Wahrscheinlichkeits- und Punnett-Quadrate in der Genetik

Statistik und Wahrscheinlichkeit haben viele Anwendungen in der Wissenschaft. Eine solche Verbindung zwischen einer anderen Disziplin liegt im Bereich Genetik. Viele Aspekte der Genetik sind wirklich nur angewandte Wahrscheinlichkeit. Wir werden sehen, wie eine als Punnett-Quadrat bekannte Tabelle verwendet werden kann, um die Wahrscheinlichkeiten von Nachkommen mit bestimmten genetischen Merkmalen zu berechnen.

Wir beginnen mit der Definition und Diskussion einiger Begriffe aus der Genetik, die wir im Folgenden verwenden werden. Eine Vielzahl von Merkmalen, die Individuen besitzen, sind das Ergebnis einer Paarung von genetischem Material. Dieses genetische Material wird als bezeichnet Allele. Wie wir sehen werden, bestimmt die Zusammensetzung dieser Allele, welche Eigenschaft ein Individuum aufweist.

Einige Allele sind dominant und andere rezessiv. Ein Individuum mit einem oder zwei dominanten Allelen zeigt das dominante Merkmal. Nur Personen mit zwei Kopien des rezessiven Allels mit weisen das rezessive Merkmal auf. Angenommen, für die Augenfarbe gibt es ein dominantes Allel B, das braunen Augen entspricht, und ein rezessives Allel b, das blauen Augen entspricht. Personen mit Allelpaarungen von BB oder Bb haben beide braune Augen. Nur Personen mit Paarung bb haben blaue Augen.

Das obige Beispiel zeigt eine wichtige Unterscheidung. Ein Individuum mit Paarungen von BB oder Bb zeigt beide das dominierende Merkmal brauner Augen, obwohl die Paarungen von Allelen unterschiedlich sind. Hier ist das spezifische Allelpaar als das bekannt Genotyp des Individuums. Das angezeigte Merkmal heißt Phänotyp. Für den Phänotyp der braunen Augen gibt es also zwei Genotypen. Für den Phänotyp der blauen Augen gibt es einen einzigen Genotyp.

Die verbleibenden zu diskutierenden Begriffe beziehen sich auf die Zusammensetzung der Genotypen. Ein Genotyp wie entweder BB oder bb die Allele sind identisch. Eine Person mit dieser Art von Genotyp wird genannt homozygot. Für einen Genotyp wie Bb unterscheiden sich die Allele voneinander. Eine Person mit dieser Art der Paarung wird genannt heterozygot.

Zwei Eltern haben jeweils ein Paar Allele. Jeder Elternteil trägt eines dieser Allele bei. So erhält der Nachwuchs sein Allelpaar. Indem wir die Genotypen der Eltern kennen, können wir die Wahrscheinlichkeit des Genotyps und Phänotyps der Nachkommen vorhersagen. Im Wesentlichen ist die wichtigste Beobachtung, dass jedes Allel eines Elternteils die Wahrscheinlichkeit hat, dass 50% an einen Nachwuchs weitergegeben werden.

Kehren wir zum Beispiel für die Augenfarbe zurück. Wenn Mutter und Vater beide braune Augen mit heterozygotem Genotyp Bb haben, haben sie jeweils Wahrscheinlichkeit von 50% der Weitergabe des dominanten Allels B und Wahrscheinlichkeit von 50% der Weitergabe des rezessives Allel b. Im Folgenden sind die möglichen Szenarien mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 0,5 x 0,5 = 0,25 aufgeführt:

• Vater trägt B bei und Mutter trägt B bei. Der Nachwuchs hat den Genotyp BB und den Phänotyp brauner Augen.
• Vater trägt B bei und Mutter trägt b bei. Der Nachwuchs hat den Genotyp Bb und den Phänotyp brauner Augen.
• Vater trägt b bei und Mutter trägt B. bei. Der Nachwuchs hat den Genotyp Bb und den Phänotyp brauner Augen.
• Vater trägt b bei und Mutter trägt b bei. Der Nachwuchs hat den Genotyp bb und den Phänotyp der blauen Augen.

Die obige Auflistung kann durch Verwendung eines Punnett-Quadrats kompakter demonstriert werden. Diese Art von Diagramm ist nach Reginald C benannt. Punnett. Obwohl es für kompliziertere Situationen als die von uns betrachteten verwendet werden kann, sind andere Methoden einfacher anzuwenden.

Ein Punnett-Quadrat besteht aus einer Tabelle, in der alle möglichen Genotypen für Nachkommen aufgeführt sind. Dies hängt von den Genotypen der untersuchten Eltern ab. Die Genotypen dieser Eltern sind typischerweise außerhalb des Punnett-Platzes angegeben. Wir bestimmen den Eintrag in jeder Zelle im Punnett-Quadrat, indem wir die Allele in der Zeile und Spalte dieses Eintrags betrachten.

Im Folgenden werden wir Punnett-Quadrate für alle möglichen Situationen eines einzelnen Merkmals konstruieren.

Wenn beide Elternteile homozygot sind, haben alle Nachkommen einen identischen Genotyp. Wir sehen dies mit dem Punnett-Quadrat unten für eine Kreuzung zwischen BB und bb. In allem, was folgt, werden die Eltern mit Fettdruck bezeichnet.

Alle Nachkommen sind jetzt heterozygot mit dem Genotyp Bb.

Wenn wir einen homozygoten Elternteil haben, ist der andere heterozygot. Das resultierende Punnett-Quadrat ist eines der folgenden.

Wenn der homozygote Elternteil zwei dominante Allele hat, haben alle Nachkommen den gleichen Phänotyp des dominanten Merkmals. Mit anderen Worten, es besteht eine 100% ige Wahrscheinlichkeit, dass ein Nachwuchs einer solchen Paarung den dominanten Phänotyp aufweist.

Wir könnten auch die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass der homozygote Elternteil zwei rezessive Allele besitzt. Wenn der homozygote Elternteil zwei rezessive Allele hat, zeigt die Hälfte der Nachkommen das rezessive Merkmal mit dem Genotyp bb. Die andere Hälfte zeigt das dominante Merkmal, jedoch mit heterozygotem Genotyp Bb. Auf lange Sicht also 50% aller Nachkommen dieser Art von Eltern

Die letzte zu berücksichtigende Situation ist die interessanteste. Dies liegt an den Wahrscheinlichkeiten, die sich daraus ergeben. Wenn beide Elternteile für das betreffende Merkmal heterozygot sind, haben beide den gleichen Genotyp, der aus einem dominanten und einem rezessiven Allel besteht.

Das Punnett-Quadrat aus dieser Konfiguration ist unten. Hier sehen wir, dass es drei Möglichkeiten gibt, wie ein Nachwuchs ein dominantes Merkmal aufweist, und eine Möglichkeit, rezessiv zu sein. Dies bedeutet, dass eine Wahrscheinlichkeit von 75% besteht, dass ein Nachwuchs das dominierende Merkmal aufweist, und eine Wahrscheinlichkeit von 25%, dass ein Nachwuchs ein rezessives Merkmal aufweist.