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Grundlagen der DNA-Forschung

Seit Charles Darwin (1809-1882) mit seiner Schrift "Über die Entstehung der Arten" (veröffentlicht 1859) Stürme der Zustimmung und der Ablehnung entfachte, sind 155 Jahre vergangen, in denen viele Forscher an den Stammbäumen von Pflanzen und Tieren gearbeitet haben. Einer von ihnen war Ernst Haeckel, Professor an der Universität Jena (1834-1919). Er verfasste "Gemeinverständliche Wissenschaftliche Vorträge", u.a. im Jahr 1868 "Natürliche Schöpfungsgeschichte". Dort schreibt er:

"Die Merkmale, durch welche man gewöhnlich die Menschenrassen unterscheidet, sind theils der Haarbildung, theils der Hautfarbe, theils der Schädelbildung entnommen. In letzterer Beziehung unterscheidet man als zwei extreme Formen Langköpfe (Dolichocephali) und Kurzköpfe (Brachycephali). [....] Die zwischen beiden Extremen in der Mitte stehenden Mittelköpfe (Mesocephali) [....] In jeder dieser drei Gruppen kommen Schiefzähnige  (Prognathi) vor [....] und Gradzähner (Orthognathi) [....] Endlich kann man nach der Haarbildung als zwei große Hauptgruppen Wollhaarige [Ulotriches) und Schlichthaarige (Lissotriches) unterscheiden. Von den zehn angenommenen Menschenarten würden vier zur Reihe der wollhaarigen und sechs zur Reihe der Schlichthaarigen gehören......." (19. Vortrag, S.12 und 13)

Im 20. Jahrhundert versuchte man, die Menschen nach Blutgruppen den sog. Rassen zuzuordnen. Aber weder Schädel- Haar- Gebiss- noch Blutgruppenuntersuchungen erwiesen sich als erfolgreich zur Klärung der Zugehörigkeit. 1951 schließlich präsentierten die beiden Forscher Crick und Watson das Modell des menschlichen Genoms und es setzte ein Wettlauf unter den Genetikern und Biologen ein, es vollständig zu entschlüsseln. Der Stammbaum des Menschen, seine Herkunft aus Afrika, seine Wanderungen über die Erde konnten - und werden noch immer genauer - weiter erforscht werden. Heute gehört der Umgang mit der menschlichen DNA für Polizei, Mediziner, Archäologen und Genealogen zum täglichen Gebrauch. Selbst jeder einzelne von uns kann heute zu verhältnismäßig zivilen Preisen seine eigene genetische Ausstattung testen lassen und auf diese Weise erfahren, aus welchem geographischen Teil der Erde seine Vorfahren kamen.

Um zu erfahren wie das möglich ist, ist ein kleiner Exkurs in die Genetik nötig:

Jeder erwachsene Mensch besteht aus 100 Billionen Körperzellen. Im Zellkern jeder dieser Körperzellen (nur die roten Blutzellen, die keinen Zellkern und also auch keine Chromosomen enthalten, bilden eine Ausnahme) befindet sich unsere  komplette Erbinformation in Form von DNA (englische Abkürzung für Desoxyribonukleinsäure), aufgewickelt zu Chromosomen.

Aufbau der menschlichen Zelle

Ein kleinerer Teil unserer Erbinformation befindet sich im Zytoplasma jeder menschlichen Zelle in Form einer großen Anzahl von Mitochondrien, kreisförmiger mtDNA, die hauptsächlich für die Energieversorgung der Zelle sorgt.

Mitochondrion_trans.png

 

Chromosomen_2-Kopie.png Basenpaare_trans.png Der Mensch hat im Zellkern 46 Chromosomen (griech. für Farbkörper, weil sie sich gut zur Untersuchung einfärben lassen), die paarweise und nach Größe geordnet sind. Jedes Chromosom besteht aus einer unterschiedlich langen Kette von Basenpaaren, die jeweils ein Gen bilden. Tausende von diesen Genen bilden ein Chromosom, einem aus den jeweils zusammenpassenden Basenpaaren Adenin (A) und Thymin (T), sowie Cytosin (C) und Guanin (G) bestehenden DNA-Doppelstrang.Da jedes Chromosom paarweise vorhanden ist, gibt es jeweils 2 Kopien der Gene, mit Ausnahme der geschlechtsbestimmenden Chromosomen. Männer besitzen ein X- und ein Y- Chromosom, Frauen haben zwei Kopien des X-Chromosoms.

 

Für die sexuelle Fortpflanzung findet eine Reduktionsteilung des Doppelstrangs statt, sodass die mütterliche Eizelle und die väterliche Spermazelle je nur einen einfachen Satz von Chromosomen enthält: das Ei der Mutter enthält 23 Chomosomen, 22 sog. Autosome und pro Kopie eins ihrer beiden X-Chromosome, das Sperma des Vaters ebenfalls 22 Autosome und pro Kopie entweder ein X- oder ein Y-Chromosom.

Wie man auf dieser Graphik erkennen kann, gibt die Mutter ihr X-Chromsom an alle Kinder weiter, währen der Vater sein X-Chromosom nur bei den Töchtern beisteuert, das Y-Chromosom geht unverändert nur an die Söhne.

 

Vererbung des Geschlechts
Autosomale Vererbung.png

Auch an dieser Graphik wird deutlich, dass das Y-Chromsom (das kurze blaue Chromosom) und die ringförmige mitochondrische DNA (der rote Kreis) nicht vermischt werden, sie werden unverändert in die nächste Generation weitergegeben. Von all den Vätern unserer Vorfahren hat nur der eine mit - meistens - demselben Nachnamen auch dasselbe Y-Chromosom und der Vater des Vaters und wiederum dessen Vater etc. von allen Großmüttern nur die Mutter der Mutter und wiederum deren Mutter usw. dasselbe Mitochondrion. Die Vererbung der mtDNA erfolgt getrennt von dem Vererbungsprozess der Zellkern-DNA, bei der Verschmelzung von Ei - und Samenzelle gibt lediglich die Eizelle ihr Zytoplasma an den Nachkommen weiter.

Von den Genen der Autosomalen erhält jedes Kind 50% in zufälliger Kombination. Mehr dazu weiter unten.


mtDNA_3_trans.png 

Bei der mtDNA wird zwischen der Kontrollregion und der codierenden Region unterschieden. Die Kontrollregionen HVR 1 und HVR 2 befinden sich in zwei Bereichen des sog. D-Loops und eignen sich dafür, weit zurückliegende mütterliche Herkunft und die Haplogruppe zu bestimmen. Die übrigen Gene des mt-Chromosoms gehören zur codierende Region und erlauben eine detailliertere Analyse.  

Während die autosomale DNA 3 Milliarden Basenpaare enthält, das Y-Chromosom 60 Millionen Basenpaaren enspricht, besteht die ringförmige mtDNA nur aus 16.500 Basenpaaren, kommt dafür aber je nach Energiebedarf der Zellen mit 500-1000 Kopien/Zelle im Zytoplasma vor. 

Nachdem das menschliche Genom entschlüsselt worden war, konnte man zwar die väterlichen und mütterlichen Vorfahrenlinien bestimmen, aber woher diese Vorfahren kamen und wie ihre Wanderungen auf der Erde verliefen, wäre daraus nicht zu ersehen gewesen. Dazu bedurfte es einer wichtigen Besonderheit der DNA, ihre Neigung, in bestimmten großen zeitlichen Abständen bei der Zellteilung kleine Fehler zu machen, wirkungsneutrale Mutationen, die weitervererbt werden. Sie geschehen in allen Chromosomen, wichtig für die Wanderungsgeschichte des Menschen sind diese Mutationen beim Y-Chromosom und bei der mt-DNA, weil außer dem erstmaligen Fehler nach einer bestimmten Zeit ein zweiter Fehler passiert usw. und so durch immer wiederkehrende Mutationen und ihre Weitervererbung ein Zeitstrahl entsteht.Jede Y-Haplogruppe wird durch ein bestimmtes Markierungsgen gekennzeichnet. (z.B. M170 für die HG I) Mit Hilfe der Kartierung dieser Mutationen sind Y-DNA und mt-DNA- Stammbäume entwickelt worden. Die Äste dieser Bäume werden Haplogruppen genannt, die dicken Äste repräsentieren die Hauptgruppen, von denen viele Untergruppen abzweigen. Jeder Haplogruppe gehören Personen an, die in ferner Vergangenheit einen gemeinsamen Vorfahren haben und die zusammengefasst werden können, weil sie ein ähnliches genetisches Profil und eine gemeinsame geographische Herkunft haben.

Haplogruppenmarker.png mt_Baum_trans_L.png

 vereinfachter Y-DNA Stammbaum                                     vereinfachter mtDNA Stammbaum

Mit Hilfe dieser neuen Erkenntnisse und unzähliger DNA-Tests konnten Wissenschaftler die These von der Herkunnft des Menschen aus Afrika stützen und Wanderungskarten der Y-DNA- und mtDNA-Haplogruppen herstellen.

y-DNA-Wanderung.png mt-DNA-Wanderung.png

Haplogruppen sind nicht gleichmäßig auf der Erde verteilt. Auf den Verteilungskarten handelt es sich auf dem amerikanischen Doppelkontinent, auf Australien etc. jeweils um die DNA-Haplogruppen G der Ureinwohner.

               Verteilung der Y-DNA- HG weltweit                                             Verteilung der mt-DNA-HG weltweit

Weltkarte der Y-DNA HG.png mt_weltweit_trans.png

Ich komme hier noch einmal auf die Autosomen zurück. Seit einiger Zeit haben Genetiker eine Möglichkeit gefunden, mit Hilfe von DNA-Vergleichen zeitnahe Verwandtschaft bis zur 4./5. Generation zu bestimmen.  

Autosomale-Vererbung.pngDie Methode ist ungleich komplizierter, da Autosomale in jeder neuen Generation vermischt werden - so kann man zwar eine um vieles größere Anzahl von Markern vergleichen, aber von jedem Elternteil erbt ein Kind nur ungefähr 50% der DNA und weitere Kinder desselben Paares erhalten eine ganz andere zufallsbedingte 50%ige Auswahl der elterlichen DNA. Und auch Vater und Mutter haben schon von ihren Eltern eine Mischung aus beiden DNA-Sequenzen erhalten. Trotzdem ist es auf Grund bestimmter Eigenschaften der Chromosomen möglich, Blutsverwandtschaft festzustellen - allerdings mit geringerer Sicherheit, je entfernter die Verwandtschaft ist.

 

In allen Zellarten können Mutationen auftreten und werden an die Nachkommen weitergegeben. Diese unterschiedlichen Genvariationen bezeichnet man als Allele, das Auftreten verschiedener Allele an einem genau zu lokalisierenden Genort als Polymorphismus. Das Genom aller Menschen hat zwar die gleiche Grundstruktur, aber jeder einzelne Mensch verfügt über eine große Anzahl von individuellen Allelen, sog. SNPs (engl. Single Nukleotide Polyphormism), bei denen z.B. das Säurenpaar C-G an einer bestimmten Stelle der Doppelhelix durch A-T ersetzt wurde. 

Eine besondere Bedeutung für die Verwandtschaftsforschung haben die sog. STRs (engl. Short Tandem Repeats), bei denen sich kurze Basenpaare an einem meist nicht codierendem Genort wiederholen. Wenn gleichzeitig mehrere STR-Genorte untersucht werden, ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass zwei nicht verwandte Personen das gleiche DNA-Muster haben - umgekehrt, findet man an verschiedenen Genorten die gleiche Anzahl von Wiederholungen von STRs, kann man mit ziemlicher Sicherheit von einer Verwandtschaft ausgehen.

Eine weitere Besonderheit der Chromosomen besteht darin, dass bestimmte Abschnitte zusammenhängend vererbt werden und selbst nach einigen Generationen noch als Teilstücke ermittelt werden können.

Zusammengefasst kann man sagen, dass zeitnahe Verwandtschaft ermittelt werden kann, indem nach gemeinsamen STR-Blocks sucht, wobei ein Anzeichen dafür eine möglichst lange Reihe identischer Allele auf einem Chromosom mit dicht zusammenliegenden Markern ist.

Das menschliche Genom enthält ca. 3,7 x 109 Basenpaare. Um mit dieser großen Menge umgehen zu können, hat man die Hilfseinheit Centimorgan (cM) definiert, benannt nach dem Genetiker Thomas H. Morgan. Danach entspricht 1 cM einer 1%igen Chance, dass innerhalb einer Generation ein Marker auf einem Chromosom von einem anderen Marker auf demselben Chromosom durch Rekombination getrennt wird. Übertragen auf Basenpaare entspricht 1 cM  etwa 1 Million Basenpaaren, das bedeutet, bei Übereinstimmung von 1 cM = Übereinstimmung von ca. 1 000 000 Basenpaaren. In Datenbanken wird normalerweise cM angegeben, zum Verständnis ist die Angabe in % einleuchtender.

Verwandtschaft.png

An der nebenstehenden Tabelle sind ausgehend von dem Probanden die Prozentzahlen der Übereinstimmungen angegeben, die folgenden Centimorgans entsprechen:

Proband = 100% = 7,768.0 cM = 7 768 000 000 Basenpaare

Eltern/Geschwister/Kinder = 50% =3,884 cM = 3 884 000 000 BP

Großeltern/Tanten/Nichten/Enkel = 25% =1,942 cM =1 942 000 000 BP

Urgroßeltern/Großtanten/Cousinen/Großnichten/Urenkel  =12% = 971 cM = 971 000 000 BP

Mit jeder weiteren Generation halbieren sich die %- und somit die cM- Werte.

Wie man sieht, nimmt die Wahrscheinlichkeit einer sicheren Aussage über das Verwandtschaftverhältnis mit jeder weiteren Generation ab. Immerhin eignet sich diese Methode einigermaßen sicher noch bis zu den Nachkommen der Ururgroßeltern. 

 

 

 

 

                

 


 

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