Erläutere die Arten von Genmutationen.

Vergleiche die zwei Verfahren zur Veränderung des Alcatraz-Gens im Raps tabellarisch nach fünf selbst gewählten Kriterien (M 2).

Ermittle für den codogenen DNA-Ausschnitt des Alcatraz-Gens und für die Varianten 1 und 2 des veränderten Gens die entsprechenden mRNA- und die dazugehörigen Aminosäuresequenzen (M 3).

Beschreibe die molekulargenetischen Veränderungen des Alcatraz-Gens.

Leite die Folgen der dargestellten Veränderungen für die entstehenden Proteine und die Pflanze ab (M 3).

Begründe die Schwierigkeiten, ein Merkmal der Raps-Pflanze, wie das Platzen der Schoten, durch Mutagenese zu verändern (M 1).

Begründe, ob bei den angewandten Verfahren chemische Mutagenese und Genom-Editierung gentechnisch veränderte Pflanzen entstehen.

Beurteile Auswirkungen dieser beiden Verfahren.

Erläuterung der Arten der Genmutation, wie im Unterricht behandelt, z.B.:

Grundbegriff der Genmutation

• Eine Genmutation stellt eine dauerhafte Veränderung der molekularen Struktur eines Gens dar, die sich auf die Abfolge der Nukleotidbasen in der DNA beschränkt.

Punktmutationen durch Basensubstitution

• Bei dieser Form der Mutation kommt es zum Austausch einer einzelnen Nukleotidbase gegen eine andere Base innerhalb der DNA-Sequenz.

• Stumme Mutation: Der Austausch einer Base im DNA-Triplett führt zu einem veränderten Codon auf der mRNA, das jedoch aufgrund der Degeneriertheit des genetischen Codes für dieselbe Aminosäure codiert, wodurch die Primärstruktur des Proteins völlig unverändert bleibt.

• Missense Mutation: Die Basensubstitution führt zu einem veränderten Codon, welches für eine andere Aminosäure codiert, wodurch eine falsche Aminosäure in das Protein eingebaut wird und dessen Raumstruktur sowie biologische Funktion modifiziert werden können.

• Nonsense Mutation: Durch den Basenaustausch entsteht auf der Ebene der mRNA ein vorzeitiges Stopp-Codon, was zu einem verfrühten Abbruch der Translation führt und ein unvollständiges, meist funktionsloses Proteinfragment zur Folge hat.

Rasterschubmutationen durch Basenverschiebung

• Diese Mutationen verändern das Leseraster der Tripletts ab der Mutationsstelle vollständig, sofern die Anzahl der eingefügten oder entfernten Basen kein Vielfaches von drei ist.

• Deletion: Der Verlust von einer oder mehreren Nukleotidbasen führt dazu, dass die nachfolgenden Basen beim Ablesen aufrücken, wodurch sich die Zusammensetzung aller nachfolgenden Aminosäuren verschiebt.

• Insertion: Das Einfügen von einer oder mehreren zusätzlichen Nukleotidbasen bewirkt ein Nach-hinten-Rücken der folgenden Basensequenz, was ebenfalls das gesamte nachfolgende Ableseraster verschiebt.

• Die biologischen Konsequenzen von Rasterschubmutationen sind in der Regel gravierend, da sie die Aminosäuresequenz des betroffenen Proteins ab der Mutationsstelle komplett verändern oder sehr schnell zu einem translationalen Abbruch durch ein zufällig entstandenes Stopp-Codon führen.

Tabellarischer Vergleich:

Alcatraz-Gen Wildtyp

• Codogener DNA-Strang (3' nach 5'): 3'-ACG-CCG-CTT-GTG-5'.

• Komplementäre mRNA (5' nach 3'): 5'-UGC-GGC-GAA-CAC-3'.

• Dazugehörige Aminosäuresequenz: Cys - Gly - Glu - His.

Alcatraz-Gen Variante 1

• Codogener DNA-Strang (3' nach 5'): 3'-ACG-CCG-CGT-G-5'.

• Komplementäre mRNA (5' nach 3'): 5'-UGC-GGC-GCA-C-3'.

• Dazugehörige Aminosäuresequenz: Cys - Gly - Ala.

Alcatraz-Gen Variante 2

• Codogener DNA-Strang (3' nach 5'): 3'-ACG-CCG-CTT-GGT-G-5'.

• Komplementäre mRNA (5' nach 3'): 5'-UGC-GGC-GAA-CCA-C-3'.

• Dazugehörige Aminosäuresequenz: Cys - Gly - Glu - Pro.

Beschreibung:

• Variante 1: Deletion von zwei Basen

• Variante 2: Einschub einer Base

• Folgen für Proteine und Pflanze:

  → für beide Varianten gilt: Veränderung des Leserahmens, veränderte AS-Sequenz, verändertes/funktionsloses Protein, kein/weniger Öffnen der Schoten

Begründung:

• Mutagenese nicht zielgerichtet

• tetraploide Pflanze, ALC-Gen 4-fach vorhanden, muss 4x geändert werden

Begründung und Beurteilung:

Bei den durch Mutagenese erzeugten Pflanzen handelt es sich nicht um gentechnisch veränderte Pflanzen, da keine fremde DNA integriert wurde.

Bei der Genom-Editierung durch CRISPR/Cas handelt es sich um gentechnisch veränderte Pflanzen, da die Bauanleitung der Genschere mittels bakteriellem Plasmid-Ring in das Genom der Pflanze eingefügt wird. (nach Entfernung nicht mehr transgen)

Da bei der Mutagenese auch unbekannte Gene betroffen sind, könnten unerkannte Mutationen in spätere Kulturpflanzen kommen und evtl. schädliche Wirkungen (schädliche Stoffe) besitzen.

Da bei Genom-Editierung nur einzelne Gene verändert werden und diese bekannt sind, sollten alle anderen Eigenschaften der Pflanzen erhalten bleiben. Folgen für die Umwelt und andere Pflanzen sind nicht zu erwarten.