grundbegriffe

    
Einige Grundbegriffe der Genetik

Die ersten Stadien der Evolution
Die ersten Formen des Lebens erschienen ungefähr vor 3,7 x 10⁹ Jahren. Entstehung des
Lebens auf der Erde (Biogenese) war zunächst eine chemische, nicht biologische Evolution,
die in den Ozeanen stattfand in der Gegenwart von Phosphaten (XPO₄), Silikaten (XSiO₄),
Metallionen, einer Atmosphäre von Stickstoff (N₂), Ammoniak (NH₃), Kohlendioxyd (CO₂),
Methan (CH₄), Schwefelwasserstoff (H₂S), Wasserstoff (H₂) und Energiequellen von Wärme,
Strahlung und elektrischen Entladungen. Die ersten Formen waren Mischungen von Amino-
säuren, proteinhaltige Mikrospheren mit Ansätzen einer Membran, eines Stoffwechsels und
Wachstum durch Knospung.
Darauf setzte die biologische Evolution mit vermehrungsfähigen Nukleinsäureketten ein, die
sich in Selbstorganisation der Materie durch die Grundkräfte der Evolution entwickelten: Mu-
tation, Rekombination, Spezialisierung von Funktionen, Anpassung, Selektion. Es formten
sich einzellige Protobionten mit zellulärer Struktur und einer kurzen DNA Kette, die stufen-
weise eine verbesserte Proteinproduktion mit Stoffwechsel und eine multifunktionale Mem-
bran herausbildeten. Die ersten Prokaryoten waren Blaualgen und Bakterien. Es folgten in
der ersten Evolutionslinie Eukaryoten mit funktionsspezifischen Organellen in der Zelle und
einem Membran umschlossenen Zellkern mit Chromosomensatz, der die Zellteilung durch
Mitose reguliert. Ihre ältesten, bekannten Kalkfossilien in ozeanischen Ablagerungen sind um
die 1,5 x 10⁹ Jahre alt. Die sich vermehrenden Einzeller nahmen hauptsächlich Kohlenstoff
und Wasserstoff haltige Verbindungen auf und gaben dafür Stickstoff und Sauerstoff ab, das
die Zusammensetzung der Atmosphäre vor 2 x 10⁹ Jahren radikal veränderte in die, die wir
heute kennen. Während des Oberen Präkambriums vor 9 x 10⁸ Jahren beschleunigte sich die
Evolutionsrate der verschiedenen im Wasser lebenden Einzeller und bildeten mehrzellige
Prokaryoten und Eukaryoten mit spezialisierten Funktionen heraus. Die Pflanzen- und Tier-
reiche trennten sich vor 1 x 10⁸ Jahren mit Entwicklung sexueller Fortpflanzung, die weiterer
Beschleunigung der Evolution dient, einer heterotrophen Nahrungskette mit Pflanzen als
Grundlage, bevor die ersten Pflanzenformen an Land (Geobotanik) erschienen.

Die erste Evolutionslinie kann anhand der Entwicklung genetischen Materials, seiner Proteine
(phylogenetische Topologie) und der entstandenen Lebensformen durchgehend nachvoll-
zogen werden. Die ersten Nukleinsäureketten wuchsen durch Basenpaareinfügung, -ent-
fernung, -verdoppelung, -tausch, -umstellung, -aktivierung, -deaktivierung, in späteren Sta-
dien durch Produktion von katalysierenden Enzymen und durch Zusammenwirken dieser
Faktoren, die zu einer Vermehrung des genetischen Materials führten. Die Entwicklung
funktionsspezifischer Gene und Proteine wird graphisch am Stammbaum (Kladogramm) der
bio-chemischen Verbindungen gezeigt, der nach Zweigfolgen und –längen Maß und Abstand
der phylogenetischen Verwandtschaft, die Evolutionsstufen und entsprechenden Evolutions-
raten ablesen lässt. Der bio-molekulare Stammbaum spiegelt sich abbildungsgetreu im
Stammbaum der Vergleichenden Anatomie aller Pflanzen und Tiere und liefert damit einen
Beweis für die gemeinsame Abstammung aller Lebensformen in den bio-chemischen
Bausteinen, im genetischen Code, in Biosynthese von Proteinen, in Katalysation durch
Enzyme und im Energiestoffwechsel mit Glykolyse.

Die phylogenetische Abstammungslehre ist Grundlage der systematischen Beschreibung, Be-
nennung und Ordnung (Taxonomie) aller Organismen. Als Ergebnis der Evolution existieren
in diskontinuierlicher Variabilität heute um die 5oo ooo Pflanzen- und 2 ooo ooo Tierarten
(species). Die Verwandtschaftsverhältnisse der einzelnen Gruppen im hierarchischen, mono-
phyletischen Stammbaumschema zeigen den gemeinsamen Besitz einzelner, homologer,
abgeleiteter Merkmale in Abstammung gleicher Ausgangsmerkmale (Taxon, Pl. Taxa) über
taxonomische Rangstufen, die in den Reichen (regnum) Einzeller, Prokaryoten, Eukaryoten
und Pilzen wurzeln.



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Der Zellkern
Das menschliche genetische Material, das Genom, ist als 2 Sets (diploid) von 23 homologen
Chromosomen (22 autonome und 1 Sexchromosom) gespeichert und wie bei allen Eukary-
oten in einem Zellkern verschlossen. Die Erbinformationen werden als verschlüsselte Nu-
kleotidsequenz und –länge, als Triplet-Raster-Code (Codons) weitergegeben, Desoxyribo-
nucleinacids, DNA, die aus Purinbasen Guanin (G) oder Adenin (A) oder Pyrimidinbasen
Cytosin (C) oder Thymin (T) bestehen. Die Codons ermöglichen 43 = 64 Kodierungen, die
Steuersignale oder 20 grundlegende Proteine, die Basisgruppe, synthetisieren, von denen
die etwa 2oo ooo Proteine des menschlichen Körpers aufgebaut sind. Die Codons reihen sich
ohne Komma und nicht überlappend aneinander. Sie sind der universale Transkriptions-
schlüssel aller lebenden Organismen. Ungefähr 6 x 10⁷ Basen, eine das Grundmolekül und
primäre Struktur, werden durch Additionspolymerisation zu einem Makromolekül, einem
Chromosomenstrang zusammengefügt. Zwei komplementäre Stränge liegen als rechts-
drehende, antiparallele Doppelhelix ineinander, die sekundäre Struktur. Die sich um-
schlingenden Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen gegenüberliegenden C – G
oder A – T Basenpaare (bp) zusammengehalten. Jeder Chromosom trägt um die 5o ooo Gene,
eines die funktionale Einheit, die ein vererbliches Merkmal im Mendelschen Erbgang
herausbildet. Es besteht als Einzelgen mit um die 1ooo bp; polygenetisch als bündige,
repetitive DNA Sequenzen mit 2 – 1o Kopien von 2o – 5oo bp; als über den Strang verteilte,
von nicht funktionalen Sequenzen (Introns) unterbrochene, mittel- oder hochrepetitive
Mehrfachkopie. Die Doppelhelix mit einem Durchmesser von 2 x 10^-9 m ist auf Nukleosomen
gewunden, die tertiäre Struktur, die das gesamte Genom (Chromatin) im Zellkern von
6 x 10^-6 m zusammenhält.

Proteine
Eiweißstoffe, polymerische Aminosäuren, die eine Peptidbindung im Grundmolekül (Mono-
mer) enthalten  ( RCH (NH2) COOH )   mit einer molekularen Masse von 1o – 1oo ooo und
einer Kettenlänge von 5o – 1ooo Monomeren, bilden die Grundbausteine aller Organismen.
Sie sind bis zu 5o % Teil des strukturellen Zellgewebes und haben regulative, immunaktive
und speichernde Funktionen. Sie werden in der Genexpression wesentlich in zwei Schritten
synthetisiert durch Transkription innerhalb des Zellkerns und nach Transport durch Trans-
lation im Zytoplasma der Zelle, die beide über die Phasen Initiation, Synthese (Elongation)
und Termination laufen. In der Transkription, die die verschlüsselte genetische Information
realisiert, wird eine Gensequenz eines örtlich freigelegten Chromosomenstranges, des Sinn-
stranges, Base für Base auf einen Boten RNA Strang (mRNA), die Matrize, abgebildet. In der
Translation an den Ribosomen des Zellplasmas steuert die Matrize die Biosynthese der
einzelnen Aminosäuren durch Additionspolymerisation zur Polypeptidkette, dem Falten, funk-
tionsspezifische Modifikationen und Transport folgen.

Wachstum
Der Lebenszyklus eines Organismus über die Stadien Zygote, Embryo, Jugendlicher, Er-
wachsener und Tod (Entwicklungsbiologie) in regelmäßiger Nachfolge von Generationen wird
durch artspezifische, somatische (nicht sexuelle) Zellentwicklung angetrieben, quantitatives
Wachstum des Zellgewebes und qualitative Zelldifferenzierung mit Spezialisierung von Funk-
ionen oder Organen. Die morphologischen Veränderungen (Morphogenese), Entwicklung
von Zellpopulationen in bestimmter Position und Anordnung, werden von zeitaktiven Genen
gesteuert durch zellspezifischen Initiation, Regelung von Transkription und Translation und
durch äußere Faktoren wie interzelluare Signalstoffe, oft Hormone, im Gleichgewicht mit
anabolischem und katabolischem Stoffwechsel. Vermehrung eines Zelltyps erfolgt durch
Zellteilung und anschließende Vergrößerung des Zytoplasmavolumens. Der periodische Zell-
zyklus läuft über die Stufen der Zellteilung (Mitose (M)), Gap (G1), Synthese (S), Gap (G2 –
Interphase). In Kern- (Karykinese) und Zellteilung (Cytokinese) wird der Chromosomensatz
geteilt und die zwei homologen Hälften als Tochterkerne weitergegeben. In der Synthese
werden die haploiden Sätze in beiden Kernen identisch repliziert, um eine kontinuierliche,
originalgetreue Weitergabe der Erbinformationen an die nächste Zellgeneration zu gewähr-
leisten.

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Geschlechtliche Fortpflanzung
Hybridisation von Tierzellen durch sexuelle Replikation dient der Fortpflanzung, der Produk-
tion neuer Individuen zum Fortbestand der Art und zur Vermehrung. Der Geschlechtszyklus
läuft über drei Stadien: Die männlichen (Spermatozoa) und weiblichen (Ova) Keimzellen
reifen in der Geschlechtszellenproduktion (Gametogenese) heran, hauptsächlich aus der
Meiose, zwei Zellteilungen von Meiose I und Meiose II, einer mitotischen Zellteilung, in
denen der diploide Chromosomensatz der Gameten neu verteilt und auf die Hälfte reduziert
wird. In der Zellvereinigung (Befruchtung, Karyogamie) werden die Gametocyten mit ihren
haploiden Sätzen genetisch verschiedener Eltern als befruchtete Eizelle (Zygote) zu einem
wiederum neu verteilten diploiden Chromosomenkomplement mit artgleicher Zahl ver-
schmolzen. Aus der Zygote, in der diploiden Phase, wächst das Embryo der Tochtergene-
ration heran (Ontogenese), über folgende Entwicklung zum Jugendlichen und Erwachsenen
mit Reife der Geschlechtsorgane, um den Geschlechtszyklus zu schließen.

Erbliche Merkmale
Der Genotyp eines Organismus, der vollständige Satz aller Gene, das Genom, bestimmt die
erblichen Merkmale und bildet in Stadien artspezifischer Entwicklung den Phänotyp heraus
(Phänogenese), die sichtbaren und empirisch nachweisbaren Eigenschaften der morpholo-
gischen Form. Der Phänotyp wird durch eine Vielzahl konkurrierender Faktoren wie der Um-
welt mitbestimmt, beim Menschen auch durch antropologische Bedingungen, insbesonder
das soziale und persönliche Umfeld, die sich über die Lebensdauer wiederholt verändern. Ein
erbliches Merkmal setzt im Organismus voraus: identische Replikation mit gleicher Ver-
teilung der Allelen auf Tochterzellen; einen fixierten Genwirkungsweg (Genexpressivität,
-penetranz); Initiation der Protein Biosynthese des spezifischen Gens zum spezifischen
Entwicklungszeitpunkt vor allen Genen im Genom (Totipotenz). Zellwachstum und –dif-
ferenzierung in der Ontogenese bilden die vollständigen Merkmale des Phänotyps heraus,
seine Vielfältigkeit, Fähigkeit, Beweglichkeit und deren Zusammenspiel. Durch den Genotyp
am wenigsten bestimmt sind Merkmale oder Verhaltensformen, die aus der Vielzahl der
möglichen Entwicklungswege des menschlichen zentralen Nervensystems hervorgehen.

Vererbungsgesetze
Die Mendelschen Gesetze (von 1865) beschreiben die genetischen Rekombinationen von
Allelenpaaren, die sich als erbliche Merkmale in geschlechtlicher Fortpflanzung über nach-
folgende Generationen ausformen, wenn sich die Parentalgeneration P in einem Allelenpaar
auf dem diploiden Chromosomensatz in einem reinerbigen homozygoten Wildtyp a-a- und
einem reinerbigen homozygoten, mutagenen Typ a+a+ unterscheidet. Die genetische Varia-
bilität wird in neuen Kombinationen weitergegeben, die nach dem Verhältnis der Genotypen
statistisch vorhersagbar sind. Die Mendelschen Gesetze dienen daher als genetische Grund-
lage für Züchtungsverfahren.

1. Gesetz der Uniformität: Kreuzt man zwei reinerbige homozygote P-Stränge mit den Al-
lelenpaaren a-a- und a+a+, ergibt sich eine Filialgeneration F₁, die im Genotyp uniform
heterozygot 2a-a+ ist. Bei dominant-rezessivem Erbgang wird das dominante Merkmal im
Phänotyp realisiert. Bei intermediärem Erbgang bildet sich eine Mittelqualität oder –intensität
heraus.

2. Gesetz der Segregation: Kreuzt man zwei heterozygote Hybride der F₁ Generation mit den
Allelenpaaren 2a-a+ (Selbstung), ergibt sich eine zweite Filialgeneration F₂ mit einer zufäl-
ligen Verteilung der Genotypen, im statistischen Durchschnitt 1:2:1 oder a-a-:2a-a+:a+a+. Bei
dominant-rezessivem Erbgang spalten sich die Phänotypen 3:1. Bei intermediärem Erbgang
spalten sich die Phänotypen 1:2:1.

3. Gesetz der unabhängigen Aufspaltung der Allelenpaare: Kreuzt man polyhybride P-Strän-
ge mit den nicht gekoppelten Allelenpaaren ab und cd, ergibt sich eine Filialgeneration F₁ mit
freier Kombinierbarkeit der Allelenpaare, in der sich die Genorte spalten und Phänotypen
herausbilden, die noch nicht in der ersten Generation P vorhanden waren.


Züchtungsverfahren
Züchtungsmethoden sind seit vorgeschichtlichen Zeiten vor 1o ooo Jahren angewandt wor-
den, um Pflanzen- und Tiermerkmale der Qualität und Form wie Ertrag, Nährwert, Anpas-
sungsfähigkeit, Widerstandsfähigkeit, Frische zu verbessern und haben einen wesentlichen
Beitrag zur menschlichen Zivilisation geleistet. Auslese, Kombination und Kultivierung gene-
tischer Varianten beruhen auf genetischer Variabilität und Erblichkeit der Merkmale. Die
Zucht reduziert die vorhandenen genetischen Reserven, die auch durch Zerstörung von Bio-
topen der Wildtypen vermindert werden. Zuchtsysteme beschreiben heute alle Faktoren
außer der Mutation, die auf die Populationsstruktur und Evolutionsdivergenz einwirken.

Die Züchtung eines Phänotyps wird bestimmt: nach Ergebnis durch den Zuchtwert des Merk-
mals; auf morphologischer Ebene durch die Art der Sexualorgane, meistens getrennt ge-
schlechtlich (dioecious), wo ein Partner eine zweite Keimzelle zugibt; auf genetischer Ebene
durch Bestäubungs- oder Befruchtungsfaktoren wie Fusionsbarrieren artverschiedener Ga-
meten; die Zahl der Chromosomen und Zellkerne, die zur Karyogamie beitragen; die Allelen-
frequenzen; die Genexpressivität.

Die meisten Pflanzen- und Tierzuchtverfahren sind Selektions-, Kreuzungs- (Kombinations-),
Heterosis- und bio-technologische Methoden:

In der Selektionszucht wird ein Phänotyp nach einem erwünschten Merkmal von einer grö-
ßeren Population für die Weiterkultivierung ausgelesen. Die gerichtete (positive) Selektion
erhöht den Effizienzgrad eines Merkmals durch Auslese einer Extremform, das die Selek-
tionsbreite der Population einseitig verschiebt. Die stabilisierende (negative) Selektion
eliminiert nach den Seiten abweichende Individuen, das die genetische Variationsbreite der
opulation einengt. Die disruptive Selektion bestimmter Extremformen gliedert die Vari-
ationsbreite auf und führt zu Polymorphismus. Durch Linienzüchtung wird über fortgesetzte
Nachkommenschaftsauslese eine Gruppe identischer, reinerbiger Individuen eines bestimm-
ten Genotyps herangezogen.

In mono- und polyhybrider Kreuzungszucht von genetisch unterschiedlichen Organismen
wird eine Fusion der Allelen über Inkompatibilitätsbarrieren hinweg mit den gemeinsamen,
erwünschten Merkmalen in der Tochtergeneration (Bastard) in einem heterozygoten Genotyp
erreicht. Generische Hybride sind mixoploide Kombinationen (Mosaiks) unterschiedlicher
Gattungen, die zu neuen Arten (Chimären) führen. Durch Konvergenzzüchtung wird über
fortgesetzte Auslese und Kreuzung das neue Merkmal auf Gleichmäßigkeit und Beständigkeit
herangezogen.

In Heterosiszucht werden auch genetisch unterschiedliche Organismen gekreuzt, nicht um
einen stabilen Genotyp zu erhalten, sondern für den Heterosiseffekt, der in seiner bestimm-
ten Allelenkombination eine verbesserte Eigenschaft ergibt, die in der Parentalgeneration
noch nicht vorhanden sein musste (Bastardwüchsigkeit). Das hybride Erbgut kann nur aus
der Parentalpopulation gewonnen werden, da der heterose Mix bei weiteren Kreuzungen ver-
loren geht.

Neuere Züchtungsverfahren verbinden DNA Mutations-, Rekombinations- und Hybridisations-
technologien, in denen Kulturen von Zellen, Zellverbänden oder Mikroorganismen in vitro
manipuliert, in einem künstlichen Nährboden, in Gallertmasse oder Suspension, Klima kon-
trolliert herangezogen und selektiert werden. Sie ermöglichen zum Beispiel: Massenzüchtung
von stabilen, lebensfähigen Populationen (Kolonienzucht); somatische Hybridisation, das
die Inkompatibilität artfremder Gameten umgeht, in der isolierte, nackte Zellen (Protoplasten)
verschiedener Varietäten als ganze Zellen oder kernlos gemachte mit kompletten Zellen zu
einem Hybrid oder Cybrid (cytoplasmatischer Hybrid) kombiniert werden; Embryosplitting,
Zerteilung eines Embryos im 2 – 4 Zellstadium, Kultivierung und Reimplantation in zwei
Ammen; Klonen, asexuelle Reproduktion eines identischen DNA Stranges durch Mitose aus
einer einzelnen somatischen oder sexuellen Zelle.


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Gentechnology
Gentechnik als Disziplin der molekularen Genetik ist ein Teilgebiet der Biotechnologie. Sie
umfasst die theoretischen Grundlagen und die praktischen Methoden zur Isolierung, Analyse,
Veränderung und Neukombination (Genmanipulation) von strukturellen und regulativen
Genen, wie die künstliche Einführung, Expression und Vermehrung in anderen Organismen.

Die molekulare Biotechnologie liefert einen wesentlichen Beitrag zur Grundlagenforschung in
der Genetik. Sie entwickelt Methoden zur Analyse von Nucleinsäuren und –sequenzen, deren
Struktur, Funktionen, Reaktionen und Produkte mit Wirkungsweg und Zusammenwirken,
sowie Techniken zur: a) Isolierung und Identifikation, b) Lokalisierung und Kartierung,
c) Veränderung, d) Synthese, e) Liegierung, f) Übertragung, g) Einschleusung und Ver-
mehrung, h) Gerätebau. Die Einschleusung ist nach Herstellung eines Fremd DNA Segments,
eines Vektors und deren Liegierung der letzte Schritt der Klonierung, der asexuellen, gleich-
förmigen Vermehrung eines DNA Stranges. Sie erlaubt die Anlage von Genbanken (Stamm-
kulturen) und kommerzielle Produktion.
Wirtschaftliche Nutzung der Gentechnologie, der 'sanften' Technologie, konzentriert sich auf
Anwendungen in der Medizin, Pharmakologie, Nahrungsmittelproduktion, human-gene-
tischen Diagnostik und Therapie. Sie weitet sich aus auf Reproduktionstechnologien, foren-
sische Gentechnik und Bekämpfung von Infektionsträgern. Auf Produkte und Methoden wer-
den Patente vergeben.
a) Techniken zur in vitro Isolierung von DNA Segmenten sind Spaltung durch Segment er-
kennende Restriktionsenzyme mit folgender Auftrennung der DNA Fragmente, zum Beispiel
durch Blotting oder durch Polyacrylamid Gelelektrophorese, Separationen auf Grund des
Molekulargewichts mit Nachweis der Proteinspezies.
b) Lokalisierung und Kartierung von DNA Segmenten auf einem Chromosomen folgt an be-
kannten Sequenzen orientierend durch direkte, fragmentweise Sequenzierung oder indirekt,
zum Beispiel Markierung orientierend durch Trennung und Identifikation über Hybridisierung
mit einer genspezifischen DNA Sonde.
c) Veränderung eines DNA Segments in gezielter Abwandlung eines Nukleotids oder Nukleo-
tidkette beruht auf den Prozessen der DNA Mutation durch Strahlung, physikalische,
chemische oder bio-chemische Eingriffe, der DNA Rekombination durch bio-chemischen Aus-
schnitt, Modifikation und Einfügung, der DNA Hybridisation durch Zell- und Kernverschmel-
zung genetisch nah und fern verwandter (transgener, chimärer) Materialien.
d) Synthesewege in Konstruktion eines bestimmten DNA Segments sind die organisch-che-
mische De-novo Synthese von kurzen Oligotidsequenzen mit folgender Zusammenfügung
der Oligo- und Polyotiden, katalysiert von Ligaseenzymen, und die Halbstrangsynthese eines
DNA Dublexes von einem DNA Träger durch Polymerisierung komplementärer Basenpaare
mit Hilfe von Polymeraseenzymen.
e) Liegierung, die Einfügung eines zur Expression stabilen Passenger DNA Segments oft mit
Signalsequenzen in die Lücke eines Träger DNA Segments (Replikon, Vektor), wird mit kova-
lenter Bindung mittels Ligaseenzymen erreicht, das im indirekten Weg der Einschmelzung
den eigentlichen Schritt zur neukombinierten, artüberschreitenden DNA darstellt.
f) Übertragung des Vektorsystems als selbstständige Replikationseinheit in lebende Gastzel-
len und –zellkerne erfolgt zum Beispiel durch Konzentrationserhöhung in Form eines Präzipi-
tats oder geladenen Komplexes, oder in vitro Lasereinbrennung, eine Mikroinjektion, das die
Zellwand öffnet.
g) Einschleusung (Transformation) des rekombinierten Vektorsystems in das Wirtsgenom
wird erzielt durch kovalente Einbindung in den Chromosomen, der Öffnung und Integration
beider Enden mit Restriktions- und Ligaseenzymen. Die Fremd DNA aus in vitro Kultivierung
wird in den Kernen von Zelllinien durch repetitive Einschleusung und Zellwachstum in jeder
Entwicklungsstufe vermehrt.
h) Geräte für Testverfahren und automatisierte Produktion verlangen exakte, feinste, sich-
ere, schnelle und kompakt gehaltene Messung, Regulierung und Überwachung. Bio-chem-
ische Prozessparameter werden von Bio-Sensoren erfasst, die aus zwei Elementen, einem
biologische Information erkennenden Aggregat mit molekularer, zellförmiger oder Mikro-
organismen haltiger Biomasse und einem elektronischen Signalwandler aufgebaut sind.


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