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Wie DNA, Gene und Vererbung funktionieren: Die Grundlagen der Vererbung erklärt

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The structure of DNA showing with detail the structure of the four bases, adenine, cytosine, guanine and thymine, and the location of the major and minor groove.
Bild: Zephyris · CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

Kurz gesagt

Vererbung ist die Weitergabe von Merkmalen von Eltern zu Kindern durch Gene, die Segmente der DNA auf Chromosomen sind. Jede Person erbt ein Chromosom aus jedem Paar von jedem Elternteil, weshalb genetische Bedingungen und körperliche Merkmale vorhersehbare Muster wie dominante, rezessive und X-gekoppelte Vererbung folgen.

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Die Genetik ist das Studium von Genen und Vererbung — wie Merkmale von Eltern zu Kindern durch DNA weitergegeben werden, so das National Institute of General Medical Sciences der USA (NIGMS). DNA oder Desoxyribonukleinsäure ist das Erbmaterial, das sich in fast jeder Zelle des menschlichen Körpers befindet, so MedlinePlus Genetics, eine vom National Library of Medicine der USA gepflegte Ressource.

Wie DNA tatsächlich aussieht

DNA wird aus vier chemischen Basen gebaut — Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) — die sich paaren (A mit T, C mit G), um Sprossen auf einer verdrehten, leiterartigen Struktur namens Doppelhelix zu bilden, erklärt MedlinePlus. Die menschliche DNA enthält etwa 3 Milliarden dieser Basenpaare, und mehr als 99 Prozent davon sind bei jedem Menschen identisch; der verbleibende Anteil erklärt individuelle Unterschiede, so MedlinePlus.

Der Großteil der DNA befindet sich im Zellkern, wo er als Kern-DNA bezeichnet wird. Eine kleine Menge existiert auch in Mitochondrien, den Zellstrukturen, die Nahrung in nutzbare Energie umwandeln; dies wird als mitochondriale DNA oder mtDNA bezeichnet, so MedlinePlus.

Gene: die Einheiten der Vererbung

Ein Gen wird von MedlinePlus als "die grundlegende physische und funktionelle Einheit der Vererbung" beschrieben. Gene bestehen aus DNA und tragen typischerweise Anweisungen für den Aufbau von Proteinen, die der Körper zum Funktionieren benötigt; einige Gene regulieren stattdessen andere Gene. Menschliche Gene reichen von einigen hundert DNA-Basenpaaren bis zu mehr als 2 Millionen Basenpaaren in der Länge, so MedlinePlus. Die Schätzungen der Gesamtzahl der Protein-kodierenden Gene waren unterschiedlich: Das Human Genome Project (1990–2003) schätzte zunächst 20.000 bis 25.000 solcher Gene, während neuere Schätzungen die Zahl auf etwa 19.900 setzen, so MedlinePlus, und NIGMS zitiert ungefähr 20.000.

Gene machen nur etwa 1 Prozent der menschlichen DNA aus, so NIGMS; der Rest besteht aus anderen Sequenzen, einschließlich Regionen, die regulieren, wann und wie Gene ein- oder ausgeschaltet werden.

Chromosomen und wie Merkmale zwischen Generationen weitergegeben werden

Gene werden auf Chromosomen getragen, und Menschen haben typischerweise 23 Paare davon, so NIGMS. Ein Chromosom in jedem Paar kommt von der Mutter und eines vom Vater, was bedeutet, dass eine Person normalerweise zwei Kopien jedes Gens erbt — eine von jedem Elternteil, so MedlinePlus. Da Chromosomenpaare übereinstimmende Gene tragen, die leicht unterschiedlich sein können, ist dies der grundlegende Mechanismus dafür, warum Kinder ihren Eltern ähnlich sind, aber nicht identisch mit ihnen.

Eine Genvariante wird Allel genannt. Weniger als 1 Prozent der Gene variieren zwischen Individuen, aber diese Varianten sind verantwortlich für Unterschiede in körperlichen Merkmalen wie Augen- oder Haarfarbe und in einigen Fällen für das Risiko vererbter Krankheiten, so MedlinePlus und NIGMS.

Dominante, rezessive und andere Vererbungsmuster

Wenn ein Gen zwei verschiedene Allele hat, hängt die Ausprägung eines Merkmals von dem Vererbungsmuster ab. Bei der autosomal-dominanten Vererbung reicht eine einzelne veränderte Kopie von einem Elternteil aus, damit das Merkmal oder die Bedingung auftritt; eine Person mit einer solchen Variante hat eine 50-prozentige Chance, sie an jedes Kind weiterzugeben, so MedlinePlus, unter Zitierung von Standardrisikoeinschätzungsfiguren, die in der klinischen Genetik verwendet werden.

Bei der autosomal-rezessiven Vererbung tritt ein Merkmal nur auf, wenn beide Genkopien die Variante tragen. Personen mit nur einer Kopie sind Träger und sind normalerweise unbeeinflusst. Wenn beide Eltern Träger sind, heißt es in MedlinePlus, besteht eine 25-prozentige Wahrscheinlichkeit pro Schwangerschaft, dass ein Kind betroffen ist, eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass das Kind ein unbeeinflusster Träger ist, und eine 25-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass das Kind weder betroffen noch ein Träger ist.

X-gebundene Vererbung hängt von den Geschlechtschromosomen ab. Laut MedlinePlus gibt ein betroffener Vater eine X-gebundene Variante an alle seine Töchter weiter, aber keinen seiner Söhne, weil Söhne stattdessen sein Y-Chromosom erhalten. Y-gebundene Bedingungen können dagegen nur Männer betreffen, und ein betroffener Vater gibt die Bedingung an alle seine Söhne weiter.

Forscher am Genetic Science Learning Center der University of Utah warnen, dass "es keinen universellen Mechanismus gibt, durch den dominante und rezessive Allele wirken", und dass die beiden Begriffe Ergebnisse beschreiben, nicht einen festen biologischen Prozess. Sie verweisen auf die Sichelzellerkrankung als Beispiel: Zwei Kopien des Sichelzellallels verursachen die Krankheit, aber Träger mit einer Kopie haben einige sichelförmige Zellen und gewinnen unter bestimmten Bedingungen Resistenz gegen Malaria — ein Muster, das nicht zu einer einfachen dominanten/rezessiven Kennzeichnung passt.

Häufige Muster der Ein-Gen-Vererbung
MusterWie es funktioniertBeispielzahl zitiert
Autosomal dominantEine veränderte Kopie von einem Elternteil reicht aus, um ein Kind zu beeinflussen50% Chance pro Kind, wenn ein Elternteil betroffen ist (MedlinePlus)
Autosomal rezessivBeide Genkopien müssen die Variante tragen, damit das Merkmal auftritt25% Chance pro Schwangerschaft, wenn beide Eltern Träger sind (MedlinePlus)
X-gekoppeltDie Vererbung unterscheidet sich je nach Geschlecht des Elternteils und KindesBetroffene Väter geben es an alle Töchter weiter, keine Söhne (MedlinePlus)
Y-gekoppeltWird nur durch die männliche Linie weitergegebenNur Männer betroffen; alle Söhne betroffener Väter erben es (MedlinePlus)

Über einfache Muster hinaus

Nicht jedes Merkmal folgt einer einfachen dominanten oder rezessiven Regel. NIGMS merkt an, dass viele Bedingungen mehrere Gene und Umweltfaktoren beinhalten, was die Vererbung schwerer vorhersehbar macht als bei Merkmalen mit einzelnen Genen. MedlinePlus fügt hinzu, dass für solche Bedingungen die Krankengeschichte der Familie und Gentestergebnisse manchmal die Chance, dass ein Merkmal weitergegeben wird, verfeinern können — aber nicht vollständig bestimmen können.

Epigenetik fügt eine weitere Schicht hinzu: Chemische Markierungen, die an DNA oder an die Proteine, um die sich DNA wickelt, angebracht sind, können Gene ein- oder ausschalten, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz selbst zu verändern. NIGMS zitiert Rauchen als Beispiel eines Umweltfaktors, der solche Veränderungen auslösen kann.

Es gibt keinen universellen Mechanismus, durch den dominante und rezessive Allele wirken.

— University of Utah Genetic Science Learning Center

Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem Gen und DNA?
DNA ist das chemische Molekül, das genetische Informationen in einer Doppelhelixstruktur speichert; ein Gen ist ein spezifisches Segment der DNA, das als grundlegende Einheit der Vererbung funktioniert und oft Anweisungen für die Herstellung eines Proteins trägt, so MedlinePlus Genetics.
Wie viele Gene haben Menschen?
Das Human Genome Project schätzte zunächst 20.000 bis 25.000 Protein-kodierende Gene. Neuere Schätzungen setzen die Zahl auf etwa 19.900, so MedlinePlus, während NIGMS ungefähr 20.000 zitiert.
Was bedeutet es, dass ein Merkmal dominant ist?
Ein dominantes Merkmal oder eine dominante Bedingung tritt auf, wenn eine Person nur eine veränderte Kopie des relevanten Gens hat, die von einem Elternteil geerbt wird, so MedlinePlus.
Was ist ein Träger in der Genetik?
Ein Träger hat eine Kopie einer rezessiven Genvariante, zeigt aber normalerweise keine Symptome; das Merkmal oder die Bedingung tritt nur auf, wenn eine Person zwei Kopien der Variante erbt, eine von jedem Elternteil, so MedlinePlus.
Warum beeinflussen X-gekoppelte Bedingungen Söhne und Töchter unterschiedlich?
Söhne erhalten ein Y-Chromosom von ihrem Vater und ein X-Chromosom von ihrer Mutter, während Töchter ein X-Chromosom von jedem Elternteil erhalten; deshalb gibt, so MedlinePlus, ein betroffener Vater eine X-gekoppelte Variante an alle Töchter weiter, aber keinen Sohn.

Quellen

  1. MedlinePlus Genetics — What is a gene?
  2. MedlinePlus Genetics — What is DNA?
  3. MedlinePlus Genetics — If a genetic disorder runs in my family, what are the chances that my children will have the condition?
  4. NIH National Institute of General Medical Sciences — What Is Genetics?
  5. University of Utah Genetic Science Learning Center — What are Dominant and Recessive?

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