3.1: Genetische Analysen im Überblick

Unsere Eigenschaften hängen von den genetischen Varianten ab, die wir von unseren Eltern erben. Um zu verstehen, warum eine Person eine bestimmte Reihe von Merkmalen oder "Phänotyp" hat, Forscher untersuchen die Funktion einzelner Gene und ihrer Allele und wie Gene miteinander und mit der Umwelt interagieren.

In diesem Video behandeln wir eine kurze Geschichte der Genetik, wichtige Fragen auf diesem Gebiet, von Genetikern verwendete Werkzeuge und einige aktuelle Forschungsergebnisse.

Beginnen wir mit einem Überblick über einige grundlegende Entdeckungen in der Genetik.

In den 1850er bis 60er Jahren führte Gregor Mendel Paarungsexperimente an Erbsenpflanzen durch und beobachtete, dass die Vererbung von Merkmalen vorhersehbaren Regeln folgte und von elterlichen Faktoren abhing.

Zur gleichen Zeit stellte Charles Darwin seine Theorie der Evolution durch natürliche Selektion vor, die auf vererbbaren Variation von Merkmalen innerhalb von Populationen beruhte, die zu einem unterschiedlichen Überleben führte. Es sollte jedoch mehr als 70 Jahre dauern, bis der Zusammenhang zwischen Mendel und Darwins Werk endgültig verstanden wurde.

Obwohl Mendels Forschungen weitgehend in Vergessenheit gerieten, tauchten sie im Jahr 1900 wieder auf und wurden von William Bateson populär gemacht, der auch den Begriff "Genetik" prägte und 1909 benutzte Wilhelm Johannsen zum ersten Mal das Wort "Gen" in Bezug auf Mendels Faktoren. In den frühen 1900er Jahren beschrieb Bateson zusammen mit R. C. Punnett und Edith Saunders auch die Epistase, bei der verschiedene Gene interagieren, um einen Phänotyp zu beeinflussen; und Verknüpfung, bei der verschiedene Merkmale zusammen vererbt zu werden scheinen.

Im Jahr 1911 schlugen Thomas Hunt Morgan und Kollegen bei der Untersuchung der Fruchtfliege Drosophila einen Mechanismus für die Verknüpfung vor, bei dem Gene auf Chromosomen lokalisiert sind und Gene auf demselben Chromosom zusammen vererbt werden. Zwei Jahre später benutzte Morgans Schüler Alfred Sturtevant eine solche "Verknüpfung" die erste genetische Karte zu erstellen, die die relativen Positionen von Genen entlang der Chromosomen darstellt.

Trotz des Erfolgs von Morgan und anderen blieben Zweifel an der Anwendbarkeit von Mendels Genetik bestehen, um die Vererbung vieler Merkmale, wie z.B. der menschlichen Größe, zu erklären, die eine kontinuierliche Variation in einer Population zeigen. R. A. Fisher überbrückte diese Lücke 1918 erfolgreich, als er zeigte, dass sich kontinuierlich variierende Merkmale durch die additive Wirkung einer Vielzahl von Genen erklären lassen.

In den folgenden zwei Jahrzehnten lieferte Fisher zusammen mit Sewall Wright und J. B. S. Haldane weitere mathematische und experimentelle Beweise, um zu erklären, wie Allelfrequenzen in Populationen durch Faktoren wie natürliche Selektion sowie genetische Drift oder den Effekt zufälliger Ereignisse beeinflusst werden können. In den 1950er Jahren war es diesen Populationsgenetikern gelungen, die Arbeiten von Mendel und Darwin in der ? Moderne Synthese der Biologie.?

Nachdem wir die Geschichte der Genetik überprüft haben, wollen wir einige Schlüsselfragen auf diesem Gebiet untersuchen.

Obwohl einige Phänotypen monogen sind und von einzelnen Genen gesteuert werden, sind die meisten polygen und resultieren aus der kombinierten Wirkung mehrerer Gene. Viele Wissenschaftler untersuchen, wie Gene in Signalwegen oder Netzwerken funktionieren, um Merkmale zu erzeugen.

Andere Forscher sind daran interessiert, die Rolle von Genen und Umweltfaktoren bei der Entstehung verschiedener Merkmale auseinanderzuhalten. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die "Reaktionsnorm" zu bewerten. eines Genotyps oder die Bandbreite der Phänotypen, die er in verschiedenen Umgebungen hervorbringt. Genetiker vergleichen auch das phänotypische Profil verschiedener Genotypen für Individuen innerhalb derselben Umwelt. Dies ergibt eine Schätzung für die ?Erblichkeit? eines Merkmals oder das Ausmaß der phänotypischen Varianz innerhalb einer Population, die auf genetische Varianz zurückzuführen ist. Die Heritabilität wird sowohl durch genotypische als auch durch umweltbedingte Variation beeinflusst, und die Heritabilität eines Merkmals kann von Umweltbedingungen zu Umweltbedingungen unterschiedlich sein.

Schließlich versuchen Wissenschaftler auch zu verstehen, warum bestimmte Allele, selbst solche, die schädliche Eigenschaften wie Sichelzellenanämie verleihen, in einer Population verbleiben. Dazu untersuchen sie, wie Kräfte wie Migration und natürliche Selektion die Häufigkeit von Allelen und Merkmalen in einer Population beeinflussen können.

Nachdem wir nun die Fragen gesehen haben, die Genetiker stellen, schauen wir uns die Werkzeuge an, die verwendet werden, um sie zu beantworten.

Eine beliebte Methode ist die genetische Kreuzung, bei der Organismen mit unterschiedlichen Genotypen oder Phänotypen gepaart und Merkmale bei den Nachkommen beobachtet werden. Genetische Kreuzungen können Forschern dabei helfen zu bewerten, wie viele Gene ein bestimmtes Merkmal bestimmen, wie Gene und ihre Allele miteinander interagieren und wo die chromosomalen Positionen von Genen liegen.

Ein weiteres Instrument zur Identifizierung neuer Gene, die an Phänotypen beteiligt sind, ist der genetische Screen. Bildschirme können "vorwärts," wo Forscher mutierte nach dem Zufallsprinzip erzeugen und die mutierten Gene identifizieren, die zu interessanten Phänotypen führen; oder sie können "umgekehrt" sein. wo Forscher Mutationen in bestimmten Genen induzieren und beobachten, welche Merkmale betroffen sind. Screenings können auch die Züchtung von Organismen mit demselben Genotyp in verschiedenen Umgebungen oder die Kreuzung eines mutierten Organismus mit einer Reihe von Gendeletionsmutanten umfassen, um neue Gen-Umwelt- oder Gen-Gen-Interaktionen zu identifizieren.

Um zu verstehen, wie sich Allelfrequenzen in Populationen ändern, können Evolutionsexperimente durchgeführt werden. Diese Experimente erfordern, dass eine Gruppe von Organismen unter einem Selektionsdruck, wie eine einzige Nahrungsquelle, über mehrere Generationen hinweg gezüchtet wird. Die Forscher können dann beurteilen, ob und wann vorteilhafte Mutationen auftreten und ob und wie sich diese Mutationen in einer Population etablieren.

Schauen wir uns nun einige aktuelle Anwendungen dieser genetischen Werkzeuge an.

Einige Forscher wenden Screenings bei Organismen an, die keine etablierten molekulargenetischen Werkzeuge haben, wie zum Beispiel das pathogene Bakterium Chlamydien. Hier wurden Primatenzellen zunächst mit diesen Bakterien infiziert und anschließend einem Mutagen ausgesetzt. Die Genome mutierter Chlamydien-Bakterien wurden dann sequenziert, um spezifische Nukleotidveränderungen zu identifizieren. Mit dieser Technik identifizierten die Forscher Mutationen, die dazu führten, dass Bakterien untypisch geformte "Plaques" bildeten. in Zellkulturen von Säugetieren, was möglicherweise auf Defekte in infektiösen Prozessen hinweist.

Andere Wissenschaftler kombinieren genetische Screenings und Kreuzungen, um Geninteraktionen zu verstehen. In diesem Experiment kreuzten Genetiker einen mutierten Hefestamm von Interesse mit einer Bibliothek von Deletionsmutanten. Die resultierenden Doppelmutanten wurden gescreent, indem sie unter den gleichen Bedingungen gezüchtet wurden, und ihre Wachstumsrate wurde bewertet, um ein Maß für die Mutanten abzuleiten? Fitness. Aus diesen Daten stellten die Forscher fest, dass das Vorhandensein einer Mutation in Doppelmutanten gelegentlich die Auswirkungen der anderen verstärken oder unterdrücken kann.

Schließlich entwickeln Wissenschaftler experimentelle Werkzeuge, um die Kräfte zu untersuchen, die die Populationsgenetik prägen. Hier wird ein Gerät namens Chemostat verwendet, damit Mikroben, wie z. B. Hefe, unter konstanten Bedingungen kultiviert werden können. Die Forscher führten einen Konkurrenztest durch, um zu zeigen, dass eine Mutation der Hefe unter bestimmten Wachstumsbedingungen einen Fitnessvorteil verschaffte. Darüber hinaus wurde ein Evolutionsexperiment durchgeführt, bei dem sich die Hefe an stickstoffarme Bedingungen anpassen konnte, und Mutationen in den Stickstoffstoffwechselwegen, die vermutlich zu einer verbesserten Fitness führten, wurden durch eine Gesamtgenomanalyse identifiziert.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Genetik von Individuen und Populationen gesehen. In diesem Video haben wir historische Höhepunkte und Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Genetik, prominente genetische Werkzeuge und einige aktuelle Anwendungen dieser Techniken besprochen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!