Klassische Genetik und Stammbaumanalyse — Biologie · Abitur-Zusammenfassung

Mendel-Regeln und monohybride Kreuzungen#

BasisKMK-Bio-2.6.3biologie-klassische-genetik

Mendel-Pyramide — die drei Vererbungsregeln

Abb. 11. Uniformitätsregel (P → F1 gleichförmig), 2. Spaltungsregel (F2 phänotypisch 3 : 1, genotypisch 1 : 2 : 1), 3. Unabhängigkeitsregel (dihybrid 9 : 3 : 3 : 1).

Gregor Mendel begründete mit seinen Kreuzungsversuchen an Gartenerbsen (veröffentlicht 1866) die klassische Genetik. Sein methodischer Durchbruch lag darin, dass er reinerbige Linien verwendete, einzelne klar unterscheidbare Merkmale verfolgte und die Nachkommen auszählte (statistische Auswertung). Daraus schloss er, dass Merkmale durch diskrete, paarweise vorliegende Erbfaktoren bestimmt werden, die unverändert weitergegeben werden — die Vererbung ist also „teilchenhaft", nicht eine Vermischung von Eigenschaften. Diese Erbfaktoren heißen heute Gene, ihre Varianten Allele.

Die 1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel) besagt: Kreuzt man zwei reinerbige (homozygote) Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind alle Nachkommen der ersten Tochtergeneration (F1) untereinander gleich — sowohl im Erscheinungsbild als auch in der Allelkombination. Der Grund ist einfach: Jedes Elternteil kann nur eine Allelsorte in die Gameten geben, sodass alle F1-Individuen dieselbe heterozygote Kombination erhalten.

Die 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel) beschreibt die F2-Generation aus der Kreuzung der F1 untereinander: Bei einem dominant-rezessiven Erbgang spalten sich die Nachkommen im Erscheinungsbild im Verhältnis 3 : 1 auf, in der Allelkombination dagegen 1 : 2 : 1. Der Mechanismus: Die heterozygoten F1-Eltern bilden zwei Gametensorten in gleicher Zahl; bei zufälliger Kombination ergeben sich im Punnett-Quadrat vier gleich wahrscheinliche Genotypen. Das Verhältnis 3 : 1 ist also kein „Naturgesetz", sondern eine direkte Folge der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Die 3. Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel) gilt für zwei oder mehr Merkmale, deren Gene auf verschiedenen Chromosomen liegen: Ihre Allele werden unabhängig voneinander auf die Gameten verteilt, sodass sich in der F2 das charakteristische Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1 ergibt und auch neue Merkmalskombinationen auftreten. Zellbiologische Grundlage ist die unabhängige Verteilung der Homologenpaare in der Meiose. Wichtig ist die Einschränkung: Die Regel gilt nur für nicht gekoppelte Gene — liegen Gene auf demselben Chromosom, werden sie tendenziell zusammen vererbt (Kopplung).

Für die saubere Anwendung sind einige Begriffe strikt zu trennen: Homozygot (reinerbig) heißt, dass beide Allele eines Gens gleich sind; heterozygot (mischerbig), dass sie verschieden sind. Der Genotyp ist die zugrunde liegende Allelkombination, der Phänotyp das sichtbare Merkmal. Beides fällt nicht zusammen: Bei vollständiger Dominanz haben das homozygot dominante und das heterozygote Individuum denselben Phänotyp, aber verschiedene Genotypen — der Grund, warum sich das Phänotypverhältnis (3 : 1) vom Genotypverhältnis (1 : 2 : 1) unterscheidet.

Ob Phänotyp- und Genotypverhältnis übereinstimmen, hängt vom Dominanztyp ab. Bei vollständiger Dominanz überdeckt das dominante Allel das rezessive (3 : 1). Beim intermediären (unvollständig dominanten) Erbgang zeigen Heterozygote eine Mischform — die rosa Blüte der Wunderblume aus rot × weiß —, und das F2-Phänotypverhältnis entspricht dann dem Genotypverhältnis 1 : 2 : 1. Bei der Kodominanz werden beide Allele gleichberechtigt und vollständig ausgeprägt (etwa die Blutgruppe AB oder die MN-Blutgruppen). Den Dominanztyp zu erkennen ist die Voraussetzung jeder korrekten Kreuzungsvorhersage.

Punnett-Quadrat — monohybrider Erbgang

Abb. 2Kreuzung Gg × Gg ergibt Genotypen 1 GG : 2 Gg : 1 gg und Phänotypen 3 : 1.

Musterlösung

Monohybrider Erbgang — Erbsenfarbe

Bestimmen Sie für die Kreuzung reinerbig gelb (GG) × reinerbig grün (gg) die F1- und F2-Generation und begründen Sie das Verhältnis.

Schritt 1 — P-Gameten
GG liefert ausschließlich G-Gameten, gg ausschließlich g-Gameten.
Schritt 2 — F1
Alle F1-Nachkommen sind heterozygot Gg und phänotypisch gelb (Uniformitätsregel).
Schritt 3 — F2-Kreuzung Gg × Gg
Im Punnett-Quadrat ergeben sich vier gleich wahrscheinliche Kombinationen: GG, Gg, Gg, gg.
Schritt 4 — Genotypverhältnis
1 GG : 2 Gg : 1 gg, also 25 % homozygot dominant, 50 % heterozygot, 25 % homozygot rezessiv.
Schritt 5 — Phänotypverhältnis
Aufgrund der vollständigen Dominanz erscheinen GG und Gg gleich gelb; Verhältnis 3 gelb : 1 grün (Spaltungsregel).

Ergebnis: F1 100 % gelb (Gg); F2 phänotypisch 3 : 1; genotypisch 1 : 2 : 1.

Typische Fehler

Phänotyp- und Genotypverhältnisse vertauscht (3 : 1 vs. 1 : 2 : 1).
Heterozygot bei intermediärem Erbgang als „dominant" beschrieben statt als Mischform.
Mendel-Regeln werden auf gekoppelte Gene angewandt — die Unabhängigkeitsregel gilt nur für freie Verteilung.
Annahme, ein gleiches Erscheinungsbild bedeute gleichen Genotyp — heterozygot und homozygot dominant sehen bei vollständiger Dominanz gleich aus.

LK-Vertiefung

eA: Erläutern Sie, wie die mendelschen Regeln zellbiologisch durch das Verhalten der homologen Chromosomen in der Meiose (Reduktion in Meiose I, unabhängige Verteilung) begründet werden — die Chromosomentheorie der Vererbung (Sutton und Boveri, um 1902/03).

Aktive Wiederholung

Erläutern Sie die Spaltungsregel anhand der Kreuzung Gg × Gg und unterscheiden Sie Phänotyp- vom Genotypverhältnis.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Stammbaumanalyse — Erbgangbestimmung#

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Stammbaumsymbole — autosomal-rezessiver Erbgang

Abb. 3Kreis = weiblich, Quadrat = männlich; ausgefüllt = betroffen; horizontale Linie = Paar, vertikale Linie = Nachkommen.

Im Bereich der Humangenetik sind gezielte Kreuzungen unmöglich; man ist auf die Auswertung von Familienstammbäumen angewiesen. Ein Stammbaum stellt die Vererbung eines Merkmals über mehrere Generationen dar und folgt festen Symbolen: Quadrate stehen für Männer, Kreise für Frauen, ausgefüllte Symbole für Betroffene, eine waagerechte Verbindungslinie für eine Partnerschaft, senkrechte Linien für die Nachkommen; Generationen werden mit römischen, Einzelpersonen mit arabischen Ziffern bezeichnet. Aus dem Muster der Betroffenen lässt sich der Erbgang erschließen.

Zu unterscheiden sind vier Haupttypen: autosomal-dominant, autosomal-rezessiv, X-chromosomal-dominant und X-chromosomal-rezessiv (selten auch Y-chromosomal bzw. holandrisch oder mitochondrial). Jeder Typ hinterlässt im Stammbaum ein charakteristisches Muster, an dem er erkennbar ist; ein Konduktor (Träger) ist dabei eine heterozygote, klinisch gesunde Person, die das Allel dennoch weitergeben kann.

Bei einem autosomal-rezessiven Erbgang kann das Merkmal Generationen überspringen, weil heterozygote Träger (Konduktoren) klinisch gesund sind und das Allel unbemerkt weitergeben. Betroffen ist nur, wer beide rezessiven Allele besitzt; Männer und Frauen sind gleich häufig betroffen. Ein klassisches Indiz: Zwei gesunde Eltern haben ein betroffenes Kind. Beispiele sind Mukoviszidose und Phenylketonurie.

Bei einem autosomal-dominanten Erbgang tritt das Merkmal in jeder Generation auf (es überspringt keine), und jeder Betroffene hat in der Regel mindestens einen ebenfalls betroffenen Elternteil; auch hier sind beide Geschlechter gleich häufig betroffen. Beispiel ist die Chorea Huntington.

Bei einem X-chromosomal-rezessiven Erbgang sind Männer deutlich häufiger betroffen, weil sie für X-chromosomale Gene nur ein Allel besitzen (hemizygot) und ein rezessives Allel daher sofort zur Ausprägung kommt. Die Vererbung läuft typischerweise über klinisch gesunde Konduktorinnen; ein betroffener Vater gibt sein krankes X-Allel an alle Töchter (die dadurch Trägerinnen werden), aber an keinen Sohn. Beispiele sind die Bluterkrankheit (Hämophilie) und die Rot-Grün-Sehschwäche.

Bei einem X-chromosomal-dominanten Erbgang sind die Töchter eines betroffenen Vaters ausnahmslos betroffen, seine Söhne dagegen nie (der Vater gibt ihnen sein Y-Chromosom). Das Merkmal tritt in jeder Generation auf, und Frauen sind tendenziell häufiger betroffen als Männer.

Die Bestimmung gelingt mit einem systematischen 4-Schritt-Verfahren: (1) Überspringt das Merkmal eine Generation oder haben gesunde Eltern ein betroffenes Kind, ist es rezessiv; tritt es in jeder Generation auf, eher dominant. (2) Sind Männer auffällig häufiger betroffen, deutet das auf X-chromosomal, sonst auf autosomal. (3) Eine direkte Vater-Sohn-Weitergabe des Merkmals schließt einen X-chromosomalen Erbgang aus, denn der Vater vererbt seinem Sohn das Y-, nie das X-Chromosom. (4) Anschließend prüft man die Annahme an allen Personen des Stammbaums und berechnet daraus Genotyp- und Erkrankungswahrscheinlichkeiten. Niemals darf man aus einer einzelnen Familie vorschnell schließen — entscheidend ist das Gesamtmuster.

Musterlösung

Stammbaumanalyse — Erbgang und Trägerwahrscheinlichkeit

Zwei klinisch gesunde Eltern (I-1 ♂, I-2 ♀) haben eine betroffene Tochter (II-1) und einen gesunden Sohn (II-2). Bestimmen Sie den Erbgang und die Wahrscheinlichkeit, dass der gesunde Sohn Träger des betreffenden Allels ist.

Schritt 1 — rezessiv oder dominant?
Beide Eltern sind gesund, ihr Kind ist betroffen — das Merkmal hat eine Generation übersprungen. Es muss also rezessiv sein; bei einem dominanten Erbgang müsste mindestens ein Elternteil eines Betroffenen ebenfalls betroffen sein.
Schritt 2 — autosomal oder X-chromosomal?
Das betroffene Kind ist weiblich. Wäre der Erbgang X-chromosomal-rezessiv, müsste die Tochter ihr eines krankes X-Allel vom Vater erhalten haben — der Vater wäre dann selbst betroffen. Er ist aber gesund. Folglich liegt ein autosomal-rezessiver Erbgang vor.
Schritt 3 — Elterngenotypen ableiten
Die betroffene Tochter ist aa und hat je ein a-Allel von jedem Elternteil. Beide gesunden Eltern müssen daher heterozygote Träger (Aa) sein — sie sind obligate Konduktoren.
$I\text{-}1{:}\ Aa \quad \times \quad I\text{-}2{:}\ Aa$
Schritt 4 — Spaltung der Nachkommen
Aus Aa × Aa ergibt sich das Genotypverhältnis 1 AA : 2 Aa : 1 aa. Der Sohn II-2 ist gesund, gehört also zu den Genotypen AA oder Aa (im Verhältnis 1 : 2).
$AA : Aa : aa = 1 : 2 : 1$
Schritt 5 — bedingte Wahrscheinlichkeit
Unter den gesunden Kindern (1 AA + 2 Aa) ist der Anteil der Träger 2 von 3. Die Bedingung „gesund" schließt den Genotyp aa aus, sodass nur über AA und Aa zu rechnen ist.
$P(\text{Träger} \mid \text{gesund}) = \dfrac{2}{1+2} = \dfrac{2}{3} \approx 67\,\%$

Ergebnis: Autosomal-rezessiver Erbgang; der gesunde Sohn ist mit Wahrscheinlichkeit 2/3 heterozygoter Träger.

Typische Fehler

Autosomal-dominant mit X-chromosomal-rezessiv verwechselt.
Übersprungene Generation als Hinweis für dominanten Erbgang gedeutet.
Vater-Sohn-Übergang wird bei X-chromosomalem Erbgang akzeptiert — biologisch ausgeschlossen.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie unvollständige Penetranz und variable Expressivität als Ursachen für scheinbare Abweichungen von Mendel-Regeln.

Aktive Wiederholung

Analysieren Sie einen Stammbaum mit drei Generationen und bestimmen Sie den Erbgang nach dem 4-Schritt-Schema; berechnen Sie die Erkrankungswahrscheinlichkeit für einen ungeborenen Sohn.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Dihybrider Erbgang, Kopplung und Chi-Quadrat-Test#

VertiefungKMK-Bio-2.6.3biologie-klassische-genetik

Der dihybride Erbgang verfolgt zwei Merkmale gleichzeitig. Kreuzt man zwei in beiden Merkmalen heterozygote Individuen (AaBb × AaBb) und liegen die Gene auf verschiedenen Chromosomen, so spaltet die F2 im Phänotyp im Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1 auf. Dieses Verhältnis ist die Kombination zweier unabhängiger 3 : 1-Spaltungen (3 : 1 × 3 : 1), und es treten neue, in den Eltern nicht vorhandene Merkmalskombinationen auf — die anschauliche Folge der mendelschen Unabhängigkeitsregel.

Liegen zwei Gene jedoch auf demselben Chromosom, werden sie gemeinsam vererbt: Sie sind gekoppelt. Dann weicht die F2 deutlich vom 9 : 3 : 3 : 1-Verhältnis ab, weil die elterlichen Allelkombinationen überrepräsentiert sind. Die Genkopplung wurde von Thomas Hunt Morgan an der Taufliege Drosophila entdeckt und durchbricht scheinbar die Unabhängigkeitsregel — tatsächlich bestätigt sie die Chromosomentheorie, denn gekoppelt sind genau die Gene eines Chromosoms.

Vollständig ist die Kopplung allerdings nicht, denn das Crossing-over in der Prophase der Meiose I trennt gekoppelte Gene wieder. Der Anteil der so entstehenden Rekombinanten an allen Nachkommen heißt Rekombinationsfrequenz. Sie ist umso größer, je weiter zwei Gene auf dem Chromosom auseinanderliegen — denn dann ist die Wahrscheinlichkeit eines dazwischenliegenden Crossing-over höher. Sturtevant nutzte das 1913, um die Rekombinationsfrequenz als Kartenabstand zu verwenden: 1 % Rekombination entspricht 1 centiMorgan (cM). Der Maximalwert liegt bei 50 % — dann verhalten sich die Gene faktisch unabhängig (entweder weit entfernt oder auf verschiedenen Chromosomen).

Aus einer Drei-Faktoren-Kreuzung lässt sich sogar die Reihenfolge dreier Gene auf dem Chromosom bestimmen: Doppelte Crossover sind am seltensten, und der Vergleich der Eltern- mit der doppelten Rekombinantenklasse verrät, welches Gen in der Mitte liegt. So entstand die klassische genetische Kartierung lange vor der DNA-Sequenzierung.

Ob eine beobachtete Spaltung signifikant von der erwarteten abweicht oder nur zufällig schwankt, prüft der Chi-Quadrat-Test: χ² = Σ (O − E)² / E, wobei O die beobachteten und E die erwarteten Häufigkeiten sind. Den errechneten Wert vergleicht man mit einem kritischen Wert der χ²-Verteilung bei der Anzahl der Freiheitsgrade df = Klassenzahl − 1 und dem Signifikanzniveau α = 0,05. Liegt χ² darunter, ist die Abweichung zufällig (die Hypothese wird beibehalten), liegt er darüber, ist sie signifikant. Voraussetzung ist, dass in jeder Klasse mindestens etwa fünf Fälle erwartet werden.

Abweichungen von den klassischen Verhältnissen sind also nicht vorschnell als Messfehler abzutun; sie haben oft biologische Ursachen. Bei der Epistasie überdeckt ein Gen die Wirkung eines anderen, was zu veränderten Verhältnissen wie 9 : 3 : 4, 12 : 3 : 1 oder 9 : 7 führt. Letale Allele lassen bestimmte Genotypkombinationen absterben und verändern die Spaltung (etwa 2 : 1 statt 3 : 1). Kopplung, Epistasie und Letalität sind damit drei eigenständige Erklärungen für „untypische" Spaltungsverhältnisse.

\chi^{2} = \sum_{i} \dfrac{(O_{i} - E_{i})^{2}}{E_{i}}

Chi-Quadrat-Test

Prüft, ob beobachtete Häufigkeiten Oᵢ signifikant von erwarteten Eᵢ abweichen — Standardtest für Mendelsche Kreuzungen.

Musterlösung

χ²-Test bei einer Mendelkreuzung

In einer F2-Generation werden 320 gelbe und 80 grüne Erbsen beobachtet. Prüfen Sie mit α = 0,05 und einem Freiheitsgrad, ob die Daten zur erwarteten 3:1-Spaltung passen.

Schritt 1 — Erwartung
Bei 400 Pflanzen erwartet man E(gelb) = 300, E(grün) = 100.
Schritt 2 — χ² berechnen
Summiere die quadratischen relativen Abweichungen.
$\chi^{2} = \dfrac{(320-300)^{2}}{300} + \dfrac{(80-100)^{2}}{100} \approx 5{,}33$
Schritt 3 — Kritischer Wert
Bei df = 1 und α = 0,05 ist χ²_krit = 3,84.
Schritt 4 — Entscheidung
5,33 > 3,84 — Nullhypothese (3:1) wird abgelehnt.
Schritt 5 — Diskussion
Mögliche Ursachen: Selektion gegen grüne Embryonen, unvollständige Dominanz, Stichprobenfehler.

Ergebnis: χ² ≈ 5,33 > 3,84; Hypothese der 3:1-Spaltung wird abgelehnt.

Typische Fehler

Erwartete Werte werden aus dem Phänotypverhältnis statt aus dem korrigierten Anteil berechnet.
Freiheitsgrade falsch (z. B. df = n − 2 bei einfacher Spaltung).
Kopplung mit Crossing-over gleichgesetzt — Crossing-over ist ja gerade die Trennung gekoppelter Gene.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie das Drei-Faktor-Kreuzungsschema und die Ordnung von Genen anhand der Doppelcrossover-Häufigkeit.

Aktive Wiederholung

Werten Sie eine F2-Spaltung (320 gelb : 80 grün) mit dem Chi-Quadrat-Test bei df = 1 und α = 0,05 aus und interpretieren Sie das Ergebnis.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Multiple Allele und nichtmendelsche Erbgänge#

StandardKMK-Bio-2.6.3biologie-klassische-genetik

Punnett-Quadrat — monohybrider Erbgang

Abb. 4Kreuzung Gg × Gg ergibt Genotypen 1 GG : 2 Gg : 1 gg und Phänotypen 3 : 1.

Nicht jeder Erbgang folgt dem einfachen Schema „ein Gen, zwei Allele, vollständige Dominanz". Bei der multiplen Allelie existieren für ein Gen in der Population mehr als zwei Allele, ein einzelnes (diploides) Individuum trägt aber immer nur zwei davon. Klassisches Beispiel ist das AB0-Blutgruppensystem mit den drei Allelen Iᴬ, Iᴮ und i (I⁰): In der Bevölkerung kommen alle drei vor, jeder Mensch besitzt jedoch nur zwei.

Die Kodominanz beschreibt den Fall, dass beide Allele eines Heterozygoten gleichberechtigt und vollständig ausgeprägt werden — keines überdeckt das andere. Beim AB0-System bilden Iᴬ und Iᴮ zusammen die Blutgruppe AB (beide Antigene sind auf den Erythrozyten vorhanden); ein weiteres Beispiel sind die MN-Blutgruppen. Kodominanz ist nicht mit dem intermediären Erbgang zu verwechseln.

Beim intermediären Erbgang (unvollständige Dominanz) zeigen Heterozygote eine echte Mischform zwischen den beiden Homozygoten — die rosa Blüte der Wunderblume aus der Kreuzung rot × weiß. Da hier jeder Genotyp einen eigenen Phänotyp hat, entspricht das F2-Phänotypverhältnis genau dem Genotypverhältnis 1 : 2 : 1.

Bei der Polygenie wirken mehrere Gene additiv auf dasselbe Merkmal. Dadurch entsteht keine scharfe Aufspaltung in wenige Klassen, sondern eine kontinuierliche Variation mit glockenförmiger (normalverteilter) Häufigkeit — etwa bei der Körpergröße oder der Hautfarbe des Menschen. Solche quantitativen Merkmale werden zudem stark von Umweltfaktoren mitgeprägt.

Die Pleiotropie ist gewissermaßen der umgekehrte Fall: Ein einziges Gen beeinflusst mehrere, scheinbar unverbundene Merkmale. Das Sichelzellallel etwa verursacht im homozygoten Zustand eine Anämie, vermittelt aber zugleich eine Resistenz gegen Malaria. Polygenie (viele Gene → ein Merkmal) und Pleiotropie (ein Gen → viele Merkmale) sind genau gegenläufig und dürfen nicht vertauscht werden.

Bei der Genwechselwirkung, speziell der Epistasie, überdeckt das eine Gen die Wirkung eines anderen. Dadurch verändern sich die erwarteten dihybriden Spaltungsverhältnisse zu Mustern wie 9 : 3 : 4 oder 12 : 3 : 1 — ein klassisches Beispiel ist die Fellfarbe bei Mäusen, bei der ein Gen über die Pigmentbildung überhaupt entscheidet und ein zweites nur deren Farbton festlegt.

Letalfaktoren schließlich sind Allelkombinationen, die nicht lebensfähig sind. Sterben bestimmte Genotypen bereits vor der Geburt ab, verschiebt sich das beobachtete Spaltungsverhältnis — etwa von 3 : 1 zu 2 : 1, wenn der homozygote Genotyp letal ist (bekannt vom gelben Fell der Hausmaus). Auch das ist also keine Verletzung der Mendel-Regeln, sondern eine Folge unterschiedlicher Überlebensraten.

AB0-Blutgruppensystem — Antigene und Antikörper

Abb. 5Erythrozytenantigene (A, B) und im Plasma vorhandene Antikörper bestimmen Verträglichkeit; 0 ist Universalspender, AB Universalempfänger.

Musterlösung

Blutgruppenvererbung — multiple Allele

Eine Mutter mit Blutgruppe A (Genotyp IᴬI⁰) und ein Vater mit Blutgruppe B (Genotyp IᴮI⁰) bekommen Kinder. Bestimmen Sie die möglichen Blutgruppen der Kinder und ihre Wahrscheinlichkeiten.

Schritt 1 — Allele und Dominanz
Das AB0-System kennt drei Allele: Iᴬ und Iᴮ sind kodominant, I⁰ ist gegenüber beiden rezessiv.
Schritt 2 — Gameten bilden
Die Mutter (IᴬI⁰) bildet Iᴬ- und I⁰-Gameten, der Vater (IᴮI⁰) Iᴮ- und I⁰-Gameten.
Schritt 3 — Kombinationen im Punnett-Quadrat
Die vier gleich wahrscheinlichen Kombinationen lauten IᴬIᴮ, IᴬI⁰, IᴮI⁰ und I⁰I⁰.
Schritt 4 — Phänotypen zuordnen
IᴬIᴮ → AB, IᴬI⁰ → A, IᴮI⁰ → B, I⁰I⁰ → 0; alle vier Blutgruppen sind je zu 25 % möglich.
Schritt 5 — Interpretation
Aus zwei Eltern der Gruppen A und B können Kinder aller vier Blutgruppen entstehen — ein klassisches Beispiel multipler Allelie mit Kodominanz, das einfache dominant-rezessive Erwartungen widerlegt.

Ergebnis: Je 25 % AB, A, B und 0 — alle vier Blutgruppen sind möglich.

Typische Fehler

Kodominanz und intermediärer Erbgang werden gleichgesetzt — bei Kodominanz sind beide Allele sichtbar, intermediär entsteht eine Mischform.
Multiple Allelie wird so verstanden, dass ein Individuum mehr als zwei Allele trägt.
Polygenie und Pleiotropie werden vertauscht.
Abweichende Spaltungsverhältnisse werden vorschnell als Messfehler statt als Epistasie/Letalität gedeutet.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die Heterozygotenvorteil-Hypothese am Sichelzellallel und ihre populationsgenetische Bedeutung in Malariagebieten.

Aktive Wiederholung

Bestimmen Sie für eine Kreuzung von Eltern der Blutgruppen A (IᴬI⁰) und B (IᴮI⁰) die möglichen Blutgruppen der Kinder und erläutern Sie das Prinzip der Kodominanz.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Geschlechtsbestimmung und gonosomale Vererbung#

StandardKMK-Bio-2.6.3biologie-klassische-genetik

Stammbaumsymbole — autosomal-rezessiver Erbgang

Abb. 6Kreis = weiblich, Quadrat = männlich; ausgefüllt = betroffen; horizontale Linie = Paar, vertikale Linie = Nachkommen.

Beim Menschen wird das Geschlecht chromosomal festgelegt: Neben 22 Autosomenpaaren trägt jede Zelle ein Paar Geschlechtschromosomen (Gonosomen) — XX bei Frauen, XY bei Männern. Entscheidend ist aber nicht das Y-Chromosom als Ganzes, sondern ein einzelnes Gen darauf: das SRY-Gen. Es wirkt als Schalter, der die Entwicklung der Hoden und damit die männliche Differenzierung auslöst; fehlt es, entwickelt sich der Embryo weiblich. Pauschal „das Y macht männlich" zu sagen, verfehlt diesen Mechanismus.

Die XY-Bestimmung ist nur eines von mehreren Systemen im Tierreich. Bei manchen Insekten entscheidet das XX/X0-System, bei Vögeln und Schmetterlingen das ZW/ZZ-System (hier ist das Weibchen das heterogametische Geschlecht). Bienen nutzen die Haplodiploidie: Weibchen entstehen diploid aus befruchteten, Männchen (Drohnen) haploid aus unbefruchteten Eiern. Bei manchen Reptilien bestimmt sogar die Bruttemperatur das Geschlecht. Die Annahme, das Geschlecht werde immer durch X und Y festgelegt, ist daher falsch.

Eine wichtige Folge der XY-Konstellation ist die Hemizygotie der Männer: Für die Gene des X-Chromosoms besitzen sie nur ein einziges Allel. Ein rezessives Allel auf dem X kommt bei ihnen deshalb sofort zum Vorschein, weil kein zweites X es überdecken kann. Genau das erklärt, warum X-chromosomal-rezessive Merkmale wie die Bluterkrankheit oder die Rot-Grün-Sehschwäche bei Männern viel häufiger auftreten als bei Frauen, die zwei X-Chromosomen besitzen.

Weil weibliche Zellen zwei X-Chromosomen tragen, drohte eine doppelte Gendosis gegenüber Männern. Zum Ausgleich (Dosiskompensation) wird in jeder weiblichen Zelle früh in der Entwicklung eines der beiden X-Chromosomen zufällig stillgelegt — es bleibt als dichtes Barr-Körperchen sichtbar (Lyonisierung). Da die Wahl zufällig erfolgt und an die Tochterzellen vererbt wird, entsteht ein Mosaik aus Zellgruppen mit jeweils aktivem mütterlichen oder väterlichen X. Sichtbar wird das beim dreifarbigen Fell der Schildpattkatzen.

Zwei Sonderwege der Vererbung sind streng einseitig: Die Y-chromosomale (holandrische) Vererbung gibt Merkmale nur vom Vater an alle Söhne weiter (Frauen besitzen kein Y). Die mitochondriale Vererbung verläuft ausschließlich maternal, weil die Mitochondrien der Eizelle, nicht die des Spermiums, an die Nachkommen weitergegeben werden — relevant etwa für mitochondriale Erbkrankheiten.

Um einen gonosomalen von einem autosomalen Erbgang zu unterscheiden, dient die reziproke Kreuzung: Man kreuzt dasselbe Merkmal einmal über den Vater und einmal über die Mutter. Ergeben sich je nach Elterngeschlecht unterschiedliche Nachkommen-Verhältnisse, liegt eine gonosomale (oder maternale) Vererbung vor; bei einem autosomalen Erbgang wäre das Ergebnis unabhängig vom Geschlecht der Eltern.

Typische Fehler

Hemizygotie der Männer für X-chromosomale Gene wird übersehen.
X-chromosomal-dominant und -rezessiv werden vertauscht.
Mitochondriale Vererbung wird als gonosomal eingeordnet.
Annahme, das Geschlecht werde immer durch X/Y bestimmt (ZW-, X0-Systeme ignoriert).

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie den Mechanismus der X-Inaktivierung (XIST-RNA) und ihre Bedeutung für die phänotypische Variabilität heterozygoter Frauen.

Aktive Wiederholung

Analysieren Sie anhand einer reziproken Kreuzung, ob die Rot-Grün-Sehschwäche autosomal oder X-chromosomal vererbt wird, und begründen Sie die unterschiedliche Häufigkeit bei Männern und Frauen.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Humangenetik und genetische Beratung#

VertiefungKMK-Bio-2.6.3biologie-klassische-genetik

Stammbaumsymbole — autosomal-rezessiver Erbgang

Abb. 7Kreis = weiblich, Quadrat = männlich; ausgefüllt = betroffen; horizontale Linie = Paar, vertikale Linie = Nachkommen.

Die Humangenetik ordnet Erbkrankheiten nach ihrem Erbgang, denn davon hängt das Wiederholungsrisiko ab. Autosomal-rezessiv vererbt werden etwa Mukoviszidose (zystische Fibrose) und Phenylketonurie (PKU); autosomal-dominant die Chorea Huntington; X-chromosomal-rezessiv die Hämophilie und die Muskeldystrophie vom Typ Duchenne. Dieselbe Symptomatik kann je nach Erbgang ein ganz unterschiedliches Risiko für weitere Kinder bedeuten, weshalb die Einordnung am Anfang jeder Beratung steht.

Von den Genmutationen zu unterscheiden sind die Chromosomenaberrationen, bei denen ganze Chromosomen zahlenmäßig verändert sind: die Trisomie 21 (Down-Syndrom), die Monosomie X (Turner-Syndrom, X0) und das Klinefelter-Syndrom (XXY). Sie entstehen durch eine Non-Disjunction in der Meiose und treten meist neu auf — sie werden also in der Regel nicht „vererbt", sondern bei der Gametenbildung der Eltern erstmals erzeugt.

Die genetische Beratung berechnet aus dem Stammbaum und den Genotypen der Eltern Wiederholungs- und Erkrankungswahrscheinlichkeiten für künftige Kinder. Sind beispielsweise beide Elternteile gesunde Träger einer autosomal-rezessiven Krankheit, erkrankt jedes Kind mit der Wahrscheinlichkeit von einem Viertel. Solche Werte sind grundsätzlich Wahrscheinlichkeiten, keine Sicherheiten — diese Unterscheidung ist in der Beratung zentral.

Zur vorgeburtlichen Abklärung dienen verschiedene Verfahren mit unterschiedlichem Risikoprofil. Der nicht-invasive Pränataltest (NIPT) untersucht zellfreie fetale DNA aus dem mütterlichen Blut und ist risikoarm, aber ein Screening; die invasiven Verfahren Amniozentese (Fruchtwasseruntersuchung) und Chorionzottenbiopsie liefern eine sichere Diagnose, tragen aber ein kleines Fehlgeburtsrisiko. Ihr Einsatz verlangt stets eine Abwägung von Aussagekraft und Risiko.

Das Neugeborenenscreening sucht früh nach behandelbaren Erkrankungen. Beim klassischen Beispiel PKU wird kurz nach der Geburt der Phenylalaninspiegel bestimmt; wird die Krankheit erkannt, verhindert eine konsequente phenylalaninarme Diät die sonst drohende schwere geistige Behinderung. Das zeigt exemplarisch den Nutzen einer frühen Diagnose: Ein an sich genetisch festgelegtes Schicksal lässt sich durch Umweltintervention abwenden.

Vorhersagen stoßen jedoch an Grenzen. Bei unvollständiger Penetranz tragen nicht alle Anlageträger das Merkmal sichtbar, bei variabler Expressivität ist es unterschiedlich stark ausgeprägt — beides erschwert die Prognose. Hinzu kommen multifaktorielle Erkrankungen (z. B. Diabetes Typ 2), die aus dem Zusammenspiel vieler Gene und der Lebensweise entstehen und keinem einfachen Erbgang folgen. Solche Krankheiten dürfen nicht monogen modelliert werden.

Musterlösung

Hardy-Weinberg — Albinismus

In einer Population treten 1 von 10 000 Menschen als Albinos (aa) auf. Berechnen Sie die Allelfrequenzen p, q und den Anteil heterozygoter Träger.

Schritt 1 — q² aus Phänotyp
Da Albinismus rezessiv ist, entspricht der Anteil der Betroffenen genau q².
$q^{2} = \dfrac{1}{10\,000} = 0{,}0001$
Schritt 2 — q durch Wurzelziehen
Die Allelfrequenz des rezessiven Allels ergibt sich aus q = √q².
$q = \sqrt{0{,}0001} = 0{,}01$
Schritt 3 — p aus Normierung
Wegen p + q = 1 folgt unmittelbar p = 1 − q.
$p = 1 - 0{,}01 = 0{,}99$
Schritt 4 — Anteil 2pq
Heterozygote Träger sind aufgrund der Binomialformel 2pq.
$2pq = 2 \cdot 0{,}99 \cdot 0{,}01 \approx 0{,}0198$
Schritt 5 — Interpretation
Rund 1,98 % der Bevölkerung sind heterozygote Träger — fast 200-mal mehr Menschen tragen das Allel, als phänotypisch sichtbar sind. Das erklärt, warum scheinbar verschwundene rezessive Erbkrankheiten dennoch auftreten.

Ergebnis: p ≈ 0,99; q ≈ 0,01; etwa 1,98 % heterozygote Träger.

Typische Fehler

Trisomie 21 wird als „vererbte" Krankheit dargestellt — sie entsteht meist neu durch Non-Disjunction.
Wahrscheinlichkeiten werden als Sicherheiten kommuniziert (deterministische Fehldeutung).
Penetranz und Expressivität werden gleichgesetzt.
Multifaktorielle Erkrankungen werden monogen modelliert.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie ethische Spannungsfelder der Pränataldiagnostik (Recht auf Nichtwissen, Eugenikvorwurf) und verknüpfen Sie sie mit dem Bioethik-Kapitel.

Aktive Wiederholung

Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass das Kind zweier heterozygoter Träger (Mukoviszidose, autosomal-rezessiv) erkrankt, und beurteilen Sie den Nutzen eines Neugeborenenscreenings.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.