Beschreibe den Ablauf der Translation bei Prokaryoten.

Prüfe anhand des Stammbaums der von BMD betroffenen Familie (Abbildung 1.1), ob ein rezessiver oder dominanter Erbgang vorliegt. Ermittle die Wahrscheinlichkeit für einen gesunden Sohn bzw. eine gesunde Tochter des Elternpaars 1 und 2. (Material 1)

Zeige anhand von Person 10 des Stammbaums der von FSHD betroffenen Familie (Abbildung 1.2), dass theoretisch zwei Vererbungsmodi möglich sind. Ordne den Personen 8 und 9 alle möglichen Genotypen zu und gib die Bedeutung der von dir verwendeten Symbole an. (Material 1)

Gib die mRNA- und die Aminosäuresequenzen zu den DNA-Abschnitten aller Personen an. (Material 2)

Ermittle den jeweiligen Mutationstyp von Person B und Person D in Material 2. Stelle jeweils die möglichen Auswirkungen der Mutation auf die Struktur des Dystrophin-Proteins dar und erkläre das unterschiedliche Ausmaß der Symptome bei DMD- und BMD-Patienten. (Material 1 und 2)

Beschreibe die in den Abbildungen 3.1 und 3.2 gezeigten Vorgänge in einer Muskelzelle bei gesunden Personen während der Muskelkontraktion. Erläutere mithilfe der Abbildungen 3.3 und 3.4 die Konsequenzen für die Muskelzelle bei Personen mit DMD. (Material 3)

Beschreibe die Erregungsübertragung an einer erregenden Glutamat führenden Synapse. (Material 4)

Vergleiche die Ionenströme durch die postsynaptischen Membranen der beiden Maustypen und entwickle zu jeder in Material 5 formulierten Hypothese eine Erklärung für den veränderten Ionenstrom bei mdx-Mäusen. (Material 4 und 5)

Fasse die Versuchsergebnisse aus Material 6 zusammen und deute die Ergebnisse. (Material 5 und 6)

Translation bei Prokaryoten: Bei Prokaryoten kann die Translation bereits beginnen, während die Transkription noch läuft. Das liegt daran, dass Prokaryoten keinen Zellkern haben, und daher keine räumliche und zeitliche Trennung, wie bei Eukaryoten, stattfinden muss. Der grundsätzliche Ablauf aus Initiation, Elongation und Termination ist identisch.

• Initiation: Das Ribosom fährt an der mRNA-Sequenz entlang, bis es auf das Startcodon trifft. Das Start-Codon befindet sich nun an der sogenannten P-Stelle des Ribosoms. Daran bindet eine passende tRNA, die ein Anti-Codon besitzt, das komplementär zum Codon auf der mRNA ist. Jedes Anti-Codon steht dabei für eine bestimmte Aminosäure. Die tRNA trägt diese Aminosäure am oberen Ende. Nun lagert sich eine weitere tRNA an die freie A-Stelle an.
• Elongation: Die Aminosäure der tRNA in der P-Stelle hängt sich daraufhin an die Aminosäure der tRNA in der A-Stelle an. Das Ribosom wandert ein Triplett weiter. Damit befindet sich die erste tRNA an der E-Stelle und löst sich vom Ribosom. In die freie A-Stelle kann sich jetzt eine neue tRNA anlagern. Die tRNA mit der wachsenden Aminosäurekette befindet sich damit in der P-Stelle. Von dort aus können die Aminosäuren wieder zur tRNA an der A-Stelle wandern. Dieser Prozess wiederholt sich immer wieder, und die Polypeptidkette wächst.
• Termination: Trifft das Ribosom auf ein Stopp-Codon, löst sich die Polypeptidkette von der tRNA. Sie wird ins Cytoplasma freigegeben, und faltet sich dort in ihre dreidimensionale Protein-Struktur.

Analyse des Erbgangs bei der BMD-betroffenen Familie:

• Der Stammbaum zeigt, dass zwei phänotypisch nicht betroffene Eltern erkrankte Kinder haben. Dieses Muster kann nur bei einem rezessiven Erbgang auftreten. Wäre der Erbgang dominant, so müssten mindestens ein Elternteil auch betroffen sein, damit die Krankheit bei den Kindern ausgeprägt wird.
• Es sind nur Männer von der Krankheit betroffen. Damit ist der Erbgang X-chromosomal. Die Mutter (1) muss Konduktorin sein, und ihr betroffenes X-Chromosom an die betroffenen Söhne weitergeben. Der Vater muss gesund sein, da er nur ein X-Chromosom besitzt, und die Krankheit auch ausprägen müsste, wenn dieses X-Chromosom betroffen wäre.
• Die Wahrscheinlichkeit, dass eine gesunde Tochter geboren wird, liegt bei 100 %, da sie maximal ein defektes X-Chromosom der Mutter erbt. Das andere X-Chromosom vom Vater ist nicht betroffen. Allerdings besteht eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass die Tochter Konduktorin ist. Dabei besitzt sie ein betroffenes X-Chromosom, prägt die Krankheit aber selbst nicht aus.
• Die Wahrscheinlichkeit für einen gesunden Sohn beträgt 50 %, da er entweder gesunde oder betroffene X-Chromosom der Mutter erbt. Da er nur ein X-Chromosom erbt, kann ein erkranktes Chromosom nicht mit einem gesunden kompensiert werden.

Theoretisch sind zwei Vererbungsmodi für FSHD möglich: der gonosomal-dominante und der autosomal-dominante Erbgang. Rezessive Erbgänge können ausgeschlossen werden, da die Eltern 5 und 6 in diesem Fall beide homozygot betroffen sind, und kein gesundes Kind (10) haben können.

1. Autosomal-dominanter Erbgang:
   Person 8: Aa oder AA
   Person 9: Aa oder AA
   Es ist A: betroffenes Allel; a: gesundes Allel
2. Gonosomal-dominanter Erbgang:
   Person 8: XX oder Xx
   Person 9: Xy
   Es ist X: betroffenes X-Chromosom; x: gesundes X-Chromosom; Y: betroffenes Y-Chromosom; y: gesundes Y-Chromosom

mRNA- und Aminosäuresequenzen der Personen (Material 2):

• Person A (gesund):
  mRNA-Sequenz: CUU ACC GAC UGG
  Aminosäuresequenz: Leu-Thr-Asp-Trp
• Person B (DMD-Patient): mRNA-Sequenz: CUU CCG ACU GGC
  Aminosäuresequenz: Leu-Pro-Thr-Gly
• Person C (gesund):
  mRNA-Sequenz: AAC CGC GGU GAC
  Aminosäuresequenz: Asn-Arg-Gly-Asp
• Person D (BMD-Patient):
  mRNA-Sequenz: AAC CAC GGU GAC
  Aminosäuresequenz: Asn-His-Gly-Asp

Mutationstypen und ihre Auswirkungen bei BMD und DMD (Material 2):

• Person B: Es handelt sich um eine Deletion einer Base, die eine Leserastermutation hervorruft. Bei der gesunden Person A befindet sich an der ersten Stelle von Triplett Nummer 2483 die Base Thymin. Bei der erkrankten Person B fehlt sie, und das Leseraster verschiebt sich um eine Position nach links. Ab dieser Stelle werden daher andere Aminosäuren in die Polypeptidkette eingebaut, als bei der gesunden Person. Da verschiedene Aminosäuren unterschiedliche Wechselwirkungen aufweisen, entsteht ein komplett anderes Protein, als bei gesunden Personen. Vermutlich kann das mutierte Dystrophin-Protein seine ursprüngliche Funktion nicht mehr ausführen.
• Person D: Hier liegt eine Basensubstitution vor, die zu einer Missense-Mutation führt. In Triplett Nummer 1745 wurde durch eine Punktmutation die Base Cytosin mit Thymin substituiert. Infolgedessen codiert dieses Triplett nicht mehr für Arg, sondern für His. Da die Mutation nut ein Triplett betrifft, bleiben die anderen Aminosäuren unverändert. Die Mutation führt dennoch zu einer Veränderung der Struktur und damit zur Beeinträchtigung der Proteinfunktion.

Unterschiedliches Ausmaß der Erkrankungen: In beiden Fällen ist ein Teil der DNA-Sequenz des Dystrophin-Gens mutiert. Im Fall der DMD ist ab einem gewissen Punkt die komplette Aminosäurenkette verändert. Faltet sich das Protein dann in seine endgültige räumliche Konformation, sorgen die abweichenden Aminosäuren für veränderte Wechselwirkungen, was in einer veränderten Struktur resultiert. Es kann passieren, dass das Protein dadurch nicht mehr oder nur in sehr geringem Maße mit seinen ursprünglichen Bindungspartnern interagieren kann. Im Gegensatz dazu ist bei der BMD nur eine Aminosäure in der Kette verändert. Das hat zwar auch Auswirkungen auf die Struktur und mögliche Interaktionen, allerdings in einem geringeren Maße, da der Hauptteil des Proteins identisch zu dem von gesunden Personen ist. Die Symptomatik ist daher bei der DMD entsprechend schwerer als bei der BMD.

Muskelfunktion bei gesunden Personen: In einem entspannten Zustand ist das an den Proteinkomplex gebundene Dystrophin entspannt. An seinem anderen Ende ist es mit einer der beiden Z-Scheibe eines Sarkomers verbunden. Die Z-Scheiben sind wiederum an den Proteinkomplex P₂ gekoppelt. Dieser ist mit dem Komplex P₁ verbunden, der wie DG in der Membran verankert ist. Bei der Sarkomer-Aktivierung verkürzen sich die Sarkomere, was zu einer Spannung der Membran führt. Dabei wird auch das an DG und die Z-Scheibe gekoppelte Dystrophin wie eine Feder gespannt, und der Muskel kontrahiert vollständig. Konsequenzen für die Muskelzelle bei Personen mit DMD:

Bei einer Person mit DMD fehlt das Dystrophin-Protein. Während der Kontraktion ist die mechanische Spannung der Membran höher, da sie nicht zum Teil von Dystrophin getragen wird. Eine vollständige Kontraktion belastet die Membran so sehr, dass sie reißt.

Die Folge für die betroffenen Patienten ist eine fortschreitende Muskeldegeneration, da bei jeder Muskelkontraktion Muskelzellen durch das Reißen der Membran absterben. Ohne die Kontraktion von Muskeln können diese auch nicht aufgebaut werden. In Kombination mit dem Abbau der abgestorbenen Zellen führt das zu einem Verlust der Muskelmasse.

Erregungsübertragung an einer Glutamat führenden Synapse: Die Erregungsübertragung an einer Glutamat führenden Synapse beginnt mit der Ankunft eines Aktionspotentials an der präsynaptischen Membran. Dieses Aktionspotential öffnet spannungsabhängige Calciumkanäle, sodass Calcium-Ionen in die präsynaptische Zelle einströmen. Die erhöhte Calciumkonzentration führt zur Fusion von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran. Dadurch wird der Neurotransmitter Glutamat in den synaptischen Spalt freigesetzt. Glutamat bindet an Glutamatrezeptoren in der postsynaptischen Membran. Die Bindung öffnet Natriumkanäle, sodass Na⁺-Ionen in die postsynaptische Zelle einströmen und dort eine Depolarisation auslösen. Glutamat wird durch den Glutamat-Transporter EAAT aus dem synaptischen Spalt entfernt, und wieder in die Synapse aufgenommen. Über vesikuläre Glutamat-Transporter (VGLUT) wird Glutamat wieder in Vesikel verpackt.

Vergleich der Ionenströme in der postsynaptischen Membran: In der Abbildung ist die relative Stärke des Natrium-Ioneneinstroms durch die postsynaptische Membran gegen die Zeit aufgetragen. Es lässt sich erkennen, das sich die Kurven im Verlauf ähneln. Die Dauer des Einstroms ist identisch, allerdings unterscheidet sich die maximale Stärke des Natrium-Ioneneinstroms. Während bei Wildtyp-Mäusen ein starker Natriumeinstrom gemessen wird, ist der Ioneneinstrom bei mdx-Mäusen um etwa 50 % reduziert. Hypothesen zur Rolle von DP-140: A) Diese Hypothese besagt, dass DP-140 an der Bildung von synaptischen Vesikeln beteiligt ist. Ohne DP-140 könnte die Anzahl der freigesetzten Glutamat-Moleküle reduziert sein, da weniger Vesikel gebildet werden. Das führt zu einer geringeren Aktivierung postsynaptischer Rezeptoren, und damit zu einem verringerten Natrium-Ioneneinstrom. B) Hypothese B geht davon aus, dass DP-140 die Funktion von Glutamat-Transportern wie VGLUT unterstützt. Ein Mangel an DP-140 könnte die Wiederaufnahme von Glutamat in die Vesikel stören. Dadurch würde weniger Glutamat in den synaptischen Spalt entlassen, und weniger Natrium-Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran geöffnet. Daher ist der Natrium-Ioneneinstrom schwächer. C) Diese Hypothese besagt, dass DP-140 direkt die Öffnung von Natrium-Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran beeinflusst. Ein Mangel an DP-140 könnte dazu führen, dass weniger Natrium-Ionenkanäle öffnen, und dadurch die Depolarisation abgeschwächt wird.

Zusammenfassung und Deutung der Versuchsergebnisse:

In dem Morris-Wasserlabyrinth-Versuch wurden die Orientierungsfähigkeiten von Wildtyp-Mäusen (mit DP-140) und mdx-Mäusen (ohne DP-140) untersucht. Ziel war es, die Auswirkungen des fehlenden DP-140 auf kognitive Leistungen und Gedächtnis zu bewerten.

Abbildung 6.2 zeigt, dass Wildtyp-Mäuse die versteckte Plattform schneller finden und sich besser an deren Position erinnern können. Dabei ist die geschwommene Distanz in Metern auf der y-Achse und die Tage an denen das Experiment durchgeführt wurde auf der x-Achse dargestellt. Zu Beginn des Experiments gleichen sie die zurückgelegten Distanzen nahezu. Ab dem vierten Tag lassen sich jedoch stärkere Unterschiede in den beiden Gruppen beobachten. Während bei den Wildtypmäusen die Distanz über den gesamten Zeitraum abnimmt, ist die Abnahme bei den mdx-Mäusen zunächst schwächer. Ab Tag sechs steigt die Distanz sogar wieder. Es ist davon auszugehen, dass Wildtyp-Mäuse recht schnell lernten, den visuellen Hinweis am Beckenrand als Orientierungshilfe zu nutzen. Dadurch fanden sie die Platform mit zunehmender Zeit immer schneller. Mäuse ohne DP-140 benötigen mehr Zeit, um die Plattform zu finden, und zeigen ein weniger zielgerichtetes Schwimmverhalten. Das deutet auf eine beeinträchtigte räumliche Orientierung und Gedächtnisleistung hin.

Interpretation der Ergebnisse:

Das fehlende DP-140 scheint die Funktion der Amygdala und des Hippocampus zu beeinflussen, die für Gedächtnis und räumliche Orientierung entscheidend sind. Ohne DP-140 ist die synaptische Übertragung von Glutamat gestört, was zu kognitiven Defiziten durch eine schlechtere Signalweiterleitung führt.

Die Ergebnisse unterstreichen, dass Dystrophin nicht nur für die Stabilität der Muskeln, sondern auch für die neuronale Funktion essenziell ist. Das erklärt, warum Patienten mit DMD häufig auch Lern- und Gedächtnisschwierigkeiten zeigen.