Gene und Umwelt – ein erfolgreiches Team

Einseitige Hypothesen, nach denen für alles ausschließlich die Gene oder aber nur die Umwelt verantwortlich seien, erfassen nicht die Realität. Denn vielmehr sind Gene und Umwelt eine komplexe interaktive Kooperationseinheit. Denn es gibt nahezu kein Merkmal, an dem nicht zumindest teilweise sowohl der Genotyp als auch die Umwelt beteiligt sind, erklärt Univ.-Prof. Dr. Irene Sommerfeld-Stur im folgenden zweiteiligen Artikel.

Die Frage nach der Erblichkeit von Merkmalen ergibt sich immer wieder im Umfeld von Hundehaltung und Hundezucht. Sei es, dass sich der teure Rassewelpe doch nicht so entwickelt, wie die Züchter das versprochen hatten, sei es, dass eine diagnostizierte Krankheit den Züchter mit der Frage konfrontiert, ob denn ein weiterer Zuchteinsatz des betroffenen Hundes oder seiner ­Verwandten zu rechtfertigen sei. Immer wieder mal tauchen auch abstruse Behauptungen sogenannter Experten auf, die entweder den Genen absolute Macht zusprechen oder die den Einfluss der Gene total leugnen. So geht z.B. die seit kurzem in einem fast sektenhaften Kontext verbreitete Theorie der vererbten Rudelstellungen davon aus, dass jeder Hund in einer von sieben genetisch fixierten Rudelfunktionen geboren wird, an der nichts zu ändern ist: www.rudelstellungen.eu. (Anm. der Red.: Interessanter Link zum Thema: http://rudelstellungen-klargestellt.de)

Das andere Extrem stellt das Postulat des »Jahrtausendirrtums der Veterinärmedizin« dar (Kammerer, 2000), das der bei vielen Rassen verbreiteten Hüftgelenksdysplasie eine genetische Grundlage vollständig abspricht und die Erkrankung ausschließlich auf falsche Fütterung zurückführt. Beide Hypothesen negieren die Tatsache, dass Gene und Umwelt eine komplexe und fein abgestimmte Kooperationseinheit darstellen, die allerdings in vielen Bereichen noch nicht ganz geklärt ist. Nichtsdestoweniger ist es weder so, dass die Gene Schicksal sind, dem wir und unsere Hunde hilflos ausgeliefert sind, noch dass es ausschließlich die Umwelt ist, die über Wohl und Wehe entscheidet. Denn es gibt nahezu kein Merkmal, an dem nicht zumindest teilweise sowohl der Genotyp als auch die Umwelt beteiligt sind.

Phänotyp & Genotyp
Gene sind Informationsträger. Die Informationen, die in ihnen ge­speichert sind, betreffen nicht mehr und nicht weniger als die Struktur von Proteinen. Die Summe der genetischen Information eines Hundes wird als Genotyp bezeichnet. Der Phänotyp eines Hundes ist sein äußeres Erscheinungsbild, so wie es von uns wahrgenommen wird. Dazu gehören sein Aussehen, sein Wesen und Verhalten, aber auch seine Gesundheit. Das Ausmaß der Beteiligung der Gene am Phänotyp ist von Merkmal zu Merkmal recht unterschiedlich. In der Genetik wird für diesen Anteil der Begriff der Heritabilität verwendet. Je höher die Heritabilität eines Merkmals ist, umso höher ist der Anteil des genetischen Einflusses. Hoch heritable Merkmale lassen sich züchterisch gut beeinflussen, sind aber durch Umwelteinflüsse wenig oder gar nicht zu verändern. Niedrig heritable Merkmale lassen sich züchterisch weniger gut bearbeiten, sind aber durch Umweltfaktoren zu modifizieren. Das Ausmaß der Heritabilität reicht theoretisch von 0% bis 100%, in der Praxis hat aber jede Merkmalsausprägung zumindest einen kleinen genetisch oder umweltbedingten Anteil.

Die chemische Grundlage der gene­tischen Information ist die DNA, die im Zellkern liegt und die Produktion von Proteinen steuert. Man kann sich das Genom als eine Art Kochbuch vorstellen, in dem für jedes, für die verschiedenen Lebensvorgänge benötigte Protein, eine genaue Herstellungsanweisung festgelegt ist. Die Angaben über den Aufbau von Proteinen liegen an der DNA in Form der Aufeinander­folge von Basen vor. Es sind vier Basen, die die Buchstaben des genetischen Alphabets darstellen und die in Einheiten von je drei Basen, den sogenannten Basentripletts, jeweils eine von 20 verschiedenen Aminosäuren kodieren. ­Aminosäuren sind die Zu­taten, aus denen nach den An­weisungen des genetischen Codes Proteine aufgebaut werden. Dazu muss die genetische Information zunächst von der DNA auf eine Boten-RNA kopiert werden. Die Boten-RNA bringt die Information dann zu den Protein­fabriken der Zelle, den Ribosomen, wo die entsprechen­den Aminosäuren zu Proteinen verknüpft werden. Proteine sind somit die direkten Produkte der genetischen Information. Sie sind in unterschiedlichsten Funktionen die Basis des Lebens (siehe Kasten).

Es sind etwa 25.000 Gene, die beim Hund für die Produktion von Proteinen verantwortlich sind. Erstaunlicher­weise umfassen diese 25.000 Gene nur etwa 2% der gesamten genetischen Information, die in der DNA gespeichert ist. Die restlichen 98% wurden lange Zeit als überflüssiger und nicht informativer Teil der DNA angesehen. Erkenntnisse aus dem recht neuen Gebiet der Epigenetik zeigen aber, dass auch dieser, früher als »Junk DNA« (Junk = Müll) bezeichnete Teil der DNA wichtige Aufgaben und Funktionen hat.

Die Interaktion zwischen Genen und Umwelt findet auf zwei Ebenen statt. So reagieren Umweltfaktoren einerseits mit den genetisch kodierten ­Proteinen, andererseits können Umwelteinflüsse den Aktivitäts­zustand von Genen und damit auch deren Wirkung verändern.

Genwirkungen
Gene können in unterschiedlichen Varianten vorkommen, was dazu führt, dass das von einem Gen ­kodierte Protein ebenfalls in unterschiedlichen Varianten auftreten kann. Die Grundlage genetischer Varianten sind Mutationen, das sind Änderungen in der Basenreihenfolge an der DNA. So kann z.B. ein Gen, das für das Wachstum der Haare verantwortlich ist, in einer Variante vorkommen, die ein unbegrenztes Wachstum der Haare zulässt, oder in einer Variante, die das Wachstum der Haare nach einer bestimmten Zeit unterbricht. Im ersten Fall ist das Ergebnis ein langhaariger Hund, im zweiten Fall ist es ein kurzhaariger Hund. Da aber jeder Hund von jedem Gen zwei Kopien trägt – eine davon stammt vom Vater, die andere von der Mutter – hängt die tatsächliche Haarlänge eines Hundes davon ab, in welcher Kombination die beiden Kopien vorliegen. Ein Hund, der die beiden Kurzhaarvarianten trägt, ist kurzhaarig, ein Hund mit zwei Langhaarvarianten ist langhaarig – soweit so gut. Trägt ein Hund aber zwei verschiedene Varianten eines Gens, entspricht sein Phänotyp, in diesem Fall also seine Haarlänge, der Wirkung der sog. dominanten Genvariante. Dominant ist somit immer die­jenige Genvariante, die ein voll ­funktionsfähiges Protein kodiert. In unserem Beispiel ist das die Genvariante, die das Wachstum der Haare aktiv stoppt und damit zu einem kurzhaarigen Fell führt. Die Gen­variante, die ein unbegrenztes Haarwachstum zulässt, ist, genau genommen eine Defekt­variante, die es auf Grund ihrer fehlerhaften Struktur nicht schafft, das Haarwachstum zum richtigen Zeitpunkt zu unterbrechen. Trägt ein Hund nun eine Kombination der beiden Genvarianten, ist sein Fell kurzhaarig, da er ja eine Kopie des dominanten Gens trägt, das eine funktionsfähige Variante desjenigen Proteins kodiert, das das Haarwachstum stoppt.

Dominant & rezessiv
Dieser Zusammenhang gilt auch für jedes andere Gen. Dominante Genvarianten kodieren funktionell voll wirksame Proteine, rezessive Genvarianten kodieren Proteine mit eingeschränkter oder völlig fehlender Funktion. Im Beispiel der Haarlänge ist es für die betroffenen Hunde nicht weiter tragisch, wenn sie zwei ­Kopien des rezessiven Gens tragen – sie haben dann einfach ein langhaariges Fell. Wenn die rezessive Genvariante aber z.B. ein wichtiges Enzym betrifft, dann bedeutet das Vorliegen von zwei Kopien der rezessiven Genvariante, dass das entsprechende Enzym nicht gebildet werden kann. Und dann kann die Stoffwechselreaktion, für die das Enzym zuständig ist, nicht ablaufen. So führt z.B. eine Defektvariante des Gens für Phosphofructokinase (PKF) dazu, dass dieses Enzym nicht produziert werden kann. PKF hat eine wichtige zentrale Aufgabe im Rahmen der Energiegewinnung u.a. der Muskelzellen. Fehlt das Enzym, kann nicht ausreichend Energie für die Muskel­arbeit bereitgestellt werden. Hunde, die zwei Kopien der Defektvariante der PKF tragen, zeigen somit ausgeprägte Muskel- und Leistungsschwäche.

Sowohl im Fall der Haarlänge als auch im Fall des Enzyms PKF ist es ausschließlich der Genotyp, der dafür verantwortlich ist, ob ein Hund lang- oder kurzhaarig ist, bzw. ob seine Muskelzellen ausreichend Energie zur Verfügung haben oder nicht. Die Umwelt kann hier nichts ausrichten. Das bedeutet aber auch, dass Erkrankungen, die durch das Vorliegen von zwei Kopien eines rezessiven Defektgens verursacht werden, nicht heilbar sind. Im Falle des PKF-Defektes kann man nur dafür sorgen, dass dem betroffenen Hund keine körperlichen Leistungen abverlangt werden.

Genetisch kodierte Proteine und Umwelt
Es sind aber insgesamt recht wenige Gene, die ihre Wirkung unabhängig von der Umwelt entfalten. Die meisten Genprodukte brauchen Input aus der Umwelt, um ihre Funktion erfüllen zu können. Schauen wir uns dazu als Beispiel ein anderes Hundegen an, das erst kürzlich die Aufmerksamkeit der Genetiker erweckt hat. Es handelt sich um das Amylasegen, ein Gen, das für die Aufspaltung von Stärke in Zucker zuständig ist. Lange Zeit war man der Meinung, dass Hunde überhaupt kein funktionelles Gen für Stärke besitzen, das sie als reine Fleischfresser, wie man meinte, auch gar nicht benötigen würden. Eine Studie von Axelsson (2013) zeigte hingegen, dass Hunde ganz im Gegenteil sogar sehr gute Stärkeverdauungskompetenz haben, da sie von dem Gen für Amylase nicht nur zwei Kopien besitzen, so wie das bei Wölfen der Fall ist, sondern, je nach Rasse und Individuum, zwischen 4 und 30 Kopien. Mehr Kopien eines Gens bedeutet höhere Aktivität des Genproduktes, in diesem Fall also der stärkezerlegenden Amylase. Allerdings kann die Amylase nur dann tätig ­werden, wenn das Futter auch Stärke enthält. Bei einer reinen Fleischfütterung bekommt die Amylase nichts zu tun, die Stärkeverdauungskapazität wird nicht ausgenützt.

In der frühen Domestikationsphase mag die zusätzliche Zahl an Amylasegenen den Hunden ermöglicht haben, die für das Überleben notwendige Energie auch aus den stärkereichen menschlichen Abfällen zu gewinnen, ohne das Risiko und den Aufwand der energieverschlingenden Jagd auf ­Beutetiere. So vertreten die Autoren der genannten Studie die Hypothese, dass es sogar in erster Linie diese verbesserte Stärkeverdauungskompetenz war, die den Hunden ermöglicht hat, die ökologische Nische des mensch­lichen Umfeldes in der Zeit des beginnenden Ackerbaus zu nützen.

MDR1-Defekt bei Collie-Rassen
Auch Defektgene kommen ­bisweilen nur dann zur Wirkung, wenn sie durch spezifische Einflüsse aus der Umwelt ergänzt werden. Als Beispiel sei der MDR1-Defekt, genannt, der vor allem bei Collie-Rassen bekannt ist. Bei diesem Defekt kommt es zu einem Fehler in dem Gen, das für das P-Glykoprotein kodiert. Zu den Auf­gaben des P-Glykoproteins gehört u. a. der Schutz der Bluthirnschranke. Diese verhindert, dass bestimmte Stoffe wie z. B. verschiedene Arznei­mittel, aus dem Blut in das Gehirn übertreten können. P-Glykoprotein ist somit eine Art »Türsteher«, der kontrolliert, ob eine bestimmte Substanz in das Gehirn eindringen darf oder nicht. Trägt ein Hund zwei Kopien des defekten Gens, wird nur die defekte Variante des P-Glykoproteins produziert, die ihre Aufgabe als »Türsteher« dann nicht erfüllen kann. Bestimmte Arzneimittel, wie z.B. das Antiparasiticum ­Ivermectin, können daher ungehindert in das Gehirn eindringen und dort schwerwiegende neurotoxische Symptome hervorrufen. Problematisch wird die Situation allerdings nur dann, wenn ein Hund, der zwei Kopien des defekten MDR-1-Gens trägt, mit Ivermectin oder einem ­anderen neuro­toxischen Stoff in Kontakt kommt. Ohne die Aufnahme kritischer Arzneimittel ist ein Hund mit dem MDR-1-Defekt gesund wie jeder andere Hund auch.

Energieumsatz und Figur des ­Hundes
Ein anderes Beispiel für die Inter­aktion zwischen Genen und Umwelt zeigt ein Gen aus dem Bereich des Energie­stoffwechsels. Das von den Genetikern mit der Bezeichnung CRTC3 benannte Gen kodiert ein Protein, das für den Energieumsatz in den Zellen verantwortlich ist. So wie das Gen für Amylase tritt dieses Gen bei Hunden in unterschiedlicher Kopien­anzahl auf. Bei Hunden, die mehr Kopien dieses Gens tragen, läuft der Energieumsatz in den Zellen auf Sparflamme, sie verbrauchen wenig Energie, was bei energiereicher ­Fütterung schnell zu Gewichts­zunahme und Fettleibigkeit führt. Bei Hunden, die weniger aktive Kopien desselben Gens tragen, läuft der Energieumsatz in den Zellen hingegen auf Hochtouren. Bei ­gleicher Fütterung bleiben ­diese Hunde schlank. Bei Futtermangel allerdings sind die Energiereserven schnell erschöpft, die Hunde magern ab (Ramirez et al., 2014).

Die Figur eines Hundes ergibt sich somit u.a. aus der Kombination seiner Kopienzahl des CRTC3-Gens und der Menge des Futters, das er bekommt. Gute und schlechte Futterverwerter – eine klassische Interaktion zwischen Varianten eines genetisch kodierten Proteins und der Umwelt.

Die für einen individuellen Phänotyp bestimmende Interaktion ­zwischen Genotyp und Umwelt ergibt sich somit auf der Basis bestimmter Genvarianten, die mit bestimmten Faktoren aus der Umwelt zusammen­treffen. Diese Interaktionen sind in vielen Bereichen des Hundelebens von Bedeutung. Nicht immer ist diese Interaktion aber so einfach wie beim Beispiel der ­Stärkeverdauung oder des Energie­umsatzes.

Im zweiten und abschließenden Teil des Artikels im nächsten WUFF geht es um Merkmale, die durch unterschiedliche Gene beeinflusst werden, die jedes für sich Interaktionen mit bestimmten Umwelteinflüssen ­zeigen und was das bspw. für die Entwicklung einer Hüftgelenksdysplasie bedeutet. Weitere Themen sind unter anderem das spannende Feld der sog. epi­genetischen Effekte und was sie für den Welpen während der T­rächtigkeit der Hündin bedeuten, sowie in ­seiner Entwicklungs­phase, aber auch in ­seinem ­späteren Leben.

Übersicht
Gene & Umwelt – ein erfolgreiches Team
Zur besseren Orientierung finden Sie hier eine Übersicht über diesen zweiteiligen Artikel:

Teil 1:
■ Einleitung
■ Phänotyp & Genotyp
■ Genwirkungen
■ Funktionen der Proteine
■ Dominant & rezessiv
■ genetisch kodierte Proteine & Umwelt
■ MDR1-Defekt bei Collie-Rassen
■ Energieumsatz und Figur des Hundes

Teil 2 (im nächsten WUFF):
■Hüftdysplasie (HD): Genetik & Umwelt
■ Epigenetische Effekte
■ Bedeutung der Betreuung im Welpenalter
■ Epigenetische Effekte während der Trächtigkeit
■ Bedeutung für den Hundezüchter
■ Primärsozialisation: Eine epi­genetische Gratwanderung
■ Wichtig für Hundekäufer & -halter
■ Über Theorien der ­„Rudel­stellungen" und HD
■ Fazit
■ Zitierte Literatur

Hintergrund
Funktionen der Proteine

Proteine sind als direkte Produkte der genetischen Information in unterschiedlichsten Funktionen die Basis des Lebens.

■ Als Strukturproteine sind sie für den Aufbau des Organismus verantwortlich. Jede der mehreren Billionen Zellen des Hundekörpers besteht aus verschiedenen Proteinen, deren Zusammensetzung und Struktur genetisch kodiert ist.

■ Als Enzyme sind Proteine für den reibungslosen Ablauf des Stoffwechsels verantwortlich. Jedes der mehreren tausend Enzyme eines lebenden Organismus hat eine spezielle Aufgabe in den verschiedensten Bereichen des Stoffwechsels.

■ Als Hormone haben Proteine ebenfalls steuernde und regulierende Aufgaben für die Lebensvorgänge. Hormone sind u.a. für Wachstum, Fortpflanzung, Kreislauf, Temperaturregulation, Wasserhaushalt, Stressbewältigung und Verhalten verantwortlich.

■ Als Neurotransmitter sind Proteine für die Signalübertragung zwischen Nervenzellen sowie zwischen Nerven- und Muskelzellen verantwortlich. In der ersten Funktion modulieren sie den gesamten Bereich von Verhalten und Emotionen, in der zweiten Funktion gewährleisten sie eine koordinierte Bewegung des Körpers.

■ Als Transportproteine sorgen sie dafür, dass Botenstoffe vom Ort ihrer Produktion zu ihren Zielzellen kommen.

■ Als spezifische Rezeptoren sind sie an den Zellmembranen dafür verantwortlich, dass bestimmte Proteine in der Zelle ihre Wirkung entfalten können. So finden sich an der Oberfläche von Zellen viele Millionen Rezeptoren, die über Bindung an spezifische Substanzen Signale an die Zelle weitergeben.

■ Als Immunproteine sind sie für die Abwehr des Körpers von Krankheitserregern verantwortlich.