Vererbung (Biologie)

Als Vererbung bezeichnet man in der Biologie die direkte Übertragung von Eigenschaften der Lebewesen auf ihre Nachkommen, soweit die Informationen zur Ausprägung dieser Eigenschaften stofflich gebunden sind und in dieser Form übertragen werden. Die Übertragung von Fähigkeiten und Kenntnissen durch Lehren und Lernen ist hiervon zu unterscheiden und wird nicht als Vererbung bezeichnet.

Die Wissenschaft, die sich mit der Art der stofflichen Informationsspeicherung und den Regeln ihrer Übertragung von Generation zu Generation befasst, ist die Genetik.

Stoffliche Natur der vererbbaren Informationen

Die Ausprägung von Eigenschaften der Lebewesen beruht auf Informationen, die in der Sequenz von Bausteinen, den Nukleotiden, sehr langer Moleküle, den Desoxyribonukleinsäuren (DNS bzw. DNA nach engl.: deoxyribonucleic acid), festgelegt sind. Die Sequenzen von Nukleotiden eines Abschnitts der DNA bestimmen die Sequenz der Bausteine, den Aminosäuren, eines Proteins und damit die Struktur und Funktion des Proteins. Ein solcher DNA-Abschnitt wird als Gen bezeichnet. Die meisten Proteine sind Enzyme, das heißt, sie wirken bei chemischen Stoffumsetzungen als Katalysatoren. Einige Proteine (Regulatorproteine) steuern die Bildung oder die Funktion der Enzyme. Viele Eigenschaften der Lebewesen beruhen auf der Aktivität der Proteine. Die Vererbung von Eigenschaften besteht in der Übertragung der informativen DNA auf die Nachkommen. Die DNA ist das genetische Material an dem die vererbbaren Eigenschaften gebunden sind.

Bei einigen Viren werden die Erbinformationen in der Sequenz von Nukleotiden von Ribonukleinsäuren (RNS) statt Desoxyribonukleinsäuren wie bei allen anderen Lebewesen gespeichert.

Die vererbbaren Informationen sind auf einem oder mehreren verschiedenen DNA-Molekülen enthalten. Die Gesamtheit dieser Informationen stellen die vollständige Erbinformation dar und werden als Genom bezeichnet.

Ausprägung der vererbbaren Informationen

Viele Eigenschaften der Lebewesen sind durch die Aktivität von Enzymen bestimmt. Sie sind das Ergebnis der Wechselwirkungen von Enzymen und Regulatorproteinen mit der Umwelt während der Entwicklung des Individuums. Ein wesentlicher Teil der Ausprägung dieser Eigenschaften ist also im Bauplan der Enzyme, in der DNA festgelegt. Die Gesamtheit der durch das Genom programmierten Eigenschaften bezeichnet man als den Genotyp, die Gesamtheit der ausgeprägten Eigenschaften bezeichnet man als Phänotyp. Die im Genom programmierten Enzyme bilden zusammen mit den Einflüssen der Umwelt den Phänotyp aus.

Die Verbindung zwischen dem Genotyp, der Umwelt und dem daraus resultierenden Phänotyp stellt die Reaktionsnorm dar. In Form der Regulatinsmechanismen der genetischen Ausprägung stellt die Reaktionsnorm die Umsetzungsfunktion R zwischen Umwelt U und Phänotyp P dar: P = R(U).

Übertragung der vererbbaren Informationen

Übertragung bei ungeschlechtlicher Vermehrung und innerhalb eines mehrzelligen Individuums

Bei Einzellern, die sich meistens durch Zellteilung fortpflanzen und vermehren, wird die vererbbare Information in Form von DNA von der Mutterzelle auf die Tochterzellen übertragen. Dazu muss die DNA in mindestens zwei identischen Exemplaren vorliegen. Der Zellteilung geht deshalb eine Duplikation der DNA voraus, jede Tochterzelle erhält in der Regel mindestens ein vollständiges Genom, bestehend aus einem oder mehreren DNA-Molekülen. Bei Prokaryoten liegen die DNA-Moleküle frei im Cytoplasma.

Bei Eukaryoten sind die DNA-Moleküle zum größten Teil in einem Zellkern enthalten, der durch ein Membransystem (mit Poren) vom Cytoplasma abgetrennt ist. Bei der Zellteilung werden im sich auflösenden Kern langgestreckte Körper mit komplizierter Struktur ausgebildet, die als Chromosomen bezeichnet werden und in denen die DNA enthalten ist. Verschiedene DNA-Moleküle sind in verschiedenen Chromosomen enthalten. Die meisten Lebewesen besitzen mehrere Chromosomen. Die Duplikation der DNA führt zu einer Duplikation der Chromosomen, so dass vor der Zellteilung von jeder Chromosomenart zwei Exemplare vorhanden sind und jeweils eins davon bei der Zellteilung in die beiden Tochterzellen integriert wird. Eukaryoten enthalten außer dem Zellkern noch Organellen, nämlich Mitochondrien und phototrophe Eukaryoten auch noch Plastiden, in denen DNA enthalten ist. Man bezeichnet zur Unterscheidung den im Kern enthaltenen Teil des Genoms als Karyom, den in Mitochondrien enthaltenen Teil als Mitochondriom und den in Plastiden enthaltenen Teil als Plastidom. Die DNA der Organellen wird in dadurch auf die Tochterzellen übertragen, dass sich die Organellen wie Prokaryoten teilen und zu jeweils mindestens einem Exemplar auf die Tochterzellen verteilt werden.

Bei mehrzelligen Lebewesen werden schon bei der Entwicklung eines Individuums unter fortgesetzten Zellteilungen die Erbinformationen bei diesen Zellteilungen wie bei Einzellern von der Mutterzelle auf die Tochterzellen übertragen. Deshalb enthält jede Zelle des Lebewesens das vollständige Genom. Bei der Fortpflanzung durch Abspaltung einer Zelle oder eines mehrzelligen Entwicklungsstadiums (ungeschlechtliche Vermehrung) wird das Genom damit auf die neu gebildeten Individuen übertragen.

Übertragung bei geschlechtlicher Fortpflanzung

Bei geschlechtlicher (sexueller) Fortpflanzung werden die Genome zweier Individuen (Eltern) vereinigt. Die Zellen von Lebewesen mit geschlechtlicher Fortpflanzung enthalten deshalb in der Regel in ihren Zellkernen jeweils zwei Sätze von Chromosomen, von jedem Sexualpartner (Elternteil) einen. Man bezeichnet Zellen und Lebewesen, die in ihren Kernen zwei Chromosomensätze enthalten, als diploid, im Gegensatz zu Zellen und Lebewesen, die nur jeweils einen Chromosomensatz enthalten und als haploid bezeichnet werden. Die einander entsprechenden Chromosomen der beiden Eltern mit Genen für dieselben Eigenschaften werden als homologe Chromosomen bezeichnet. Alle Pflanzen und Tiere sind diploid.

Bei der Teilung einer diploiden Zelle wird der gesamte Chromosomenbestand, also beide Chromosomensätze, dupliziert und auf die Tochterzellen verteilt. Zur Vorbereitung eines Sexualvorgangs, der Verschmelzung zweier Zellen von je einem Sexualpartner (Gamie), müssen die zur Verschmelzung vorgesehenen Zellen (Gameten) haploid sein, weil anderenfalls durch die Vereinigung zweier diploider Zellen eine tetraploide Zelle (mit vier Chromosomensätzen) entstünde und bei fortgesetzter geschlechtlicher Fortpflanzung die Zahl der in den Zellen enthaltenen Chromosomensätze sich ständig verdoppelte. Bei der Bildung der Geschlechtszellen, der Gameten, muss also der Chromosomensatz wieder halbiert werden. Das geschieht durch eine sogenannte Reduktionsteilung, eine Zellteilung ohne vorherige Verdoppelung der Chromosomen, bei der von jedem der beiden Chromosomensätze jeweils eins der homologen Chromosomen auf die beiden Tochterzellen verteilt wird. Das Verschmelzungsprodukt, die Zygote, ist wieder eine diploide Zelle. Alle daraus durch Zellteilung entstehenden Zellen sind diploid und enthalten von jedem Chromosom und von jedem Gen ein Exemplar von dem einen Sexualpartner (Elter) und eins von dem anderen.

Die einander entsprechenden Gene verschiedener Individuen derselben Lebewesen-Art müssen nicht völlig gleich sein und folglich müssen auch die einander entsprechenden beiden Gene in einer diploiden Zelle nicht gleich sein, da sie von verschiedenen Individuen stammen. Gene können also in verschiedenen Variationen vorkommen und die entsprechende Eigenschaft verschieden ausprägen, zum Beispiel die Eigenschaft Blütenfarbe rot oder weiß. Man bezeichnet die einander entsprechenden, nicht immer gleichen Gene als Allele. Unterschiede der Allele sind die Ursachen für die Unterschiede der Individuen einer Population. Sind die Allele eines diploiden Individuums gleich, so bezeichnet man das Individuum als homozygot, sind sie verschieden, als heterozygot.

Bei heterozygoten Individuen bestimmt meistens nur eins der Allele die entsprechende Eigenschaft, den Phänotyp, man bezeichnet dieses dann als dominant (z. B. bei Menschen die Haarfarbe dunkelbraun) und das nicht die Eigenschaft bestimmende Allel als rezessiv (z. B. die Haarfarbe blond). Seltener wird die entsprechende Eigenschaft von beiden unterschiedlichen Allelen gleichermaßen bestimmt (intermediäre Vererbung), zum Beispiel ergeben bei manchen Pflanzen ein Allel für die Blütenfarbe rot und eins für weiß die Blütenfarbe rosa.

Bei der Bildung von haploiden Gameten aus diploiden Zellen durch Reduktionsteilung, also bei der Reduktion der Chromosomenzahl auf die Hälfte, werden die Chromosomen der beiden Sätze zufällig verteilt, so dass beide Tochterzellen sowohl Chromosomen des einen wie auch des anderen Sexualpartners der vorigen Generation erhalten, die Allele werden also anders zusammengestellt, als sie in der vorhergehenden Generation waren.

Vererbung von Organellen

Die Mitochondrien und Plastiden sind semiautonome Orgenellen in eukaryotischen Zellen mit eigener DNA, welche bei Oogamie ausschließlich mit der Eizelle von der Mutter vererbt werden. In den Kernen der Gameten sind keine Informationen zum Aufbau der Mitochondrien und Plastiden enthalten. Die Organellen vermehren sich durch Teilung.
Die Peroxisomen von Eukaryoten sind, ähnlich den Mitochondrien, selbstreplizierende Zellorganellen. Auch sie werden bei Oogamie ausschließlich von der Mutter geerbt.
Die Centrosomen sind ebenfalls selbstreplizierende Zellorganellen in eukaryotischen Zellen, deren molekulare Duplikationsmechanismen allerdings noch nicht bekannt sind.

Veränderung von vererbbaren Eigenschaften (Mutation)

Genome müssen nicht durch alle Generationen unverändert weitergegeben werden. Bei der Duplikation der Genome und bei der Verteilung der DNA während der Zellteilungen kann es zu Fehlern kommen. Durch verschiedenartige so verursachte Veränderungen des Genoms können die vererbten Eigenschaften geändert werden. Man bezeichnet solche Veränderungen als Mutationen und die dadurch von der vorangehenden Generation abweichenden Individuen als Mutanten. Zum Beispiel kann ein einzelnes Gen dadurch verändert werden, dass bei der DNA-Duplikation anstelle eines bestimmten Nukleotids ein anderes eingebaut wird (Genmutation). Mutationen sind eine der Voraussetzungen für die Evolution der Lebewesen.

Beispiele für Vererbungen

Intermediäre Vererbung

Bei intermediärer Vererbung wird eine Mischform der beiden Erbanlagen ausgebildet. Zum Beispiel wird bei der japanischen Wunderblume (Mirabilis jalapa) die Blütenfarbe intermediär vererbt. Besitzt ein Exemplar eine Anlage für rote und eine für weiße Blütenblätter, so bildet es rosa Blütenblätter aus. Die Erbinformation selbst wird jedoch nicht vermischt und jeder Nachkomme enthält entweder die eine oder die andere Erbinformation, bei der Wunderblume also entweder rot oder weiß. Das heißt bei der nächsten Generation haben 25 Prozent weiße Blütenblätter, 50 Prozent rosa Blütenblätter und 25 Prozent rote Blütenblätter.

Intermediäre Vererbung ist die seltenere Variante der Vererbung.

Dominant-rezessive Vererbung

Bei dieser Form der Vererbung setzt sich das dominante Allel gegenüber dem rezessiven Allel durch. Die Augenfarbe beim Menschen wird dominant-rezessiv vererbt, wobei das Allel für braune Augen dominant und das Allel für blaue Augen rezessiv ist. Bekommt ein Kind von einem Elternteil die Erbinformation für blaue Augen und vom anderen die für braune Augen, so wird es braune Augen haben. Die Erbinformation für das rezessive Allel (hier "blaue Augen") bleibt jedoch erhalten und kann an die nächste Generation weitergegeben werden.

Die Existenz eines dominant-rezessiven Erbgangs ist nur bei diploiden Organismen gegeben. Diploide Organismen, zu denen alle höheren Pflanzen und Tiere gehören, haben von ihrem gesamten Genmaterial zwei Kopien. So teilen sich beispielsweise beim Menschen die 46 Chromosomen auf 2 x 22 Autosomen + 2 Gonosomen (ein X- + ein Y- Chromosom) auf. Der eine Satz dieses Genmaterials (22 Autosomen) kann als "Sicherheitskopie" des anderen Satzes (der weiteren 22 Autosomen) betrachtet werden.
Ein diploider Chromosomensatz ist die Voraussetzung für eine geschlechtliche Fortpflanzung. Ein haploider Organismus, der eine Genmutation und damit eine phänotypisch sichtbare Mutation erleidet, gibt diese Mutation mit annähernd 100% Wahrscheinlichkeit an die Filialgeneration (also an die Tochterindividuen) weiter. Bei einem diploiden Organismus sind hingegen die in den Mendelschen Regeln beschriebenen Aufspaltungen zu beobachten. Dabei erscheint die Mutation generell als rezessives Merkmal!

Beispiel: Ein Gen enthält die Information für die Synthese eines bestimmten Proteins (Proteine sind meistens Enzyme). Ein Enzym ist für die Umwandlung bzw. Synthese eines Stoffes zuständig. Braune Haut und braune Augen enthalten beispielsweise den Farbstoff Melanin. An der Produktion von Melanin sind mehrere Enzyme beteiligt. Ist eines der Gene, welches für eines dieser Enzyme den Bauplan enthält, fehlerhaft (also mutiert) so wird ein falsches Enzymprotein oder gar kein Enzymprotein hergestellt. Folglich kann der Organismus den braunen Farbstoff Melanin nicht produzieren. Dies nennt man Albinismus. Albinismus beim Menschen zeichnet sich durch hellblaue oder rote Augen (bei Tieren nur rote Augen), weiße Haare und weiße Haut aus. Albinismus wird rezessiv vererbt, denn ein diploider Organismus kann auf die nichtmutierten Allele für die korrekte Produktion von Proteinen zurückgreifen. Erst wenn beide Allele für ein und dasselbe Enzym defekt sind, fehlen dem Organismus die Informationen vollständig, um, wie in diesem Beispiel, Melanin-produzierende Enzyme zu bilden. Die vollständig erhaltene Version des Gens nennt sich "Wildtyp"-Allel. Die veränderte und zumeist "unsinnige" Version eines Gens nennt man "Mutanten"-Allel.

Erbkrankheiten werden meistens rezessiv vererbt, unter anderem Albinismus. Zu den wenigen dominant vererbten Krankheiten gehören Nachtblindheit, Kurzfingrigkeit und Spalthände.

Gefahren von Inzest / Inzucht

Die meisten Erbkrankheiten werden rezessiv vererbt und praktisch jeder Mensch trägt die Anlagen für einige solche Krankheiten in sich. Die Krankheit wird aber nicht manifest, da im schon angesprochenen dominant-rezessiven Erbgang neben dem Mutanten-Allel auch die intakte Erbinformation besitzt, welche dominant ist. Erst wenn diese Sicherheitskopie ebenfalls beschädigt ist, kann sich die Krankheit ausbilden - dies ist gerade dann der Fall, wenn beide Elternteile die Information für "krank" in sich tragen und beide sie an dasselbe Kind weitergeben.

Die Inzestgefahr liegt darin, dass in der Populationsgenetik ein krankes Allel durch die Selektion unterdrückt vorliegt, sodass es nur je hunderte Personen einmal vorliegt. (Selbst wenn kein Selektionsdruck vorliegen würde, so würde sich über das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht ein maximaler Anteil von etwa 10 Prozent für das rezessive Merkmal herausbilden.) Bei einer einzelnen Vererbung wird nur aus einem Pool von vier Allele der Eltern geschöpft, und nur jeweils ein Allel wird über die Samenzellen und Eizellen an das Kind weitergegeben. Hierbei gibt es dann vier mögliche Rekombinationen aus den beiden Allelen der Eltern - in Kurzschrift

Aa Bb ↬ AB Ab aB ab.

Wenn beide Eltern ein krankes Allel trugen (in der Kurzschrift die Kleinbuchstaben), so werden 50 Prozent der Nachkommen die Veranlagung für die Krankheit geerbt haben, und bei 25 Prozent fehlt auch die Sicherheitskopie, sodass sie die Erbkrankheit ausbilden. Der Ausgangspunkt der Situation entsteht, wenn nur ein Elternteil ein krankes Allel in die Verbindung einbringt, so gibt es aber wieder nur vier mögliche Rekombination

AA Bb ↬ AB Ab AB Ab.

womit nun 50 Prozent der Nachkommen die Veranlagung geerbt haben, obwohl zuerst kein Kind erkrankt. Wenn nun Geschwister wieder miteinander Kinder haben, so beträgt die Wahrscheinlichkeit bereits 25 Prozent für eine Verbindung, in der beide Geschwister je ein verändertes Allel in sich tragen, viel mehr als im Bevölkerungsdurchschnitt. Dieses ist nur für einen Locus betrachtet, da jeder Mensch jedoch hunderte Gene hat, und mit Sicherheit eines davon auch ein rezessiv krankes Allel beinhaltet, ist die Wahrscheinlichkeit insgesamt hoch, dass die Kinder von nahe verwandten Personen wenigstens eine Erbkrankheiten aufweisen, und damit wesentlich höher als bei Kindern von nicht verwandten. Etwa jedes zweite bis dritte Kind aus Inzest erkrankt.

Das Verbot der Heirat von nahen Verwandten und vermutlich auch das weit verbreitete Inzest-Tabu gründen sich auf diese Erkenntnis. Früher war dies eine rein empirische Beobachtung, da man von Genetik nur sehr geringe Kenntnisse besaß.

Siehe auch

Weblinks

Genetik

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