Genkopplung: Wenn Gene gemeinsam vererbt werden

Vertiefung zum ThemaUnabhängigkeitsregel

Ein Mensch hat rund 20.000 Gene, aber nur 23 Chromosomenpaare. Also müssen sich Hunderte Gene ein Chromosom teilen – und die reisen bei der Vererbung meist gemeinsam. Diese Genkopplung bricht Mendels Unabhängigkeitsregel und wurde gerade dadurch zum Werkzeug, mit dem Forschende die ersten Genkarten zeichneten.

Genkopplung: Gene, die zusammenbleiben

Schon 1905, nur fünf Jahre nach der Wiederentdeckung von Mendels Regeln, stießen William Bateson, Edith Saunders und Reginald Punnett auf ein Rätsel. Sie kreuzten Duftwicken, die sich in Blütenfarbe und Pollenform unterschieden. In der F2 fanden sie nicht das erwartete 9 : 3 : 3 : 1: Die Kombinationen der Großeltern waren viel zu häufig, die neuen Kombinationen viel zu selten. Eine Erklärung hatten sie nicht.

Die lieferte ab 1910 die Arbeitsgruppe von Thomas Hunt Morgan an der Columbia University. Sie fand bei der Taufliege Drosophila melanogaster in wenigen Jahren Dutzende neue Mutationen und stellte fest: Die Merkmale fallen in vier Gruppen. Innerhalb einer Gruppe werden sie bevorzugt gemeinsam vererbt, zwischen den Gruppen unabhängig. Die Taufliege hat genau vier Chromosomenpaare – und die kleinste Gruppe mit nur wenigen Genen passte zum winzigen Chromosom 4. Das war ein starker Beleg dafür, dass Gene auf Chromosomen liegen.

Heute weiß man: Die Zahl der Kopplungsgruppen entspricht der Zahl der Chromosomen im einfachen Satz. Die Erbse hat 7 Kopplungsgruppen, der Mensch 23. Bei Männern zählt man X und Y getrennt, dann sind es 24. Für Gene derselben Kopplungsgruppe gilt die Unabhängigkeitsregel nach Mendel nur eingeschränkt.

Morgans Testkreuzung: Kopplung sichtbar machen

Ob zwei Gene gekoppelt sind, zeigt am klarsten eine Testkreuzung: Ein für beide Gene mischerbiges Tier wird mit einem doppelt rezessiven Partner gekreuzt. Der rezessive Partner liefert nur rezessive Allele, deshalb verrät der Phänotyp jedes Nachkommen direkt, welche Keimzelle das mischerbige Tier beigesteuert hat.

Ein klassisches Lehrbuchbeispiel nach Morgan nutzt zwei Gene auf Chromosom 2 der Taufliege: black (b: schwarzer Körper, rezessiv zu B: grau) und vestigial (v: Stummelflügel, rezessiv zu V: normale Flügel). Ein F1-Weibchen, das von einem Elternteil BV und vom anderen bv erhalten hat, wird mit einem Männchen bbvv gekreuzt:

Wären die Gene ungekoppelt, erwartest du vier gleich große Gruppen (je 575 von 2300). Stattdessen dominieren die beiden Elterntypen. Die Rekombinanten machen (206 + 185) : 2300 = 391 : 2300 ≈ 17 % aus.

Kopplungsbruch durch Crossing-over

Woher kommen die Rekombinanten? In der Prophase der Meiose I legen sich die homologen Chromosomen eng aneinander. Dabei können zwei Nicht-Schwesterchromatiden über Kreuz brechen und ihre Enden austauschen. Liegt dieser Bruch zwischen den beiden Genorten, entstehen Chromatiden mit neuen Allelkombinationen. Man spricht vom Kopplungsbruch.

Abb. 1 zeigt auch, warum die Rekombinationshäufigkeit nie über 50 % steigen kann: Selbst wenn in jeder einzelnen Meiose genau zwischen den beiden Genen ein Crossing-over stattfindet, sind nur zwei von vier Chromatiden betroffen. Gene, die sehr weit auseinanderliegen, erreichen deshalb höchstens 50 % – sie verhalten sich dann wie Gene auf verschiedenen Chromosomen.

Wichtig ist außerdem, wie die Allele auf die beiden Homologen verteilt sind. Liegen die beiden dominanten Allele auf demselben Chromosom (BV/bv), heißt das Kopplungsphase. Liegen sie auf verschiedenen Homologen (Bv/bV), spricht man von Abstoßungsphase. Dann sind Bv und bV die Elterntypen, und BV und bv entstehen erst durch Crossing-over.

Von der Rekombinationshäufigkeit zur Genkarte

Morgans Student Alfred Sturtevant zog 1913 aus solchen Zahlen den entscheidenden Schluss: Wenn Gene auf einem Chromosom in einer Reihe liegen, müssen sich ihre Abstände addieren lassen. So kannst du selbst vorgehen:

1. Rekombinanten erkennenBestimme die Elterntypen (die häufigsten Klassen) und die Rekombinanten (die seltenen Klassen).
2. Rekombinationshäufigkeit berechnenRekombinationshäufigkeit = Zahl der Rekombinanten : Gesamtzahl · 100 %.
3. In Centimorgan übertragen1 % Rekombination entspricht 1 cM Kartenabstand.
4. Reihenfolge bestimmenVergleiche die Abstände von drei Genen: Das Gen, dessen Abstände zu den beiden anderen zusammen den größten Abstand ergeben, liegt in der Mitte.

Im Beispiel liegt cn in der Mitte: 9 % + 9,5 % kommen dem Abstand b–vg am nächsten. Dass die direkte Messung mit 17 % etwas kleiner ausfällt, ist kein Rechenfehler. Finden zwischen zwei weit entfernten Genen zwei Crossing-over statt, wird die ursprüngliche Kombination wiederhergestellt – die Nachkommen sehen wie Elterntypen aus. Kurze Abstände liefern deshalb die genaueren Karten.

Warum gekoppelte Gene kein 9 : 3 : 3 : 1 ergeben

Beim dihybriden Erbgang mit ungekoppelten Genen bildet ein AaBb-Lebewesen vier Keimzellsorten zu je 25 %. Sind die Gene dagegen vollständig gekoppelt, gibt es in Kopplungsphase (AB/ab) nur zwei Sorten: AB und ab, je 50 %. Kreuzt man zwei solche Tiere, ergibt das Kombinationsquadrat nur vier Felder: 3/4 zeigen beide dominanten Merkmale, 1/4 beide rezessiven. Aus 9 : 3 : 3 : 1 wird 3 : 1, die Neukombinationen fehlen ganz.

In der Realität liegt das Ergebnis meist dazwischen: Weil Crossing-over hin und wieder doch Neukombinationen erzeugt, treten alle vier Phänotypen auf, aber die gemischten Klassen sind deutlich kleiner als 3/16. Genau diese Abweichung hatten Bateson und Punnett bei ihren Duftwicken beobachtet.

Fachbegriffe

Genkopplung

Gemeinsame Vererbung von Genen, die auf demselben Chromosom liegen.

Kopplungsgruppe

Alle Gene eines Chromosoms; ihre Zahl entspricht der Zahl der Chromosomen im einfachen Satz.

Kopplungsbruch

Trennung gekoppelter Allele durch Crossing-over zwischen den Genorten.

Rekombinante

Nachkomme mit einer Allelkombination, die durch Crossing-over neu entstanden ist.

Rekombinationshäufigkeit

Anteil der Rekombinanten an allen Nachkommen in Prozent; Maß für den Genabstand.

Centimorgan (cM)

Einheit der Genkarte: 1 cM entspricht 1 % Rekombination.

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