Der klassische
Begriff des Gens: Nach 1900 wurden die Mendelschen Regeln
in vielen Ländern "wiederentdeckt". 1909 stellte der britische
Genetiker Bateson eine Liste von über 100 analysierten
Beispielen aus dem Pflanzen- und Tierreich zusammen, aus der
hervorging, dass die Vererbung der verschiedensten Merkmale den
Mendelschen Regeln folgte, und dass sie daher als
allgemeingültig anzusehen sind. Von Johannsen wurde 1909 der
Begriff Gen geprägt, Mendel hatte noch von genetischen
Faktoren gesprochen.
Allerdings betonte Johannsen 1909: "Das Wort Gen ist völlig
frei von jeder Hypothese. Es drückt nur die sichergestellte
Tatsache aus, dass viele Eigenschaften des Organismus durch besondere,
trennbare und somit selbständige 'Zustände',
'Grundlagen', 'Anlagen' - kurz, was wir eben Gene nennen wollen -
bedingt sind." Weiter hob er hervor: "Das Gen ist nur als eine Art
Rechnungseinheit zu verwenden. Man hat nicht das Recht, das Gen als
morphologisches Gebilde zu bezeichnen." Man kann aus diesen Bemerkungen
erkennen, dass Johannsens Begriff vom Gen ganz anderer Natur war als
das, was wir heute darunter verstehen. So weit war man damals also noch
nicht. Heute würde niemand mehr bezweifeln, dass ein Gen eine
materielle Grundlage hat. Damals gabe es noch den Konflikt zwischen
Anhängern eines materiellen Genbegriffes und denen, die das
Gen eher als eine Art Kraft ansahen.
Erst als die materielle Basis als gesichert galt, verstand man darunter
die kleinste als unteilbar angesehene genetische Einheit der Vererbung
(Weitergabe an die nächste Generation), der Rekombination, der
Mutation und der Funktion. Die Einheiten wurden nach Mendel
unabhängig voneinander vererbt. Das ist der klassische
Begriff, der sich in der Zeit um 1910 durchsetzte und dann bis etwa
1940 vorherrschte.
Bemerkenswerterweise war die Chromosomentheorie viel weiter
fortgeschritten als die Theorie des Gens.
Der geniale Biologe Boveri hatte schon 1903 vermutet, dass die
Chromosomen die Erbinformationen tragen und weiter geben, weil sich die
Mendelschen Regeln mit Hilfe des Verhaltens der Chromosomen in der
Meiose erklären lassen. So wurde schon 1904 von Sutton und
Boveri die Chromosomentheorie in der Weise formuliert, wie wir sie
heute auch noch verstehen (auf den Chromosomen sind die Gene linear
aufgereiht). Die Theorie fand weitgehende Anerkennung. Allerdings gab
es zu der Zeit auch führende Wissenschaftler (Bateson,
Johannsen, Morgan), die sich gegen die Chromosomentheorie aussprachen.
Morgan, der oft als Begründer der Chromosomentheorie angesehen
wird (was aber eindeutig falsch ist) griff die Theorie sogar in einer
Reihe von Aufsätzen, die zwischen 1903 und 1910 geschrieben
wurden, scharf an. Erst nach 1910 wurde er zu einem
Befürworter dieser Theorie und trug dann viel zu ihrer
endgültigen Etablierung bei. Morgan, Bridges, Muller und
Sturtevant führten die Theorie dann durch intensive
Untersuchungen an Drosophila weiter.
Die Gruppe um Morgan konnte die Chromosomentheorie dadurch weiter
untermauern, dass sie zeigten, dass die Anzahl der Genkopplungsgruppen
der Anzahl der Chromosomen eines haploiden Satzes entsprachen. Bridges
konnte dann sogar Gene in den Riesenchromosomen der
Speicheldrüsen von Drosophila lokalisieren, wodurch das Gen
auch als materielles Substrat etabliert wurde.
Von den Genen wurde dann auch gefordert, dass sie die kleinsten
Einheiten darstellen, die noch mutieren können. Es wurde
gezeigt, dass Röntgenstrahlen die Anzahl der Mutationen
proportional zu ihrer Dosis erhöhen. Damit war im Wesentlichen
das klassische Konzept des Gens etabliert. Es nahm an, dass dem Gen ein
materielles Substrat zugrunde liegt und dass das Gen die kleinste
Einheit bzgl. der Vererbung, der Mutation, der Rekombination und der
Funktion darstellt.
Zu Beginn der 40er Jahre begann dieses klassische Konzept des Gens zu
wanken, weil Oliver (1940) und Lewis (1941) bei Drosophila die
intragenische Rekombination entdeckten. Es gab nun doch Situationen, in
denen der Komplementationstest (Begriff s.u.) anzeigte, dass es sich um
zwei Gene handelte, in Wirklichkeit lag aber nur ein Gen vor. Die
Rekombinationshäufigkeit war in diesen Fällen nur
sehr gering, was ja auch verständlich ist. Damit brach das
Kriterium der Einheit der Rekombination zusammen.
Durch Beadle und Tatum wurde dann 1941 die Funktion der Gene
dahingehend spezifiziert, dass sie zeigen konnten, dass von einem Gen
ein Protein bzw. ein Enzym produziert wird. Es kam zu der
berühmten Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese. Es wurde nun zunehmend
klar, dass das Gen auch keine Einheit der Mutation darstellen konnte.
So wurde im Laufe der 40er Jahre der klassische Genbegriff durch den
neoklassischen ersetzt, der sich nicht prinzipiell vom alten Begriff
unterschied, der aber die strengen Forderungen nach Einheit von
Rekombination, Mutation und Funktion aufgab.
Dann zeigten Griffith und Avery 1944, dass das genetische Material, aus
dem Gene bestehen, die DNA ist, indem sie nachwiesen, dass bakterielle
Transformationen durch DNA ausgelöst werden. Diese Befunde
wurden schon bald von anderen Seiten erhärtet.
M. und K. Green konnten 1949 sogar alle Mutationen des lozenge-Gen von
Drosophila in eine lineare Reihenfolge kartierten.
Von Benzer wurde dann 1955 der Begriff Cistron geprägt, der
den neoklassische Begriff des Gens zunächst ablöste.
Er konnte Mutationen in Genen von Bakteriophagen kartieren, sie in eine
lineare Reihenfolge bringen und so zeigen, dass das Gen weder Einheit
der Mutation noch der Rekombination ist, sondern dass innerhalb von
einem Gen viele verschiedene Mutationen existieren können. Ein
Cistron wurde daher durch den cis-trans-Test definiert,
ähnlich wie der alte Begriff durch den Komplementationstest.
So wurden von Benzer in diesem Zusammenhang die Begriffe Muton
für die kleinste noch mutierbare Einheit und Rekon
für die kleinste noch rekombinierbare Einheit
eingeführt. Es musste einen Zusammenhang zwischen der linearen
Struktur von Cistronen und der der DNA geben.
Das wurde dann auch durch die Aufklärung der DNA-Struktur
durch Watson und Crick 1954 bestätigt. Dounce und Gamow
entwickelten unabhängig voneinander die
Colinearitätshypothese wonach die lineare Struktur der DNA,
die lineare Struktur der Gene und dann auch der Proteine nach sich
zieht. Yanofsky war dann Mitte der 60er Jahre in der Lage zu zeigen,
dass Mutationen im A-Cistron der Tryptophansynthetase nur das A-
Protein dieses Enzyms betrafen und dass Entsprechendes für das
B-Cistron zutraf. So konnte die Einheit der Mutation und der
Rekombination wieder zusammen geführt werden und gezeigt
werden, dass diese jeweils aus einem Nukleotid bestehen. So wurde aus
der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese die
Ein-Cistron-ein-Polypeptid-Hypothese.
In den 50er Jahren wurde auch der Zusammenhang zwischen DNA und RNA bei
der Proteinbiosynthese hergestellt. Davern, Meselson und Riley zeigten,
dass die RNA, die bei der Proteinbiosynthese hergestellt wird instabil
ist im Gegensatz zur RNA in Ribosomen. So wurde die Klassifizierung
mRNA und rRNA von Jacob und Monod vorgenommen. So kulminierte die neue
Sichtweise darin, dass von einem Cistron eine mRNA und von dieser ein
Polypeptid hergestellt wird. Diese Sichtweise kann man als neoklassisch
bezeichnen und sie war bis zu Beginn der 70er Jahre vorherrschend.
Anfang der 70er Jahre wurde dann das Zeitalter der Gentechnologie
eingeläutet und auch das neoklassische Konzept vom Genbegriff
brach total zusammen. Die dafür bahnbrechenden Untersuchungen
waren die Entdeckung der Restriktionsenzyme 1968 von Linn, Arber,
Meselson und Yuan. Smith und Wilcox reinigten einige dieser Enzyme. Mit
ihnen konnte man nun bestimmte DNA-Stücke und sogar Gene aus
den Chromosomen herausschneiden, sie klonieren, sequenzieren und
analysieren. Diese Stücke konnten auch als Marker eingesetzt
werden, um das Gen im Genom zu lokalisieren. In schneller Folge folgten
dann die Entdeckungen der vielfachen Gene, der unterbrochenen Gene, des
alternativen splicings, der springenden Gene, komplexer Promoteren, der
Polyproteingene, des mRNA-editing und der eingeschachtelten Gene. Diese
Entdeckungen sollen hier kurz in Hinsicht auf den Genbegriff besprochen
werden.
Vielfachgene:
100- bis 1000-fach sich wiederholende DNA-Sequenzen wurden durch die
Reassoziationskinetik gefunden. Es betraf zunächst die rRNA
der Amphibien. Sie liegen in einer Vielzahl von Kopien tandemartig
hintereinander aufgereiht in der DNA. Dieselbe Anordnung wurde dann
für die Histon-Proteine entdeckt. Soll man diese 100-mal
wiederholten Sequenzen als 100 Gene auffassen ? Das erscheint wenig
sinnvoll. Mutiert eines der Gene, so hat das praktisch keine
Auswirkungen. Es ist also sicher sinnvoller diese Sequenzen als Kopien
eines Gens anzusehen.
Unterbrochene Gene und alternatives
Splicing: in tierischen Viren wurde zum ersten Mal ein Gen
entdeckt, dessen codierende Sequenz durch ein nichtcodierendes Intron
unterbrochen war. Fast zur selben Zeit wurden unterbrochene Gene auch
in eukaryotischen Organismen gefunden. Sie wurden immer
häufiger gefunden und schließlich wurde klar, dass
es keine Ausnahmen waren, sondern dass es eher die Regel ist.
Durch diese Entdeckung wurde die direkte Colinearität zwischen
DNA, mRNA und Protein aufgehoben. Die Introns werden aus der
primären mRNA herausgesplict und es entsteht eine
sekundäre mRNA, die für die Translation benutzt wird.
In der Regel werden alle Exons in der Reihenfolge, in der sie in der
primären mRNA vorkommen, aneinander gehängt. Aber es
kann auch dazu kommen, dass einzelne Exons mit den Introns zusammen
herausgesplict werden. Dann können aus einer primären
mRNA zwei verschiedene sekundäre mRNAs gewonnen werden. D.h.
ein Cistron dient zur Produktion von zwei Proteinen. Das widersprach
klar der neoklassischen Sichtweise des Gens.
Das erste Gen, das bei Eukaryonten gefunden wurde, das alternativ
gesplict wurde, ist ein Immunglobulin der Maus. Danach wurde das an
hunderten anderer Gene von anderen Eukaryonten bestätigt.
Beim Fibrinogengen wurde dann zum erstem Mal gezeigt, dass dieses
alternative Splicen gewebespezifisch eingesetzt wird. An dem Gen
für die Alkoholdehydrogenase wurde gezeigt, dass es auch in
verschiedenen Entwicklungsstadien genutzt werden kann. Das bedeutet,
dass dieser Mechanismus zur Genregulation eingesetzt werden kann. Daher
erscheint es auch in diesem Falle sinnvoll die DNA-Sequenz als ein Gen
anzusehen, das entwicklungs- und gewebespezifisch genutzt wird.
Springende Gene: Bei
diesen "Genen" handelt es sich um DNA-Sequenzen, die sich von einem Ort
in der DNA zu einem anderen bewegen können, d.h. sie
können ausgeschnitten werden und an anderer Stelle sich wieder
integrieren. Dass es so etwas geben könnte, hatte schon
McClintock in den 40er Jahren behauptet. Sie hatte das aus ihren
Untersuchungen am Mais geschlossen, aber man glaubte ihr nicht. Nun
wurden solche Elemente plötzlich in allen möglichen
Organismen gefunden und man erinnerte sich an ihre
Veröffentlichungen. Dadurch bekam sie erst 1983, als sie
bereits 81 Jahre alt war, einen Nobelpreis für ihre
Untersuchungen.
Inwieweit es sich hier um Gene handelt oder "genetische Parasiten" ist
bisher ungeklärt. Für den eigentlichen Organismus
haben sie wahrscheinlich keine Funktion. Bei Drosophila ist es aber so,
dass sie für 80% der Mutationen verantwortlich sind, weil sie
sich in intakte Gene integrieren und diese dadurch defekt sind. Hier
stellt sich also die Frage, ob man diese Sequenzen überhaupt
als Gene anerkennen will.
Komplexe Promoteren:
Promotoren liegen vor der eigentlichen codierenden Sequenz eines Gens,
also am 5´-Ende. Bei vielen Organismen wurden nun alternative
Promoteren gefunden, die es ermöglichen, das Gen von
verschiedenen Startpunkten aus, abzulesen. D.h. auch in diesem Fall ist
das Endergebnis, dass verschiedene Proteine von demselben Gen
hergestellt werden können.
Bei höheren Eukaryonten ist die Verwendung alternativer
Promotoren gewebe- oder stadienspezifisch, was z.B. auf die
Alkoholdehydrogenase von Drosophila zutrifft.
Polyadenylierung: An
die gesplicte mRNA werden am 3´-Ende ca. 200 Adenosylreste
angehängt. Diese sind aber nicht im Gen codiert. Die mRNA
entspricht damit nicht der ursprünglichen codierenden Sequenz
des Gens. Mit dem neoklassischen Konzept vom Gen ist so ein
Phänomen also nicht vereinbar.
Polyproteingene:
Besonders bei Viren werden hergestellte Proteine in mehrere
kürzere Proteine zerlegt. Dieses Verfahren wird aber auch bei
der Herstellung der Neuropeptide der Säuger verwendet. Handelt
es sich nun bei der Sequenz um ein Gen oder mehrere Gene ?
mRNA-Editing: Eine
merkwürdige Erscheinung ist, dass bei Trypanosomen und
mitochondrialen Genen von Pflanzen nach Fertigstellung der mRNA in
dieser Uracil- durch Cytosinnukleotide ersetzt werden. D.h. auch hier
entspricht die mRNA-Sequenz nicht dem Komplement der codierenden
DNA-Sequenz. Ein Gen wird sozusagen nachträglich
verändert.
Verschachtelte Gene:
schließlich fand man, dass ganze Gene in einem Intron eines
anderen Gens liegen können. Z.B. ist das der Fall für
den Blutgerinnungsfaktor VIII beim Menschen. In seinem 22. Exon liegt
ein zusätzliches Gen. Es gibt sogar Introns, in denen mehrere
Gene liegen. Hier ist es sicher sinnvoll, einfach zu sagen, dass
innerhalb eines Gens die Sequenz eines anderen lokalisiert ist.
Enhancer: am
3´- oder 5´-Ende eines Gens liegen in der Regel
enhancer. Diese können z.T. in sehr großer
Entfernung vom Promoter liegen. Durch sie wird die Transcription
reguliert. Sie können einen positiven oder negativen Effekt
auf die Transcriptionsrate ausüben. Enhancer können
auch in Introns liegen. Ob man sie zum Gen selbst rechnen soll ist
fraglich. Eine einfache und verständliche Sprachregelung
wäre die, dass man regulativen Sequenzen eines Gens spricht.
Abschließende Betrachtung:
An den obigen Beispielen kann man erkennen, dass keines der klassischen
oder neoklassischen Kriterien streng auf die Definition aller Gene
anwendbar ist. In verschiedenen Zusammenhängen wird man mit
dem Genbegriff daher Unterschiedliches meinen.
Singer und Berg schlagen folgende moderne Fassung der Definition des
Genbegriffes vor:
Ein eukaryotisches Gen ist eine Kombination von DNA Sequenzen die
zusammen eine exprimierbare Einheit darstellen. Ihre Expression
führt zur Herstellung eines oder mehrerer Genprodukte, die
entweder RNA-, oder Polypeptidmoleküle darstellen.
Außerdem gibt es Sequenzen die für die Regulation
verantwortlich sind. So gehören zu einem Gen mindestens
folgende Komponenten: enhancer-Sequenzen, Promoter, Exons, Introns
sowie leader- und trailer-Sequenzen.
Die Codierung der Immunglobulingene stellt einen weiteren Sonderfall
dar, den ich hier nicht behandele. Es findet bei ihnen eine somatische
Rekombination statt. Nur dadurch kann ihre große Vielfalt
erreicht werden.
Zu den verwendeten
Begriffen:
Komplementationstest:
Liegen in einem Gen zwei Mutationen a und b vor, dann muss der
Phänotyp der Heterozygote a/b einen mutierten
Phänotyp zeigen. Falls aber die Mutationen a und b in
verschiedenen Genen vorliegen, so ist der heterozygote Genotyp a+/+b
vom Phänotyp des Wildtyps.
Cis-Trans-Test: Es
werden die cis- und die trans-Mutanten verglichen. Bei den cis-Mutanten
liegen beide Mutationen im selben Gen, bei der trans-Mutante liegen sie
in den beiden homologen Allelen vor. Daher ist die cis-Mutante ab/++
phänotypisch wild, die trans-Mutante a+/+b zeigt dem mutierten
Phänotyp, wenn es sich um ein einziges Gen handelt, das
betroffen ist. Anderenfalls liegen zwei verschiedene Gene vor.
Quellen:
Biologie online
Hennig, W., Genetik, Springer, 1998, S. 450
Mayr, E. Die Entwicklung der biologischen Gedankenwelt, Springer, 1984
Portin, P. The Origin, Development and Present Status of the Concept of
the Gene: A Short Historical Account of the Discoveries, Current
Genomics, 2000