Genetik und Evolution

Question 1

Grundbegriffe der Genetik

Answer 1

• Gen: bestimmter Abschnitt auf dem Chromosomen, genauer Ort wird als Locus bezeichnet
• Allel: Ausprägungen eines Gens
• Welche Allele wird in unseren Zelle haben (unserer Genotyp) bestimmt, wie wir aussehen (Phänotyp)
• homozygot: beide Allele sind identisch (beide blond)
• heterozygot: zwei verschiedene Allele (eins blond, eins schwarz)
• es wird unterschieden zwischen dominat (AA; Aa) und rezessive (aa -> nur dann Merkmalausprägung)
• manche vererben sich auch intermediär (kein Allel dominiert, es entsteht eine Mischform, braun)
• kodominanter Erbgang: Ausprägung beider Merkmale, wichtig bei Blutgruppen(-antigenen)
• Keimzellen sind haploid, Chromosomenpaare wurde während der Meiose getrennt, beinhalten daher nur ein Allel

Question 2

Kreuzungsschemata

Answer 2

! Stammbäume und Kreuzungsschemata sind sehr prüfungsrelevant !

• dabei werden die vier Allele der Parentalgeneration aufgeführt und die Kombinationsmöglichkeiten eingetragen
• daraus können dann Rückschlüsse für die Genotypen der Filialgeneration gezogen werden
• und auch die Wahrscheinlichkeit mit der bestimmte Genotypen auftreten
• um den Phänotyp vorhersagen zu können, muss auch der Erbgang bekannt sein (dominat, rezessiv, intermediär)

Question 3

Uniformitätsregel (1. Mendel-Regel)

Answer 3

• wenn die beiden Elternteile jeweils für ein Merkmal homozygot sind, also einer AA und der andere aa, dann haben alle Kinder denselben Genotyp (und auch Phänotyp) Aa, sie sind uniform

Question 4

Spaltungsregel (2. Mendel-Regel)

Answer 4

• hierfür werden die Individuen der ersten Filialgeneration (F1) Aa untereinander gekreuzt
• die entstehende F2 ist nicht uniform, stattdessen finden sich alle möglichen Merkmalskombinationen im Verhältnis AA:Aa:aa (1:2:1)

Question 5

Unabhängigskeits- / Neukombinationsregel (3. Mendel-Regel)

Answer 5

• ist nur bedingt gültig, betrachtet man verschiedene Merkmale (Augen- und Haarfarbe) und ihre Allele, stellt man fest, dass diese unabhängig voneinander vererbt werden
• gilt nur, wenn sich die Merkmale nicht auf demselben Chromosom befinden (wenn sie nah beieinander liegen, trennen sie sich nicht während der Meiose und werden zusammen also nicht unabhängig vererbt)
• die Parental: sollte reinerbig sein in ihren Merkmalen also AABB und aabb, dann sind die F1 wieder alle uniform AaBb, die F2 spaltet sich wieder auf im Verhältnis 9:3:3:1
• es treten Phänotypen auf, die vorher noch nicht beschrieben waren -> rekombinante Phänotypen (AAbb, Aabb, aaBB, aaBb)

Question 6

autosomale und gonosomale Erbgänge

Answer 6

• autosomal: hier geht es um Allele, die sich auf den Autosomen (Chromosomen 1-22) befinden, alle aufgestellten Gesetzmäßigkeiten sind komplett geschlechtsunabhängig
• gonosomal: Erbkrankheiten betreffen die Geschlechtschromosomen, hier muss zwischen den Genotypen von Mann und Frau unterschieden werden
• Frauen vererben zufällig eins ihrer X-Chromosomen an ihre Kinder
• Väter vererben entweder ihr X-Chromosom (Mädchen) oder das Y-Chromosom (Junge)

Question 7

autosomal-dominanter Erbgang

Answer 7

• hier entwickeln sowohl für das betroffene Allel (A) homozygote (AA) als auch heterozygote (Aa) Personen die Krankheit
• bei Homozygoten kommt es oft zu einer schwereren Symptomatik
  Rückschlüsse
• kreuzen sich Aa und aa (gesund) so werden 50% der Nachfahren krank sein
• ist ein Elternteil homozygot erkrankt AA, sind alle Nachfahren auch erkrankt
• sind beide Eltern heterozygot krank (Aa), beträgt die Wahrscheinlichkeit für kranke Nachfahren 75%, von den Erkrankten sind 1/3 homozygot und 2/3 heterozygot erkrankt
• wenn beide Eltern phänotypisch gesund sind, müssen sie auch genotypisch gesund sein (aa) und damit auch alle Nachfahren, außer es kommt zu einer Neumutation -> dieser Erbgang weißt keine Generationssprünge auf

Question 8

Penetranz und Expressivität

Answer 8

• stehen im Zusammenhang mit dominanten Erbgängen
• unvollständige Penetranz: trotz betroffenem Allel, entwickelt sich kein dementsprechender Phänotyp, kann somit einen dominanten Erbgang verschleiern
• Expressivität gibt an, wie stark ein vorhandener Phäntyp ausgeprägt ist

Question 9

autosomal-rezessiver Erbgang

Answer 9

• wichtige Beispiele sind Mukoviszidose oder die Phenylketonurie
  Rückschlüssen:
• bei heterozygot, also gesunde Eltern (Aa) liegt die W-keit ein krankes Nachkommen zu bekommen bei 25%, 2/3 der gesunden Nachkommen sind heterozygot und haben die Potential kranke Nachkommen zu bekommen
• ist ein Elternteil homozygot gesund (AA) sind alle Nachkommen gesund und im Umkehrschluss sind beide Elternteile homozygot erkrankt werden alle Nachkommen krank sein
• ist ein Eltern homozygot erkrankt und das andere heterozygot, liegt die W-keit bei 50% ein krankes Kind zu bekommen -> ist phänotypisch nicht von einem autosomal-dominanten Erbgang zu unterscheiden, bei dem einer heterozygot erkrankt und der andere homozygot gesund ist -> man spricht von Pseudodominanz
• Personen, die heterozygot gesund sind, also das rezessive Allel in sich tragen ohne einen Phänotypen zu entwickeln, werden als Konduktoren (Überträger) bezeichnet

Question 10

X-chromosomal-dominanter Erbgang

Answer 10

• ein erkrankter Mann (Xy) gibt das kranke X-Chromosom zwangsläufig an seine Töchter weiter, die dann auch erkranken, der Sohn bekommt das y-Chro und bleibt gesund
• ist die Mutter heterozygot erkrankt (Xx) und der Papa gesund (xy) sind 50% der Töchter und Söhne erkrankt, je nachdem ob sie das kranke oder gesunde X-Chro der Mutter bekommen haben
• ist die Mutter homozygot erkrankt (XX) sind alle Nachkommen krank

Question 11

X-chromosomal-rezessiver Erbgang

Answer 11

• wenn ein Mann ein krankes X-Chro besitzt, ist er phänotypisch krank, denn das y-Chro kann dem nichts entgegensetzen
• Frauen brauchen dagegen zwei kranke X-Chro damit sich ein Phänotyp entwickelt, sonst dominiert das gesunde X-Chro
• Dementsprechend sind hauptsächlich Männer betroffen, Frauen sind Konduktoren
• Beispiele: Hämophilie (Bluterkrankheit) und die Rot-Grün-Schwäche
  Rückschlüsse:
• ein kranker Vater und eine homozygote gesunde Mutter haben nur gesunde Nachkommen, allerdings sind alle Töchter Konduktoren
• ist der Vater krank und die Mutter heterozygot gesund, erkranken 50% der Töchter/Söhne
• kranke Mutter und gesunder Vater haben nur kranke Söhne, Töchter sind phänotypisch gesund aber Konduktoren
• gesunder Vater und heterozygot gesund Mutter haben gesunde Töchter (50% sind Konduktoren), W-keit für kranke Söhne liegt bei 50%

Question 12

Y-chromosomaler Erbgang und andere Besonderheiten

Answer 12

• würden sich vom erkrankten Vater auf die Söhne übertragen, allerdings sind bisher keine Krankheiten bekannt, die diesem Erbgang folgen
• es gibt auch Gene, die auf dem X- und Y-Chrom vorkommen, sie vererben sich wei Gene auf den Autosomen, es gibt keine geschlechtsspezifischen Unterschiede bei der Vererbung
• die Orte, an denen sie vorkommen, nennt man pseudoautosomale Regionen

Question 13

mitochondrialer Erbgang

Answer 13

• Mitochondrien werden maternal vererbt (stammen von der Mutter)
• mitochondriale Erkrankungen stammen demnach von der Mama, werden von ihr vererbt
• Erkrankungen betreffen vor allem die Muskulatur (viele Mitos) und das Nervensystem

Question 14

Glossar: Pleiotropie

Answer 14

• eine Veränderung an einem Gen kann mehrere Merkmale beeinflussen
• bspw. der Fall, wenn ein Gen für einen Ionenkanal codiert, der in verschiedenen Geweben von Bedeutung ist
• Bsp.: Marfan-Syndrom entsteht durch eine Mutation im Fibrillin-Gen, führt zu verschiedenen Symptomen

Question 15

Glossar: Heterogenie

Answer 15

• eine Krankheit (Phänotyp) kann durch Mutationen in verschiedenen Genen hervorgerufen werden
• es gibt bspw. viele Gendefekt die zur Gehörlosigkeit führen können
• Verwechslungsgefahr mit Pleiotropie! Hetero -> verschiedene Gene sind betroffen

Question 16

Glossar: Multifaktorielle Vererbung

Answer 16

• manche Merkmale werden sowohl von Genen als auch der Umwelt beeinflusst
• wenn bspw. ihr durch eure Gene 2m groß werden würdet, aber nicht genug zu essen habt, werdet ihr auch nicht 2m groß werden

Question 17

Glossar: multiple Allelie / Polymorphismus

Answer 17

• dann kommen in einer Bevölkerung mehr als zwei Allele für ein Gen vor, muss mit einer Häufigkeit von 1% auftreten
• Beachte: ein einzelner Mensch mit diploiden Chromosomensatz, kann nur zwei Allele für ein Gen haben
• unterscheidet 2 Formen
  1. Polymorphismus aufgrund eines Basenaustausches (SNP = „single nucleotide polymorphism“)
  2. numerischer Unterschied in der Abfolge von tandemartigen, kurzen Sequenzwiederholungen (VNTRs = „variable number of tandem repeats“; STRP = „short tandem repeat polymorphisms“).

Question 18

Glossar: Imprinting oder Prägung

Answer 18

• darunter versteht man, dass die Expression mancher Allele davon abhängt, ob ihr dieses Allel von Mutter oder Vater erhalten habt
• Bsp.: Prader-Willi-Syndrom

Question 19

Glossar: Hemizygotie

Answer 19

• davon spricht man, wenn in einer Zelle für ein Gen nur ein Allel existiert, obwohl der Chromosomensatz diploid ist
• Bei Männern trifft dies normal für die Gene auf den Geschlechtschromosomen zu (außer die pseudoautosomalen Regionen) besitzen schließlich nur ein X- und ein Y-Chromosom
• Haploinsuffizienz: reicht die eine Kopie, des normalerweise doppelt vorkommenen, Gens nicht aus, um die notwenige Menge an Genprodukt herzustellen, treten unerwünschte Symptome auf

Question 20

AB0-System

Answer 20

• es geht um Glykoproteine auf der Oberfläche von Erythrozyten (Proteine unterscheiden sich je nach vorliegendem Allel (A oder B)
• da auch Allele A und B zusammen vorliegen und sich ausprägen können, ist dieser Erbgang kodominant
• BG 0 ist somit die inaktive Variante der Allele, sie haben weder Glykoproteine von Typ A bzw B
• Der Körper verfügt immer über die Antikörper gegen den jeweils anderen Typ, Bsp. BG A also Antikörper gegen B, BG AB hat keine AK, 0 hat beide AK A und B
• normalerweise müssen zwei Vorraussetzungen
  (körperfremd, der Körper muss mit ihnen in Kontakt kommen) erfüllt sein, damit der Körper Antikörper bildet -> bei den Blutgruppenanitgenen ist das nicht so, man hat ab der Geburt Antikörper gegen fremde Antigene
• wie diese Sensibilisierung zustande kommt, ist noch nicht abschließend geklärt, man geht davon aus, dass sie durch Darmbakterien und virale Strukturen ausgelöst wird, die Ähnlichkeit mit den Blutgruppenanitgenen besitzen
  = man besitzt Antikörper gegen die Antigene, die die eigenen Erys nicht haben
• BG AB kommt am seltesten vor, A und 0 etwa gleich häufig, B liegt zwischen AB und A,0 bezogen auf Deutschland, in Asien kommt mehr BG B vor

Question 21

Universalspender und -empfänger

Answer 21

• Universalspender ist BG 0 (kann dafür nur von einer Person mit ebenfalls BG 0 Blut bekommen)
• Universalempfänger ist BG AB (hat ja keine AK die reagieren könnten), kann aber nur am Menschen mit ebenfalls BG AB Blut spenden
• wie kann BG 0 Universalspender sein, die AK A und B müssten doch mit übertragen werden und auf die Erys des Empfängers reagieren
• wird verhindert, indem man kein Vollblut für Transfusionen nutzt, sondern das Plasma (mit den Antikörpern) vom Erythrozytenkonzentrat (das wird für die Transfusion genutzt) trennt
• der Körper reagiert mit den AK auf Antigene auf den Ery, BG 0 hat keine, damit kann der Empfänger auf nichts reagieren

Question 22

Vererbung der Blutgruppe

Answer 22

• primitiver Vaterschaftstests, jeder Mensch besitzt zwei Allele, wo von jeweils eins an die Nachkommen vererbt wird
• A und B -> AB
• A oder B und 0 -> A oder B
• AA oder BB -> A oder B
• 00 -> 0, kann kein Elternteil mit BG AB haben, aber mit A0 und B0 Eltern schon möglich

Question 23

Rhesussystem

Answer 23

• damit wird sich meistens auf das Vorkommen des D-Antigens bezogen, dieses existiert oder eben nicht -> rhesusfaktor positiv (85%) oder negativ (15%)
• Unterschied zu AB0-System, hier gibt es, wie normal auch, noch keine Antikörper gegen das D-Antigen bei rhesus-negativen Personen
• Problem bei Schwangerschaften: rhesus-positiver Papa vererbt i.d.R sein D-Antigen, die rhesus-negative Mama trägt also ein rhesus-positiv Kind aus
• gelangen unter der Geburt Erythrozyten des Kindes in den Blutkreislauf der Mama, bildet diese IgG-Antikörper
• bei der nächsten Schwangerschaft mit einem rhesus-positiven Kind, können die IgG-Antikörper schon frühzeitig die Plazentaschranke überwinden und die Ery des Fetus zerstören -> Morbus haemolyticus neonatorum
• Therapie Anti-D-Prophylaxe: nach der Geburt des ersten Kindes, werden der Mama Antikörper gegen das Rhesusantigen gegeben, diese eliminieren die Ery des Kindes im Blutkreislauf der Mama, dadurch wird das mütterliche Immunsystem nicht zur AK-Bildung stimuliert

Question 24

Mutationen

Answer 24

• viele Krankheiten können auch spontan durch Mutationen, Veränderungen der DNA, entstehen
• wir haben mit den Chromosomenaberrationen schon einige kennengelernt gehabt
• man kann die weiteren folgendermaßen unterteilen
  1. spontan vs induziert
  2. somatische Zellen oder Keimbahn
  3. Substitutionen
  4. Deletion oder Insertion
• ist der Promotorbereich betroffen, wird das Gen eventuell nicht mehr abgelesen -> Pseudogen
• Gain-of-Function: Genprodukt erlangt durch Mutation neue Fähgikeiten
• Loss-of-Function: alte Funktionen gehe durch Mutation verloren
• Mutation kann ohne Folgen bleiben, wenn sie sich in einem nicht codierenden Bereich befindet bspw. die hochrepetitive Sequenzen am Zentromer betrifft

Question 25

spontane vs. induzierte Mutationen

Answer 25

• manchmal zerfällt ein Nucleotid ohne erkennbaren Grund, nur ein Problem, wenn dies nicht erkannt wird
• können auch durch Mutagene ausgelöst werden, bspw. Chemikalien wie Ethidiumbromid, Aflatoxine (Schimmelpilzgifte), ionisierende Strahlung oder bestimmte Viren (wie humane Papillomaviren)

Question 26

Mutationen der somatischen Zellen vs. Mutationen der Keimbahn

Answer 26

• Mutation der somatischen Zellen: entweder wird der Fehler erkannt und sofort repariert, die Zelle in die Apoptose geschickt oder im schlimmsten Fall wird es nicht erkannt, und die mutierte Zelle teilt sich irgendwann unkontrolliert und gefährdet den gesamten Organismus
• Mutationen der Keimbahn: mutieren Zellen, merkt das der Organismus eventuell nicht, erst wenn sich daraus ein Nachkommen entwickelt, wird deutlich, ob die Mutation nicht mit dem Leben vereinbar ist, keine Auswirkungen hat oder ein Selektionsvorteil ist - ist wichtig für die Evolution
• bereits die Mutation einer einzigen Base (Punktmutation) kann dazu führen, dass das Genprodukt seine unsprüngliche Funktion nicht mehr ausüben kann

Question 27

Subsitution

Answer 27

• hierbei wird eine Base gegen eine andere ausgetauscht, man unterscheidet zwei Fälle
  1. Transition: eine Purinbase wird gegen eine andere Purinbase getauscht (A gegen G) selbe auch mit Pyrimdinbasen möglich
  2. Transversion: Austausch von Purinbase gegen Pyrimidinbase oder umgekehrt (A gegen C) (TransVersion ist der Austausch Verschiedener Basentypen)
• > entstehen können
• Silent-Mutation, hier wird trotzdem noch für die richtige AS codiert
• wird durch die Mutation eine andere AS ins Protein eingebaut, spricht man von Missense-Mutation
• Nonsense-Mutation: es entsteht ein Stoppcodon, wo vorher keins war, Translation der mRNA wird zu früh abgebrochen
• Readthrough-Mutation: hier wird aus einem Stoppcodon ein normales Codon, weswegen die Translation einfach weiterläuft
• Bsp.: Sichelzellenanämie, durch Substitution wird Valin statt Glutaminsäure ins Protein eingebaut, das Leseraster wird nicht beeinträchtigt (kein Frameshift, da sich die Anzahl an Basen nicht ändert)

Question 28

Deletion und Inversion

Answer 28

• bei der Deletion (Base geht verloren) und Inversion (zusätzliche Base wird eingefügt) kann es zur Verschiebung des Lesrasters bzw einem Frameshift kommen, dabei geht der Sinn des gesamten Gens verloren, die mRNA wird nun in anderen Tripletts abgelesen und das kann nicht aufgehalten werden
• Bsp für Frameshift mit fatalen Folgen ist die Muskeldystrophie Duchenne

Question 29

Epigenetik

Answer 29

• Epigenetik gilt als Bindeglied zwischen Umwelteinflüssen und Genen: Sie bestimmt mit, unter welchen Umständen welches Gen angeschaltet wird und wann es wieder stumm wird
• regulieren durch das Anhängen oder Entfernen von Molekülen aber die Genaktivität, können die DNA nicht verändern!
• DNA-Methylierung : Bei dem Prozess werden sogenannte Methylgruppen an jene Bausteine der DNA gehängt, die die Informationen tragen (Basen). Dadurch wird das entsprechende Gen deaktiviert. Es gibt aber verschiedene Enzyme, die das rückgängig machen können. Sie entfernen die Methylgruppe und aktivieren das Gen wieder.
  Histonmodifikation: Hierbei werden entweder Methyl- oder Acetylgruppen an die Histone gehängt. Durch die Histon Methylierung oder Histon Acetylierung wird der Abstand zwischen den Histonen verändert, was das Ablesen der Gene beeinflusst.
• Einflussfaktoren:
  1. giftige Chemikalien, wie Benzol
  2. Ernährung, z. B. der Verzehr von Nahrungsmitteln mit Folsäure oder Vitamin B12
  3. Stress, beispielsweise frühkindliche Traumata

Question 30

CRISPR (cas9)

Answer 30

• CRISPR = „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“
• Methode, um die DNA gezielt wie mit einer Schere zu zerschneiden, ist das CRISPR/Cas-System
• CRISPR beschreibt ursprünglich DNA-Abschnitte im Erbgut von Bakterien. Als Teil von CRISPR/Cas bilden die Abschnitte das Immunsystem der Bakterien und helfen ihnen, sich gegen Viren oder Bakteriophagen zu verteidigen, verläuft in drei Phasen
• Anwendungsbeispiele: Pflanzenzüchtung oder zur Behandlung von Krankheiten
• Der CRISPR-Genlocus (Genort) setzt sich aus drei verschiedenen Bauteilen zusammen. Sie alle sind wichtig für die Funktion des Systems: CRISPR-Array (besteht aus Repeats und Spacern), Leaser-Sequenz (Promotor, besteht v.a. aus A und T), Cas-Gene (notwendig, damit das Zerschneiden der DNA funktioniert, = CRISPR-assozierte (Cas); enthalten Bauanleitung für Enzyme , die für das Viren-Abwehrsystem wichtig sind (Endonukleasen, die den DNA-Strang durchschneiden, oder Helikasen, die den Strang entwinden können))

Question 31

Genpool

Answer 31

= die Gesamtheit der Genvariationen in einer Population

• durch Mutationen können neue Varianten eines Gens entstehen, wodurch sich folglich der Genpool vergrößert
• der Genpool kann sich auch verkleiner, wenn eine Genvariante einen Vorteil darstellt und sich hauptsächlich vorpflanzt (Selektion, survival of the fittest)

Question 32

Gendrift

Answer 32

= es kann auch zufällig dazu kommen, dass bestimmte Genvarianten häufiger weitergegeben werden
- Gendrift (engl. genetic drift; auch: Allelendrift / Sewall-Wright-Effekt) wird in der Populationsgenetik als die Änderung der Allelfrequenz innerhalb eines Genpools einer Population aufgrund von Zufallsereignissen (bspw. Vulkanausbruch, Überschwemmung) bezeichnet.

Question 33

Divergenz und Konvergenz

Answer 33

• Divergenz: wenn eine Population beschließt, sich zu teilen und an unterschiedlichen Orten weiterzuleben und sich die Umwelteinflüsse beider Orte unterscheiden, haben unterschiedliche Genvarianten einen Selektionsvorteil und die Population wird immer “unähnlicher”
• Konvergenz: es kann aber auch passieren, dass zwei Populationen, die nichts miteinander zu tun haben, sich immer ähnlicher werden, da sie den selben Umwelteinflüssen ausgesetzt sind
• werden Strukturen im Laufe der Evolution überflüssig und bilden sich zurück, spricht man von Rudimenten bspw. unsere Weisheitszähne

Question 34

Systematik und Taxonomie

Answer 34

• Taxonomie steht für das Beschreiben und Ordnen der Artenvielfalt nach vorgegebenen Ordnungskriterien.
• Systematik = Herstellen einer hierarchischen Ordnung der Lebewesen
• Nomenklatur = namentliche Benennung der Ordnungseinheiten (Taxa) nach vorgegebenen Regeln
• es gibt folgendes Ordnungssystem: Reich > Stamm > Unterstamm > Klasse > Ordnung > Überfamilie > Familie > Unterfamilie > Gattung > Art > Unterart
• Morphologie ist die Grundlage der (traditionellen) Ordnungssysteme, heute können auch Erkenntnisse aus der Mikrobiologie oder Biochemie miteinbezogen werden