Duplication und Divergenz einzelner Gene

Fehler in der Meiose können auch zu einer Duplikation bei deutlich kleineren als der bisher besprochenen chromosomalen Bereiche führen, die etwa der Länge einzelner Gene entsprechen. Ein Cross/ng-over-Ereignis zwischen nicht homologen Chromosomen in der Prophase der ersten meiotischen Teilung kann beispielsweise zu einem C hromosom mit einer Deletion führen, während der zweite Partner dieser illegitimen Rekombination eine Duplikation des entsprechenden Bereichs aufweist, der ein Gen enthalten kann. Transponierbare Elemente können im Genom Stellen schaffen, an denen Nichtschwesterchromatiden rekombinieren können - selbst dann, wenn die homologen Bereiche nicht korrekt aneinandergelagert sind.

Weiterhin kann es während der Replikation zu einem „Verrutschen" kommen, also einer Verschiebung des Matrizenstranges relativ zum neu entstehenden Komplementärstrang. Ein Teil des Matrizenstranges wird dann, abhängig von der Replikationsrichtung, entweder gar nicht oder doppelt repliziert, was eine Deletion oder eine Duplikation des betroffenen Abschnitts zur Folge hat. Man kann sich leicht vorstellen, dass solche Fehler verstärkt in den oben beschriebenen Bereichen von Sequenzwiederholungen auftreten können. Die Variationen in der Zahl von Wiederholungen einfacher Sequenzmotive, die für die STR-Analyse genutzt werden, gehen auf derartige Fehler zurück. Die Existenz von Multigenfamilien wird als Beleg dafür angesehen, dass illegitimes Crossing-over und ein Verrutschen des Matrizenstranges in der Replikation zur Duplikation von Genen führen können.

VERSTÄNDNISFRAGEN

Die Evolution von Genen mit neuartigen Funktionen In der Evolution der Globingenfamilien führten Genduplikation und die nachfolgende divergente Entwicklung zur Bildung der verschiedenen „Familienmitglieder" der Proteine mit ähnlicher Funktion (Sauerstofftransport oder -Speicherung). Alternativ kann sich ein dupliziertes Gen aber auch so weit verändern, dass das codierte Protein eine vollkommen neue Funktion erfüllt. Die Gene des Lysozyms und des a-Lactalbumins sind hierfür gute Beispiele.

  • 1. Würden Sie erwarten, dass das Genom eines Makaken (einer Gruppe von Affen) mehr Ähnlichkeit mit dem einer Maus oder dem des Menschen hat? Begründen Sie Ihre Antwort.
  • 2. Die als Homöobox bezeichnete DNA-Sequenz, die bei den an der Entwicklungssteuerung beteiligten homöotischen Genen zu finden ist, taucht bei allen möglichen Tieren auf. Versuchen Sie zu erklären, warum Tiere ungeachtet dieser Ähnlichkeit so verschieden sind.
  • 3. Was wäre, wenn? Im Genom des Menschen gibt es dreimal so viele Alu-Sequenzen wie in dem von Schimpansen. Wie könnten nach Ihrer Meinung diese vielen zusätzlichen Alu-Elemente im Humangenom entstanden sein? Schlagen Sie eine hypothetische Rolle vor, die diese Sequenzen bei der divergenten Entwicklung dieser Primatengattungen gespielt haben könnten.

Lysozym ist ein Enzym, das von Tieren erzeugt wird und der Abwehr von Bakterien dient, in deren Zellwand es bestimmte Bindungen hydrolysiert. a-Lactalbumin ist ein Protein ohne Enzymwirkung, das bei Säugetieren an der Milchproduktion beteiligt ist. Die beiden Proteine ähneln sich in ihrer Aminosäuresequenz und auch in ihrer Konformation. Beide Gene finden sich bei Säugetieren, wohingegen Vögel nur das Lysozymgen besitzen. Daraus schließt man, dass eine Duplikation des Lysozymgens in den Vorfahren der Säugetiere auftrat, nach der Trennung der Evolutionslinien der Säugetiere (Mammalia) und der Vögel (Aves). Eine entsprechende Duplikation hat in der Abstammungslinie der Vögel entweder nicht stattgefunden oder sie ist in dieser wieder verloren gegangen, ohne deutliche Spuren zu hinterlassen. In der Folge hat sich dann eine Kopie bei den Säugetieren zum a-Lactalbumingen weiterentwickelt, das heute ein Protein mit einer völlig anderen Aufgabe codiert.

 
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