Kreuzungsversuche – Drosophila als Modellorganismus

Hallo! Willkommen zum Video zum Thema Drosophila. Dies ist der lateinische Fachbegriff für die Taufliege. Sie ist im allgemeinen Sprachgebrauch bekannt als die "Fruchtfliege". Die Drosophila-Fliege ist dir wahrscheinlich schon bekannt - du hast sie schon öfters um altes Obst herum fliegen sehen. Doch wusstest du, dass die Drosophila-Fliege ein ganz wichtiger Modellorganismus der genetischen Forschung ist? Wir besprechen, wieso Drosophila ein idealer Modellorganismus ist, unterscheiden Wildtyp und Mutante, und lernen, welche wichtigen genetischen Erkenntnisse wir der Forschung an Drosophila verdanken.    Die Drosophila-Fliege hat als Modellorganismus eine Reihe von Vorteilen.  Als Erstes ist sie leicht und billig in der Züchtung.  Des Weiteren hat sie eine kurze Generationszeit - also die Zeit von der Geburt einer Fliege, über die Larve, bis hin zum geschlechtsreifen Alter. Die Generationszeit beträgt etwa 2 Wochen, genauer gesagt 9 bis 14 Tage. Ein weiterer Vorteil ist, dass Drosophila-Fliegen nur 4 Chromosomenpaare haben. Diese sind unter dem Mikroskop sehr leicht erkennbar. Außerdem tragen sie in ihren Speicheldrüsen Riesenchromosomen, die sehr leicht zu untersuchen sind. Eins der 4 Chromosomenpaare ist das Geschlechtschromosomenpaar. Genau wie beim Menschen haben weibliche Fliegen 2 X-Chromosomen und Männchen haben 1 X- und 1 Y-Chromosom. Außerdem gibt es viele leicht erkennbare Genmutationen. Das bedeutet, aufgrund von Mutationen gibt es Fliegen, die sich in einem bestimmten Merkmal vom Wildtyp unterscheiden, zum Beispiel der Körperfarbe. Man spricht auch von "Mutantenstämmen".   Dank der Forschung an der Drosophila-Fliege konnten eine Reihe von genetischen Erkenntnissen gewonnen werden. Einer der ersten Menschen, der sich mit Drosophila auseinandergesetzt hat, war der amerikanische Biologe, Thomas Hunt Morgan. Er forschte Anfang des 20. Jahrhunderts an der Drosophila-Fliege, kreuzte sie und untersuchte sie systematisch. Er konnte dabei den Beweis liefern, dass Chromosomen die Orte der Mendel'schen Erbfaktoren sind. Das stützt die Chromosomentheorie der Vererbung. Er entdeckte geschlechtsgebundene Vererbung, das Phänomen der Genkopplung, untersuchte die Rekombination von Genen und erstellte eine Möglichkeit zur Genkartierung. Auf diese Punkte gehen wir in diesem Video noch näher ein. Doch auch nach Morgans Kreuzungsversuchen blieb die Drosophila-Fliege einer der wichtigsten Modellorganismen der genetischen Forschung. So konnte man beispielsweise den Nachweis liefern, dass bestimmte Substanzen oder Strahlen mutagene Wirkung haben, das heißt, die Mutation in der Erbsubstanz hervorrufen können, zum Beispiel Röntgenstrahlen. Dank der Sequenzierung des Genoms im Jahre 2000 konnte man viele weitere genetische Erkenntnisse gewinnen. Unter Sequenzierung versteht man die Bestimmung der gesamten Basensequenz der gesamten Erbsubstanz. So konnte man zum Beispiel Analysen von Genfunktionen durchführen. Erstaunlicherweise sind viele Gene, die in Drosophila vorhanden sind, auch im Menschen vorhanden. Diese haben eine bestimmte Sequenzübereinstimmung. Durch den Vergleich von Genen zwischen verschiedenen Organismen kann man viele genetische Erkenntnisse gewinnen, zum Beispiel entwicklungsbiologische Erkenntnisse. Die entwicklungsbiologische Forschung befasst sich damit, wie aus einer befruchteten Eizelle ein ganzer Organismus heranwachsen kann. Die Grundlagen der Entwicklung sind in vielen Organismen sehr ähnlich.   Kommen wir jetzt näher auf die Drosophila-Fliege zu sprechen: Unter dem Wildtyp versteht man einen Organismus, der die häufigste Merkmalskombination trägt, die in einer Population vorkommt. Im Gegensatz dazu ist eine Mutante ein Organismus, der sich in einem oder mehreren Merkmalen vom Wildtyp unterscheidet. Zum Beispiel kann er eine andere Körperfarbe haben, eine andere Ausprägung der Flügelform, oder eine andere Augenfarbe. Der Grund für die unterschiedlichen Phänotypen bei Drosophila Wildtypen und Mutanten liegt natürlich an der Erbsubstanz. Auf den Chromosomen liegen mehrere Gene für unterschiedliche Merkmale. Eins dieser Gene trägt den Namen "black", für englisch "schwarz", für schwarze Körperfarbe. Bei der Mutante ist in diesem Gen eine Mutation vorhanden, das heißt, eine Änderung der DNA-Sequenz. Diese führt zu einem veränderten Phänotyp. Womöglich fragst du dich jetzt, wieso trägt dieses Gen den Namen "black", wenn es im nicht-mutierten Zustand eigentlich für eine grau-braune Körperfarbe zuständig ist? Damit du dies verstehst, erkläre ich dir jetzt die genetische Nomenklatur, also die Regeln für die Namensgebung für Gene bei Drosophila. Ein Gen, das für ein bestimmtes Merkmal codiert, trägt den Namen für die erste entdeckte Mutante. Nehmen wir als Beispiel die Körperfarbe. Die erste Drosophila, die entdeckt worden ist, die eine andere Körperfarbe hatte, war schwarz. Wie du weißt, hat das Gen also den Namen "black" erhalten, abgekürzt "b". Es handelt sich um eine Mutante. Der Wildtyp hat hingegen eine grau-bräunliche Körperfarbe. Um zu symbolisieren, dass es sich um den Wildtyp handelt, wird neben dem "b" ein hochgestelltes Pluszeichen gezeichnet. Das hochgestellte Pluszeichen ist immer das Symbol für den Wildtyp.   Kommen wir jetzt zu Morgans genetischen Erkenntnissen, die er der Forschung an Drosophila zu verdanken hat. Nach etwa einem Jahr Forschung gelang es Morgan, ein Männchen mit weißen Augen zu erhalten. Diese Mutante mit den weißen Augen trägt eine Mutation in einem Gen, das "white", für englisch "weiß", genannt wurde. Es wird mit dem Buchstaben "w" abgekürzt, wobei das Allel "w" für die Mutante steht, und "w" mit einem hochgestellten Plus für das Allel des Wildtyps steht. Morgan kreuzte dieses weißäugige Männlein mit rotäugigen Wildtyp-Weibchen. Durch die Kreuzung der Parentalgeneration kam es zu F1-Nachkommen, die alle phänotypisch dem Wildtyp entsprachen, also rote Augen hatten. Danach kreuzte Morgan die F1-Nachkommen untereinander. In der F2-Generation traten Nachkommen mit roten Augen und mit weißen Augen auf. Dabei war das Verhältnis 3 zu 1. Dies entspricht der Mendel'schen Spaltungsregel. Morgan entdeckte jedoch, dass alle Drosophilas, die weiße Augen hatten, Männchen waren. Alle Weibchen in der gesamten F2-Generation hatten rote Augen, während bei den Männchen sowohl Drosophilas mit roten Augen als auch mit weißen Augen vorkamen. Morgan schloss aus diesen Ergebnissen, dass das Gen, das für die Augenfarbe codiert, auf den X-Chromosomen liegen muss. Er entdeckte somit die geschlechtsgebundene Vererbung. Um Morgans Schlussfolgerungen zu verstehen, ist es sinnvoll, die Genotypen der Drosophila-Fliegen hinzuschreiben. Die weißäugigen Drosophila-Männchen tragen ein Allel "w" und ein Y-Chromosom. Sie haben also nur ein Allel, das für die Augenfarbe codiert. Die rotäugigen Weibchen haben hingegen 2 Wildtyp-Allele, also "w^+ w^+". Die möglichen Keimzellen, die die Drosophilas der Parentalgeneration bilden, sind im Fall der Männchen Keimzellen mit dem Allel "w" oder Keimzellen mit dem Y-Chromosom. Die Weibchen stellen Keimzellen her, die das Allel "w^+" enthalten. Daraus ergeben sich folgende Genotypen in der F1-Generation: Die Weibchen haben den Genotyp "w+ w" und die Männchen haben den Genotyp "w+" und ein Y-Chromosom. In diesem Fall können die Weibchen also 2 verschiedene Keimzellen bilden - einmal "w^+" und einmal "w". Die Männchen können Keimzellen mit "w^+" oder mit dem Y-Chromosom bilden. Daraus ergibt sich in der F2-Generation folgende Verteilung von Genotypen: "w^+ w" bei den Weibchen, "w^+ w^+" bei den Weibchen, "w^+" und ein Y-Chromosom bei den rotäugigen Männchen, und "w" und ein Y-Chromosom bei den weißäugigen Männchen.   Kommen wir zu der nächsten wichtigen Entdeckung von Morgan, nämlich der Genkopplung. Unter der Genkopplung versteht man, dass bestimmte Merkmale in der Regel zusammen vererbt werden. Das liegt daran, dass die Gene, die diese Merkmale codieren, auf dem gleichen Chromosom liegen. Dies entdeckte Morgan bei der Kreuzung von Wildtyp-Drosophilas mit sogenannten Doppelmutanten. Diese hatten eine schwarze Körperfarbe und Stummelflügelchen. Morgan entdeckte, dass die meisten Nachkommen die gleiche Merkmalskombination haben, wie die Drosophilas in der Parentalgeneration. In dem verlinkten Video wird die Genkopplung genauer erklärt und es werden Kreuzungsschemata gezeigt. Morgan konnte beobachten, dass eine geringe Anzahl von Nachkommen rekombinante Nachkommen waren. Das heißt, sie hatten jeweils nur ein Merkmal von einem Elternteil geerbt, zum Beispiel nur Stummelflügelchen oder nur die schwarze Farbe. Die Rekombination beruht auf einem Crossing-Over. Dadurch können 2 Gene, die auf einem Chromosom liegen, ausgetauscht werden. Es entstehen also neue Kombinationen von Genen auf einem Chromosom. Je größer der Abstand zwischen 2 Genen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Rekombination stattfindet. Durch die Kreuzung von Wildtypen mit Doppelmutanten erhält man eine bestimmte Frequenz an rekombinanten Nachkommen. Durch die Auszählung erhält man Rekombinationsraten, aus denen man die Reihenfolge von Genen auf den Chromosomen ableiten kann. Außerdem lässt sich der relative Abstand von Genen bestimmen. Dies kann man für die Genkartierung benutzen, also die Lokalisation von Genen auf einem Chromosom. In dem verlinkten Video wird die Genkartierung aufgrund der Rekombinationsdaten näher erklärt.   Jetzt hast du einen Überblick, welche wichtigen Erkenntnisse Morgan anhand der Kreuzung mit Drosophila gewinnen konnte. Fassen wir also zusammen, was du in diesem Video gelernt hast: Du kennst jetzt die Vorteile von Drosophila als Modellorganismus in der genetischen Forschung und weißt, welche Erkenntnisse in der genetischen Forschung wir diesem Modellorganismus verdanken. Außerdem weißt du jetzt, wie sich Wildtyp und Mutanten voneinander unterscheiden. Als Letztes haben wir Morgans Erkenntnisse besprochen. Dir ist jetzt klar, wie Morgan beweisen konnte, dass die Chromosomen der Ort der Mendel'schen Erbfaktoren sind. Du weißt, dass er die geschlechtsgebundene Vererbung und die gekoppelten Gene entdeckt hat, und das Phänomen der Rekombination untersucht hat und dadurch einen wichtigen Meilenstein zur Genkartierung gelegt hat. Mit diesen Grundlagen bist du bereit, die aufbauenden Videos zu verstehen.   Vielen Dank für deine Aufmerksamkeit! Tschüss, bis zum nächsten Video!