Aufgaben: Mutationen

Erkläre, was eine Mutation ist und wann sie typischerweise auftritt (Fehler beim Kopieren der DNA oder Einwirkung äußerer Faktoren).

Unterscheide zwischen einer Mutation in einer Körperzelle (z. B. der Haut) und einer Mutation in einer Keimzelle: Welche von beiden kann an die Nachkommen weitergegeben werden?

Nenne drei mutagene Faktoren (physikalisch oder chemisch) und erkläre kurz, wie sie auf die DNA wirken.

Unterscheide die Begriffe Mutation und Mutagen und nenne jeweils ein Beispiel.

Mutationen können schädlich, neutral oder vorteilhaft sein. Erkläre, was jeweils gemeint ist, und nenne ein Beispiel für eine Mutation, die für den betroffenen Organismus vorteilhaft ist.

Genmutationen können Substitutionen (eine Base wird durch eine andere ersetzt), Insertionen (eine Base wird eingefügt) oder Deletionen (eine Base geht verloren) sein. Veranschauliche alle drei Typen, indem du das Wort PALO veränderst, und erkläre jeden Typ.

Neben den Mutationen, die eine einzelne Base verändern, gibt es Chromosomenmutationen, die Chromosomenabschnitte oder ganze Chromosomen betreffen. Erkläre den Unterschied mit dem Vergleich eines Buches: einen Buchstaben ändern im Gegensatz zu einer verlorenen oder verdoppelten Seite.

Das Down-Syndrom beruht auf dem Vorhandensein von drei Kopien des Chromosoms 21 statt zwei (Trisomie 21). Erkläre, warum es sich nicht um die Mutation eines bestimmten Gens, sondern um eine Veränderung der Chromosomenzahl handelt, und in welchem Moment der Keimzellbildung sie entstehen kann.

Die meisten Mutationen haben keine Folgen. Erkläre zwei Gründe, warum viele Mutationen unbemerkt bleiben (DNA-Reparatursysteme und Eigenschaften des genetischen Codes).

Erkläre, welcher Zusammenhang zwischen der Anhäufung von Mutationen in Genen, die den Zellzyklus steuern, und der Entstehung von Krebs besteht.

Man sagt, Mutationen seien „der Rohstoff der Evolution“. Begründe, warum es ohne Mutationen keine neue genetische Variabilität gäbe, auf die die Selektion wirken könnte.

Begründe, warum das Einfügen oder der Verlust einer Base für das Protein meist schwerwiegender ist als der Austausch einer Base gegen eine andere. Verwende dazu den Satz aus Wörtern mit drei Buchstaben „EVA VIO UNA OCA“ als Modell für das Leseraster der Codons.

In einer Bakterienpopulation machen sich Mutationen viel schneller bemerkbar als in einer Elefantenpopulation. Stelle einen Zusammenhang mit der sehr schnellen ungeschlechtlichen Vermehrung her (ein Bakterium kann sich alle $20$ Minuten teilen) und mit der riesigen Individuenzahl.

Tabak, ultraviolette Strahlung und einige Viren erhöhen das Krebsrisiko, aber nicht alle exponierten Personen erkranken. Erkläre, warum Krebs als multifaktorielle Erkrankung gilt, bei der angesammelte Mutationen, der Zufall und die genetische Veranlagung jeder Person eine Rolle spielen.

Ein Kind hat eine dominante Mutation, die keines seiner Elternteile besitzt. Erkläre, wie sie „neu“ auftreten kann (Neumutation), wenn die Mutation in der Eizelle oder der Spermienzelle entstanden ist, aus denen dieses Kind hervorging, und ob es sie an seine Kinder weitergeben kann.

Das Grippevirus verändert sich jedes Jahr ein wenig. Stelle einen Zusammenhang mit seiner hohen Mutationsrate beim Kopieren seines Erbmaterials her und erkläre, warum der Grippeimpfstoff jede Saison angepasst werden muss, während andere Impfungen jahrelang schützen.

Ein Patient, dem erfolgreich ein Melanom am Rücken entfernt wurde, hat in der Arztpraxis zwei Fragen:

1. „Ich mache mir Sorgen, dass ich diese Mutation an mein neugeborenes Kind weitergegeben habe.“

2. „Da der Tumor entfernt wurde und meine Haut braun und abgehärtet ist, bin ich jetzt immun und brauche keine Sonnencreme mehr.“

Widerlege beide Aussagen mit fundierten Argumenten:

1. a) Begründe, warum sein Kind dieses Melanom nicht erben wird, und unterscheide dabei zwischen Mutationen in Körperzellen und in Keimzellen.
2. b) Erkläre, warum es biologisch falsch ist, dass sich die Haut gegen Krebs „immunisiert“. Gehe dabei auf den Zusammenhang zwischen angesammelter UV-Strahlung, Mutationen in Protoonkogenen oder Tumorsuppressorgenen und der Entgleisung des Zellzyklus ein.

Betrachte das Schema, das die genetische und zelluläre Veränderung bei der Sichelzellanämie zeigt. Stelle dir vor, bei einem Gentest werden zwei Personen mit Mutationen in demselben Codon (GAA) gefunden:

• Person A: hat eine stille Punktmutation, bei der GAA zu GAG wird (das ebenfalls Glutaminsäure codiert).

• Person B: hat die Deletion der ersten Base (das G geht verloren), wodurch das Leseraster verändert wird.

1. a) Sage begründet den Phänotyp von Person A auf Zellebene voraus und erkläre, welche Eigenschaft des genetischen Codes verhindert, dass sie eine Sichelzellanämie entwickelt.
2. b) Vergleiche die zu erwartenden zellulären und funktionellen Auswirkungen bei Person B mit dem im Schema gezeigten Fall der Sichelzellanämie. Begründe, warum die Deletion eines einzelnen Nukleotids für das Protein meist biologisch schwerwiegender ist als die dargestellte Punktmutation.

Ein Patient mit bakterieller Mandelentzündung bricht die Behandlung mit dem Antibiotikum am dritten von sieben verordneten Tagen ab, weil er kein Fieber und keine Beschwerden mehr hat. Seine Begründung lautet: „Wenn ich das Antibiotikum weiter nehme, lernen die Bakterien, es zu bekämpfen, und mutieren, um resistent zu werden; es ist besser, jetzt aufzuhören, damit ich sie nicht zum Mutieren zwinge.“

1. a) Erkenne den Denkfehler in seiner Überlegung und widerlege seine Aussage. Unterscheide dabei klar zwischen dem zufälligen, bereits vorhandenen Ursprung der Mutationen und der selektierenden Rolle des Antibiotikums.
2. b) Sage voraus, was mit der übrig gebliebenen Bakterienpopulation in seinem Rachen geschieht, wenn er die Behandlung vorzeitig abbricht, und begründe, warum dieser falsche Gebrauch zur Ausbreitung multiresistenter Stämme beiträgt.

In einem Labor werden zwei mutierte Varianten eines Gens untersucht, das ein lebenswichtiges Enzym aus 320 Aminosäuren codiert. In der mRNA lautet die normale Sequenz, die die Aminosäuren 10, 11 und 12 codiert, 5'-AUG GCU UUA-3' (Methionin-Alanin-Leucin):

• Variante 1: hat die Deletion eines einzelnen Nukleotids (das C des Codons GCU).

• Variante 2: hat die Deletion des gesamten Tripletts GCU (drei Nukleotide gehen gleichzeitig verloren).

1. a) In Variante 1 ist das neue Codon, das entsteht, wenn sich die benachbarten Nukleotide verbinden, GUU (Valin). Erkläre, was es bedeutet, dass das Leseraster verändert wurde (Rasterschubmutation), und wie sich dies ab dieser Stelle bis zum Ende des Proteins auf die Aminosäuresequenz auswirkt.
2. b) Begründe, welche der beiden Varianten mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Teil der Enzymaktivität behält und welche mit nahezu völliger Sicherheit ein funktionsloses oder vorzeitig verkürztes Protein ergibt.

Analysiere den folgenden scheinbaren medizinischen und evolutionsbiologischen Widerspruch:

1. Während der Industriellen Revolution litten Kinder dunkelhäutiger Einwandererfamilien, die in nebligen Städten Nordeuropas lebten, häufig an Rachitis (Knochenverformungen durch stark eingeschränkte Vitamin-D-Synthese).

2. Heute haben Bevölkerungsgruppen britischer Abstammung (sehr helle Haut), die in Australien leben, eine der höchsten Häufigkeiten von Melanomen und von Folatabbau im Blut durch zu viel ultraviolette Strahlung.

1. a) Widerlege anhand dieser Daten die verbreitete Vorstellung, „eine Mutation sei an sich grundsätzlich vorteilhaft oder schädlich für eine Art“.
2. b) Entwickle eine evolutionsbiologische Hypothese, die erklärt, warum Mutationen, die die Melaninsynthese verringerten, positiv selektiert wurden, als menschliche Gruppen höhere Breitengrade besiedelten. Analysiere dabei den biologischen Kompromiss zwischen dem Schutz vor UV-Strahlung und der Vitamin-D-Produktion.

In bestimmten ländlichen Gebieten Afrikas südlich der Sahara ist 25 % der erwachsenen Bevölkerung heterozygot für das Allel der Sichelzellanämie (Genotyp AS: ein normales Allel A und ein Sichelzellallel S), während homozygote Sichelzell-Träger (SS) ohne Krankenhausversorgung an einer schweren Krankheit mit hoher Sterblichkeit leiden.

1. a) Wenn das Allel S im homozygoten Zustand tödlich oder sehr schädlich ist, warum hat die natürliche Selektion es nicht aus der Population entfernt? Begründe deine Antwort, indem du die Fitness der drei möglichen Genotypen (AA, AS und SS) in einem Gebiet mit hoher Malariahäufigkeit vergleichst.
2. b) Wenn in einer abgeschiedenen Region die Malaria übertragende Mücke durch dauerhafte biologische Bekämpfung vollständig ausgerottet wird, sage begründet voraus, was in den folgenden Generationen mit der Häufigkeit des Allels S geschieht.

Um zu überprüfen, ob ein neuer Lebensmittelzusatzstoff sicher ist, führt ein Labor den Ames-Test mit Salmonella-Bakterien durch, die kein Histidin synthetisieren können (Stamm his⁻). Sie können sich in einem Medium ohne diese Aminosäure nicht teilen, es sei denn, sie erfahren eine Mutation, die den Gendefekt rückgängig macht.

Dieselbe Bakterienzahl wird auf drei Kulturplatten mit histidinfreiem Medium ausgebracht, und nach 48 Stunden ergeben sich folgende Ergebnisse:

• Platte 1 (Kontrolle: Bakterien his⁻ + destilliertes Wasser): 3 Kolonien wachsen.

• Platte 2 (Bakterien his⁻ + Zusatzstoff in niedriger Konzentration, 0,1 %): 4 Kolonien wachsen.

• Platte 3 (Bakterien his⁻ + Zusatzstoff in hoher Konzentration, 5 %): 395 Kolonien wachsen.

1. a) Interpretiere die Daten: Warum wachsen auf Platte 1 einige Kolonien, obwohl weder Histidin noch Zusatzstoff vorhanden ist? Was sagt das Ergebnis von Platte 3 über die Wirkung des Zusatzstoffs auf die bakterielle DNA aus?
2. b) Begründe, warum ein positives Ergebnis bei Bakterien die Gesundheitsbehörden dazu veranlasst, die Verwendung dieses Stoffs in Lebensmitteln für den menschlichen Verzehr abzulehnen oder einzuschränken, und erkläre den biologischen Zusammenhang zwischen mutagener Wirkung und Krebsrisiko.

Einer Patientin mit einem soliden Tumor wird eine fraktionierte Strahlentherapie verordnet (berechnete Dosen ionisierender Strahlung, die über 5 Wochen täglich verabreicht werden, mit Pausen am Wochenende), anstatt eine einzige massive Bestrahlung durchzuführen.

1. a) Löse das scheinbare medizinische Paradoxon: Wie kann Strahlung (ein mutagener Faktor, der Krebs auslösen kann) zur Behandlung und Beseitigung eines Tumors eingesetzt werden? Stütze deine Erklärung auf die Zellteilungsrate, die Anhäufung letaler DNA-Schäden und die Auslösung der Apoptose.
2. b) Begründe biologisch, warum die Strahlentherapie in fraktionierten Dosen mit regelmäßigen Pausen verabreicht wird. Vergleiche dabei die Fähigkeit der Kontrollpunkte und der DNA-Reparatursysteme in den umliegenden gesunden Zellen mit der in den Tumorzellen.

Herausforderung zum Thema. Stelle dir vor, du arbeitest für eine Behörde für Lebensmittelsicherheit und sollst eine vorläufige Bewertung einer pflanzlichen Haushaltsprobe durchführen. Du löst diesen Fall mit einem kurzen biologisch-forensischen Bericht in vier Phasen:

1. Extraktion und Messung: Extrahiere die DNA aus $100\text{ g}$ Tomate oder Banane mit Salz, Spülmittel und sehr kaltem Alkohol mit $96\,\%$. Miss mit einem Lineal mit Millimeterskala die Höhe der ausgefällten schleimigen Phase (notiere deinen Wert, z. B. $0,6\text{ cm}$) und erkläre die physikalisch-chemische Funktion jedes Reagenzes.

2. Genexpression: Schreibe ausgehend von der Matrizensequenz $3'\text{-TAC\,TTC\,AAA\,ACT-}5'$ das komplementäre mRNA-Molekül und leite mithilfe des genetischen Codes die entsprechende Peptidsequenz ab. Nenne dabei zwei strukturelle Unterschiede zwischen DNA und RNA.

3. Mutation in Datenbanken: Verändere die obige Matrizensequenz, indem du ihre vierte Base, vom $3'$-Ende aus gezählt, durch Adenin ersetzt. Rufe das offizielle wissenschaftliche Portal NCBI (Gene database) auf, um ein Beispiel für eine Punktmutation zu suchen, und klassifiziere die simulierte Mutation nach ihrer Wirkung auf das entstehende Protein.

4. Biologisch-forensisches Gutachten: Verfasse einen begründeten Vorschlag, der unterscheidet, was die Ausbeute des Extrakts anzeigt (ungefähre Menge des gewonnenen Materials, die vor allem vom Gewebe und vom Verfahren abhängt), und welche phänotypischen Folgen Mutationen bei Nutzpflanzen haben. Gib an, welche Analysen (Vergleich von Sequenzen oder Markern mit einer Referenzprobe) nötig wären, um Echtheit und genetische Stabilität zu überprüfen.

Bewertet wird:

• Sorgfalt im häuslichen experimentellen Vorgehen und genaue Ermittlung des Messwerts.

• Genauigkeit bei der Modellierung von Transkription, Translation und der Einordnung der Mutation.

• Schlüssige naturwissenschaftliche Argumentation, die Molekülstruktur, Genexpression und Phänotyp verbindet.