VORANSICHT II/B3. Retinopathia pigmentosa eine Genmutation verdunkelt langsam die Welt. Der Beitrag im Überblick. Retinopathia pigmentosa Reihe 2 S 1

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1 Reihe 2 S 1 Verlauf Material Retinopathia pigmentosa eine Genmutation verdunkelt langsam die Welt Barbara Jäger, Tuttlingen Häufig wird Retinopathia pigmentosa bereits in der Kindheit bemerkt. Die Kinder stoßen sich öfter und haben nachts Schwierigkeiten, etwas zu erkennen. An der Schultafel können sie nicht alles lesen. Doch wie entsteht diese genetisch bedingte Krankheit? Ihre Schüler befassen sich mit den ihr zugrunde liegenden Mutationen und deren Auswirkungen. An Fallbeispielen untersuchen sie im Rahmen einer fiktiven genetischen Sprechstunde die Vererbungsmöglichkeiten der Krankheit. Zudem betrachten Ihre Lernenden Hilfsmöglichkeiten für Erkrankte. Niveau: Sekundarstufe II Dauer: 3 Stunden Der Beitrag enthält Materialien für: ü Gruppenarbeit zu den Vererbungswegen ü problemorientierten Unterricht ü Wissensüberprüfung Der Beitrag im Überblick Bei Retinopathia pigmentosa zeigt der Augenhintergrund dunkle Flecken. Zudem sterben Stäbchen und Zapfen ab. Kompetenzen: Verstehen und erklären, welche Auswirkungen Mutationen auf den Organismus haben können In der Lage sein, Stammbäume zu erstellen und das Krankheitsrisiko eines Kindes vorherzusagen Sich mit der Erkrankung Retinopathia pigmentosa sowie ihrem Verlauf und ihren Therapiemöglichkeiten auseinandersetzen Präsentieren vor der Klasse üben Augenklinik der Universität Tübingen, Steinbeis-Transferzentrum eyetrial, Andrea Sum

2 S 1 Minimalplan Sollten Sie nur wenig Zeit zur Verfügung haben, können Sie die Reihe verkürzt halten. So lässt sich die Präsentationsphase abkürzen, indem nicht alle Gruppen präsentieren. Je nach Leistungsstand der Schüler kann das schwierigere Fallbeispiel M 7 entfallen. Ist die Zeit für eine Gruppenarbeit zu kurz, greifen Sie ein geeignetes Fallbeispiel heraus und betrachten Sie es gemeinsam mit den Lernenden im Unterrichtsgespräch. Ergänzend weisen Sie dann noch auf die anderen Vererbungswege hin. Auch die Erstellung des Merkblattes kann notfalls entfallen. In diesem Fall ist es wünschenswert, wenn zumindest im Unterrichtsgespräch der Verlauf der Krankheit und auch die Therapieansätze thematisiert werden, um den Schülern diese Informationen nicht vorzuenthalten. Materialübersicht M 1 (Fo) M 2 (Ab) Fotos zum Sehen mit und ohne Retinopathia pigmentosa sowie vom Augenhintergrund Die Krankheit Retinopathia pigmentosa was läuft schief? Materialien für die Gruppenarbeit zur humangenetischen Sprechstunde M 3 (Ab) Fallbeispiele: Die humangenetische Sprechstunde Arbeitsauftrag Arbeitsaufträge für die Gruppenarbeit Vorgaben zur Stammbaumerstellung M 4 (Ab) M 5 (Ab) M 6 (Ab) M 7 (Ab) M 8 (Ab) M 9 (Ab) Fallbeispiel 1 Kathrin und Jens Fallbeispiel 2 Meike und Bernd Fallbeispiel 3 Simone und Maximililan Fallbeispiel 4 Claudia und Tim Retinopathia pigmentosa Symptome und Krankheitsverlauf Retinopathia pigmentosa wie kann geholfen werden? q Plakate oder Folien (pro Gruppe ein Exemplar für M 8 und M 9) Lernerfolgskontrolle M 10 (LEK) Sind Sie fit? ein Wissenstest über Retinopathia pigmentosa

3 S 4 M 2 Die Krankheit Retinopathia pigmentosa was läuft schief? Bei der Krankheit Retinopathia pigmentosa ist das Sehvermögen eingeschränkt. Hervorgerufen wird die Erkrankung durch unterschiedliche Mutationen. Erkunden Sie eine dieser Mutationen und ihre Auswirkungen. Ua Ub Barbara Jäger Abbildung 1: Im Vergleich zu Menschen mit normalem Sehvermögen (Foto Ua ) ist bei Menschen mit Retinopathia pigmentosa (Foto Ub ) das Blickfeld eingeschränkt. Außerdem sehen sie schwarze Flecken und dunklere Farben. Eine Mutation, die zur Erkrankung mit Retinopathia pigmentosa führt, findet sich auf dem neunzehnten Chromosom im prpf31-gen. Unten ist ein fiktiver Abschnitt dieses Gens aufgeführt (in der Realität ist es mehrere Tausend Basen lang). Verzeichnet sind hier zwei Varianten: die normale Wildtyp-DNA und die mutierte DNA. 1. Wildtyp-DNA: 3 A T A C T T G C G G A A T T C A T C T A T A A T T 5 2. Mutierte DNA: 3 A T A C T T G C G G A A T A T C T A T A A T T 5

4 S 5 Aufgabe 1 Übersetzen Sie mithilfe der Code-Sonne die beiden oben aufgeführten DNA-Stränge in die entsprechenden Aminosäurefrequenzen. Die Abkürzungen stehen für folgende Aminosäuren: Ala: Alanin Gly: Glycin Pro: Prolin Arg: Arginin His: Histidin Ser: Serin Asn: Asparagin Ileu: Isoleucin Thr: Threonin Asp: Asparaginsäure Leu: Leucin Trp: Tryptophan Cys: Cystein Lys: Lysin Tyr: Tyrosin Gln: Glutamin Met: Methionin Val: Valin Glu: Glutaminsäure Phe: Phenylalanin Abbildung 2: Die Code-Sonne

5 S 9 M 3 Die humangenetische Sprechstunde Arbeitsauftrag Ein Ehepaar kommt zu Ihnen in die genetische Sprechstunde. Es berichtet Ihnen von seiner Familiengeschichte, in der die Krankheit Retinopathia pigmentosa vorkommt. Da die beiden ein Kind bekommen möchten, wollen sie von Ihnen wissen, ob es erkranken könnte. Barbara Jäger Thinkstock/iStockphoto Eine humangenetische Sprechstunde dient der Beratung im Hinblick auf Erbfaktoren Aufgabe 1: Erstellen Sie mithilfe der Informationen über die Familie des Paares einen Stammbaum, der die Vererbung der Krankheit darstellt. Deuten Sie die Informationen und treffen Sie eine Vorhersage, ob ein gemeinsames Kind der beiden erkranken kann. Tipp Die Krankheit Retinopathia pigmentosa kann über verschiedene Vererbungswege weitergegeben werden. Folgende Erbgänge existieren: Rezessive Vererbung Dominante Vererbung X-chromosomal rezessive Vererbung Aufgabe 2: Erstellen Sie auf der Grundlage der Informationen über den Verlauf und über die Therapiemöglichkeiten für Erkrankte ein Merkblatt für das Paar. Es soll in knapper Form die wichtigsten Informationen beinhalten. Die Erstellung eines Stammbaums Symbole und ihre Bedeutung Symbol Bedeutung Frau (gesund / erkrankt) Mann (gesund / erkrankt) Trägerin bzw. Träger der Krankheit (falls dies bekannt ist)

6 S 11 M 6 Fallbeispiel 3 Simone und Maximilian Jäger Barbara Jäger, Edmond Jäger Wir möchten gern unser erstes Baby bekommen. Leider gibt es in unserer Familie Fälle von Retinopathia pigmentosa, weshalb wir unsicher sind, ob unser Kind auch erkranken könnte. Daher suchen wir Rat. Simone (25) und Maximilian (28) Kleinert Esther Wilczek, Björn Ole Jäger Zur Familiengeschichte Maximilian hat drei Geschwister. Seine älteste Schwester ist an Retinopathia pigmentosa erkrankt, sein Bruder, die jüngere Schwester und er selbst bemerken keine Einschränkung. Maximilians Eltern hatten nie Augenprobleme. Seine Mutter hat drei Geschwister, von denen die beiden Schwestern gesund sind. Ihr Bruder ist jedoch vollkommen erblindet. Bei Maximilians Großeltern (mütterlicherseits) war die Großmutter gesund, der Ehemann war jedoch an Retinopathia pigmentosa erkrankt. M 7 Fallbeispiel 4 Claudia und Tim Wir möchten gern unser erstes Baby bekommen. Leider gibt es in unserer Familie Fälle von Retinopathia pigmentosa, weshalb wir unsicher sind, ob unser Kind auch erkranken könnte. Daher suchen wir Rat. Claudia (28) und Tim (29) Zur Familiengeschichte Claudias Brüder leiden beide unter Retinopathia pigmentosa, sie selbst ist gesund. Ihre Mutter war ebenfalls davon betroffen, der Vater ist nicht beeinträchtigt. Claudias Mutter hat zwei Geschwister, eine gesunde Schwester und einen an Retinopathia pigmentosa erkrankten Bruder. Die Frau des erkrankten Bruders ist gesund, sein Sohn und seine Tochter ebenfalls. Obwohl die Schwester und ihr Mann gesund sind, haben sie einen kranken und einen gesunden Sohn. Claudias Großvater mütterlicherseits war ebenfalls an Retinopathia pigmentosa erkrankt. Seine Frau war gesund, hatte aber einen kranken Bruder.

7 S 13 Schlechte Lichtverhältnisse die Dunkelheit macht sich breit Bei der Krankheit Retinopathia pigmentosa sterben zunächst die für das Dämmerungs- und Schwarzweißsehen zuständigen Stäbchen ab. Erst zu einem späteren Krankheitszeitpunkt kommt es zum Absterben der Zapfen. Die Fähigkeit zum Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen und in der Dämmerung geht verloren, da die Stäbchen frühzeitig absterben. Dies geschieht bereits, bevor eine Einengung des Gesichtsfeldes erfolgt. Bei schlechten Lichtverhältnissen ist der Betroffene nahezu blind und auf Hilfe angewiesen. Grundsätzlich problematisch ist es für diese Menschen, sich an die Lichtverhältnisse in dunkleren Räumen wie beispielsweise Kino, Unterführungen und Restaurant anzupassen. Auch ein rascher Wechsel vom Tageslicht mit Sonne in einen dunkleren Raum macht solchen Personen zu schaffen. Abbildung 2: Stäbchen und Zapfen des menschlichen Auges Abbildung 3: Dämmerungssituation jetzt sind die Stäbchen zum Sehen gefragt Matthias Eschmann

8 S 17 Alternative Einsatzmöglichkeiten der Materialien Im unteren Abschnitt von M 3 werden für die Erstellung des Stammbaumes (Aufgabe 1) Symbole vorgegeben. Dadurch soll die Aufgabe für die Schüler vereinfacht werden. Alternativ können Sie auf solche Vorgaben verzichten. Schneiden Sie dann den unteren Teil des Arbeitsblattes weg und teilen Sie nur den oberen Teil mit den Aufgabenstellungen aus. Die Lernenden in den einzelnen Gruppen entwerfen jetzt eigene Symbole für ihren Stammbaum. In diesem Fall kann danach anhand der Ergebnisse diskutiert werden, welche Vor- und Nachteile die unterschiedlichen Stammbaumdarstellungen der einzelnen Gruppen haben. Die Erarbeitung der Stammbäume können Sie noch ausweiten, indem Sie die Schüler die Wahrscheinlichkeiten der Erkrankung ausrechnen lassen. Lösung (M 4) Stammbaum der Familie von Kathrin Bruder der Mutter Symbol Bedeutung Großeltern Schwester der Mutter Frau (gesund / erkrankt) Mann (gesund / erkrankt) Trägerin bzw. Träger der Krankheit Kathrin Eltern Jens Da nur Erkrankte auch kranke Kinder bekommen, wird die Krankheit dominant vererbt. Das heißt, dass Kathrin und Jens kein krankes Kind befürchten müssen. Die jetzt folgenden Stammbäume von M 5 und M 6 stellen beide den rezessiven Erbgang dar. Die Familiengeschichten und somit auch die Stammbäume unterscheiden sich jedoch dahingehend, dass der Rat suchende Mann einmal erkrankt (M 5) und einmal nach außen gesund (M 6) ist.

9 LEK S 1 Glossar Mediothek M 10 Sind Sie fit? ein Wissenstest über Retinopathia pigmentosa! Name: Kurs: Datum: Aufgabe 1 a) Erklären Sie, welche Auswirkungen eine fehlende oder überzählige Base in der DNA hat! b) Nennen Sie Symptome der Erkrankung Retinopathia pigmentosa! c) Erläutern Sie, warum bei dieser Erkrankung eine Brille nicht hilft. d) Erklären Sie, welche Probleme im Bereich der Forschung im Hinblick auf eine Therapie von Retinopathia pigmentosa bestehen. Aufgabe 2 Menschen, die an Retinopathia pigmentosa leiden, rät man oft, keine Kinder zu bekommen, um sie vor der Erkrankung zu bewahren. Diskutieren Sie diesen Rat. Gehen Sie dabei auf die verschiedenen Arten der Vererbung ein! Aufgabe 3 a) Erstellen Sie zur unten beschriebenen Familiengeschichte einen Stammbaum. Verwenden Sie folgende Symbole: Symbol Bedeutung 3 Punkte 2 Punkte 2 Punkte 2 Punkte 5 Punkte 4 Punkte Frau (gesund / erkrankt) Mann (gesund / erkrankt) Trägerin bzw. Träger der Krankheit b) Man spricht in diesem Fall von einer unvollständigen Penetranz im dominanten Erbgang. Erklären Sie diese Bezeichnung mit dem Stammbaum. 2 Punkte Familiengeschichte: Lukas leidet an Retinopathia pigmentosa. Sein Vater hat die Krankheit ebenfalls. Seine Schwester Birgit und sein Bruder Klaus bemerken keine Einschränkungen. Birgit hat einen gesunden Mann, aber eine erkrankte Tochter. Lukas Mutter ist gesund. Seine Großeltern waren alle gesund. Die Schwester seines Großvaters väterlicherseits ist bereits erblindet, sein Bruder ist gesund. Erreichte Punktzahl: Note:

10 LEK Glossar S 1 Mediothek Adaptation Basensequenz Deletion Exon Anpassung des Auges an die jeweiligen Lichtverhältnisse. Sie erfolgt insbesondere durch den Pupillenreflex und Anpassungsvorgänge im Bereich der Netzhaut. Die Abfolge der Nukleotide im DNA-Strang Eine Deletion ist eine Form der Genmutation bzw. Chromosomenmutation. Dabei können eine oder mehrere Nukleotidsequenzen verloren gegangen sein. Oder aber es fehlt sogar ein größeres Teil eines Chromosoms. Auch der Verlust eines kompletten Chromosoms ist eine Deletion. Als Folge davon kann ein fehlerhaftes Protein entstehen. Protein codierender DNA-Abschnitt eines eukaryotischen Gens. Expression eines Gens Gentherapie Merkmalsausbildung durch Ausnutzung der in einem Gen enthaltenen Information. Dabei spielen sich folgende Schritte ab: 1. Die Information in einem Gen wird in die prä-mrna abgeschrieben (Transkription). 2. Durch Spleißen werden in der prä-mrna die Introns entfernt. Es entsteht die mrna. 3. Es schließt sich an den Ribosomen die Übersetzung (Transkription) der mrna in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Proteins an. Genmutationen bewirken, dass Proteine nicht oder nicht vollständig ausgebildet werden. Sie sind für viele Krankheiten verantwortlich und sollen mit einer Gentherapie behandelt werden. Ziel ist es dabei, die Fehlfunktion des defekten Gens durch Einführen eines intakten Gens auszugleichen. Im Blick aktueller medizinischer Forschung sind Krankheiten, für die nur ein Gen verantwortlich ist. Dazu gehören Bluterkrankheit, Mukoviszidose sowie eine erbliche Brustkrebsform. Klinische Studien wurden bereits durchgeführt und eine Behandlung durch Gentherapie ist denkbar. Eine seltene Fettstoffwechselkrankheit (LPLD) kann bereits durch das Gentherapie-Medikament Glybera behandelt werden. Bei der Therapie von Retinopathia pigmentosa könnte die Gentherapie in Zukunft ebenfalls eine Rolle spielen. Humangenetische Beratung Intron Zusammenschluss von Medizinern, aber auch Biologen, die Menschen zu genetischen Fragen beraten. Sie erläutern den Ratsuchenden genetische Vorgänge und geben auf der Grundlage von Stammbaumanalysen Prognosen ab. Dabei geht es vor allem darum, ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit eine Erbkrankheit an die Kinder weitergegeben wird. DNA-Abschnitt eines eukaryotischen Gens, der nicht für ein Protein codiert. Introns werden beim Spleißen herausgeschnitten. Sie werden dann entweder abgebaut oder in bestimmte regulatorische RNA-Moleküle transkribiert.