Aufgaben: Genexpression, Regulation und Mutationen

Bau der DNA und Replikation

Die Analyse der DNA einer Zelle ergab einen Anteil von 28 % Adenin-Nukleotiden. Die DNA bildet eine antiparallele Doppelhelix mit komplementärer Basenpaarung.

1. a) Bestimmen Sie die Anteile der übrigen Basen und begründen Sie Ihre Angabe mit den Chargaff-Regeln.

1. b) Beschreiben Sie den Bau eines Nukleotids und die Verknüpfung der Nukleotide in einem Einzelstrang.

1. c) Beschreiben Sie das Grundprinzip der semikonservativen Replikation.

Von der DNA zum Peptid

Der codogene (Matrizen-)Strang eines Gens enthält die Sequenz 3′-TAC GGT CAA ATT-5′. Ausschnitt aus der Code-Sonne (mRNA-Codons):

Codon	AUG	CCA	GUU	UAA
Bedeutung	Met (Start)	Pro	Val	Stopp

1. a) Bestimmen Sie die Sequenz der mRNA und geben Sie die Richtung 5′→3′ an.

1. b) Bestimmen Sie die Aminosäuresequenz des entstehenden Peptids.

1. c) Erläutern Sie die Rolle der tRNA bei der Translation.

Sichelzellanämie

Beim Gen für die β-Kette des Hämoglobins ist bei Menschen mit Sichelzellanämie im codogenen Strang an einer Stelle statt CTC die Basenfolge CAC vorhanden. Auf der mRNA steht dadurch statt GAG (Glutaminsäure) das Codon GUG (Valin). Die veränderten Hämoglobinmoleküle verklumpen bei Sauerstoffmangel.

1. a) Bestimmen Sie die Art der Genmutation.

1. b) Beschreiben Sie die Auswirkungen auf Genprodukt und Phänotyp.

1. c) Erklären Sie, warum nicht jede Substitution einen veränderten Phänotyp zur Folge hat.

Genexpression bei Bakterien und beim Menschen

Ein menschliches Gen umfasst 8.000 bp. Die reife mRNA besteht aus 1.200 Nukleotiden, davon 1.050 im codierenden Bereich einschließlich Stoppcodon. Die prä-mRNA wurde im Zellkern gebildet und dort durch Spleißen, Anfügen einer 5′-Cap-Struktur und eines Poly-A-Schwanzes verändert. Bei Escherichia coli beginnt die Translation bereits an der noch entstehenden mRNA.

1. a) Berechnen Sie den Anteil der Introns an der Gen-Länge (Annahme: Die prä-mRNA entspricht der Gen-Länge, die reife mRNA enthält nur Exons) und die Zahl der Aminosäuren des Proteins.

1. b) Vergleichen Sie die Realisierung der genetischen Information bei Prokaryoten und Eukaryoten.

1. c) Erläutern Sie die Bedeutung der Kompartimentierung für die eukaryotische Proteinbiosynthese.

Transkriptionsfaktoren im Reportergenversuch

In Leberzellkulturen wurde ein Reportergen (Luciferase, Maß für Genaktivität) hinter einen Promotor gesetzt. Es wurden vier Konstrukte untersucht; ein Aktivator-Transkriptionsfaktor (TF) wurde in den Zellen jeweils vorhanden bzw. ausgeschaltet.

Konstrukt	Enhancer	TF in der Zelle	Luciferase-Aktivität (relative Einheiten)
A	ja	ja	100
B	ja	nein	6
C	nein	ja	9
D	nein	nein	5

1. a) Werten Sie die Messwerte aus.

1. b) Erklären Sie die Regulation der Genaktivität durch Transkriptionsfaktoren, Promotor und Enhancer anhand der Daten.

1. c) Stellen Sie eine Hypothese auf, wie ein Repressor wirken könnte, und planen Sie ein Experiment zur Überprüfung.

DNA-Methylierung bei Mäusen

Mäuse mit dem Allel Agouti haben ein gelbes Fell, wenn das Gen nicht methyliert ist. Ist die Promotorregion methyliert, ist das Gen ruhiggestellt und das Fell braun. Trächtige Weibchen erhielten entweder Standardfutter oder Futter mit zusätzlichen Methylgruppen-Spendern (je 60 Nachkommen, genetisch identische Linie).

	gelbes Fell	braunes Fell
Standardfutter	45	15
Futter mit Methylgruppen-Spendern	21	39

1. a) Berechnen Sie die Anteile gelber Nachkommen in Prozent für beide Gruppen.

1. b) Erklären Sie die Befunde mit der DNA-Methylierung.

1. c) Grenzen Sie eine epigenetische Veränderung von einer Genmutation ab.

Dichtegradientenversuch zur Replikation

Bakterien wurden lange in Medium mit schwerem Stickstoff $^{15}\mathrm{N}$ gezüchtet und dann in Medium mit leichtem $^{14}\mathrm{N}$ überführt. Aus den Zellen wurde nach jeder Teilung die DNA isoliert und in einer Dichtegradientenzentrifugation aufgetrennt.

Generation nach Überführung	Banden im Gradienten
0	eine Bande (schwer)
1	eine Bande (mittlere Dichte)
2	zwei Banden: mittel und leicht, gleich stark
3	zwei Banden: mittel und leicht

1. a) Leiten Sie aus den Befunden das Grundprinzip der semikonservativen Replikation ab und begründen Sie, warum konservative und dispersive Replikation ausgeschlossen werden können.

1. b) Berechnen Sie für Generation 3 die Anteile der DNA-Moleküle in den beiden Banden, wenn aus einem Ausgangsmolekül in Generation 3 acht Moleküle entstehen.

1. c) Erläutern Sie den Energiebedarf der Replikation und die Bedeutung von DNA-Polymerase, Primer und Ligase für den Folgestrang.

Mutationen im Modellgen

Ausschnitt der mRNA eines Modellgens (5′→3′): AUG GAU UUC AUC GGC UAA. Auszug aus der Code-Sonne: AUG Met (Start); GAU Asp; GUU Val; UUC Phe; UUU Phe; AUC Ile; CAU His; CGG Arg; CUA Leu; GGC Gly; UAA Stopp.

Drei Mutanten:

• Mutante 1: Deletion der drei Basen UUC.

• Mutante 2: Insertion einer Base G nach dem Codon GAU.

• Mutante 3: Substitution UUC → UUU.

1. a) Bestimmen Sie die Aminosäuresequenz des Wildtyps und der drei Mutanten (bei Mutante 2 bis zum letzten vollständigen Codon vor Ende des Ausschnitts).

1. b) Erklären Sie die Auswirkungen jeder Mutante auf Genprodukt und Phänotyp.

1. c) Beurteilen Sie, welche Mutante vermutlich die schwerste Folge hat, und erläutern Sie die Mutation als Evolutionsfaktor.

Umprogrammierung von Fibroblasten

Bindegewebszellen (Fibroblasten) der Maus wurden in Kulturen untersucht: Kontrolle ohne Behandlung; Einbringen des Transkriptionsfaktor-Gens MyoD; MyoD zusammen mit 5-Azacytidin (hemmt die Methylierung neu gebildeter DNA). Ausgezählt wurde der Anteil Muskelzell-ähnlicher Zellen (je 1.000 Zellen, ein Versuch).

Ansatz	Muskelzell-ähnliche Zellen
Kontrolle	0
MyoD	40
MyoD + 5-Azacytidin	380

1. a) Berechnen Sie die Anteile in Prozent und beschreiben Sie das Ergebnis.

1. b) Erklären Sie die Befunde mit der Regulation der Genaktivität durch Transkriptionsfaktoren und DNA-Methylierung und gehen Sie auf die Zelldifferenzierung bei identischem Genom ein.

1. c) Beurteilen Sie die Aussagekraft des Versuchs (Fehlerquellen, fehlende Kontrollen) und stellen Sie eine Hypothese zur Erklärung der geringen Wirkung von MyoD allein auf.