Computersimulation zu Kreuzungen von Drosophila mit dem Virtual Fly Lab

Unter der Adresse http://vflylab.calstatela.edu lassen sich im Internet Kreuzungen der Taufliege Drosophila melanogaster simulieren und mit Hilfe einer ansprechenden Graphik veranschaulichen.
Die Inforrmationstexte zum Programm sind so gestaltet, daß Schüler/innen weitgehend ohne Hilfestellungen Kreuzungen durchführen und auswerten können. Da die Texte in Englisch geschrieben sind, ist lediglich die Mitteilung einiger Vokabeln hilfreich.
Es empfiehlt sich folgende Vorgehensweise: Nach Anklicken von „Virtual Fly Lab“ sollen zunächst in Ruhe die Informationstexte zum Programm gelesen werden. Der zweite Schritt ist ein Kennenlernen der bereitgestellten Mutanten. Diese sind in acht Merkmalsgruppen (z.B. Körperfarbe, Augenform oder Flügelgröße) gegliedert. Aus jeder Gruppe kann für Kreuzungen nur eine Mutation ausgewählt werden, Mehrfachmutanten enthalten daher immer Merkmale unterschiedlicher Gruppen. Bei der ersten Kreuzung kann ein mutiertes Allel nur in einem Geschlecht vorliegen, das andere Geschlecht erhält automatisch das Wildtypallel. Die Mutanten sind homozygot, es sei denn, eine Mutation ist homozygot letal. Grundsätzlich werden nur die Phänotypen gezeigt. Die genannten Einschränkungen haben sich bei der Benutzung des Programms durch Biologiekurse der Oberstufe als didaktisch sinnvoll erwiesen: Unsinnige Kreuzungen können weitgehend vermieden werden und die Schüler/innen sind gezwungen, die Vererbungsgesetzmäßigkeiten aus den Beobachtungen zu erschließen.
Nachdem die Schüler/innen mit den Mutanten vertraut sind, können erste einfache Kreuzungen angesetzt werden. Zunächst sollten monohybride Erbgänge untersucht werden, um sich mit der Kreuzungstechnik und Auswertung vertraut zu machen. Das Weiterkreuzen der F1 - Generation und die Rückkreuzung geschehen durch Anklicken der ausgewählten Elterntiere. Die Analyse dihybrider Erbgänge schließt sich an. Zu Anfang sollten mutierte Allele ausgewählt werden, deren Weitergabe den Mendelschen Regeln gehorcht. Diese können den in vielen Genetiklehrbüchern abgebildeten Genkarten von Drosophila entnommen werden. Nach Bestätigung der Mendelschen Vererbungsgesetze lassen sich durch geeignete Wahl der Merkmale Phänomene entdecken, die diesen Regeln nicht mehr gehorchen. Hierzu zählen Letalmutationen, geschlechtsgebundene Erbgänge und die Kopplung von Merkmalen.
Den Abschluß der Simulationen kann die Bestimmung der Kopplungsgruppen sowie der relativen Lage von Genen auf den Chromosomen (Genkartierung) bilden. Wegen des großen Arbeitsaufwandes ist hier eine arbeitsteilige Gruppenarbeit sinnvoll. Es ist möglich, eine vollständige Genkarte zu den im Programm angebotenen Merkmalen zu erstellen. Da jedoch die Genkartierung in den Schulbüchern meist nur für rezessive Allele erklärt wird, sind eini-ge Zusatzinformationen erforderlich, die den folgenden Arbeitsblättern zu entnehmen sind:


Arbeitsteilige Erstellung einer Genkarte von Drosophila mit dem Virtual Fly Lab

  1. Auswahl der zu untersuchenden Gene:
  2. Prüfung, ob Dominanz oder Rezessivität gegenüber dem Wildtypallel vor- liegt: (Eintragung groß- bzw. kleingeschriebener Abkürzungen)
  3. Zuordnung der Gene zu Kopplungsgruppen:
    Das bereits bekannte Allel „vestigial“ liegt auf Chromosom II, „ebony“ liegt auf Chromosom III. Chromosom IV bietet wenig Platz; lediglich eines der zu analysierenden Gene liegt auf Chromosom IV. Für die Gene auf Chromosom I (X bzw. Y) gelten besondere Vererbungsgesetze, da bei Männchen zwei unterschiedliche Chromosomen (X und Y) homolog sind. Die anzusetzende Kreuzung richtet sich danach, ob das unbekannte Allel dominant (D) oder rezessiv (r) ist. Für beide Möglichkeiten wird die Kopplung mit „ebony“ untersucht; analog geht man mit „vestigial“ vor :
            e  r     +  +                         e  +     +  D          
    P:      ----  X  ----                  P:     ----  X  ----                   
            e  r     +  +                         e  +     +  D
         
            e  r     e  r                         e  +     e  +
    RF1:    ----  X  ----                  RF1:   ----  X  ----                  
            e  r     +  +                         e  +     +  D
    
    Die angesetzte Rückkreuzung muß so sein, daß nach den Mendelschen Regeln vier Phänotypen im Verhältnis 1 : 1 : 1 : 1 zu erwarten sind. Ergeben sich bei der Kreuzung nur zwei Phänotvpen, so liegt Kopplung (gemeinsame Lage auf einem Chromosom) vor.
  4. Nun kann der relative Abstand (in Morgan-Einheiten) der zu analysierendenGene zu den Referenzgenen bzw. untereinander bestimmt werden:
    Liegen nur rezessive Allele vor, so erfolgt die Kreuzung und Auswertung (Prozentsatz der Austauschtiere) wie im Unterricht besprochen (z.B. b/cn/vg oder b/pr/vg). Für ein dominantes Allel D, von dem eine Kopplung mit „ebony“ angenommen wird, werden die zur Bestimmung des Austauschwertes erforderlichen reziproken Kreuzungen angegeben:
            +  D     e  +                            +  D     e  +   
    P:      ----  X  ----                  RF1:      ----  X  ----                   
            +  D     e  +                            e  +     e  +
    
    Austauschtiere sind hier solche, die phänotypisch dem Wildtyp bzw. der Doppelmutante entsprechen und sich so von den Elterntieren phänotypisch unterscheiden. Bei zwei gekoppelten dominanten Allelen D und H werden zur Berechnung des relativen Genabstands folgende Kreuzungen angesetzt: (vgl. Übungsblatt)
            D  H     +  +                         D  H     +  +   
    P:      ----  X  ----                 RF1:    ----  X  ----                   
            D  H     +  +                         +  +     +  +
     
    Austauschtiere sind hier die Phänotypen mit einer sichtbaren Mutation.
  5. Nach Berechnung des Prozentsatzes der Austauschtiere erfolgt die Umrechnung in Morgan-Einheiten und die Eintragung der Gene in die Karte.
  6. Gene von Chromosom I können nach Erarbeitung der Besonderheiten geschlechtsgebundener Vererbung kartiert werden. Wie gehen Sie vor?

Kartierung letaler bzw. geschlechtsgebundener Gene von Drosophila mit dem Virtual Fly Lab

  1. Dominante Letalgene auf den Chromosomen II und III
    Im Verlauf der Computersimulationen sind verschiedene Kreuzungen aufgetreten, bei denen die erste Tochtergeneration nicht uniform war. Als Erklärung bietet sich an, daß die Mutanten nicht reinerbig sind, weil die Kombination zweier mutierter Allele letal ist. Das mutierte Allel ist in diesen Fällen dominant über das Wildtypallel. Rezessive letale Allele sind grundsätzlich denkbar, für Kartierungsexperimente aber denkbar ungeeignet, weil keine phänotypische Veränderung sichtbar ist.
    Als Beispiel eines dominanten letalen Allel der Autosomen (II, III, (IV)) von Drosophila wird das Allel Curly (Cy) betrachtet, das bereits vom Arbeitsblatt zu Ein-Faktor-Kreuzun-gen bekannt ist. Die Dominanz von Cy wurde nachgewiesen. Weiterhin kann ausgeschlossen werden (vgl. 2.), daß Cy geschlechtsgebunden vererbt wird. Wir klären zunächst, ob Cy auf II oder III liegt, d.h. welcher Kopplungsgruppe es angehört. Als Referenzgene verwenden wir black (b) für II und ebony (e) für III. Folgende Kreuzungen werden angesetzt:
         b  +     +  y                         e  +     + Cy          
    P:   ----  X  ----                  P:     ----  X  ----                   
         b  +     +  +                         e  +     +  +
         
         b  +     b  +                         e  +     e  +
    RF1: ----  X  ----                   RF1:  ----  X  ----                  
         b  +     + Cy                         e  +     + Cy
    
    Der einzige Unterschied zur Rückkreuzung mit reinerbigen dominanten Mutanten ist, daß jeweils nach der ersten Kreuzung (P) die entstandenen Wildtypmännchen aussortiert werden müssen. Die Rückkreuzung mit black (b) ergibt 2 Phänotypen, die mit ebony (e) vier; daher liegt Curly (Cy) auf Chromosom II. Jetzt kann der relative Genabstand zu black (b) nach Auswertung der reziproken Kreuzung berechnet werden:
       + Cy     b  +                   + Cy     b  +   
    P: ----  X  ----              RF1: ----  X  ----                   
       +  +     b  +                   b  +     b  +
    
    Austauschtiere sind hier solche, die phänotypisch dem Wildtyp bzw. der Doppelmutante entsprechen und sich so von den Elterntieren phänotypisch unterscheiden.
  2. Geschlechtsgebundene Gene
    Da die meisten mutierten Allele des X-Chromosoms (I) rezessiv sind, werden dominante mutierte Allele (z.B. Bar (B)) nicht untersucht. Als Übung können die entsprechenden Kreuzungen einmal aufgeschrieben werden. Geschlechtsgebundene Vererbung erkennt man an den unterschiedlichen Ergebnissen reziproker Kreuzungen: Während bei einer Kreuzung des Wildtypweibchens mit dem (rezessiven) mutierten Männchen die Tochtergeneration uniform ist, entstehen beim reziproken Ansatz mutierte Männchen und Wildtypweibchen. Die Annahme, daß das Y-Chromosom weitgehend genleer ist, erklärt die Beobachtungen mit Hilfe von Kreuzungsschemata. Die Untersuchung der Kopplung erübrigt sich, sobald für ein Gen die geschlechtsgebundene Vererbung nachgewiesen wurde. Die Vorgehensweise bei der Ermittlung des relativen Genabstandes wird für die Allele white (w) und miniature (m) vorgestellt. Das fehlende Allel des Y-Chromosoms wird durch das Symbol ~ wiedergegeben:
       +  +     w  m                         +  +     w  m   
    P: ----  X  ----                 RF1:    ----  X  ----                   
       +  +     ~  ~                         w  m     ~  ~  
    
    Austauschtiere sind hier die Phänotypen mit einer sichtbaren Mutation. Die Unterschiede der zwei möglichen Samenzellen wirken sich nur bei der Geschlechtsbestimmung aus.