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Zusammenfassung Kapitel 15
Die chromosomale Basis der Vererbung
Die Verbindung von Mendels Gesetzen und Chromosomen
Die Basis der Vererbung
Der Zusammenhang zwischen Chromosom und Vererbung wurde entdeckt. Man erkannte, dass verschiedene Gene auf verschieden Chromosomen liegen und dadurch Rekombinationen möglich sind. Erst jetzt konnte man Mendels Gesetze verstehen.
Morgans Entdeckung
Morgan bewies als Erster, dass ein spezifisches Gen zu einem spezifischen Chromosom gehört. Er
experimentierte mit Drosophilas (günstig da nur 4 Chromosomen und kurze Generationszeit). Er fand einen Mutant: Ein Männchen mit weissen Augen (der Wildtyp hat rote Augen). Die daraus gezüchtete F1 Generation hatte rote Augen, in der F2 trat das übliche Verhältnis von 3:1 auf. Rot musste also dominant sein. Die weissen Augen kamen jedoch immer nur bei Männchen vor. Er schloss daraus, dass das Allel für die Augenfarbe auf dem X – Chromosom liegen muss, also ein geschlechtsgekoppeltes Gen oder „sex – linked“ Gen ist.
Gekoppelte Gene
Als gekoppelte Gene werden diejenigen bezeichnet, welche auf dem selben Chromosom liegen und somit (meistens) gemeinsam vererbt werden.
Morgan erweiterte nun seine Experimente auf Drosophilas, welche sich in zwei Merkmalen unterschieden. Er kreuzte einen heterozygoten Wildtyp1 mit einem homozygoten Mutant. Er erwartete eine F1 mit allen möglichen Kombinationen im Verhältnis 1:1:1:1. Es gab jedoch mehr parentale Typen (gleich wie ein Elternteil ), als Rekombinanten (mit neuen Kombinationen). Er zog daraus den Schluss, dass diese beiden Gene auf dem selben Chromosom liegen, also gekoppelte Gene sind. Das Vorkommen der Rekombinanten begründete er mit Crossing – over (später genaueres dazu).
Rekombinationen durch Crossing – over
Wenn zwei Gene auf zwei verschieden Chromosomen liegen, gibt es immer Parentale Typen und
Rekombinanten. Die Hälfte der Nachkommen sollte dabei rekombinant sein. Man spricht von einer 50% igen Rekombinations – Frequenz.
Sind zwei Gene auf demselben Chromosom, werden sie eigentlich zusammen vererbt. Doch wie Morgans Experiment zeigte, ist dies nicht immer so. Auch bei gekoppelten Genen kommen Rekombinanten vor.
Verantwortlich dafür ist das Crossing – over. Während in der Prophase der Meiose I die homologen
Chromosomen gepaart werden, können nichtschwester - Chromatiden brechen und Fragmente austauschen. Dies führt zu neuen Allel – Kombinationen.
Berechnung der Rekombinations - Frequenz: (Anzahl Rekombinanten / totale Anzahl der Nachkommen) * 100 ergibt Angabe in Prozenten.
Genkarten
Eine Genkarte ist eine geordnete Liste der Genloci auf einem Chromosom. Die Rekombinations - Frequenz zweier Gene gibt an, wie weit sie auf dem Chromosom auseinander liegen. Je grösser die Rekombinations - Frequenz, desto grösser der Abstand und desto grösser die Chance für ein Crossing - over. Die Rekombinations - Frequenz kann höchstens 50% betragen. Wenn die Gene weiter auseinander liegen, ist ein Crossing - over so häufig, dass die Gene vererbt werden, wie wenn sie auf zwei verschiedenen Chromosomen liegen würden.
Eine Frequenz von beispielsweise 20% entspricht einem Abstand von 20 Centimorgan.
1 Das Allel das sich phänotypisch als Wildtyp exprimiert, ist immer dominant.
2 Solche Genkarten bestimmen nicht den exakten Ort eines Gens sondern nur die Reihenfolge der Sequenzen.
(Durch neuere Methoden ist es heute möglich, die genaue Lage eines Gens zu ermitteln. Dies wird auf sogenannten cytologischen Chromosomenkarten festgehalten.)
Geschlechtschromosomen
Die chromosomale Basis des Geschlechts unterscheidet sich bei verschiedenen Organismen
Der Mensch und einige andere Säugetiere haben zwei Arten von Geschlechtschromosomen: X und Y. Diese verhalten sich weitgehend wie ein homologes Chromosomenpaar, gehen jedoch kaum ein Crossing - over ein.
(Für andere Systeme von Geschlechtsbestimmung siehe Bild 15.8 im Buch)
Geschlechtsgekoppelte Vererbung
Beim Mensch bedeutet „sex-linked“ meistens „X-linked“. Weil Männer nur ein X-Chromosom haben, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie eine Krankheit haben die „sex-linked“ vererbt wird, viel grösser als bei Frauen (Bsp. Farbenblindheit, Bluterkrankheit). Sie haben kein zweites X-Chromosom, das den Fehler beheben könnte (man kann also nicht von homozygot und heterozygot sprechen).
X-Inaktivierung bei weiblichen Säugetieren
Bei weiblichen Säugetieren wird eines der X-Chromosomen fast vollständig inaktiviert. Somit haben Frauen und Männer schlussendlich die beide nur noch eine Kopie diese Chromosoms. Das inaktivierte X wird Barr - Körperchen genannt. Es kondensiert am Rande der Kernmembran. Welches X inaktiviert wird, ist zufällig und geschieht während der embryonal Entwicklung. Alle durch mitotische Teilung entstehenden Zellen haben das selbe inaktive X. Das Weibchen besteht also aus einem Mosaik von Zellen, von denen je 50% das mütterliche und 50% das väterliche X ausprägen. (Regionale Aufteilung gut sichtbar bei Katzen mit geflecktem Fell.) Nur in den Eierstöcken wird das Barr Körperchen wieder aktiviert.
Fehler und Ausnahmen bei chromosomalen Vererbungen
Sowohl physikalische und chemische Störungen, als auch Fehler während der Meiose können Chromosomen beschädigen oder ihre Anzahl in der Zelle verändern.
Veränderung der Chromosomenzahl: Aneuploidie und Polyploidie
Während der Zellteilung verteilt der Spindelapparat die Chromosomen normalerweise regelmässig auf die Tochterzellen. Doch manchmal kann es vorkommen, dass sich ein homologes Chromosomenpaar während der Meiose I oder zwei Schwesterchromatiden während der Meiose II nicht trennen (nondisjunction). Die Gameten und somit auch der entstehende Embryo haben eine falsche Chromosomenzahl (Aneuploidie). (Falls die Anzahl 2n+1 beträgt, spricht man von Trisomie).
Manche Organismen besitzen einen mehr als 2fachen Chromosomensatz. Die wird Polyploidie genannt (3n:
Triploidie, 4n: Tetraploidie). Mögliche Ursachen: Ein (wegen nondisjunction der ganzen Zelle) diploides Ei wird befruchtet oder die Zygote macht nacht der Replikation keine Zellteilung.
Bei den Pflanzen kommt dies im Gegensatz zu den Tieren recht häufig vor. Ein polyploider Organismus ist vom Aussehen her meist normaler als ein aneuploider. Ein fehlendes oder extra Chromosom stört die genetische Balance also mehr als ein ganzer zusätzlicher Chromosomensatz.
Veränderung der Chromosomenstruktur
Ein Brechen der Chromosomen kann zu vier verschiedenen Typen von Veränderungen der Chromosomenstruktur führen.
3 1. Deletion: Ein Stück bricht ab und „geht verloren“ (An kein Centromer gebunden wird bei Zellteilung nicht weitergegeben).
2. Dublication: Ein abgebrochenes Stück „pflanzt“ sich beim homolgen Chromosom ein und verdoppelt somit eine Sequenz.
3. Inversion: Ein Segment bricht heraus, dreht sich und „pflanzt“ sich in umgekehrter Richtung wieder ein.
4. Translocation: Ein abgebrochenes Segment „hängt“ sich bei einem nicht homologen Chromosom an.
(Zur Illustration siehe Bild 15.12)
Die Auswirkungen von Translocation und Inversion sind meist nicht so gravierend wie die von Dublication und Deletion, da eigentlich alle Infos in der richtigen Menge vorhanden sind.
Menschliche Krankheiten aufgrund chromosomaler Veränderungen
Aneuploide Zygoten kommen bei Menschen recht häufig vor, doch meisten sterben die sich daraus
entwickelnden Embryos lange vor der Geburt. Bei einigen Aneuploidien ist die Lebenserwartung aber relativ hoch:
Down Syndrom: Das 21. Chromosomen ist dreifach vorhanden (Trisomie 21): geistig unterentwickelt, verkürzte Lebenserwartung, Herzfehler, kleine Statur, meistens sexuell
unterentwickelt und steril
Klinefelter (XXY): männliche Geschlechtsorgane vorhanden aber steril, teilweise leicht weibliche Charakterzüge, normale Intelligenz
XYY: männlich, keine speziellen Syndrome ausser Tendenz zu etwas überdurchschnittlicher Körpergrösse
XXX: Weiblich, keine Unterschiede zu XX
Turner Syndrom (0X): phänotypisch weiblich, Geschlechtsorgane reifen nicht richtig, sekundäre
Geschlechtsmerkmale werden nicht ausgebildet, steril, meistens normale Intelligenz Aneuploidien aufgrund von Geschlechtschromosomen kommen also recht häufig vor und die Überlebenschancen sind recht gut. Grund dafür ist wahrscheinlich, dass Y-Chromosomen nicht sehr viele wichtige Infos tragen und überschüssige X-Chromosomen zu Barr – Körperchen werden.
Andere chromosomal bedingte Krankheiten können durch Deletion (Bsp. cri du chat) und Translocation (Bsp.
Leukämieart) entstehen.
Väterliches und mütterliches Imprinting
Das Prader – Willi – Syndrom und das Angelman – Syndrom sind zwei Krankheiten, die phänotypisch verschiedene Auswirkungen haben. Trotzdem haben sie den selben Ursprung: Bei beiden Fällen fehlt ein Segment des 15. Chromosoms. Stammt das fehlerhafte Chromosom vom Vater, leidet das Kind unter dem Prader – Willi – Syndrom. Stammt es jedoch von der Mutter, hat das Kind das Angelman – Syndrom. Bei einigen Allelen muss es also einen Unterschied in der Expression geben, je nachdem, ob sie vom Vater oder von der Mutter stammen.
Der Grund dafür, ist die genomische Prägung (Imprinting): Bestimmte Gene werden in jeder Generation
„markiert“. Diese Prägung ist verschieden, je nachdem ob sich die Gene in einem männlichen oder einem weiblichen Organismus befinden. Bei der nächsten Generation wird diese Prägung in den gametenbildenden Zellen wieder gelöscht und die Chromosomen werden entsprechend dem Geschlecht des Individuums, in dem sie sich befinden, wieder neu geprägt (wahrscheinlich geschieht dies durch Anhängen von Methylgruppen).
Das „Fragile – X – Syndrom“ hängt auch mit Imprinting zusammen. Es handelt sich dabei um ein missbildetes X – Chromosom. Das Syndrom tritt meist nur dann auf, wenn dieses abnormale Chromosom von der Mutter stammt.
Chromosomen ausserhalb des Zellkerns
Die ringförmige DNA in den Mitochondrien (bei Pflanzen zusätzlich in den Plastiden) vererbt sich nicht nach Mendels Gesetzen. Dieses Erbmaterial kann nur von der Mutter weitergegeben werden da sich nur in der Eizelle Mitochondrien befinden, nicht aber in den Spermien.
Mutationen in den Mitochondrien können Ursache für Krankheiten sein. Da die meisten Gene der Mitochondrien beim Aufbau von Proteinkomplexen für die ATP - Synthese helfen, sind diese Krankheiten oft mit mangelnder Energie des Körpers verbunden. Dazu kommen Alterskrankheiten wie Diabetes, Alzheimer und Herzinfarkte.
