Genetik

1

Einleitung

Genetik, Wissenschaft von der Vererbung, also der Weitergabe körperlicher Merkmale von einer Generation auf die nächste.

Der Begriff wurde 1906 von dem britischen Biologen William Bateson geprägt. Die moderne Genetik untersucht nicht nur die molekularen Zusammenhänge der Vererbung bei den verschiedenen Organismen, sondern greift auch durch gentechnische Verfahren ins Erbgut ein.

2

Entstehung der Genetik

Als Geburtsstunde der wissenschaftlichen Genetik gilt das Jahr 1900. In diesem Jahr entdeckten drei Forscher unabhängig voneinander die Arbeiten des Botanikers Gregor Mendel wieder, die schon 1866 veröffentlicht worden waren, ohne dass man ihre Bedeutung erkannt hatte. Gregor Mendel hatte im Garten des Augustinerklosters Sankt Thomas (in der böhmischen Stadt Brünn) Kreuzungsversuche mit Erbsengewächsen durchgeführt. Dabei entdeckte er am Erbgang von sieben äußerlich deutlich unterscheidbaren Merkmalen bestimmte Gesetzmäßigkeiten (siehe Mendel’sche Regeln). Aus den Ergebnissen dieser und auch an anderen Pflanzenarten durchgeführter Experimente zog er den Schluss, dass die untersuchten Merkmale als getrennte, voneinander unabhängige Einheiten vererbt werden. Er nannte diese Einheiten „Elemente” und erkannte, dass sie paarweise vorhanden sind. Später wurde dafür der heute noch gebräuchliche Begriff Gene verwendet.

3

Die stoffliche Grundlage der Vererbung

Schon bald nachdem Mendels Arbeiten wiederentdeckt waren, erkannte man Parallelen zwischen den von ihm beschriebenen Gesetzmäßigkeiten der Merkmalsvererbung und dem Verhalten der Chromosomen während der Zellteilung. Das legte die Vermutung nahe, dass die Mendel’schen Erbfaktoren, also die Gene, auf den Chromosomen zu lokalisieren seien. In der Folge beschäftigten sich die Forscher eingehend mit den Vorgängen bei der Zellteilung.

Die Zellen höherer Organismen (Eukaryonten) bestehen im Wesentlichen aus dem Zytoplasma, einer gallertartigen Masse, in welche der von einer Membran umgebene Zellkern eingebettet ist. Das Zytoplasma, nach außen von der Plasmamembran abgegrenzt, setzt sich hauptsächlich aus Wasser, Proteinen und löslichen Stoffen zusammen. In diese Zellmasse sind verschiedene kleinere Strukturen eingebettet, die als Organelle bezeichnet werden und die unterschiedliche Aufgaben im Stoffwechsel der Zelle erfüllen. Im Zellkern eingeschlossen ist das Genom (Erbgut), das auf die mikroskopisch kleinen, fadenartigen Chromosomen, die Träger der Gene, verteilt ist. Prokaryonten, einfach gebaute Lebewesen, zu denen im Wesentlichen die Bakterien gehören, haben keinen Zellkern. Ihr Genom liegt frei im Zytoplasma und wird Nucleoid oder Kernäquivalent genannt; die manchmal verwendete Bezeichnung Bakterienchromosom ist irreführend, da Chromosomen außer Nucleinsäuren auch Proteine enthalten.

Zellen vermehren sich durch Teilung. Höhere Organismen, die wie der Mensch aus vielen Milliarden Zellen bestehen können, gehen auf eine einzige Ursprungszelle zurück, die aus der Vereinigung von Ei- und Samenzelle entsteht und als Zygote bezeichnet wird (siehe Befruchtung). Mit den sich teilenden Zellen vermehren sich auch die Chromosomen, so dass alle Zellen, die sich aus der Zygote entwickeln, im Prinzip das gleiche genetische Material enthalten. Allerdings können bei der Vermehrung der Chromosomen und ihrer Verteilung auf die neu entstehenden Zellen Fehler passieren (Mutationen).

Das Genom der meisten Organismen besteht aus mehreren Chromosomen, die sich in Form und Größe unterscheiden und deren Anzahl arttypisch ist. Chromosomen kommen gewöhnlich paarweise vor; man spricht von einem diploiden (doppelten) Chromosomensatz. Ein Paar gleichartiger Chromosomen bezeichnet man als homologe Chromosomen. Der Mensch beispielsweise besitzt 23 Chromosomenpaare, die Kleine Essigfliege oder Fruchtfliege vier Paare und die Tomatenpflanze zwölf. Auf den Chromosomen linear verteilt liegen die einzelnen Gene – jedes an einem ganz bestimmten Platz, dem Genlocus.

Die Zellteilung beginnt mit der Teilung des Zellkerns, ein Vorgang, den man Mitose nennt. Dabei verdoppeln sich zuerst die Chromosomen in zwei identische, im Lichtmikroskop sichtbare Stränge, die Chromatiden. Haben sich die parallel liegenden Schwesterchromatiden der duplizierten Chromosomen voneinander getrennt und in einer Ebene zwischen den beiden Zellpolen angeordnet, werden die Spindelfasern aktiv. Sie ziehen je eines der beiden gleichen Chromosomen in entgegengesetzter Richtung so auseinander, dass sich schließlich je ein vollständiger Chromosomensatz an den beiden Zellpolen befindet. Zur Vollendung der Zellteilung wird zwischen den Polen eine neue Zellwand ausgebildet. Auf diese Weise sind aus der Ausgangszelle zwei Tochterzellen mit jeweils komplettem Chromosomensatz entstanden (siehe Zelle: Zellteilung). Einzellige Lebewesen (Protozoen) und auch einige mehrzellige Arten vermehren sich ausschließlich auf diesem mitotischen Weg.

Bei den höher organisierten Lebewesen mit echtem Zellkern gibt es in Bezug auf die Zellvermehrung einen Unterschied zwischen Körperzellen und Geschlechtszellen. Körperzellen vermehren vor der Teilung ihr genetisches Material durch Mitose. Da im Regelfall jedes Chromosom zweimal vorhanden ist, bewirkt die Verdopplung des genetischen Materials vor der Mitose, dass zunächst jedes Chromosom viermal vorliegt. Erst nach abgeschlossener Zellteilung hat die Körperzelle dann mit dem diploiden Chromosomensatz wieder den „Normalzustand” erreicht.

Geschlechtszellen, auch Keimzellen oder Gameten genannt, werden dagegen durch Meiose gebildet, die in zwei Teilungszyklen abläuft. Zunächst wird der doppelte (diploide) Chromosomensatz halbiert. Anschließend, im zweiten Teilungszyklus, teilen sich die Chromosomen des haploiden Satzes mitotisch. Am Ende verfügt jede der aus den Teilungen hervorgehenden Geschlechtszellen über einen einfachen, haploiden Chromosomensatz. Diese in der Meiose vollzogene Reduzierung des diploiden auf den haploiden Chromosomensatz, die bei der Keimzellenbildung stattfindet, hat folgenden biologischen Sinn: Bei der Zygotenbildung, also der Vereinigung der männlichen und weiblichen Gameten, steuern Samen- und Eizelle jeweils nur einen einfachen Chromosomensatz bei. Nach der Befruchtung ist mit der entstehenden diploiden Zygote also wieder der „Normalfall” hergestellt: Alle in der folgenden Embryonalentwicklung durch mitotische Teilungen aus der Zygote entstehenden Tochterzellen verfügen nun über einen diploiden Chromosomensatz. Fände bei der Keimzellenbildung keine meiotische Reduktion auf den einfachen Chromosomensatz statt, würden sich mit jeder Generation die Chromosomensätze in den Körperzellen verdoppeln. Durch die Meiose bleibt die Konstanz der Chromosomenzahl gewahrt.

4

Weitergabe der Gene

Bei der sexuellen Fortpflanzung kommen durch die Vereinigung der Gameten zwei Chromosomensätze zusammen, je einer von jedem Elternteil. Dadurch ist jedes Gen zweimal vorhanden (Ausnahmen von dieser Regel werden im Abschnitt über Geschlecht und Geschlechtskopplung beschrieben). Die Ausprägung eines genetisch bestimmten Merkmals (z. B. Haarfarbe) wird also vom Vater und von der Mutter beeinflusst. Die beiden dasselbe Merkmal bestimmenden Gene liegen auf den homologen Chromosomen jeweils an der gleichen Stelle. Sind sie in ihrem genetischen Informationsgehalt völlig gleich, bezeichnet man das Lebewesen für dieses Gen als homozygot. Liegen dagegen zwei verschiedene Allele (Varianten) des gleichen Gens vor (z. B. eines für unpigmentierte, eines für dunkle Haare), bezeichnet man die Situation als heterozygot. Setzt sich eines von zwei verschiedenen Allelen gegen das andere bei der Merkmalsausprägung durch, nennt man dieses Allel dominant. Die unterdrückte, als Merkmal nicht in Erscheinung tretende Allelvariante wird als rezessiv bezeichnet. Nur im reinerbigen Fall, wenn das rezessive Allel im homozygoten Zustand vorliegt, tritt das rezessive Merkmal in Erscheinung.

Als Beispiel sei das Gen betrachtet, das die Bildung der Pigmente für Haut, Haare und Augen veranlasst. Befindet sich dieses Gen im Allelzustand (A), verleiht das dem Individuum die Fähigkeit zur Pigmentbildung. Ist dasselbe Gen durch eine Mutation in einem anderen Allelzustand (a), wird kein Pigment gebildet (das Krankheitsbild wird als Albinismus bezeichnet). Das Allel (A) ist in seiner Wirkung dominant, (a) dagegen rezessiv (entsprechend einer Konvention in der Genetik werden dominante Allele mit Großbuchstaben, rezessive Allele mit Kleinbuchstaben bezeichnet). Daher haben nicht nur die für das Pigmentierungsgen homozygoten AA, sondern auch die heterozygoten Individuen Aa eine normale Haut- und Haarfärbung. Wer jedoch homozygot für beide Allele ist und dabei die Kombination aa aufweist, kann keine Pigmente ausbilden und zeigt das Erscheinungsbild eines Albinos.

Für Kinder, deren Eltern beide heterozygot Aa sind, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent, selbst heterozygot Aa zu sein. Die Wahrscheinlichkeit für den homozygoten Zustand AA oder aa liegt bei jeweils 25 Prozent. Das heißt, die Chance normal und kein Albino zu sein, beträgt für jedes Kind 75 Prozent. Dies ist ein statistischer Wert, er besagt nicht, dass eines von vier Kindern notwendigerweise ein Albino wird. Man unterscheidet zwischen der äußerlichen Erscheinung eines Lebewesens und den Genen, die es trägt. Die von Genen bestimmten, beobachtbaren Eigenschaften bezeichnet man als Phänotyp des Lebewesens, die genetische Ausstattung selbst als Genotyp. Im obigen Beispiel führt der Genotyp aa zum Phänotyp Albino, die Genotypen AA und Aa führen zum normalen Erscheinungsbild.

Nicht bei allen Genen setzt sich, wie beim dominant-rezessiven Erbgang, ein Allel gegen das andere durch. Es gibt auch einen Erbgang, bei dem ein heterozygoter Genotyp zu einer phänotypischen Merkmalsvermischung führt. Beispielsweise treten bei der Japanischen Wunderblume (Mirabilis jalapa) rote Blüten auf, wenn sich die Gene für die Blütenfarbe im homozygoten Allelzustand RR befinden. Der homozygote Allelzustand rr bewirkt weiße Blüten. Im heterozygoten Zustand Rr dagegen bildet die Pflanze, gewissermaßen als farbliche Zwischenstufe, rosarote Blüten aus. In diesem Fall spricht man von intermediärem Erbgang.