Vererbung (Biologie)

Bedeutung, DNA und Gene

Vererbung ist die Weitergabe von Erbanlagen, also Genen, von einer Generation an ihre Nachkommen. Sie bewirkt, dass Nachkommen ihren Vorfahren in Merkmalen und Eigenschaften ähnlich sein können. Die materielle Grundlage der Erbanlagen ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die Genetik untersucht, wie biologische Information biochemisch gespeichert und von Generation zu Generation übertragen wird.

Die Information der DNA steckt in ihrer Nukleotidsequenz: einer Reihenfolge aus vier Basen, Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C). Auch Viren unterliegen Vererbung, obwohl sie wegen ihres fehlenden eigenen Stoffwechsels nicht als Lebewesen gelten; ihre Erbinformation besteht aus DNA oder RNA.

Bei Zellteilungen wird DNA zunächst verdoppelt und dann auf Tochterzellen verteilt. Normalerweise bleibt die Information dabei gleich. Seltene Fehler heißen Mutationen; sie verändern das Genom und können den Phänotyp beeinflussen. Mutationen sind eine Voraussetzung für die Evolution.

Das Genom ist die Gesamtheit aller Erbinformationen eines Organismus. Bei Eukaryoten liegt der größte Teil der DNA als Chromosomen im Zellkern. Mitochondrien und Plastiden besitzen zusätzlich eigene Erbinformationen. Neben informationshaltigen Bereichen enthält DNA auch Bereiche ohne bekannten Informationsgehalt, darunter repetitive DNA mit sich wiederholenden Sequenzen.

Gene, Merkmale und Umwelt

Ein Gen kann auf unterschiedlichen Ebenen beschrieben werden: als einzelne Erbanlage für ein Merkmal, als bestimmter informationstragender DNA-Abschnitt oder als Einheit, deren Information über eine Transkription zu einem Protein führt. Der genetische Code verwendet jeweils ein Basentriplett, also drei Basen, für eine bestimmte Aminosäure eines Proteins.

Zu einem Gen gehören nicht nur proteinkodierende DNA-Sequenzen. Auch regulierende Abschnitte können wichtig sein, weil sie bestimmen, wann ein Gen transkribiert, also abgelesen wird. Cis-Elemente sind solche regulatorischen DNA-Bereiche: Sie können die Transkription bei bestimmten Zellsignalen ein- oder ausschalten. Mutationen in regulierenden Bereichen können Merkmale verändern, auch wenn die proteinbildende Sequenz unverändert bleibt.

Der Genotyp ist die durch die DNA festgelegte Erbinformation. Der Phänotyp umfasst die tatsächlich ausgeprägten Merkmale eines Lebewesens. Er entsteht nicht allein aus dem Genotyp, sondern auch durch Umweltwirkungen während der Entwicklung. Die Reaktionsnorm beschreibt diese Verbindung als Umsetzungsfunktion zwischen Umwelt U und Phänotyp P: P = R(U).

Viele Merkmale werden von mehreren oder sogar Hunderten Genen beeinflusst; dies heißt Polygenie. Gene können außerdem mehrere, teils sehr unterschiedliche Wirkungen haben; das nennt man Pleiotropie. Deshalb lässt sich ein Merkmal oft nicht einfach auf ein einzelnes Gen zurückführen. Nur wenige Gene bewirken unmittelbar ein einzelnes Merkmal und folgen dann klar den Mendelschen Regeln.

Übertragung bei ungeschlechtlicher und geschlechtlicher Fortpflanzung

Bei ungeschlechtlicher Vermehrung wird die DNA in identischen Kopien auf Tochterzellen verteilt. Vor der Zellteilung wird sie verdoppelt. Bei eukaryotischen Zellen bestehen Chromosomen danach aus zwei identischen Schwester-Chromatiden. In der Mitose werden diese auf zwei Tochter-Zellkerne verteilt. Bei Wachstum und ungeschlechtlicher Fortpflanzung erhalten Zellen und Nachkommen dadurch genetisch identisches Erbmaterial.

Bei geschlechtlicher Fortpflanzung werden Teile der Genome zweier Eltern neu kombiniert; dies heißt Rekombination. Jeder Nachkomme erhält jeweils die Hälfte seines Genoms von einem Elternteil und besitzt mindestens zwei homologe Chromosomensätze. Die Verdoppelung des Chromosomenbestands wird durch die Meiose, eine Reduktionsteilung, ausgeglichen. Zusammen bilden diese Vorgänge den Kernphasenwechsel.

Häufig wechseln sich eine haploide Phase mit einem Chromosomensatz und eine diploide Phase mit zwei homologen Chromosomensätzen ab. Beim Menschen und anderen Wirbeltieren sind nur die Gameten, also Geschlechtszellen, haploid. Sie verschmelzen zur diploiden Zygote, aus der ein diploider Nachkomme entsteht. Bei anderen Organismen können haploide und diploide Generationen wechseln; Kulturpflanzen können auch mehr als zwei Chromosomensätze besitzen, was Polyploidie heißt.

Während der Meiose werden homologe Chromosomen zufällig verteilt. Außerdem können homologe Chromosomen Abschnitte austauschen. Dieses Crossing-over kombiniert Gene neu.

Erbgänge und Abweichungen von Mendel

Bei dominant-rezessiver Vererbung setzt sich ein dominantes Allel gegenüber einem rezessiven Allel durch. Hausmäuse mit einem Allel für graues und einem für weißes Fell haben graues Fell, weil Grau dominant und Weiß rezessiv ist. Das rezessive Allel kann trotzdem weitergegeben werden; es liegt dann als Trägertum vor. Beispiele meist rezessiv vererbter Krankheiten sind Albinismus, Mukoviszidose und Sichelzellanämie. Zu den genannten dominant vererbten Krankheiten gehören Nachtblindheit, Zystenniere (ADPKD), Chorea Huntington und das Marfan-Syndrom.

Bei intermediärer Vererbung entsteht eine Mischform beider Erbanlagen. Die japanische Wunderblume (Mirabilis jalapa) bildet bei einer Anlage für rote und einer für weiße Blütenblätter rosa Blütenblätter. Intermediäre Vererbung ist die seltenere Variante.

Viele Vererbungen folgen nicht den Mendelschen Regeln. Bei Genkopplung werden Gene gemeinsam vererbt, weil sie auf demselben Chromosom liegen. Je näher Gene auf einem Chromosom beieinander liegen, desto stärker ist ihre Kopplung. Crossing-over kann diese Kopplung teilweise aufheben. Beim Meiotic Drive gelangen bestimmte Gene oder Chromosomen häufiger als ihre Homologen in die Gameten oder werden auf andere Weise bevorzugt weitergegeben.

Bei extrachromosomaler oder zytoplasmatischer Vererbung stammt Erbmaterial aus Mitochondrien oder Plastiden statt aus Chromosomen. Weil weibliche Keimzellen mehr Zytoplasma enthalten, werden diese Organellen und ihr Genom ganz oder überwiegend maternal, also über die Mutterlinie, übertragen. Diese Vererbung folgt nicht den Mendelschen Regeln und ist unter anderem bei seltenen Erbkrankheiten relevant.

Epigenetische und nichtbiologische Vererbung

Epigenetische Vererbung überträgt Eigenschaften unabhängig von Änderungen der Basensequenz der DNA. Dabei können epigenetische Modifikationen über mehrere Generationen wirksam bleiben. Dazu gehören die Methylierung bestimmter DNA-Basen, chemische Veränderungen von Histonen und Gen-Silencing: Kurze RNA-Stücke hemmen dabei gezielt Transkription oder Translation. Auch stabile, Prion-ähnliche Proteinfaltungen können Information übertragen; dies ist beispielsweise bei Hefen nachgewiesen.

Epigenetische Vererbung ist besonders häufig bei Pflanzen sowie gut dokumentiert bei Caenorhabditis elegans und Drosophila melanogaster. Bei Säugern einschließlich des Menschen tritt sie nur selten auf, weil epigenetische Programmierungen nach der Befruchtung und erneut in der Keimbahn zurückgesetzt werden. Dadurch werden Zellen totipotent und können sich zu allen spezielleren Zelltypen entwickeln.

Vererbung und Evolution sind nicht auf biologische Systeme beschränkt: Auch synthetische Polymere mit informationsspeichernden Eigenschaften können dazu fähig sein.