Gen

mini|hochkant=1.3|Schematische Darstellung eines Gens. Es ist ein relativ kurzer Abschnitt des durchgängigen DNA-Moleküls, der im Bild verkürzt gezeigt ist und hier aus zwei Exons und einem Intron besteht. Die DNA-Doppelhelix kondensiert mittels Nukleosomen zur Chromatide eines kompakten Chromosoms, wie es bei Eukaryoten in der späten mitotischen Metaphase vorliegt.

Als Gen wird meist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure (DNS, englische Abkürzung: DNA) bezeichnet, der Grundinformationen für die Entwicklung von Eigenschaften eines Individuums und zur Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (englische Abkürzung: RNA) enthält. Bei diesem Prozess der Transkription wird vom codogenen DNA-Strangabschnitt eine komplementäre Kopie in Form einer RNA hergestellt.

Es gibt verschiedene Arten der RNA. Bei der Translation, einem Teilvorgang der Proteinbiosynthese, wird die Aminosäuresequenz des betreffenden Proteins von der mRNA abgelesen. Die Proteine übernehmen im Körper jeweils spezifische Funktionen, mit denen sich die Merkmale ausprägen können. Der Aktivitätszustand eines Gens bzw. dessen Ausprägung, seine Expression, kann in einzelnen Zellen verschieden reguliert werden.

Als Erbanlage oder Erbfaktor werden allgemein die nur elektronenmikroskopisch sichtbaren Gene auf spezifischen Plätzen in den Chromosomen bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an Nachkommen weitergegeben wird. Die Erforschung des Aufbaus, der Funktion und Vererbung von Genen ist Gegenstand der Genetik. Die gesamte Erbinformation einer Zelle wird Genom genannt.

Forschungsgeschichte Johann Gregor Mendel 1856 begann Johann Gregor Mendel in einer Abtei in Brünn Erbsen zu kreuzen, um die Vererbung von sichtbaren Merkmalen zu untersuchen. Er schlug als erster die Existenz von bestimmten „materiellen Elementen“ vor, die als Erbfaktoren von Eltern auf die Nachkommen übertragen werden. Er fand, dass Merkmale voneinander unabhängig vererbt werden können und dass es dominante und rezessive Faktoren gibt. Er entwickelte die Hypothese, dass es homozygote und heterozygote Individuen gibt und legte damit die Grundlage für die Unterscheidung zwischen Genotyp und Phänotyp.

In einem Brief an Carl Nägeli schrieb Mendel am 3. Juli 1870 (erstmals) von „Genen“ der Hieracium-Arten.Franz Weiling (Hrsg.): Versuche über Pflanzenhybriden: Gregor Mendel. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1970. ISBN 3-528-09106-1. → S. 100f, Erörterung in Fußnote 69: „Es ist jedoch auch möglich, daß die Kreuzungspartner in hypostatischen Genen heterozygot und unterschiedlich waren.“

Gene als Erb-Elemente 1900 gilt als das Jahr der „Wiederentdeckung“, als die Botaniker Carl Correns, Hugo de Vries und Erich Tschermak Mendels Entdeckungen aufgriffen. Sie bestätigten, dass es numerische Regeln gibt, nach denen die Faktoren, die für die Ausprägung von Merkmalen verantwortlich sind, an Nachkommen weitergegeben werden. Correns nannte einen solchen Faktor Anlage bzw. Erbanlage. William Bateson erinnerte 1902 in daran, dass es in jeder Zelle zwei Varianten eines jeden Erbfaktors gibt. Er nannte die zweite Variante Allelomorph (griechisch für „Andere Gestalt“) und prägte damit den Begriff des Allels.

Archibald Garrod, ein britischer Arzt, hatte bei Stoffwechselerkrankungen festgestellt, dass diese in Familien vererbt werden. Mendels Regeln gelten also auch für Menschen. Garrod vermutete, die Erbanlagen seien die Basis für die chemische Individualität jedes Menschen.

Die Bezeichnungen „Gen“ und „Genotypus“ verankerte schließlich 1903 der Däne Wilhelm Johannsen in der Fachsprache der neuen Wissenschaft, der „Erblichkeitslehre“.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin / Göttingen / Heidelberg 1960, S. 55. Drei Jahre zuvor hatte William Bateson für sie das Hauptwort Genetik vorgeschlagen – nach dem griechischen Adjektiv für „hervorbringend“. Zu jener Zeit war die materielle Natur der Gene nicht bekannt bzw. nicht anerkannt.Wilhelm Johannsen: Elemente der exakten Erblichkeitslehre. Dritte deutsche, neubearbeitete Auflage. Gustav Fischer, Jena 1926. → S. 643: „Wir wissen also nichts über die Natur der Gene.“ – S. 653: „Sie sind für uns zunächst Rechnungseinheiten, Ausdrücke von Realitäten unbekannter Natur, aber mit bekannten Wirkungen.“

August Weismann machte einen Unterschied zwischen Körperzellen und Keimzellen. Beide Zelltypen enthalten dieselbe „Vererbungssubstanz“, die sich aus einzelnen Elementen zusammensetzt, die er Determinanten nannte. Doch nur die Keimzellen können neue Organismen hervorbringen, in denen diese Determinanten für sichtbare Ausprägung von Merkmalen, beispielsweise der Gliedmaßen, verantwortlich sind. Damit war die Theorie der Keimbahn formuliert: Durch geschlechtliche Fortpflanzung werden die Gene von Generation zu Generation weitergegeben.August Weismann: Vorträge über Deszendenztheorie. 2 Bände; zweite verbesserte Auflage. Gustav Fischer, Jena 1904.

In den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts nahmen sich die Genetiker nach verschiedenen Pflanzen auch Insekten und später Vögel vor, um die Vererbungsgesetze zu testen.

Färbbare Genträger im Zellkern Die 1842 bei sich teilenden Zellkernen entdeckten färbbaren Strukturen benannte Wilhelm Waldeyer 1888 als Chromosomen.Wilhelm Waldeyer: Ueber Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgängen. In: Arch Mikr Anat 32. 1888: 1–122. → S. 27: „Ich möchte mir den Vorschlag erlauben, diejenigen Dinge, welche mit Boveri als „chromatische Elemente“ bezeichnet wurden, … mit einem besonderen terminus technicus „Chromosomen“ belegen. Sie sind so wichtig, dass ein besonderer kürzerer Name wünschenswert erscheint. Ist die von mir vorgeschlagene Bezeichnung praktisch verwendbar, so wird sie sich wohl einbürgern, sonst möge sie bald der Vergessenheit anheimfallen.“ Durch verbesserte Färbetechniken war beobachtet worden, dass sich die Chromosomen vor einer mitotischen Kernteilung auf 4n verdoppeln und sich dann genau zweiteilen, sodass jeder Tochterkern und damit jede Tochterzelle je 2n Chromosomen erhält. Deswegen kamen sie als Träger der Gene in Frage. Dieser Sachverhalt begründete die Chromosomentheorie der Vererbung.

Dass die von Mendel „Elemente“ genannten Faktoren in den Chromosomen zu finden sind, argumentierten zu Beginn des 20. Jahrhunderts Theodor Boveri sowie Walter Sutton.Theodor Boveri: Über mehrpolige Mitosen als Mittel zur Analyse des Zellkerns. In: Verh Physikal Med Ges' Würzburg N F 35, 1902: 67–90.Theodor Boveri: Über die Konstitution der chromatischen Kernsubstanz. In: Verh Zool Ges13, 1903: 10–33.Theodor Boveri: Ergebnisse über die Konstitution der chromatischen Substanz des Zellkerns. Gustav Fischer, Jena 1904. PDF.Walter Sutton: On the morphology of the chromosome group in Brachystola magna. In: Biol Bull 4, 1902: 24–39.Walter F Sutton: The chromosomes in heredity. In: Biol Bull 4, 1903: 231–251.

Kritiker taten eine Verbindung von Genen und Chromosomen als „Physikalismus“ und „Mendelismus“ ab, da sie Gene als abstrakte Einheiten betrachteten.

Thomas Hunt Morgan war ebenfalls überzeugt, dass die Einheiten, die die verschiedenen Merkmale verantworten, nicht physikalischer Natur seien. Er versuchte, den Mendelismus zu widerlegen und begann 1910 mit Kreuzungsversuchen an Schwarzbäuchigen Taufliegen. Seine Arbeiten erbrachten jedoch das Gegenteil: den endgültigen Beweis, dass Gene in Chromosomen liegen und damit materieller Natur sind. Zusammen mit seinen Mitarbeitern, darunter Calvin Bridges, Alfred Sturtevant und Hermann Muller, fand er viele natürliche Mutationen und untersuchte in unzähligen Kreuzungen die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Merkmale gemeinsam vererbt werden. Sie zeigten, dass Gene an bestimmten Stellen der Chromosomen liegen und hintereinander aufgereiht sind.

Unter dem Mikroskop wurde Crossing-over beobachtet. So lernte man, dass Chromosomen Abschnitte austauschen können. Je näher zwei Gene auf dem Chromosom beieinander liegen, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass sie gemeinsam vererbt und nicht durch ein Crossing-over-Ereignis getrennt werden. Dadurch konnte der Abstand zweier Gene auf ihrem Chromosom bestimmt werden, der nach Morgan in centiMorgan angegeben wird. Gemeinsam erstellte die Forschergruppe in jahrelanger Arbeit die erste Genkarte.Thomas Hunt Morgan: Die stoffliche Grundlage der Vererbung. Vom Verfasser autorisierte deutsche Ausgabe von Hans Nachtsheim. Borntraeger, Berlin 1912. Original: The physical basis of heredity. 1910.

Hermann Muller entdeckte, dass Röntgenstrahlen die Mutationsrate bei Fliegen stark erhöhen. Dies war eine Sensation, da dadurch zum ersten Mal gezeigt wurde, dass Gene physikalische Objekte sind, die von außen zu beeinflussen sind.Hermann J Muller: Artificial transmutation of the gene. In: Science 66, 1699, 1927: 84–87. doi:10.1126/science.66.1699.84

Gene molekular 1928 wies Frederick Griffith in dem nach ihm benannten „Griffiths Experiment“ zum ersten Mal nach, dass Gene aus Bakterien auf andere übertragen werden können. Der von ihm nachgewiesene Vorgang war die genetische Transformation.

1941 zeigten George Wells Beadle und Edward Lawrie Tatum, dass Mutationen in Genen für Defekte in Stoffwechselwegen verantwortlich sind. Die Erkenntnis, dass spezifische Gene spezifische Proteine codieren, führte zur „Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese“, die später zur „Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese“ präzisiert wurde. Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty bewiesen 1944, dass die DNA die genetische Information enthält.Oswald T Avery, Colin M Macleod, Maclyn McCarty: Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus type III. In: J Exp Med 79, 2, 1944: 137–158. PDF.

1953 wurde die Struktur der DNA von James D. Watson und Francis Crick, basierend auf den Arbeiten von Rosalind Franklin und Erwin Chargaff, entschlüsselt und das Modell der DNA-Doppelhelix vorgestellt.

1969 gelang Jonathan Beckwith und Kollegen erstmals, ein einzelnes Gen chemisch zu isolieren.James Shapiro, L Machattie, L Eron, G. Ihler, K Ippen, Jonathan Beckwith: Isolation of pure lac operon DNA. In: Nature 224, 5221, 1969: 768–774.

Definition des Begriffs Die Definition, was genau ein Gen ist, hat sich verändert und wurde neuen Erkenntnissen angepasst. 2006 suchten 25 Wissenschaftler des der Universität Berkeley nach einer treffend formulierten aktuellen Definition. Sie einigten sich nach zwei Tagen auf eine gemeinsame Version. Ein Gen ist demnach .Helen Pearson: What is a gene? In: Nature. Band 441, Mai 2006, S. 398–401. PMID 16724031.

Durch das Projekt ENCODE (), bei dem die Transkriptionsaktivität des Genoms gemappt wurde, wurden neue komplexe Regulationsmuster entdeckt. Dabei wurde auch festgestellt, dass die Transkription nichtcodierender RNA in weit größerem Umfang als bislang angenommen stattfindet. Dieser Befund wird im folgenden Definitionsvorschlag berücksichtigt: .M. Gerstein, C. Bruce, J. Rozowsky, D. Zheng, J. Du, J. Korbel, O. Emanuelsson, Z. Zhang, S. Weissman, M. Snyder: What is a gene, post-ENCODE? History and updated definition. In: Genome Research. Band 17, Nr. 6, Juni 2007, S. 669–681. PMID 17567988.

Aufbau Auf molekularer Ebene besteht ein Gen aus zwei unterschiedlichen Bereichen:

Einem DNA-Abschnitt, von dem durch Transkription eine einzelsträngige RNA-Kopie hergestellt wird. Allen zusätzlichen DNA-Abschnitten, die an der Regulation dieses Kopiervorgangs beteiligt sind.

Es gibt verschiedene Besonderheiten im Aufbau von Genen verschiedener Lebewesen. In der Zeichnung wird der Aufbau eines typischen eukaryotischen Gens dargestellt, das ein Protein codiert.

gerahmt

Schematischer Aufbau eines eukaryotischen Gens