Genwirkkette – vom Gen zum Merkmal

Eine Genwirkkette ist eine Abfolge voneinander abhängiger, gengesteuerter Stoffwechselreaktionen. Das Schema einer Genwirkkette ist immer ähnlich: Ein Gen A produziert das Enzym A, Gen B ist für die Synthese von Enzym B zuständig und immer so weiter. Deshalb spricht man im Zusammenhang mit der Genwirkkette auch von der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese. Korrekter ist die Bezeichnung Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese, da ein Enzym aus mehreren Polypeptidketten aufgebaut sein kann. Je komplexer der Stoffwechselvorgang ist, desto mehr Gene und Enzyme sind beteiligt. Die Enzyme katalysieren den Umbau von Stoffen über mehrere Zwischenprodukte zum Endprodukt und sind so allesamt an der Merkmalsausprägung beteiligt. Der Vorgang einer Genwirkkette ist in folgender Abbildung veranschaulicht:

Entwickelt wurde die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese von den Wissenschaftlern Beadle und Tatum. Sie erzeugten durch Bestrahlung mit Röntgen- oder UV-Strahlen Mangelmutanten des Schimmelpilzes Neurospora crassa, die nicht mehr in der Lage waren, die Aminosäure Arginin selbst zu synthetisieren. Sie wachsen nur auf Nährmedium, die Arginin als Zusatz enthalten. Um den Synthesemechanismus für Arginin zu entschlüsseln, wurde das Wachstumsverhalten verschiedener Neurospora-Mutanten auf Nährböden mit unterschiedlichen Zusätzen getestet. Untersucht wurde die Wirkung von Ornithin und Citrullin. Beide Substanzen sind Vorstufen von Arginin. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefasst. Das Pluszeichen steht für Wachstum, das Minuszeichen für kein Wachstum:

Aus diesen Ergebnissen folgerten Beadle und Tatum, dass die Argininsynthese aus Ornithin über den Zwischenschritt Citrullin erfolgt:

Vorstufe → Ornithin → Citrullin → Arginin

Jeder Schritt wird dabei von einem Enzym katalysiert.  Kommt es zu einem Defekt in der Genwirkkette, ist der gesamte Stoffwechselweg betroffen.

Die Aminosäure Phenylalanin ist Ausgangspunkt für mehrere Genwirkketten. In einem ersten Schritt wird Phenylalanin zu Tyrosin verstoffwechselt. Tyrosin spielt in einigen Stoffwechselvorgängen eine Rolle. Unter anderem wird dabei in einer Genwirkkette Melanin, der Farbstoff für Haut und Haare gebildet, oder es entsteht in einer anderen Genwirkkette das Schilddrüsenhormon Thyroxin.

Was passiert, wenn in einer Genwirkkette ein Enzym, z. B. durch eine Mutation, ausfällt, soll am Beispiel der erblich bedingten Stoffwechselkrankheit Phenylketonurie (PKU) erläutert werden. Das Enzym, das die Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin katalysiert, kann nicht mehr gebildet werden. Phenylalanin und dessen Abbauprodukte reichern sich im Körper an. Das kann eine Störung der Gehirnfunktionen zur Folge haben. Da in dieser Genwirkkette das erste Gen betroffen ist, können auch Melanin und Thyroxin nicht mehr gebildet werden. Wenn kein Melanin mehr gebildet wird, führt der Defekt in dieser Genwirkkette zum Albinismus. Dieses Krankheitsbild ist durch einen Farbstoffmangel in Haut, Haaren und Augen gekennzeichnet. Patienten, die an Albinismus leiden, haben sehr helle Haut und Haare sowie rote Augen. Wie intensiv die Färbung der Haut, Haare und Augen im Normalfall ist, hängt von mehreren Genwirkketten ab. Deren Wirkung summiert sich, man spricht von additiver Polygenie.

Auch ist es möglich, dass durch einen Defekt in einer anderen Genwirkkette überschüssiges Tyrosin nicht mehr vollständig abgebaut werden kann. Ein Zwischenprodukt im Tyrosinabbau ist die Homogentisinsäure. Reichert diese sich an, führt das zu einer Schwarzfärbung des Urins, dem sogenannten Schwarzharn (Alkaptonurie).