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Genetik: Dem Bauplan des Lebens auf der Spur

Warum standen Erbsen am Beginn der Genetik?

Weil der Augustinermönch Gregor Mendel (1822–1884) in den 1850er und 1860er Jahren im Klostergarten aus den Ergebnissen von Kreuzungsexperimenten mit Erbsen seine berühmten Vererbungsregeln ableitete. Erbsen weisen – wie einige andere Pflanzen – einfache und leicht unterscheidbare Merkmale auf, sie sind darüber hinaus noch leicht zu kultivieren. Bei ihnen treten rote, weiße und mischfarbige Blüten auf, die Erbsenfrüchte können gelb oder grün und rundlich oder eher kantig gestaltet sein. Zum Beispiel kreuzte er Pflanzen mit runden gelben Erbsen mit solchen, die grüne runzlige Erbsen trugen. Die erste Tochtergeneration hatte ausnahmslos gelbe und runde Früchte, wohingegen in der nächsten Generation alle möglichen Kombinationen auftraten: gelb-runzlige, grün-glatte, gelb-glatte und grün-runzlige Früchte, wobei die gelben und runden Formen zahlenmäßig dominierten. Indem er immer wieder Pflanzen mit unterschiedlichen Merkmalsausprägungen kreuzte, konnte Mendel Regeln für die Weitergabe dieser Merkmale über die Generationen aufstellen. Insbesondere gelangte er zu der fundamentalen Erkenntnis, dass durch die Vermischung von mütterlichem und väterlichem Erbgut neue Merkmalskombinationen entstehen können.

Ebenso wusste Mendel, dass es dominant und rezessiv vererbte Anlagen (oder in moderner Sprechweise: Gene) gibt: Im ersten Fall genügt es, dass ein Elternteil das entsprechende Merkmal aufweist, damit es in der nächsten Generation auftritt, im zweiten Fall muss es bei beiden Eltern vorliegen. Im obigen Beispiel waren gelbe Farbe und runde Form dominante, grün und runzlig rezessive Merkmale. Bei uns Menschen wird die Augenfarbe auf ähnliche Weise weitergegeben: Braune Augen werden dominant, blaue rezessiv vererbt.

Was sind Chromosomen?

Fadenförmige Gebilde im Inneren einer Zelle, die während der Zellteilung auftreten und sich mit bestimmten Farbstoffen anfärben lassen. Sie wurden 1850 entdeckt, doch erst nach 1900 erkannte man, dass sie die stofflichen Träger der Erbanlagen sind. Die Erbanlagen oder Gene sind in einer bestimmten Reihenfolge in den Chromosomen angeordnet. Sie bestimmen in Wechselwirkung mit der Umwelt die Ausbildung der besonderen Merkmale eines Lebewesens. Alle Gene zusammen bilden die genetische Ausstattung eines Organismus, das Genom. Die Anzahl der Chromosomen, der Chromosomensatz, ist für eine Tier- oder Pflanzenart immer gleich. Zwischen den Arten bestehen jedoch große Unterschiede: Taufliegen besitzen nur acht Chromosomen, bei manchen Farnen dagegen wurden rund 500 gezählt. Die Körperzellen des Menschen enthalten 46 Chromosomen. Während in gewöhnlichen Körperzellen jedoch jedes Chromosom immer genau zweimal enthalten ist, sind Ei- und Samenzelle (die Geschlechtszellen) nur mit je einer Version jedes Chromosoms ausgestattet. Man sagt, sie trügen einen halben Chromosomensatz; dies ist jedoch missverständlich, weil jede Geschlechtszelle den vollständigen Bauplan eines Organismus enthält.

Kann man Gene sehen?

Im Prinzip ja – es ist allerdings ein Elektronenmikroskop mit hoher Vergrößerung nötig. Anders als in früheren Zeiten angenommen, ist nämlich der Bauplan eines Lebewesens keine rein geistige Idee oder dem Willen eines übernatürlichen Wesens anheimgestellt. Tatsächlich ist ein Gen ein bestimmter Abschnitt eines Riesenmoleküls mit dem komplizierten Namen Desoxyribonucleinsäure (DNS oder englisch bzw. fachsprachlich DNA).

Die DNA ist ein kettenförmiges Molekül, das sich aus einzelnen Bausteinen, den Nucleotiden, zusammensetzt. Jedes Nucleotid wiederum besteht aus einem Desoxyribose genannten Zuckermolekül, einem Phosphorsäuremolekül und einer von vier organischen Basen, welche die Namen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) tragen. Diese Basen sind die Buchstaben des genetischen Codes, weswegen Wissenschaftler manchmal auch von der Basenabfolge eines Gens sprechen.

Der entscheidende Clou der DNA liegt darin, dass sie aus zwei umeinander verdrillten Strängen besteht, welche beide dieselbe Information tragen. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise bei der Zellteilung eine identische Kopie des Erbguts zu erstellen: Beide Stränge werden getrennt und jeweils zu neuen Doppelsträngen ergänzt.

Um ein Gen zu betrachten, müsste man an sich im Prinzip nur ein Foto des DNA-Moleküls machen, das so stark vergrößert ist, dass die einzelnen Nucleotide bzw. ihre Basen erkannt werden können. Solche Vergrößerungsfaktoren sind zwar technisch möglich. Im Zellkern allerdings liegt die DNA nicht als offener Strang vor, sondern ist auf komplexe Weise um Stützproteine herum aufgewickelt: die Chromosomen, denn bei ihnen handelt es sich molekularbiologisch betrachtet um nichts anderes als »schmutzige« DNA-Knäuel.

Was ist das Wörterbuch des Lebens?

Der genetische Code, also das Regelwerk, nach dem die Basenabfolge der DNA in Bauanleitungen für Proteine übersetzt wird. Das Prinzip ist überraschend einfach: Proteine sind Ketten von Aminosäuren. Diese sind zwar oft sehr lang und darüber hinaus auf komplizierte Art dreidimensional gefaltet, aber sie alle sind aus jeweils charakteristischer Abfolge von nur 20 verschiedenen Aminosäuren als Grundbausteinen aufgebaut. Nun bilden immer drei Basen ein »genetisches Wort«, das die Genetiker Basentriplett oder Codon nennen. Jedes Codon steht für genau eine Aminosäure, das Wörterbuch des Lebens ist demnach einfach eine Tabelle, die angibt, welches der 64 möglichen Codons für welche der 20 Aminosäuren steht. Beispielsweise stehen sowohl das Basentriplett GCA als auch GCC und GCG für die Aminosäure Alanin, und die Abfolgen UUU und UUC codieren den Aminobaustein Phenylalanin. Diese scheinbare Mehrdeutigkeit ist ein wichtiger Schutz vor zufälligen Übertragungsfehlern.

Wer knackte den genetischen Code?

Der US-Amerikaner James Watson (*1928) und der Brite Francis Crick (1916–2004) spielten die Hauptrolle bei der spannenden Suche nach den Übersetzungsregeln des genetischen Wörterbuchs. Bereits 1930 hatte der spätere Nobelpreisträger Linus Pauling (1901–1994) den schraubenartigen Aufbau wichtiger Zellmoleküle erkannt. 1953 schloss Rosalind Franklin (1920–1958) aus röntgenkristallographischen Aufnahmen, dass dies auch für die DNA gelten musste. Watson und Crick aber waren diejenigen, die zuerst auf die Idee kamen, die Abfolge der DNA-Bausteine könnte als Anweisung für die Aneinanderreihung von Aminosäuren aufzufassen sein.

Ist das Erbgut des Menschen entschlüsselt?

Im Wesentlichen ja, es gibt aber noch Lücken zu schließen. Das Erbgut (oder Genom) einfacher Lebewesen wurde schon in den 1990er Jahren vollständig decodiert oder – fachsprachlich ausgedrückt – sequenziert. Das riesige Genom unserer eigenen Art dagegen galt zunächst als viel zu groß für dieses Unterfangen.

Dennoch wurde beschlossen, das Humangenom-Projekt (HGP) ins Leben zu rufen. Zwei Gruppen, eine staatlich geförderte und ein Privatunternehmen, begannen 1990 die Entschlüsselungsarbeit am menschlichen Erbgut. Dank enormer Fortschritte der Computertechnik ging die Arbeit um ein Vielfaches schneller voran als zunächst angenommen. Schon 2001 veröffentlichten beide Gruppen eine erste Version der Basenabfolge des menschlichen Erbguts, der zufolge es etwa 30 000–40 000 Gene enthält, also Abschnitte, welche die Bauanleitung für jeweils ein Protein codieren. Von den damals 150 000 Lücken in der Liste sind mittlerweile fast alle geschlossen, so dass im Jahr 2005 der erfolgreiche Abschluss des Humangenom-Projekts verkündet wurde.

Übrigens: Schon in zehn Jahren soll es möglich sein, für wenige tausend Euro eine komplette Auflistung des eigenen Erbguts erstellen zu lassen. Die Kosten des Humangenom-Projekts beliefen sich dagegen auf mehrere Milliarden Euro.

Junge oder Mädchen – bestimmt es der Vater?

Ja, über das Geschlecht eines Babys bestimmt der Vater, wenn auch nicht willentlich. Genauer gesagt, sind zwei der 46 menschlichen Chromosomen, nämlich das X- und das Y-Chromosom, hierfür verantwortlich. Die Namen leiten sich von der ungefähren Form dieser beiden Chromosomen her. Männer tragen je ein Y- und ein X-Exemplar, Frauen dagegen zwei X-Chromosomen. Aus diesem Grund nennt man »X« und »Y« auch Geschlechtschromosomen oder Gonosomen. Die beiden unterschiedlichen Gonosomen von Jungen und Männern sind also die einzige Ausnahme von der Regel, dass Chromosomen in Körperzellen immer doppelt vorkommen.

Samenzellen und Eizellen haben, anders als Körperzellen, nur 23 Chromosomen, also den halben Chromosomensatz. Dies bedeutet, dass die Spermien eines Mannes sich in zwei Gruppen aufteilen: solche, die ein X-Chromosom tragen, und solche mit Y-Chromosom. Je nachdem, welcher Samenzellentyp die weibliche Eizelle (die ja immer ein X-Chromosom hat) befruchtet, bekommt der sich entwickelnde Embryo also zwei X-Chromosomen mit und wird ein Mädchen, oder er erhält ein X und ein Y und wird ein Junge.

Übrigens: Unter Biologen ist es immer noch umstritten, ob das Y-Chromosom ein verkümmertes X-Chromosom ist, also Männer Frauen »mit kleinem Defekt« sind – oder ob im Gegenteil Frauen Männer sind, denen im Laufe der Evolution das Y-Chromosom verloren gegangen ist.

Wofür steht das Kürzel »DNA«?

DNA ist die englische Abkürzung für den chemischen Namen des Moleküls, welches die Erbinformation aller Lebewesen und auch vieler Viren enthält: »deoxyribonucleic acid«. Die weniger gebräuchliche deutsche Abkürzung »DNS« steht für »Desoxyribonucleinsäure«.

Was ist Trisomie 21?

Eine auch als Down-Syndrom bezeichnete geistige Behinderung, deren Ursache eine überzählige Kopie des 21. Chromosoms ist (die griechische Vorsilbe »tri« bedeutet »drei«). Während ein Mensch normalerweise nicht leben kann, wenn ein Chromosom drei- statt zweifach vorliegt, ist das 21. Chromosom so klein, dass eine überzählige Version zwar zu Entwicklungsverzögerungen und motorischen sowie kognitiven Einschränkungen führt. Menschen mit dieser Behinderung können aber durchaus lernen und auch arbeiten, sie werden mit guter Lebensqualität bis zu 60 Jahre alt und haben in Einzelfällen sogar höhere Schulabschlüsse erworben.

Mendel – Mönch oder Wissenschaftler?

Mendel war beides und damit in doppelter Hinsicht Außenseiter. Geboren im Jahr 1822 als Johann Mendel im mährischen Heinzendorf (heute Hyncice), hatte er als Bauernsohn wenig Aussicht auf umfassende Bildung. Dennoch konnte er in Olmütz (Olomouc) erfolgreich drei Jahre das Philosophische Institut besuchen. Danach trat er v. a. aus finanziellen Gründen in den Augustinerorden ein und nahm den Ordensnamen Gregor an. Mendel studierte Theologie (Priesterweihe 1847), das Lehramt sowie Naturwissenschaft. Ab 1849 arbeitete er v. a. als Lehrer. 1856 bis 1863 führte er seine berühmten Kreuzungsversuche durch, die er 1865 in einem Vortrag mit dem Titel »Versuche über Pflanzenhybriden« erstmals vorstellte. Erst im Jahr 1900, 16 Jahre nach seinem Tod, wurde Mendels Arbeit von der Fachwelt entdeckt.

Wussten Sie, dass …

menschliche DNA eines der längsten natürlichen Moleküle ist? Bei einer Dicke von nur 2 nm (Milliardstel Meter) ist sie mehrere Zentimeter lang und enthält über 100 Milliarden Atome. Ein Kupferkabel mit entsprechenden Proportionen wäre 50 km lang!

man mit der Aufklärung der Basenabfolge im menschlichen Genom noch lange nicht alles über unser Erbgut weiß? Die Frage, welches Gen für welches Protein steht und welche Funktion das Protein hat, ist bisher erst in wenigen Einzelfällen beantwortet worden.

Gene lange Abschnitte enthalten, die nicht für irgendwelche Aminosäuren stehen und vor der Proteinsynthese aus den »Abschriftmolekülen« entfernt werden?

die Erbinformation nicht allein in den Genen steckt? Kleine, mit der DNA verknüpfte Moleküle können z. B. Gene aktivieren oder hemmen und dadurch u. a. die Embryonalentwicklung steuern.

das Erbgut mancher Viren nicht als DNA, sondern als Ribonucleinsäure (RNS bzw. RNA) vorliegt?

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