Suche nach Genen

Zusammenfassung

Heute sind die DNA-Struktur des menschlichen Genoms und die vieler Modellorganismen weitestgehend bekannt. Gleichwohl fehlen uns Kenntnisse über die genomische Position von vielen DNA-Abschnitten, in denen bestimmte Erbinformationen verborgen sind. Dieses Kapitel beschreibt die klassischen Suchstrategien nach unbekannten Genorten. Die Grundlagen und Konzepte dieser Suchverfahren haben ihre Gültigkeit auch bei Verwendung moderner genetischer Untersuchungsmethoden behalten. Wir stellen die Suche nach Genen innerhalb von Familien (Kopplungsanalyse) und mittels Untersuchungen von unverwandten Personen aus einer Bevölkerungsgruppe (Fall-Kontroll- oder Assoziationsstudien) vor. Neben dem Versuchsdesign stellen wir die statistischen Auswertungsmethoden vor und diskutieren Probleme, die bei der Gensuche auftreten können. Für den Fall, dass die Voraussetzungen für die beiden Verfahren nicht gegeben sind, weisen wir auf alternative Testmethoden hin. Schließlich beschreiben wir die Strategie, ein gesuchtes Gen in einer gefundenen DNA-Region (Kandidatenregion) zu identifizieren.

Am Ende des Kapitels wird der Leser über Computerprogramme informiert, mit denen Kopplungsanalysen und Assoziationstests durchgeführt werden können. Es werden Aufgaben gestellt, für die im Kapitel 20 des Anhangs Lösungen beschrieben sind. Das Lernen und Verstehen der Inhalte wird durch ein Glossar unterstützt.

Glossar

Auffälligkeitsgen

Ein Gen, das zur Ausprägung eines phänotypischen Merkmals führt, das vom Normalzustand des Phänotyps abweicht. Ein Suszeptibilitäts-Gen (Anfälligkeits-Gen) ist eine auffällige Variante eines Gens, dessen Funktion zu einer Erbkrankheit führt oder eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit zur Folge hat.

Autosom

Chromosom, das keine Bedeutung für die Ausprägung der primären Geschlechtsmerkmale hat (durchaus können aber einzelne Erbinformationen auf Autosomen liegen, die mit geschlechtsspezifischen Funktionen verbunden sind).

variable Expression

Umwelt und genetische Interaktionen können die Wirkung von dominanten Genen modifizieren und bei verschiedenen Individuen mit demselben Genotyp zu unterschiedlichen Kombinationen von auffälligen Merkmalsausprägungen führen, auch innerhalb einer Familie.

Gonosom

Geschlechtschromosom. Chromosom des Kerngenoms von Eukaryoten, dessen Gene hauptsächlich an der Ausprägung der Geschlechtsmerkmale beteiligt sind. Die Kombination von Gonosomen bestimmt das Geschlecht.

Haplotyp

Kombination von Allelen verschiedener Loci, die normalerweise in einem bestimmten Chromosomenabschnitt liegen.

Hardy-Weinberg-Verteilung

Ideale Verteilung der Genotypen eines oder mehrerer Loci in einer sexuell reproduzierenden Population mit Zufallspaarung. Es gibt keine genetischen Unterschiede zwischen den Geschlechtern. Selektion, Mutation, Migration sind ausgeschlossen.

Heritabilität

Ein Maß zur Schätzung des genetischen Anteils an einem phänotypischen Merkmal.

Heterogenie

Gene verschiedener Loci führen zum gleichen Erscheinungsbild (Phänotyp).

Interferenz

Unterdrückung weiterer Rekombinationsereignisse in der Umgebung eines Rekombinationsvorgangs zwischen zwei Loci.

Kandidaten-Gen

Gene, von denen wir annehmen, dass sie für unsere Untersuchungen eine Bedeutung haben können, und bei denen es sich lohnt, diese weiter und genauer zu untersuchen.

Kodominanz

Verschiedene elterliche Allele eines Locus tragen in gleichem Maße zur Ausbildung eines phänotypischen Merkmales bei.

Kopplungsanalyse

Verfahren zur Ermittlung der Nachbarschaft von Loci. Loci sind gekoppelt, wenn sie in Nachbarschaft auf einem Chromosom lokalisiert sind: Allele von eng benachbarten Loci werden als Kopplungsgruppe (▶ G) mit großer Wahrscheinlichkeit gemeinsam an die Nachkommenschaft weitergegeben. Nur Mutation und Rekombination lösen diese Struktur auf.

Kopplungsgruppe

Kombination von Allelen verschiedener (engbenachbarter) Genorte eines Chromosoms.

Kopplungsphase

Eine angenommene oder tatsächlich vorgefundene Kombination von Allelen verschiedener Loci eines Individuums.

Kopplungsungleichgewicht

Man betrachtet die genotypische Konstellation von mehreren Loci und analysiert die Häufigkeiten der Gesamtgenotypen. Weichen die beobachteten Genotyphäufigkeitsverteilungen von der erwarteten Hardy-Weinberg-Verteilung (▶ G) ab, dann sprechen wir von einem Kopplungsungleichgewicht. Die enge Nachbarschaft der Loci lässt eine zufällige Kombination ihrer Allele (▶ Haplotypen) nicht zu. Aber auch Selektion kann bestimmte Allelkombinationen begünstigen.

Lodscore

Das Maximum einer Lodscore-Funktion führt zu einem Schätzungswert für die Rekombinationshäufigkeit/Abstand zwischen zwei Loci. Der maximale Lodscore-Wert ist eine statistische Kennzahl, die über das Für und Wider einer Kopplung entscheidet.

Markerlocus

Ein polymorpher Locus, der nicht direktes Ziel unserer Forschung ist, sondern dazu dient, andere Zusammenhänge (z. B. Verwandtschaft, Kopplung zu benachbarten Genen) aufzudecken. Für die Kopplungsanalyse muss auch die Position des Markerlocus im Genom bekannt sein.

„major gene “

Das Gen, das neben anderen Genen hauptsächlich an einer komplexen Merkmalsausprägung beteiligt ist.

Mikrosatellit

Ein kurzes Basenmotiv (1–10 Basen), das tandemartig wiederholt wird (z. B. CAGCAGCAGCAGCAG). Die Basenzahl von 1–10 ist nicht festgeschrieben, je nach Literaturstelle finden wir andere Angaben, doch alle Definitionen bewegen sich um maximal 10 Basen.

„minor gene “

Ein Gen, das neben anderen Genen einen untergeordneten Einfluss auf eine komplexe Merkmalsausprägung ausübt.

multifaktorielles Merkmal

Viele Gene und Umweltfaktoren bestimmen die Merkmalsausprägung.

Mutation

Die Kopie der Erbinformation unterscheidet sich vom Original.

Penetranz  Die Wirkung eines elterlichen Gens bestimmt die Merkmalsausprägung. Doch eine ansonsten dominante auffällige Eigenschaft wird im heterozygoten Individuum nicht immer vollständig ausgebildet: Untersucht man eine Gruppe von Individuen, die alle denselben heterozygoten Genotyp tragen, doch nur ein Teil von ihnen die Auffälligkeit zeigen, dann beschreibt der relative Anteil der auffälligen Individuen den Grad der Penetranz:

Vollständig penetrant: 100 %

Unvollständig penetrant: < 100 %.

polygenes Merkmal

Ein Merkmal, dessen Ausprägung durch viele, z. T. unbekannte Gene bestimmt wird.

polymorph

Ein Locus ist polymorph, wenn mindestens zwei Allele in der untersuchten Population vorhanden und deren Allelhäufigkeiten kleiner als 99 % sind. Diese Bewertung eines Locus gilt für eine Population und kann sich für andere Populationen einer Art unterscheiden. Trifft für einen Locus diese Eigenschaft nicht zu, dann wird er als monomorph bezeichnet. Im Allgemeinen haben SNP nur zwei Allele, was die Umkehrung der Definition gestattet: Ein Locus ist polymorph, wenn sein seltenes Allel eine Häufigkeit von mehr als einem Prozent hat.

QTL

Abkürzung von „quantitative trait loci“ (Loci eines quantitativen Merkmals). Mithilfe neuer Untersuchungstechniken können Chromosomenabschnitte identifiziert werden, in denen Gene des quantitativen Merkmals lokalisiert sind.

SNP

Abkürzung von „single nucleotide polymorphism“. Homologe Chromosomen tragen an einer bestimmten Basenposition unterschiedliche Erbinformationen (▶ Nukleotide). Genügen die Häufigkeiten der Basen unserer Definition eines Polymorphismus (▶ polymorph), dann sprechen wir von SNP (im Deutschen Snip ausgesprochen).

Zytogenetik

Teilgebiet der Genetik, das sich mit der Darstellung und mit Strukturen und Veränderungen von Chromosomen beschäftigt.