2. 3 Vererbung gekoppelter Gene  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 29

T.H. Morgan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 30

Kopplung - Austausch

 

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Abb. 31

Austauschhäufigkeit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 32

Dreipunktanalyse

 

gehen Sie mit der Maus auf das Bild links, um dies zu sehen

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 33

FISH

 

FISH = Fluoreszenz-in-Situ-Hybridisierung

 

 

Abb. 34

Genkarte Chromosom 9 Mais
Genkarte X-Chromosom
Mensch

 

Genkarte X-Chromosom Mensch

 

Abb. 35

Genkarte des Bakteriums E.coli und mitochondriale DNA (Rind)

 

 

 

 

   

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.

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.



Erbfaktor Phänotyp Allele Chromosom
Samenform rund - runzelig R-r 7
Samenfarbe gelb - grün I-i 1
Schotenfarbe grün - gelb Gp-gp 5
Schotenform glatt - runzelig V-v 4
Blütenfarbe violett - weiß A-a 1
Blütenposition axial-terminal Fa-fa 4
Pflanzengröße groß - klein Le-le 4

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

Ein ähnliches Ergebnis erhielt T.H. Morgan 1913 mit Drosophila-Mutanten. Er war derjenige, der die Fruchtfliege in die Genetik einführte.

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
X

rote Augen/normale Flügel x violette Augen/verkümmerte Flügel

Genotyp
pr+pr+ vg+vg+
prpr vgvg
 
Gameten
pr+ vg+
pr vg
 
F1

uniform rote Augen/normale Flügel
= 1. Mendelsche Regel

Genotyp
pr+pr vg+vg

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

P
X
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

F1Phänotyp
Genotyp
pr+pr vg+vg
pr+pr vgvg
prpr vg+vg
prpr vgvg
Ergebnis
1339
151
154
1195
Aufspaltung
7,9
1
1,2
7,0

Anstatt 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.

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
Führen 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.

Je 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. Kreuzt 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.

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.

Neben der Genkarte mit relativen Genabständen, kennt man heute durch die Gentechnologie und Sequenzierung der Genome Genkarten mit physikalischen Genabständen. Man konstruiert diese z.B. auch 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.

In Abb. 34 ist die Genkarte des Chromosom 9 von Mais mit den relativen Genabständen in cM und die Genkarte des menschlichen X-Chromosoms.(r)

Beispiele für moderne Genkarten findet man nachfolgend. In Abb. 35 ist eine physikalische Genkarte von E.coli mit einigen Genen und rechts die Genkarte der mitochondrialen DNA einer Rinderzelle.

Mehr Infos über das menschliche Genom findet man hier. Im National Center for Biotechnology Information NCBI ist alle derzeit verfügbare Information über die Genome der Organismen zusammengestellt. (NCBI)

 

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

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SCIENCE96/
Gene von Drosophila http://flybase.bio.indiana.edu:72/docs/nomenclature/lk/nomenclature.html
Maus Genom http://www.informatics.jax.org/
Genkarte Veitstanz http://www.ncbi.nlm.nih.gov/cgi-bin/SCIENCE96/nph-gene?HD
Karyotypen http://www.pathology.washington.edu/Cyto_gallery/cytogallery.html
Geschichte der Biologie http://www.chemie.biologie.de/history.html
Mendel-Genetik

http://www.sonic.net/~nbs/projects/anthro201/disc/ http://ostracon.biologie.uni-kl.de/b_online/d08/08.htm