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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 bildete 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 umschlin-
genden 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 Erb-
gang spalten sich die Phänotypen 1:2:1.

3. Gesetz der unabhängigen Aufspaltung der Allelenpaare: Kreuzt man polyhybride P-Stränge
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.

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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 richtet sich nach dem gewonnenen Zuchtwert des Merkmals: 
auf morphologischer Ebene nach der Art der Sexualorgane, meistens getrennt geschlechtlich 
(dioecious), wo ein Partner eine zweite Keimzelle zugibt; auf genetischer Ebene nach Be-
stäubungs- oder Befruchtungsfaktoren wie Fusionsbarrieren artverschiedener Gameten; der 
Zahl der Gene, Chromosomen und Zellkerne, die zur Karyogamie beitragen; der Allelen-
frequenzen; der 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
Population einengt. Die disruptive Selektion bestimmter Extremformen gliedert die Varia-
tionsbreite 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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Mutation
Mutationen, ihre Vererbung durch mutagene Keimzellen und genetische Variabilität sind grund-
legende Antriebskräfte der Evolution, die neue Arten hervorbringen. Sie entstehen zufällig oder 
durch Einwirkung von chemischen Verbindungen oder durch physische Mittel wie Strahlung oder 
durch bio-technologische Eingriffe. Der Mechanismus kann eine Reaktion zwischen DNA und einem 
Mutagen sein, ein Fehler in der DNA Replikation oder Rekombination, ein Fehler in der Transkription 
oder Translation oder Einfügung einer mutagen veränderten DNA Sequenz.

Hybridisation
Hybridisation umfasst alle Prozesse der Zellverschmelzung mit und ohne weiterer Zellkernvereinigung 
von somatischen und Keimzellen und von genetisch nah und fern verwandten (Transgenese, Chimära) 
Arten. In sexueller Fortpflanzung bei höheren Tieren im Geschlechtszyklus von Meiose und Karyogamie 
unterscheiden sich die Keimzellen eines Organismus voneinander in der Zusammensetzung des gene-
tischen Materials, gegenüber der der Parentalgeneration (Gametogamie) und männliche und weibliche 
auch in Größe, Form und Beweglichkeit (Heterogameten).

Gametogenese: Bei allen höheren Pflanzen und Tieren reifen die Gameten über die Meiose heran, bei 
Tieren in der Form primordialer Keimzellen in den Gonaden, den männlichen (Hoden) und weiblichen 
(Eierstock) Geschlechtsorganen. Sie entwickeln sich über mehrere Phasen von Spermatogonien zu 
Spermatozyten zu Spermatiden zu Spermatozoa (männlich) oder von Oogonia zu Oozyten zu Ootiden 
zu Ova (weiblich), den reifen Keimzellen. Durch zwei meiotische Teilungen (M I + II) mit Rekombina-
tion und zufälliger Verteilung der Chromosomenpaare , die eine Neuverteilung des Genoms erreichen, 
reifen von einer primordialen Zelle vier Keimzellen mit haploidem Chromosomensatz heran, von den 
weiblichen aber drei degenerieren.

Meiose I: Die erste meiotische Teilung läuft über 9 Phasen von Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän, 
Diakinese, Prometaphase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I, Interkinese (Zwischenphase). Eine 
intra- und interchromosomale Rekombination findet vom Zygotän zum Diplotän statt. Die 23 homologen 
Chromosomenpaare (A,B) ordnen sich über ihre Länge parallel an: 1a-1b, 2a-2b, ... 23a-23b. Verbunden 
über Kontaktpunkte bilden sie einen synaptischen Komplex mit offenen, viersträngigen DNA Fäden, der 
ein crossing-over (chiasma) erlaubt, einen freien, gegenseitigen Austausch von DNA Segmenten, Gen-
kombinationen oder einzelnen Allelen durch Strangbruch, Rekombination und Strangreparatur. Eine zu-
fällige Verteilung der Chromosomenpaare läuft von Prophase I bis Anaphase I ab. Die Hälften des di-
loiden Satzes in der Äquatorialebene werden von einem Spindelapparat zu entgegengesetzten Polen 
des Kerns gezogen mit dem Ergebnis zum Beispiel: C: 1a, 2b, 3b, ... 23a und D: 1b, 2a, 3a, ... 23b.
Meiose II: Die zwei Kerne mit haploiden Chromosomensätzen werden über kurze Gap (G1) - Synthese 
(S) - Gap (G2) Stadien einmal zu diploiden Sätzen repliziert und zu einer zweiten meiotischen Teilung, 
einer Mitose, geführt, die über 5 Stadien von Prophase II, Prometaphase II, Metaphase II, Anaphase II, 
Telophase II geht. Während Metaphase II und Anaphase II ordnen sich die Schwesterchromosomen 
auf der Äquatorialebene des Kerns an und werden wie in der Meiose I getrennt. Die zwei mitotischen 
Tochterzellen verharren mit einem haploiden Chromosomensatz. Nach der Teilung des Zytoplasmas 
sind insgesamt aus einer primordialen Keimzelle durch M I + II zwei genetisch verschiedene und zwei 
sich entsprechende Gameten (C, C', D, D') hervorgegangen.

Manipulation von Stammzellen: Mutante und rekombinierte DNA Sequenzen werden in Keimzellen, 
Zygoten und Embryos in den frühen Zellstadien (Genetik mit Leihmutterschaft) eingeschleust: in eine 
Zellgruppe zur Manipulation einer ganzen Zelllinie; in die Homöobox zur Manipulation einer DNA Se-
quenz und Zelllinie mit Einfluss auf die nachfolgenden Stadien der Ontogenese; technisch zur Erleich-
terung, eine geringe Menge wirtsfremder DNA Stränge wirkt sich auf eine Zelllinie gleichmäßig, anhaltend 
stabil aus, im Erbgang übertragend und über kurze Entwicklungszeitspannen.






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DNA Rekombination
DNA Rekombinationstechnologie umfasst alle physikalischen, bio-chemischen und genetischen Pro-
zesse (Rekombinationssystem), die durch außerhalb der Natur gefundenen Abläufen zu einer neuen 
Genkombination führen bei Weg der Einfügung, des Ausschnittes oder der Veränderung einer DNA 
Sequenz in einem Chromosomen. Eine kleine Menge manipulierter oder fremder DNA im Genom, 
die meistens die relative Menge der DNA in der Wirtszelle verändert, ist aktiv in der Genexpression, 
wird in Keimzellen an nachfolgende Generationen weitergegeben und überschreitet in der Natur 
lebende Arten (Chimära).

Die Einfügung eines wirtsfremden DNA Segments (Transfektion) verwendet bestehendes genetische 
Material oder synthetisierte Aminosäureketten. Die Bausteine werden in vitro hergestellt durch: Neu-
kombination oder De-novo oder Halbstrangsynthese der DNA Sequenz mit erwünschten Eigenschaften; 
Konstruktion eines Vektorsystems (Replikon) zur Steuerung der Genexpression und als Träger der Fremd 
DNA zur Einschmelzung in das Gastgenom; Liegierung, Einbindung der Passenger DNA Sequenz in das 
Vektorsystem (Transformation). Jeder der Schritte erfordert Techniken der Lokalisierung, Isolierung durch 
Spaltung und Trennung, Charakterisierung, Kultivierung, Auslese, Kontrolle. Als Träger wird wie bei trans-
ponierbaren, mutanten Elementen oft ein bakterielles oder virales Vektorsystem verwendet, das mit 
effizienter Einspleißrate in eine Restriktionsstelle des Wirtsgenoms eingeschmolzen werden kann. 
Wichtigste wirtschaftliche Anwendung ist die in vivo Genmanipulation eines Gens oder einer Gen-
kombination (Amplicons) zur Produktion eines Proteins mit einem speziellen qualitativen Merkmal.

Genexpression: Genausprägung wird hauptsächlich über die Transkriptions- und Translationsraten 
reguliert (Modulation), die auch auf äußere Einflüsse wie Strahlung, Licht, Wärme, Hormone und 
Virusinfektionen ansprechen. Beide Raten werden in erster Linie durch die Initiationsrate als 
geschwindigkeitsbestimmenden Schritt begrenzt mit Hilfe regulativer, zellspezifischer Gene in 
erforderlicher Zahl und Zeit und in Abstimmung mit dem Metabolismus in Produktkonzentrationen, 
Mischverhältnissen, Transport und Folgeregulierung der Proteinsyntheserate.
In der Elongation der mRNA Synthese von einem DNA Strang, dem Sinnstrang, hängt die Transkrip-
tionseffizienz ab von: dem Vektorsystem, funktionsspezifischen Enzymen wie Promotoren, Verstärkern, 
Hemmstoffen, Antihemmstoffen, Stabilisatoren, Terminatoren in geeigneten Konzentrationen, räumlicher 
Anordnung und Transportwegen; der Feinstruktur der chromosomalen Basenorientierung in Zugang, 
Bindung, Strangfreilegung und Faltung.
Nach mRNA Synthese und Transport zum Zytoplasma wird das neue Protein von der Matrize durch 
Additionspolymerisation gewonnen. In der Elongation beruht die Translationseffizienz auf ribosomalen 
Bindungsstellen, tRNA, CIP, ATP Konzentrationen und auf regulierenden, funktionsspezifischen En-
zymen. Danach folgt die Faltung des Proteins mit jeder Basensynthese, von Enzymen reguliert, die 
beschleunigende oder hemmende Strukturen herausbilden und mit Endgruppenmodifikationen das 
Protein auf Transportweg, Funktion, Wirkungsgrad, Stabilität, Löslichkeit und Membranverankerung 
festlegen.

















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Populationsgenetik
Populationsgenetik beschreibt die genetische, demographische Struktur einer sich fortpflanzenden 
Population, ihren Allelotyp nach den Allelenraten des gemeinsamen Genreservoirs nach genetischer 
Zusammensetzung durch Zählung aller einzelnen Merkmal bestimmenden Gene an entsprechenden 
Chromosomenstellen im Genom jedes Individuums, wie auch die dynamischen Kräfte (Origin of Species, 
1859, Charles Darwin), die die genetische Struktur der Population bestimmen und aus der Theorie 
vorausberechnen lassen.

Alle geschlossenen, gleichmäßig verbreiteten, autogamen Populationen, die sich durch Panmixie fort-
pflanzen (Mendelsche Population), weisen genetische Variabilität auf, die zu Variabilität von Phänotypen 
in Morphologie, Physiologie und Verhalten führt, die nach den Erbgesetzen an nachfolgende Ge-
nerationen weitergegeben werden. Im evolutionären Fortlauf bilden sich aus genetischer Variabilität ver-
schiedene Formen, Spezialisierungen von Funktionen und Anpassungen an Umweltbedingungen heraus. 
Durch genetische Flexibilität und natürliche Selektion überlebt ein Genotyp erfolgreicher innerhalb seiner 
eigenen oder in Konkurrenz zu anderen Populationen oder unter knappem Nahrungsangebot oder unter 
adversen Umweltbedingungen auf Grund seiner relativen Fitness, der durchschnittlichen Überlebens-
wahrscheinlichkeit in Bezug auf ein Merkmal des Phänotyps wie normale Lebenserwartung, Fruchtbarkeit, 
Sexualverhalten, Körpergewicht, Stoffwechsel. Durch fortlaufende Differenzierung eines Teils der Be-
völkerung über geologische Zeitspannen, meistens nach geographischer Trennung, bilden sich durch 
die Evolution neue Arten (intraspezifische Evolution) und neue Gattungen (interspezifische Evolution) 
heraus.

Auf genetischer Ebene wird der Reichtum der Variabilitäät, wesentlich größer innerhalb einer Bevölkerung 
als zwischen zwei Rassen, von allen Kräften der Evolution mit beeinflusst: der Mutation; der Hybridisation 
(mit einer Rekombination) im Ablauf der sexuellen Fortpflanzung; der Vermischung zweier Populationen; 
der Migration, die Einfügung und Ausbreitung eines Allels von einer anderen Population; dem Gendrift, 
eine zufällige Verschiebung des Mittels einer Merkmalverteilung; der genetischen Korrelation, das Zu-
sammenwirken und Harmonisieren aller Faktoren, um genetischen Zusammenhalt zu bewahren; der 
Homeostase, die Tendenz zur Bewahrung und Wiederherstellung eines dynamischen Gleichgewichts.
Quantitativ hängt damit die Änderungsrate der Allelenfrequenz fa- für ein Merkmal, bestimmt durch das 
Allel a-, im Wesentlichen ab von: den Mutations- und Rekombinationsraten; der durchschnittlichen Fitness 
im Verhältnis zur Gesamtfitness der eigenen und konkurrierender Populationen, zum heterozygoten Allel 
a+ und zu alternativen Allelen b, c, ... ; der relativen Verteilung des Allels a- im Verhältnis zu den ent-
sprechenden Parametern; der Größe und Richtung der Selektion mit Addition und Elimination von 
Allelen; dem Grad der Dominanz; und der Verteilungsbreite der genetischen Variabilität.



















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