Genetik

Grundidee der Genetik

Genetik, auch Vererbungslehre, ist ein Teilgebiet der Biologie. Sie untersucht die Gesetzmäßigkeiten und materiellen Grundlagen, nach denen erbliche Merkmale entstehen und Erbanlagen, die Gene, an die nächste Generation weitergegeben werden. Vererbung erklärt dabei Ähnlichkeiten zwischen Verwandten, Variation erklärt Unterschiede zwischen Individuen, etwa verschiedene Phänotypen innerhalb eines Wurfes. Ein Phänotyp ist die beobachtbare Ausprägung von Merkmalen.

Gene liegen gewöhnlich als DNA vor; bei manchen Viren besteht die Erbinformation aus RNA. Chromosomen sind Träger dieser genetischen Information. Bei geschlechtlicher Fortpflanzung vereinigen sich eine Keimzelle beider Geschlechter zu einer Zygote. Aus ihr entsteht durch fortlaufende Zellteilung und Differenzierung ein neuer Organismus.

Wichtige Teilbereiche und Anwendungen

Die klassische Genetik untersucht mit Kreuzungsexperimenten, in welchen Kombinationen Gene bei Nachkommen auftreten und wie dies Merkmale beeinflusst. Dazu gehört die Zytogenetik, die Anzahl, Gestalt und Struktur von Chromosomen im lichtmikroskopischen Bereich erforscht.

Die Molekulargenetik untersucht Struktur, Vervielfältigung und Nutzung der Erbinformation. Replikation ist die Vervielfältigung von DNA oder RNA. Mutationen sind Veränderungen des Informationsgehalts; Rekombination bezeichnet die Neuverteilung genetischen Materials. Genexpression ist die Realisierung der Erbinformation durch Transkription und Translation. Zur Molekulargenetik gehört als angewandter Bereich die Gentechnik.

Populationsgenetik, Evolutionsgenetik und Ökologische Genetik betrachten genetische Strukturen in Populationen oder anderen ökologischen Einheiten. Sie untersuchen unter anderem natürliche Selektion, genetische Drift und Genfluss. Die Epigenetik erforscht vererbbare Änderungen der Genregulation, die nicht auf einer abweichenden DNA-Sequenz beruhen, beispielsweise DNA-Methylierung und Histonmodifikationen.

Weitere Bereiche sind die quantitative Genetik für kontinuierliche, von mehreren Genen beeinflusste Merkmale; Humangenetik für menschliche Merkmale, Krankheiten, Erbkrankheiten, Beratung und gentherapeutische Ansätze; Entwicklungsgenetik für die genetische Steuerung von Entwicklung und Differenzierung; Pharmakogenetik für genetisch bedingte Medikamentenreaktionen; sowie Tier- und Pflanzenzüchtungsgenetik zur Verbesserung von Nutztiers- und Kulturpflanzengenpools. Die Bereiche überschneiden sich und tragen unter anderem zu Medizin, Landwirtschaft und Evolutionsforschung bei.

Klassische Vererbungslehre

Gregor Mendel erzielte den entscheidenden Durchbruch mit ab 1856 begonnenen Kreuzungsversuchen mit Erbsen. Er konzentrierte sich auf einzelne Merkmale und wertete die Daten statistisch aus. Dadurch ermittelte er Grundregeln für die Verteilung von Erbanlagen auf Nachkommen, die Mendelschen Regeln. Seine 1866 veröffentlichten Ergebnisse wurden zunächst kaum beachtet und erst 1900 durch Hugo de Vries, Carl Correns und Erich Tschermak wiederentdeckt und bestätigt.

August Weismann unterschied in den 1880er Jahren die Keimbahn von dem Soma. Die Keimbahn umfasst die Zelllinie, aus der sich Keimzellen von der Zygote herleiten. Das Soma umfasst alle übrigen Zellen; aus ihm entstehen keine Keimzellen, und nach Weismann wirken somatische Veränderungen nicht auf die Keimbahn ein.

Die Chromosomentheorie der Vererbung wurde 1904 von Theodor Boveri formuliert: Erbanlagen sind an Chromosomen gebunden, und deren Verhalten bei Meiose und Befruchtung entspricht den Mendelschen Regeln. Untersuchungen an der Taufliege Drosophila melanogaster zeigten außerdem Genkopplung: Gemeinsam vererbte Merkmale können auf Gene zurückgehen, die auf demselben Chromosom liegen. Beim Crossing-over können Gene zwischen homologen Chromosomen ausgetauscht werden. Aus der Häufigkeit solcher Rekombinationen lässt sich eine lineare Anordnung der Gene auf einem Chromosom, eine Genkarte, ableiten.

Mutation wurde durch de Vries in die Vererbungslehre eingeführt. Hermann Joseph Muller berichtete 1927 erstmals über künstlich durch Röntgenstrahlung ausgelöste Mutationen. Das Luria-Delbrück-Experiment belegte 1943, dass Mutationen zufällig entstehen und keine Reaktion auf die Umwelt darstellen.

Genetische Prozesse in Populationen

Die Populationsgenetik betrachtet Vererbung auf der Ebene einer Population statt nur bei einzelnen Familien oder Kreuzungen. Nach dem Bekanntwerden der Mendelschen Regeln stellte sich die Frage, ob rezessive Merkmale in natürlichen Populationen verschwinden oder erhalten bleiben.

Wilhelm Weinberg und Godfrey Harold Hardy fanden 1908 fast gleichzeitig eine Formel für das Gleichgewicht dominanter und rezessiver Merkmale in Populationen. Das zunächst wenig beachtete Hardy-Gesetz wurde 1917 von Reginald Punnett in die Populationsforschung eingeführt; Curt Stern benannte es 1943 in Hardy-Weinberg-Gesetz um. Die theoretischen Grundlagen des Fachgebiets entwickelten außerdem Sewall Wright, Ronald A. Fisher und J. B. S. Haldane. Sie machten deutlich, dass natürliche Vererbungsvorgänge sinnvoll auf Populationsebene untersucht werden können.

Molekulare Grundlagen und moderne Methoden

Lange galten Proteine als Erbsubstanz, weil Nukleinsäure aufgrund ihrer scheinbar einfachen Zusammensetzung keine anspruchsvolle Funktion zugetraut wurde. Die Transformation von Pneumokokken durch DNA, die Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty 1944 zeigten, sowie das Hershey-Chase-Experiment von 1952 machten deutlich, dass DNA die Erbsubstanz ist.

Erwin Chargaff zeigte 1950 die Chargaff-Regeln: In DNA kommen die Basen paarweise gleich häufig vor, also [A] = [T] und [C] = [G]. Gemeinsam mit Röntgenstrukturanalyse-Daten von Rosalind Franklin bildete dies die Grundlage für das 1953 von James Watson und Francis Crick entwickelte Doppelhelix-Modell der DNA.

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die Kary Mullis 1983 entwickelte und die ab 1985 breit eingesetzt wurde, kann eine bestimmte DNA-Sequenz millionenfach vervielfältigen. Sie erleichterte die genaue DNA-Untersuchung, zum Beispiel mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bei der Sequenzierung wird die Reihenfolge der Basen bestimmt: 1995 wurde das erste vollständige prokaryotische Genom von Haemophilus influenzae sequenziert, 1996 das Genom der Backhefe als erstem Eukaryonten veröffentlicht und 2001 das menschliche Genom im Humangenomprojekt sequenziert.

Die Genomik untersucht Aufbau von Genomen und Wechselwirkungen zwischen Genen. Sie verbindet die DNA-Struktur eines Gens mit RNA, dem zugehörigen Protein und dessen Funktion im Körper. Dafür entstanden Datenbanken wie NCBI und Ensembl. Neuere Entwicklungen der Zeittafel sind Hochdurchsatz-Sequenzierung ab 2005, CRISPR-Cas9 zur gezielten Genom-Editierung ab 2012 und die Single-Cell-RNA-Sequenzierung ab 2016 zur Analyse der Genexpression einzelner Zellen. 2018 wurden unter anderem Luxturna und Zolgensma als Gentherapien zugelassen.