Genetik

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Die Genetik (von griechisch γενεά geneá ‚Abstammung‘ sowie γένεσις génesis ‚Ursprung‘ ^{[1] [2]}) oder Vererbungslehre ist ein Teilgebiet der Biologie und beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Funktion von Erbanlagen („Genen“) sowie mit deren Weitervererbung. Vererbung ist die Weitergabe von Erbinformationen. Das Wissen, dass Merkmale vererbt werden, ist relativ jung; Vorstellungen von solchen natürlichen Vererbungsprozessen prägten sich erst im 18. und frühen 19. Jahrhundert aus.^[3] Eine wissenschaftliche Untersuchung von Vererbungsvorgängen mit groß angelegten Versuchsreihen führte, soweit bekannt, erstmals der Mönch Gregor Mendel in dem von ihm betreuten Klostergarten in den Jahren 1856 bis 1865 durch. Seine Arbeit, in der er die heute berühmten Mendelschen Regeln formulierte, wurde in der Fachwissenschaft jedoch erst im Jahr 1900 rezipiert und bestätigt (siehe Geschichte).

Inhaltsverzeichnis 1 Teilbereiche 2 Geschichte 3 Meilensteine der Genetik 4 Literatur 5 Weblinks 6 Einzelnachweise

[Bearbeiten] Teilbereiche

• Die „klassische“ Genetik untersucht, in welchen Kombinationen die Gene nach Kreuzungsexperimenten bei den Nachkommen auftreten (Mendelsche Regeln) und wie das die Ausprägung bestimmter phänotypischer Merkmale beeinflusst.
• Die Molekulargenetik – ein Teilgebiet der Molekularbiologie – untersucht, wie Gene aufgebaut sind, wie die in Form von Nukleinsäuren (meist DNA, bei manchen Viren RNA) vorhandene genetische Information zum Aufbau von Proteinen und anderen funktionellen Genprodukten genutzt wird (Genexpression), wie diese Information kopiert wird (Replikation) und wie sich molekularbiologische Erkenntnisse für gentechnische Verfahren nutzen lassen.
• Die Epigenetik beschäftigt sich mit der Weitergabe von Eigenschaften auf die Nachkommen, die nicht auf Abweichungen in der DNA-Sequenz zurück gehen, sondern auf eine vererbbare Änderung der Genregulation.
• Die Populationsgenetik und die Ökologische Genetik untersuchen genetische Strukturen und Prozesse auf der Ebene von Populationen und von anderen ökologischen Einheiten (z. B. ganzen Lebensgemeinschaften).

[Bearbeiten] Geschichte

Schon seit der Antike versuchen die Menschen die Gesetzmäßigkeiten der Zeugung und die Ähnlichkeiten zwischen Verwandten durch verschiedene Hypothesen zu erklären. So lehrte der griechische Philosoph Anaxagoras um 500 v. Chr., dass der Embryo im Sperma des Vaters bereits vorgeformt sei (Präformationslehre). Das Geschlecht der Nachkommen werde durch die Herkunft des Spermas bestimmt, indem der rechte Hoden männliche und der linke weibliche Nachkommen hervorbringe^[4]. Ähnlich dachte ungefähr hundert Jahre später Aristoteles, dass nur der Mann Erbanlagen besitzt, während die Frau ausschließlich ernährende Funktionen hat. Solche Vorstellungen über die Fortpflanzung prägten die naturphilosophischen Überlegungen bis in die Neuzeit hinein.

Auch als Antoni van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert mit Hilfe des Mikroskops die Spermien entdeckte, sah er darin den kompletten Organismus bereits vorgebildet. Derartige präformistische Vorstellungen blieben noch bis in das frühe 19. Jahrhundert hinein vorherrschend, um schließlich durch die embryologischen Untersuchungen von Christian Heinrich Pander (1817) und Karl Ernst von Baer (1828) überwunden zu werden.

Vererbung war bis in das 18. Jahrhundert ein juristischer Begriff und fand für natürliche Vorgänge keine Anwendung. Denn Ähnlichkeiten zwischen Verwandten wurden ausreichend über jeweils spezifische lokale Faktoren und die Lebensweise des Individuums erklärt: über das Klima, die Ernährung, die Art der Betätigungen usw. Wie gewisse Merkmale unter Nachkommen blieben auch diese Faktoren für die Nachkommen in der Regel konstant. Irreguläre Merkmale konnten dann entsprechend auf irreguläre Einflüsse bei der Zeugung oder der Entwicklung des Individuums zurückgeführt werden. Erst mit dem zunehmenden internationalen Verkehr und zum Beispiel der Anlage von exotischen Gärten wurde ein Wahrnehmungsraum dafür geschaffen, dass es vom Individuum und seinem jeweiligen Ort ablösbare, natürliche Gesetze geben müsse, die sowohl die Weitergabe von regulären als auch zuweilen eine Weitergabe von neu erworbenen Eigenschaften regeln.^[5]

Welcher Art diese Vererbungsgesetze sind, blieb lange im Unklaren. Die entscheidende Idee zu ihrer Aufklärung hatte als Erster der Augustinermönch Gregor Mendel, der sich bei seinen 1856 begonnenen Kreuzungs-Versuchen auf einzelne Merkmale konzentrierte und die erhaltenen Daten statistisch auswertete. So konnte er die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten bei der Verteilung von Erbanlagen auf die Nachkommen ermitteln, die heute als Mendelsche Regeln bezeichnet werden. Diese Entdeckungen, die er 1866 publizierte, blieben jedoch zunächst in der Fachwelt unbeachtet und wurden erst im Jahr 1900 von Hugo de Vries, Carl Correns und Erich Tschermak wiederentdeckt und aufgrund eigener Versuche bestätigt.

Mit seinem zweibändigen Werk Die Mutationstheorie (1901/03) führte de Vries den bis dahin in der Paläontologie gebräuchlichen Begriff „Mutation“ in die Vererbungslehre ein. Nach seiner Auffassung handelte es sich bei Mutationen um umfassende, sprunghafte Veränderungen, durch welche eine neue Art entstehe. Dabei stützte er sich auf seine Studien an Nachtkerzen, bei denen eine „in allen ihren Organen“ stark veränderte Pflanze aufgetreten war, deren Merkmale sich als erbkonstant erwiesen und die er daher als neue Art (Oenothera gigas) beschrieb. (Später stellte sich heraus, dass „Oe. gigas“ im Unterschied zu den diploiden Ausgangspflanzen tetraploid war und somit – aus heutiger Sicht – der Sonderfall einer Genommutation (Autopolyploidie) vorlag.) Dieser Befund stand im Widerspruch zu der an Charles Darwin anschließenden Evolutionstheorie und war einer der Gründe, warum der „Mendelismus“ sich zeitweilig im Widerstreit mit dem damals noch nicht allgemein akzeptierten Darwinismus befand.

Als eine Synthese der Mendelschen Regeln mit jüngsten Beobachtungen über das Verhalten der Chromosomen (insbesondere bei der Meiose) formulierten Walter Sutton (1903) und Theodor Boveri (1904) die Chromosomentheorie der Vererbung, wonach die Erbanlagen an die Chromosomen gebunden sind.

Eine sehr folgenreiche Entscheidung war die Wahl von Taufliegen als Versuchsobjekt durch die Arbeitsgruppe um Thomas Hunt Morgan im Jahre 1907, vor allem weil diese in großer Zahl auf kleinem Raum gehalten werden können und sich sehr viel schneller vermehren als die bis dahin verwendeten Pflanzen. So stellte sich bald heraus, dass es auch geringfügige Mutationen gibt, auf deren Grundlage allmähliche Veränderungen innerhalb von Populationen möglich sind (Morgan: For Darwin, 1909). Eine weitere wichtige Entdeckung machte Morgans Team etwa 1911, als man die schon 1900 von Correns publizierte Beobachtung, dass manche Merkmale meist zusammen vererbt werden (Genkopplung), mit Untersuchungen der Chromosomen verband und so zu dem Schluss kam, dass es sich bei den Koppelungsgruppen um Gruppen von Genen handelt, welche auf dem selben Chromosom liegen. Wie sich weiter herausstellte, kann es zu einem Austausch von Genen zwischen homologen Chromosomen kommen (Crossing-over), und aufgrund der relativen Häufigkeiten dieser intrachromosomalen Rekombinationen konnte man eine lineare Anordnung der Gene auf einem Chromosom ableiten (Genkarte). Diese Erkenntnisse fasste Morgan 1921 in The Physical Basis of Heredity und 1926 programmatisch in The Theory of the Gene zusammen, worin er die Chromosomentheorie zur Gentheorie weiterentwickelte.

Diese Theorie war schon während ihrer allmählichen Herausbildung sehr umstritten. Ein zentraler Streitpunkt war die Frage, ob die Erbanlagen sich ausschließlich im Zellkern oder auch im Zytoplasma befinden. Vertreter der letzteren Ansicht waren u.a. Boveri, Correns, Hans Driesch, Jacques Loeb und Richard Goldschmidt. Sie postulierten, dass im Kern nur relativ geringfügige Erbfaktoren bis hin zu Artmerkmalen lokalisiert seien, während Merkmale höherer systematischer Kategorien (Gattung, Familie usw.) durch das Plasma vererbt würden. Der entschiedenste Vertreter der Gegenseite war Morgans ehemaliger Mitarbeiter Hermann Joseph Muller, der in The Gene as the Basis of Life (1929) die im Kern lokalisierten Gene als die Grundlage des Lebens überhaupt bezeichnete und die Bedeutung des Plamas als sekundär einstufte.

Muller war es auch, der 1927 erstmals von der Erzeugung von Mutationen durch Röntgenstrahlung berichtete, wodurch die genetische Forschung nicht mehr darauf angewiesen war, auf spontan auftretende Mutationen zu warten. Der von de Vries, Morgan, Muller und Anderen vertretenen Ansicht der Zufälligkeit der Mutationen stand das u.a. von Paul Kammerer und Trofim Denissowitsch Lyssenko verfochtene Postulat gegenüber, dass Mutationen „gerichtet“ und qualitativ durch Umwelteinflüsse bestimmt seien.

Seit 1889 (Richard Altmann) war bekannt, dass Chromosomen aus „Nucleinsäure“ und basischem Protein bestehen. Über deren Aufbau und Funktion konnte jedoch lange Zeit nur spekuliert werden. 1902 postulierten Emil Fischer und Franz Hofmeister, dass Proteine Polypeptide seien, also lange Ketten von Aminosäuren. Das war zu diesem Zeitpunkt allerdings noch sehr spekulativ. Als 1905 die ersten Analysen der Aminosäuren-Zusammensetzung von Proteinen publiziert wurden, erfassten diese lediglich ein Fünftel des untersuchten Proteins, und die Identifikation aller 20 proteinogenen Aminosäuren zog sich bis 1935 hin. Dagegen war bei der Nukleinsäure schon 1903 klar (Albrecht Kossel), dass sie neben Zucker und Phosphat lediglich fünf verschiedene Nukleinbasen enthält. Erste Analysen der Basenzusammensetzung durch H. Steudel ergaben 1906, dass die vier hauptsächlich vorhandenen Basen zu annähernd gleichen Anteilen enthalten sind. Daraus schloss Steudel (1907), dass die Nukleinsäure „ein relativ einfach gebauter Körper sei“^[6], dem man keine anspruchsvollen Funktionen beimessen könne. Dies etablierte sich als Lehrmeinung, die bis in die 1930er Jahre gültig blieb, und auf dieser Grundlage betrachtete man nicht die Nukleinsäure(n), sondern die Proteine als „Erbsubstanz“.

Zu der Einsicht, dass es sich gerade umgekehrt verhält und die Nukleinsäure DNA als Erbsubstanz angesehen werden muss, führten die Experimente der Arbeitsgruppe von Oswald Avery zur Transformation von Pneumokokken (1944) und das Hershey-Chase-Experiment von 1952 mit Bakteriophagen. Außerdem zeigte Erwin Chargaff 1950, dass die vier Nukleotide, aus denen die DNA besteht, nicht zu gleichen, sondern zu paarweise gleichen Anteilen enthalten sind. Zusammen mit Röntgenstrukturanalyse-Daten von Rosalind Franklin war das die Grundlage für die Entwicklung des Doppelhelix-Strukturmodells der DNA durch James Watson und Francis Crick 1953.

[Bearbeiten] Meilensteine der Genetik

• 1866 – Gregor Mendel veröffentlicht seine Versuche über Pflanzen-Hybriden, die aber keine Beachtung finden
• 1869 – Friedrich Miescher isoliert aus Zellkernen das „Nuclein“, dessen Aufbau und Funktion zunächst rätselhaft bleiben
• 1889 – Richard Altmann identifiziert die „Nucleinsäure“ und eine basische Proteinfraktion als Bestandteile des Nucleins
• 1900 – Hugo de Vries, Carl Correns und Erich Tschermak bestätigen Mendels Entdeckungen
• 1903 – Chromosomen werden als Träger der Erbinformation erkannt (Walter Sutton)
• 1906 – William Bateson prägt den Begriff Genetik
• 1907 – Thomas Hunt Morgan wählt die Taufliege Drosophila melanogaster als Versuchstier
• 1909 – Wilhelm Johannsen prägt den Begriff des Gens
• 1927 – Auslösung künstlicher Mutationen durch Röntgenstrahlung (Hermann Joseph Muller)
• 1928 – Frederick Griffith entdeckt, dass Erbsubstanz zwischen Bakterien ausgetauscht werden kann (siehe Griffiths Experiment, Plasmide)
• 1931 – Zytologische Aufklärung des Crossing-over (Barbara McClintock, Harriet B. Creighton, Curt Stern)
• 1944 – Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty: Transformation von Bakterien durch DNA
• 1945 – Gene kodieren Proteine (siehe auch Ein Gen – Ein Enzym Hypothese)
• 1950 – Erwin Chargaff zeigt, dass die vier Nukleotide in paarweise gleicher Häufigkeit ([A]=[T] und [C]=[G]) in der DNA vorkommen
• 1951 – McClintock berichtet erstmals über Springende Gene, stößt aber auf komplettes Unverständnis
• 1952 – Das Hershey-Chase-Experiment zeigt, dass die genetische Information von Phagen (und anderer Organismen) in der DNA gespeichert ist
• 1953 – James Watson und Francis Crick postulieren die Doppelhelix-Struktur der DNA
• 1958 – Nachweis der semikonservativen Replikation der DNA durch Meselson und Stahl
• 1958 – Crick postuliert das „Zentrale Dogma“ der Molekulargenetik
• 1961 – François Jacob und Jacques Lucien Monod stellen das Operon-Konzept vor
• 1961 bis 1965 – Dechiffrierung des genetischen Codes
• 1969 – Jonathan Beckwith gelingt als erstem die Isolierung eines einzelnen Gens (aus E. coli)
• 1969 – Arber entdeckt Restriktionsenzyme
• 1975 – DNA-Sequenzierung (Frederick Sanger, Allan Maxam, Walter Gilbert)
• 1977 – Intron-Exon-Struktur eukaryotischer Gene
• 1983 – Kary Mullis ersinnt während einer Autofahrt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
• 1995 – Das Genom des Bakteriums Haemophilus influenzae wird sequenziert ^[7]
• 1997 – Das erste eukaryotische Genom, das der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, wird sequenziert
• 2001 – Im Rahmen des Humangenomprojektes wird eine vorläufige Arbeitsversion des gesamten menschlichen Genoms vorgestellt
• 2003 – Die Humangenom-Referenzsequenz steht zum Download im Internet bereit

[Bearbeiten] Literatur

• Jochen Graw: Genetik, 4. Aufl., Springer, Berlin 2005
• François Jacob: Die Logik des Lebenden – eine Geschichte der Vererbung, Fischer, Frankfurt/Main 1972, Neuausgabe 2002
• Wilfried Janning, Elisabeth Knust: Genetik, 2. Aufl., Thieme, Stuttgart 2008
• Hans-Jörg Rheinberger, Staffan Müller-Wille: Vererbung – Geschichte und Kultur eines biologischen Konzepts, Fischer, Frankfurt/Main 2009

[Bearbeiten] Weblinks

• Einführung in die Stammbaumanalyse
• Deutsche Fassung von "DNA from the Beginning" des Dolan DNA Learning Center

[Bearbeiten] Einzelnachweise

1. ↑ http://www.perseus.tufts.edu/cgi-bin/ptext?doc=Perseus%3Atext%3A1999.04.0057%3Aentry%3D%2321880 Genetikos, Henry George Liddell, Robert Scott, "A Greek-English Lexicon", at Perseus
2. ↑ http://www.perseus.tufts.edu/cgi-bin/ptext?doc=Perseus%3Atext%3A1999.04.0057%3Aentry%3D%2321873 Genesis, Henry George Liddell, Robert Scott, "A Greek-English Lexicon", at Perseus
3. ↑ Hans-Jörg Rheinberger u. Staffan Müller-Wille: Vererbung. Geschichte und Kultur eines biologischen Konzepts. Frankfurt a. M. 2009
4. ↑ Einführung in die Humangenetik
5. ↑ Hans-Jörg Rheinberger u. Staffan Müller-Wille: Vererbung. Geschichte und Kultur eines biologischen Konzepts. Frankfurt a. M. 2009
6. ↑ H. Steudel, Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem. 53 (1907, S. 18, zitiert nach Peter Karlson: 100 Jahre Biochemie im Spiegel von Hoppe-Seyler's Zeitschrift für Physiologische Chemie, dito Bd. 358 (1977), S. 717-752, Zitat S. 747
7. ↑ http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/269/5223/496.pdf