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Einführung in die Genetik

Von

David N. Finegold

, MD, University of Pittsburgh

Inhalt zuletzt geändert Jul 2017
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Quellen zum Thema

Ein Gen, die Grundeinheit der Vererbung, ist ein Segment der DNA, das alle notwendigen Informationen enthält, um ein Polypeptid (Protein) zu synthetisieren. Die Proteinsynthese, "folding" sowie tertiäre und quartäre Strukturen bestimmen schließlich einen großen Anteil der körpereigenen Struktur und Funktion.

Aufbau

Menschen haben etwa 20.000 bis 23.000 Gene. Gene sind in den Chromosomen im Zellkern und in den Mitochondrien enthalten. Normalerweise befinden sich in den somatischen (Nichtkeim-) Zellkernen des Menschen 46 Chromosomen in 23 Paaren. Jedes Paar besteht aus je einem mütterlichen und einem väterlichen Chromosom. 22 Chromosomenpaare (Autosomen) sind gewöhnlich homolog (übereinstimmende Größe und Form sowie Position und Anzahl der Gene). Das 23. Paar, die Geschlechtschromosomen (X und Y) legen das Geschlecht des Menschen fest und enthalten andere funktionelle Gene. Während Frauen in jedem somatischen Zellkern zwei (homologe) X-Chromosomen haben, sind es bei Männern ein X- und ein Y-Chromosom (heterologe Chromosomen).

Die Gene auf dem X-Chromosom sind für viele erbliche Merkmale verantwortlich. Das Y-Chromosom ist kleiner und trägt neben anderen Genen auch Gene, von denen die männliche Geschlechtsdifferenzierung ausgeht. Weil das X-Chromosom sehr viel mehr Gene als das Y-Chromosom hat, sind viele X-Chromosom-Gene bei Männern nicht gepaart. Um das Gleichgewicht des genetischen Materials zwischen Männern und Frauen aufrechtzuerhalten, wird eines der X-Chromosomen bei Frauen zufällig inaktiviert. Ein Karyotyp ist der volle Chromosomensatz in den Zellen eines Menschen.

Die Keimzellen (Ei- und Samenzelle) durchlaufen eine Meiose (Reduktions- oder Reifeteilung), bei der sich die Chromosomenzahl auf 23, d. h. den halben Chromosomensatz der somatischen Zellen, reduziert. In der Meiose findet eine Rekombination der von Mutter und Vater geerbten genetischen Information durch Crossing-over (Austausch homologer Chromosomen) statt. Wenn eine Eizelle von einem Spermium befruchtet wird, ergibt sich wieder der normale Chromosomensatz (46).

Die Gene sind linear entlang der DNA (bzw. DNS, Desosyribonukleinsäure) der Chromosomen angeordnet. Jedes Gen hat eine spezifische Stelle (Locus), die in der Regel für jedes der 2 homologen Chromosomen gleich ist. Gene, die auf beiden (d. h. von Mutter und Vater stammenden) Teilen eines Chromosomenpaars denselben Locus besetzen, werden Allele genannt. Jedes Gen besteht aus einer spezifischen DNA-Sequenz, und 2 Allele können eine leicht unterschiedliche oder dieselbe DNA-Sequenz haben. Homozygotie bedeutet ein Paar identischer Allele und Heterozygotie ein Paar nichtidentischer Allele für ein bestimmtes Gen. Einige Gene kommen in mehreren Kopien vor, die nebeneinander oder an unterschiedlichen Positionen in den gleichen oder verschiedenen Chromosomen sein können.

Struktur der DNA.

DNA ist das genetische Material der Zelle, das in Chromosomen im Zellkern und in den Mitochondrien enthalten ist.

Somatische (nongerm) Zellkerne haben normalerweise 46 Chromosomen in 23 Paaren. Ein Chromosom enthält viele Gene. Ein Gen, die Grundeinheit der Vererbung, ist ein Segment der DNA, das alle notwendigen Informationen enthält, um ein Polypeptid (Protein) zu synthetisieren.

Das DNA-Molekül ist eine lange, gewundene Doppelhelix aus zwei Strängen aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphatmolekülen, die durch Paare von vier Nukleotiden (Basen) verbunden sind. Die Nukleotide sind gepaart: Adenin (A) mit Thymin (T) und Guanin (G) Cytosin (C). Jedes Paar von Nukleotiden wird durch eine Wasserstoffbindung zusammengehalten. Der Code in der DNA besteht aus Tripletts der 3 von 4 möglichen Nukleotiden. Bestimmte Aminosäuren werden durch spezifische Tripletts codiert.

Struktur der DNA.

Bedeutung der Gene

Gene bestehen aus DNA. Die Länge des Gens legt die Länge des Proteins fest, für das das Gen kodiert ist. Die DNA ist eine Doppelhelix, in der Nukleotide (Basen) gepaart sind.

  • Adenin (A) ist mit Thymin (T) gepaart

  • Guanin (G) ist gepaart mit Cytosin (C)

Die DNA wird während der Proteinsynthese transkribiert, bei der ein Strang der DNA als Vorlage für die Boten-RNA (mRNA) verwendet wird. RNA hat die gleichen Basenpaare wie DNA, außer dass Uracil (U) Thymin (T) ersetzt. Teile der mRNA wandern vom Zellkern in das Zytoplasma und dann in das Ribosom, wo die Proteinsynthese stattfindet. Die Transfer-RNA (tRNA) bringt jede Aminosäure zurück an das Ribosom, wo es der wachsenden Polypeptidkette Aminosäurekette) hinzugefügt wird. Die Sequenz wird durch die mRNA bestimmt. Sobald eine Kette von Aminosäuren zusammengesetzt ist, faltet sie sich unter Einfluss der in der Nähe befindlichen Chaperon-Moleküle, sodass eine komplexe dreidimensionale Struktur entsteht.

Der Code in der DNA besteht aus Tripletts der 3 von 4 möglichen Nukleotiden. Bestimmte Aminosäuren werden durch spezifische Tripletts codiert. Da es 4 Nukleotide gibt, ist die Anzahl der möglichen Tripletts 43 (64). Da es nur 20 Aminosäuren gibt, gibt es redundante (zusätzliche) Triplett-Kombinationen. Einige Tripletts codieren für die gleichen Aminosäuren wie andere Tripletts. Andere Tripletts können für Elemente, wie z. B. Vorgaben zum Starten oder Stoppen der Proteinsynthese codieren und die Reihenfolge, in welcher Aminosäuren kombiniert oder zusammengesetzt werden.

Gene bestehen aus Exons und Introns. Exons codieren für Aminosäurekomponenten des fertigen Proteins. Introns enthalten weitere Informationen, die die Kontrolle und die Geschwindigkeit der Proteinproduktion beeinflussen. Exons und Introns werden zusammen zu mRNA transkribiert, aber die Segmente von Introns werden später gespleißt. Viele Faktoren regulieren die Transkription, einschließlich der Antisense-RNA, die aus dem DNA-Strang, der nicht in mRNA transkribiert wird, synthetisiert wird. Zusätzlich zur DNA bestehen Chromosomen aus Histonen und anderen Proteinen, die die Genexpression beeinflussen, z. B. welche und wie viele Proteine aus einem bestimmten Gen synthetisiert werden.

Der Genotyp bezieht sich auf eine spezifische genetische Zusammensetzung und Sequenz; sie bestimmt, welche Proteine für die Produktion codiert werden. Im Gegensatz dazu bezieht sich Genom auf die gesamte Zusammenstellung von haploiden Chromosomen, einschließlich der Gene, die sie enthalten.

Der Phänotyp bezieht sich auf das gesamte physikalische, biochemische und physiologische Erscheinungbild einer Person, d. h. darauf, wie die Zelle (und damit der Körper) funktioniert. Der Phänotyp wird durch die Art und die Menge der Proteine bestimmt, die tatsächlich synthetisiert werden, d. h. dadurch, wie die Gene tatsächlich exprimiert werden.

Expression bezieht sich auf den Prozess, bei dem die Information, die in einem Gen kodiert ist, verwendet wird, um die Anordnung eines Moleküls (gewöhnlich Protein oder RNS) zu steuern. Die Genexpression hängt von Faktoren ab wie z. B., ob ein Merkmal dominant oder rezessiv ist, von der Penetranz und Expressivität des Gens ( Einflussfaktoren für die Genexpression), vom Grad der Gewebedifferenzierung (bestimmt durch Gewebetyp und Alter), von Umweltfaktoren und davon, ob die Expression geschlechtsspezifisch ist oder der chromosomalen Inaktivierung oder genomischen Ausprägung unterliegt sowie von anderen unbekannten Faktoren.

Epigenetische Faktoren

Faktoren, die die Genexpression beeinflussen, ohne die Genomsequenz zu verändern, sind epigenetische Faktoren.

Das Wissen über die vielen biochemischen Mechanismen, die die Genexpression vermitteln, wächst rasant. Ein Mechanismus ist die Variabilität in der Abspaltung des Introns (auch als alternatives Spleißen bekannt). Weil Introns herausgespleißt sind, können Exons auch herausgespleißt sein, wodurch die Exons dann in mehreren Kombinationen zusammengebaut werden können, was viele verschiedene mRNAs ermöglicht, die dazu fähig sind, für ähnliche, aber andere Proteine zu codieren. Die Anzahl der Proteine, die von Menschen synthetisiert werden kann, liegt bei > 100.000, obwohl das menschliche Genom nur etwa 20.000 Gene hat.

Andere Mechanismen, die die Genexpression vermitteln, umfassen DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen wie Methylierung und Acetylierung. Die DNA-Methylierung führt häufig dazu, ein Gen auszuschalten. Histone ähneln Spulen, um die sich die DNA herumwindet. Histonmodifikationen wie die Methylierung erhöhen oder verringern die Menge der Proteine, die von einem bestimmten Gen synthetisiert wird. Histon-Deacetylierung ist mit einer verminderten Genexpression verbunden. Der DNA-Strang, der nicht transkribiert wird, um mRNA zu bilden, kann auch als Matrize für die Synthese von RNA, die die Transkription des Gegenstrangs steuert, verwendet werden.

Eine weiterer wichtiger Mechanismus beinhaltet microRNAs (miRNAs). MiRNAs sind kurze Haarnadel-RNAs (Haarnadel bezieht sich auf die Form, die RNA-Sequenzen übernehmen, wenn sie sich miteinander verbinden), die die Zielgenexpression nach der Transkription unterdrücken. Sie können bei der Regulierung von nicht weniger als 60% der transkribierten Proteine beteiligt sein.

Merkmale und Vererbungsmuster

Bei den Merkmalen kann es sich um so einfache Merkmale wie die Augenfarbe oder so komplexe wie die Anfälligkeit für Diabetes handeln. Die Expression eines Merkmals kann ein Gen oder mehrere Gene einschließen. Einige Einzel-Gendefekte verursachen Anomalien in mehreren Geweben, dieser Effekt wird Pleiotropie genannt. So kann z. B. eine Osteogenesis imperfecta (oft durch Anomalien eines einzelnen Kollagengens bedingte Bindegewebskrankheit) Knochenbrüchigkeit, Taubheit, blaue Skleren, dysplastische Zähne, Hypermobilität der Gelenke und Herzklappenfehler verursachen.

Erstellen eines Familienstammbaums

Der Familienstammbaum kann verwendet werden, um ein Diagramm der Vererbungsmuster darzustellen. Er wird auch allgemein in der genetischen Beratung eingesetzt. Die verwendeten konventionellen Symbole stehen für die einzelnen Familienmitglieder und enthalten relevante gesundheitliche Informationen über sie ( Symbole für den Aufbau eines Familienstammbaums.). Einige familiäre Erkrankungen mit identischen Phänotypen haben viele unterschiedliche Vererbungsmuster.

Symbole für den Aufbau eines Familienstammbaums.

Im Stammbaum werden Symbole für jede Generation in der Familie in einer Reihe angeordnet und mit römischen Ziffern nummeriert, beginnend mit der älteren Generation an der Spitze und endend mit der jüngsten Generation am unteren Ende ( Autosomal-dominante Vererbung., Autosomal-rezessive Vererbung., X-chromosomal-dominante Vererbung und X-chromosomal-rezessive Vererbung). Innerhalb jeder Generation sind die Menschen von links nach rechts mit arabischen Ziffern nummeriert. Geschwister werden in der Regel nach Alter aufgelistet, mit dem ältesten auf der linken Seite. So kann jedes Mitglied des Stammbaums durch 2 Zahlen (z. B. II, 4) identifiziert werden. Einem Ehegatten wird ebenfalls eine Kennnummer zugewiesen.

Symbole für den Aufbau eines Familienstammbaums.

Wichtige Punkte

  • Der Phänotyp ist sowohl durch die Genexpression als auch den Genotyp bestimmt.

  • Die Mechanismen der Regulation der Genexpression werden erläutert und umfassen Intron-Spleißen, DNA-Methylierung, Histon-Reaktionen und microRNAs.

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