Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

2. 3 Vererbung gekoppelter Gene

Die 3. Mendelsche Regel lautet: Die Vererbung
eines Anlagenpaars ist unabhängig von der Vererbung anderer Anlagenpaare.

Heute wissen wir, daß das nur unter folgenden Bedingungen gilt:

  1. Die Gene sind auf unterschiedlichen Chromosomen oder
  2. Die Gene liegen auf einem Chromosom, sind aber weit auseinander.

Mendel hatte Glück, daß alle Genpaare, die er studierte diese
Bedingungen erfüllten. Die Tabelle unten zeigt die Lage auf den entsprechenden
Chromosomen der von Mendel studierten Gene.

ErbfaktorPhänotypAlleleChromosom

Obwohl alle diese
Gene unabhängige Vererbung zeigen, liegen drei davon auf
dem Chromosom 4 und zwei auf Chromosom 1.

Jedoch ist der Abstand
der auf demselben Chromosom liegenden Gene ausreichend groß
und sie werden vererbt, als lägen sie auf verschiedenen Chromosomen.

Samenformrund – runzeligR-r7
Samenfarbegelb – grünI-i1
Schotenfarbegrün – gelbGp-gp5
Schotenformglatt – runzeligV-v4
Blütenfarbeviolett – weißA-a1
Blütenpositionaxial-terminalFa-fa4
Pflanzengrößegroß – kleinLe-le4

Schon kurz nach der Wiederentdeckung der Mendelschen Regeln berichteten
1905 William Bateson und Reginald Crundall Punnett
über Kopplung und Genwechselwirkung
als neue genetische Prinzipien. Später konnte dies bei vielen Organismen
nachgewiesen werden u. a. von T.H. Morgan bei Drosophila.
Damit war klar, daß auch die 2. Mendelsche
Regel nicht bei allen dihybriden Erbgängen gilt.

In vielen Fällen zeigen zwei Allele eines Eltern eine starke Tendenz,
zusammen vererbt zu werden. Dieses Phänomen wird Genkopplung
genannt.

2.3.1
Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene

Wir wollen nun einige Erbgänge mit gekoppelten Genen analysieren.

Beispiel 1
Kreuzung homozygoter, süßer Erbsen violettblühend/lange
Pollen und rotblühend/kurze Pollen
(Bateson
& Punnett)

  • Erbgang: dihybride
    Kreuzung, dominant- rezessiv
  • Merkmale: Blütenfarbe,
    Pollenform
  • Allele: violett-/rotblühend
    (P,p) und lange/kurze Pollen (L,l)
P
PPLL
X
ppll
violett
blühend/lange Pollen x rotblühend/kurze Pollen
Gameten
PL
pl
F1
PpLl
X
PpLl
uniform violettblühend, lange Pollen =
1. Mendel
Regel
Gameten
PL,Pl,pL,pl
PL,Pl,pL,pl
Erwartung
in der F2: 9 P_L_ : 3
pp L_ : 3 P_ ll : 1
pp ll

Das Ergebnis in der F2 sah wie folgt aus:


Phänotyp

beobachtet

erwartet

Das Ergebnis widerspricht der 2. und 3. Mendelschen Regel!

Beobachtung: P und L bzw. p und l
werden oft zusammen vererbt; sind gekoppelt!


violett, lang

284 (=13)

215 (=9)

violett, kurz

21(=1)

71 (=3)

rot, lang

21 (=1)

71 (=3)
rot, kurz
55 (=5)
24 (=1)

Summe

381

381

 

thmorg - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschEin ähnliches Ergebnis erhielt
T.H. Morgan
1913 mit Drosophila-Mutanten.
Er war derjenige, der die Fruchtfliege in die Genetik einführte.
(siehe links)Wir wollen bei diesem Beispiel eine neue Schreibweise einführen:
z.B. pr+pr
vg+vg
. Dabei bedeutet pr+ das dominante Merkmal
des Wildtyps, pr das rezessive Merkmal des Mutanten.

Beispiel 2 (interaktiv)
Kreuzung homozygoter Fliegen mit roten Augen und normalen Flügeln
(Wildtyp) (pr+pr+ vg+vg+) mit Mutanten, die
violette Augen und verkümmerten Flügel hatten

(prpr vgvg) (Morgan)

  • Erbgang: dihybride
    Kreuzung, dominant- rezessiv
  • Merkmale: Augenfarbe,
    Flügelform
  • Allele: Rot-/violette
    Augen(pr+, pr) und normale/verkümmerte Flügel (vg+,vg)
P
fly0 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
X
fly99329 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

rote Augen/normale
Flügel x violette Augen/verkümmerte Flügel

gk2 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

Genotyp
pr+pr+
vg+vg+
prpr
vgvg
Gameten
pr+
vg+
pr
vg
F1
fly0 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

uniform rote Augen/normale Flügel
= 1. Mendelsche Regel

gkf12 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

Genotyp
pr+pr
vg+vg

Nun führte Morgan ein Rückkreuzung
eines F1-Weibchens mit dem rezessiven männlichen Elter durch.

P
fly0 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
X
fly99329 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
rote
Augen/normale Flügel x violette Augen/verkümmerte Flügel
Genotyp
pr+pr
vg+vg
prpr
vgvg
Erwartung:
1
pr+pr- vg+vg-: 1
pr+pr- vg-vg-: 1 pr-pr- vg+vg-:
1 pr-pr- vg-vg-
Gameten
pr+
vg+, pr+vg, prvg+, prvg
pr
vg
F1
fly0 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
fly98304 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
fly1025 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
fly99329 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
Phänotyp
Genotyp
pr+pr
vg+vg
pr+pr
vgvg
prpr
vg+vg
prpr
vgvg
Ergebnis
1339
151
154
1195
Fliegen
Aufspaltung
7,9
1
1,2
7,0
Genkarte
gkha - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
gkha - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
gkha - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
gkha - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

 

mkop1 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschAnstatt der es erwarteten
Aufspaltungsverhältnisses von 1: 1: 1: 1 erhielt er ein ungerades
Ergebnis. Morgan folgerte, daß pr/vg bzw. pr+/vg+
gekoppelt vererbt werden und daß die Rekombination die Kopplung
aufhebt.
(
Klicken Sie auf das Bild links um mehr zu sehen)

Wie die Genkarten zeigen, müssen in der Meiose der Weibchen durch
Crossingover die Gene rekombiniert ( = ausgetauscht) worden sein.
Die Ursache dieses von der Spaltungsregel abweichenden
Ergebnisses ist also Crossingover in der Meiose I, bei dem im Tetradenstadium
ein Chromatidstückaustausch stattfindet.

Morgan führte eine weitere Kreuzung zur Bestätigung aus, wobei
er Fliegen mit roten Augen/verkümmerten
Flügeln
(pr+pr+ vgvg) mit
violetten Augen/normalen Flügeln
(prpr vg+vg+)
kreuzte. Bei dieser Kreuzung befindet sich ein dominantes Allel auf demselben
Chromosom wie das rezessive. (Im Gegensatz zur 1. Testkreuzung) Auch bei
dieser Rückkreuzung erhielt er nicht das erwartete Ergebnis von 1:1:1:1
sondern:

Austausch
Kopplung
Kopplung
Austausch
1,07
6,6
7,3
1
ball3 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschFühren
Sie zur Übung die obige Testkreuzung durch und analysieren Sie
die Genotypen und Gameten!

Aus vielen dieser Experimente folgerte Morgan,
daß

  • Die Gene linear auf den Chromosomen angeordnet sein müssen.
  • Je weiter Gene auseinanderliegen, desto wahrscheinlicher muß
    ein Austausch (Crossingover) sein; je näher sie zusammenliegen,
    desto unwahrscheinlicher ist es.
  • Die Austauschhäufigkeiten
    stellen deshalb ein Maß für die Lage der Gene dar.
    Dadurch kann man Genkarten erstellen.

Allgemein nennt man alle Gene eines Chromosoms eine Kopplungsgruppe.
Der Mensch mit seinen 23 +1 Chromosomen hätte demnach 24 Kopplungsgruppen.

theta - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschJe näher zwei Gene zusammenliegen, desto eher werden Sie wie
die der Eltern (ohne Crossingover) vererbt. Wir können diese
Aussage quantifizieren, indem wir die Austauschhäufigkeit
theta (q)
definieren:
q
= (Anzahl der rekombinanten
Gene auf dem Chromosom) / (Gesamtzahl der Gene des Chromosoms).Theta muß im Bereich 0 bis 0.5 liegen. Ein Wert von
0 bedeutet, die Gene liegen so nahe zusammen, daß nie Crossingover
geschieht, ein Wert von 0.5 bedeutet, daß die Gene nicht gekoppelt
sind. (Das Maximum 0.5 und nicht 1 kommt daher, daß Crossingover
nach der DNA-Replikation stattfindet und beinhaltet nur 1 Chromatid
pro Chromosom.) Im Fall des Beispiels 2 oben ist die Austauschhäufigkeit
zwischen den violetten und verkümmerten Genen q
= (151+154) / (1339+151+154+1195) = 0.107.

Bei einem Crossingover findet bei der Hälfte der Gameten kein Austausch
statt. Deshalb kann q
nie > 0.5 sein, selbst wenn in jeder Meiose Crossingover geschieht.
Da Gene linear auf der DNA angeordnet sind, können wir mit
Hilfe der Austauschhäufigkeiten die relativen Genabstände berechnen.
Eine relative Abstandseinheit einer solchen Genkarte entspricht 1% Rekombination
(Crossingover) und wird ein centiMorgan
(cM) zu Ehren von Thomas Hunt Morgan genannt.

Damit liegen das violette (pr+) und verkümmerte Gen (vg+) aus obigem
Beispiel 10.7 cM voneinander entfernt.

Zur weiteren Erläuterung von Genkarten wollen wir ein Beispiel beim
Mais betrachten.

  • Erbgang: dihybride
    Kreuzung, dominant- rezessiv
  • Merkmale: Kornfarbe,
    Kornform
  • Allele: Gelb/farblos(C,
    c
    ) und glatt/geschrumpft (Sh,sh)
P
CCShSh
X
ccshsh
gelb/glatt
x farblos/geschrumpft
Gameten
CSh
csh
F1
CcShsh
X
ccshsh
uniform gelb/glatt = 1.
Mendel
Regel
Gameten
CSh,Csh,cSh,csh
csh
Erwartung
in der F2:
1
CShcsh : 1 Cshcsh : 1
cShcsh : 1 ccshsh

Die Rückkreuzung mit dem rezessivem Elter ergab nicht die erwartete
Aufspaltung 1:1:1:1 sondern


Phänotyp

Genotyp

beobachtet

Das Ergebnis widerspricht der 2. und 3. Mendelschen Regel!

Beobachtung: C und Sh bzw. c und
sh werden oft zusammen vererbt; sind gekoppelt!
C und Sh sind 3,6 cM entfernt!


gelb/glatt

CcShsh

48%

gelb/geschr.

Cshcsh

1,8%

farblos/glatt

cShcsh

1,8%
farblos/geschr.
ccshsh
48%

Möchte man weitere Gene des Chromosoms wie z.B das Gen Bz
kartieren, muß man eine Dreipunkt-Analyse durchführen,
d.h. zwischen allen zu kartierenden Genen Kreuzungen durchführen.

PlotLin1 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschKreuzt man Mais der dihybrid für C,c
ist mit Mais der für bronzene Kornfarbe Bz,bz dihybrid
ist erhält man 5% Rekombinanten.

Die Genorte C und Bz sind also 5 cM auseinander, allerdings
weiß man nicht, ob nach der einen oder anderen Seite (siehe Bild
oben). Deshalb muß man eine Kreuzung mit Shsh und Bzbz
durchführen. Ergibt sich eine Austauschhäufigkeit von weniger
als 5%, liegt Bz auf derselben Seite wie C und Sh. Tatsächlich ist
die Austauschhäufigkeit knapp 2%. Dadurch ergibt sich eine Genreihenfolge
von C – Sh – Bz. (gehen Sie mit der
Maus auf das Bild oben um dies zu sehen)

Man nennt Genorte, die mehrere Allele aufweisen polymorph,
solche, die ein Allel aufweisen monomorph.
Zwischen den Genen können auch Mehrfachcrossingover auftreten.
Alle geradzahligen Crossingover sorgen für die Herstellung der Original-Allelkombination.

xrcc1 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, GenaustauschNeben der Genkarte mit relativen Genabständen, kennt man heute
auch Genkarten mit physikalischen Genabständen. Man konstruiert
diese mit Hilfe von

  1. Hybridzellen aus Mäusen und Menschen oder mit Hilfe von
  2. Fluoreszenzfarbstoffen (FISH)
    oder radioaktiven Markern, die an bestimmte Stellen der DNA binden
    oder durch (siehe links FISH)
  3. Untersuchung einzelner Metaphasen-Chromosomen aus Zellen mit
    Hilfe elektronischer Hochgeschwindigkeitssortierer. Ist ein Gen
    nachweisbar, muß es auf diesem Chromosom liegen.

FISH = Fluoreszenz-in-Situ-Hybridisierung

Unten die Genkarte des Chromosom 9 von Mais mit den relativen Genabständen
in cM und die Genkarte des menschlichen X-Chromosoms.(r)Zea_9 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
xmap3 - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch
X-Chromosom Mensch

Unten links eine physikalische Genkarte von E.coli mit einigen Genen
und rechts die Genkarte der mitochondrialen DNA einer Rinderzelle.

gempcol - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustauschdnamitor - Kopplungsgruppe, lineare Anordnung der Gene, Crossingover, Genaustausch

Mehr Infos über das menschliche Genom findet man hier.


Weiterführende Quellen:

Genkopplunghttp://www.ultranet.com/~jkimball/BiologyPages/W/Welcome.html
Genom Datenbankhttp://gdbWWW.gdb.org/
Klassische Genetikhttp://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookgenintro.html
Morgan Genetik Tutorialhttp://morgan.rutgers.edu/MorganWebFrames/htmldocs/register.html
Crossingoverhttp://wsrv.clas.virginia.edu/~rjh9u/meiosisx.html
Drosophila Genetikhttp://vcourseware3.calstatela.edu/
Links klass. Genetikhttp://www.hoflink.com/~house/MendelGen.html
Erbsengenomhttp://www.jic.bbsrc.ac.uk/staff/noel-ellis/#link
Genkarte des Hefegenomshttp://genome-www.stanford.edu/Saccharomyces/MAP/GENOMICVIEW/GenomicView.html
Genkarte des Reisgenomshttp://www.dna.affrc.go.jp:84/publicdata/naturegenetics/ricegmap.html
Genkarte des menschlichen Genomshttp://biotech.about.com/industry/biotech/library/
weekly/aa040600a.htm?iam=mt&terms=%2Bgenetic+%2Bmap

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SCIENCE96/
Gene von Drosophilahttp://flybase.bio.indiana.edu:72/docs/nomenclature/lk/nomenclature.html
Maus Genomhttp://www.informatics.jax.org/
Genkarte Veitstanzhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/cgi-bin/SCIENCE96/nph-gene?HD
Karyotypenhttp://www.pathology.washington.edu/Cyto_gallery/cytogallery.html
Geschichte der Biologiehttp://www.chemie.biologie.de/history.html
Mendel-Genetik http://daphne.palomar.edu/mendel/default.htm

http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/mg/mgdir.html
http://www.mcs.net/~rv/index.htm
http://www.sonic.net/~nbs/projects/anthro201/disc/
http://ostracon.biologie.uni-kl.de/b_online/d08/08.htm
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