Genetik und Epigenetik
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Genetik und Epigenetik ________________________________________________________________ Genetik In der Genetik oder Vererbungslehre geht es darum, die Gesetzmäßigkeiten und die materiellen Grundlagen, die zur Ausprägung von erblichen Merkmalen führen, zu erforschen.
Mendelsche Regeln Gregor Mendel publizierte seine Vererbungsregeln in 1866. Er
stellte 3 Regeln auf, die er durch Beobachtung heraus fand: 1. Uniformitätsregel 2. Spaltungsregel 3. Unabhängigkeits/Neukombinationsregel In den Körperzellen diploider Organismen treten die Chromosomen
paarweise auf. So besitzt der Hund 39 Chromosomenpaare, also 78
Chromosomen. Je eines der Chromosomen in einem Chromosomenpaar stammt vom
Rüden und eines von der Hündin. Die beiden Chromosomen eines Paares werden
auch als homologe Chromosomen bezeichnet. In einer Körperzelle sind die
Erbanlagen pro Merkmal somit immer doppelt vorhanden. Bei der Bildung der Geschlechtszellen werden die homologen
Chromosomenpaare in der Meiose getrennt. In einer Eizelle bzw.
einem Samenfaden befindet sich also nur der einfache Chromosomensatz, die
Erbanlagen pro Merkmal (Genabschnitte) sind somit immer nur einmal
vorhanden. Dies erklärt die Spaltungsregel. Bei der Befruchtung, also der Verschmelzung von Eizelle und
Samenfaden, bringen beide Geschlechtszellen jeweils eine Erbanlage pro
Merkmal mit. Die durch diese Verschmelzung entstehende befruchtete
Eizelle (Zygote) hat also wieder den doppelten Chromosomensatz. Die
Erbanlagen können so neu kombiniert werden. Dies erklärt die
Unabhängigkeitsregel. __________________________________
Grundlagen angewandter Genetik für die Hundezucht
Um Erbkrankheiten bekämpfen zu können, muss man sich mit Genetik
auskennen. Man sollte wissen, wie Erbgänge funktionieren, wie man ungefähr
die Anzahl der latent betroffenen Hunde schätzen kann und welche Maßnahmen
möglich und im Einzelfall angezeigt sind. Aufgrund zahlreicher Anfragen
habe ich versucht, den Kurzvortrag, den ich auf der JHV 2010 hielt, in
Artikelform umzuarbeiten.
Die Erbanlagen bewirken die Ausbildung aller körpereigenen Merkmale, sie
sind quasi der Bauplan des Körpers. Starke Genanlagen können bereits in
einfacher Kopie als Bauplan dienen, schwache Genanlagen müssen in
doppelter Kopie vorliegen, damit sie ausgeführt werden. Diese starken
Anlagen nennt man dominant, die schwachen heißen rezessiv.
Problematisch sind immer die rezessiven Erkrankungen. Zum Ausbruch dieser
Erkrankungen muss die doppelte Kopie des rezessiven Gens vorliegen. Die
mischerbig Betroffenen sind immer selbst gesund. Sie sind von den
reinerbig Gesunden optisch nicht zu unterscheiden. Mischerbige Träger von
rezessiven Merkmalen nennt man Carrier. Die modernste und beste
Möglichkeit, Carrier zu erkennen, ist über einen Gentest. Leider gibt es
Gentests nur für wenige Erkrankungen wie z.B. CEA. Am Beispiel der CEA
haben wir gesehen, dass Carrier völlig harmlos sind, solange man sie an
reinerbig Gesunde anpaart. Ein einzelnes, krankmachendes rezessives Gen
kann sich gegen eine gesunde dominante Kopie nie durchsetzen.
Die folgende kleine Tabelle zeigt, welche Genkombinationen möglich sind,
wenn 2 Carrier aneinander angepaart werden. Das dominante Gen wird mit
Großbuchstaben gekennzeichnet, das rezessive Gen mit kleinem Buchstaben.
Nun sind aber leider nur die wenigsten Merkmale durch ein einzelnes Gen
bestimmt. Meist sind mehrere Gene beteiligt. Einen solchen Erbgang nennt
man polygenen Erbgang. HD ist ein Beispiel für polygene Vererbung. Auch
für Epilepsie steht im Raum, dass es sich um einen polygenen Erbgang
handelt.
Wie viele und welche Möglichkeiten gäbe es nun bei einem Merkmal, das von
3 Genen beeinflusst wird?
Bei 8 mal 8 Ausgangspositionen kommt man auf insgesamt 64 verschiedene
Genverteilungen, die bei den Nachkommen auftreten können.
Wie sähe die zahlenmäßige Verteilung der verschiedenen Varianten aus?
Die statistische Analyse der theoretischen Möglichkeiten ergibt lediglich
einen einzigen Nachkommen, der reinerbig dominant, also völlig frei von
möglichen Krankheitsanlagen wäre. Dann kommen 6 Hunde mit einem rezessivem
Gen und 5 dominanten, 15 Hunde mit 2 rezessiven und 4 dominanten, 20 Hunde
mit jeweils 3 rezessiven und 3 dominanten Genen, wieder 15 Hunde mit 4
rezessiven und 2 dominanten Genen und schlussendlich ein einziger Hund,
der 6 rezessiven Gene abbekommen hat und daher krank wird.
Wichtig daran ist, dass es umso mehr Carrier gibt, je mehr Gene an der
Ausprägung eines Merkmales oder einer Erkrankung beteiligt sind.
Wie funktioniert eine polygene Vererbung?
Für Verwirrung sorgt die Tatsache, dass es verschiedene Bezeichnungen für
Erbgänge gibt, bei denen verschiedene Gene zusammen- oder gegeneinander
wirken. So findet man die Bezeichnungen polygen rezessive Vererbung,
polygen additive Vererbung ebenso wie multifaktorielle Vererbung. Alle
bezeichnen mehr oder weniger dasselbe.
Viele Krankheiten und Merkmale zeigen eine familiäre Häufung, ohne dass
die Zahlen einem klassischen, auf einem Genpaar beruhenden (monogen)
Erbgang entsprechen würden. Verwandte ersten Grades (Eltern, Kinder,
Vollgeschwister) sind zumeist in etwa 2-4% betroffen und damit wesentlich
geringer als aufgrund einer monogenen Vererbung. Die gängige Hypothese
ist, dass hierbei mehrere Gene additiv und unabhängig voneinander sowie
die verschiedensten Umweltfaktoren zusammenwirken. Meist wird dieses
Modell als „multifaktorielle Vererbung“ bezeichnet. Damit wird schon im
Namen klar, dass viele Faktoren zusammenkommen müssen, um ein bestimmtes
Merkmal auszuprägen, bzw. eine Krankheit auszulösen. Da es sich häufig um
Merkmale handelt, die fließend von sehr gering bis sehr ausgeprägt
vorhanden sein können, spricht man auch von einer quantitativen Vererbung.
In diesem Modell wirken die verschiedenen Gene und Umweltfaktoren und
erzeugen eine Anfälligkeit (Prädisposition). Beispiele für derartige,
nicht krankhafte Merkmale sind Körperhöhe und –statur, aber auch
Verhaltensanlagen wie Intelligenz beim Menschen oder Arbeitsveranlagung
bei unseren Hunden.
Den Anteil der Erbanlagen an der Ausprägung eines Merkmales (einer
Erkrankung) nennt man Heritabilität. Heritabilität und Umwelteinflüsse
ergeben logischerweise zusammen immer das Ganze, was mit 1 oder 100%
bezeichnet wird. Bei einem Heritabilitätskoeffizienten von 0,4 (40%) wird
also knapp die Hälfte der auslösenden Faktoren von den Genen bestimmt und
60% von der Umwelt. Je weniger unterschiedlich die Umwelteinflüsse
innerhalb einer Population sind, umso stärker kommt die ererbte
„Grundausstattung“ zum Tragen. Ein Beispiel: bei normaler Ernährung wird
die Größe überwiegend von den Erbanlagen bestimmt. Lässt man Welpen jedoch
fast verhungern, bleiben sie lebenslang kleiner als Geschwister, die
normal ernährt werden.
Die Anlagen für multifaktoriell vererbte Krankheiten sind zwar innerhalb
der Population (hier: Hunde in einem Zuchtbuch) auch fließend vorhanden,
die Krankheit selbst tritt aber meist entweder auf oder nicht. Aus diesem
Grund wurde der sogenannte Schwellenwert eingeführt. Der Schwellenwert
gibt an, ab welcher Anzahl von Genen und Umweltfaktoren eine Erkrankung
auftritt.
Funktionsweise einer polygenen Vererbung am Beispiel HD:
In der ersten Zeile sehen wir die fiktive Genanordnung eines Hundes, der
von einem Elternteil ausschließlich dominante (Dreieck) und vom anderen
ausschließlich rezessive Gene (Quadrat) mitbekommen hat. Dieser Hund wäre
gesund, weil die dominanten Gene ja in jedem einzelnen Fall stärker als
die rezessiven Kopien wären. Für die Zucht könnte dieser Hund aufgrund
seiner hohen Zahl an rezessiven Genen aber selbstverständlich
problematisch sein. Dies wäre beispielsweise eine Konstellation eines
Hundes mit exzellenten Hüftgelenken, der aber HD vererbt. Das erklärt
auch, warum es immer sicherer ist, auf die ganze Familienleistung zu sehen
als auf den einzelnen Hund. In der Familie dieses Hundes wird es etliche
Hunde mit schlechteren HD-Ergebnissen geben.
… und wie sieht die Verteilung der einzelnen Genkombinationen bei einer
polygenen Vererbung aus?
Bei 10 Genpaaren gibt es 2 hoch 10 Verteilungsmöglichkeiten für jedes
Elternteil. Das sind 1064 pro Elternteil. Für Nachkommen gibt es dann 1024
x 1024, also über eine Million verschiedende Möglichkeiten von
Allelkombinationen. Das kann man nicht mehr in Stufen anzeigen, sondern es
ergibt eine Kurve.
Ähnlich der Stufengrafik weiter oben ist auch hier die Anzahl der völlig
freien (rein dominanten) ganz links zu finden. Dann kommt die große Menge
der Mischerbigen und dann die wieder sinkende Anzahl der Hunde mit
überwiegend rezessiven Genen. Jenseits des Schwellenwertes liegen die
Hunde, die so viele rezessive Paare haben, dass die Krankheit bei ihnen
ausbricht.
In einer betroffenen Familie zeigt das Auftreten der Erkrankung, dass mehr
Gene vorhanden sind, so dass die Normalkurve nach rechts verschoben wird.
Die Inzidenz der Erkrankung und damit auch das Wiederholungsrisiko in der
Familie wird größer.
Das Wichtigste an dieser Kurve ist, dass sie einem zeigt, wie viele
Carrier es im Vergleich zu den erkrankten Hunden gibt, und dass es einem
Hund nicht anzusehen ist, wo auf der Kurve er sich befindet. Ein enger
Verwandter eines Erkrankten hat eine höhere Wahrscheinlichkeit, auf der
rechten Seite der Kurve zu liegen – er kann aber auch ganz links liegen.
Wo er sich tatsächlich befindet, wird erst über seine Nachkommen sichtbar.
Möchte man Erbkrankheiten vermeiden und kennt die aufgetretenen Fälle in
den Pedigrees der potentiellen Zuchtpartner, lässt sich das Risiko für
jede geplante Paarung errechnen.
Wieso kann man nicht einfach die Carrier ausmerzen?
Mindestens 40% aller Hunde, die wir züchten, haben irgend einen Defekt,
und sei er auch noch so klein. Im Durchschnitt trägt jeder Hund rezessive
Anlagen für 5 Defekte. Es gibt also massenhaft Carrier für irgendeinen
Defekt. Wollte man die alle aus der Zucht nehmen, bliebe fast nichts
übrig.
Hunderassen sind künstlich geschlossene Populationen. Border Collies
wurden in der ISDS seit 100 Jahren in einem geschlossenen Zuchtbuch
gezüchtet. Das bedeutet, dass sich zwar durch Vermehrung die Gesamtzahl
der Hunde enorm vergrößert hat, es ist aber so gut wie kein neues
Genmaterial mehr hinzugekommen. Es gibt zwar inzwischen Tausende von
Border Collies, aber diese sind untereinander verwandter als in früheren
Tagen. Das sieht man natürlich nur, wenn man die Stammbäume über
Jahrzehnte verfolgt.
Bezüglich der Bekämpfung von Erbkrankheiten ergeben sich folgende
Schlüsse: Eine züchterische Merzung (Ausschluss aus der Zucht) für
Merkmalsträger und mögliche Carrier ist erfolgversprechend bei einer
Inzidenz von <1%.
Nimmt man signifikante Anzahlen von Hunden aus der Zucht, so bedingt dies
ganz zwangsläufig das man das Auftreten neuer Erbkrankheiten fördert. Für
jeden Kopf der Hydra, den man abschlägt, wachsen neue nach.
Bei Epilepsie, beispielsweise, nimmt man an, dass der Transport von
Natrium und Calcium durch die Nervenzellwand, also die konkrete chemische
Reaktion zur Erzeugung von Potentialdifferenzen und damit der
Nervenleitfähigkeit, gestört ist. Der Transport an sich ist aber notwendig
für jeglichen Denk- oder Bewegungsvorgang. Es kann durchaus sein, dass
Hunde mit Epilepsie ein aus den Fugen geratenes Transportsystem haben, die
mischerbigen Verwandten aber ein besonders schnelles oder besonders
leistungsfähiges Transportsystem haben.
Diese eher theoretischen Aussagen bestätigen die alte Züchterweisheit,
dass die Mischung von Genen häufig die besten Ergebnisse erzielt. Das
klassische Beispiel ist der sogenannte Heterosiseffekt. Schwierig wird es,
wenn man diese Effekte stabilisieren will, denn das wiederum geht nur
durch Erhöhung der Reinerbigkeit. Erfolgreiche Zucht ist immer eine
Gradwanderung zwischen Outcross und Linienzucht. Beim Auftreten von
Erbkrankheiten ist das Pendel zu weit zur Linienzucht ausgeschlagen, und
es wird dringend Zeit zu mehr Auskreuzung.
Was tun?
Die Empfehlungen von Populationsgenetikern gehen alle dahin, Paarungen zu
vermeiden, bei denen das Risiko sehr hoch ist, dass sich rezessive
Genpaare treffen, und statt dessen „gefährdete“ Partner immer an möglichst
„ungefährdete“ anzupaaren. Das nennt man Vergrößerung der Heterogenität,
und es bedeutet, dass man die Anzahl der Mischerbigen (Heterozygoten)
erhöht. Damit kann das Auftreten von rezessiven Erbkrankheiten vermieden
werden. Wir erinnern uns, eine rezessive Kopie kommt niemals gegen eine
dominante Kopie an, der konkrete Bauplan des Hundes wird vom dominanten,
in diesem Fall nicht krankmachenden Gen, bestimmt. Darüberhinaus hat
diese Vorgehensweise den positiven Begleiteffekt, dass züchterisch
wertvolle Tiere, die ein erhöhtes Vererbungsrisiko für Krankheit tragen,
in der Zucht bleiben können.
Die komplette Ausmerzung von Erbkrankheiten ist leider reines
Wunschdenken. Eine populationsgenetische Untersuchung der Tierärztlichen
Hochschule Hannover zur „Zuchtsituation und erblich determinierten
Erkrankungen bei Golden und Labrador Retrievern“ kam zu der ernüchternden
Feststellung, dass „eine absolute Selektion gegen all diese Defekte
gleichzeitig nicht möglich ist (…) und ein Selektionsfortschritt nur sehr
langsam und nur bei Indexselektion zu erwarten wäre. (…) Die einzige
Möglichkeit, diese Erkrankungen in ihrer Ausprägung schneller einzudämmen,
ist eine Zucht auf größere Heterogenität innerhalb der Populationen.“
Ähnlich äußern sich andere Populationsgenetiker, wie zum Beispiel, Dr.
Irene Sommerfeld-Stur aus Wien. „Der Erhalt der genetischen Varianz ist
eines der wichtigsten Ziele der modernen Hundezucht. (…) Fatalerweise
führen oft gerade züchterische Entscheidungen, die im Interesse der
Gesundheit der Nachkommen liegen, zu einer Verschärfung der Situation der
genetischen Vielfalt. (…) Es entspricht also nahezu der Quadratur des
Kreises die Forderung nach Erhalt der genetischen Vielfalt mit den
ebenfalls vielfältigen Selektionszuchtzielen unter einen Hut zu bringen.
Die einzige Möglichkeit, dieses Problem halbwegs erfolgreich zu lösen
bietet die Erarbeitung rassespezifischer Zuchtstrategien, die die
individuelle Situation der einzelnen Rassezuchtpopulationen
berücksichtigen und dabei alle Möglichkeiten der modernen Genetik
ausschöpfen. (…)
Es gibt eine Reihe von züchterischen Instrumenten, die in diesem
Zusammenhang genutzt werden können.
Das hört sich alles sehr kompliziert an. Was versteht man unter diesen
Maßnahmen?
Theoretisch findet man in einem Pedigree zwei Eltern, 4 Großeltern, 8
Urgroßeltern und so weiter. Das macht bis zur dritten Generation 14
verschiedene Vorfahren. Der Ahnenverlustkoeffizient bezeichnet die Anzahl
von Vorfahren, die in einem Pedigree fehlen, weil sie mehrfach vorhanden
sind. Ist der Großvater mütterlicherseits gleichzeitig der Urgroßvater
väterlicherseits, sind es nur noch 13 Vorfahren. Mit dem
Ahnenverlustkoeffizient kann der Inzuchtgrad bestimmt werden.
Eine Zuchtwert- und damit Risikoeinschätzung für eine geplante Paarung
kann ein Züchter grob selbst bestimmen, wenn er weiß, welche
Erbkrankheiten in welchen Linien verlaufen und wie die Eigenleistung sowie
die Verwandtschaftsgrade zu Erkrankten beim potentiellen Zuchtpartner
sind.
Bei der Indexselektion wird die Selektion für verschiedene Merkmale
gewichtet. Der Index bestimmt die Wertigkeit der verschiedenen
Selektionskriterien. Überragende Werte bei einem Merkmal können Schwächen
bei einem anderen Merkmal ausgleichen, um die Genvielfalt zu erhalten.
In der Nutztierzucht werden zur Verbesserung der Erbeigenschaften einer
Rasse schon seit langer Zeit Zuchtwertschätzung und Indexselektion
eingesetzt. Sie sind Mittel der Wahl bei polygener Vererbung und haben in
den letzten 15 Jahren auch ihren Weg in die Hundezucht gefunden. Das
erfahrenste, deutsche Institut in punkto Zuchtwertschätzung bei Hunden ist
das Rechenzentrum für Tierzucht und angewandte Genetik der Universität
Gießen. Etliche Hundezuchtvereine sind hier Kunden, anfänglich alle wegen
HD, später wegen aller möglichen Erbkrankheiten.
Nachbemerkung zur praktischen Anwendung:
Egal, für welche Methode man sich entscheidet, der Erfolg steht und fällt
in jedem Fall mit der Zuverlässigkeit der zugrundeliegenden Information.
Fehlende Informationen über Erkrankte führen dazu, dass Züchter bei der
Zuchtplanung in falsche Sicherheit gewiegt werden. Zum Beispiel Epilepsie
lässt sich sagen, dass die wenigen, wirklich verheerenden Würfe bei
unseren Border Collies sicher auch hätten vermieden werden können, wenn
die Züchter eine Chance gehabt hätten, das Risiko der geplanten Anpaarung
zu erkennen. Niemand züchtet vorsätzlich kranke Tiere, schon gar nicht bei
dieser schrecklichen Krankheit.
Was wir brauchen, ist eine Lösung für die Züchter, die Spielraum für gute
Arbeitshundezucht lässt und gleichzeitig das Risiko minimiert und damit
die Welpenkäufer schützt. Verwendet man das zugängliche Wissen der
Spezialisten auf diesem Gebiet, der Genetiker, ist das ist relativ einfach
durch kluge Anpaarung machbar, die Karten müssen aber endlich auf den
Tisch.
Dr. Viola Hebeler
Literaturverzeichnis folgt. |