Biologie I

Mendel ging davon aus, dass es nur zwei Allele, ein dominantes und ein rezessives, für ein bestimmtes Gen geben kann. Heute wissen wir, dass dies eine grobe Vereinfachung ist. Obwohl einzelne Menschen (und alle diploiden Organismen) nur zwei Allele für ein bestimmtes Gen haben können, kann es auf Populationsebene mehrere Allele geben, so dass viele Kombinationen von zwei Allelen zu beobachten sind. Wenn viele Allele für ein und dasselbe Gen existieren, wird üblicherweise der häufigste Phänotyp oder Genotyp unter Wildtieren als Wildtyp (oft mit „+“ abgekürzt) bezeichnet; dieser wird als Standard oder Norm angesehen. Alle anderen Phänotypen oder Genotypen gelten als Varianten dieses Standards, d. h., sie weichen vom Wildtyp ab. Die Variante kann rezessiv oder dominant zum Wildtyp-Allel sein.

Ein Beispiel für mehrere Allele ist die Fellfarbe bei Kaninchen (Abbildung 1). Hier gibt es vier Allele für das c-Gen. Die Wildtyp-Version, C+C+, äußert sich in braunem Fell. Der Chinchilla-Phänotyp, cchcch, äußert sich durch schwarz-weißes Fell mit Spitzen. Der Phänotyp des Himalayas, chch, hat schwarzes Fell an den Extremitäten und weißes Fell an den übrigen Stellen. Der Albino- oder „farblose“ Phänotyp cc schließlich zeigt sich durch weißes Fell. Bei mehreren Allelen kann es Dominanzhierarchien geben. In diesem Fall ist das Wildtyp-Allel dominant gegenüber allen anderen, Chinchilla ist unvollständig dominant gegenüber Himalayan und Albino, und Himalayan ist dominant gegenüber Albino. Diese Hierarchie oder Allelserie wurde durch die Beobachtung der Phänotypen aller möglichen heterozygoten Nachkommen aufgedeckt.

Abbildung 1. Für das Gen für die Fellfarbe des Kaninchens (C) gibt es vier verschiedene Allele.

Abbildung 2. Wie beim Vergleich des Wildtyps von Drosophila (links) und der Antennapedia-Mutante (rechts) zu sehen ist, hat die Antennapedia-Mutante anstelle von Antennen Beine am Kopf.

Die vollständige Dominanz eines Wildtyp-Phänotyps gegenüber allen anderen Mutanten tritt oft als Effekt der „Dosierung“ eines bestimmten Genprodukts auf, so dass das Wildtyp-Allel die richtige Menge des Genprodukts liefert, während die Mutanten-Allele dies nicht können. Bei der Allelserie bei Kaninchen kann das Wildtyp-Allel eine bestimmte Dosis des Fellpigments liefern, während die Mutanten eine geringere Dosis oder gar keine liefern. Interessanterweise ist der Himalaya-Phänotyp das Ergebnis eines Allels, das ein temperaturempfindliches Genprodukt erzeugt, das nur in den kühleren Extremitäten des Kaninchens Pigment produziert.

Alternativ dazu kann ein mutiertes Allel gegenüber allen anderen Phänotypen, einschließlich des Wildtyps, dominant sein. Dies kann der Fall sein, wenn das mutierte Allel irgendwie die genetische Botschaft stört, so dass sogar ein Heterozygote mit einer Kopie des Wildtyp-Allels den mutierten Phänotyp ausprägt. Ein Weg, auf dem das mutierte Allel die genetische Botschaft stören kann, ist die Verstärkung der Funktion des Wildtyp-Genprodukts oder die Veränderung seiner Verteilung im Körper.

Ein Beispiel hierfür ist die Antennapedia-Mutation bei Drosophila (Abbildung 2). In diesem Fall erweitert das mutierte Allel die Verteilung des Genprodukts, so dass der Antennapedia-Heterozygote Beine am Kopf entwickelt, wo eigentlich die Antennen sein sollten.

Mehrere Allele verleihen dem Malariaparasiten Medikamentenresistenz

Malaria ist eine parasitäre Erkrankung des Menschen, die von infizierten weiblichen Stechmücken, einschließlich Anopheles gambiae (Abbildung 3a), übertragen wird und durch zyklisch auftretendes hohes Fieber, Schüttelfrost, grippeähnliche Symptome und schwere Anämie gekennzeichnet ist. Plasmodium falciparum und P. vivax sind die häufigsten Erreger der Malaria, wobei P. falciparum am tödlichsten ist (Abbildung 3b). Bei rechtzeitiger und korrekter Behandlung hat P. falciparum-Malaria eine Sterblichkeitsrate von 0,1 Prozent. In einigen Teilen der Welt hat der Parasit jedoch eine Resistenz gegen gängige Malariabehandlungen entwickelt, so dass die wirksamsten Malariabehandlungen je nach geografischer Region variieren können.

Abbildung 3. Die (a) Anopheles gambiae, die afrikanische Malariamücke, fungiert als Vektor bei der Übertragung des Malaria verursachenden Parasiten (b) Plasmodium falciparum auf den Menschen, hier dargestellt mit Hilfe der Falschfarbentransmissionselektronenmikroskopie. (Kredit a: James D. Gathany; credit b: Ute Frevert; Falschfarbendarstellung von Margaret Shear; scale-bar Daten von Matt Russell)

In Südostasien, Afrika und Südamerika hat P. falciparum Resistenzen gegen die Malariamittel Chloroquin, Mefloquin und Sulfadoxin-Pyrimethamin entwickelt. P. falciparum, das während des Lebensstadiums, in dem es für den Menschen infektiös ist, haploid ist, hat mehrere arzneimittelresistente Mutantenallele des dhps-Gens entwickelt. Jedes dieser Allele ist in unterschiedlichem Maße gegen Sulfadoxin resistent. Da P. falciparum haploid ist, braucht es nur ein arzneimittelresistentes Allel, um diese Eigenschaft zu entwickeln.

In Südostasien sind verschiedene sulfadoxinresistente Allele des dhps-Gens in verschiedenen geografischen Regionen zu finden. Dies ist ein häufiges evolutionäres Phänomen, das auftritt, wenn arzneimittelresistente Mutanten in einer Population entstehen und sich mit anderen P. falciparum-Isolaten in unmittelbarer Nähe kreuzen. Sulfadoxin-resistente Parasiten verursachen in Regionen, in denen dieses Medikament als freiverkäufliches Malariamittel weit verbreitet ist, beträchtliche menschliche Not. Wie bei Krankheitserregern üblich, die sich innerhalb eines Infektionszyklus in großer Zahl vermehren, entwickelt sich P. falciparum als Reaktion auf den Selektionsdruck gängiger Malariamedikamente relativ schnell (etwa innerhalb eines Jahrzehnts). Aus diesem Grund müssen Wissenschaftler ständig an der Entwicklung neuer Medikamente oder Medikamentenkombinationen arbeiten, um die weltweite Malariabelastung zu bekämpfen.

Mehrere Allele (ABO-Blutgruppen) und Punnett-Quadrate