Beschreibe das Verfahren der PCR zur Vervielfältigung von DNA-Proben.

Leite die Aminosäuresequenz des Wildtypenzyms für den angegebenen Ausschnitt ab (Material 1, Material 2).

Werte die beiden Basensequenzen hinsichtlich der vorliegenden Mutation aus (Material 1, Material 2).

Erläutere, weshalb bei einer Blutanalyse von AML-Patienten nahezu keine Zellen gefunden werden können, die homozygot für das mutierte Allel sind (Material 1).

Erkläre das Zustandekommen der unterschiedlichen IDH1-Varianten bei homozygoten und heterozygoten Zellen (Material 1).

Erläutere das Auftreten von Tumoren bei AML-Patienten (Material 1).

Leite alle möglichen Blutgruppen des Kindes ab (Material 3).

Erläutere die zunehmende Verbreitung des Dantu-Merkmals mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie (Material 3).

Stelle eine Hypothese über die Auswirkungen eines großflächigen Einsatzes von Insektiziden in Ost-Afrika auf die Ausbreitung des Dantu-Merkmals auf (Material 3).

Formuliere als Teilschritte einer ethischen Analyse zwei Argumente, die die Malaria-Impfung in Afrika befürworten, aber jeweils auf unterschiedlichen Werten basieren (Material 3, Material 4).

Hinweis: Ein ethisches Argument besteht aus einer deskriptiven sowie einer normativen Aussage und einer Schlussfolgerung.

Beschreiben des Verfahrens

Ablauf der PCR: Die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) dient der raschen millionen- bis milliardenfachen Vervielfältigung einer definierten DNA-Sequenz, um diese anschließend detailliert analysieren zu können. Zur Vorbereitung wird die zu vervielfältigende, doppelsträngige DNA mit freien Nukleotiden, einer hitzestabilen Polymerase sowie spezifischen Primern in einer Lösung angesetzt. Der Zyklus gliedert sich in folgende drei Phasen:

• Denaturierung: Bei einer Temperatur von 94–96 °C wird die doppelsträngige DNA aufgetrennt („geschmolzen“). Hierbei lösen sich die Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch zwei separate Einzelstränge entstehen.

• Hybridisierung: Anschließend wird die Temperatur auf etwa 50 °C gesenkt. In diesem Schritt lagern sich die Primer über Wasserstoffbrücken spezifisch an die jeweiligen DNA-Einzelstränge an (je ein Primer pro Einzelstrang).

• Amplifikation: Ausgehend von den gebundenen Primern synthetisiert die hitzestabile DNA-Polymerase (Taq-Polymerase aus dem Bakterium Thermus aquaticus) den jeweils komplementären Strang. Die Einzelstränge dienen hierbei als Kopiervorlagen (Matrizen) für die Neusynthese.

Dieser Zyklus wird mehrfach durchlaufen, wodurch eine exponentielle und schnelle DNA-Vervielfältigung erreicht wird.

Ableiten der Sequenz

Auswertung der Basensequenzen

Innerhalb der mutierten DNA-Sequenz lässt sich eine Veränderung im dritten abgebildeten Basentriplett feststellen. Infolge einer Basensubstitution (Punktmutation) wurde CGT zu CAT ausgetauscht. Dies führt zu einem modifizierten Codon auf der mRNA (Wechsel von CGU zu CAU), sodass an dieser Stelle Histidin (His) anstelle von Arginin (Arg) eingebaut wird.

Da der Basenaustausch zur Translation einer anderen Aminosäure führt, liegt eine Missense-Mutation vor.

Erläuterung

Zellen, die hinsichtlich des Gens für die Isocitrat-Dehydrogenase 1 (IDH1) homozygot für das mutierte Allel sind, bilden ausschließlich die mut/mut-Variante des Enzyms, bei der beide Untereinheiten verändert sind. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, können diese Enzymkomplexe Isocitrat (ICT) nicht mehr zu -KG umsetzen. Da dieser Metabolit für den Stoffwechsel hämatopoetischer Stammzellen unentbehrlich ist und zudem die Ausdifferenzierung der Zellen steuert, sterben diese Zellen sehr rasch ab und sind bei Blutuntersuchungen praktisch nicht nachweisbar.

Erklären des Zustandekommens der IDH1-Varianten

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass in homozygoten Zellen lediglich die wt/wt-Form der IDH1 vorliegt. Bei homozygoten Zellen gesunder Individuen existieren für das IDH1-Gen ausschließlich Wildtyp-Allele. Dementsprechend werden nur Wildtyp-Untereinheiten translatiert, die sich im Zytoplasma zur wt/wt-IDH1 zusammenlagern.

In heterozygoten Zellen lassen sich hingegen alle drei Formen nachweisen: wt/wt, wt/mut sowie mut/mut. Da hier sowohl das intakte Wildtyp-Allel als auch das veränderte Allel vorhanden sind, werden beide Typen von Proteinuntereinheiten synthetisiert. Der Zusammenschluss dieser Einheiten im Zytoplasma erfolgt stochastisch und unabhängig voneinander, sodass neben den reinen Kombinationen aus zwei Wildtyp- bzw. zwei mutierten Untereinheiten auch gemischte Komplexe aus je einer Wildtyp- und einer mutierten Untereinheit entstehen.

Erläuterung des Auftretens von Tumoren

Bei vielen AML-Patienten liegt eine Mutation im Gen der Isocitrat-Dehydrogenase 1 (IDH1) vor; sie tragen das mutierte Allel und besitzen somit heterozygote Zellen.

Abbildung 1 verdeutlicht, dass in diesen Zellen einerseits weiterhin -KG gebildet werden kann, andererseits jedoch die zusammengesetzten Heterodimere (wt/mut) dieses -KG zu 2-Hydroxyglutarat (2-HG) umsetzen. Das gebildete 2-HG inhibiert -KG-abhängige Enzyme, wodurch die physiologische Steuerung von Zellzyklus und Apoptose verloren geht. In der Folge teilen sich die mutierten blutbildenden Stammzellen unkontrolliert, was die Entstehung eines Tumors nach sich zieht.

Hinweis: Im AB0-System treten die drei Allele , und auf; man spricht hierbei von multipler Allelie. Die Allele und verhalten sich kodominant zueinander und dominieren jeweils über . Während und für die Oberflächenfaktoren A beziehungsweise B codieren, bedingt kein entsprechendes Oberflächenmolekül. Hieraus gehen die vier Blutgruppen A, B, AB und 0 hervor.

In der Fachliteratur wird der Genotyp häufig über die Buchstaben der Phänotypen wiedergegeben (z. B. AA oder A0 für Blutgruppe A). Anhand der hier verwendeten Schreibweise lassen sich Dominanz und Rezessivität der Allele jedoch unmittelbar nachvollziehen.

Da das Dantu-Merkmal dominant vererbt wird, lässt sich das dominante Allel mit und das rezessive Allel mit bezeichnen.

Zur Bestimmung aller denkbaren Blutgruppen des Kindes müssen vorab die elterlichen Genotypen ermittelt werden. Diese lassen sich über die Phänotypen der Großeltern eindeutig herleiten.

Genotyp des Vaters:

Genotyp der Mutter:

Mögliche Genotypen des Kindes: , , ,

Mögliche Phänotypen des Kindes: A/D+, A/D–, 0/D+, 0/D–

Hinweis: Die Synthetische Evolutionstheorie baut auf dem darwinschen Evolutionskonzept auf und erweitert dieses um Erkenntnisse moderner Disziplinen wie der Genetik, Zellbiologie und Ökologie. Erklärungsmodelle dieser Theorie fokussieren sich insbesondere auf jene Evolutionsfaktoren, welche die Allelfrequenzen im Genpool verändern (genetische Variabilität durch Mutation und Rekombination, Selektion und Selektionsformen, Gendrift sowie Genfluss durch Migration und Isolation).

In der in Material 3 dargestellten ostafrikanischen Region existiert innerhalb der Population bezüglich des Dantu-Merkmals eine Variabilität, die auf einer genetischen Variation beruht. Individuen, die hinsichtlich des Dantu-Merkmals homozygot oder heterozygot sind, verfügen über einen partiellen Schutz vor Malaria und besitzen somit einen Selektionsvorteil. Sie überleben mit höherer Wahrscheinlichkeit bis zur Geschlechtsreife und bringen im Schnitt mehr Nachkommen hervor als Individuen ohne dieses Merkmal. Daraus resultiert eine höhere reproduktive Fitness. Infolgedessen nimmt die Allelfrequenz für das Dantu-Allel im Genpool der Population über Generationen hinweg kontinuierlich zu.

Mögliche Hypothese

Eine flächendeckende Ausbringung von Insektiziden in diesem Areal würde zahlreiche Insekten abtöten, darunter auch die Anopheles-Mücke als Überträgerin der Malaria-Erreger. Mit dem Rückgang der Vektorendichte sinkt zugleich der Selektionsdruck, da weniger Menschen (insbesondere Kleinkinder) den tödlichen Folgen einer Infektion erliegen. Da der Selektionsfaktor Malaria dadurch zwar stark gemindert wird, aber nicht vollständig entfällt, würde sich die weitere Verbreitung des Dantu-Merkmals in der Population vermutlich verlangsamen.

Hinweis: Alternativ könnte zur Beantwortung der Aufgabenstellung beispielsweise auch die konkrete Selektionsform als Evolutionsfaktor herangezogen und erläutert werden.

1. Pro-Argument

Deskriptive Aussage: Durch den Malaria-Impfstoff lässt sich eine rund 75-prozentige Resistenz gegen den Erreger aufbauen, wodurch ein wirksamer Schutz vor einem potenziell tödlichen Krankheitsverlauf gewährleistet wird.

Normative Aussage: Jeder Mensch besitzt ein Recht auf Leben, und dieses Leben gilt es unter allen Umständen zu schützen.

Schlussfolgerung: Eine flächendeckende Malaria-Impfung in Afrika ist nachdrücklich zu befürworten, da sie viele Menschenleben retten kann.

2. Pro-Argument

Deskriptive Aussage: Eine Impfdosis verursacht lediglich Kosten in Höhe von 4 US-Dollar. Während dieser Betrag für Personen in Industrieländern problemlos aufzubringen ist, übersteigt er die finanziellen Möglichkeiten von Menschen in ärmeren Regionen der Welt oft deutlich.

Normative Aussage: Unter dem ethischen Grundsatz der Gerechtigkeit darf eine derart geringe Summe kein Hindernis darstellen, um Schutzbedürftige in wirtschaftlich schwachen Teilen der Erde vor einer gravierenden Krankheit zu bewahren.

Schlussfolgerung: Die Bereitstellung der Malaria-Impfung in Afrika ist zu befürworten, da sie einen wesentlichen Beitrag zu mehr weltweiter Chancengleichheit und Gerechtigkeit leistet.

Hinweis: Selbstverständlich können weitere Pro-Argumente herangezogen werden, die sich auf andere ethische Werte wie beispielsweise Schadens- bzw. Leidminderung oder das Recht auf Gesundheit stützen.