Gendefekte und Gentherapie bei Mukoviszidose Klausuraufgaben Reihe 3 Verlauf Material S 1

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1 S 1 Gendefekte und Gentherapie Klausurarbeit Name: Datum: I Aufgabenteil Aufgabe 1 a) Lesen Sie sich die Informationen über die Ursache der Krankheit Mukoviszidose im Teil I des Materialteils genau durch. Unterstreichen Sie Wichtiges und verschaffen Sie sich so einen Überblick über die Symptome der Krankheit und über ihre Ursache. b) Beschreiben Sie die Mutationen im defekten CF-Gen eines Mukoviszidose-Patienten. Werten Sie hierzu die DNA-Sequenzierungen nach Maxam & Gilbert für den nicht codogenen DNA-Ausschnitt (Tripletts 506 bis 511) eines gesunden Menschen und eines Mukoviszidose-Patienten aus (Teil II des Materialteils). c) Erklären Sie, wie es sein kann, dass das CF-Gen immerhin Basenpaare umfasst, jedoch nur für ein Protein, das CFTR-Protein, mit 1480 Aminosäuren codiert. Hinweis: Durch ein Gen mit Basen können nahezu Aminosäuren codiert werden. Aufgabe 2 a) Wie würde das Bandenmuster im Elektrophorese-Gel bei einer DNA-Sequenzierung nach Sanger für den nicht codogenen DNA-Ausschnitt eines gesunden Menschen aussehen? Notieren Sie das Bandenmuster für die Tripletts 506 bis 511. b) Vergleichen Sie die DNA-Sequenzierungsmethoden nach Sanger und nach Maxam & Gilbert miteinander. Beschreiben Sie dabei insbesondere die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede dieser beiden Methoden. Aufgabe 3 Bewerten Sie die im Materialteil III vorgestellten Wege einer möglichen Gentherapie bei der Krankheit Mukoviszidose. Viel Erfolg!

2 S 7 III Lösungsteil (für die Schüler) Wichtig ist, dass man nicht aufhört zu fragen. Aufgabe 1 (Albert Einstein, Physiker, ) a) Lesen Sie sich die Informationen über die Ursache der Krankheit Mukoviszidose im Teil I des Materialteils genau durch. Unterstreichen Sie Wichtiges und verschaffen Sie sich so einen Überblick über die Symptome der Krankheit und über ihre Ursache. Ferdinand Schmutzer Was ist die Ursache von Mukoviszidose? Die Grundlagen Mukoviszidose ist eine nicht selten auftretende Erkrankung, die rezessiv vererbt wird. Sie wird auch als zystische Fibrose (CF) bezeichnet. Von 2000 Neugeborenen hat bei hellhäutigen Menschen in etwa ein Kind die Erbkrankheit Mukoviszidose. In Deutschland werden jährlich um die 200 Kinder mit dieser Erkrankung geboren. Menschen afrikanischer und asiatischer Herkunft haben seltener zystische Fibrose. Bei der Mukoviszidose werden nur sehr zähflüssige Drüsensekrete gebildet. Betroffen ist auch die Lunge. Dort verbleibt der zähflüssige Schleim in den Bronchien und verstopft diese. Es kommt zur chronischen Bronchitis und Atemnot. Der fest sitzende Schleim in den Bronchien der Lunge bietet zudem einen günstigen Nährboden für Krankheitserreger. Daher leiden die Betroffenen häufig unter Lungenentzündungen. Im Darmbereich treten Verdauungsstörungen auf. Dies hat zur Folge, dass es zu Mangelerscheinungen und Untergewicht kommt. Neben Lunge und Darm sind auch die Bauchspeicheldrüse sowie die inneren Geschlechtsorgane und Geschlechtsdrüsen betroffen. Ursache der Krankheit sind defekte Chlorid-Ionenkanäle in den Drüsenmembranen. Normalerweise werden mit dem Drüsensekret Chlorid-Ionen unter Energieverbrauch aus der Zelle transportiert. Diese Chlorid-Ionen ziehen dann osmotisch Wasser an, wodurch das Drüsensekret dünnflüssig wird Bei Menschen mit Mukoviszidose öffnet sich der Chlorid-Ionenkanal nicht. Dementsprechend können keine Chlorid-Ionen durch den Kanal gelangen und der Schleim wird zähflüssig. Der Chlorid-Ionenkanal, der betroffen ist, wird mit der Abkürzung CFTR bezeichnet. Die Abkürzung kommt von dem englischen Ausdruck cystic fibrosis transmembrane conductance regulator. Für dieses CFTR-Kanalprotein, das als Chloridkanal dient, codiert ein Gen, das CFTR-Gen (Kurzform: CF-Gen). Es befindet sich am langen Arm des Chromosoms 7. Das CF-Gen umfasst etwa Basenpaare und codiert für ein Protein mit 1480 Aminosäuren. 700 verschiedene Mutationen des CF-Gens, die als Ursache für eine Mukoviszidose-Erkrankung angesehen werden, sind mittlerweile bekannt. Eine Möglichkeit, die Mutation des CF-Gens bei Mukoviszidose-Patienten zu untersuchen, sieht eine DNA-Präparation aus Mundschleimhautzellen vor. Zunächst erfolgt eine Vervielfältigung der DNA mithilfe einer PCR (Polymerase-Kettenreaktion). Im Anschluss daran wird eine Sequenzierung mithilfe der Sequenzierungsmethode nach Maxam & Gilbert durchgeführt. Diese Methode beruht auf einem basenspezifischen Spaltungsverfahren. Bei dem Verfahren markiert man zunächst einzelsträngige DNA-Moleküle an ihrem Ende. Dies kann eine radioaktive Markierung mit radioaktivem Phosphor 32 P sein. Die markierte DNA wird dann in vier Reaktionsgefäße überführt und jeweils einem basenspezifischen Spaltungsverfahren unterworfen. Anschließend trennt man die Bruchstücke auf einem Elektrophorese-Gel und wertet aus.

3 S 11 Vergleich gesunder Mensch und Mukoviszidose-Patient Unterschiede in der DNA-Sequenz: Das Basentriplett 507 lautet bei dem Mukoviszidose-Patienten ATT und beim gesunden Menschen ATC. Das Triplett 508 beinhaltet beim gesunden Menschen die Nucleobasen TTT, beim Mukoviszidose-Patienten hingegen die Basen GGT. Die DNA-Sequenz des Mukoviszidose-Patienten unterscheidet sich also deutlich von derjenigen eines gesunden Menschen. Es ergeben sich dafür nun die folgenden zwei verschiedenen Erklärungsmöglichkeiten: 1. Bei den Tripletts 507 und 508 sind die Nucleotide mit den Basen C, T und T weggefallen. 2. Beim Basentriplett 507 steht beim Mukoviszidose-Patienten anstelle der Base Thymin (T) die Base Cytosin (C). Das darauffolgende Nucleotid mit dem Basentriplett TTT (508) entfällt. c) Erklären Sie, wie es sein kann, dass das CF-Gen immerhin Basenpaare umfasst, jedoch nur für ein Protein, das CFTR-Protein, mit 1480 Aminosäuren codiert. Hinweis: Durch ein Gen mit Basen können nahezu Aminosäuren codiert werden. Innerhalb eines Gens existieren auch nicht codierende Abschnitte in der DNA. Sie bezeichnet man als Introns. Die proteincodierenden Abschnitte eines Gens hingegen sind die sogenannten Exons. Bei der Transkription werden die Introns zwar ebenfalls transkribiert, dann jedoch durch den Vorgang des Spleißens aus der prä-mrna entfernt. Es entsteht die sogenannte reife RNA, d. h. die mrna. Sie verlässt durch eine Kernpore den Zellkern. Es schließt sich die Translation (Proteinbiosynthese) an, welche sich an den Ribosomen abspielt. Das CF-Gen umfasst Basenpaare. Es könnte daher für nahezu Aminosäuren codieren. Dies ist jedoch nicht der Fall, denn das CFTR-Protein besteht nur aus 1480 Aminosäuren. Somit befinden sich die meisten Basen im Bereich der Introns. Sie werden nach der Transkription beim Vorgang des Spleißens aus der prä-mrna herausgeschnitten und codieren damit für keine Aminosäuren. Bei der Translation (Proteinbiosynthese) spielen nur die verbleibenden Basen im Bereich der Exons eine Rolle. Aufgabe 2 a) Wie würde das Bandenmuster im Elektrophorese-Gel bei einer DNA-Sequenzierung nach Sanger für den nicht codogenen DNA-Ausschnitt eines gesunden Menschen aussehen? Notieren Sie das Bandenmuster für die Tripletts 506 bis 511. Vorgehensweise: Bei der Methode nach Sanger bilden die Banden im Elektrophorese-Gel die zur betreffenden DNA-Sequenz komplementäre Basenabfolge ab. Daher muss die Basenfolge beim gesunden Menschen erst einmal in die dazu komplementäre Basenfolge übersetzt werden. Anschließend kann dann auf der Grundlage der komplementären Basenfolge auf das Bandenmuster bei der Methode nach Sanger geschlossen werden.

4 S Übersetzung in die komplementäre Basenfolge: Triplett Basenabfolge beim gesunden Menschen Komplementäre Basenabfolge ATC ATC TTT GGT GTT TCC TAG TAG AAA CCA CAA AGG 2. Rückschluss auf das Bandenmuster im Elektrophorese-Gel: A-Spur G-Spur C-Spur T-Spur

5 G e n d e f e k t e und Gentherapie bei Mukoviszidose Klausuraufgaben LEK Glossar S 1 Mediothek 3 -Ende 5 -Ende Adenin Adenoviren Das Ende eines DNA- oder RNA-Strangs, das eine freie Hydroxygruppe am 3 -Kohlenstoffatom des Zuckers trägt. Das Ende eines DNA- oder RNA-Strangs, das eine freie Phosphat- Gruppe am 5 -Kohlenstoffatom des Zuckers trägt. Stickstoffhaltige Purinbase der DNA oder RNA. Adenoviren sind doppelsträngige DNA-Viren, welche hauptsächlich die Schleimhäute des Menschen befallen. Von einem Befall mit Adenoviren können Dünndarm, Bindehaut, Speiseröhre und Respirationstrakt betroffen sein. Die Gentechnik nutzt Adenoviren als Vektoren, um fremde DNA zu transportieren und in einen anderen Organismus einzuschleusen (Gentransfer). Aminosäure Organische Verbindung, die als funktionelle Gruppe eine NH 2 - sowie eine COOH-Gruppe enthält. Aminosäuren sind Bausteine der Proteine. Amplifikation Aminosäuresequenz Autoradiografie CFTR-Gen Reihenfolge, in der die Aminosäuren im Polypeptid bzw. Protein angeordnet sind. Vervielfältigung der Nucleinsäure (DNA oder RNA). Nachweis radioaktiv markierter Stoffe aufgrund ihrer Strahlung. Bei der DNA-Sequenzierungsmethode nach Sanger kommt diese Methode häufig zum Einsatz. Das CFTR-Gen (Kurzform: CF-Gen) codiert für ein Kanalprotein (Chlorid-Ionenkanal). Es befindet sich auf dem Chromosom 7. Die Erbkrankheit Mukoviszidose ist auf einen Defekt dieses Gens zurückzuführen (siehe auch unter CFTR-Protein ). CFTR-Protein Codogen Codogener Strang Codon Das CFTR-Protein ist ein Kanalprotein (Chlorid-Ionenkanal). Die Bezeichnung CFTR ist eine Abkürzung für cystic fibrosis transmembrane conductance regulator. Bei der Erbkrankheit Mukoviszidose ist die Funktion der Chlorid-Ionenkanäle aufgrund eines Defekts auf dem CFTR-Gen (kurz: CF-Gen) gestört. Dadurch öffnen sich in den Drüsenmembranen die Chlorid-Ionenkanäle nicht. So gelangen keine Chlorid-Ionen mit dem Drüsensekret aus der Zelle. Normalerweise ziehen die Chlorid-Ionen durch Osmose Wasser an, wodurch ein dünnflüssiges Drüsensekret entsteht. Dieser Vorgang funktioniert nun bei Mukoviszidose aufgrund der defekten Chlorid-Ionenkanäle nicht mehr. Daher entsteht ein zähflüssiger Schleim. In der Lunge verstopft er die Bronchien. Chronische Bronchitis, Atemnot und Lungenentzündungen sind die Folge. Darüber hinaus hat der Defekt auch Auswirkungen auf Darm, Bauchspeicheldrüse, Geschlechtsdrüsen und innere Geschlechtsorgane. Basentriplett auf der DNA, von dem das Codon abgelesen wird. Das Codon ist das aus drei Nucleotiden bestehende Basentriplett der mrna. Strang, der bei der Transkription abgeschrieben wird. Dieser Strang wird auch als Matrizenstrang bezeichnet. mrna-abschnitt aus drei Nucleotiden (Basentriplett). Dieses Basentriplett codiert für eine Aminosäure.

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