Genkopplung, Rekombination, Genkartierung – Drosophila als Modellorganismus

Hallo, ich bin Biola. In diesem Video erkläre ich dir anhand der Chromosomen der Fruchtfliege Drosophila, die Begriffe Genkopplung, Rekombination und Genkartierung.

Dieses Video baut auf den mendelschen Gesetzen sowie der Chromosomentheorie der Vererbung auf. Dir sollte also schon bekannt sein, was ein Chromosom, ein Gen und ein Allel ist. Außerdem sollten dir die Begriffe dominant und rezessiv bekannt sein. Auch die Meiose sollte dir klar sein. Wenn du bereits die chromosomale Grundlage der Vererbung, der mendelschen Gesetze gelernt hast, weißt du auch, dass die mendelschen Erbfaktoren auf bestimmten Genorten auf dem Chromosom liegen und die Chromosomen bei der Meiose getrennt und sich frei kombinieren können. Zuletzt sollte dir das Vererbungsschema bei dihybriden Erbgängen von 2 unabhängigen Merkmalen bereits bekannt sein. Wenn du noch Fragen zu den Grundlagen hast, schau dir die dazu verlinkten Videos an.

Kommen wir also zur Fruchtfliege, der Drosophila. Der amerikanische Biologe Thomas Hunt Morgan war Anfang des 20. Jahrhunderts der Erste, der den Beweis lieferte, dass die Chromosomen, tatsächlich die Orte der mendelschen Erbfaktoren sind. Morgan führte seine Versuche an einer bestimmten Art der Fruchtfliege durch, die den lateinischen Namen Drosophila melanogaster trägt. Dies ist ein kleines, harmloses Insekt, dass einfach in der Züchtung ist und eine kurze Generationszeit von 2 Wochen hat, in der sie Hunderte von Nachkommen produziert. Aus diesen Gründen wurde Drosophila als Modellorganismus eins der wichtigsten Versuchsobjekte der genetischen Forschung.

Drosophila besitzt nur 4 Chromosomenpaare, davon sind 3 Chromosomenpaare Autosomen und 1 Chromosomenpaar bildet die Gonosomen. Weibchen haben wie auch beim Menschen 2 X Chromosomen und Männchen ein X und ein Y Chromosom. Chromosome sind beim Drosophila gut unter dem Mikroskop erkennbar.

Der Phänotyp, also das Erscheinungsbild von Drosophila, das in einer Population am häufigsten vorkommt, wird als Wildtyp bezeichnet. Dazu zählen etwa rote Augen und ein graubrauner Körper. Alle Drosophilas deren Merkmale sich vom Wildtyp unterscheiden, werden als Mutanten bezeichnet. Dieser Unterschied in der Erscheinungsform beruht auf einer Veränderung in der DNA. Also einer Mutation in einem Gen, das ein bestimmtes Merkmal codiert. Liegt die Mutation zum Beispiel in dem Gen, das für die Augenfarbe verantwortlich ist, kann die Mutante statt roter Augen weiße Augen haben. Bei einer Mutation für das Gen für Körperfarbe kann eine Mutante einen schwarzen Körper, statt einen braunen Körper haben. Mutanten mit Stummelflügeln haben hingegen eine Mutation im Gen, das für die Flügelform verantwortlich ist.

Gehen wir jetzt also näher auf das Phänomen der Genkopplung ein. Gene, die auf demselben Chromosom liegen, werden in der Regel zusammen vererbt und werden als gekoppelte Gene bezeichnet. Morgan führte Kreuzungsversuche mit Drosophila durch, um die Weitergabe der gekoppelten Gene zu analysieren. Er untersuchte dabei die Merkmale Körperfarbe und Flügelgröße. Die Gene für die beiden Merkmale liegen auf dem gleichen Autosom. Die normalen Wildtyp Fliegen haben eine grau-braune Körperfarbe und normal entwickelte Flügel. Die benutzten Doppelmutanten hatten schwarze Körperfarbe und kurze Stummelflügel. Morgan kreuzte reinerbige, also homozygote Wildtyp Weibchen, mit homozygoten Doppelmutanten Männchen. Für die Beschreibung des Genotypen wurde der Buchstabe A für das dominante Allel für die braune Körperfarbe des Wildtyps gewählt. Das dominante Allel für normal entwickelte Wildtypflügel wird mit dem Großbuchstaben B versehen. Reinerbige, also homozygote Weibchen des Wildtyps, haben also den Genotyp AABB. Das rezessive Allel für die schwarze Körperfarbe der Mutante wird mit a gekennzeichnet. Das rezessive Allel für die Stummelflügel der Mutante werden mit klein b gekennzeichnet. Der Genotyp der Doppelmutante ist also aabb.  Die Gameten des Wildtypweibchens tragen also alle AB, und die Gameten des Doppelmutantenmännchens tragen alle ab. Erwartungsgemäß erhielt Morgan in der F1-Generation Nachkommen, die alle einheitlich phänotypisch wie der Wildtyp aussehen. Bei den F1 Nachkommen handelt es sich um Dihybride. Ein Dihybrid ist ein Organismus, der hinsichtlich 2 bestimmter Gene heterozygot ist.

Als Nächstes hat Morgan eine Rückkreuzung durchgeführt, mit dem dihybriden Weibchen, dass phänotypisch dem Wildtyp entspricht und den Genotyp AaBb hat und der Doppelmutante, die homozygot ist, und deshalb den Genotyp aabb aufweist. Die möglichen Gameten, das sind die hybriden Weibchen, sind AB, Ab, aB und ab. Die Gameten der Doppelmutante weisen nur ab auf. In der F3 Generation kann es also zu 4 möglichen Genotypen kommen AbBb. Abbb, aaBb und aabb. In der F3 Generation kommen 4 verschiedene Genotypen und somit 4 verschieden Phänotypen auf. Das bedeutet, es kommen folgende Phäno- und Genotypen vor: Wir erhalten Nachkommen, die phänotypisch dem Wildtypen entsprechen und den Genotyp AaBb haben. Fliegen mit einem braunen Körper und Stummelflügel haben den Genotypen Aabb. Schwarze Fliegen mit normal entwickelten Flügeln haben den Genotypen aaBb. Fliegen, die phänotypisch Doppelmutanten sind, haben aabb. Bei den Nachkommen, die in ihrer Merkmalskombination weder der Mutter noch dem Vater entsprechen, spricht man von Rekombinanten. Da die Wahrscheinlichkeit, dass die verschiedenen Gameten miteinander verschmelzen gleich groß ist, wäre die erwartete Verteilung von allen 4 Phänotypen 1:1:1:1 gewesen. Dies entspricht der 3. Mendelschen Regel. Morgans Untersuchungen haben jedoch ein ganz anderes Ergebnis ergeben. Er hatte 2300 Fliegen in der Nachkommenschaft. Es wäre also zu erwarten das bei der unabhängigen Sekretion von jedem Phänotyp etwa 1/4 der Gesamtzahl vorliegt. Also etwa 575 von jeder Art von Phänotyp. Er erhielt jedoch 965 Fliegen, die dem Wildtyp phänotypisch ähnelten, 206 braune Fliegen mit kurzen Stummelflügeln, 185 schwarze Fliegen mit normalen langen Flügeln und 944 phänotypische Doppelmutanten. Das entspricht also nicht einer Verteilung 1:1:1:1. Morgen schloss aus seinen Ergebnissen, dass die Gene, die für Körperfarbe und Flügelfarbe codieren, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit zusammen vererbt werden. Der Grund hierfür ist, das die Gene auf demselben Chromosom liegen. Sie werden somit als gekoppelte Gene bezeichnet. Anhand der Anzahl, der rekombinanten Nachkommen, lässt sich die Rekombinationsfrequenz berechnen. Hierfür wird die Anzahl aller rekombinanten Nachkommen dividiert durch die Gesamtanzahl aller Nachkommen. Durch die Multiplikation mit der Zahl 100, ergibt sich eine Prozent Zahl. In diesem Fall beträgt die Rekombinationsfrequenz also ((206+185)/2300)×100=17%.

Wie kommt es also zu den Rekombinanten? Die Ursache für rekombinante Phänotypen sind Crossing-Over. Dieser kann mit der Chromosomentheorie plausibel erklärt werden. Während der Prophase 1 der Meiose, paaren sich homologe Chromosomen und es findet ein Crossing-Over statt. Dabei werden DNA Stücke ausgetauscht. So kann es zur Neukombination zuvor gekoppelter Gene kommen. Dadurch kommt es zu einer Rekombination von Merkmalen, die keiner der elterlichen Kombinationen entsprechen. Bei 17% der Fliegen kommt es also zu einer Entkoppelung. Man spricht auch von einem Kopplungsbruch.

Genetiker benutzen Rekombinationsdaten, um Genkarten von Chromosomen zu erstellen. Eine Genkarte ist ein Lageplan für Gene auf einem Chromosom. Hier siehst du ein Beispiel für eine Chromosomenkarte des Chromosom 2 von Drosophila. Du siehst hier also das Chromosom mit dem Centromer, einer Skala auf die wir später näher eingehen werden und eingezeichneten Genen. Zum Beispiel für schwarze Körperfarbe, abgekürzt b für Black, zinnoberrote Augen, abgekürzt cn, Stummelflügel, abgekürzt vg für vestigal, oder verdrehte Flügel, abgekürzt c für curved. Je nachdem ob es sich bei dem Gen um das Allel des Wildtyps, oder um ein Allel einer Mutante handelt, kommt es zu einer Ausprägung von einem Wildtyp Merkmal oder der genannten Mutanten Merkmale. Gehen wir jetzt darauf ein, wie so eine Genkarte überhaupt erstellt wird. Sehen wir uns ein Chromosom mit 2 Genen an. Je größer der Abstand von 2 Genen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese durch ein Crossing-Over voneinander entkoppelt werden. Je kleiner der Abstand von 2 Genen ist, desto kleiner ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese durch ein Crossing-Over voneinander entkoppelt werden. Durch das Crossing-Over werden DNA Stücke mit den Genen ausgetauscht, sodass diese 2 Gene nicht mehr auf dem gleichen Chromosom liegen. Dadurch können sie unabhängig voneinander vererbt werden. Man sprich in dem Fall von entkoppelten Genen. Das bedeutet, wenn wir uns die Vererbung von 2 Merkmalen ansehen, wenn die Gene weit weg voneinander entfernt sind, ist eine hohe Rekombinationsfrequenz zu erwarten. Wenn wir uns jedoch Merkmale ansehen, bei denen die entsprechenden Gene sehr nahe aufeinander liegen, dann ist die Wahrscheinlichkeit des Rekombinantenvorkommen, viel kleiner.

Als Genkarteneinheit wurde, um Morgans Dienste zu würdigen, der Begriff Centi Morgan gewählt. Abgekürzt cM. 1cM entspricht 1% Rekombinationsfrequenz. Genabstände verhalten sich additiv. Dadurch kann man eine Genkarte erstellen und die Reihenfolge der Gene auf einem Chromosomen bestimmen. Das bedeutet, wenn die Entfernung vom 1. bis zum 2. Gen 6 Einheiten und vom 2. zum 3. Gen 4 Einheiten beträgt, dann ist eine Gesamtentfernung vom 1. zum 3. Gen von etwa 10 Einheiten zu erwarten. Wenn wir also 3 Gene haben A, B und C, dann beträgt der Gesamtabstand die Summe von A nach B und B nach C. Die Werte für große Genabstände sind jedoch oft niedriger als erwartet, das heißt niedriger als die Summe der Teilstrecken. Dieses Phänomen, das als Interferenz bezeichnet wird, beruht auf der Beeinflussung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines 2. Crossing-Overs durch ein vorhergegangenes. Außerdem muss beachtet werden, je größer der Abstand zwischen 2 Genen, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass nicht nur 1 sondern mehrere Crossing-Over zwischen diesen Genen stattfinden. Dadurch kann eine Entkopplung der Gene wieder rückgängig gemacht werden. Das bedeutet, dass zwischen den Genen zwar 2 Crossin-Over stattgefunden haben, aber sie trotzdem immer noch auf demselben Chromosom liegen und somit als gekoppelt erscheinen. Dadurch ist bei der Untersuchung von Merkmalen, dessen entsprechenden Gene weit voneinander entfernt liegen, die Rekombinationsfrequenz kleiner als erwartet.

Du weißt bereits, dass die Fruchtfliege Drosophila eine der wichtigsten Modellorganismen der genetischen Forschung ist. Dir sind die Unterschiede zwischen den Begriffen Wildtyp und Mutante bewusst. Außerdem ist dir klar, anhand welcher Kreuzungsversuche Morgan entdeckt hat, was die Genkopplung ist. Das bedeutet, Gene, die auf den gleichen Chromosomen liegen, werden in der Regel gemeinsam vererbt. Außerdem haben wir die Rekombination besprochen. Diese findet aufgrund von unabhängiger Segregation und Crossing-Over statt. Dadurch entstehen Nachkommen, die Merkmalskombinationen haben, die nicht denen der Eltern entspricht. Als Letztes haben wir die Definition und Erstellung von Genkarten besprochen, also die Lagepläne für Gene auf einem Chromosomen. Danke für dein Interesse. Bis nächstes Mal, eure Biola.