Genetik -
Genetics

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Genetik ist ein Zweig der Biologie, der sich mit dem Studium von Genen , genetischer Variation und Vererbung in Organismen befasst .

Obwohl die Vererbung seit Jahrtausenden beobachtet wurde, war Gregor Mendel , mährischen Wissenschaftler und Augustinermönch , der im 19. Jahrhundert in Brünn arbeitete , der erste, der die Genetik wissenschaftlich erforschte. Mendel beschäftigte sich mit „Merkmalsvererbung“, Mustern in der Art und Weise, wie Merkmale im Laufe der Zeit von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Er beobachtete, dass Organismen (Erbsenpflanzen) Merkmale durch diskrete "Vererbungseinheiten" erben. Dieser heute noch verwendete Begriff ist eine etwas mehrdeutige Definition dessen, was als Gen bezeichnet wird.

).

Genetische Prozesse wirken in Kombination mit der Umwelt und den Erfahrungen eines Organismus, um Entwicklung und Verhalten zu beeinflussen , oft als Natur versus Pflege bezeichnet . Die intrazelluläre oder extrazelluläre Umgebung einer lebenden Zelle oder eines Organismus kann die Gentranskription ein- oder ausschalten. Ein klassisches Beispiel sind zwei Samen von genetisch identischem Mais, einer in einem gemäßigten Klima und einer in einem ariden Klima (ohne genügend Wasserfall oder Regen). Während die durchschnittliche Höhe der beiden Maisstängel genetisch als gleich bestimmt werden kann, wird der im Trockenklima aufgrund des Mangels an Wasser und Nährstoffen in seiner Umgebung nur halb so hoch wie im gemäßigten Klima.

Etymologie

Das Wort Genetik stammt aus dem Altgriechischen

γενετικός
genetikos, was "Genitiv"/"Generativ" bedeutet, was sich wiederum von
γένεσις
genesis, was "Ursprung" bedeutet, ableitet .

Geschichte

in der Mitte des 19. Jahrhunderts.

Vor Mendel war Imre Festetics , ein ungarischer Adliger, der vor Mendel in Kőszeg lebte, der erste, der das Wort "Genetik" benutzte. In seinem Werk Das genetische Gesetz der Natur (Die genetischen Gesätze der Natur, 1819) beschrieb er mehrere Regeln der genetischen Vererbung . Sein zweites Gesetz ist dasselbe wie das, was Mendel veröffentlicht hat. In seinem dritten Gesetz entwickelte er die Grundprinzipien der Mutation (er kann als Vorläufer von Hugo de Vries angesehen werden ).

Die Vermischung der Vererbung führt zur Mittelung jedes Merkmals, was, wie der Ingenieur Fleeming Jenkin betonte, eine Evolution durch natürliche Auslese unmöglich macht.

Andere Vererbungstheorien gingen Mendels Arbeit voraus. Eine populäre Theorie des 19. Jahrhunderts, impliziert von Charles Darwins 1859 über die Entstehung der Arten , war die Vererbung, die von den Eltern geerbt wird. Mendels Arbeit lieferte Beispiele, in denen Merkmale nach der Hybridisierung definitiv nicht vermischt wurden, was zeigt, dass Merkmale eher durch Kombinationen verschiedener Gene als durch eine kontinuierliche Mischung erzeugt werden. Die Vermischung von Merkmalen bei den Nachkommen wird nun durch die Wirkung mehrerer Gene mit quantitativer Wirkung erklärt . Eine andere Theorie, die zu dieser Zeit einige Unterstützung fand, war die Vererbung erworbener Eigenschaften : der Glaube, dass Individuen Eigenschaften erben, die von ihren Eltern verstärkt wurden. Diese Theorie (häufig im Zusammenhang mit Jean-Baptiste Lamarck ) wird nun als falsch-Erfahrungen von Personen bekannt , nicht die Gene beeinflussen sie an ihre Kinder weitergeben, inklusive Andere Theorien der Pangenesis von Charles Darwin (die beide erworben hatte und vererbte Aspekte) und Francis Galtons Neuformulierung der Pangenese als sowohl partikulär als auch vererbt.

Mendelsche und klassische Genetik

Morgans Beobachtung der geschlechtsgebundenen Vererbung einer Mutation, die weiße Augen bei Drosophila verursacht, führte ihn zu der Hypothese, dass Gene auf Chromosomen lokalisiert sind.

Die moderne Genetik begann mit Mendels Studien über die Natur der Vererbung bei Pflanzen. In seinem Vortrag „ Versuche über Pflanzenhybriden “ ( „ Versuche über Pflanzenhybriden “), im Jahr 1865 auf die präsentierte Naturforschender Verein (Gesellschaft für Forschung in der Natur) in Brünn , verfolgte Mendel die Vererbungsmuster bestimmter Merkmale in Erbsenpflanzen und beschrieb sie mathematisch. Obwohl dieses Vererbungsmuster nur für einige Merkmale beobachtet werden konnte, schlug Mendels Arbeit vor, dass die Vererbung partikulär und nicht erworben war und dass die Vererbungsmuster vieler Merkmale durch einfache Regeln und Verhältnisse erklärt werden könnten.

populär , um das Studium der Vererbung zu beschreiben .

Nach der Wiederentdeckung von Mendels Arbeit versuchten Wissenschaftler herauszufinden, welche Moleküle in der Zelle für die Vererbung verantwortlich sind. Im Jahr 1900 begann Nettie Stevens, den Mehlwurm zu untersuchen. In den nächsten 11 Jahren entdeckte sie, dass Frauen nur das X-Chromosom und Männer sowohl X- als auch Y-Chromosomen hatten. Sie konnte daraus schließen, dass das Geschlecht ein chromosomaler Faktor ist und vom Mann bestimmt wird. Im Jahr 1911 argumentierte Thomas Hunt Morgan , dass sich Gene auf Chromosomen befinden , basierend auf Beobachtungen einer geschlechtsgebundenen Mutation des weißen Auges bei Fruchtfliegen . Sein Schüler Alfred Sturtevant nutzte 1913 das Phänomen der genetischen Verknüpfung, um zu zeigen, dass Gene linear auf dem Chromosom angeordnet sind.

Molekulare Genetik

DNA , die molekulare Grundlage der biologischen Vererbung . Jeder DNA-Strang ist eine Kette von Nukleotiden , die in der Mitte zusammenpassen, um etwas zu bilden, das wie Sprossen auf einer verdrehten Leiter aussieht.

Obwohl bekannt war, dass Gene auf Chromosomen existieren, bestehen Chromosomen sowohl aus Protein als auch aus DNA, und die Wissenschaftler wussten nicht, welches von beiden für die Vererbung verantwortlich ist. 1928 entdeckte Frederick Griffith das Phänomen der Transformation (siehe Griffiths Experiment ): Tote Bakterien könnten genetisches Material übertragen, um andere noch lebende Bakterien zu „transformieren“. Sechzehn Jahre später, im Jahr 1944, identifizierte das Avery-MacLeod-McCarty-Experiment die DNA als das für die Transformation verantwortliche Molekül. Die Rolle des Zellkerns als Speicher für genetische Informationen in Eukaryoten hatte Hämmerling 1943 in seiner Arbeit an der einzelligen Alge Acetabularia festgestellt . Das Hershey-Chase-Experiment im Jahr 1952 bestätigte, dass DNA (und nicht Protein) das genetische Material der Viren ist, die Bakterien infizieren, was weitere Beweise dafür liefert, dass DNA das für die Vererbung verantwortliche Molekül ist.

James Watson und Francis Crick bestimmten 1953 die Struktur der DNA unter Verwendung der Röntgenkristallographie- Arbeit von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins , die darauf hinwies, dass die DNA eine helikale Struktur hat (dh wie ein Korkenzieher geformt ist). Ihr Doppelhelix-Modell hatte zwei DNA-Stränge mit nach innen weisenden Nukleotiden, die jeweils mit einem komplementären Nukleotid auf dem anderen Strang übereinstimmten, um etwas zu bilden, das wie Sprossen auf einer verdrehten Leiter aussieht. Diese Struktur zeigte, dass genetische Informationen in der Nukleotidsequenz auf jedem DNA-Strang vorhanden sind. Die Struktur schlug auch eine einfache Methode zur Replikation vor : Wenn die Stränge getrennt werden, können für jeden basierend auf der Sequenz des alten Strangs neue Partnerstränge rekonstruiert werden. Diese Eigenschaft verleiht der DNA ihre halbkonservative Natur, bei der ein Strang der neuen DNA von einem ursprünglichen Elternstrang stammt.

Obwohl die Struktur der DNA zeigte, wie die Vererbung funktioniert, war noch nicht bekannt, wie die DNA das Verhalten von Zellen beeinflusst. In den folgenden Jahren versuchten Wissenschaftler zu verstehen, wie die DNA den Prozess der Proteinproduktion steuert . Es wurde entdeckt, dass die Zelle DNA als Vorlage verwendet, um passende Boten-RNA zu erzeugen , Moleküle mit Nukleotiden , die der DNA sehr ähnlich sind. Die Nukleotidsequenz einer Messenger-RNA wird verwendet, um eine Aminosäuresequenz im Protein zu erzeugen ; diese Translation zwischen Nukleotidsequenzen und Aminosäuresequenzen wird als genetischer Code bezeichnet .

Mit dem neu gewonnenen molekularen Verständnis der Vererbung kam es zu einer Explosion der Forschung. Eine bemerkenswerte Theorie entstand 1973 von Tomoko Ohta mit ihrer Änderung der neutralen Theorie der molekularen Evolution durch die Veröffentlichung der nahezu neutralen Theorie der molekularen Evolution . In dieser Theorie betonte Ohta die Bedeutung der natürlichen Selektion und der Umwelt für die Geschwindigkeit der genetischen Evolution. Eine wichtige Entwicklung war die Kettenabbruch- DNA-Sequenzierung im Jahr 1977 durch Frederick Sanger . Diese Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, die Nukleotidsequenz eines DNA-Moleküls zu lesen. 1983 entwickelte Kary Banks Mullis die Polymerase-Kettenreaktion , die eine schnelle Methode zur Isolierung und Amplifikation eines bestimmten DNA-Abschnitts aus einer Mischung bietet. Die Bemühungen des Human Genome Project , Department of Energy, NIH, und parallele private Bemühungen von Celera Genomics führten 2003 zur Sequenzierung des menschlichen Genoms .

Merkmale der Vererbung

Diskrete Vererbung und Mendelsche Gesetze

Ein Punnett-Quadrat, das eine Kreuzung zwischen zwei Erbsenpflanzen darstellt, die für violette (B) und weiße (b) Blüten heterozygot sind.

Auf seiner grundlegendsten Ebene erfolgt die Vererbung in Organismen durch die Weitergabe einzelner vererbbarer Einheiten, die als Gene bezeichnet werden , von den Eltern an die Nachkommen. Diese Eigenschaft wurde erstmals von Gregor Mendel beobachtet , der die Segregation erblicher Merkmale bei Erbsenpflanzen untersuchte . In seinen Experimenten, die das Merkmal der Blütenfarbe untersuchten, beobachtete Mendel, dass die Blüten jeder Erbsenpflanze entweder lila oder weiß waren – aber nie ein Zwischenprodukt zwischen den beiden Farben. Diese verschiedenen, diskreten Versionen desselben Gens werden Allele genannt .

.

Der Satz von Allelen für einen bestimmten Organismus wird als Genotyp bezeichnet , während die beobachtbaren Merkmale des Organismus als Phänotyp bezeichnet werden . Wenn Organismen bei einem Gen heterozygot sind, wird oft ein Allel als dominant bezeichnet, da seine Eigenschaften den Phänotyp des Organismus dominieren, während das andere Allel als rezessiv bezeichnet wird, da seine Eigenschaften zurückgehen und nicht beobachtet werden. Einige Allele haben keine vollständige Dominanz und stattdessen eine unvollständige Dominanz, indem sie einen intermediären Phänotyp exprimieren, oder eine Codominanz, indem beide Allele gleichzeitig exprimiert werden.

Wenn sich ein Paar von Organismen sexuell fortpflanzt , erben ihre Nachkommen zufällig eines der beiden Allele von jedem Elternteil. Diese Beobachtungen der diskreten Vererbung und der Segregation von Allelen werden zusammenfassend als Mendels erstes Gesetz oder das Gesetz der Segregation bezeichnet.

Notation und Diagramme

Genetische Ahnentafeln helfen, die Vererbungsmuster von Merkmalen zu verfolgen.

Genetiker verwenden Diagramme und Symbole, um die Vererbung zu beschreiben. Ein Gen wird durch einen oder wenige Buchstaben dargestellt. Häufig wird ein „+“-Symbol verwendet, um das übliche, nicht mutierte Allel für ein Gen zu markieren .

In Befruchtungs- und Zuchtversuchen (und insbesondere bei der Diskussion der Mendelschen Gesetze) werden die Eltern als "P"-Generation und die Nachkommen als "F1"-Generation (erste Tochter) bezeichnet. Wenn sich die F1-Nachkommen miteinander paaren, werden die Nachkommen als "F2" (zweite Tochter) Generation bezeichnet. Eines der gebräuchlichsten Diagramme, die verwendet werden, um das Ergebnis einer Kreuzung vorherzusagen, ist das Punnett-Quadrat .

Bei der Untersuchung von genetischen Erkrankungen des Menschen verwenden Genetiker häufig Ahnentafeln , um die Vererbung von Merkmalen darzustellen. Diese Diagramme bilden die Vererbung eines Merkmals in einem Stammbaum ab.

Mehrere Geninteraktionen

Die menschliche Körpergröße ist ein Merkmal mit komplexen genetischen Ursachen. Francis Galtons Daten aus dem Jahr 1889 zeigen die Beziehung zwischen der Nachkommengröße als Funktion der mittleren Elterngröße.

Organismen haben Tausende von Genen, und bei sich sexuell fortpflanzenden Organismen sortieren sich diese Gene im Allgemeinen unabhängig voneinander. Dies bedeutet, dass die Vererbung eines Allels für gelbe oder grüne Erbsenfarbe nicht mit der Vererbung von Allelen für weiße oder violette Blüten zusammenhängt. Dieses Phänomen, das als „ Zweites Mendelsches Gesetz “ oder „Gesetz der unabhängigen Sortierung“ bekannt ist, bedeutet, dass die Allele verschiedener Gene zwischen den Eltern gemischt werden, um Nachkommen mit vielen verschiedenen Kombinationen zu bilden. (Einige Gene sortieren sich nicht unabhängig voneinander, was eine genetische Verknüpfung zeigt , ein Thema, das später in diesem Artikel erörtert wird.)

Oftmals können verschiedene Gene auf eine Weise interagieren, die dasselbe Merkmal beeinflusst. Bei der Blauäugigen Maria ( Omphalodes verna ) beispielsweise existiert ein Gen mit Allelen, die die Farbe von Blüten bestimmen: Blau oder Magenta. Ein anderes Gen steuert jedoch, ob die Blüten überhaupt Farbe haben oder weiß sind. Wenn eine Pflanze zwei Kopien dieses weißen Allels hat, sind ihre Blüten weiß – unabhängig davon, ob das erste Gen blaue oder magentafarbene Allele hat. Diese Wechselwirkung zwischen den Genen wird Epistase genannt , wobei das zweite Gen epistatisch zum ersten ist.

Viele Merkmale sind keine diskreten Merkmale (zB lila oder weiße Blüten), sondern kontinuierliche Merkmale (zB menschliche Größe und Hautfarbe ). Diese komplexen Merkmale sind Produkte vieler Gene. Der Einfluss dieser Gene wird in unterschiedlichem Maße durch die Umwelt, die ein Organismus erlebt hat, vermittelt. Der Grad, in dem die Gene eines Organismus zu einem komplexen Merkmal beitragen, wird als Erblichkeit bezeichnet . Die Messung der Heritabilität eines Merkmals ist relativ – in einer variableren Umgebung hat die Umgebung einen größeren Einfluss auf die Gesamtvariation des Merkmals. Zum Beispiel ist die menschliche Körpergröße ein Merkmal mit komplexen Ursachen. Es hat eine Vererbbarkeit von 89% in den Vereinigten Staaten. In Nigeria jedoch, wo die Menschen einen variableren Zugang zu guter Ernährung und Gesundheitsversorgung haben , hat die Körpergröße eine Erblichkeit von nur 62%.

Molekulare Grundlage für die Vererbung

DNA und Chromosomen

Die molekulare Struktur der DNA. Basenpaare durch die Anordnung von Wasserstoffbrücken zwischen den Strängen.
DNA-Sequenz

Die molekulare Grundlage für Gene ist Desoxyribonukleinsäure (DNA). DNA besteht aus einer Kette von Nukleotiden , von denen es vier Typen gibt: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Genetische Informationen existieren in der Sequenz dieser Nukleotide, und Gene existieren als Sequenzabschnitte entlang der DNA-Kette. Viren sind die einzige Ausnahme von dieser Regel – manchmal verwenden Viren das sehr ähnliche Molekül RNA anstelle von DNA als genetisches Material. Viren können sich ohne Wirt nicht vermehren und sind von vielen genetischen Prozessen unbeeinflusst und werden daher eher nicht als lebende Organismen betrachtet.

DNA existiert normalerweise als doppelsträngiges Molekül, das in Form einer Doppelhelix gewunden ist . Jedes Nukleotid in der DNA paart sich vorzugsweise mit seinem Partnernukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang: A paart mit T und C paart mit G. Somit enthält jeder Strang in seiner zweisträngigen Form effektiv alle notwendigen Informationen, die mit seinem Partnerstrang redundant sind. Diese Struktur der DNA ist die physikalische Grundlage für die Vererbung: Die DNA-Replikation dupliziert die genetische Information, indem die Stränge gespalten und jeder Strang als Vorlage für die Synthese eines neuen Partnerstrangs verwendet wird.

Gene sind linear entlang langer Ketten von DNA-Basenpaarsequenzen angeordnet. Bei Bakterien enthält jede Zelle normalerweise einen einzelnen kreisförmigen Genophor , während eukaryotische Organismen (wie Pflanzen und Tiere) ihre DNA in mehreren linearen Chromosomen angeordnet haben. Diese DNA-Stränge sind oft extrem lang; das größte menschliche Chromosom zum Beispiel ist etwa 247 Millionen Basenpaare lang. Die DNA eines Chromosoms ist mit Strukturproteinen verbunden, die den Zugriff auf die DNA organisieren, verdichten und kontrollieren und ein Material namens Chromatin bilden ; In Eukaryoten besteht Chromatin normalerweise aus Nukleosomen , DNA-Abschnitten, die um Kerne von Histonproteinen gewickelt sind. Der vollständige Satz an Erbmaterial in einem Organismus (normalerweise die kombinierten DNA-Sequenzen aller Chromosomen) wird als Genom bezeichnet .

DNA wird am häufigsten im Zellkern gefunden, aber Ruth Sager half bei der Entdeckung nichtchromosomaler Gene, die außerhalb des Zellkerns gefunden wurden. Bei Pflanzen finden sich diese häufig in den Chloroplasten und bei anderen Organismen, in den Mitochondrien. Diese nichtchromosomalen Gene können immer noch von beiden Partnern bei der sexuellen Fortpflanzung weitergegeben werden und kontrollieren eine Vielzahl von erblichen Merkmalen, die sich replizieren und über Generationen hinweg aktiv bleiben.

Während haploide Organismen nur eine Kopie jedes Chromosoms haben, sind die meisten Tiere und viele Pflanzen diploid und enthalten zwei von jedem Chromosom und somit zwei Kopien von jedem Gen. Die beiden Allele für ein Gen befinden sich auf identischen Loci der beiden homologen Chromosomen , wobei jedes Allel von einem anderen Elternteil geerbt wurde.

Walther Flemmings 1882 Diagramm der eukaryotischen Zellteilung. Chromosomen werden kopiert, kondensiert und organisiert. Während sich die Zelle teilt, trennen sich die Chromosomenkopien in die Tochterzellen.

Viele Arten besitzen sogenannte Geschlechtschromosomen , die das Geschlecht jedes Organismus bestimmen. Beim Menschen und vielen anderen Tieren enthält das Y-Chromosom das Gen, das die Entwicklung der spezifisch männlichen Merkmale auslöst. In der Evolution hat dieses Chromosom den größten Teil seines Inhalts und auch die meisten seiner Gene verloren, während das X-Chromosom den anderen Chromosomen ähnlich ist und viele Gene enthält. Vor diesem Hintergrund entdeckte Mary Frances Lyon, dass es während der Fortpflanzung zu einer Inaktivierung des X-Chromosoms kommt, um zu vermeiden, dass doppelt so viele Gene an die Nachkommen weitergegeben werden. Lyons Entdeckung führte zur Entdeckung anderer Dinge, einschließlich X-chromosomaler Krankheiten. Die X- und Y-Chromosomen bilden ein stark heterogenes Paar.

Reproduktion

Wenn sich Zellen teilen, wird ihr gesamtes Genom kopiert und jede Tochterzelle erbt eine Kopie. Dieser Vorgang, Mitose genannt , ist die einfachste Form der Fortpflanzung und die Grundlage für die ungeschlechtliche Fortpflanzung . Asexuelle Fortpflanzung kann auch in mehrzelligen Organismen auftreten, die Nachkommen produzieren, die ihr Genom von einem einzigen Elternteil erben. Nachkommen, die mit ihren Eltern genetisch identisch sind, werden als Klone bezeichnet .

Eukaryotische Organismen nutzen häufig die sexuelle Fortpflanzung , um Nachkommen zu erzeugen, die eine Mischung aus genetischem Material enthalten, das von zwei verschiedenen Elternteilen geerbt wurde. Der Prozess der sexuellen Fortpflanzung wechselt zwischen Formen, die Einzelkopien des Genoms ( haploid ) und Doppelkopien ( diploid ) enthalten. Haploide Zellen fusionieren und kombinieren genetisches Material, um eine diploide Zelle mit gepaarten Chromosomen zu bilden. Diploide Organismen bilden Haploide, indem sie sich teilen, ohne ihre DNA zu replizieren, um Tochterzellen zu erzeugen, die zufällig eines von jedem Chromosomenpaar erben. Die meisten Tiere und viele Pflanzen sind die meiste Zeit ihres Lebens diploid, wobei die haploide Form auf einzellige Gameten wie Spermien oder Eier reduziert ist .

in der Empfängerzelle zu sein.

Rekombination und genetische Verknüpfung

Thomas Hunt Morgans 1916 Illustration eines doppelten Crossovers zwischen Chromosomen.
, scheint der adaptiven Funktion der Reparatur von DNA-Schäden zu dienen.

Der erste zytologische Nachweis des Crossing-Over wurde 1931 von Harriet Creighton und Barbara McClintock durchgeführt . Ihre Forschungen und Experimente an Mais lieferten zytologische Beweise für die genetische Theorie, dass verknüpfte Gene auf gepaarten Chromosomen tatsächlich Plätze von einem Homolog zum anderen austauschen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein chromosomaler Crossover zwischen zwei bestimmten Punkten auf dem Chromosom auftritt, hängt vom Abstand zwischen den Punkten ab. Für eine beliebig lange Distanz ist die Wahrscheinlichkeit des Crossovers hoch genug, dass die Vererbung der Gene effektiv unkorreliert ist. Bei näher beieinander liegenden Genen bedeutet die geringere Crossover-Wahrscheinlichkeit jedoch, dass die Gene eine genetische Verknüpfung aufweisen ; Allele für die beiden Gene neigen dazu, zusammen vererbt zu werden. Das Ausmaß der Verknüpfung zwischen einer Reihe von Genen kann kombiniert werden, um eine lineare Verknüpfungskarte zu bilden , die grob die Anordnung der Gene entlang des Chromosoms beschreibt.

Genexpression

Genetischer Code

Der genetische Code : Unter Verwendung eines Triplett-Codes spezifiziert die DNA über einen Boten-RNA- Vermittler ein Protein.

Gene drücken ihre funktionelle Wirkung im Allgemeinen durch die Produktion von Proteinen aus , die komplexe Moleküle sind, die für die meisten Funktionen in der Zelle verantwortlich sind. Proteine ​​bestehen aus einer oder mehreren Polypeptidketten, von denen jede aus einer Sequenz von Aminosäuren besteht , und die DNA-Sequenz eines Gens (über ein RNA-Zwischenprodukt) wird verwendet, um eine spezifische Aminosäuresequenz zu erzeugen . Dieser Prozess beginnt mit der Produktion eines RNA- Moleküls mit einer Sequenz, die der DNA-Sequenz des Gens entspricht, einem Prozess, der als Transkription bezeichnet wird .

Dieses Boten-RNA- Molekül dient dann dazu, durch einen als Translation bezeichneten Vorgang eine entsprechende Aminosäuresequenz herzustellen . Jede Gruppe von drei Nukleotiden in der Sequenz, Codon genannt , entspricht entweder einer der zwanzig möglichen Aminosäuren in einem Protein oder einer Anweisung, die Aminosäuresequenz zu beenden ; diese Entsprechung wird genetischer Code genannt . Der Informationsfluss ist unidirektional: Informationen werden von Nukleotidsequenzen in die Aminosäuresequenz von Proteinen übertragen, aber nie vom Protein zurück in die DNA-Sequenz – ein Phänomen, das Francis Crick das zentrale Dogma der Molekularbiologie nannte .

Die spezifische Aminosäuresequenz führt zu einer einzigartigen dreidimensionalen Struktur für dieses Protein, und die dreidimensionale Struktur von Proteinen hängt mit ihren Funktionen zusammen. Einige sind einfache Strukturmoleküle, wie die Fasern, die vom Protein Kollagen gebildet werden . Proteine ​​können an andere Proteine ​​und einfache Moleküle binden und manchmal als Enzyme wirken, indem sie chemische Reaktionen innerhalb der gebundenen Moleküle erleichtern (ohne die Struktur des Proteins selbst zu verändern). Die Proteinstruktur ist dynamisch; Das Protein Hämoglobin nimmt leicht unterschiedliche Formen an, da es das Einfangen, den Transport und die Freisetzung von Sauerstoffmolekülen im Blut von Säugern erleichtert.

Ein einzelner Nukleotidunterschied innerhalb der DNA kann eine Änderung der Aminosäuresequenz eines Proteins verursachen. Da Proteinstrukturen das Ergebnis ihrer Aminosäuresequenzen sind, können einige Veränderungen die Eigenschaften eines Proteins dramatisch verändern, indem sie die Struktur destabilisieren oder die Oberfläche des Proteins so verändern, dass seine Wechselwirkung mit anderen Proteinen und Molekülen verändert wird. Die Sichelzellenanämie ist beispielsweise eine genetische Erkrankung des Menschen , die aus einem einzigen Basenunterschied innerhalb der kodierenden Region für den β-Globin-Abschnitt von Hämoglobin resultiert , was eine einzelne Aminosäureänderung verursacht, die die physikalischen Eigenschaften des Hämoglobins verändert. Sichelzellige Hämoglobin-Versionen haften an sich selbst und stapeln sich, um Fasern zu bilden, die die Form der roten Blutkörperchen, die das Protein tragen , verzerren . Diese sichelförmigen Zellen fließen nicht mehr reibungslos durch die Blutgefäße und neigen dazu, sich zu verstopfen oder abzubauen, was die mit dieser Krankheit verbundenen medizinischen Probleme verursacht.

Einige DNA-Sequenzen werden in RNA transkribiert, aber nicht in Proteinprodukte übersetzt – solche RNA-Moleküle werden als nicht-kodierende RNA bezeichnet . Teilweise falten sich diese Produkte zu Strukturen, die an kritischen Zellfunktionen beteiligt sind (zB ribosomale RNA und Transfer-RNA ). RNA kann auch durch Hybridisierungsinteraktionen mit anderen RNA-Molekülen (wie microRNA ) regulatorische Wirkungen haben .

Natur und Pflege

Siamkatzen haben eine temperaturempfindliche Pigmentproduktionsmutation.

Obwohl Gene alle Informationen enthalten, die ein Organismus für seine Funktion benötigt, spielt die Umwelt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Phänotypen, die ein Organismus zeigt. Der Ausdruck „ Natur und Erziehung “ bezieht sich auf diese komplementäre Beziehung. Der Phänotyp eines Organismus hängt vom Zusammenspiel von Genen und der Umwelt ab. Ein interessantes Beispiel ist die Fellfärbung der Siamkatze . In diesem Fall spielt die Körpertemperatur der Katze die Rolle der Umgebung. Die Gene der Katze kodieren für dunkles Haar, daher produzieren die haarproduzierenden Zellen der Katze zelluläre Proteine, die zu dunklem Haar führen. Aber diese Proteine, die dunkle Haare produzieren, sind temperaturempfindlich (dh haben eine Mutation, die eine Temperaturempfindlichkeit verursacht) und denaturieren in Umgebungen mit höheren Temperaturen, wobei sie in Bereichen, in denen die Katze eine höhere Körpertemperatur hat, kein dunkles Haarpigment produzieren können. In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen ist die Struktur des Proteins jedoch stabil und produziert normalerweise dunkles Haarpigment. Das Protein bleibt in kälteren Hautbereichen wie Beinen, Ohren, Schwanz und Gesicht funktionsfähig, sodass die Katze an den Extremitäten dunkle Haare hat.

Die Umwelt spielt eine wichtige Rolle bei den Auswirkungen der humangenetischen Krankheit Phenylketonurie . Die Mutation, die Phenylketonurie verursacht, stört die Fähigkeit des Körpers, die Aminosäure Phenylalanin abzubauen , was zu einer toxischen Ansammlung eines Zwischenmoleküls führt, das wiederum schwere Symptome einer fortschreitenden geistigen Behinderung und Krampfanfälle verursacht. Wenn jedoch jemand mit der Phenylketonurie-Mutation eine strenge Diät einhält, die diese Aminosäure vermeidet, bleibt er normal und gesund.

Eine gängige Methode zur Bestimmung, wie Gene und Umwelt ("Natur und Fürsorge") zu einem Phänotyp beitragen, besteht darin , eineiige und zweieiige Zwillinge oder andere Geschwister von Mehrlingsgeburten zu untersuchen . Identische Geschwister sind genetisch gleich, da sie aus derselben Zygote stammen. In der Zwischenzeit unterscheiden sich zweieiige Zwillinge genetisch genauso voneinander wie normale Geschwister. Durch den Vergleich der Häufigkeit, mit der eine bestimmte Störung bei eineiigen Zwillingen auftritt, mit der Häufigkeit, mit der sie bei zweieiigen Zwillingen auftritt, können Wissenschaftler feststellen, ob diese Störung durch genetische oder postnatale Umweltfaktoren verursacht wird. Ein berühmtes Beispiel war die Untersuchung der Genain-Vierlinge , bei denen es sich um identische Vierlinge handelte, bei denen alle mit Schizophrenie diagnostiziert wurden . Solche Tests können jedoch genetische Faktoren nicht von Umweltfaktoren trennen, die die fötale Entwicklung beeinflussen.

Genregulation

Das Genom eines bestimmten Organismus enthält Tausende von Genen, aber nicht alle diese Gene müssen zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sein. Ein Gen wird exprimiert, wenn es in mRNA transkribiert wird, und es gibt viele zelluläre Verfahren zur Kontrolle der Expression von Genen, so dass Proteine ​​nur dann produziert werden, wenn sie von der Zelle benötigt werden. Transkriptionsfaktoren sind regulatorische Proteine, die an DNA binden und die Transkription eines Gens entweder fördern oder hemmen. Im Genom von Escherichia coli- Bakterien gibt es beispielsweise eine Reihe von Genen, die für die Synthese der Aminosäure Tryptophan notwendig sind . Wenn der Zelle jedoch Tryptophan bereits zur Verfügung steht, werden diese Gene für die Tryptophansynthese nicht mehr benötigt. Die Anwesenheit von Tryptophan beeinflusst direkt die Aktivität der Gene – Tryptophanmoleküle binden an den Tryptophanrepressor (einen Transkriptionsfaktor) und verändern die Struktur des Repressors so, dass der Repressor an die Gene bindet. Der Tryptophan-Repressor blockiert die Transkription und Expression der Gene, wodurch eine negative Feedback- Regulierung des Tryptophan-Syntheseprozesses erzeugt wird.

Transkriptionsfaktoren binden an DNA und beeinflussen die Transkription assoziierter Gene.

Unterschiede in der Genexpression sind besonders deutlich innerhalb mehrzelliger Organismen , wo Zellen alle das gleiche Genom enthalten, aber aufgrund der Expression unterschiedlicher Gensätze sehr unterschiedliche Strukturen und Verhaltensweisen aufweisen. Alle Zellen in einem mehrzelligen Organismus stammen von einer einzigen Zelle ab, differenzieren sich als Reaktion auf externe und interzelluläre Signale in unterschiedliche Zelltypen und etablieren allmählich unterschiedliche Muster der Genexpression, um unterschiedliche Verhaltensweisen zu erzeugen. Da kein einzelnes Gen für die Entwicklung von Strukturen in vielzelligen Organismen verantwortlich ist, entstehen diese Muster aus dem komplexen Zusammenspiel vieler Zellen.

und existieren als seltene Ausnahmen von der allgemeinen Regel der DNA als Grundlage für die Vererbung.

Genetische Veränderung

Mutationen

Genduplikation ermöglicht Diversifizierung durch Bereitstellung von Redundanz: Ein Gen kann mutieren und seine ursprüngliche Funktion verlieren, ohne den Organismus zu schädigen.

Während des Prozesses der DNA-Replikation treten gelegentlich Fehler bei der Polymerisation des zweiten Strangs auf. Diese Fehler, Mutationen genannt , können den Phänotyp eines Organismus beeinflussen, insbesondere wenn sie innerhalb der proteinkodierenden Sequenz eines Gens auftreten. Die Fehlerraten sind in der Regel sehr niedrig – 1 Fehler pro 10–100 Millionen Basen – aufgrund der Fähigkeit von DNA-Polymerasen zum „Korrekturlesen“ . Prozesse, die die Änderungsrate der DNA erhöhen, werden als mutagen bezeichnet : Mutagene Chemikalien fördern Fehler bei der DNA-Replikation, oft durch Eingriffe in die Struktur der Basenpaarung, während UV-Strahlung Mutationen induziert, indem sie die DNA-Struktur schädigt. Chemische DNA-Schäden treten auch auf natürliche Weise auf und Zellen verwenden DNA-Reparaturmechanismen , um Fehlpaarungen und Brüche zu reparieren. Die Reparatur stellt jedoch nicht immer die ursprüngliche Reihenfolge wieder her. Eine besonders wichtige Quelle für DNA-Schäden scheinen reaktive Sauerstoffspezies zu sein, die durch aerobe Zellatmung produziert werden und zu Mutationen führen können.

In Organismen, die chromosomales Crossover verwenden , um DNA auszutauschen und Gene zu rekombinieren, können Ausrichtungsfehler während der Meiose auch Mutationen verursachen. Fehler beim Crossover sind besonders wahrscheinlich, wenn ähnliche Sequenzen dazu führen, dass Partnerchromosomen eine falsche Ausrichtung annehmen; dies macht einige Regionen in Genomen anfälliger für solche Mutationen. Diese Fehler verursachen große strukturelle Veränderungen in der DNA-Sequenz – Duplikationen , Inversionen , Deletionen ganzer Regionen – oder den versehentlichen Austausch ganzer Teile von Sequenzen zwischen verschiedenen Chromosomen ( chromosomale Translokation ).

Dies ist ein Diagramm, das Mutationen in einer RNA-Sequenz zeigt. Abbildung (1) ist eine normale RNA-Sequenz, bestehend aus 4 Codons. Abbildung (2) zeigt eine nicht-stille Missense-, Single-Point-Mutation. Die Abbildungen (3 und 4) zeigen beide Frameshift-Mutationen , weshalb sie zusammen gruppiert sind. Abbildung 3 zeigt eine Deletion des zweiten Basenpaares im zweiten Codon. Abbildung 4 zeigt eine Insertion im dritten Basenpaar des zweiten Codons. Abbildung (5) zeigt eine Wiederholungsexpansion, bei der ein ganzes Codon dupliziert wird.

Natürliche Selektion und Evolution

Mutationen verändern den Genotyp eines Organismus und gelegentlich führt dies dazu, dass unterschiedliche Phänotypen auftreten. Die meisten Mutationen haben nur geringe Auswirkungen auf den Phänotyp, die Gesundheit oder die reproduktive Fitness eines Organismus . Mutationen, die eine Wirkung haben, sind normalerweise schädlich, aber gelegentlich können einige von Vorteil sein. Studien an der Fliege Drosophila melanogaster deuten darauf hin, dass etwa 70 Prozent dieser Mutationen schädlich sind, wenn eine Mutation ein von einem Gen produziertes Protein verändert, während der Rest entweder neutral oder schwach nützlich ist.

Ein evolutionärer Baum von eukaryotischen Organismen, durch den Vergleich mehrerer konstruiert orthologen Gen - Sequenzen.

Die Populationsgenetik untersucht die Verteilung genetischer Unterschiede innerhalb von Populationen und wie sich diese Verteilungen im Laufe der Zeit ändern. Veränderungen in der Häufigkeit eines Allels in einer Population werden hauptsächlich durch die natürliche Selektion beeinflusst , wobei ein bestimmtes Allel dem Organismus einen selektiven oder reproduktiven Vorteil verschafft, sowie durch andere Faktoren wie Mutation , genetische Drift , genetisches Trampen , künstliche Selektion und Migration .

Über viele Generationen hinweg können sich die Genome von Organismen erheblich verändern, was zur Evolution führt . In dem als Anpassung bezeichneten Prozess kann die Selektion auf nützliche Mutationen dazu führen, dass sich eine Art in Formen entwickelt, die in ihrer Umgebung besser überleben können. Neue Arten werden durch den Prozess der Artbildung gebildet , der oft durch geografische Trennungen verursacht wird, die den Austausch von Genen zwischen Populationen verhindern.

Durch den Vergleich der Homologie zwischen den Genomen verschiedener Arten ist es möglich, den evolutionären Abstand zwischen ihnen zu berechnen und zu berechnen, wann sie möglicherweise auseinandergegangen sind . Genetische Vergleiche werden im Allgemeinen als genauere Methode zur Charakterisierung der Verwandtschaft zwischen Arten angesehen als der Vergleich phänotypischer Merkmale. Die evolutionären Distanzen zwischen den Arten können verwendet werden, um evolutionäre Bäume zu bilden ; diese Bäume repräsentieren die gemeinsame Abstammung und Divergenz von Arten im Laufe der Zeit, obwohl sie nicht den Transfer von genetischem Material zwischen nicht verwandten Arten zeigen (bekannt als horizontaler Gentransfer und am häufigsten bei Bakterien).

Modellorganismen

Die Gemeine Fruchtfliege ( Drosophila melanogaster ) ist ein beliebter Modellorganismus in der Genforschung.

Obwohl Genetiker ursprünglich die Vererbung bei einer Vielzahl von Organismen untersuchten, begannen sich die Forscher auf das Studium der Genetik einer bestimmten Untergruppe von Organismen zu spezialisieren. Die Tatsache, dass für einen bestimmten Organismus bereits bedeutende Forschungen existierten, würde neue Forscher ermutigen, ihn für weitere Studien auszuwählen, und so wurden schließlich einige wenige Modellorganismen zur Grundlage für die meisten genetischen Forschungen. Häufige Forschungsthemen in der Modellorganismusgenetik sind das Studium der Genregulation und die Beteiligung von Genen an Entwicklung und Krebs .

Organismen wurden zum Teil aus Bequemlichkeitsgründen ausgewählt – kurze Generationszeiten und einfache genetische Manipulation machten einige Organismen zu beliebten genetischen Forschungswerkzeugen. Weit verbreitete Modellorganismen sind das Darmbakterium Escherichia coli , die Pflanze Arabidopsis thaliana , Bäckerhefe ( Saccharomyces cerevisiae ), der Fadenwurm Caenorhabditis elegans , die Gemeine Fruchtfliege ( Drosophila melanogaster ) und die Gemeine Hausmaus ( Mus musculus ).

Medizin

Schematischer Zusammenhang zwischen Biochemie , Genetik und Molekularbiologie .

Die medizinische Genetik versucht zu verstehen, wie genetische Variationen mit der menschlichen Gesundheit und Krankheit zusammenhängen. Bei der Suche nach einem unbekannten Gen, das an einer Krankheit beteiligt sein könnte, verwenden Forscher häufig genetische Verknüpfungen und genetische Ahnentafeln , um die mit der Krankheit assoziierte Stelle im Genom zu finden. Auf Bevölkerungsebene nutzen Forscher die Mendelsche Randomisierung , um nach Stellen im Genom zu suchen, die mit Krankheiten in Verbindung stehen, eine Methode, die besonders nützlich für multigene Merkmale ist, die nicht klar durch ein einzelnes Gen definiert werden. Sobald ein Kandidatengen gefunden ist, wird häufig an den entsprechenden (oder homologen ) Genen von Modellorganismen weiter geforscht . Neben der Erforschung genetischer Krankheiten hat die zunehmende Verfügbarkeit von Genotypisierungsmethoden zum Gebiet der Pharmakogenetik geführt : die Untersuchung, wie der Genotyp die Arzneimittelantwort beeinflussen kann.

Individuen unterscheiden sich in ihrer ererbten Neigung, Krebs zu entwickeln , und Krebs ist eine genetische Erkrankung. Der Prozess der Krebsentstehung im Körper ist eine Kombination von Ereignissen. Mutationen treten gelegentlich innerhalb von Zellen im Körper auf, wenn sie sich teilen. Obwohl diese Mutationen nicht von Nachkommen vererbt werden, können sie das Verhalten von Zellen beeinflussen und manchmal dazu führen, dass sie häufiger wachsen und sich teilen. Es gibt biologische Mechanismen, die versuchen, diesen Prozess zu stoppen; an sich unangemessen teilende Zellen werden Signale gegeben, die den Zelltod auslösen sollten , aber manchmal treten zusätzliche Mutationen auf, die dazu führen, dass Zellen diese Botschaften ignorieren. Ein interner Prozess der natürlichen Selektion findet im Körper statt und schließlich sammeln sich Mutationen in den Zellen an, um ihr eigenes Wachstum zu fördern, wodurch ein krebsartiger Tumor entsteht , der wächst und in verschiedene Gewebe des Körpers eindringt.

Normalerweise teilt sich eine Zelle nur als Reaktion auf Signale, die Wachstumsfaktoren genannt werden, und hört auf zu wachsen, sobald sie mit umgebenden Zellen in Kontakt kommt und als Reaktion auf wachstumshemmende Signale. Es teilt sich dann normalerweise eine begrenzte Anzahl von Malen und stirbt, wobei es im Epithel bleibt, wo es nicht in andere Organe wandern kann. Um eine Krebszelle zu werden, muss eine Zelle Mutationen in einer Reihe von Genen (drei bis sieben) anhäufen. Eine Krebszelle kann sich ohne Wachstumsfaktor teilen und ignoriert hemmende Signale. Außerdem ist es unsterblich und kann unbegrenzt wachsen, auch wenn es mit benachbarten Zellen in Kontakt kommt. Es kann aus dem Epithel und schließlich aus dem Primärtumor entweichen . Dann kann die entkommene Zelle das Endothel eines Blutgefäßes durchqueren und vom Blutkreislauf transportiert werden, um ein neues Organ zu besiedeln und tödliche Metastasen zu bilden . Obwohl es bei einem kleinen Teil der Krebsarten einige genetische Veranlagungen gibt, ist der größte Teil auf eine Reihe neuer genetischer Mutationen zurückzuführen, die ursprünglich auftreten und sich in einer oder einer kleinen Anzahl von Zellen ansammeln, die sich teilen, um den Tumor zu bilden und nicht übertragen werden die Nachkommen ( somatische Mutationen ). Die häufigsten Mutationen sind ein Funktionsverlust des p53-Proteins , eines Tumorsuppressors oder des p53-Wegs und der Gewinn von Funktionsmutationen in den Ras-Proteinen oder in anderen Onkogenen .

Forschungsmethoden

Kolonien von E. coli, die durch zelluläres Klonen hergestellt wurden . Eine ähnliche Methodik wird häufig beim molekularen Klonen verwendet .
, die Fragmente entsprechend ihrer Länge trennt.

Durch den Einsatz von Ligationsenzymen können DNA-Fragmente verbunden werden. Durch das Binden ("Ligieren") von DNA-Fragmenten aus verschiedenen Quellen können Forscher rekombinante DNA erzeugen , die DNA, die oft mit genetisch veränderten Organismen in Verbindung gebracht wird . Rekombinante DNA wird häufig im Zusammenhang mit Plasmiden verwendet : kurze zirkuläre DNA-Moleküle mit einigen wenigen Genen darauf. Bei dem als molekulares Klonen bekannten Verfahren können Forscher die DNA-Fragmente amplifizieren, indem sie Plasmide in Bakterien einführen und sie dann auf Agarplatten kultivieren (um Klone von Bakterienzellen zu isolieren – "Klonen" kann sich auch auf die verschiedenen Methoden zur Herstellung geklonter (" klonale") Organismen).

DNA kann auch mit einem Verfahren namens Polymerase-Kettenreaktion (PCR) amplifiziert werden. Durch die Verwendung spezifischer kurzer DNA-Sequenzen kann die PCR eine gezielte DNA-Region isolieren und exponentiell amplifizieren. Da sie aus extrem kleinen DNA-Mengen amplifizieren kann, wird die PCR häufig auch verwendet, um das Vorhandensein spezifischer DNA-Sequenzen nachzuweisen.

DNA-Sequenzierung und Genomik

Die DNA-Sequenzierung , eine der grundlegendsten Technologien, die zur Erforschung der Genetik entwickelt wurde, ermöglicht es Forschern, die Sequenz von Nukleotiden in DNA-Fragmenten zu bestimmen. Die Technik der Kettenabbruch-Sequenzierung , die 1977 von einem Team unter der Leitung von Frederick Sanger entwickelt wurde , wird immer noch routinemäßig zur Sequenzierung von DNA-Fragmenten verwendet. Mit dieser Technologie konnten Forscher die molekularen Sequenzen untersuchen, die mit vielen menschlichen Krankheiten verbunden sind.

Da die Sequenzierung kostengünstiger geworden ist, haben Forscher die Genome vieler Organismen mit einem Verfahren namens Genomassemblierung sequenziert , bei dem Computerwerkzeuge verwendet werden, um Sequenzen aus vielen verschiedenen Fragmenten zusammenzufügen. Diese Technologien wurden verwendet, um das menschliche Genom im 2003 abgeschlossenen Human Genome Project zu sequenzieren . Neue Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien senken die Kosten der DNA-Sequenzierung dramatisch, wobei viele Forscher hoffen, die Kosten für die Neusequenzierung eines menschlichen Genoms auf tausend zu senken Dollar.

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Gesellschaft und Kultur

Am 19. März 2015 forderte eine Gruppe führender Biologen ein weltweites Verbot der klinischen Anwendung von Methoden, insbesondere der Verwendung von CRISPR und Zinkfinger , um das menschliche Genom vererbbar zu bearbeiten . Im April 2015 berichteten chinesische Forscher über Ergebnisse der Grundlagenforschung zur Bearbeitung der DNA nicht lebensfähiger menschlicher Embryonen mit CRISPR.

Siehe auch

Verweise

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