Genetik

Fehlbildung eines Chromosoms. Isochromosome zählen zu den strukturellen Chromosomenaberrationen.

Unter einem Isochromosom versteht man ein durch Quer- statt durch Längsteilung des Zentromers entstandenes Derivatchromosom, das zwei homologe Arme aufweist. In der Erbinformation enthaltene Isochromosomen können zu Erbkrankheiten führen.

Erbkrankheit, die vor allem – jedoch nicht ausschließlich - bei Männern auftritt und bei den Betroffenen unter anderem zu geistiger Behinderung führt.

Ursache der Erkrankung ist eine Mutation auf dem X-Chromosom.

Beim Fragiles-X-Syndrom ist eine genetische Antizipation möglich. Das bedeutet, dass die Erkrankung im Lauf der nachfolgenden Generationen immer früher auftritt und schwerer verläuft.

Unter bestimmten Bedingungen kann eine Bruchstelle am X-Chromosom (fragiler Bereich) nachgewiesen werden, was dem Syndrom seinen Namen gab.

mikroskopisch nicht sichtbare Veränderungen der Nukleotidabfolge in der DNA
--> führen im Normalfall zu:
• neuen Allelen in genen oder genetischen Markern.

Nachweis: DNA-Sequenzierung

Punktmutationen (am häufigsten)
• Substitution (Austausch)
• Deletion (Verlust)          --> führt immer zu Leserasterverschiebung
• Insertion (Einschub)      --> führt immer zu Leserasterverschiebung

(Austausch)

Purine:           A <----> G
Pyrimidine:     T <----> C
                                            ---> Transition
Purine <----> Pyrimidine
                                            ---> Transversion

Beispiel Substitution beim Menschen:
Sichelzellanämie (Herrick, 1910)
autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung

Substitution in der b-Kette von Hämoglobin
normales Allel (Hämoglobin): S
mutiertes Allel (Hämoglobin): s
SS: nur normales Hb     Ss: 25-40% Sichelzell-Hb --> keine klinischen Symptome
Homozygot betroffene Individuen mit Genotyp ss:
• Sichelzellhämoglobin hat anderes Löslichkeits- und Kristallisationsverhalten.
• Sichelzellhämoglobin polymerisiert in Filamente und es kommt zu aggregierten Faserbündeln.
  →Verformung der Erythrozytenmembran (Sichelzellen)
• Sichelzellen erhöhen Viskosität des Blutes.
  →Verstopfung von Blutkapillaren
• Sichelzell-Erythrozyten werden schneller abgebaut als normale Erythrozyten. → hämolytische Anaemie

(Sauerstoffmangel, schlechter physischer Allgemeinzustand Schäden im Gehirn und anderen Organen, wie Erblinden, Lungenentzündungen, Nierenfehler, Milzschäden, etc.

Mutiertes Allel s ist häufig in tropischen und subtropischen Gebieten zu finden.

Deletion von ca. 3‘400 Basenpaaren im Exon 8 des L-Gulono-Gamma-Lactone-Oxidase-Gen (GULO-Gen).

Autosomal-rezessiver Erbgang

mutiertes GULO-Allel: kann biologische Funktion nicht mehr erfüllen!

Rekombination zwischen Y Chromosomen?
XYY-Individuen: theoretisch möglich, aber:
• beide Y Chromosomen kommen vom selben Vater
• nie beobachtet bei Analysen des synaptonemalen Komplexes

Rekombination zwischen mtDNA?
paternale mtDNA wird zwar in befruchteter Eizelle abgebaut, aber:
• Prozess dieser Degradierung paternaler mtDNA nicht wirksam
• wenn ja, dann sehr selten

* Muationen können spontan entstehen, oder sie können induziert werden.
* Mutationen können Vorteile bringen, neutral sein oder Nachteile bringen.

Genorte (Gene), die auf demselben Chromosom lokalisiert sind, sind syntänisch.
Es besteht die Möglichkeit, dass sie zusammen vererbt werden → dann sind sie gekoppelt.

• Lokalisation von Genen mit Hilfe von phänotypisch sichtbaren Mutationen (Testkreuzungen/Stammbaumanalysen)
• Lokalisation von Genen mit Hilfe von genetischen Markern (z.B. für viele Mikrosatelliten werden Allele in Familien typisiert)
• Lokalisation von Genen mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (physikalische Kartierung)
• Lokalisation von Genen mit Hilfe von somatischen Zellhybriden (physikalische Kartierung)

Eine Genkarte zeigt die lineare Anordnung der Gene im Genom eines Organismus. Man unterscheidet dabei genetische und physikalische Genkarten:

Auf einer genetischen Karte ist die Reihenfolge von Genorten eingetragen.
Auf einer physikalischen Genkarte sind die genauen Abstände zwischen Genen gemessen in Basenpaaren eingetragen.

Lokalisation von Genen mit Hilfe von phänotypisch sichtbaren Mutationen (Testkreuzungen).

• Das wichtige Modelltier der Genetik wurde von Thomas Hunt Morgan 1910 an der Columbia University New York, USA, eingeführt.
• Bereits zu Beginn dieses Jahrhunderts wurden bei Drosophila eine Reihe von Mutationen beobachtet, die mit distinkten Merkmalen (z.B. Augenfarbe, Flügelform) einhergingen.
• Zuchtexperimente zeigten, dass einige dieser Merkmale unabhängig von einander vererbt wurden, während andere immer gemeinsam auftraten.
• Der Verlust der von Mendel beobachteten freien Kombinierbarkeit von Erbanlagen konnte durch die Lokalisation der betroffenen Anlagen auf dem selben Chromosom erklärt werden.

Lokalisation von Genen mit Hilfe von phänotypisch sichtbaren Mutationen (Stammbaumanalysen).

1911 E.B. Wilson:
Farbenblindheit ist X-chromosomal
(typischer Erbgang)

1968 Kusick:
Lokalisation eines Genes auf einem Autosom: Gen für die duffy-Blutgruppe auf dem Chromosom 1

2 eng gekoppelte Gene ohne Rekombination verhalten sich wie 1 Allelpaar

genetische Kartierung:
* Kopplungsanalyse (Familien, TypII-Marker, häufig Mikrosatelliten)
physikalische Kartierung:   --> Vorteil: man braucht keine Familie des zu untersuchenden Individums
* Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)     --> Auflösung ca. 5-10 Mb
* Radiation Hybrid Kartierung (RH-Kartierung)     --> Auflösung ca. 100-500 kb
* Erstellung und Analyse von BAC-Contigs     --> Auflösung ca. 10-50 kb
* DNA-Sequenzierung     --> Auflösung 1 bp

Verschmelzung von genetisch verschiedenen Somazellen. Tierische Zellen können in Zellkultur über die Zell-Membran miteinander verschmelzen (Zellfusion), was durch Zugabe von agglutinierenden Agenzien gefördert werden kann. Verschmelzen bei der nächsten Mitose auch die Zellkerne, so entstehen Hybridzellen, deren Kerne die Genome beider Ausgangszellen enthalten.

Die Verwendung von Mutanten als Ausgangszellen und die Anzucht auf Selektionsmedien ermöglichen die Unterscheidung und Isolierung der Hybridzellen von den Ausgangszellen. Es können so Zellen verschiedener Herkunft (z.B. beliebige Säugerzellen; interspezifische Hybridzellen), Zellen derselben Art (intraspezifische Hybridzellen), aber unterschiedlicher Differenzierungsstadien oder normale Zellen und Tumorzellen hybridisiert werden.

Mit Hybridzellen aus Zellen verschiedener Säugerspezies lassen sich z.B. Genaktivitäten bestimmten Chromosomen zuordnen, da oft Chromosomen einer Spezies nach einigen Zellteilungen bevorzugt verlorengehen. Diese Methode wird auch zur Genkartierung und Genlokalisation bei menschlichen Chromosomen angewandt (Somazell-Genetik).

Hybridisierungsverfahren auf Metaphasenchromosomen:
FISH-Sonden (probe DNA) finden DNA-Sequenzen mit grosser Homologie auf dem Chromosom.
→ Kartierung von Genen wird möglich

Kombination von genetischen und physikalischen Genkarten, so wie die Sequenzierung von BAC-Klonen erlaubt es, das Genom zu sequenzieren.

Polymerase-Kettenreaktion --> ein molekularbiologisches Verfahren

Durch PCR können beispielsweise Exon 1 und Exon 2 separat amplifiziert (vermehrt) werden und sequenziert werden.
Suche nach Mutationen in Genen wird so ermöglicht.

Eine Population ist eine Gemeinschaft von sich sexuell fortpflanzender Individuen derselben Art, zwischen denen regelmässig Paarungen auftreten und die im Verlauf einer Reihe von Generationen einen bestimmten Raum besiedeln.
Eine Population existiert während vielen Generationen und die genetische Zusammensetzung kann sich von einer Generation zur nächsten mehr oder weniger stark verändern.

Das Ziel der Populationsgenetik ist es, die genetische Zusammensetzung von Populationen zu beschreiben und die Kräfte zu verstehen, die diese Zusammensetzung verändern.

Dazu erfasst die Populationsgenetik mit Hilfe von statistischen Methoden die phänotypischen und genotypischen Variationen innerhalb von Populationen und vergleicht die tatsächlichen Veränderungen mit denen der erwarteten Veränderungen.

Die Populationsgenetik versucht, mathematische Regeln und Gesetzmässigkeiten zu erarbeiten, welche die genetischen Veränderungen in Populationen erklären, und gegebenenfalls, sogar voraussagen können.

Anwendungsgebiete der Populationsgenetik?
Evolutionsbiologie, Naturschutzbiologie, Verhaltensökologie, Taxonomie, Phylogenese, u.s.w.

Anwendungsgebiete der Populationsgenetik in der Veterinärmedizin und Tierzucht?
• Bekämpfung und Prävention von Erbkrankheiten
• Identifizierung von Resistenz-Genen
• Verbesserung von Leistungseigenschaften
• Sichere Identifizierung von Individuen

Monomorphismus: eine Form nachweisbar
Polymorphismus: mehr als eine Form nachweisbar

Eine Aufeindanderfolge von Generationen, bei der eine beendet wird, bevor die nächste beginnt.

Geoffrey Harold HARDY (1877 - 1947)   -   Wilhelm Robert WEINBERG (1862 - 1937)

* Die grundlegenden Konzepte der Populationsgenetik wurden ausgehend vom Hardy-Weinberg-Gesetz entwickelt.
* In einer grossen Population mit Zufallspaarung ohne Selektion, Mutation oder Migration bleiben Allelfrequenzen und Genotypfrequenzen von Generation zu Generation konstant.
* In einer solchen Population besteht eine einfache Beziehung zwischen den Allelfrequenzen und den  Genotypfrequenzen.
* Eine Population mit konstanten Allelfrequenzen und Genotypfrequenzen wird als im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht befindlich bezeichnet.

* Die Beziehungen zwischen Allel- und Genotypfrequenzen sind von sehr grosser Bedeutung, da viele Schlüsse in der  Populationsgenetik und in der quantitativen Genetik auf ihnen beruhen.
Allelfrequenz von Allel A in Elterngeneration: p
Allelfrequenz von Allel a in Elterngeneration: q
  --> Genotypfrequenzen in der Nachkommengeneration:
  Genotyp AA: p²
  Genotyp Aa: 2pq
  Genotyp aa: q²

* Die Beziehung zwischen Allel- und Genotypfrequenzen gilt also auch für eine einzelne Generation, weil die Allelfrequenzen bei Eltern und Nachkommen gleich sind.
* Die Genotypfrequenzen unter den Nachkommen hängen nur von den Allelfrequenzen unter den Eltern und nicht von deren Genotypfrequenzen ab.

* Normale Segregation der Allele!
* Gleiche Fertilität der Eltern!
* Zufallspaarung!
* Gleiche Allelfrequenzen in ♂ und ♀Eltern!
* Grosse Population!
* Gleiche Befruchtungskapazität aller Gameten!
* Gleiche Lebensfähigkeit der Embryonen!

Allelfrequenz in den Eltern --> Allelfrequenz (in allen Gameten) --> Allelfrequenz (in zygotenformenden Gameten) --> Genotypfrequenzen (in den Zygoten) --> Genotypfrequenzen (in den Nachkommen) --> Allelfrequenz in den Nachkommen

• Hämoglobin-Genort (Hb) beim Schaf (autosomal)
• 2 Allele: Hb^A und Hb^B
• Allele Hb^A und Hb^B werden kodominant vererbt
• Nachweis der Allele Hb^A und Hb^B erfolgt durch Protein-Gelelektrophorese
• 3 mögliche Genotypen - jeder mit einem unterscheidbaren Phänotyp
• keine Selektion auf diesen Genort
                (--> Bevorzugte Verpaarungen im Hinblick auf andere Eigenschaften und Selektion von Genotypen an
                anderen Genorten beeinträchtigen diese Beziehung am betrachteten Genort normalerweise nicht!)

Methode, mit der Moleküle (DNA oder Eiweisse) nach ihrer Grösse sortiert werden können.
Da alle Moleküle elektrisch geladen sind, kann man durch Anlegen eines elektrischen Feldes bewirken, dass sie durch ein Gel wandern.
Je kleiner sie sind, desto schneller bewegen sie sich.
Der Grund dafür liegt darin, dass das Gel wie ein Fischernetz aufgebaut ist. Die kleinen Moleküle können leichter durch die Löcher schlüpfen und kommen demnach schneller voran.

z.B. eine Schaf-Population mit 175 Tieren
Von allen Schafen der Population wird eine Blutprobe entnommen - der Phänotyp am Hämoglobin-Genort wird mittels einer Protein-Gelelektrophorese bestimmt.
z.B. Resultat:  Genotyp   Anzahl Schafe
                       Hb^A Hb^A      91
                       Hb^A Hb^B      28
                       Hb^B Hb^B      56
Damit haben wir die Grundlage, um die genetische Zusammensetzung dieser Population zu bestimmen!
Genotypenhäufigkeit Hb^A Hb^A    91:175 = 0.52
Genotypenhäufigkeit Hb^A Hb^B    28:175 = 0.16
Genotypenhäufigkeit Hb^B Hb^B    56:175 = 0.32 
                                                                     1 

Die Genotypfrequenz ist der Anteil Individuen mit diesem Genotyp in der Gesamtpopulation!

\(Genotyphäufigkeiten = {Anz.Indi.m.best.Genotyp \over Anz.aller Individuen}\)  --> Genotyphäufigkeiten aller Genotypen aufsummiert, ergibt 1

Die Allelfrequenzen lassen sich durch Auszählen der Allele (1. Methode) oder direkt aus den Genotypfrequenzen (2. Methode) berechnen!

z.B. Genotyp  Anzahl Schafe
        Hb^A Hb^A     91
       Hb^A Hb^B     28
       Hb^B Hb^B     56
1. Methode:
\(Allelfrequenz Hb^A = {91(Hb^A Hb^A) * 2 + 28(Hb^A Hb^B) \over 350 Hb-Allele} = {210\over 350} = 0.60\)   \(Allelfrequenz Hb^B = {56(Hb^B Hb^B) * 2 + 28(Hb^A Hb^B) \over 350 Hb-Allele} = {140\over 350} = 0.40\)   --> Summe = 1
2. Methode:
\(Allelfrequenz Hb^A = {0.52+ {1\over2}(0.16)} = 0.60 \)
\(Allelfrequenz Hb^B = {0.32+ {1\over2}(0.16)} = 0.40 \)   --> Summe = 1