen in diesem Allel den gleichen heterozygoten Genotyp auf. Im Phänotyp spiegelt sich je nach Erbgang die dominante Eigenschaft oder eine intermediäre Mischform wider. In jedem Fall sehen alle Nachkommen diese Eigenschaft betreffend gleich aus und haben das gleiche Allel. 
2. Spaltungsregel: Bei dieser Regel sind beide Eltern heterozygot. Die Nachkommen sind somit nicht mehr uniform, sondern es ergibt sich ein bestimmtes Verhältnis in der Verteilung der Genotypen: 2:1:1. Somit sind 50% der Nachkommen heterozygot, 25% sind homozygot dominant und 25% sind homozygot rezessiv. 
3. Unabhängigkeits-/Neukombinationsregel: Die Unabhängigkeitsregel beschreibt, dass verschiedene Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden, solange sie nicht auf demselben Chromosom liegen. Diese Regel hat sich später als nicht vollständig korrekt herausgestellt, da es während der Meiose zum Crossing-Over kommt. Somit können auch Merkmale, die am gleichen Chromosom liegen, unabhängig voneinander vererbt werden. Mehr dazu erfährst du später.

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https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7266566 (für Regel 3)

Es gibt vier klassische Erbgänge in der Genetik, die wir dir nun vorstellen möchten. Neben den klassischen Erbgängen gibt es noch zwei weitere Erbgänge, die wir dir der Vollständigkeit halber ebenfalls aufzeigen möchten.

Autosomal-dominanter Erbgang

Autosomal bedeutet, dass das betroffene Gen auf einem der Chromosomen 1 bis 22 liegt. Neben diesen 22 Chromosomenpaaren gibt es auch noch das gonosomale, also geschlechtsspezifische Chromosomenpaar: bei Frauen XX, bei Männern XY. 

Das „dominant“ im Namen bezeichnet die Eigenschaft jenes Allel in dem Erbgang, welches das Merkmal trägt. In unseren Erklärungen der Erbgänge gehen wir davon aus, dass das Merkmal ein Gen ist, welches eine Krankheit auslöst.

Bei einem heterozygot kranken Elternteil und einem homozygot gesunden Elternteil, liegt die Wahrscheinlichkeit für kranke Nachkommen bei 50%. Die in diesem Fall kranken Individuen sind „nur“ heterozygote kranke Individuen, es gibt also keine homozygot Kranken.

Bei einen homozygot erkrankten Elternteil und einem homozygot gesunden Elternteil sind alle Nachkommen krank, da alle heterozygot sind (Stichwort: Uniformitätsregel).

Bei heterozygoten Eltern, die beide krank sind, gilt die Spaltungsregel von Mendel. Somit sind statistisch gesehen 25% der Nachkommen homozygot gesund. Eine Besonderheit bei dieser Kreuzung ist, dass sie die einzige ist, bei der erstmals ein homozygot krankes Individuum entstehen kann.

Ein Erkennungsmerkmal einer Krankheit mit autosomal-dominantem Erbgang ist, dass die Krankheit in jeder Generation auftritt und das in gleichem Ausmaß bei beiden Geschlechtern. Ein Beispiel für eine solche Krankheit wäre Chorea Huntington. Bei ihr kommt es durch einen Defekt des Huntingtin-Gens zur Bildung eines fehlerhaften Proteins, was dazu führt, dass nach und nach Zellen im Gehirn zerstört werden. 

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3755089

Autosomal-rezessiver Erbgang

Wenn ein homozygot gesundes Elternteil mit einem homozygot kranken Elternteil gekreuzt wird, entstehen nur gesunde Nachkommen (Uniformitätsregel). Diese gesunden Nachkommen sind allerdings heterozygot und somit Träger eines kranken Allels.

Wenn nun aber heterozygote Eltern Nachkommen zeugen, sind statistisch gesehen 25% homozygot gesund, 50% heterozygot gesund (also Träger) und 25% krank. Bei einem rezessiven Erbgang müssen Individuen, die krank sind, immer homozygot sein.

Wenn ein homozygot krankes Individuum mit einem heterozygot gesunden Individuum Nachkommen zeugt, sind 50% dieser Nachkommen krank. Dieses Phänomen wird als Pseudodominanz bezeichnet, da man phänotypisch nicht von einem autosomal-dominanten Erbgang unterscheiden kann.

Im Gegensatz zu dominant vererbten Erkrankungen, treten autosomal-rezessiv vererbte Krankheiten meist nicht in jeder Generation auf. Beide Geschlechter erkranken gleich häufig.

Die Phenylketonurie ist z. B. eine autosomal-rezessiv vererbte Krankheit. Die Erkrankten können die Aminosäure Phenylalanin nicht in Tyrosin umwandeln. Die Symptome sind schwere geistige Retardierung, Epilepsie und extreme Verhaltensstörungen.

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X-chromosomal-dominanter Erbgang

Bei den gonosomalen Erbgängen unterscheidet man zwischen Y-chromosomal und X-chromosomal. Hierbei ist es wichtig zu wissen, welches Elternteil erkrankt ist, da die Allele unterschiedlich weitergegeben werden. Wenn beim X-chromosomal-dominantem Erbgang der Vater krank ist, sind immer nur die Töchter krank und nie die Söhne, da diese nur das Y Chromosom vom Vater bekommen.
Wenn die Mutter krank ist, ist das Geschlecht egal. Hier gilt wenn die Mutter heterozygot krank ist sind 50% der Töchter und 50% der Söhne krank. Wenn die Mutter aber homozygot krank ist, sind alle Nachkommen krank.

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X-chromosomal-rezessiver Erbgang

Beim X-chromosomal-rezessivem Erbgang gibt es die Besonderheit, dass alle männlichen Nachkommen phänotypisch krank sind, sobald ihr X-Chromosom ein krankes Gen trägt. Weibliche Nachkommen sind immer heterozygot gesund. Man nennt sie Trägerinnen (Konduktorinnen). Bekannteste Beispiele für diese Erbgänge sind: die Rot-Grün-Sehschwäche und die Bluterkrankheit (Hämophilie).

Es können folgende Kombinationen entstehen:

Bei einer Kreuzung von krankem Vater und einer homozygot gesunden Mutter sind alle Nachkommen gesund, alle Töchter sind jedoch Trägerinnen. Wenn eine heterozygote Frau (Trägerin) sich mit einem Mann fortpflanzt, der gesund ist, sind die Söhne zur Hälfte krank und zur Hälfte gesund. Die Töchter erkranken nie, sind jedoch mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% Trägerinnen.

Wenn ein kranker Mann mit einer Frau, die Trägern ist, Nachkommen zeugt, sind die Nachkommen zu 50% gesund und zu 50% krank, wobei hier weiblich und männlich krank sind. 25% sind Trägerinnen und 25% sind gesunde männliche Nachkommen. Weitere 25% sind erkrankte Söhne und 25% erkrankte Töchter mit zwei „kranken“ X-Chromosomen. 

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Y-chromosomaler Erbgang

Es ist keine Krankheit bekannt, die dem Y-chromosomalen Erbgang folgt.

Mitochondrieller Erbgang

Die Mitochondrien in unseren Zellen haben eine eigene DNA. Diese wird über den mitochondriellen Erbgang vererbt, da die Erbinformation außerhalb des Zellkerns liegt. Die Erbinformation wird nur von der Mutter auf die Kinder weitergegeben (maternale Vererbung). Es handelt sich hierbei um eine zirkuläre doppelsträngige DNA.

1902 wurde die Chromosomentheorie der Vererbung mittels mikroskopischer Beobachtung von zwei Wissenschaftlern beschrieben. Sie besagt, dass sich die Erbinformation auf Chromosomen im Zellkern befindet. Später wurde diese aufgestellte Theorie mittels moderner Molekularbiologie umfangreich bestätigt.

Jede kernhaltige Zelle besitzt im gesunden Zustand 46 Chromosomen, das sind 23 homologe Chromosomenpaare. Chromosomen bestehen aus Chromatin. Chromatin wiederrum besteht aus DNA und den assoziierten Proteinen. Die assoziierten Proteine sind Histone und nicht-histonartige Proteine.
Die DNA kann sich stark verdichten bzw. komprimieren, wobei die Abschnitte auf Histone gewickelt werden. Ist diese Verdichtung vollendet, werden die Chromosomen sichtbar.

Nun zum Aufbau von Chromosomen: Ein Chromosom besteht aus zwei Chromatiden. Chromosomen haben bestimmte Unterteilungen, und zwar einen kurzen Chromosomenast und einen langen Chromosomenast. An jedem Ende der Äste besitzen sie Telomere (also insgesamt 4 Stück). In der Mitte jedes Chromatiden ist das Zentromer, dort sitzt das Kinetochor und dort bilden sich bei der Mitose oder Meiose auch die Spindelfasern aus.

Gen-Kopplung

Gen-Kopplung bedeutet, dass gewisse Merkmale gemeinsam vererbt werden. Diese Aussage steht der dritten Regel von Mendel, der Unabhängigkeits-/Neukombinationsregel, gegenüber. Vor allem die Gene, die auf einem Chromosom nah beieinander liegen, werden häufig gemeinsam vererbt. Nur weil zwei Gene auf demselben Chromosom liegen, heißt das jedoch nicht, dass sie zwingend gemeinsam vererbt werden.
Es gibt mehr als 20 000 Gene auf nur 23 Chromosomen. Damit eine gewisse Variabilität zustande kommt, benötigt man Mechanismen, die die Erbinformation geregelt vermischen. Das passiert z. B. beim Crossing-Over.

Crossing over

Crossing over, auch Kopplungsbruch genannt, ist ein Phänomen, bei dem während der Meiose Stücke von Chromatiden zwischen zwei homologen Chromosomen ausgetauscht werden (also zwischen mütterlichem Chromosom und väterlichem Chromosom). Dieser Vorgang findet in der Prophase der ersten Reifeteilung der Meiose statt.

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Die Zellteilung ist die Grundlage für zwei Kennzeichen des Lebens:

1. Wachstum
2. Fortpflanzung

Hierbei wird eine Zelle, in diesem Prozess Mutterzelle genannt, mit ihrem Zellplasma und anderen Zellbestandteilen in zwei Tochterzellen aufgeteilt. Diese Trennung wird mittels Bildung einer neuen Zellmembran gewährleistet.

Bei Eukaryoten wird zuerst nur der Kern geteilt, bevor die Zelle sich teilt. In diesem Prozess wird die Erbinformation der Mutterzelle auf entstehende Tochterzellen verteilt. Diese Verteilung unterscheidet sich bei den zwei Formen der Kernteilung: Mitose und Meiose.

Bei der Mitose und Meiose handelt es sich also um Zellkernteilungen – nicht Zellteilungen!

Bei der Mitose entstehen zwei Tochterzellen, welche die gleiche DNA der Mutterzelle besitzen.

Die Meiose führt zur Bildung von Keimzellen (Gameten, also Spermien oder Eizellen) durch Zellkernteilung. Bei der Meiose besitzen die Tochterzellen nur einen haploiden Chromosomensatz im Vergleich zu Tochterzellen der Mitose, welche einen diploiden Chromosomensatz besitzen.

Haploide Zellen haben einen einfachen Chromosomensatz, somit 23 Chromosomen.

Die diploiden Zellen besitzen einen doppelten Chromosomensatz, also 46 Chromosomen (23 Chromosomenpaare) in jeder Zelle.

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Die Zellteilung ist ein streng regulierter Prozess. Wenn dieser unkontrolliert abläuft entstehen Tumore.

Bevor die Zelle in die Mitose oder Meiose gehen kann, gilt es, noch ein paar Zykluspunkte zu durchlaufen. Die G1-Phase, die S-Phase (Synthese) und die G2-Phase. In diesen Phasen wird die DNA verdoppelt, es werden Proteine für die Zellteilung gebildet und die Zelle löst ihre Kontakte zu den umliegenden Zellen im Gewebe.

Eine Zelle, die sich gerade nicht teilen möchte, befindet sich in der G0-Phase (Dauerzustand bei den meisten Neuronen).

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Die Mitose besteht aus Prophase – Prometaphase – Metaphase – Anaphase – Telophase. Die Reihenfolge merkst du dir am besten mit einer lustigen Eselsbrücke, z. B.: Pause Mit Anatomie Tutor 

Vor der Mitose verdoppelt die Zelle ihren Chromosomensatz. Dadurch kommt es zur Bildung von X-förmigen Chromosomen, wobei jede Seite des X ein Chromatid darstellt. Die beiden Chromatiden eines Chromosoms enthalten dieselbe Erbinformation.

In der Prophase verdichten sich die Chromosomen, die Zentriolen teilen sich und der Nucleolus löst sich auf. In der Prometaphase entsteht die Mitosespindel und die Kernmembran löst sich auf. In der Metaphase ist die Vorbereitung vorbei und die Chromosomen ordnen sich in der Metaphasenplatte an. In der Anaphase werden die Chromosomen an deren Zentromer voneinander getrennt, sodass die Chromatiden an die unterschiedlichen Zellpole gezogen werden. Zuletzt, in der Telophase, löst sich die  Mitosespindel auf, die Kernhülle und der Nucleolus werden wieder aufgebaut und die Chromosomen dekondensieren.

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Bei der Meiose werden aus einer diploiden Urkeimzelle mittels zwei aufeinanderfolgenden Reifeteilungen (erste und zweite Reifeteilung) vier haploide Tochterkeimzellen.

Bei der ersten Reifeteilung werden aus einer diploider Urkeimzelle zwei haploide Tochterzellen. Dieses Produkt ergibt sich aus nachfolgenden vier Schritten:

1. Prophase I
2. Metaphase I
3. Anaphase I
4. Telophase I

Die Meiose beginnt mit der Prophase I. Sie ähnelt der Prophase der Mitose und wird in Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän und Diakinese aufgeteilt. Im Pachytän kommt es zum Crossing over – dieser Vorgang führt zur genetischen Vielfalt und zur Vermischung von mütterlichen und väterlichen Genen. Dadurch sind die beiden Chromatiden eines Chromosoms bei der Meiose nicht zwingend identisch, da sie Teile mit den Chromatiden des homologen Chromosoms ausgetauscht haben.

Es gibt Unterschiede bei der Meiose zwischen weiblichen und männlichen Individuen. Die weibliche Meiose nennt man Oogenese und die männliche Spermatogenese. Bei der Oogenese treten die Eizellen in ein Ruhestadium ein, bis sie benötigt werden. Dieses Ruhestadium nennt man Diktotän.

Die Metaphase I läuft gleich ab wie bei der Mitose, die Chromosomen ordnen sich in der Metaphasenplatte an.

In der Anaphase I kommt es zur Disjunction, hier trennen sich die homologen Chromosomen und werden an die entgegengesetzten Pole gezogen.

Bei der Telophase I wird die Plasmamembran gebildet und das Produkt sind zwei haploide Tochterzellen.

Zwischen der Reifeteilung I und II befindet sich die Interkinese.

Die zweite Reifeteilung läuft wie eine Mitose ab mit den Schritten:

1. Prophase II
2. Metaphase II
3. Anaphase II
4. Telophase II

Im Unterschied zur Mitose sind im zweiten Schritt der Meiose jedoch nur mehr 23 Chromosomen vorhanden.

In der Anaphase II trennen sich die Chromatiden nachdem sie sich in der ersten Reifeteilung die Chromosomenpaare geteilt haben.

Das Endprodukt sind 4 Zellen mit einem ein Satz von Ein-Chromatid-Chromosomen (1n1c).

Bei der Oogenese (Bildung von Eizellen) entsteht nur eine reife Eizelle und 3 Polkörper. Die Polkörper sind eigenständige Eizellen, die im Vergleich zur Eizelle weniger Zytoplasma beinhalten. Sie sind ein „Nebenprodukt“ der Oogenese.

Bei der Spermiogenese entstehen 4 gleichwertige Gameten; hier ist interessant, dass 2 der 4 Keimzellen ein Chromatid des X-Chromosom besitzen und die anderen ein Chromatid des Y-Chromosom.

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Die nichtchromosomale Vererbung ist die Vererbung der Merkmale bzw. der DNA, welche nicht im Zellkern lokalisiert ist. Bei Eukaryoten ist das die mitochondrielle DNA.

Die mitochondrielle DNA wird ausschließlich von der Mutter vererbt. Der Ursprung dieses Umstands wird durch die Endosymbiontentheorie erklärt.

Das Genom stellt die Erbmasse in einer Zelle dar. Diese ist zum größten Teil Chromatin, welches aus DNA und den assoziierten Proteine besteht. Die DNA wird an manchen Stellen auf Histone gewickelt und ist somit stark komprimiert.

Chromatin hat zwei Formen, in denen es auffindbar ist:

1. Heterochromatin
2. Euchromatin

Heterochromatin ist die Form, in der die DNA unordentlich, verflochten, dicht gepackt und somit unlesbar ist.

Euchromatin ist die Form, bei der die DNA entwirrt sowie lesbar ist und Prozesse wie die Replikation stattfinden können.

Heterochromatin ist dementsprechend auch unter dem Lichtmikroskop sichtbar, während das bei Euchromatin nicht der Fall ist.

Ein Unterschied zwischen Eukaryoten und Prokaryoten ist, dass das Eukaryoten-Genom aus Exons und Introns besteht. Das steht für kodierend (Exons) und nicht-kodierend (Introns).

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Als Mutation bezeichnet man eine dauerhafte Veränderung der Erbinformation. Es gibt zwei Gruppen von Mutationen:

1. Keimbahn-Mutation
2. somatische Mutation

Keimbahn-Mutationen treten in der Meiose der Keimzellen auf und werden somit an die Nachkommen weitergegeben.

Somatische Mutationen hingegen treten erst nach der Befruchtung auf und betreffen die Keimzellen nicht. Somit können sie auch nicht weitervererbt werden. 

Auslöser

Es gibt unterschiedliche Auslöser für Mutationen. Bei Spontanmutationen sind Auslöser z. B. Replikation, Proof-reading, Reparaturmechanismen oder Crossing-over.

Bei induzierten Mutationen kann es ionisierende Strahlung, Viren, Gifte, UV-Strahlung, Radioaktivität, Hitze oder Chemikalien, sowie vieles mehr, sein.

Genmutationen

Bei einer Genmutation ist immer nur ein Gen von einer dauerhaften Veränderung betroffen. Es gibt verschiedene Formen der Genmutation:

• Austausch (Substitution)
• Entfernung (Deletion)
• Verdopplung (Duplikation)

Schon der Austausch, die Entfernung oder die Verdoppelung einer einzelnen Base in der DNA kann zu einem veränderten Protein und damit zu einer Erkrankung führen.

(strukturelle) Chromosomenmutation/aberration

Die strukturelle Chromosomenmutation ist eine morphologische Abweichung der Chromosomen, welche in folgenden Formen vorkommt:

• Deletion
• Duplikation
• Inversion
• Translokation

Hier wird also im Unterschied zur Genmutation ein größerer Teil des Chromosoms verändert.

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Genommutation (numerische Chromosomenaberration)

Bei einer Genommutation tritt eine Mutation eines ganzen Chromosoms ein. Dies führt zu Veränderungen des gesamten Chromosomensatzes. Das Produkt sind entweder zu viele oder zu wenige Chromosomen. Man spricht von einer Aneuplodie.

Beispiele für Aneuploidien sind Trisomien oder Monosomien. Bei diesen Genommutationen ist ein Chromosom nicht zweimal, sondern dreimal (bzw. einmal) im Genom enthalten. Je nachdem um welches Chromosom es sich dabei handelt, treten verschiedene Krankheitsbilder auf. 

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