| BiologieGenetik

Vererbung und Geschlecht      Translation

Gentik › Einführung

Gene und Erbgang

Die DNA als Erbsubstanz

Mutation

Cistron

Vererbung und Geschlecht

Morphologie menschlicher Chromosomen

Geschlechtsgekoppelte Vererbung

Geschlechtskontrollierte Vererbung

Geschlechtsbegrenzte Vererbung

Kopplungsgruppenanalyse beim Menschen

Vererbung von Blutgruppen beim Menschen

Transkription

Translation

Der Gencode

Das Operon Modell

Hämoglobinsynthese während der Entwicklung

Gewebe- und stadienspezifische Genexpression

Hämoglobin

Enzyme

Lokalisation der Gene und Erbgang

Freie Kombination

Freie Kombination findet statt, wenn 2 oder mehr Gene in nicht homologen Chromosomen lokalisiert sind!!
siehe Praktikumsaufgabe (2 Genloci betrachtet)

Beispiel Drosophila:

Dihybrider Erbgang

Beide Elternteile sind Homozygoten!

Nachkommen F1:

Alle Nachkommen der F1-Generation sind (gezwungenermassen) Heterozygoten.
Phänotyp der F1-Nachkommen: Wildtyp!

F1 inter se gekreuzt:

Nachkommen F2:

Gene des Menschen

In der F2 Generation gibt es 4 verschiedene Phänotypen im Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1 (Mendel, 1865) und 9 verschiedene Genotypen!

Wahrscheinlichkeitsverteilung in der F2 bei vollständiger Dominanz je eines Allels

Beim monohybriden Erbgang ist das Verhältnis der beiden Phänotypen 3 : 1 für das dominante Phän. Beim dihybriden Erbgang ist das Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1.

Testkreuzung für freie Kombination

Man führt eine Rückkreuzung durch: Kreuzung von einem heterozygoten ? mit einem homozygot rezessiven Eltern-?. Falls freie Kombination vorliegt, kommt es zu folgendem typischen Verlauf:

Beweis für freie Kombination!
Dieses Ergebnis der Kreuzung beweist, dass vg und se auf verschiedenen, nicht homologen Chromosomen lokalisiert sind.

Einschränkung der freien Kombination durch Kopplung

Wenn zwei Gene auf zwei verschiedenen Chromosomen liegen, ist die freie Kombination möglich (vg+ auf dem 2. Chromosom, se+ auf dem 3. Chromosom). Die beiden Gene vg+ und pr+ jedoch befinden sich beide auf dem 2. Chromosom (Schreibweise: vg pr). Sie sind gekoppelt!

Die Kopplung schränkt die freie Kombination ein:

Die zwei Phänotypen stehen im Verhältnis 1 : 1. Das deutet auf eine absolute Kopplung hin.
Bemerkung: Bei Drosophila-Männchen gibt es keine Crossing over (C.O.)!

Schlussfolgerung: pr kombiniert frei mit se (ist auch experimentell bestätigt)

Kopplungsregeln:

wenn ein Gen a mit Gen b gekoppelt ist, und wenn Gen b mit Gen c gekoppelt es, dann ist auch Gen a mit Gen c gekoppelt.

wenn Gen a mit Gen b frei kombiniert, und b mit c gekoppelt ist, so kombiniert a frei mit c.

Anzahl der Kopplungsgruppen = Anzahl der haploiden Chromosomen (n)

Anzahl Kopplungsgruppen:

Drosophila
Erbse
Triton
Mais
Maus
Mensch
4
7
12
10
20
23

Kopplungsgruppen von Drosophila melanogaster: Auswahl einiger weniger Gene

Wie schon oben erwähnt, ist die Anzahl der Kopplungsgruppen gleich der Anzahl der Chromosomenpaare. Bei Dros. mel. existieren 4 Kopplungsgruppen, sie haben also 4 Chromosomenpaare.

 

Zahl der bekannten Kopplungsgruppen

Zahl der Chromosomen (n)

Drosophila willistoni
Drosophila melanogaster
Drosophila pseudoobscura
Drosophila virilis
Erbse (Gregor Mendel)
Neurospora
Hausmaus
Kaninchen
Mensch

3
4
5
6
7
7
20
14
23

3
4
5
6
7
7
20
22
23

Es sind noch nicht ganz alle Kopplungsgruppen bekannt!

Durchbrechung der Kopplung durch Faktorenaustausch als Folge des „Crossing overs“ in der Meiose

Da bei Dros. mel. nur im Weibchen Crossing over (C.O.) stattfinden, ist eine einfache Rückverfolgung des Faktorenaustausches gewährleistet.

Kopplung mit Rekombination

reziproke Kreuzung des Tests 1:

Im Falle einer absoluten Kopplung erhält man zwei Phänotypen. Hier jedoch erhält man deren vier: es haben sich durch C.O.‘s Rekombinanten gebildet!

Es kann sich nicht um eine freie Kombination handeln, da kein 1 : 1 : 1 : 1 Verhältnis vorliegt.
Auch eine absolute Kopplung kann ausgeschlossen werden, da das Verhältnis nicht 1 : 1 ist.
es handelt sich um eine partielle Kopplung!

1 ME = 1 Morgan-Einheit = 1 % RW
Die Morgan-Einheit ist ein Mass für die Genabstände.

Andere Rekombinationswerte, bzw. Austauschwerte:

vg mit bw (brown)
vg mit L (lobe)
vg mit cn (cinnabar)

38 % (±)
5 % (±)
10 % (±)

Diese Werte nennt man biologische Konstante mit Streuung!

diese Werte stimmen nie genau, aber immer ungefähr (d. h. vg mit cn ist nie 30%, aber vielleicht 7 % oder 12%

das Ergebnis stimmt nur bei einer grossen Anzahl von Versuchen (Gesetz der grossen Zahlen!)

Zusammenfassung:

Der Testversuch auf Kopplung von zwei Genen besteht aus einem Rückkreuzungstest: Nachkommen F1 (heterozygotes Männchen mit doppeltrezessiven Eltern (Weibchen)!

Die lineare Anordnung der Gene

Rekombinationswert - Hypothese:

Der Rekombinationswert (RW) ist ein Mass für die Genabstände auf den Chromosomen. Die Distanz wir in Morgan-Einheiten angegeben (die These wurde postuliert von T. H. Morgan und A. H. Sturtevant)
Die RW-Hypothese gilt für sämtliche Lebewesen (Organellen, Zellen, Bakterien, Pflanzen, Tiere).

Summen-Differenz-Regel:

Genloci lassen sich mathematisch und graphisch bestimmen!

Versuch von Morgan und Sturtevant:

Zuerst werden Kreuzungen durchgeführt, dann berechnet man die RW‘s. Durch Addition und Subtraktion können die Distanzen zwischen den Loci bestimmt werden.

= Summe- oder Differenzregel:
Die Summe- oder Differenzregel beweist die RW - Hypothese, also die lineare Anordnung der Gene

Mit diesem Experiment werden nur die relativen Abstände berechnet! Die Zuordnung eines Gens an eine bestimmte Stelle des Chromosoms kann nicht erfolgen! Mindestens einen Genort muss man willkürlich wählen (meistens den am meisten links liegenden). Beim Chromosom I von Dros. mel. ist das y (yellow) mit der Position 0.0. Alle anderen Positionen wurden experimentell bestimmt.

Cytologischer Austausch in der Meiose (Crossing over)

Gesetzmässigkeiten

Beweis, dass die genetischen Rekombinationen auf cytologischem Chromosomenaustausch (Crossing over) beruhen:
1931 C. Stern: bei Drosophila
1931 Creighton und Mc Clintock bei der Maus

4 Regeln:

Das C.O. geschieht während dem Tetradenstadium (Tetrade, weil 4 Chromosomen; 4=Tetra), d. h. nach vollzogener Paarung der homologen Chromosomen. Tetradenstadium: von Zygotän bis Pachytän!

Nur zwei von vier Chromatiden sind an einem C.O. beteiligt (Berührungspunkte = Chiasma).

Freier Wechsel der Stränge für mehrere C.O.‘s pro Tetrade (alle Stränge sind gleichberechtigt).

Interferenz bei weniger als 10 ME für den Eintritt eines 2. C.O. Ein C.O. setzt die Wahrscheinlichkeit eines zweiten C.O.‘s in der Nachbarschaft herab (± regelmässige Anordnung der C.O.). Im Umkreis von 10 ME von einem C.O. ist die Wahrscheinlichkeit eines 2. C.O.‘s gleich null.

Rekombination ≤ 50%

Wenn der RW = 50% ist, dann ist das Resultat nicht mehr unterscheidbar von der freien Kombination, da dann das Verhältnis auch 1 : 1 : 1 : 1 beträgt.

Bei Drosophila melanogaster erlaubt die reziproke Kreuzung eine Unterscheidung zwischen freier Kombination und Rekombination mit Kopplung! Grund: die Reziprokkreuzung bei der Rekombination mit Kopplung ergibt ein Verhältnis von 1 : 1 (und nicht 1 : 1 : 1 : 1 wie bei der freien Kombination), weil es beim Männchen keine C.O. gibt.

2. Der RW ist im Mittel nie 50%, weil:

Mehrfach - C.O.‘s zwischen zwei weit entfernten Genen vorkommen

nur einfache oder andere ungeradzahlige Austauschvorgänge zwischen zwei Genen eines Stranges zu Rekombination führen

nur zwei Chromatiden an einer Stelle ein C.O. eingehen können

Einfache C.O. zwischen a und b

1 und 2 (3 und 4) sind Schwesterchromatide und somit genetisch identisch
2 und 3 (1 und 4) sind homologe Chromatide und genetisch nicht identisch
C.O. zwischen Schwesterchromatiden sind möglich, verlaufen aber unbemerkt

Weitere Austauschmöglichkeiten: 1/4, 2/3, 2/4. Sie führen jeweils zu max. 50% Rekombination.

Bei einem C.O. hat man maximal 50% Austausch!

Doppeltes C.O. zwischen a und b

Fall 1:

Weitere Austauschmöglichkeiten: 1/4 und 2/3; 2/3 und 1/4; 2/4 und 1/3

Fall 2:

Weitere Austauschmöglichkeiten: 1/3 und 1/3; 1/4 und 1/4; 2/4 und 2/4
Bemerkung: Wie betrachten hier nur die Gene a und b. Die C.O.‘s, welche die Gene auf den mittleren Segmenten betreffen, können nur mit sehr präzisen und aufwendigen Tests nachgewiesen werden.

Fall 3:

Weitere Austauschmöglichkeiten: 1/3 und 1/4; 1/4 und 1/3; 1/4 und 2/4; 2/3 und 2/4; 2/4 und 1/3; 2/4 und 1/4; 2/4 und 2/3

Die Fälle 1 und 2 treten statistisch mit der gleichen Frequenz auf (haben also zusammen eine Rekombination von 50%), der Fall 3 führt zu 50% Austausch:

statistisch 50 % Rekombination bei 2 C.O.‘s!

Merke: Der RW überschreitet auch für n = 3,4,5,6, ... n C.O.‘s die 50% nicht (statistisch).

Genkarten

Konstruktion von Genkarten: y = links, an der Position 0.0. Diese Position wird willkürlich gewählt. Hätte man weiter links noch ein Gen gefunden, wäre nicht y an der Position 0.0! Alle anderen Positionen der Gene werden berechnet und addiert.

Beziehung zwischen RW und Genkarte:

für kleine Distanzen ≤ 10 ME: Mapdistance = RW, da die Interferenz ein zweites C.O. hemmt.

für grössere Distanzen 10 ME: Mapdistance RW, da beim Auszählen nicht alle Rekombinanten erfasst werden (Doppel-CO’s).

Aufbau der Genkarte: Der Aufbau der Karte erfolgt durch die Ermittlung kleinerer Abstände, die addiert werden! Bei kleinen Abständen werden Doppel-CO’s durch Interferenz verunmöglicht.

Spezialbefunde im heterogametischen Geschlecht (XY):

Im heterogametischen Geschlecht (XY) kein CO, also kein Austausch:

    Dros. Männchen

    Seidenspinner Weibchen (XY, es gibt Tiere, da ist das Weibchen heterogametisch, u.a. auch Tauben)
    Warum es im heterogametischen Geschlecht keinen Austausch gibt, weiss man auch heute nach 90 Jahren Drosophila-Forschung noch nicht.

Im heterogametischen Geschlecht verminderter Austausch:

    Im Männchen weniger Austausch als im Weibchen: Maus, Ratte, Mensch

    Im Weibchen weniger Austausch als im Männchen: Haustaube

    Im Weibchen gleich viel Austausch wie im Männchen: Erbse
    Wenn die Häufigkeit der C. O. vermindert ist, sind auch die berechneten Abstände auf der Genkarte kleiner. In Wirklichkeit aber, auf der cytologischen Karte also, sind sie gleich gross bei Weibchen und Männchen! Genetischer Abstand ≠ cytologischer Austausch

Frage: Kann man eine Genkarte eines Dros-Männchen machen?
Nein, man kann nur eine des Weibchens machen und diese dann auf das Männchen transferieren.

Polytäne Chromosomen und Genkartierung durch Deletion

Polytän = vielfädig, vielstränig
Polytäne Chromosomen = vielstränige Riesenchromosomen, bestehend aus vielen Chromatiden, mikroskopisch sichtbar

Entdeckung und Vorkommen

Entdeckung:

Heitz und Bauer: 1933 entdeckt bei Mücke (Bibio hortulanus)
Painter: 1933 entdeckt bei Dros. mel.

Vorkommen:

Polytäne Riesenchromosomen kommen hauptsächlich in bestimmten Insektenorganen (Dipteren-Larven) vor, nicht aber in Muskel- und Nervengewebe.

In Larven:

  • Speicheldrüsen
  • Malpighsches Gefäss
  • Darmzellen
  • Fettkörper

In Adulttieren:

  • Nährzellen der Ovarien
  • Borstenbildende Zellen

Die Riesenchromosomen entstehen in Zelltypen, die sich selbst nicht mehr teilen, deren Chromosomen sich aber noch verdoppeln. Die polytänen Chromosomen organisieren sich zu charakteristischen Fibrillenbündeln (aus bis zu tausend Einzelfäden).
Jedes Chromosom besteht aus einem charakteristischen Muster: Scheibchen entsprechen Eu- und Heterochromatin (unterscheiden sich in der Menge oder Konzentration der DNA). Das Euchromatin (verliert im Ruhekern seine Färbbarkeit) enthält mehr Gene als das Heterochromatin.

Feststellung: Bandzahl ≈ Genzahl! Das legt die Vermutung nahe, dass die Bänder den Genen entsprechen. Es wurde aber gezeigt, dass Gene über mehrere Bänder gehen und ein Band mehrere Gene enthalten kann.

Die am klarsten strukturierten Riesenchromosomen findet man in den Speicheldrüsenzellen:

Enge Paarung der Homologen

Auch in den Interphasen sichtbar

Heterochromatin (spezifisch färbbar und so unterscheidbar vom Euchromatin) ist um die Centromerregion (Chromozentrum) konzentriert.

Bau der polytänen Chromosomen und Vergleich mit gewöhnlichen Chromosomen

Grundsätzlich: Euchromatin anders färbbar als Heterochromatin (früheres Unterscheidungskriterium).
Im Euchromatin sind fast alle Gene enthalten, während das Heterochromatin beinahe genleer ist. Das Heterochromatin geht später in die Teilungsphase (S-Phase) als das Euchromatin.

Was ist bei Riesenchromosomen anders?

Sie sind ca. 300 mal länger (durch maximale Streckung des DNA-Fadens zwischen den Banden)

Polytäne Chromosomen: vollständig gepaart
Gewöhnliche Chromosomen: distance gepaart

Sie sind viel dicker. Dieser riesige Durchmesser entsteht durch wiederholte Replikation der Chromatiden, ohne dass sie sich anschliessend trennen (210 = 1024 Replikationen). Die 1024 Chromatiden bilden ein Band auf dem Riesenchromosom.

Im Normalfall gilt: 1 Bande = 1 Gen
Es kommt aber auch vor, dass eine Bande verschiedene Gene enthält oder dass sich ein Gen in mehreren Banden befindet!

Heterochromatin: fast genleer; Euchromatin: fast alle Gene enthaltend.

Chromomeren sind Subeinheiten der Banden.

Spezialität bei den Dipteren: somatische Distanzpaarung der Homologen in den Speicheldrüsenzellen (auch in der Metaphase der Mitose sind die homologen Chromosomen beieinander - zwar mit bestimmtem Abstand - was eigentlich in der Mitose nicht nötig wäre). In den Speicheldrüsenzellen findet man die am klarsten strukturierten Riesenchromosomen. Die homologen Chromatiden sind gebündelt und bilden ein vielsträniges Riesenchromosom. Bis zu 1024 Chromatiden (210) können darin enthalten sein (erklärt die Dicke).

Bedeutung der polytänen Chromosomen

1. Adäquates Substrat für die Theorie der linearen Genanordnung

Bei Drosophila:

ca. 5‘000 Bänder

ca. 5'000 Gene (nicht ganz sicher)

Dies legt die These nahe, dass ein Band einem Gen entspricht. Heute steht fest, dass diese Annahme zu einfach ist. Ein Gen kann mehrere Bänder umfassen (z. B. Bar) und es können mehrere Gene auf einem Band liegen.

2. Nachweis von Strukturmutationen

Paarung der Homologen: Es werden genaugenommen die homologen Loci und nicht einfach das ganze Chromosom gepaart.

Mutation: Deletion! ( = Stückausfall)

3. Ermöglichen Analyse der Gewebe- und Stadienspezifischen Genaktivität ( = Genexpression)

Puff: lokale Anschwellung einer Chromosomenregion und Auflockerung des Bandenmusters. Dies ist der Ort der Genaktivität. Das Gen, welches angeschwollen ist, ist aktiv.

4. Ermöglichen genaue Kartierung von Genen auf den Chromosomen

Genkartierung durch Deletion

Methode:

Herstellung von Deletionen (= Erzeugung von Stückausfällen durch Röntgenbestrahlung auf männliche Chromosomen)

Kreuzung dieses männlichen Chromosoms mit rezessivem Weibchen

Konkretes Beispiel:

Alle Weibchen Nachkommen der F1 Generation sind phänotypisch wild, weil die Mutation rezessiv ist:

Nun kreuzt man das gleiche Weibchen mit einem Männchen, bei welchem im X-Chromosom eine Deletion auftritt (z. B. b+ fehlt). Diese Deletion kann künstlich induziert werden durch Röntgenstrahlen. Die Zerstörung tritt allerdings zufällig auf, man kann sie nicht steuern (es ist nicht möglich, gezielt ein Gen ausfallen zu lassen). Die Röntgenstrahlen führen zu Chromosomenbrüchen (sind also mutagene Agenzien).

Die Töchter sind nun phänotypisch b, weil das b+ vom Vater fehlt:

Das rezessive b Allel hat sich manifestiert: Pseudodominanz! Das an sich rezessive Gen b wird scheinbar dominant, in Wirklichkeit aber bleibt es rezessiv.

Der Ort der Deletion lässt sich nachweisen (cytologische Untersuchung der Nachkommen). Besonders gut eignen sich Riesenchromosomen für die cytologische Analyse.
Der Loci des Gens b+ befindet sich in der Deletion.
Diese Methode findet Anwendung bei der Herstellung von Genkarten (= Genkartierung mit überlappender Deletion).

Der Nachteil dieser Methode: Deletionen können sehr lang sein, so dass ganze Regionen ausfallen und nicht nur ein einzelnes Gen. Dies wird korrigiert, indem die Kartierung mit überlappenden Regionen vorgenommen wird. Überlappende Deletionen erlauben ein genaues lokalisieren der Gene.

Vergleich zwischen genetischer und cytologischer Karte

Die Genreihenfolge ist auf beiden Karten identisch.

Die Genabstände allerdings weisen auf der genetischen und der cytologischen Karte systematische Abstände auf (siehe Beilage 5/10).

Welches ist nun die genaue Karte, die cytologische oder die genetische?

Die cytologische Karte ist die genaue. Die genetische Karte stimmt nicht, weil die C.O. längs der Chromosomen nicht überall dieselbe Wahrscheinlichkeit haben. Das führt zu einer Verzerrung der genetischen Karte, welche auf der Häufigkeit der C.O. beruht.

Genetische Karte: Im Allgemeinen ist die Häufigkeit von C.O. in der Telomerregion (Chromosomenende) und in der Centromerregion kleiner als in den übrigen Chromosomenregionen. Das führt dazu, dass die Gene in der Telomer- und der Centromerregion näher zusammenliegen auf der gen. Karte.
Ausnahme: Mensch, C. elegans. Hier ist die C.O.-Häufigkeit in der Telomer- und Centromerregion stark erhöht.

Genetische Karte: entspricht der relativen Lage der Gene aufgrund der C.O.
Cytologische Karte: entspricht der reellen Lage der Gene

Warum Werbung?

Neue Artikel  

Fettverbrennung: Wegen ihrer vielfältigen und unerlässlichen Funktionen wäre Leben ohne Lipide nicht möglich. Sie bilden ... [weiter]

Spurenelemente: Viele Elemente kommen in lebenden Zellen in derart geringen Konzentrationen vor, dass es mit den früher ... [weiter]

Gesunde Ernährung: Bei ausgeglichener Ernährung bleibt das Körpergewicht konstant. Es wird genau soviel Nahrung ... [weiter]

Vitamine: Vitamine sind Verbindugnen, die in geringen Konzentrationen für die Aufrec hterhaltung von Stoffwechselfunktionen ... [weiter]

Cholesterin: Vom menschlichen Organismus werden in Form von Gallensäuren täglich etwa 1 g Cholesterin ... [weiter]

Zelle: Im Rahmen der speziellen Zytologie | Cytologie werden die Elemente besprochen, aus denen Zellen bestehen ... [weiter]

Calcium: Gemeinsam mit anorganischem Phosphat stellt Calcium den anorganischen Anteil des Knochens sowie ... [weiter]

Ohr: Im Ohr sind Gleichgewichts- und Gehörorgan zum Organum vestibulocochleare zusammengefasst ... [weiter]

Auge: Die Augen liegen in schützenden Knochenhöhlen (Orbitae) und haben im Prinzip Kugelform ... [weiter]

Hormone: Die Entwicklung vielzelliger Lebewesen aus dem Zusammenschluss von Einzelzellen ist ein ungeheurer Fortschritt ... [weiter]

Schwangerschaft: Das erste Stadium eines werdenden Menschen befindet sich im Uterus, der Gebärmutter ... [weiter]

Atmungskette: Der weitaus grösste Teil der Energie-
gewinnung des Organismus erfolgt innerhalb der Mitochondrien durch ... [weiter]

Nozizeption und Schmerz: "Schmerz ist ein unangenehmes Sinnes- und Gefühlserlebnis, das mit aktueller oder ... [weiter]

Lipide: Lipide lassen sich mit unpolaren Lösungsmitteln, nicht aber mit Wasser ... [weiter]

Magen-Darm-Kanal: Die Funktionen des Gastro-
intestinaltraktes gliedern sich in ... [weiter]

Hören und Sprechen : Das Ohr kann Schallwellen, winzige Druckschwankungen der Luft, verarbeiten ... [weiter]

Lernen und Gedächtnis: Frühe Erfahrungen und Interaktionen mit der Umgebung steuern Wachstum und ... [weiter]

Impotenz | erektile Dysfunktion: Impotenz bzw. die erektile Dysfunktion ist eine sexuelle Funktionsstörung, die durch die Unfähigkeit ... [weiter]

Seitenanfang | Kontakt | Newsletter | Das Team | Impressum | Bilder mit der 3DSCIENCE-Signatur werden von 3dscience.com bereitgestellt | © biologie-online.eu