Stammbaumanalyse

1. Historische Entwicklung

Schon früh interessierte man sich für die Weitergabe körperlicher und geistiger Merkmale von den Eltern auf die Kinder. Am Anfang hatten Anekdoten und Aberglaube großen Einfluss auf die Vorstellungen.
Ab 1750 folgte eine Phase, in der das Auftreten besonderer Merkmale in Familien beobachtet und aufgezeichnet wurde. Man hatte schon erkannt, dass Deformationen oder Besonderheiten, die eine genetische Bedeutung haben, angeboren und selten sein mussten. Nach unseren heutigen Ansprüchen reicht es jedoch nicht aus, die Vererbung einer Besonderheit festzustellen – man möchte etwas über den Mechanismus der Weitergabe wissen.
Einer der ersten Stammbäume (Mr. J. Scott, 1777 – Beispiel 2) dokumentierte die Verbreitung der Farbenblindheit in der Familie. Aus genetischer Sicht ist wichtig, dass die Personen durch ein einziges erbliches Merkmal in zwei Klassen aufgespalten werden. Die Aufspaltung von Merkmalen (vergleiche „Mendel“) ist eine wesentliche Erkenntnis. Solche Eigenschaften waren aber selten und wurden wenig beachtet, da die Leute sich dafür interessierten, ob ihre Kinder klug oder dumm sein werden, schön oder hässlich, groß oder klein, gesund oder kränklich und so weiter. Diese Merkmale erfüllen aber nicht die Forderung der genetischen Einfachheit, die bedeutet, dass das betreffende Merkmal sich als Einheit verhält und dass man genau feststellen kann, ob es vorhanden ist oder nicht.
Wenige für einen Erklärungsansatz geeignete Stammbäume gingen in einer Flut von sinnlosen Beschreibungen familiärer Fälle unter.

Für den Laien ist es manchmal enttäuschend, dass nicht die Vererbung von Gesundheit und Intelligenz untersucht wird, sondern weniger bedeutsame Eigenschaften, die zufällig leicht zu erforschen sind, weil sie aufspalten.

L.S. Penrose: Einführung in die Humangenetik, Berlin 1973

2. Stammbaumanalyse im Unterricht

Es ist das Ziel, von den beobachteten Merkmalen (Phänotypen) auf die Erbanlagen (Gene, Genotypen) zu schließen und Voraussagen für die nächste Generation zu machen.

Es wird also versucht, die Gedankengänge der Erstentdecker nachzuvollziehen. In der medizinischen Praxis ist die Schwierigkeit die Differentialdiagnose des Krankheitsbildes (hier gibt es viele Labore, die Spezialtests durchführen); hat der Facharzt das Syndrom bestimmt, sieht der Genetiker in der Literatur nach, wie es vererbt wird.

Dorian J. Pritchard, Bruce R. Korf: Medical Genetics at a Glance, Oxford 2005
W. Buselmaier, G. Tariverdian: Humangenetik, Berlin 1999

2.1 Vorbemerkung

Da man nicht davon ausgehen kann, dass die Eltern in Bezug auf das Merkmal homozygot sind, sind die Mendelschen Regeln nicht direkt anwendbar.
Für statistische Berechnungen ist die untersuchte Anzahl der Personen eines Stammbaums viel zu klein. Man kann nur Wahrscheinlichkeiten angeben. Die Zahlenverhältnisse der Spaltungsregel können nicht vorausgesetzt werden.

Da das nur schwer eingesehen und häufig nicht berücksichtigt wird, ist es günstig, es durch eine Simulation zu verdeutlichen.
Die Schüler werden in Gruppen eingeteilt, werfen mehrmals zwei Münzen hoch und notieren die Ergebnisse.

Selbst die Summe ist weit von dem erwarteten Ergebnis entfernt!

Von den vielen Merkmalen eines Menschen werden wenige oder gar nur eins untersucht. Oft handelt es sich um ein seltenes, ungünstiges Symptom – über den Ausnahmefall kann man den Normalfall analysieren. Es werden aber auch Variationen des normalen Erscheinungsbildes (z.B. Hautfarbe) untersucht.

2.2 Analyseschritt 1

Wie viele Merkmale werden untersucht?
In wie vielen Ausprägungen tritt das Merkmal auf?

Die Überlegungen gehen immer von den Trägern des besonderen Merkmals (meist ein ausgefülltes Symbol) aus. Nur durch ihre Existenz kann man überhaupt etwas aussagen. Sie stehen im Fokus der Betrachtung, weil man sie ja auch beraten will.

Die folgenden Überlegungen müssen für jedes Merkmal angestellt werden.

-          Merkmal tritt in zwei Ausprägungen auf
           (z.B. Spalthand / normale Hand) dominant – rezessiver Erbgang
-          Merkmal tritt in drei Ausprägungen auf codominater Erbgang
-          Merkmal tritt in mehr als drei Ausprägungen auf (z.B. A, B, AB, 0)
            kombinierter Erbgang (dominat / rezessiv und codominat oder polyfaktoriell oder …)

2.3 Analyseschritt 2

2.3.1 Eine Generation ist merkmalsfrei rezessive Vererbung
Tritt das Symptom weder bei den Eltern noch bei den Nachkommen eines Betroffenen auf, so wird es rezessiv vererbt. Das Krankheitsmuster ist „horizontal“, die Patienten sind meist Geschwister.
Das Merkmal kann aber auch in allen Generationen auftreten und trotzdem rezessiv vererbt werden; dann muss man nach einer bestimmten Personenkonstellation suchen.

Tritt diese Konstellation auf, so wird das Merkmal ganz sicher rezessiv vererbt.

2.3.2 Das Merkmal tritt in allen Generationen auf („vertikal“)
Die Wahrscheinlichkeit für eine dominante Vererbung ist groß. Eine sichere Entscheidung ist nur möglich, wenn die folgende Konstellation in dem Stammbaum auftritt:

Diese Beziehung gibt es in dem Stammbaum zur Spalthand.

Man kann sich leicht klarmachen, dass das Merkmal dominant vererbt werden muss.

Treffen alle aufgestellten Forderungen nicht zu (Beispiel 2), so ist der Stammbaum für Forschung und Schulunterricht wenig geeignet.

Man kann dann gedanklich sowohl von einer rezessiven als auch dominanten Vererbung des Merkmals ausgehen – in jedem Fall kann man widerspruchsfrei Genotypen zuordnen. Es kann natürlich nur ein Vererbungsmodus zutreffen – welcher muss mit anderem Untersuchungsmaterial entschieden werden.

2.4 Analyseschritt 3

Nachdem man festgestellt hat, welcher Erbgang vorliegt, kann man Symbole für den Genotypen auswählen. Jedem Merkmalsträger werden Symbole der Allele zugeordnet.

2.4.1 Auswahl der Symbole
Das Allel, das rezessiv ist, wird durch einen kleinen Buchstaben repräsentiert.
Das Allel, das dominant oder codominant ist, wird durch große Buchstaben dargestellt.

2.4.2 Zuordnung der Symbole
Die Personen, die das rezessiv vererbte Merkmal tragen, müssen homozygot sein ® zwei kleine Buchstaben – z.B. aa.
Den Personen, die das dominant vererbte Merkmal tragen, kann AA oder Aa oder A? zugeordnet werden. Ein A besitzen sie auf jeden Fall. Das zweite Allel, muss aus der Stellung im Stammbaum (Eltern, Geschwister, Nachkommen) abgeleitet werden. Manchmal ist eine eindeutige Aussage nicht möglich.
Manchmal liegt das Gen in drei oder noch mehr Formen vor; dann muss man mehr Buchstaben als Symbole auswählen.

3. Geschlechts(chromosomen)gebundene Vererbung

Bisher wurden nur Stammbäume untersucht, bei denen die Gene auf Autosomen lagen. Es folgen jetzt zwei Beispiele für geschlechts(chromosomen)gebundene Vererbung – d.h. das Gen liegt auf dem x-Chromosom. Die Krankheit bzw. die Besonderheit kann bei Frauen und Männern auftreten.

3.1 Beispiele für geschlechtschromosomengebundene Vererbung

Der Stammbaum lässt sich ohne Widerspruch durch einen autosomalen Erbgang erklären. Bei nicht geschlechtsgebundener Vererbung muss man allerdings von dem unwahrscheinlichen Fall ausgehen, dass neben der Frau auch zufällig beide Ehemänner Träger des Gens sind.

Dass nur männliche Nachkommen die Krankheit haben, weist auf die Möglichkeit einer geschlechtsgebundenen Vererbung hin. Die Frau wäre dann „Konduktorin“ (heterozygot) und man käme ohne weitere Annahmen für die Ehemänner aus.

3.2 Aufklärung eines geschlechtschromosomengebundenen Erbgangs

Frauen besitzen zwei X-Chromosomen, Männer ein X- und ein Y-Chromosom. Die zwei Chromosomen unterscheiden sich deutlich in Größe und Aussehen. Das Y-Chromosom erreicht nur ein Viertel der Größe des X-Chromosoms. D.h. für die meisten Gene auf dem X-Chromosom gibt es keinen Partner auf dem Y-Chromosom. Im Falle einer X-gekoppelten Mutation gibt es für die Männer zwei und die Frauen drei Möglichkeiten.
Männer geben ihr X-Chromosom an alle Töchter und ihr Y-Chromosom an alle Söhne weiter. Frauen geben ein X-Chromosom sowohl an die Töchter als auch an die Söhne weiter; welches ausgewählt wird, entscheidet der Zufall.

Bezeichnungen:

betroffen –                    Person krank bzw. trägt das besondere Merkmal
mutiertes Alell –            verändertes Gen, das krank machen kann bzw. …
normales Alell –            ursprüngliche Genausprägung, die nicht krank macht bzw. …
hemizygot –                  Männer sind für die Gene, die nur auf dem X-Chromosom liegen hemizygot
Konduktorin –               gesunde Frau, die ein rezessives mutiertes Gen auf einem X-Chromosom trägt

Wenn man nicht schon weiß, dass es geschlechtschromosomengebunden vererbt wird (Hämophilie A, Hämophilie B, rot-grün Schwäche, Muskeldystrophie Duchenne, ...), muss man die Art des Erbgags aus dem Stammbaum ableiten.

Ob das Merkmal rezessiv oder dominant vererbt wird, wurde schon vorher entschieden, muss aber jetzt nochmals überdacht werden. – Da die Männer hemizygot sind, kann es in den Stammbäumen zur geschlechtschromosmengebundenen Vererbung zu besonderen Konstellationen kommen. Trägt ein Mann das mutierte Gen, ist er immer betroffen – gleichgültig ob es rezessiv oder dominant vererbt wird.

3.2.1 Rezessive geschlechtschromosomengebundene Vererbung

Relativ häufig, hunderte von Erbgängen
Hinweise (keine Beweise):    Männer sind sehr viel häufiger betroffen als Frauen.

Das mutierte Alell wird nie vom Vater auf den Sohn weitergegeben.
Bei nicht erkrankten Söhnen / Männern tritt das mutierte Alell im weitern Erbgang nicht mehr auf.

Erkrankte männliche Personen treten in aufeinander folgenden Generationen auf und sind jeweils über die weibliche Linie verbunden.

Für die Beratungspraxis gelten die folgenden Regeln für heterozygote Erbanlagen:

-          alle Töchter eines erkrankten Mannes
-          Frauen, die zwei erkrankte Söhne haben (Mutation dann unwahrscheinlich)
-          Frauen, die einen erkrankten Sohn und einen erkrankten Bruder haben
-          zwei Schwestern, die je einen erkrankten Sohn haben
-          Frauen, die einen erkrankten Sohn und einen erkrankten Onkel (mütterlicherseits) haben

Einige besondere Fälle:

	Ist die Frau homozygot (d.h. keine Konduktorin), so kann kein Kind Merkmalsträger sein. Für die Kinder besteht kein Risiko. Alle Töchter sind Konduktorinnen. Ist die Frau heterozygot (Konduktorin), so trägt die Hälfte der Söhne das Merkmal, die andere nicht. Die Hälfte der Töchter trägt das Merkmal, die andere besteht aus Konduktorinnen.
	In diesem Fall sind alle Söhne Merkmalsträger und alle Töchter Konduktorinnen.
	Von dem Sohn, der Merkmalsträgerist, kann man zurück schließen, dass die Frau Konduktorin ist (eine Mutation soll ausgeschlossen sein). Statistisch gesehen ist die Hälfte der Söhne Merkmalsträger und die Hälfte der Töchter Konduktorinnen.
	Diese Eltern können keine merkmalsfreien Kinder haben.

Betrachtet man jetzt rückblickend Beispiel 4, so war die geschlechtschromosomengebundene Vererbung nicht auf einen Blick zu erkennen, da nur zwei betroffene Generationen vorlagen.

Sieht man sich jetzt Beispiel 2 genauer an, so sieht man, dass die rot-grün Schwäche bei Männern in jeder Generation vorkommt und dass sie alle über die weibliche Linie verbunden sind. D.h. es handelt sich um eine geschlechtschromosomengebundene Vererbung.

Das Beispiel zeigt den seltenen Fall einer rezessiven Vererbung, bei dem neben vielen Männern auch eine Frau betroffen ist.

3.2.3.2 Dominanter geschlechtschromosomengebundener Erbgang

Sehr, sehr selten.
Hinweise (keine Beweise):    Männer und Frauen sind Merkmalsträger;
                                               betroffene Frauen sind etwa doppelt so häufig wie betroffene Männer.

In diesem Fall gibt es auch heterozygote Frauen – aber sie sind alle betroffen.
Ein betroffener Mann gibt das mutierte Alell an jede Tochter weiter, aber nie an einen Sohn.

In diesem Fall sind alle Töchter betroffen und alle Söhne sind nicht betroffen.

Falls die Frau homozygot ist, sind alle Kinder krank.
Falls die Frau heterozygot ist, ist statistisch gesehen die Hälfte der Söhne und auch die Hälfte der Töchter krank.

In jedem Fall sind alle Töchter betroffen.
Ist die Frau homozygot, so sind auch alle Söhne betroffen.
Ist die Frau heterozygot, ist statistisch gesehen die Hälfte der Söhne nicht betroffen.

4. crossing over

Manche Stammbäume lassen sich nur erklären, wenn man annimmt, dass ein crossing over stattgefunden hat.

Über den folgenden Stammbaum wurde 1938 im Archiv für Rassenbiologie (!) berichtet.

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Juli 2007
© B.Bossert