Genetik

Lebewesen bestehen aus Millionen winziger, in sich geschlossener Komponenten, die Zellen genannt werden. Im Inneren jeder Zelle befinden sich lange und komplexe Moleküle, die als Desoxyribonukleinsäure bezeichnet werden. Die DNA speichert Informationen, die den Zellen sagen, wie sie dieses Lebewesen herstellen sollen. Teile dieser Informationen, die angeben, wie ein kleiner Teil oder eine Eigenschaft des Lebewesens - rote Haare oder blaue Augen oder die Tendenz, groß zu werden - hergestellt werden soll, werden als Gene bezeichnet.

Jede Zelle desselben Lebewesens hat die gleiche DNA, aber nur ein Teil davon wird in jeder Zelle verwendet. So werden zum Beispiel einige Gene, die die Herstellung von Teilen der Leber steuern, im Gehirn abgeschaltet. Welche Gene verwendet werden, kann sich auch im Laufe der Zeit ändern. So werden zum Beispiel viele Gene von einem Kind schon früh in der Schwangerschaft verwendet, die später nicht mehr verwendet werden.

Eine Person hat zwei Kopien von jedem Gen, eine von der Mutter und eine vom Vater. Es kann mehrere Typen eines einzelnen Gens geben, die unterschiedliche Anweisungen geben: eine Version kann dazu führen, dass eine Person blaue Augen hat, eine andere kann dazu führen, dass sie braune Augen hat. Diese verschiedenen Versionen werden als Allele des Gens bezeichnet.

Da ein Lebewesen zwei Kopien von jedem Gen besitzt, kann es gleichzeitig zwei verschiedene Allele davon haben. Oft wird ein Allel dominant sein, was bedeutet, dass das Lebewesen so aussieht und sich so verhält, als hätte es nur dieses eine Allel. Das nicht exprimierte Allel wird rezessiv genannt. In anderen Fällen liegt man am Ende zwischen den beiden Möglichkeiten. In diesem Fall werden die beiden Allele als co-dominant bezeichnet.

Die meisten Merkmale, die Sie bei einem Lebewesen sehen können, haben mehrere Gene, die sie beeinflussen. Und viele Gene haben mehrere Auswirkungen auf den Körper, weil ihre Funktion nicht in jedem Gewebe die gleiche Wirkung hat. Die mehrfache Wirkung eines einzelnen Gens wird als Pleiotropismus bezeichnet. Der gesamte Satz von Genen wird als Genotyp bezeichnet, und die Gesamtwirkung der Gene auf den Körper wird als Phänotyp bezeichnet. Dies sind Schlüsselbegriffe der Genetik.

Prä-mendelsche Ideen

Wir wissen, dass der Mensch schon früh mit der Zucht von Haustieren begann, wahrscheinlich noch vor der Erfindung der Landwirtschaft. Wir wissen nicht, wann die Vererbung erstmals als wissenschaftliches Problem anerkannt wurde. Die Griechen, und ganz offensichtlich Aristoteles, studierten Lebewesen und schlugen Ideen zur Fortpflanzung und Vererbung vor.

Die wahrscheinlich wichtigste Idee vor Mendel war die von Charles Darwin, dessen Idee der Pangenese aus zwei Teilen bestand. Der erste, dass persistente Erbeinheiten von einer Generation an die nächste weitergegeben werden, war völlig richtig. Die zweite war seine Idee, dass sie durch "Edelsteine" aus dem somatischen (Körper-)Gewebe wieder aufgefüllt werden. Das war völlig falsch und spielt in der heutigen Wissenschaft keine Rolle. Darwin hatte in einer Sache Recht: Was immer in der Evolution geschieht, muss durch Vererbung geschehen, und deshalb ist eine genaue Wissenschaft der Genetik grundlegend für die Evolutionstheorie. Diese "Paarung" zwischen Genetik und Evolution hat viele Jahre gebraucht, um sie zu organisieren. Sie führte zu der modernen evolutionären Synthese.

Mendelsche Genetik

Die Grundregeln der Genetik wurden erstmals um 1865 von einem Mönch namens Gregor Mendel entdeckt. Schon seit Tausenden von Jahren hatten die Menschen untersucht, wie Merkmale von den Eltern an ihre Kinder vererbt werden. Mendels Arbeit war jedoch anders, denn er gestaltete seine Experimente sehr sorgfältig.

In seinen Experimenten untersuchte Mendel, wie Merkmale in Erbsenpflanzen weitergegeben werden. Er begann seine Kreuzungen mit Pflanzen, die sich echt vermehrten, und zählte Merkmale, die entweder/oder in der Natur vorkamen (entweder groß oder klein). Er züchtete eine große Anzahl von Pflanzen und drückte seine Ergebnisse numerisch aus. Er verwendete Testkreuzungen, um das Vorhandensein und den Anteil rezessiver Zeichen zu ermitteln.

Mendel erklärte die Ergebnisse seines Experiments anhand zweier wissenschaftlicher Gesetze:

• 1. Faktoren, die später als Gene bezeichnet werden, treten in gewöhnlichen Körperzellen normalerweise paarweise auf, trennen sich aber bei der Bildung von Geschlechtszellen. Diese Faktoren bestimmen die Eigenschaften des Organismus und werden von seinen Eltern vererbt. Wenn die Geschlechtszellen durch Meiose gebildet werden, trennen sich die beiden Faktoren. Eine Keimzelle erhält nur den einen oder den anderen. Dies nannte Mendel das Gesetz der Segregation.
• 2. Allele verschiedener Gene trennen sich bei der Bildung von Keimzellen unabhängig voneinander. Dies nannte er das Gesetz des unabhängigen Sortiments. Mendel dachte also, dass verschiedene Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden. Heute wissen wir, dass dies nur dann zutrifft, wenn die Gene nicht auf demselben Chromosom liegen, in diesem Fall sind sie nicht miteinander verbunden.

Mendels Gesetze halfen bei der Erklärung der Ergebnisse, die er an seinen Erbsenpflanzen beobachtete. Später entdeckten die Genetiker, dass seine Gesetze auch für andere Lebewesen, sogar für den Menschen, galten. Mendels Erkenntnisse aus seiner Arbeit an den Gartenerbsenpflanzen trugen dazu bei, das Gebiet der Genetik zu etablieren. Seine Beiträge beschränkten sich nicht nur auf die Grundregeln, die er entdeckte. Mendels Sorgfalt bei der Kontrolle der Versuchsbedingungen zusammen mit seiner Aufmerksamkeit für seine numerischen Ergebnisse setzte einen Standard für zukünftige Experimente. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler Mendels Ideen verändert und verbessert. Die Wissenschaft der Genetik wäre heute jedoch ohne die frühen Arbeiten von Gregor Mendel nicht möglich.

Zwischen Mendel und moderner Genetik

In den Jahren zwischen Mendels Werk und 1900 wurden die Grundlagen der Zytologie, das Studium der Zellen, entwickelt. Die über den Zellkern und die Zellteilung entdeckten Tatsachen waren für das richtige Verständnis von Mendels Arbeit unerlässlich.

1832: Barthélémy Dumortier, der als erster die Zellteilung in einem mehrzelligen Organismus beobachtete.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), ein jüdischer polnisch-deutscher Physiologe, war der erste, der die Grundlage der Zellbiologie darlegte: dass Zellen nur von anderen Zellen abstammen. Dies wurde später durch den deutschen Arzt Rudolf Virchow (1821-1902) populär gemacht, der die berühmte Phrase omnis cellula e cellula, d.h. alle Zellen aus anderen Zellen, verwendete.

1865: Gregor Mendels Arbeit "Experimente zur Pflanzenhybridisierung" wurde veröffentlicht.

1876: Die Meiose wurde von dem deutschen Biologen Oscar Hertwig (1849-1922) zum ersten Mal bei Seeigeleiern entdeckt und beschrieben.

1878–1888: Walther Flemming und Eduard Strasburger beschreiben das Verhalten der Chromosomen während der Mitose.

1883: Der belgische Zoologe Edouard van Beneden (1846-1910) beschrieb die Meiose auf der Ebene der Chromosomen bei Ascaris-Eiern (Spulwurm).

1883: Der deutsche Zoologe Wilhelm Roux (1850-1924) erkannte die Bedeutung der linearen Struktur der Chromosomen. Ihre Teilung in zwei gleiche Längshälften stellte sicher, dass jede Tochterzelle das gleiche Chromosomenkomplement erhielt. Daher waren die Chromosomen die Träger der Vererbung.

1889: Der niederländische Botaniker Hugo de Vries schlägt vor, dass "die Vererbung spezifischer Merkmale in Organismen in Partikeln erfolgt", und nennt solche Partikel-(Pan-)Gene.

1890: Die Bedeutung der Meiose für Fortpflanzung und Vererbung wurde erst 1890 von dem deutschen Biologen August Weismann (1834-1914) beschrieben, der feststellte, dass zwei Zellteilungen notwendig seien, um eine diploide Zelle in vier haploide Zellen umzuwandeln, wenn die Anzahl der Chromosomen erhalten bleiben solle.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), ein deutscher Biologe, machte in einer Reihe von Abhandlungen auf die Übereinstimmung zwischen dem Verhalten der Chromosomen und den von Mendel erzielten Ergebnissen aufmerksam. Er sagte, dass die Chromosomen "unabhängige Einheiten sind, die ihre Unabhängigkeit auch im ruhenden Kern behalten... Was aus dem Kern herauskommt, ist das, was in ihn hineingeht".

1903: Walter Sutton schlug vor, dass Chromosomen, die sich auf mendel'sche Weise segregieren, Erbanlagen sind. Edmund B. Wilson (1856-1939), Suttons Lehrer und Autor eines der berühmtesten Lehrbücher der Biologie, nannte dies die Sutton-Boveri-Hypothese.

Zu diesem Zeitpunkt verschmolzen die Entdeckungen in der Zytologie mit den wiederentdeckten Ideen Mendels zu einer Fusion, die Zytogenetik genannt wird (zyto = Zelle; Genetik = Vererbung) und die bis heute andauert.

Wiederentdeckung von Mendels Werk

In den 1890er Jahren begannen mehrere Biologen mit Experimenten zur Züchtung. und bald wurden Mendels Ergebnisse vervielfältigt, noch bevor seine Arbeiten gelesen wurden. Carl Correns und Hugo de Vries waren die wichtigsten Wiederentdecker von Mendels Schriften und Gesetzen. Beide erkannten Mendels Priorität an, obwohl es wahrscheinlich ist, dass de Vries seine eigenen Ergebnisse erst nach der Lektüre Mendels verstand. Obwohl ursprünglich auch Erich von Tschermak die Wiederentdeckung zugeschrieben wurde, wird dies nicht mehr akzeptiert, weil er Mendels Gesetze nicht verstanden hat. Obwohl de Vries später das Interesse am Mendelismus verlor, bauten andere Biologen die Genetik zu einer Wissenschaft aus.

Mendels Ergebnisse wurden repliziert, und die genetische Verknüpfung klappte bald. William Bateson tat in den frühen Tagen vielleicht am meisten, um Mendels Theorie bekannt zu machen. Das Wort Genetik und andere Begriffe haben ihren Ursprung bei Bateson.

Mendels experimentelle Ergebnisse waren später Gegenstand einiger Debatten. Fisher analysierte die Ergebnisse des Verhältnisses F2 (zweite Tochter) und stellte fest, dass sie unplausibel nahe am exakten Verhältnis von 3 zu 1 lagen. Manchmal wird behauptet, dass Mendel seine Ergebnisse zensiert haben könnte und dass seine sieben Merkmale jeweils auf einem separaten Chromosomenpaar vorkommen, was äußerst unwahrscheinlich ist, wenn sie zufällig ausgewählt wurden. Tatsächlich traten die von Mendel untersuchten Gene nur in vier Verknüpfungsgruppen auf, und nur ein Genpaar (von 21 möglichen) liegt nahe genug beieinander, um eine Abweichung vom unabhängigen Sortiment zu zeigen; dies ist kein Paar, das Mendel untersucht hat.

Mutationen

Während des Prozesses der DNA-Replikation treten manchmal Fehler auf. Diese Fehler, Mutationen genannt, können sich auf den Phänotyp eines Organismus auswirken. Das wiederum wirkt sich in der Regel auf die Fitness des Organismus aus, auf seine Fähigkeit, erfolgreich zu leben und sich fortzupflanzen.

Die Fehlerraten sind in der Regel sehr niedrig - 1 Fehler pro 10-100 Millionen Basen - aufgrund der "Korrekturlesefähigkeit" der DNA-Polymerasen. Bei vielen Viren sind die Fehlerraten um ein Tausendfaches höher. Da sie auf DNA- und RNA-Polymerasen angewiesen sind, denen die Fähigkeit zum "Korrekturlesen" fehlt, erhalten sie höhere Mutationsraten.

Prozesse, die die Rate der Veränderungen in der DNA erhöhen, werden als mutagen bezeichnet. Mutagene Chemikalien erhöhen Fehler in der DNA-Replikation, oft durch Eingriffe in die Struktur der Basenpaarung, während UV-Strahlung Mutationen induziert, indem sie die DNA-Struktur schädigt. Chemische Schäden an der DNA treten auch auf natürliche Weise auf, und Zellen verwenden DNA-Reparaturmechanismen, um Fehlanpassungen und Brüche in der DNA zu reparieren - dennoch gelingt es der Reparatur manchmal nicht, die DNA wieder in ihre ursprüngliche Sequenz zurückzuführen.

Bei Organismen, die chromosomale Kreuzungen zum Austausch von DNA und zur Rekombination von Genen nutzen, können Fehler in der Ausrichtung während der Meiose ebenfalls Mutationen verursachen. Fehler bei der Kreuzung sind besonders wahrscheinlich, wenn ähnliche Sequenzen dazu führen, dass Partnerchromosomen eine falsche Ausrichtung annehmen; dadurch werden einige Regionen in Genomen anfälliger für solche Mutationen. Diese Fehler verursachen große strukturelle Veränderungen in der DNA-Sequenz - Duplikationen, Inversionen oder Deletionen ganzer Regionen oder den zufälligen Austausch ganzer Teile zwischen verschiedenen Chromosomen (Translokation genannt).

Punnett-Quadrate

Die von Reginald Punnett entwickelten Punnett-Quadrate werden von Biologen verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass Nachkommen einen bestimmten Genotyp haben.

Wenn B für das Allel für schwarzes Haar und b für das Allel für weißes Haar steht, hätten die Nachkommen von zwei Bb-Eltern eine 25%ige Wahrscheinlichkeit, zwei Allele für weißes Haar (bb) zu haben, eine 50%ige Wahrscheinlichkeit, eines von beiden zu haben (Bb), und eine 25%ige Wahrscheinlichkeit, nur Allele für schwarzes Haar zu haben (BB).

Ahnentafel

Genetiker (Biologen, die Genetik studieren) verwenden Stammbaumtafeln, um Merkmale von Menschen in einer Familie aufzuzeichnen. Anhand dieser Tabellen können Genetiker untersuchen, wie ein Merkmal von Mensch zu Mensch vererbt wird.

Genetiker können mit Hilfe von Ahnentafeln auch vorhersagen, wie Merkmale an zukünftige Kinder in einer Familie weitergegeben werden. Genetische Berater sind zum Beispiel Fachleute, die mit Familien arbeiten, die von genetischen Krankheiten betroffen sein könnten. Als Teil ihrer Arbeit erstellen sie Stammbaumdiagramme für die Familie, mit deren Hilfe untersucht werden kann, wie die Krankheit vererbt werden könnte.

Zwillingsstudien

Da der Mensch nicht experimentell gezüchtet wird, muss die Humangenetik mit anderen Mitteln untersucht werden. Ein neuer Weg ist das Studium des menschlichen Genoms. Eine andere Möglichkeit, die um viele Jahre älter ist, ist die Untersuchung von Zwillingen. Eineiige Zwillinge sind natürliche Klone. Sie tragen die gleichen Gene, sie können dazu verwendet werden, zu untersuchen, wie viel die Vererbung bei einzelnen Menschen beiträgt. Studien mit Zwillingen sind recht interessant. Wenn wir eine Liste von charakteristischen Merkmalen erstellen, stellen wir fest, dass sie sich darin unterscheiden, wie viel sie der Vererbung verdanken. Ein Beispiel:

• Augenfarbe: vollständig vererbt
• Gewicht, Größe: teilweise vererbt, teilweise umweltbedingt
• Welche Sprache eine Person spricht: ausschließlich Umwelt.

Die Art und Weise, wie die Studien durchgeführt werden, ist wie folgt. Man nehme eine Gruppe eineiiger Zwillinge und eine Gruppe zweieiiger Zwillinge. Messen Sie sie nach verschiedenen Merkmalen. Führen Sie eine statistische Analyse durch (z.B. Varianzanalyse). Dadurch erfahren Sie, inwieweit das Merkmal vererbt wird. Die Merkmale, die teilweise vererbt werden, sind bei eineiigen Zwillingen signifikant ähnlicher. Studien wie diese können weitergeführt werden, indem eineiige Zwillinge, die zusammen mit eineiigen Zwillingen aufgezogen wurden, mit eineiigen Zwillingen verglichen werden, die unter verschiedenen Umständen aufgezogen wurden. Das gibt einen Anhaltspunkt dafür, inwieweit die Umstände die Ergebnisse genetisch identischer Menschen verändern können.

Die Person, die zuerst Zwillingsstudien machte, war Francis Galton, Darwins Halbvetter, der ein Begründer der Statistik war. Seine Methode bestand darin, Zwillinge durch ihre Lebensgeschichte zu verfolgen und dabei viele Arten von Messungen vorzunehmen. Obwohl er über eineiige und zweieiige Zwillinge Bescheid wusste, erkannte er leider nicht den wirklichen genetischen Unterschied. Zwillingsstudien der modernen Art erschienen erst in den 1920er Jahren.

Die Genetik von Bakterien, Archaeen und Viren ist ein wichtiges Gebiet oder Forschungsgebiet. Bakterien teilen sich meist durch asexuelle Zellteilung, haben aber durch horizontalen Gentransfer eine Art Geschlecht. Bakterielle Konjugation, Transduktion und Transformation sind ihre Methoden. Darüber hinaus ist heute die vollständige DNA-Sequenz vieler Bakterien, Archaeen und Viren bekannt.

Obwohl vielen Bakterien generische und spezifische Namen gegeben wurden, wie z.B. Staphylococcus aureus, ist die ganze Idee einer Spezies ziemlich bedeutungslos für einen Organismus, der keine Geschlechter und keine Kreuzung von Chromosomen hat. Stattdessen haben diese Organismen Stämme, und auf diese Weise werden sie im Labor identifiziert.

Genexpression

Genexpression ist der Prozess, durch den die vererbbare Information in einem Gen, die Sequenz von DNA-Basenpaaren, in ein funktionelles Genprodukt, wie Protein oder RNA, umgewandelt wird. Die Grundidee ist, dass DNA in RNA transkribiert wird, die dann in Proteine übersetzt wird. Proteine machen viele der Strukturen und alle Enzyme in einer Zelle oder einem Organismus aus.

Mehrere Schritte im Genexpressionsprozess können moduliert (abgestimmt) werden. Dazu gehören sowohl die Transkription und  Übersetzungen als auch der endgültige gefaltete Zustand eines Proteins. Die Genregulation schaltet Gene an und aus und steuert so die Zelldifferenzierung und die Morphogenese. Die Genregulation kann auch als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dienen: Die Kontrolle von Zeitpunkt, Ort und Menge der Genexpression kann einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Organismus haben. Die Expression eines Gens kann in verschiedenen Geweben stark variieren. Dies wird als Pleiotropismus bezeichnet, ein in der Genetik weit verbreitetes Phänomen.

Alternatives Spleißen ist eine moderne Entdeckung von großer Bedeutung. Es handelt sich dabei um einen Prozess, bei dem aus einem einzigen Gen eine große Anzahl von Varianten von Proteinen zusammengesetzt werden kann. Ein bestimmtes Drosophila-Gen (DSCAM) kann alternativ in 38.000 verschiedene mRNA gespleißt werden.

Epigenetik & Kontrolle der Entwicklung

Epigenetik ist die Untersuchung von Veränderungen der Genaktivität, die nicht durch Veränderungen in der DNA-Sequenz verursacht werden. Es ist das Studium der Genexpression, der Art und Weise, wie Gene ihre phänotypischen Wirkungen hervorrufen.

Diese Veränderungen in der Genaktivität können für den Rest des Zelllebens bestehen bleiben und auch über viele Generationen von Zellen durch Zellteilungen andauern. Es gibt jedoch keine Veränderung der zugrunde liegenden DNA-Sequenz des Organismus. Stattdessen bewirken nicht-vererbbare Faktoren, dass sich die Gene des Organismus anders verhalten (sich anders ausdrücken).

Hox-Gene sind ein Komplex von Genen, deren Proteine an die regulatorischen Regionen von Zielgenen binden. Die Zielgene aktivieren oder unterdrücken dann Zellprozesse, um die endgültige Entwicklung des Organismus zu steuern.

Extranukleare Vererbung

Es gibt einige Arten der Vererbung, die außerhalb des Zellkerns stattfinden. Die normale Vererbung erfolgt von beiden Elternteilen über die Chromosomen im Zellkern einer befruchteten Eizelle. Es gibt aber auch andere Arten der Vererbung.

Organelle Vererbung

Mitochondrien und Chloroplasten tragen einen Teil ihrer eigenen DNA in sich. Ihre Zusammensetzung wird durch Gene in den Chromosomen und Gene in den Organellen bestimmt. Carl Correns entdeckte 1908 ein Beispiel. Die Vier-Uhr-Pflanze, Mirabilis jalapa, hat Blätter, die weiß, grün oder bunt gefärbt sein können. Correns entdeckte, dass der Pollen keinen Einfluss auf diese Vererbung hat. Die Farbe wird durch Gene in den Chloroplasten bestimmt.

Infektiöse Vererbung

Dies wird durch eine symbiotische oder parasitäre Beziehung mit einem Mikroorganismus verursacht.

Mütterliche Wirkung

In diesem Fall werden nukleäre Gene in der weiblichen Geschlechtszelle transkribiert. Die Produkte reichern sich im Zytoplasma der Eizelle an und wirken sich auf die frühe Entwicklung der befruchteten Eizelle aus. So wird die Wicklung einer Schnecke, Limnaea peregra, bestimmt. Rechtshändige Schalen sind Genotypen Dd oder dd, während linkshändige Schalen dd sind.

Das wichtigste Beispiel für die mütterliche Wirkung ist bei Drosophila melanogaster. Das Proteinprodukt mütterliche Wirkungsgene aktiviert andere Gene, die wiederum noch mehr Gene aktivieren. Diese Arbeit wurde 1995 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.

Ein Großteil der modernen Forschung verwendet eine Mischung aus Genetik, Zellbiologie und Molekularbiologie. Zu den Themen, die entweder in der Chemie oder in der Physiologie Gegenstand von Nobelpreisen waren, gehören

• Alternatives Spleißen, bei dem ein Gen für eine Vielzahl von verwandten Proteinprodukten kodiert.
• Genomik, die Sequenz und Analyse der Funktion und Struktur von Genomen.
• Gentechnik, die Veränderung des Genoms eines Organismus mit Hilfe der Biotechnologie.
• Bewegliche genetische Elemente, Typen von DNA, die ihre Position im Genom verändern können.
• Horizontaler Gentransfer, bei dem ein Organismus genetisches Material von einem anderen Organismus erhält, ohne Nachkommen dieses Organismus zu sein.

Genetik des menschlichen Verhaltens

Viele bekannte Störungen des menschlichen Verhaltens haben eine genetische Komponente. Das bedeutet, dass ihre Vererbung das Verhalten teilweise verursacht oder es wahrscheinlicher macht, dass das Problem auftreten würde. Beispiele hierfür sind:

• Autismus
• ADHS (Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom)
• Drogenkonsum und -missbrauch
• Risikobereitschaft
• Schizophrenie

Auch das normale Verhalten wird stark von der Vererbung beeinflusst:

• Lernen und kognitive Fähigkeiten
• Persönlichkeit

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• ENCODE: die vollständige Analyse des menschlichen Genoms
• Gentherapie