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.

5.

Polygenie

In den vorgenannten Beispielen wurde zum einfacheren Verständnis der in der Natur seltenere Fall dargestellt, dass ein bestimmtes Merkmal von einem einzelnen Gen ausgeprägt wird. Häufiger ist der Fall, dass die Ausbildung eines Merkmals von mehreren Genen abhängig ist; man spricht von Polygenie. Bei der additiven Polygenie kann jedes der Gene, die das Merkmal bestimmen, allein das Merkmal hervorrufen. Das Merkmal entfaltet sich um so stärker, je mehr der zuständigen Gene beteiligt sind. Beispielsweise sind viele Eigenschaften, die sich quantitativ ausprägen, wie Ertrag, Wuchshöhe, Gewicht oder Stärke einer Pigmentierung, von mehreren Genen abhängig. Dabei kann jedes einzelne Gen eine Teilwirkung auf die Merkmalsausprägung haben. Die verschiedenen Gene können sehr unterschiedlich zum Gesamtergebnis beitragen. Auch sich verstärkende Wechselwirkungen zwischen den ein Merkmal bestimmenden Genen sind möglich. Bei der komplementären Polygenie muss je ein dominantes Allel der am Merkmal beteiligten Gene vorliegen. So entsteht z. B. das Pigment für dunkelrote Blüten bei der Gartenwicke durch mindestens zwei Gene. An der Ausbildung der grauen Haarfarbe bei Mäusen und anderen Nagetieren sind drei Gene beteiligt.

6.

Genkopplung und Genkartierung

Unabhängig voneinander werden Gene und die von ihnen bestimmten Eigenschaften nur dann vererbt, wenn sie auf unterschiedlichen Chromosomen liegen. Der amerikanische Genetiker Thomas Morgan und seine Mitarbeiter konnten in umfangreichen Experimenten mit der Essigfliege oder Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigen, dass alle auf einem bestimmten Chromosom liegenden Gene gemeinsam vererbt werden. Diese Genkopplung bleibt erhalten, solange ein Chromosom intakt ist. Es passiert jedoch nicht selten, dass die ursprüngliche Reihenfolge der linear auf einem Chromosom angeordneten Gene gestört wird. Während der Vorgänge bei der Meiose können sich die Arme homologer Chromosomenpaare zufällig überkreuzen (Crossing-over). Durch Bruch und nachfolgende Fusion kann es dabei zum wechselseitigen Austausch ganzer Chromosomenabschnitte kommen. Das Ergebnis dieses Vorgangs, die Neuverteilung von Genen auf den Chromosomen, bezeichnet man als Rekombination.

Ein Crossing-over kann an jeder Stelle des Chromosoms mit etwa der gleichen Wahrscheinlichkeit passieren. Daher ist die Häufigkeit der Rekombination zwischen zwei Genen davon abhängig, wie weit die Genorte auf den Chromosomen voneinander entfernt sind. Je weiter diese auseinanderliegen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass dazwischen ein Crossing-over passiert, durch das beide Gene getrennt werden. Ist der Abstand der Genorte jedoch gering, ist ihre Neukombination statistisch ein relativ seltenes Ereignis. Die Häufigkeit der Rekombinationsereignisse, die auf der genetischen Ebene stattgefunden haben, kann ein Genetiker im Allgemeinen am Phänotyp ablesen, wenn neue Merkmalskombinationen auftreten. Bei Kreuzungsanalysen lassen sich aus den statistischen Häufigkeiten, mit denen verschiedene Merkmale rekombiniert werden, Rückschlüsse auf die Abstände der Gene voneinander ziehen. So kann auch ihre Reihenfolge auf den Chromosomen ermittelt werden. Mit dieser Methode lassen sich also Genkarten aufstellen, auf denen die lineare Abfolge der Gene auf einem Chromosom verzeichnet ist. Die auf Morgan zurückgehende Methode der Rekombinationsanalyse wurde inzwischen so verfeinert, dass man selbst die Bereiche innerhalb von Genen kartieren kann.

In manchen Fällen findet Rekombination auch ohne wechselseitigen Austausch von Chromosomenstücken statt. Wenn sich in einer heterozygoten Zelle zwei unterschiedliche Allele eines Gens befinden, kann eines davon durch eine Art Reparaturvorgang an das andere angeglichen werden. Man spricht dann von Genkonversion. Derartige Korrekturen sind in beide Richtungen möglich (das Allel A kann z. B. zu a werden oder umgekehrt).

Für ihre Kreuzungsanalysen setzt die Genetik bevorzugt solche Organismen als Studienobjekte ein, die sich ohne großen Platzbedarf und Aufwand in Labors handhaben lassen, wie Viren, Bakterien, Hefepilze und die schon erwähnte Fruchtfliege. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl der genetischen Versuchsorganismen ist auch, dass sie kurze Generationszeiten haben sollten, denn Forscher möchten bald die Ergebnisse einer Kreuzung vorliegen haben. Bakterienzellen teilen sich unter optimalen Wachstumsbedingungen circa alle 30 Minuten. Bei der Fruchtfliege folgt eine Generation nach 14 Tagen auf die andere.

7.

Geschlecht und Geschlechtskopplung

Einen weiteren wichtigen Beitrag zum Verständnis von Vererbungsvorgängen leistete Morgan, als er 1910 herausfand, dass manche Eigenschaften geschlechtsgebunden vererbt werden; man spricht dann von geschlechtsgekoppelten Genen. Eine menschliche Zelle besitzt 46 Chromosomen. Davon sind 44 bei Mann und Frau gleich und werden als Autosomen bezeichnet. Die zwei anderen Chromosomen nennt man Heterosomen oder Geschlechtschromosomen, da sie das Geschlecht des Individuums bestimmen. Frauen haben zwei gleichartige X-Chromosomen, beim männlichen Geschlecht findet sich ein ungleiches Paar aus einem X- und einem Y-Chromosom. Wenn sich die Gameten bilden, enthalten die Eizellen immer ein X-Chromosom, die Samenzellen des Mannes dagegen können ein X- oder Y-Chromosom enthalten. Wird also die Eizelle von einem X-tragenden Spermium befruchtet, wird das aus der Zygote entstehende Kind ein Mädchen. Bringt die das Ei befruchtende Samenzelle dagegen ein Y-Chromosom mit, entsteht ein Junge. Nach statistischer Zufallsverteilung müssten gleich viele männliche und weibliche Kinder entstehen. In Wirklichkeit kommen aber 106 Jungen auf 100 Mädchen. Die Ursache dafür ist noch nicht geklärt; möglicherweise haben Spermien mit dem kleineren Y-Chromosom auf ihrem Weg zum Ei eine größere Beweglichkeit.

Das menschliche Y-Chromosom ist nur etwa ein Drittel so groß wie das X-Chromosom. Es enthält nur wenige funktionsfähige Gene, die für die Festlegung des männlichen Geschlechts verantwortlich sind. Auf dem X-Chromosom gibt es dagegen mehrere hundert Gene. Man bezeichnet sie, da sie auf dem Geschlechtschromosom liegen, als geschlechtsgekoppelt. Die Bluterkrankheit (Hämophilie), eine genetisch bedingte Störung der Blutgerinnung, wird z. B. durch ein geschlechtsgekoppeltes rezessives Gen (h) verursacht. Da Frauen zwei X-Chromosomen haben, ist bei ihnen die Wahrscheinlichkeit, durch einen Gendefekt Bluter zu werden, geringer als bei Männern, die nur ein X-Chromosom haben. Bei Frauen mit dem Genotyp HH oder Hh funktioniert die Blutgerinnung, nur die Allelkombination hh führt zur Hämophilie. Anders ist die Situation bei Männern, da sie für dieses nur auf dem X-Chromosom vorkommende Gen immer nur ein Allel haben: Entweder der Mann hat H, dann ist er gesund, oder er hat h, dann ist er Bluter. Für Eltern gilt: Wenn zwei Nicht-Bluter, der Mann (H) und die Frau (Hh) Kinder haben, sind alle Töchter für das Merkmal phänotypisch gesund, doch es entsteht mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent unter ihnen der Hh-Genotyp. Diese Frauen, bei denen die Anlage zur Krankheit verdeckt vorliegt, sind selbst wieder Überträgerinnen des Hämophiliegens. Die Söhne haben entweder das Gen H oder das Gen h geerbt; deshalb erkrankt die Hälfte von ihnen an Hämophilie. Auch viele andere Störungen, wie Rotgrünblindheit (siehe Farbenblindheit), erbliche Kurzsichtigkeit, Nachtblindheit und Ichthyose (eine Hautkrankheit) sind geschlechtsgekoppelt.

8.

Genwirkung: DNA und der Code des Lebens

Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts blieben wichtige Fragen der Vererbung unbeantwortet: Wie wird das genetische Material vermehrt und von Zelle zu Zelle weitergegeben? Wie beeinflussen Gene die Ausbildung von bestimmten Körpermerkmalen? Einen wichtigen Hinweis fanden Anfang der vierziger Jahre die amerikanischen Genetiker George Wells Beadle und Edward Lawrie Tatum. Bei ihren Untersuchungen an den Schimmelpilzen Neurospora und Penicillium stellten sie fest, dass Gene den Aufbau von Enzymen steuern. Daraus wurde die Regel abgeleitet, dass zu jedem Proteinmolekül oder Polypeptid (das ist eine Proteinuntereinheit) ein bestimmtes Gen gehört. Diese Befunde lösten weitere intensive Untersuchungen zur chemischen Natur der Gene aus.

Von den Chromosomen als Trägern der Vererbung war zunächst bekannt, dass sie aus zwei Arten von chemischen Verbindungen aufgebaut sind, aus Proteinen und Nucleinsäuren. Als Grundsubstanz für die komplizierten Vererbungsvorgänge konnte man sich nur die Proteine vorstellen, die einen komplexeren Aufbau zeigen als die Nucleinsäuren. Doch 1944 wies der kanadische Bakteriologe Oswald Theodore Avery nach, dass die Desoxyribonucleinsäure (DNA oder DNS) Träger der Erbinformation ist. Er isolierte aus einem so genannten S-Stamm des Pneumococcus-Bakteriums reine DNA und schleuste sie in Zellen eines anderen Stammes mit der Bezeichnung R ein. Durch diese DNA-Übertragung erwarb der R-Stamm die Eigenschaften des S-Stammes und gab sie auch an seine Nachkommen weiter. Damit war bewiesen, dass die Erbinformation irgendwie auf der DNA gespeichert sein muss. Damals wusste man bereits, dass DNA aus Molekülbausteinen zusammengesetzt ist, die man Nucleotide nennt. Jedes Nucleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker mit dem Namen Desoxyribose und einer stickstoffhaltigen Base, von der vier verschiedene chemische Varianten existieren. Diese vier organischen Basen tragen die Namen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Im Jahr 1953 gelang es den Genetikern James Dewey Watson aus den USA und Francis Harry Compton Crick aus Großbritannien, auf der Grundlage aller bis dahin gewonnenen Erkenntnisse die dreidimensionale Struktur der DNA aufzuklären. Danach besteht das DNA-Molekül aus zwei parallel laufenden Strängen, die wie eine verdrehte Strickleiter umeinander gewunden sind; man bezeichnet diese Molekülform als Doppelhelix. Die seitlich verlaufenden Seile der „Strickleiter” werden dabei von den abwechselnd aufeinander folgenden Phosphat- und Zuckermolekülen gebildet. Je zwei sich gegenüberliegende organische Basen, die von den Zuckermolekülen ausgehend nach innen weisen, verbinden die beiden Parallelstränge; sie bilden im Strickleitermodell gewissermaßen die Sprossen. Die Bindung der Basen unterliegt einer Regel, nach der sich Adenin stets mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin paart. Lautet eine Basenabfolge (Sequenz) in einem Strang beispielsweise AGATC, dann ist die komplementäre Sequenz TCTAG. Die sich in der Helix gegenüberliegenden komplementären Basen sind über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft.

Auf Grundlage des Watson-Crick-Modells ließ sich auch der molekulare Mechanismus verstehen, mit dem die Erbinformation in lebenden Zellen vervielfältigt wird. Zur Herstellung einer neuen, identischen Kopie eines DNA-Moleküls entspiralisieren sich die beiden Einzelstränge mit Hilfe von Enzymen. Dabei lösen sich die schwachen Bindungen zwischen den Basen. Ungebundene Basen, die frei im Milieu der Zelle herumschwimmen, lagern sich nach der Basenpaarungsregel an die komplementären Basen der entspiralisierten Einzelstränge an. Die Basen verknüpfen sich dabei untereinander (unter Ausbildung des Zucker-Phosphat-Gerüsts) zu neuen Parallelsträngen. Auf diese Weise entstehen zwei Doppelhelices, die je aus einem alten und einem neuen Einzelstrang bestehen und deren Basenabfolgen identische Kopien der Ausgangshelix darstellen. Der Vorgang der Verdopplung wird DNA-Replikation genannt.

Die Chromosomen, die sich in lichtmikroskopischen Bildern darstellen lassen, sind aus DNA und Proteinen (vor allem aus Histonen) aufgebaut. Die chromosomale DNA ist in stark gewundenen Strukturen an den Histonen aufgefaltet und bildet die so genannten Nucleosomen. Wird ein chromosomales DNA-Molekül linear abgewickelt, ist es erheblich länger als das kompakte Chromosom. Ein menschliches Chromosom z. B. ist im Durchschnitt zehn µm (Mikrometer, tausendstel Millimeter) lang, der darin enthaltene DNA-Faden würde entfaltet etwa sieben Zentimeter messen, ist also 7 000-mal länger.

Proteine sind nicht nur wichtigster Bestandteil der meisten Strukturen in den Zellen, sie steuern als Enzyme und Hormone auch nahezu alle Stoffwechselvorgänge im Körper. Damit ein Protein als Strukturbaustein oder als stoffliches Element einer biochemischen Reaktion seine ganz spezielle Funktion ausüben kann, muss es eine bestimmte Molekülform aufweisen. Aminosäuren sind die Bausteine, aus denen sich Proteine und ihre Untereinheiten, die Polypeptide, zusammensetzen. Die Art, Anzahl und Reihenfolge der 20 verschiedenen Aminosäuren bestimmt die dreidimensionale Struktur der Molekülkette eines Proteins und seine Funktion.

1.

Der genetische Code und die Transkription

Nachdem bekannt geworden war, dass der Aufbau der Proteine von Genen gesteuert wird, begann die Suche nach dem vermittelnden biologischen Mechanismus und dem genetischen Code, der die Information der DNA in eine bestimmte Aminosäuresequenz übersetzt. Zunächst war lediglich bekannt, dass als mögliche Codierungselemente in der DNA nur die vier Varianten von Nucleotiden vorkommen (A, T, G und C). Der Code musste also so beschaffen sein, dass eine Unterscheidung der 20 verschiedenen Aminosäuren möglich war. Da sich rein rechnerisch mit zwei Nucleotiden maximal 16 Aminosäuren festlegen lassen (4² = 16), wurde nach Kombinationen aus drei Nucleotiden (4³ = 64) gesucht. Erste Erfolge bei der Entschlüsselung des genetischen Codes konnten Marshall Warren Nirenberg und Johann Matthaei 1961 vorlegen, als sie das Codezeichen für die Aminosäure Phenylalanin entdeckten. Bis 1963 waren sämtliche Codons enträtselt, die alle aus drei Nucleotiden aufgebaut sind, weswegen man auch von Tripletts oder dem Triplett-Code spricht.

Bei Bakterien und Viren gibt es keine eigentlichen Chromosomen (auch wenn gelegentlich missverständlich vom „Bakterienchromosom” gesprochen wird). Das Genom dieser Organismen liegt als einzelnes DNA- oder RNA- bzw. RNS-Molekül frei im Zytoplasma. Die Zellen höherer Organismen haben dagegen Chromosomen, die sich im Zellkern befinden. Der Kern ist durch eine Membran gegen das Zytoplasma abgegrenzt.

Die genetische Information ist also im Zellkern eingeschlossen, die Proteinsynthese aber findet außerhalb des Kerns im Zellplasma statt. Folglich muss es ein Medium geben, das die Information für die Bildung der Proteine aus dem Zellkern ins Zytoplasma transportiert. Als molekularer Vermittler dient eine eigene Art von Nucleinsäuren, die Ribonucleinsäure (RNA). Sie liegt nicht als Doppel-, sondern als Einzelstrang vor und unterscheidet sich chemisch von der DNA: Als Zuckerbaustein hat sie Ribose (statt Desoxyribose) und anstelle von Thymin enthält sie die Base Uracil. Der im Zellkern stattfindende Übersetzungsvorgang von DNA in RNA wird als Transkription bezeichnet. Da die RNA-Kopie die genetische Information zum Ort der Proteinsynthese wie ein Bote weiterbefördert, wird sie als Boten-RNA, Boten-RNS oder messenger-RNA (mRNA bzw. mRNS, englisch messenger: Bote) bezeichnet. Die mRNA-Bildung verläuft, unter Beteiligung des Enzyms RNA-Polymerase, im Prinzip nach dem gleichen Verfahren wie die Verdopplung der Desoxyribonucleinsäure (DNA-Replikation).

2.

Translation

Nach Abschluss der Transkription, also der Synthese eines mRNA-Moleküls an der DNA-Sequenz eines Gens, wandert das Botenmolekül ins Zellplasma. Dort dockt es an Ribosomen an, das sind kugelförmige Zellorganelle. An den Ribosomen werden in einem Zusammenspiel von mRNA, tRNA (tRNS) und Aminosäuren die Proteine gebildet. Dieser Vorgang wird als Translation bezeichnet.

Die Information eines Gens, das den Bauplan für ein Protein enthält, ist auf der mRNA als Aufeinanderfolge von Basen-Tripletts gespeichert. Da jeweils ein Triplett die Übersetzung einer Aminosäure codiert, bezeichnet man es als Codon. Die Übersetzung des Codons in eine Aminosäurenkette ist ein Vorgang in mehreren Schritten. Zunächst lagert sich die mRNA an einer bestimmten Stelle der Ribosomenoberfläche an. An einer anderen Bindungsstelle des Ribosoms wird ein tRNA-Molekül (transfer-RNA) gebunden, an dem wiederum eine bestimmte Aminosäure hängt. Es gibt für jede der 20 verschiedenen Aminosäuren eine spezifische tRNA. Das tRNA-Molekül verfügt über eine exponierte Sequenz aus drei Basen, die als Anticodon bezeichnet wird. Dieses Anticodon korrespondiert jeweils mit dem entsprechenden Codon der mRNA.

Wenn sich auf dem Ribosom das erste Codon mit dem komplementären Anticodon gepaart hat, wird die an die zugehörige tRNA gebundene erste Aminosäure auf dem Ribosom fixiert. Dann rutscht die mRNA um die Position eines Codons weiter. Jetzt lagert sich diejenige tRNA mit Aminosäure Nummer zwei an, deren Anticodon mit dem zweiten Codon der mRNA zusammenpasst. Am Aminosäurebindungsort des Ribosoms erfolgt jetzt die Verknüpfung der beiden ersten der aufeinander folgenden Aminosäuren. Auf diese Weise wird das Verfahren fortgesetzt, bis die gesamte mRNA, Codon für Codon, am Ribosom durchgelaufen ist. Zum Schluss ist die vollständige Information des Gens abgelesen und in ein Protein übersetzt, das durch die aufeinander folgende Verknüpfung der Aminosäuren gebildet wurde. So bestimmt die genetische Information auf der DNA, vermittelt über die Abfolge der Codons der mRNA, die Aminosäuresequenz eines Proteins.

3.

Mosaikgene – Exons – Introns – nichtcodierende DNA

Als Ende der siebziger Jahre die ersten Nucleotidsequenzen kompletter Gene von höheren Organismen analysiert wurden, stellte man fest, dass sich viele dieser Gene aus einer Abfolge von codierenden und nichtcodierenden Sequenzen zusammensetzen. Ein codierender Abschnitt, der in ein Polypeptid übersetzt werden kann, wird als Exon bezeichnet. Die dazwischen liegenden Abschnitte, die keine aminosäurecodierenden Sequenzen enthalten, nennt man Introns. Diese gestückelten Gene werden als Mosaikgene (im Englischen: split-genes) bezeichnet. Ob die genetisch sinnlos erscheinenden Introns irgend eine biologische Funktion haben, ist bislang unklar – möglicherweise kommen ihnen Regulations- und Organisationsaufgaben zu. Sowohl bei Menschen als auch bei Schnecken und Fliegen wurde ein bestimmtes, mindestens 540 Millionen Jahre altes Gen gefunden. Manche Introns dieses Gens befinden sich bei allen drei Organismengruppen teilweise an derselben Stelle. Möglicherweise stammen Introns daher aus einer „RNA-Welt”, in der es weder DNA noch Proteine gab und in der Introns die räumliche Faltung von RNA-Molekülen steuerten; später wären die RNA-Introns dann zu DNA-Introns geworden (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2002). Die hintereinander auf der DNA liegenden Exons und Introns werden heute bei der Transkription gleichermaßen in mRNA (das primäre Transkript) übersetzt. Bevor dieses Transkript zur Translation an die Ribosomen gelangt, werden die Intronabschnitte aus der Gesamt-mRNA durch spezielle Enzyme herausgeschnitten; dies nennt man spleißen (englisch: splicing). Den Vorgang, bei dem das primäre Transkript auf die codierenden Exonsequenzen reduziert wird, bezeichnet man als Processing.

Auch außerhalb von Genen gibt es nichtcodierende DNA, die häufig als Junk-DNA (etwa: „DNA-Schrott”) bezeichnet wird. Ein Teil dieser DNA spielt eine Rolle als Startpunkt für den Transkriptionsprozess (ist also keineswegs überflüssig), ein anderer Teil scheint funktionslos zu sein. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang besteht zwischen den Populationsgrößen von Arten und deren jeweiligem Anteil an Junk-DNA: Arten mit relativ kleinen Populationen (etwa Wirbeltiere) weisen sehr viel Junk-DNA auf, Arten mit sehr großen Populationen (wie Bakterien) dagegen keine. Einer Hypothese zufolge liegt diesem Zusammenhang der höhere Selektionsdruck in großen Populationen zugrunde, durch den überflüssige DNA-Abschnitte schnell ausgemerzt werden. In kleinen Populationen spielen dagegen im Lauf der Evolution Zufallseffekte eine große Rolle, die das Ansammeln sinnloser Sequenzen zur Folge haben könnten (Science, 2003).

4.

Sequenzwiederholungen

Bei Sequenzanalysen der DNA höherer Organismen wurden bestimmte Nucleotidsequenzen gefunden, die sich mehrfach hintereinander wiederholen (repetitive Sequenzen). Sie kommen über das gesamte Genom verteilt vor. Manche dieser Sequenzwiederholungen sind Kopien von Genen, die Polypeptide oder besondere RNA-Typen codieren. So liegen z. B. die Gene für RNA-Moleküle, aus denen die Ribosomen gebildet werden, fast immer in mehreren Kopien vor. Von anderen Sequenzwiederholungen, die weder RNA noch Polypeptide codieren, kennt man die Funktion nicht. Manche dieser Sequenzen können innerhalb eines Chromosoms oder von einem Chromosom zum anderen die Position wechseln. Diese springenden Gene werden als Transposons oder transponierbare Elemente bezeichnet. Sie können in Genen, die in der Nähe ihrer Ausgangs- oder Zielstelle liegen, Mutationen hervorrufen (siehe unten).

9.

Genregulation

Nach der Klärung des Weges von den Genen zu den Proteinen blieb offen, wie die genetische Steuerung in der Embryonalentwicklung funktioniert. Wie entstehen aus einer Ursprungszelle, der Zygote, die verschiedenen Gewebe und Organe, die den fertigen Organismus ausmachen? Obwohl die Zellen der Haut, des Darmes, der Leber und aller anderen Organe mit denselben Genen ausgestattet sind, verfügen sie über unterschiedliche Proteine, die verschiedene spezifische Funktionen verrichten. Das legt die Vermutung nahe, dass jeweils ein Teil der Gene aktiviert, ein anderer Teil abgeschaltet ist. Die bisherigen Untersuchungen zu dieser Frage zeigen, dass die Entwicklung eines komplexen Organismus, zumindest teilweise, mit der gezielten Aktivierung und Unterdrückung von Genen erklärt werden kann.

Die ersten Einblicke in die Mechanismen der Genregulation gaben die Arbeiten der französischen Genetiker Francois Jacob und Jacques Lucien Monod, die an einem bestimmten Bakterienstamm ein Gen untersuchten, das ein Enzym zum Abbau von Zuckermolekülen codiert. Bei ihren Studien entdeckten die Forscher eine als Promotor bezeichnete DNA-Sequenz, die bei der Aktivierung der Transkription eine Rolle spielt. Am Promotor heftet sich das Enzym RNA-Polymerase an die DNA, um die Synthese der mRNA zu starten. Zwischen Promotor und Gen liegt ein weiterer Regulationsabschnitt, der Operator. Ob die Transkription in Gang kommt oder ausbleibt, hängt noch von einem anderen Regulationselement ab, das als Repressor bezeichnet wird. Das Repressorprotein selbst wird von einem Gen, dem Regulator, gebildet. Wenn das Repressorprotein an den Operator gebunden ist, hindert es die RNA-Polymerase daran, an dem DNA-Abschnitt des Gens weiterzuwandern und die mRNA zu bilden; das Gen für die Bildung des Enzyms bleibt inaktiviert. Wenn das Bakterium mit zuckerhaltiger Nährlösung gefüttert wird, verdrängen Zuckermoleküle die Repressorproteine vom Operator, und das Gen wird „eingeschaltet”.

Bei Bakterien werden häufig mehrere Gene gleichzeitig von einem Promotor und einem oder mehreren Operatoren reguliert. Ein solches System heißt Operon. Bei höheren Organismen wurden solche Operons nicht gefunden; hier hat wahrscheinlich jedes Gen sein eigenes System von Promotoren und Operatoren; auch Introns und Sequenzwiederholungen könnten für die Regulationsvorgänge der Gene eine Rolle spielen.

10.

Zytoplasmatische Vererbung

Außerhalb des Zellkerns im Zytoplasma befinden sich kleine abgeschlossene Strukturen (Zellorganelle), die eine eigene DNA enthalten. Dazu gehören die Mitochondrien, in denen die zelluläre Energieproduktion stattfindet, und die Chloroplasten der photosynthetisch aktiven Pflanzen. Mitochondrien und Chloroplasten vermehren sich in eigener Regie, vervielfältigen ihre DNA wie die Zellkerne, und ihre Gene produzieren eigenständig Proteine. Der genetische Code der mitochondrialen und chloroplastischen DNA unterscheidet sich geringfügig von dem im Zellkern. Es wird vermutet, dass diese Zellorganelle in der Evolution aus Bakterien hervorgingen, die von den Zellen höher organisierter Organismen eingeschlossen wurden. 1981 konnte die gesamte Nucleotidsequenz der DNA eines Mitochondriums ermittelt werden.

Die Eigenschaften, die in der zytoplasmatischen DNA codiert sind, werden hauptsächlich von der Mutter weitervererbt, weil Samenzellen normalerweise weniger Zytoplasma enthalten als Eizellen. Nach neuesten Erkenntnissen wird beim Menschen nicht nur von der Mutter, sondern auch von väterlicher Seite mitochondriale DNA, über die Mitochondrien der Samenzellen, an die Nachkommen weitergegeben.

11.

Mutationen

Die DNA verdoppelt sich zwar mit hoher Präzision, doch läuft dieser Vorgang nicht immer völlig fehlerfrei ab. Gelegentlich schleichen sich beim Kopieren Fehler ein, so dass der neu gebildete Doppelstrang stellenweise andere Nucleotide aufweist als das ursprüngliche DNA-Molekül. Tritt dieser Fehler, Mutation genannt, bei der Entstehung der Gameten auf, wird er an die nachfolgende Generation weitergegeben. Solche Mutationen können prinzipiell an jeder Stelle der DNA auftreten. Allerdings wurden DNA-Regionen gefunden, die für das gehäufte Auftreten von Mutationen besonders anfällig sind (hot spots). Passiert die Mutation bei einer Nucleotidsequenz, die für ein bestimmtes Polypeptid codiert, kann das die Veränderung einer oder mehrerer Aminosäuren nach sich ziehen. Das betroffene Protein wird dadurch in seinen Eigenschaften möglicherweise stark verändert und für seine biologische Funktion unbrauchbar. Ein Beispiel sind die Hämoglobinmoleküle, die den Sauerstoff im Blut transportieren. Die Hämoglobinmoleküle bei Menschen mit der Erbkrankheit Sichelzellenanämie unterscheiden sich nur in einer einzigen Aminosäure vom Hämoglobin gesunder Individuen.

Mutationen bieten nur gelegentlich einen Überlebensvorteil, in den meisten Fällen sind sie schädlich für das betroffene Lebewesen. Mit welcher Häufigkeit Individuen auftreten, die gleichzeitig ein bestimmtes mutiertes Gen tragen, wird von zwei entgegenwirkenden Tendenzen beeinflusst: Durch erfolgreiche Fortpflanzung steigt die Anzahl der Mutationsträger, da die Mutation an die nächste Generation weitergegeben wird. Andererseits sind die mutierten Individuen, im Verhältnis zu ihren Artgenossen ohne die Mutation, in der Regel in ihrer Vitalität und Fortpflanzungsfähigkeit eingeschränkt. In jüngster Zeit haben menschliche Aktivitäten, wie die Verwendung radioaktiver Stoffe oder Chemikalien mit mutationsauslösendem Potential, zur Steigerung der allgemeinen Mutationsrate beigetragen. Es wird vermutet, dass die außerordentliche Zunahme bestimmter Krankheiten, wie Krebs oder Autoimmunerkrankungen, mit genschädigenden Umwelteinflüssen zusammenhängt.

1.

Genmutationen

Veränderungen der DNA, die ein bestimmtes Gen betreffen, nennt man Genmutationen. Dabei können einzelne oder mehrere Nucleotide verloren gehen, hinzukommen oder gegen andere ausgetauscht werden. Das biologisch „normale” Gen wird als Wildtyp-Allel, das genetisch veränderte als Mutanten-Allel bezeichnet. Die ersten Berichte über Mutationen stammen aus dem Jahr 1901 von dem niederländischen Botaniker Hugo de Vries, einem der Wiederentdecker Mendels. 1927 stellte der amerikanische Biologe Hermann Joseph Muller fest, dass sich die Mutationshäufigkeit bei Fruchtfliegen durch die Behandlung mit Röntgenstrahlen stark erhöhen lässt. Später entdeckte man noch andere Mutagene, wie die Mittel genannt werden, mit denen die Mutationsrate gesteigert werden kann. Dazu gehören verschiedene Arten energiereicher Strahlung, Chemikalien und der Einfluss hoher Temperaturen. Auch die schon erwähnten Transposons (springenden Gene) können Ursache von Mutationen sein. Es gibt auch bestimmte Gene, Mutatorgene genannt, deren Einfluss die Neigung zu Mutationen erhöht, wenn sie in Form bestimmter Allele vorliegen. In einigen Fällen verursachen diese Allele offenbar Störungen in dem Mechanismus, der für die Genauigkeit der DNA-Verdopplung verantwortlich ist.

Die Allele, die Mutationen bewirken, sind meist rezessiv. Menschen und alle anderen diploiden Organismen haben jedes Chromosom und damit jedes Gen doppelt. Die Wirkung einer Genänderung tritt folglich nur dann in Erscheinung, wenn ihr Träger für die Mutation homozygot, d. h. an beiden Genen betroffen ist. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten homozygoter Mutationsallele steigt bei der Paarung unter eng verwandten Individuen. Daher treten Erbkrankheiten innerhalb isolierter geographischer Gebiete und bei familiärer Inzucht (Verwandtenehen) gehäuft auf.

2.

Chromosomenmutationen

Änderungen in der Struktur und Anzahl der Chromosomen bezeichnet man als Chromosomenmutationen oder Chromosomenaberrationen. Es werden verschiedene Varianten unterschieden: Bei der Inversion bricht ein Teilstück eines Chromosoms ab und heftet sich nach einer Drehung um 180 Grad an der gleichen Stelle wieder an. Bei der Translokation lagert sich ein abgebrochenes Stück an einem anderen, nicht homologen Chromosom an. Eine Duplikation liegt vor, wenn sich nach einem Chromosomenbruch das abgetrennte Stück so mit dem entsprechenden Abschnitt des homologen Chromosoms verbindet, dass der gleiche Chromosomenabschnitt zweimal hintereinander vorliegt. Von Deletion wird gesprochen, wenn ein Teil eines Chromosoms vollständig verloren geht. Während Deletionen im homozygoten Zustand für den betroffenen Organismus in der Regel tödlich sind, sind Mutanten mit Inversionen und Translokationen meist lebensfähig. Der größte Teil derartiger Chromosomenumordnungen ist zurückzuführen auf Fehler beim Crossing-over, der Überkreuzung der Schwesterchromatiden bei der Kernteilung.

Von Ploidiemutationen spricht man, wenn Mutanten mit abweichender Chromosomenzahl auftreten. Genomstörungen dieses Typs entstehen, wenn in der Meiose die beiden Chromosomen eines homologen Paares, statt sich zu trennen, zum selben Pol des Zellkerns wandern. In diesem Fall entstehen nach der Zellteilung Gameten und in der Folge auch Zygoten, die das betreffende Chromosom entweder überzählig haben oder denen es fehlt. Liegen von einem bestimmten Chromosomentyp drei (statt wie im Normalfall zwei) Chromosomen vor, spricht man von Trisomie; fehlt ein Chromosom, besteht eine Monosomie. Bekanntes Beispiel einer solchen anomalen Chromosomenzahl beim Menschen ist das Down-Syndrom (früher als Mongolismus bezeichnet), eine Trisomie, bei der Chromosom 21 dreimal vorhanden ist.

Sind nicht einzelne Chromosomen, sondern der ganze Chromosomensatz vermehrt, spricht man von Polyploidie. Manchmal passiert es, dass sich in der Meiose der gesamte Chromosomensatz nicht trennt. Dadurch entstehen Keimzellen mit doppeltem Chromosomensatz, die nach der Vereinigung mit einer normalen Keimzelle Zygoten mit dreifachem Chromosomensatz bilden. Dieser Genomzustand wird als triploid bezeichnet. Die Erhöhung der Ploidiezahl, also der Zahl der Chromosomensätze, ist ein Mechanismus, durch den innerhalb einer Generation eine neue biologische Art entstehen kann. Lebensfähige, fruchtbare polyploide Organismen findet man fast ausschließlich bei zwittrigen Arten, z. B. bei den meisten Blütenpflanzen und einigen wirbellosen Tieren. Polyploide Pflanzen sind in der Regel größer und widerstandsfähiger als ihre normalen, diploiden Vorfahren. Wüstenratten (Tympanoctomys barrerae) haben offenbar als einzige Säuger einen vierfachen Chromosomensatz (Nature, 1999). Beim Menschen kommen manchmal polyploide Feten vor, doch sterben diese schon in einem frühen Stadium der Schwangerschaft ab und werden als Fehlgeburt abgestoßen (siehe Erbkrankheiten).

12.

Gene in Populationen

Die Populationsgenetik, die sich mit der Ausbreitung der Gene in Lebensgemeinschaften von Organismen beschäftigt, erhielt ihre wissenschaftliche Grundlage durch die Arbeiten des englischen Mathematikers Godfrey H. Hardy und des deutschen Arztes Wilhelm Weinberg. Diese formulierten 1908 unabhängig voneinander ein Prinzip, das heute als Hardy-Weinberg-Gesetz bekannt ist. Es besagt, dass die prozentualen Häufigkeiten der Allele eines Gens in den aufeinander folgenden Generationen konstant bleiben. Allerdings gilt diese Regel nur für ideale Populationen, die durch eine sehr große Individuenzahl gekennzeichnet sind und in denen es weder Beschränkungen bei den Paarungschancen der Individuen noch störende Umwelteinflüsse gibt. Diese Bedingungen kommen unter natürlichen Verhältnissen nicht vor; sie würden auch jede evolutionäre Weiterentwicklung verhindern (Evolution). Reale Populationen sind folglich genetisch weitaus variabler, als es das Gesetz von Hardy und Weinberg annimmt. Die Anteile der Genotypen in einer Population werden durch verschiedene Faktoren, wie Erbänderungen (Mutationen), natürliche Auslese (Selektion), nicht selektionsbedingte Zufallseinflüsse (Drift) und Zu- oder Abwanderungen zwischen Populationen (Migration) beeinflusst. Als Genpool bezeichnet man die Gesamtheit der Allele in den Organismen einer Population.

Aus Untersuchungen weiß man, dass bestimmte durch Mutationen entstandene genetische Varianten stabiler sind, als man es aufgrund des Selektionsnachteils der Mutanten erwarten sollte. Dieses Phänomen kommt dadurch zustande, dass heterozygote Individuen mit einem mutierten Allel manchmal eine größere Überlebensfähigkeit besitzen als die entsprechende homozygote Wildtypvariante. Zum Beispiel haben an Malaria erkrankte Menschen, die zugleich an Sichelzellenanämie leiden, eine höhere Überlebenschance als Malariakranke mit normalem Hämoglobin. Der Mechanismus der frequenzabhängigen Selektion beruht auf dem relativen Überlebensvorteil seltener Varianten. So konzentrieren sich beispielsweise natürliche Fressfeinde auf die am häufigsten vorkommende Variante im Erscheinungsbild der Beuteorganismen. In Färbung, Form, Größe usw. seltene Spielarten werden dagegen nicht oder weniger beachtet. Eine solche Abweichung kann also die Überlebenschancen erhöhen, doch geht dieser Vorteil in dem Maße verloren, wie aus der seltenen eine häufigere Variante wird.

13.

Vererbung beim Menschen

Die meisten körperlichen Eigenschaften des Menschen werden sowohl von genetischen Faktoren als auch von der Umwelt beeinflusst. Bei manchen Merkmalen, z. B. bei der Körpergröße, ist der genetische Anteil relativ hoch. Andere Eigenschaften, wie das Körpergewicht, werden in hohem Maße von nichtgenetischen Umständen bestimmt. Wieder andere Merkmale, beispielsweise Blutgruppen und Antigene, die für die Abstoßungsreaktion transplantierter Gewebe verantwortlich sind, werden ausschließlich genetisch festgelegt.

Die Transplantations-Antigene (Histokompatibilitäts-Antigene) wurden aus medizinischem Interesse besonders eingehend untersucht. Wichtige derartige Antigen-Proteine werden von einer Gruppe von Genen produziert, die als HLA-Komplex (Humane Leukozyten-Antigene) bekannt sind. Die HLA-Gene liegen im menschlichen Genom auf dem Chromosom Nummer sechs. Die jeweilige Allelkombination dieser Gene entscheidet darüber, ob ein Individuum transplantiertes Gewebe annimmt oder abstößt. Die Antigene spielen auch eine Rolle für die Abwehrkräfte des Körpers gegenüber verschiedenen Krankheiten (z. B. bei Allergien, Diabetes und Arthritis).

Die Identifizierung von Genen und die Untersuchung von Genwirkungen ist medizinisch bedeutsam und das Forschungsgebiet der molekularen Medizin. Das menschliche Genom umfasst noch Schätzungen aus dem Jahr 2000 nur etwa 30 000 bis 34 000 Gene, ungefähr 4 000 können zu Krankheiten beitragen. Neben den ausschließlich auf Gen- und Chromosomendefekten beruhenden Erbkrankheiten wird die Anfälligkeit für zahlreiche weitere Krankheiten durch genetische Faktoren mitbestimmt. Dazu gehören Malaria, Tuberkulose, Hypertonie, Migräne, mehrere Krebsarten und möglicherweise Schizophrenie.

Mit dem weltweiten Human Genome Project analysiert man das Erbgut des Menschen. Mit diesem Vorhaben wurde zunächst das 2003 zu 99 Prozent erreichte Ziel verfolgt, die Nucleotidsequenz des menschlichen Genoms vollständig zu ermitteln; außerdem will man die Lage der Gene auf den einzelnen Chromosomen identifizieren. Hilfreich sind dabei die modernen Methoden der Gentechnik, wie die Verfahren zur automatisierten DNA-Sequenzanalyse und zur Klonierung (identischer Vervielfältigung) großer DNA-Abschnitte.

Siehe auch Gentechnik; Hybride; natürliche Selektion; Pflanzenzüchtung