Stammbaumanalyse — Autosomal-rezessiver Erbgang

Aufgabenstellung

In einer Familie tritt eine seltene Erbkrankheit auf. Die folgende Stammbaumsituation ist gegeben: Zwei phänotypisch gesunde Eltern (Generation I) haben vier Kinder (Generation II). Eines der Kinder (II-3) ist von der Krankheit betroffen, die anderen drei Kinder sind gesund.

(a) Erklären Sie, woran man in einem Stammbaum einen autosomal-rezessiven Erbgang erkennt. Nennen Sie zwei Kriterien. (3 BE)

(b) Bestimmen Sie die Genotypen aller drei beteiligten Personen (Vater, Mutter, erkranktes Kind) und begründen Sie Ihre Zuordnung. Verwenden Sie $A$ für das dominante und $a$ für das rezessive Allel. (4 BE)

(c) Das erkrankte Kind (Genotyp $aa$) plant eine Familie. Sein Partner ist nachweislich heterozygot ($Aa$). Erstellen Sie ein Kreuzungsschema und berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ein gemeinsames Kind ebenfalls erkrankt. (4 BE)

(d) Erläutern Sie, warum ein molekulargenetischer Test (z. B. PCR + Gelelektrophorese) in bestimmten Fällen zuverlässiger ist als eine reine Stammbaumanalyse. (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Kriterien für autosomal-rezessiven Erbgang (a)

Ein autosomal-rezessiver Erbgang lässt sich anhand folgender Kriterien im Stammbaum erkennen:

Kriterium 1 — Gesunde Eltern, erkranktes Kind: Wenn zwei phänotypisch gesunde Eltern ein erkranktes Kind haben, muss die Krankheit rezessiv vererbt werden. Die Eltern sind in diesem Fall beide heterozygote Träger ($Aa$). Das Merkmal tritt nur im homozygot rezessiven Zustand ($aa$) in Erscheinung. Bei einem dominanten Erbgang müsste mindestens ein Elternteil selbst erkrankt sein.

Kriterium 2 — Keine geschlechtsgebundene Vererbung (autosomal): Die Erkrankung tritt bei beiden Geschlechtern in annähernd gleicher Häufigkeit auf. Wäre das Gen X-chromosomal-rezessiv, wären hauptsächlich Männer betroffen (da sie nur ein X-Chromosom besitzen). Zudem findet keine Vater-zu-Sohn-Übertragung statt bei X-chromosomaler Vererbung — tritt die Krankheit dennoch bei Söhnen gesunder Väter auf, spricht dies für einen autosomalen Erbgang.

Schritt 2: Genotyp-Bestimmung (b)

Erkranktes Kind (II-3): Da die Erkrankung rezessiv ist, muss das betroffene Kind homozygot rezessiv sein:

$\text{Genotyp Kind} = aa$

Begründung: Nur im Zustand $aa$ wird das rezessive Merkmal phänotypisch ausgeprägt.

Vater (I-1): Der Vater ist phänotypisch gesund, hat aber ein erkranktes Kind. Er muss daher mindestens ein $a$-Allel tragen, das er an das Kind weitergegeben hat. Da er selbst gesund ist, besitzt er auch ein dominantes $A$-Allel:

$\text{Genotyp Vater} = Aa$

Mutter (I-2): Analog zum Vater ist die Mutter phänotypisch gesund, muss aber ebenfalls ein $a$-Allel an das erkrankte Kind vererbt haben:

$\text{Genotyp Mutter} = Aa$

Zusammenfassung: Beide Eltern sind heterozygote Überträger (Konduktoren). Jeder Elternteil hat genau ein $a$-Allel an das erkrankte Kind weitergegeben.

Schritt 3: Kreuzungsschema und Wahrscheinlichkeit (c)

Das erkrankte Kind hat den Genotyp $aa$, der Partner ist heterozygot $Aa$.

Kreuzungsschema $aa \times Aa$:

	$A$ (Partner)	$a$ (Partner)
$a$ (Betroffener)	$Aa$	$aa$
$a$ (Betroffener)	$Aa$	$aa$

Genotyp-Verhältnis: $2\;Aa : 2\;aa = 1\;Aa : 1\;aa$

• $Aa$ → gesund, heterozygot (50 %)
• $aa$ → erkrankt (50 %)

$P(\text{Kind erkrankt}) = P(aa) = \frac{2}{4} = \frac{1}{2} = 50\,\%$

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein gemeinsames Kind erkrankt, beträgt $50\,\%$. Dies liegt daran, dass der betroffene Elternteil ($aa$) ausschließlich $a$-Allele weitergeben kann, während der heterozygote Partner mit einer Wahrscheinlichkeit von $\frac{1}{2}$ ebenfalls ein $a$-Allel vererbt.

Schritt 4: Vorteile des molekulargenetischen Tests (d)

Ein molekulargenetischer Test (z. B. PCR mit anschließender Gelelektrophorese oder DNA-Sequenzierung) ist in mehreren Situationen zuverlässiger als eine Stammbaumanalyse:

1. Identifikation heterozygoter Träger: Heterozygote Personen ($Aa$) sind phänotypisch gesund und lassen sich im Stammbaum nicht sicher von homozygot gesunden Personen ($AA$) unterscheiden. Erst wenn sie ein erkranktes Kind haben, kann man rückschließen. Ein Gentest hingegen weist den Trägerstatus direkt und eindeutig nach — unabhängig davon, ob bereits Nachkommen vorhanden sind.

2. Kleine Familien und unvollständige Stammbäume: Bei kleinen Familien mit wenigen Kindern ist die statistische Aussagekraft der Stammbaumanalyse gering. Selbst zwei heterozygote Eltern können zufällig nur gesunde Kinder haben. Der Gentest liefert ein deterministisches Ergebnis, das nicht von der Familiengröße abhängt.

3. Ausschluss von Differentialdiagnosen: Verschiedene Erbgänge können ähnliche Stammbaummuster erzeugen (z. B. autosomal-rezessiv vs. X-chromosomal-rezessiv bei bestimmten Konstellationen). Ein molekulargenetischer Test identifiziert die konkrete Mutation und ordnet sie eindeutig einem Gen und einem Chromosom zu.

4. Pränatale und prädiktive Diagnostik: Bei bekannter Mutation in einer Familie kann ein Gentest auch bei Ungeborenen (Pränataldiagnostik) oder bei Personen ohne Symptome (prädiktive Diagnostik) durchgeführt werden — die Stammbaumanalyse kann nur auf bereits sichtbare Phänotypen zurückgreifen.

Ergebnis

Frage	Antwort
(a) Kriterien autosomal-rezessiv	1. Gesunde Eltern → erkranktes Kind (rezessiv); 2. Beide Geschlechter gleich betroffen (autosomal)
(b) Genotypen	Vater: $Aa$, Mutter: $Aa$, erkranktes Kind: $aa$ — Eltern müssen je ein $a$-Allel vererbt haben
(c) Wahrscheinlichkeit	$aa \times Aa$ → $1\;Aa : 1\;aa$; $P(\text{erkrankt}) = \frac{1}{2} = 50\,\%$
(d) Vorteil Gentest	Identifikation heterozygoter Träger, unabhängig von Familiengröße, eindeutige Mutationszuordnung, prädiktive Diagnostik möglich