Genetik menschlicher Erkrankungen

Stammbäume lesen und Erbgänge unterscheiden

Ein Familienstammbaum zeigt, wer in einer Familie ein Merkmal trägt. Die Symbole sind festgelegt:

• Quadrat = männlich, Kreis = weiblich.

• Ausgefüllt = Merkmalsträger, leer = ohne Merkmal. Ein Kreis mit Punkt kennzeichnet eine Konduktorin.

• Waagerechte Linie = Paar, senkrechte Linie = Kinder.

• Generationen werden mit I, II, III beschriftet, die Personen innerhalb einer Generation mit 1, 2, 3.

Die Eltern sind gesund, die Tochter ist erkrankt. Daraus lässt sich schon etwas schließen.

Das Ausschlussverfahren

Sie bestimmen den Erbgang nicht durch Raten, sondern durch Ausschließen. Dazu prüfen Sie nacheinander die möglichen Erbgänge.

Merken Sie sich: Eine erkrankte Tochter gesunder Eltern bedeutet autosomal-rezessiv. Der Fall ist eindeutig, weil X-chromosomal-rezessiv an ihrem gesunden Vater scheitert.

Jede Begründung hat im Abitur drei Teile: Beobachtung, Regel, Folgerung. Beispiel: „Die Eltern sind gesund, das Kind ist erkrankt (Beobachtung). Das ist nur möglich, wenn das Merkmal rezessiv ist und beide Eltern Anlageträger sind (Regel). Also kommt ein dominanter Erbgang nicht infrage (Folgerung).“

Erbgänge mit X-Chromosom

Frauen haben zwei X-Chromosomen (XX), Männer ein X und ein Y (XY). Gene auf dem X-Chromosom liegen bei Männern nur einmal vor. Man nennt sie hemizygot für diese Gene, weil das Y-Chromosom dort kein passendes Allel besitzt. Ein rezessives Allel auf dem X wirkt bei ihnen daher immer.

Frauen mit $X^HX^h$ sind meist gesund, geben das Allel aber an Kinder weiter. Sie heißen Konduktorinnen (Überträgerinnen). Beispiele sind die Bluterkrankheit (Hämophilie) und die Rot-Grün-Sehschwäche.

Typisch für X-chromosomal-rezessiv sind:

• Es erkranken überwiegend Männer.

• Das Merkmal „überspringt“ Generationen: Großvater, gesunde Mutter (Konduktorin), erkrankter Enkel.

• Ein erkrankter Mann gibt sein X an alle Töchter weiter, aber nie an Söhne. Söhne erhalten sein Y.

Wahrscheinlichkeiten berechnen

Aus dem Stammbaum folgt der Erbgang. Daraus berechnen Sie Risiken. Dafür brauchen Sie zwei Regeln.

Das Grundmuster bei autosomal-rezessiven Merkmalen: Zwei Anlageträger $Aa \times Aa$ haben Kinder mit diesen Wahrscheinlichkeiten:

Jedes Kind wird unabhängig von den anderen gezeugt. Das Risiko beträgt für jedes Kind $\tfrac14$, auch nach einem erkrankten Kind.

Gesunde Geschwister: nur noch drei Möglichkeiten

Ist II-2 gesund und die Eltern sind $Aa \times Aa$, dann kommt $aa$ nicht mehr infrage. Es bleiben $AA$, $Aa$, $Aa$ übrig, also ist II-2 mit der Wahrscheinlichkeit $\tfrac23$ Anlageträger. Die $\tfrac34$ gesunden Kinder verteilen sich zu $\tfrac14$ auf $AA$ und zu $\tfrac24$ auf $Aa$, und $\tfrac24 : \tfrac34 = \tfrac23$.

Mehrere Kinder

Ein Paar $Aa \times Aa$ plant zwei Kinder. Mit $\tfrac14$ erkrankt, mit $\tfrac34$ gesund:

• Genau ein Kind erkrankt: zwei Reihenfolgen (erst krank, dann gesund oder umgekehrt). $P = 2 \cdot \tfrac14 \cdot \tfrac34 = \tfrac{6}{16} = \tfrac38 = 37{,}5\,\%$.

• Mindestens ein Kind erkrankt: Gegenereignis „beide gesund“. $P = 1 - \tfrac34 \cdot \tfrac34 = 1 - \tfrac9{16} = \tfrac7{16} \approx 43{,}8\,\%$.

Bei „mindestens“ lohnt sich fast immer das Gegenereignis.

Gentest, Beratung und Pränataldiagnostik

Wenn das Risiko bekannt ist, stellt sich die Frage, was man damit tut. In der genetischen Beratung (Humangenetik) erklären Fachleute Erbgang und Risiko. Sie entscheiden nicht für die Ratsuchenden. Zur Verfügung stehen:

• Gentest bei einer Person: Er zeigt, ob jemand ein Krankheitsallel trägt, etwa Anlageträger bei Mukoviszidose.

• Prädiktiver Gentest: Er sagt eine spätere Erkrankung voraus, etwa bei Chorea Huntington (autosomal-dominant, Ausbruch meist zwischen 40 und 55 Jahren).

• Pränataldiagnostik (PND): Untersuchung des ungeborenen Kindes, zum Beispiel fetaler DNA nach einer Fruchtwasserpunktion (Amniozentese). Dabei wird Fruchtwasser entnommen und die DNA auf das Krankheitsallel untersucht. Der Eingriff birgt ein kleines Risiko für eine Fehlgeburt (etwa 0,1 bis 1 %).

Bei autosomal-dominanten Merkmalen ist die Rechnung einfach. Ein Elternteil $Aa$ und ein gesunder Elternteil $aa$ ergeben die Wahrscheinlichkeit $\tfrac12$ für ein erkranktes Kind. Ist ein Elternteil von Anna erkrankt und der andere gesund, dann ist Anna mit $\tfrac12$ Trägerin. Ein Kind von Anna erkrankt dann mit $\tfrac12 \cdot \tfrac12 = \tfrac14$.

Bewerten mit einem Verfahren

Die Fragen im Abitur lauten „Bewerten Sie …“ oder „Beurteilen Sie …“. Dafür gehen Sie so vor:

1. Situation und Handlungsoptionen nennen (etwa Test ja/nein, PND ja/nein).

2. Kriterien aufstellen, zum Beispiel Selbstbestimmung, Gesundheit, Sicherheit der Aussage, psychische Belastung, Risiko des Eingriffs, Recht auf Nichtwissen.

3. Jede Option an den Kriterien abwägen (Chancen und Risiken).

4. Entscheidung begründen. Tatsachenaussagen („Das Risiko beträgt $\tfrac14$“) und Wertaussagen („Ein Abbruch ist richtig/falsch“) trennen Sie sauber.

Gentherapie

Bei einer Erbkrankheit fehlt oder arbeitet ein Genprodukt fehlerhaft. Die Gentherapie versucht, den Defekt auf Ebene der Gene zu beheben, meist durch eine funktionsfähige Genkopie.

• Somatische Gentherapie: Verändert werden Körperzellen (etwa Blutstammzellen). Die Veränderung wird nicht an Nachkommen vererbt. Sie ist erlaubt und wird in Studien und Therapien eingesetzt.

• Keimbahntherapie: Verändert würden Keimzellen oder Embryonen. Die Veränderung würde vererbt. In Deutschland ist sie nach dem Embryonenschutzgesetz verboten.

Ein Vektor transportiert die Genkopie in die Zelle. Häufig sind es veränderte Viren, die nicht mehr krank machen können.

• Ex vivo: Zellen werden entnommen, im Labor behandelt und zurückgegeben. Beispiele sind Blutstammzellen bei SCID oder β-Thalassämie. Der Erfolg lässt sich vor der Rückgabe prüfen.

• In vivo: Der Vektor wird direkt in den Körper oder das Zielgewebe gegeben. Das ist einfacher in der Anwendung, aber schwerer zu kontrollieren.

Auf einen Blick

• Stammbaum: Quadrat = männlich, Kreis = weiblich, ausgefüllt = erkrankt. Gesunde Eltern mit erkranktem Kind bedeuten rezessiv. Eine erkrankte Tochter gesunder Eltern bedeutet autosomal-rezessiv.

• Ausschlussverfahren: Beobachtung, Regel, Folgerung. X-chromosomal-rezessiv scheitert an einer erkrankten Tochter mit gesundem Vater.

• X-chromosomal-rezessiv: Männer sind hemizygot, Frauen können Konduktorinnen sein. Konduktorin × gesunder Mann: $\tfrac12$ der Söhne erkranken, keine Tochter.

• Risiko: $Aa \times Aa$ ergibt $\tfrac14$ erkrankt. Gesunde Geschwister sind mit $\tfrac23$ Anlageträger. Verknüpfungen laufen über die Produktregel, „mindestens ein“ über das Gegenereignis.

• Gentest und PND: Beratung ist freiwillig und ergebnisoffen. Bewerten heißt Kriterien aufstellen, Optionen abwägen und Fakten von Werten trennen.

• Gentherapie: Somatisch ist erlaubt, Keimbahn ist in Deutschland verboten. Ex vivo oder in vivo mit Vektor. Nutzen sind Heilung und Lebensqualität, Risiken sind Insertionsmutagenese, Immunreaktion und Kosten.

Zur Eingangsfrage: Die Meyers sind beide Anlageträger ($Aa$) und gesund. Lena ist $aa$. Jedes weitere Kind erkrankt mit $\tfrac14$, ist Anlageträger mit $\tfrac12$ und ist ohne Anlage mit $\tfrac14$.