Wemer Buselmaier Gholamali Tariverdian. Begleittext zum Gegenstandskatalog. Mit 277 Einzelabbildungen und 116 Übersichten

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2 Springer-Lehrbuch

3 Wemer Buselmaier Gholamali Tariverdian Humangenetik Begleittext zum Gegenstandskatalog Mit 277 Einzelabbildungen und 116 Übersichten Springer-Verlag Berlin Beideiberg GmbH

4 Professor Dr. rer. nat. habil. Werner Buselmaier Universität Heidelberg, Klinikum Institut für Humangenetik und Anthropologie Im Neuenheimer Feld 328, D-6900 Beideiberg 1 Dr. med. Gholamali Tariverdian Universität Heidelberg, Klinikum Institut für Humangenetik und Anthropologie Im Neuenheimer Feld 328, D-6900 Beideiberg 1 ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Buselmaier, Wemer: Humangenetik I Werner Buselmaier ; Gholamali Tariverdian.- Berlin; Beideiberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1991 ISBN NE: Tariverdian, Gholamali: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfil mungoder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes Springer-Verlag Berlin Beideiberg Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Beideiberg New York 1991 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anband anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Einbandgestaltung: W. Eisenschink, Reddesheim Satzarbeiten: W. Huber, Ludwigsburg 15/3140/ Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Geleitwort Die Humangenetik hat in den letzten Jahrzehnten für die Medizin erheblich an Bedeutung gewonnen. Das verdankt sie großenteils den Fortschritten der Molekularbiologie, die es heute möglich machen, die Erbanlagen und ihre Wirkung auf das Krankheitsgeschehen mit einer Genauigkeit zu analysieren, von der man noch vor kurzer Zeit nur träumen konnte. So ist die Genetik dabei, sich zu der führenden theoretischen Grundlagenwissenschaft der Medizin zu entwickeln. In der Approbationsordnung für Ärzte, die seit etwa 20 Jahren in Kraft ist, drückt sich das bisher nur unvollkommen aus; aber immerhin wird Humangenetik jetzt im Rahmen des ersten Abschnittes des Medizinischen Staatsexamens schriftlich geprüft. Diese Prüfung setzt voraus, daß der Student die Möglichkeit erhält, den für ihn notwendigen Stoff nicht nur in Vorlesungen dargestellt zu bekommen, sondern ihn sich auch aus einem geeigneten Buch wiederholend anzueignen. Fragensammlungen und skriptenartige Lerntexte können diese Aufgabe nicht erfüllen. Ihr ausschließlicher Gebrauch ist sogar gefährlich, denn er verleitet zu oberflächlichem Erlernen von Fakten ohne theoretische Fundierung. Werner Buselmaier hat seine didaktischen Fähigkeiten durch das Buch "Biologie für Mediziner" bewiesen, das jetzt schon in der 6. Auflage vorliegt und sich seit 1974 bei den Medizinstudenten einen festen Platz erobert hat. Für die Abfassung des jetzt vorliegenden Werkes hat er sich mit Gholamali Tariverdian zusammengetan, der seit über 10 Jahren die Heidelberger Genetische Beratungsstelle leitet und in dieser Zeit umfassende praktische Erfahrungen in der medizinischen Genetik gewinnen konnte. Aus dieser Zusammenarbeit ist ein Buch entstanden, das den notwendigen Stoff in gut lesbarer und verständlicher Form vermittelt, ohne komplizierte Sachverhalte unzulässig zu vereinfachen. Ich hoffe sehr, daß es sich bei den Medizinstudenten genau so einführen wird, wie sich die "Biologie für Mediziner" eingeführt hat. Prof. Dr. med. Dr. h. c. Friedrich Vogel

6 Vorwort Der vorliegende Begleittext für das Fach Humangenetik orientiert sich eng am Gegenstandskatalog für den Ersten Abschnitt der Ärztlichen Prüfung. Dabei wurde von den Autoren versucht, didaktische Erfahrungen, die einer der Autoren (W. B.) mit dem im gleichen Verlag erschienenen Lehrbuch "Biologie für Mediziner" über 6 Auflagen sammeln konnte, von vomeherein in die Gestaltung des Textes mit einzubeziehen. Großer Wert wurde auf die Unterstützung des visuellen Lemens durch die Einführung zahlreicher zusammenfassender Übersichten und erläuternder Abbildungen gelegt. Die Kurzbeschreibung vieler wichtiger Erkrankungen soll aktuelle Bezüge zur praktischen genetischen Beratung und Diagnostik schaffen. Über eine Lernhilfe für Studenten hinausgehend wendet sich gerade der Teil, der die genetische Beratung und pränatale Diagnose trifft, auch an den niedergelassenen Gynäkologen und Pädiater. Für die praktische ärztliche Tätigkeit sollen hier Hinweise gegeben werden, die umgekehrt den studentischen Lesern Probleme aus der Praxis des Faches aufzeigen können. Dem Text wurde ein Glossarium der verwendeten Fachausdrücke angegliedert, das auch eine Kurzbeschreibung der Syndrome enthält, die in den Kapiteln erwähnt, aber nicht näher erläutert sind. Der Appendix der Genetischen Beratungsstellen im deutschsprachigen Raum mit den dort zur Verfügung stehenden weiterführenden Methoden soll dem Praktiker helfen, die richtigen diagnostischen Gesprächspartner schnell zu finden. Autoren und Verlag erhoffen sich Hinweise, Empfehlungen und kritische Beurteilungen des Textes von studentischer Seite und von Seiten der Fachkollegen, die entscheidend zu Verbesserungen in künftigen Auflagen beitragen können. Herzlich danken möchten die Autoren ihren wissenschaftlichen Lehrern undhiervorallemhermprof. Dr. med. Dr. h.c. F. Vogel für viele Diskussionsbeiträge, für die kritische Durchsicht des Manuskripts und für die Überlassung zahlreicher Abbildungen. Unser ganz besonderer Dank gilt auch dem Verlag mit Frau A. C. Repnow im Lektorat, die den Anstoß zu diesem Buch gab. Danken möchten wir auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern von der

7 VIII Vorwort Herstellung. Ohne eine enge Zusammenarbeit mit dem Verlag und ohne die Unterstützung der Verleger wäre das vorliegende Konzept nicht zu verwirklichen gewesen. Unser Dank gilt auch den Kollegen und Mitarbeitern des Instituts für Humangenetik und Anthropologie der l,jniversität Heidelberg für ihre wissenschaftliche Unterstützung und für die technische Assistenz bei der Fertigung der Abbildungen. Hervorheben möchten wir hier die engagiert ausgeführte Tätigkeit von Frau I. Beck bei der Herstellung der graphischen Arbeiten, und wir danken Frau E. Schalt, Frau A. Wiegenstein und Frau M. Lebküchner für die Hilfe bei den fotografischen Abbildungen. Frau M. Theisinger danken wir herzlich für die Übernahme eines Teils der Schreibarbeiten. Während der gesamten Erstellung des Manuskripts und durch die Übernahme vieler mühevoller Schreibarbeiten war Frau Stefanie Glowinski sowohl ideell als auch von der praktischen Ausführung her für W. B. eine große Unterstützung. Hierfür sei ihr an dieser Stelle herzlich gedankt. Heidelberg, im Sommer 1991 Werner Buselmaier Gholamali Tariverdian

8 Inhaltsverzeichnis Biochemische Grundlagen der Humangenetik.... Aufbau und Funktion des Genoms Universalität der genetischen Grundlagen.... Das Eukaryontengenom Variabilität des Genoms Transkription und Translation der genetischen Information Übertragung der genetischen Information von DNA aufrna.... Proteinbiosynthese-Translation.... Biologisch aktive Proteine DNA-Untersuchungen- diagnostische Anwendung beim Menschen Prinzipien der DNA-Analyse und Genotypendiagnostik Prinzipien der Kopplungsanalyse Kopplungsanalyse und Zellhybridisierungstechnik zur Genkartierung Mutationen und ihre Folgen für die Gesundheit... Arten von Mutationen Klassifizierung von Mutationen Mechanismus und Entstehung Ursachen von Mutationen.... Spontanmutationen Bedeutung des väterlichen Alters bei Genmutationen Induzierte Mutationen Beziehungen zwischen Genotyp und Phänotyp.... Funktionelle Folgen von Genmutationen.... Multiple Allelie Mutationen nicht gekoppelter Loci mit verwandter Funktion.... Zeitliche und örtliche Unterschiede der Genaktivität

9 X Inhaltsverzeichnis 3 Chromosomen des Menschen Charakterisierung und Darstellung menschlicher Chromosomen Strukturelle Varianten menschlicher Chromosomen Lyon-Hypothese Störungen der Geschlechtsentwicklung Geschlechtsdifferenzierung Die Bedeutung von Chromosomenaberrationen für die Geschlechtsdifferenzierung und -entwicklung Monogen erbliche Syndrome mit Störung der Geschlechtsentwicklung Kriterien für die Geschlechtszuordnung und die standesamtliche Eintragung des Geschlechts Chromosomenaberrationen Entstehungsmechanismen numerischer Chromosomenstörungen Faktoren, die die Häufigkeit des meiotischen Non-disjunctions beeinflussen Mitotisches Non-disjunction und dessen Folgen Fehlverteilung gonosomaler Chromosomen Ullrich-Turner-Syndrom Triple-X-Syndrom Klinefelter-Syndrom XYY-Syndrom XX-Männer FehlverteilungvonAutosomen Trisomie21 (Down-Syndrom) Trisomie 18 (Edwards-Syndrom) Trisomie 13 (Pätau-Syndrom) Trisomie Trisomie Triplaidie Strukturelle Chromosomenaberrationen Translokation Sonstige Strukturaberrationen Klinische Beispiele struktureller autosomaler Aberrationen Klinische Beispiele X-chromosomaler Strukturanomalien Strukturelle Y-Aberrationen

10 4.406 Kleinere autosomale Strukturveränderungen Inhaltsverzeichnis XI und monogene Syndrome o4o7 Mikrodeletionen des X-Chromosoms bei monogenen Erkrankungen o5 Chromosomenaberrationen bei Spontanaborten 0 o Häufige Symptome bei autosomalen Chromosomenaberrationen 0 0 o o o 184 4o6o1 Wachstumsretardierung 0 0 o 0 0 o o o o o o 0 o o o 184 4o6o2 Geistige Retardierung 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o 185 4o6o3 Dysmorphiezeichen o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 185 4o6.4 Fehlbildungen.. o o 0 o o o o o o o o o o o Veränderungen der Papillarmuster und Hautleisten o 7 Somatische Chromosomenaberrationen Chromosomenaberrationen nach Einwirkung ionisierender Strahlen o o o o o o o Chromosomenaberrationen nach Einwirkung chemischer Substanzen o o o 0 o 0 0 o o o o o 189 4o7o3 Chromosomenaberrationen nach Einwirkung biologischer Noxen Chromosomeninstabilität bei bestimmten Erbkrankheiten Chromosomenanomalien und Tumorgenese 0 0 o o 0 o Leukämien o8o2 Solide Tumoren o8o3 Tumorgenese Formale Genetik (Mendelsche Erbgänge) o o o o o 197 5o1 Kodominante Vererbung o o Autosomal-dominanterErbgang Definition und Vererbungsmodus o o o 0 o o o o o o Genetische Erkrankungen mit autosomal-dominantem Erbgang Genetische Grundlagenmorphologischer Anomalien 212 5o3 Autosomal-rezessiverErbgang 0 o o o 0 0 o o o o Definition und Vererbungsmodus o o o Genetische Erkrankungen mit autosomal-rezessivem Erbgang beim Menschen o3o3 Pseudodominanz o3.4 Bedeutung von Blutsverwandtschaft der Eltern für das Auftreten rezessiver Erbleiden o o 229 5o3o5 Nachweisbarkeit der Heterozygoten o3o6 Auswirkungen von Homozygotie und Heterozygotie 232

11 XII Inhaltsverzeichnis 5.4 X-chromosomale Vererbung Definition und Vererbungsmodus des X-chromosomal-rezessiven Erbgangs Genetische Erkrankungen mit X-chromosomalrezessivem Erbgang beim Menschen Unterschiedliche Genaktivität in Einzelzellen von Heterozygoten Definition und Vererbungsmodus des X-chromosomal-dominanten Erbgangs Genkoppelung Geschlechtsbegrenzung Genetische Heterogenität Mitochondriale Vererbung MultifaktorieUe (polygene) Vererbung Genetische Grundlage normaler Merkmale Genetische Faktoren bei der Körperhöhe Genetik der Intelligenz Genetische Grundlage pathologischer Merkmale Genetische Überlegungenzur Adipositas Genetik des Diabetes mellitus Hypertonie GenetikderOligophrenie Schizophrenie Affektive Psychosen Multifaktorielle Vererbung mit Schwellenwerteffekt Angeborenehypertrophische Pylorusstenose Kongenitale Hüftluxation Lippen-Kiefer-Gaumenspalte Klumpfuß Bedeutung der Zwillingsmethode in der humangenetischen Forschung Mechanismen der Zwillingsentstehung Unterscheidung von eineiigen und zweieiigen Zwillingen Prinzip der Zwillingsmethode Faktoren, die die Aussagefähigkeit der Zwillingsmethode einschränken

12 Inhaltsverzeichnis XIII 8 Populationsgenetik Definition des Populationsbegriffs o2 Genhäufigkeiten Hardy-Weinberg-Gleichgewicht Voraussetzungen für die Annahme eines Hardy-Weinberg-Gleichgewichts und Ursachen für Abweichungen o 00 o o o3 Unterschiede in Genhäufigkeiten zwischen VerschiedenenBevölkerungen o o 0 o o o 0 o o o 00 o Zusammenwirken von Mutation und Selektion o5 Balancierter genetischer Polymorphismus EnzymdefekteundderenFolgen Grundlagen von genetisch bedingten Stoffwechselstörungen o2 Pharmakagenetik Genetisch bedingte Variabilität der Arzneimittelwirkung Genmutation als Grundlage atypischer Arzneimittelwirkung o o o o Genetische Beratung Allgemeines o o 0 o o o o o o o 0 0 o o 0 o o o 0 o o o 0 o o o Auswirkung o 00 o o 00 o o 00 o o 0 00 o Indikation für eine genetische Beratung Medizinische Maßnahmen o 00 o o 00 o o 0 0 o o 00 o o Psychologische Aspekte der genetischen Beratung 0 0 Autosomal-rezessiveErkrankungen Wiederholungsrisiko 0 o o o o 0 o o 0 o o o 0 o o o 0 o o o Verwandtenehen Autosomal-dominanteErkrankungen o 000 o 0 00 o Wiederholungsrisiko Neumutationen 0 o o o o o o 0 o o o o o o o 0 o o o o 0 o o Phänokopien und somatische Mutationen 0 o o 000 o X-chromosomale Erkrankungen X-chromosomal-rezessive Erkrankungen X-chromosomal-dominante Erkrankungen Multifaktorielle Erkrankungen o 000 o 00 o 0 Wiederholungsrisiko 0 o o o 00 o o o o o o o o o o 0 o o o Erkrankungen durch Chromosomenaberrationen

13 XIV Inhaltsverzeichnis Wiederholungsrisiko nach Geburt eines Kindes mit Chromosomenstörung Altersbedingtes Risiko für eine Chromosomenstörung Habituelle Aborte und Infertilität Pränatale Diagnostik Pränataldiagnostische Methoden Indikationen für pränatale Diagnostik Praktisches Vorgehen bei pränataler Diagnostik... Exogene Faktoren Mutagene Wirkungen Teratogene Wirkungen Perspektiven für die Anwendung gentechnologischer Methoden bei der Therapie genetischer Erkrankungen Somatischer Gentransfer beim Menschen Gentransfer in Keimzellen Möglichkeiten des genetischen Abstammungs nachweises Abstammungsgutachten durch genetische Unterschiede in Blutgruppen und Serumproteinen.. Membranantigene der Erythrozyten Proteinpolymorphismen des Serums Enzympolymorphismen der Erythrozyten DasHLA-System.... Schlußfolgerungen Genetischer Abstammungsnachweis mit Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismen.. Abstammungsgutachten durch polysymptomatisch morphologischen Merkmalsvergleich Genetische BeratungssteHen und diagnostische Laboratorien im deutschsprachigen Raum Glossarium derverwendeten Fachausdrücke QueUenverzeichnis Sachverzeichnis

14 .... ~--~ ~ 1 Biochemische Grundlagen der Humangenetik 1.1 Autbau und Funktion des Genoms Universalität der genetischen Grundlagen Das Vorhandensein von Nukleinsäure ist ein universelles Charakteristikum der belebten Natur. Ohne Nukleinsäure gibt es auf unserem Planeten kein Leben, ja man kann das Nukleinsäuremolekül als die Grundsubstanz bezeichnen, die Leben definiert. Von einigen Virusfamilien abgesehen, die Ribonukleinsäure (RNA) enthalten, ist es immer die Desoxyribonukleinsäure (DNA), die die genetische Information eines Organismus beinhaltet. Dies gilt sowohl für die niederen Protisten, wie Bakterien und Blaualgen, die aus prokaryontischen Zellen aufgebaut sind, als auch- ausgehend von den höheren Protisten-für alle höheren Pflanzen und Tiere bis zum Menschen. Wissenschaftliche Erkenntnisse, die auf der Ebene der Nukleinsäure von Mikroorganismen (zu Mikroorganismen zählt man niedrige und höhere Protisten sowie Viren und Viroide) gewonnen wurden, haben daher in der Regel auch Gültigkeit für den Menschen. Die molekulare Biologie hat uns in den letzten Jahrzehnten einen revolutionären Erkenntniszuwachs beschert. Ihr Verdienst ist es, daß überwiegend an Mikroorganismen erarbeitete Grundlagen heute und in naher Zukunft zu völlig neuen Diagnose- und Therapiemöglichkeiten auf DNA-Ebene geführt haben bzw. noch führen werden. Dabei zeigt sich die Universalität der DNA und des Triplet-Raster-Codes. Am eindrucksvollsten demonstriert dies die Gentechnologie, bei der DNA von Eukaryonten auf Prokaryonten und umgekehrt übertragen werden kann, über praktisch alle Art-, Gattungs- und Familiengrenzen hinweg. UniversaHtät des genetischen Codes. Sucht man nach Erklärungen für die Universalität des genetischen Codes, so ist wohl am einleuchtendsten, daß jede Spezies immer Proteine bilden muß, unabhängig vom Ausmaß der Veränderungen, die sie im Laufe der Evolution durchläuft. Die Proteinbildung ist aber vom präzisen Einbau der 20 Aminosäuren an der richtigen

15 2 Biochemische Grundlagen der Humangenetik Stelle abhängig. Jede Mutation, die eine neue Codierung für eine bestimmte Aminosäure schaffen würde, würde unmittelbar alle Proteine betreffen, in denen die Aminosäure vorkommt. Würde der Code für eine Aminoäure (z. B. Valin) zufällig in den einer anderen geändert (z.b. Leucin), so würde die entsprechende t-rna diese Aminosäure in der Polypeptidkette falsch positionieren, bzw. sie würde mit der t-rna für die richtige Aminosäure um die Position konkurrieren. Dies hätte (im Beispiel Valin mit Leucin) für viele Proteine gleichzeitig drastische Konsequenzen mit letalen Auswirkungen. Mutationen haben also (dies zeigt uns auch die Analyse der Aminosäuresequenzen mutierter Proteine) meistens nur einzelne Aminosäuresubstitutionen in einzelnen Proteinen zur Folge. Dies läßt aber den genetischen Code unberührt. Der starke Selektionsdruck auf Konstanz des genetischen Codes wird auch dadurch bestätigt, daß dort, wo die Universalität für das evolutionäre Überleben nicht notwendig ist, tatsächlich abgewichen werden kann. Dies ist der Fall bei einigen mitochondrialen m-rna-codons (Übersicht 1.1). Da der Proteinsyntheseapparat der Mitochondrien nur einige wenige Proteine herstellt, ist die Veränderung des Codes tolerabel. Ja es scheint sogar eine ausgesprochene Ökonomie im Wechsel einzelner Codons zu liegen, da in einigen Fällen zwei Codons, die unterschiedliche Bedeutung haben, so verändert werden, daß sie für dieselbe Aminosäure kodieren. Übersicht 1.1. Unterschiede in der Translation einzelner m-rna-codons zwischen dem universellen Code und Mitochondrien m RNA Codon AUA AGA,AGG CUA UGA Pro und Eukaryontische Zellen Isoleuein Arginin Leuein Stop-Codon Hefe Aminosäuren Mitochondrien Methionin Arginin Threonin Tryptophan Drosophila Methionin Serin (AGA) Leuein Tryptophan Säuger Methionin Stop Codon Leuein Tryptophan Das Beispiel der Mitochondrien zeigt auch, daß biologisch mehr als ein genetischer Code möglich ist. Wurde aber quasi im "Evolutionsstamm" ein Code "eingeführt", so muß dieser zwangsläufig "eingefroren" werden und erhält damit Universalität. Regulation der Genaktivität. Die für die DNA und den genetischen Code beschriebene Universalität trifft jedoch nicht für die regulativen Teile des

16 Aufbau und Funktion des Genoms 3 Genoms zu. So ist die Regulation der Genaktivität bei Prokaryonten und Eukaryonten durchaus unterschiedlich (s. Kap ). Während Prokaryontengene nach dem Jakob und Monod-Modell mit Regulator- und Operatorgenen reguliert werden, ist die Regulation bei höheren Organismen bisher nur in Ansätzen verstanden, sicher jedoch nicht nur auf die Regulation der Transskription beschränkt. Aufbau der Gene. Auch der Aufbau der Gene ist bei beiden Zelltypen unterschiedlich. Die Gene der Eukaryonten besitzen Abschnitte, die nicht in Polypeptidketten übersetzt werden und denen wahrscheinlich auch regulatorischeaufgaben zukommen, die wir bei Prokaryonten nicht kennen. Zudem ist die DNA in Eukaryontenzellen mit Histonen und Nicht-Histonproteinen in mehreren Chromosomen verpackt, deren Anzahl und Form speziestypisch ist. Prokaryonte Zellen besitzen dagegen nur ein ringförmiges DNA-Molekül, das, im Gegensatz zum Zellkern der Eukaryonten, "nackt" in einem Kernäquivalent liegt (Übersicht 1.2). Übersicht 1.2. Zur Universalität der genetischen Grundlagen DNA ist der generelle Träger der Erbinformation mit Ausnahme einiger Virusfamilien, die RNA als Informationsträger benutzen. Der genetische Code ist universell, mit Ausnahme einiger mitochondrialer m-rna Codons. Bei der Regulation der Genaktivität gibt es deutliche Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten. Der Aufbau eines Gens ist bei Eukaryonten komplexer als bei Prokaryonten. Die DNA ist bei Eukaryonten in Chromosomen verpackt, bei Prokaryonten liegt sie als freie D A-Doppelheli.x vor Das Eukaryontengenom Bei der Besprechung des Eukaryontengenoms setzen die Autoren Kenntnisse über die Struktur der DNA voraus. Weiterhin sollte die Replikation und der genetische Code verstanden sein. Die Übersicht 1.3 soll noch einmal die grundsätzlichen biologischen Aufgaben des Erbmaterials ins Gedächtnis rufen, die Übersicht 1.4 den strukturellen Aufbau der DNA. Der eigentliche Ablauf der Replikation mit den beteiligten Polymerasen ist in Übersicht 1.5 dargestellt. Schließlich kann der Aufbau des genetischen Codes zur Wiederholung der Übersicht 1.6 entnommen werden.

17 4 Biochemische Grundlagen der Humangenetik Übersicht 1.3. Biologische Aufgaben des Erbmaterials Replikation Speicherung Weitergabe Stabilität Präzi e Replikation während der Zellverdoppelung Speicherung der gesamten notwendigen biologischen Funktion Weitergabe der Information an die Zelle Aufrechterhaltung der Strukturstabilität, um Erbänderungen (Mutationen) zu minimieren Übersicht 1.4. Der strukturelle Aufbau der DNA Doppelhelix Polarität Ba enpaarung Drehsinn Stabi1ität 2 Polynukleotidstränge sind zu einer Doppelschraube (Doppelhelix) umeinandergewunden Die Stränge besitzen eine gegenläufige Polarität Es besteht eine spezifische Ba enpaarung. A = T und G = C Der Dreh inn i taufsteigend gegen den Uhrzeigersinn eine volle Umdrehung ist nach 10 Basenpaaren erreicht Hydrophobe Bindungen beieinanderliegender Ba en schaffen den Zu ammenhalt Aufbau der Gene - Gen-Dermition Vergleicht man die Nukleotidsequenz eines Gens bei Prokaryonten mit der Aminosäuresequenz eines Proteins, so stellt man fest, daß die Reihenfolge der Nukleotide des Gens genau mit der Aminosäurefolge im Protein korrespondiert. Die Länge der DNA-Sequenz des Gens hängt also direkt von der Länge des Proteins ab, für das es kodiert. Besitzt ein Protein n Aminosäuren, so müssen 3n Basenpaare dafür kodieren. Tatsächlich hielt man diesen Aufbau, der aus der Analyse von Prokaryonten-Genen hergeleitet war, lange Zeit für den allgemein gültigen. Eine Generation von Medizin- und Biologiestudenten lernte als schlagwortartige Definition: ein Gen - ein Enzym wurde jedoch, als man technisch durch die Entdeckung der Restriktionsenzyme soweit war, auch Eukaryontengene zu untersuchen, dieses einfache Genkonzept erschüttert.

18 Aufbau und Funktion des Genoms 5 Übersicht 1.5. Ablauf der Replikation mit den beteiligten Polymerasen Enzym/Protein He/ikase Topoisomerasen DNA-Bindungs protein Primase (R A-Polymerase) Biologisther Sch.ri.H Entwindung der Doppelhelix Entspannung der verdrillten Doppelhelix und Setzung von Einzelstrangbrüchen, als die Rotation weiterleitende Gelenke Stabilisierung der einzelsträngigen D A Synthese einer kleinen Primer-RNA DNA-Polymerase a Durchführung der eigentlichen Replikation durch Kettenver- (bei Bakterien längerung in 5' -3'-Richtung. Lagert Desox:iribonukleosid- Polymerase lll) triphosphate komplementär zu den zu kopierenden Basen an DNA-Polymerase ß Abbau der RNA-Primer und ReparatUI (Exonuklease- (bei Bakterien Aktivität) falsch eingesetzter Basen Polymerase I) DNA Ligase Verbindung der D A-Fragmente zu einem einheitlichen Strang Replikation mitochondrialer DNA DNA-Polymerase y Durchführung der Replikation ausschließlich in Mitochondrien DNA Polymerase l! Funktion unklar Übersicht 1.6. Der Aufbau des Genetischen Codes (s. hierzu auch Abb. 1.10) Arl des Codes Degeneration Stop-Codons Starl Codons Triplet-Raster-Code mit 4 Basen, welche 64 Möglichkeiten für 20 Aminosäuren ergeben Überwiegend logisch; schafft durch Variabilität in der Codierung eines Triplets Toleranz für spontane Mutationen UAA UAG und UGA AUGund GUG Das ß-Globin war das erste Gen von Eukaryonten, das ausführlich untersucht wurde. Überraschenderweise entdeckte man durch elektronenmikroskopische Aufnahmen von Hybridmolekülen zwischen ß-Globin, genomi-

19 6 Biochemische Grundlagen der Humangenetik scher DNA und copy-dna (c-dna), die mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase aus m-dna erstellt wurde, Schleifenbildungen. Diese wurden durch DNA-Regionen verursacht, die offensichtlich in der c-dna nicht vorhanden waren (vorausgesetzt die c-dna stellt tatsächlich eine identische Kopie der m-rna dar). Beim ß-Globingen fand man zwei solche Regionen, die innerhalb der kodierenden Regionen lagen und drei Sequenzen des zugehörigen Proteins bzw. der entsprechenden m-rna unterbrachen. Dies war die Entdeckung der unterbrochenen Gene bei Eukaryonten. In der Zwischenzeit hat man in vielen Genen von Eukaryonten solche Unterbrechungen entdeckt, die man jedoch bisher nie bei typischen Prokaryonten fand. Allerdings konnte man vor kurzem bei einem T 4-Phagen unterbrochene Gene nachweisen. Es ist daher nicht unwahrscheinlich, daß auch ihre prokaryontischen Wirte solche Gene enthalten, die man bisher nur noch nicht entdeckt hat. Jedenfalls muß man für Eukaryonten annehmen, daß dieser Genaufbau eher die Regel als die Ausnahme darstellt. Umgekehrt sind allerdings auch bei Eukaryonten die Gene nicht immer unterbrochen. Wobei es bis heute schwierig ist, das Verhältnis von beiden abzuschätzen. Es sieht jedoch so aus, als ob die unterbrochenen Gene die Mehrheit bilden. Man hat die Sequenzen, die in der m-rna vorhanden sind, als Exons definiert und solche, die dort fehlen, als lntrons. Auf dem Wege zwischen Information auf DNA-Ebene und Genexpression muß also noch ein Prozeß dazwischengeschaltet sein, den wir mindestens bisher bei Prokaryonten nicht beobachten. Von der DNA wird eine Kopie in Form von RNA abgelesen, die gerrau die Sequenz im Genom wiedergibt. Man hat diese RNA auch als heterogene nukleäre RNA (hn RNA) bezeichnet. Diese hn-rna kann allerdings nicht direkt für die Proteinproduktion herangezogen werden; sie ist ein Rohling, der erst noch durch die Exzision der Introns zurechtgeschnitten werden muß. Man hat diesen Vorgang als "sphcing" (deutsch: Spleißen) bezeichnet. Das Ergebnis des Spleißens ist dann eine m-rna, die aus einer Reihenfolge von Exons zusammengesetzt ist. Dabei werden die Exons immer in derselben Reihenfolge hintereinander geordnet, in der sie in der DNA auftreten. Die ursprüngliche Gen-Definition wurde aber nicht nur durch den komplizierteren Aufbau der Eukaryontengene erschüttert. Man fand auch bei Prokaryonten einige Gene, die eine polygenische m-rna bilden, die bei der Translation die Synthese mehrerer Polypeptide steuert. Auch wird nicht jedes Gen an Ribosomen translatiert. Translatiert werden nur Gene von denen einem-rna gebildet wird. Ausschließlich transkribiert werden dagegen Gene für t-rna und für r-rna. Man könnte daher ein Gen als den Abschnitt der DNA definieren, der zwischen einem Transkriptionsstart (Promotor) und einem Transkriptions-

20 Aufbau und Funktion des Genoms 7 ende (Terminator) liegt. Diese Definition auf der Basis der Transkriptionseinheit stimmt tatsächlich für viele Gene. Sie wird jedoch dann mangelhaft, wenn mehrere Gene in einer Transkriptionseinheit, gesteuert durch einen Promotor, abgelesen werden. Wir sehen also, daß man heute auf eine klare und griffige Gendefinition verzichten muß. Man kann letztlich ein Gen nur folgendermaßen definieren: Ein Gen ist ein Absc.hnitt der DNA, der ein funktionelles Produkt kodiert. In den meisten Fällen ist dies eine Polypeptidkette (Abb. 1.1). Transkription a Basenpaare ( P ((E( ( E ( T f Transkriptions - Termination b start Abb. l.la, b. a Modellvorstellung zum Aufbau eines Eukaryontengens; b ß-Globingen des Menschen mit 3 Exons und 2 Introns f () Bedeutung der Introns Kommen wir noch einmal zu den "unterbrochenen" Genen der Eukaryonten zurück und fragen nach dem Sinn dieser in Exons fragmentarisch angeordneten Information. Leider ist man auf Spekulationen angewiesen, da experimentelle Belege, ja sogar Hinweise, fehlen. Möglicherweise könnten unterbrochene Gene Vorteile für evolutionäre Veränderungen bieten. Wir wissen, daß die DNA aufgrund verschiedener Mechanismen erstaunlich flexibel ist. So können DNA-Bereiche von einem chromosomalen Ort ausgeschnitten und in einen anderen eingesetzt werden, oder sie können zwischen homologen Genen ausgetauscht werden. Solche Prozesse könnten dann gefährlich werden,