Mendel-Gesetze, Phänotyp und Genotyp, rezessiv und dominant. Diese Begriffe kommen Ihnen aus dem Biologiekurs bekannt vor? Unser Artikel zu formaler Genetik stellt Ihnen alle wichtigen genetischen Grundbegriffe vor, die Sie als Mediziner im Fach Biologie wissen sollten. Lernen und wiederholen Sie gezielt Inhalte, die für Prüfungen in der Vorklinik und das Physikum wichtig sind. So meistern Sie alle Hürden in der formalen Genetik mit links!

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Menschliche Populationen

Bild: “Die Populationen der Menschheit nach Cavalli-Sforza (2000). Die Zahlen der genetischen Differenzen wurden vom Stammbaum der 38 Populationen weitgehend maßstabsgetreu auf eine Farbskala der „Regenbogenfarben“ übertragen. Die so ermittelten Farbwerte bestimmen die Farbgebung der Karte.” von Ökologix. Lizenz: CC BY-SA 3.0


Grundbegriffe der Genetik

Regeln der Vererbung wurden bereits aufgestellt, bevor die Mechanismen auf zellulärer und molekularer Ebene verstanden wurden. Prägen Sie sich die folgenden Grundbegriffe der Genetik gut ein:

  • Allel: Vererbbare Einheit, die zu einem spezifischen Merkmal führt (ursprüngliches Gen (Normalallel oder Wildtyp) oder mutiertes Gen).
  • Genlocus: Position eines Gens im Genom.
  • Diploider Chromosomensatz: Gene der homologen Chromosomen sind zweifach vorhanden.
  • Genotyp: Vollständige genetische Ausstattung eines Organismus (gesamte Allelkombination).
  • Phänotyp: Ein genetisches Merkmal kann, muss sich aber nicht im Erscheinungsbild ausprägen. Diese Ausprägung wird Phänotyp genannt.
  • Homozygot: Auf beiden homologen Chromosomen sind gleiche Allele vorhanden.
  • Heterozygot: Auf den homologen Chromosomen sind verschiedene Allele vorhanden.
  • Hemizygotie: Ein Gen ist nur einfach vorhanden, trotz des diploiden Chromosomensatzes.
  • Polymorphismus/multiple Allelie: Mehr als zwei Allele eines Gens sind innerhalb einer Population vorhanden.
dna helix

Bild: “Disturbance of DNA conformation by the binding of testosterone-based platinum drugs via groove-face and intercalative interactions: a molecular dynamics simulation study” von Openi. Lizenz: CC BY 2.0

Arten der Vererbung: Dominant, rezessiv und kodominant

Ist ein Allel dominant, übertrifft es das andere Allel in der Ausprägung. Ein rezessives Allel hingegen tritt in seiner Wirkung auf den Phänotyp zurück. Rezessive Allele können sich nur bei homozygotem Genotyp im Phänotyp manifestieren. Kodominanz bedeutet, wenn beide verschiedene Allele sich im Phänotyp ausprägen, z.B. bei der Blutgruppe AB.

Die Merkmale können sich im Phänotyp auch vermischen. Man spricht dann vom intermediären Erbgang, z.B. bei der Körpergröße. Die Expressivität beschreibt den Ausprägungsgrad eines Merkmals. Penetranz hingegen meint die Häufigkeit eines Merkmals (Anteil der Merkmalsträger an den Genträgern).

Genetische Überträger, die das Merkmal nicht im Phänotyp, aber im Genotyp rezessiv aufweisen, heißen Konduktoren. Ein Konduktor kann also, ohne selbst Merkmalsträger zu sein, rezessive Allele an seine Nachkommen vererben (z.B. rote Haare). Kontrolliert ein Gen mehrere Merkmale, wird das als Pleiotropie bezeichnet. Umgekehrt sind bei der Polygenie mehrere Gene an einem Merkmal beteiligt.

Umwelteinfluss: Phänokopie

Schwierig wird die genetische Analyse von Krankheitsbildung unter Miteinbeziehung von Umwelteinflüssen, den Phänokopien.

Phänokopien können vorerst eine genetische Ursache vortäuschen.

Zum Beispiel kann eine Jodmangelernährung phänotypisch mit dem Kretinismus (genetisch bedingter Zwergwuchs) verwechselt werden. Beim Kretinismus besteht eine Mutation im Gen für das Hormon TSH oder TRH. Beim Jodmangel werden nicht ausreichend Schilddrüsenhormone gebildet. In beiden Fällen entsteht eine Unterfunktion der Schilddrüse.

Darstellung in der Genetik

Das Punett-Quadrat

Das Punett-Quadrat, auch Kombinationsquadrat wurde vom britischen Genetiker R. Punett entwickelt, um die Häufigkeiten der Genotypen bei Vererbung darzustellen.

R R
R RR RR
r Rr Rr

Schreibweise:

  • Großbuchstaben: Dominante Allele
  • Dick gedruckt sind die beiden Elternteile (im Beispiel ein Teil heterozygot Rr und homozygot RR)
  • Kleinbuchstaben: Rezessive Allele
  • Dominantes Allel wird als erstes genannt.

Ein weiteres Beispiel finden Sie bei der 3. Mendel-Regel.

Symbole der Genetik

StammbaumsymbolikAlles zur Stammbaumanalyse, wichtige Erkrankungen und viele Interpretationsbeispiele lesen Sie in unserem Artikel zu Humangenetik.

Die Mendel-Gesetze

Gregor Mendel

Bild: “Gregor Mendel (1865)” von UnbekanntNIH. Lizenz: Gemeinfrei

Der „Vater der Genetik“ Gregor Mendel (1822 – 1884), ein Augustinermönch, führte Kreuzungsexperimente mit Erbsen und Bohnen aus dem Klostergarten durch und leitete daraus die nach ihm benannten Gesetzte der Vererbung ab. 1865 stellte er diese erstmalig in Brünn vor, wo seine Erkenntnisse zunächst unbeachtet von der damaligen Fachwelt blieben. Später postulierten Sutton und Boveri auf den Erkenntnissen Mendels aufbauend die Chromosomentheorie.

Mendel ging von Erbfaktoren aus, die von der Parentalgeneration auf die Filialgeneration weitergegeben werden. Seine abgeleiteten Gesetze beschreiben die Vererbung ungekoppelter autosomaler Gene nach statistischen Gesetzen.

Merke: Für die Darstellung und Interpretation von Stammbäumen und die Berechnung von Wahrscheinlichkeiten sind die Mendel-Gesetze unverzichtbar.

1. Mendel-Gesetz: Das Uniformitätsgesetz

Alle Nachkommen (F1-Generation) aus der Kreuzung homozygoter Eltern (P-Generation) sind gleich/uniform.

AA × aa = 100 % Aa

P AA aa
F1 Aa Aa Aa Aa

Tragen die beiden jeweils homozygoten Elternteile verschiedene Allele eines Merkmals, wird die F1-Generation einheitlich heterozygot. Diese Regel gilt unabhängig vom Erbgangstyp (dominant / rezessiv, kodominant oder intermediär).

  • Dominant-rezessiver Erbgang: Dominantes Allel setzt sich im Phänotyp bei allen durch (z. B. lange Stängel).
  • Intermediärer Erbgang: Beide Allele beeinflussen sich gegenseitig (z.B. Blütenfarben rot und weiß ergeben in der F1-Generation rosa).
  • Kodominanter Erbgang: Beide Merkmale finden unabhängig voneinander im Phänotyp Ausprägung (z.B. bei Blutgruppen AA und BB haben alle F1 AB).

2. Mendel-Gesetz: Das Spaltungsgesetz

Wird die heterozygote identische F1-Hybriden-Generation untereinander gekreuzt, wird die F2-Generation phänotypisch in einem bestimmten Zahlenverhältnis gespalten (1 : 2 : 1 oder 1 : 3).

Aa × Aa = 25 % aa + 50 % Aa + 25 % AA

F1 Aa Aa
F2 AA Aa Aa aa
  • Dominant-rezessiver Erbgang: Rezessiv vererbtes Merkmal taucht bei 25 % der Nachkommen wieder auf. Der Rest ist homozygot für das dominante Gen oder heterozygot mit Aufweisen des dominanten Merkmals.
  • Intermediärer Erbgang: Beide Ausgangsmerkmale der P-Generation sind bei je 25 % der Nachkommen wieder homozygot vorhanden.

3. Mendel-Regel: Das Unabhängigkeitsgesetz

Mendel hatte bis jetzt die Eigenschaften der Vererbung eines einzelnen Merkmals untersucht. Nun analysierte er Pflanzen, die sich in zwei Merkmalen unterschieden. Auch hier analysierte er, dass die F1-Generation geno- als auch phänotypisch identisch war. Kreuzte er jedoch die F1-Hybriden erneut, traten neue Merkmalskombinationen in der F2-Generation auf.

Fazit Mendels: Die zwei Merkmale werden unabhängig voneinander vererbt.

Kreuzt man Individuen, die sich in den genetischen Anlagen in mehreren Merkmalen unterscheiden, werden die einzelnen Merkmale unabhängig voneinander nach den Mendel-Regeln 1 und 2 vererbt.

Bei Selbstbefruchtung entstehen 4 × 4 = 16 Allelenkombinationen.

Gameten AB Ab aB ab
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb

Ausnahme: Eng benachbarte Gene werden als Kopplungsgruppe gemeinsam vererbt. (Aufgrund dessen wurden Mendels Errungenschaften erst posthum gewürdigt, da diese Einschränkung seine Erkenntnisse nicht vollständig verifizieren ließ.). Auch dies gilt nur bedingt: Die gekoppelte Vererbung der Allelenkombinationen wird durch das Crossing-Over durchbrochen. Die Crossing-Over-Häufigkeit nimmt proportional zum Abstand zweier Gene auf einem Chromosom zu.

Populationsgenetik

Das Hardy-Weinberg-Gesetz

In Untersuchungen zur Populationsgenetik steht nicht das Individuum im Fokus, sondern größere Gruppen von Individuen, die sich gemeinsam fortpflanzen. Diese Population stellt einen gemeinsamen Genpool zur Verfügung. Der Genpool enthält mehrere Allele eines Gens, die relativen Anteile dieser Allele werden Genhäufigkeit genannt. Ein Genfluss entsteht, wenn Individuen aus der Population zu- und abwandern.

Hardy und Weinberg stellten 1908 (unabhängig voneinander) fest:

Die Häufigkeiten der Allele und Genotypen bleiben über Generationen innerhalb einer Population konstant, wenn die genetische Rekombination nach den Mendel-Regeln abläuft und kein Export und Import von Genen in den bestehenden Genpool stattfindet. Daraus lässt sich durch die Wahrscheinlichkeitsrechnung ein mathematisches Modell ableiten: Die Hardy-Weinberg-Gleichung

Die Hardy-Weinberg-Gleichung

Mithilfe der Hardy-Weinberg-Gleichung berechnen Populationsgenetiker, welcher Prozentsatz das Gen für eine bestimmte Krankheit trägt.

Sind Gen A und Gen a in einer Population verteilt, die konstant ist, so gilt:

p + q = 1 oder 100 %

Genhäufigkeiten nach der Hardy-Weinberg-Verteilung

Die Häufigkeiten ergeben sich aus dem Punett-Quadrat.

  • Genotyp AA: Häufigkeit p2
  • Genotypen Aa, aA: Häufigkeit 2pq
  • Genotyp aa: Häufigkeit q2
Genotyp Wahrscheinlichkeit Ap aq
Ap AAp2 Aapq
aq aApq aaq2

Quelle: T. Wenisch (2013): mediscript Kurzlehrbuch Biologie, S. 94, Tab. 2.4. Elsevier Verlag.

Hardy-Weinberg-Gleichung: p2 + 2pq + q2 = 1

Merke: Wenn Sie sich diese Gleichung merken, haben Sie fast mit Sicherheit schon einen Punkt mehr im Physikum! Beinahe jedes Semester stellt das IMPP wieder mindestens eine Frage zum Hardy-Weinberg-Gesetz. (Das Gesetz wird meist nicht namentlich erwähnt. Achten Sie auf den Begriff Populationsgenetik.)

Das Hardy-Weinberg-Gesetzt gilt, wenn:

  • …rein zufällige Paarung der Individuen in der Population erfolgt.
  • …keine Selektionseffekte (Bevorzugung bestimmter Genotypen) existieren.
  • …kein Genfluss und/oder Mutation im Genpool stattfindet.
  • …die Population groß genug ist, dass die Wahrscheinlichkeiten den Häufigkeiten entsprechen.

Diese Voraussetzungen treffen nur auf einen kürzeren Beobachtungszeitraum zu. Längerfristig finden immer Veränderungen im Genpool statt.

Rechenbeispiel

Frage: In einer Population tritt das dominante Allel mit einer Häufigkeit von 60 % im Genpool auf. Wie ist die Verteilung der möglichen Genotypen innerhalb der Population?

p = 60 %, dann ist q = 40 % da q + p = 100 %

(0,6)2+ 2 × (0,6 × 0,4) + (0,4)2 = 1

0,36 + 0,48 + 0,16 = 1

p2 = 36 %, pq = 48 %, q2 = 16 %

Lösung: 36 % sind AA, 48 % sind Aa, 16 % sind aa.

Selektion und Zufall

Langfristig verändert sich der Genpool einer Population immer: Gene werden importiert oder verändern sich durch zufällige Neumutationen. Natürliche Selektion bevorzugt Individuen mit einer genetischen Ausstattung, die die Überlebens- und Fortpflanzungschancen sichert oder sogar steigert. Deren Gene werden längerfristig einen wachsenden Anteil des Genpools einnehmen.

Sind die Gene, die Überlebensvorteile bieten, dominant, findet eine rasche Verbreitung dieser statt. Gegenteilig dazu werden dominante Gene, die nachteilig für das Individuum wirken, schnell verschwinden. Rezessive Gene verbleiben länger in einer Population.

Sichelzellanämie: Selektionsvorteile durch Gendefekt

Die Sichelzellanämie stellt ein Beispiel für einen regional gehäuften Gendefekt dar, der den Trägern einen Selektionsvorteil bietet. Die Sichelzellanämie, eine hämolytische Anämie, ist besonders häufig unter Schwarzafrikanern. Heterozygote Träger, die das HbS-Gen tragen, weisen eine höhere Resistenz gegen Malaria auf als Nicht-Träger. Die Konduktoren in Malaria-Endemiegebieten erhalten durch ihre Selektionsvorteile so den hohen Anteil des HbS-Gens im Genpool der Population.

Tay-Sachs-Krankheit: Der Gründereffekt

Wenn sich eine kleinere Gruppe von einer Population isoliert, sich abspaltet und weiter vermehrt, ist eine genetische Drift besonders wahrscheinlich. Entsteht eine genetische Drift in einer neuen Kolonie, spricht man vom Gründereffekt. Die Tay-Sachs-Krankheit ist ein Bespiel für den Gründereffekt: In der ashkenasisch-jüdischen Bevölkerung der USA ist diese Erkrankung besonders häufig.

Genetische Polymorphismen

Den Begriff Polymorphismus haben Sie schon unter den genetischen Grundbegriffen kennengelernt. Genetische Polymorphismen werden im Bereich „normal“ eingeordnet. Verschiedene Allele mutieren zufällig und sind nicht als pathologisch zu werten. Wenn die variierenden Genotypen jedoch häufig auftreten, spricht man von Polymorphismen.

Proteine und Enzyme sind nicht in allen Varianten funktionstüchtig, sondern nur in einer bestimmten Konfiguration. Ein Enzym-/Proteinpolymorphismus liegt vor, wenn der Polymorphismus auch eine Konsequenz im Genom hat, die Genprodukte also unterschieden werden können, z.B. bei einem Enzym.

Die Kombinationsmöglichkeiten der Varianten bedeuten für jeden Menschen eine biochemische Individualität.

Durch den „genetischen Fingerabdruck“ kann jeder Mensch identifiziert werden.

Eine Ausnahme bilden eineiige Zwillinge: Diese weisen ein identisches Genom vor.

Uniparentale Disomie

Bei der uniparentalen Disomie stammen beide Chromosomen eines homologen Chromosomenpaars von einem Elternteil. Dies führt zu einer Störung des genomischen Imprintings. Zwei Formen werden unterschieden:

  • Paternale uniparentale Disomie: mütterliches Chromosom und dessen Gene fehlen
  • Maternale uniparentale Disomie: väterliches Chromosom und dessen Gene fehlen

Ausfall der genetischen Expression oder Überexpression des genomischen Imprintings kann zu Krankheiten führen, z.B. dem Prader-Willi-Syndrom oder dem Angelman-Syndrom.

Die Imprinting-Störung durch uniparentale Disomie wird nicht an die nächste Generation weitergegeben. Die Prägung in der Keimbahn findet neu statt und es gibt kein erhöhtes Wiederholungsrisiko in der Familie.

Beliebte Prüfungsfragen in der Biologie für Mediziner: Genetik

Die Lösungen sind unterhalb der Quellen angegeben.

1. Was trifft zu den drei Mendel-Gesetzen nicht zu?

  1. 2. Gesetz: Dominant-rezessiver Erbgang: Rezessiv vererbtes Merkmal taucht bei 25 % der Nachkommen wieder auf. Der Rest ist homozygot für das dominante Gen oder heterozygot mit Aufweisen des dominanten Merkmals.
  2. 2. Gesetz: Intermediärer Erbgang: Beide Ausgangsmerkmale der P-Generation sind bei je 25 % der Nachkommen wieder homozygot vorhanden.
  3. 1 Gesetz: Dominant-rezessiver Erbgang: Dominantes Allel setzt sich im Phänotyp bei allen durch.
  4. 1. Gesetz: Intermediärer Erbgang: Beide Allele beeinflussen sich gegenseitig nicht.
  5. 1. Gesetz: Kodominanter Erbgang: Beide Merkmale finden unabhängig voneinander im Phänotyp Ausprägung.

2. Welche Definition der Grundbegriffe der Genetik ist nicht korrekt?

 

 

  1. Genotyp: Vollständige genetische Ausstattung eines Organismus (gesamte Allelkombination).
  2. Phänotyp: Ein genetisches Merkmal kann prägt sich immer im Erscheinungstyp aus.
  3. Homozygot: Auf beiden homologen Chromosomen sind gleiche Allele vorhanden.
  4. Heterozygot: Auf den homologen Chromosomen sind verschiedene Allele vorhanden.
  5. Hemizygotie: Ein Gen ist nur einfach vorhanden, trotz des diploiden Chromosomensatzes.

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Quellen

T. Wenisch (2013): mediscript Kurzlehrbuch Biologie. Elsevier Verlag.

G. Poeggel (2009): Kurzlehrbuch Biologie. Thieme Verlag.

Rechenbeispiel Hardy-Weinberg-Gleichung via Ernst Klett Verlag

Lösungen zu den Fragen: 1D, 2B

 

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