Teil B – Stickstoffkreislauf, Genetik
Hinweis: Von den nachfolgenden Aufgabenteilen B1 und B2 soll in der Prüfung nur einer bearbeitet werden. Es können insgesamt 30 BE erreicht werden.
Ist dies erfolgt, werden im Bakterium nod-Gene aktiviert. Durch die entstehenden Genprodukte, die Nod-Faktoren, krümmen sich die Wurzelhaarspitzen ein und die Zellwände werden teilweise aufgelöst. Die Bakterien können in die Pflanze eindringen.
Anschließend bilden sie einen Infektionsschlauch, der die Zellwände der Rhizodermis und der Wurzelrinde durchwächst.
Die Nod-Faktoren der Rhizobien lösen jetzt die Synthese von zwei Pflanzenproteinen, Nodulin und Leghämoglobin, aus. Das Nodulin verursacht eine Vergrößerung und Vervielfachung der Rindenzellen und induziert so die Knöllchenbildung. Leghämoglobin bindet Sauerstoff und färbt das bakteriengefüllte Knöllchengewebe rot. Es dient vor allem dem Sauerstofftransport zur Endoxidation der Bakterien. Außerdem verringert es die Konzentration an ungebundenem Sauerstoff und verhindert so die irreversible Hemmung von Nitrogenase. Material 3: Wurzelknöllcheninduktion bei Schmetterlingsblütengewächsen
Material 4: Stammbaum einer Familie mit Tay-Sachs-Syndrom
Ganglioside sind Glykolipide, die in der äußeren Schicht von Cytoplasmamembranen des Nervengewebes vorkommen. In der sich ständig erneuernden Cytoplasmamembran werden Ganglioside kontinuierlich abgebaut und neu synthetisiert, um spezifische Zellkontakte auszubilden.
Der Gangliosid-Abbau findet in den Lysosomen durch spezifische Enzyme, z. B. den Hexosaminidasen, statt. Das Tay-Sachs-Syndrom ist eine erblich bedingte Fettstoffwechselstörung. Dabei wird aufgrund eines Defekts am HEXA-Gen kein oder sehr wenig Enzym Hexosaminidase A gebildet, wodurch es zum Anstieg der Gangliosid-Konzentration in den Zellen kommt. Diese Akkumulation bewirkt zunächst eine Aufblähung der Zellen und später den Abbau der Markscheiden (Demyelinisierung).
Symptome des Tay-Sachs-Syndroms sind eine Reduktion der erworbenen kognitiven Fähigkeiten, Lähmungen und Spastiken sowie eine Erblindung aufgrund fortschreitender Demyelinisierung am Sehnerv. Material 5: Gangliosidstoffwechsel sowie Ursachen und Symptome des Tay-Sachs-Syndroms Für das Prime Editing wird eine sogenannte Guide-RNA gentechnisch synthetisiert und in den Zellkern eingeschleust. Diese Guide-RNA steuert zum einen zielgenau eine Stelle im Erbgut an, zum anderen enthält sie die Information für die gewünschte DNA-Veränderung. Die Guide-RNA ist mit dem Cas9-Enzym verbunden, das an der Zielregion einen der beiden DNA-Stränge schneidet. Ein weiteres beteiligtes Enzym ist die Reverse Transkriptase, welche RNA in DNA umschreibt. Durch diese reverse Transkription wird die gewünschte DNA-Sequenz direkt am Zielort eingefügt. Somit entsteht ein editierter DNA-Strang. Abschließend wird der nun nicht mehr komplementäre zweite DNA-Strang angepasst. Dazu schneidet das Cas9-Enzym an diesem Strang die entsprechende Sequenz heraus. Der herausgeschnittene Bereich wird durch zelleigene Mechanismen repariert. Dabei dient der editierte DNA-Bereich als Matrize. Am Ende liegt ein korrigierter Abschnitt der DNA vor. Material 6: Prime-Editing-Verfahren
Aufgabe B1:
Eine der artenreichsten Pflanzenfamilien ist die Familie der Schmetterlingsblütengewächse (Fabaceae). Pflanzen dieser Familie gehen mit Knöllchenbakterien (Rhizobium trifolii) eine besondere Vergesellschaftungsform ein. Diese interspezifische Beziehung führt zur Bildung von Knöllchen an den Wurzeln der Schmetterlingsblütengewächse. Die Pflanze versorgt die dort lebenden Bakterien mit organischen Stoffen. Knöllchenbakterien besitzen die Fähigkeit, atmosphärischen Stickstoff zu binden, indem sie diesen zu Ammonium-Ionen reduzieren und damit für Pflanzen biologisch verfügbar machen. Dazu wird das Enzym Nitrogenase benötigt, welches in hohem Maße sauerstoffempfindlich ist. Bereits bei geringer Sauerstoffkonzentration wird es irreversibel gehemmt. Damit sich durch das Bakterium Rhizobium trifolii Knöllchen an den Wurzeln des Weißklees (Trifolium repens) entwickeln können, müssen verschiedene Prozesse ineinandergreifen. Trifolium repens scheidet über die Wurzeln verschiedene Phenole aus, die als Signalmoleküle zum Anlocken der Bakterien dienen. Gleichzeitig bildet der Weißklee kohlenhydratbindende Proteine, die Lektine. Bakterienzellen stellen spezifische Adhäsionsproteine, zum Beispiel das Rhicadhesin her. Beide Stoffe sind für das Anheften der Bakterienzellen an die Wurzelzellen notwendig.Ist dies erfolgt, werden im Bakterium nod-Gene aktiviert. Durch die entstehenden Genprodukte, die Nod-Faktoren, krümmen sich die Wurzelhaarspitzen ein und die Zellwände werden teilweise aufgelöst. Die Bakterien können in die Pflanze eindringen.
Anschließend bilden sie einen Infektionsschlauch, der die Zellwände der Rhizodermis und der Wurzelrinde durchwächst.
Die Nod-Faktoren der Rhizobien lösen jetzt die Synthese von zwei Pflanzenproteinen, Nodulin und Leghämoglobin, aus. Das Nodulin verursacht eine Vergrößerung und Vervielfachung der Rindenzellen und induziert so die Knöllchenbildung. Leghämoglobin bindet Sauerstoff und färbt das bakteriengefüllte Knöllchengewebe rot. Es dient vor allem dem Sauerstofftransport zur Endoxidation der Bakterien. Außerdem verringert es die Konzentration an ungebundenem Sauerstoff und verhindert so die irreversible Hemmung von Nitrogenase. Material 3: Wurzelknöllcheninduktion bei Schmetterlingsblütengewächsen
1
Fertige auf unliniertem Papier eine beschriftete Übersichtszeichnung eines Wurzelquerschnitts an.
Kennzeichne die Bereiche, in denen Rhizobium trifolii lebt.
Kennzeichne die Bereiche, in denen Rhizobium trifolii lebt.
05 BE
2
Vergleiche in einer Tabelle den Bau einer Assimilationszelle von Trifolium repens mit dem Bau von Rhizobium trifolii anhand von vier Kriterien.
Ziehe eine Schlussfolgerung bezüglich der jeweiligen Assimilationsform.
Ziehe eine Schlussfolgerung bezüglich der jeweiligen Assimilationsform.
06 BE
3
Stelle in einem Fließschema den natürlichen Stickstoffkreislauf dar.
Ordne Trifolium repens sowie Rhizobium trifolii in diesen Kreislauf ein.
Ordne Trifolium repens sowie Rhizobium trifolii in diesen Kreislauf ein.
05 BE
4
Erläutere die Vergesellschaftungsform zwischen Knöllchenbakterien und Schmetterlingsblütengewächsen.
03 BE
5
Erstelle mithilfe von Material 3 ein Fließschema zur Knöllchenbildung bei Schmetterlingsblütengewächsen.
07 BE
6
Begründe die Bedeutung von Leghämoglobin für die Bakterienzelle.
04 BE
30 BE
Aufgabe B2:
Im Jahr 2019 wurde das an der Harvard Universität Cambridge (USA) entwickelte Verfahren Prime Editing vorgestellt. Mit diesem Verfahren können Zielsequenzen im Genom von Organismen präzise angesteuert und verändert werden. Theoretisch könnten mit Prime Editing etwa 90 % der genetischen Ursachen von Erbkrankheiten korrigiert werden. Die praktische Erprobung erfolgte bisher nur in Zellkulturen. Beispielsweise wurde eine Mutation auf dem menschlichen Chromosom 15, die zur Ausbildung des Tay-Sachs-Syndroms führt, durch Umschreiben der DNA unwirksam gemacht.
Der Gangliosid-Abbau findet in den Lysosomen durch spezifische Enzyme, z. B. den Hexosaminidasen, statt. Das Tay-Sachs-Syndrom ist eine erblich bedingte Fettstoffwechselstörung. Dabei wird aufgrund eines Defekts am HEXA-Gen kein oder sehr wenig Enzym Hexosaminidase A gebildet, wodurch es zum Anstieg der Gangliosid-Konzentration in den Zellen kommt. Diese Akkumulation bewirkt zunächst eine Aufblähung der Zellen und später den Abbau der Markscheiden (Demyelinisierung).
Symptome des Tay-Sachs-Syndroms sind eine Reduktion der erworbenen kognitiven Fähigkeiten, Lähmungen und Spastiken sowie eine Erblindung aufgrund fortschreitender Demyelinisierung am Sehnerv. Material 5: Gangliosidstoffwechsel sowie Ursachen und Symptome des Tay-Sachs-Syndroms Für das Prime Editing wird eine sogenannte Guide-RNA gentechnisch synthetisiert und in den Zellkern eingeschleust. Diese Guide-RNA steuert zum einen zielgenau eine Stelle im Erbgut an, zum anderen enthält sie die Information für die gewünschte DNA-Veränderung. Die Guide-RNA ist mit dem Cas9-Enzym verbunden, das an der Zielregion einen der beiden DNA-Stränge schneidet. Ein weiteres beteiligtes Enzym ist die Reverse Transkriptase, welche RNA in DNA umschreibt. Durch diese reverse Transkription wird die gewünschte DNA-Sequenz direkt am Zielort eingefügt. Somit entsteht ein editierter DNA-Strang. Abschließend wird der nun nicht mehr komplementäre zweite DNA-Strang angepasst. Dazu schneidet das Cas9-Enzym an diesem Strang die entsprechende Sequenz heraus. Der herausgeschnittene Bereich wird durch zelleigene Mechanismen repariert. Dabei dient der editierte DNA-Bereich als Matrize. Am Ende liegt ein korrigierter Abschnitt der DNA vor. Material 6: Prime-Editing-Verfahren
1
Fertige auf unliniertem Papier eine beschriftete schematische Zeichnung der Cytoplasmamembran einer tierischen Zelle an.
05 BE
2
Begründe mit Hilfe von Material 4 die Vererbung des Tay-Sachs-Syndroms durch Ausschluss anderer Erbgänge. Gib für die Personen 4, 5 und 8 alle möglichen Genotypen an.
06 BE
3
Begründe unter Einbeziehung von Material 5 die fortschreitende Erblindung beim Tay-Sachs-Syndrom.
04 BE
4
Beschreibe die im Zellkern stattfindenden Prozesse der Realisierung der Erbinformation des HEXA-Gens bis zur mRNA.
07 BE
5
Stelle in einem Fließschema das Prime-Editing-Verfahren dar.
06 BE
6
Nenne je einen Vorteil und einen Nachteil des Prime-Editing-Verfahrens.
02 BE
30 BE
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1
Wurzelquerschnitt:
2
Assimilationszellen bei Trifolium repens im Vergleich mit dem Bau von Rhizobium trifolii:
3
Der natürliche Stickstoffkreislauf:
4
Vergesellschaftungsform zwischen Knöllchenbakterien und Schmetterlingsblütengewächsen:
Bei der interspezifischen Beziehung zwischen Knöllchenbakterien und Schmetterlingsblütengewächsen versorgt die Pflanze das Bakterium mit organischen Stoffen wie Zucker aus der Photosynthese. Im Gegenzug erhält die Pflanze den von den Bakterien fixierten Luftstickstoff in Form von Ammonium. Von der Beziehung profitieren beide Partner, und es handelt sich damit um eine Symbiose zwischen Knöllchenbakterien und Schmetterlingsblütengewächsen.
5
Knöllchenbildung bei Schmetterlingsblütengewächsen:
Ausscheidung von Phenolen über die Wurzeln von Trifolium repens und Bildung von Lektinen 
Anheften der Bakterien an die Wurzelzellen mittels spezifischer Adhäsionsproteine (Rhicadhesin) Aktivierung der nod-Gene im Bakterium Expression der nod-Faktoren Krümmung der Wurzelhaarspitze und Auflösung der Zellwände bei Trifolium repens Eindringen der Bakterien in die Wurzelzellen Ausbildung eines Infektionsschlauches Synthese von Nodulin und Leghämoglobin Knöllchenbildung.
6
Bedeutung von Leghämoglobin für die Bakterienzelle:
Leghämoglobin ist in der Lage, Sauerstoff reversibel zu binden. Es sorgt dafür, dass in den Bakterien stets eine geringe Konzentration an ungebundenem Sauerstoff vorherrscht. Dies ist essenziell für die Funktion der sauerstoffempfindlichen Nitrogenase. Gleichzeitig ist Leghämoglobin für den kontrollierten Sauerstofftransport verantwortlich, um genügend Sauerstoff zur Energiegewinnung durch Atmung bereitzustellen.
Lösung B2:
1
Cytoplasmamembran einer tierischen Zelle:
2
Vererbung des Tay-Sachs-Syndroms:
- Person 9 ist trotz gesunder Eltern von der Krankheit betroffen. Die Eltern müssen Träger sein. Da sie aber selbst nicht betroffen sind, kann der Erbgang nicht dominant sein.
- Da sowohl Männer als auch Frauen betroffen sind, wird die Krankheit nicht gonosomal vererbt.
- Der Erbgang muss daher autosomal-rezessiv verlaufen.
- Der Genotyp AA beschreibt eine gesunde Person. Personen mit Genotyp Aa sind erkrankt, aber nicht selbst betroffen, und Personen mit dem Genotyp aa sind von der Krankheit betroffen.
- Person 4 kann entweder den Genotyp Aa oder AA haben.
- Person 5 ist von der Krankheit betroffen, und muss daher den Genotyp aa besitzen.
- Person 8 ist gesund, mit dem Genotyp Aa allerdings Träger des mutierten Allels.
3
Erblindung beim Tay-Sachs-Syndrom:
Beim Tay-Sachs-Syndrom ist das HEXA-Gen defekt, wodurch dessen Genprodukt – das Enzym Hexosaminidase A – nur in sehr geringen Mengen oder gar nicht hergestellt werden kann. Dies hat zur Folge, dass Ganglioside in der Cytoplasmamembran von Nervenzellen nicht mehr abgebaut werden können. Steigt die Gangliosidkonzentration an, so kommt es zu einer Aufblähung der Zellen und anschließend zum Abbau der Myelinscheiden. Die Folgen der Demyelinisierung sind dabei erheblich. Fehlt die Markschicht, so sind die Zellen des Nervengewebes nicht ausreichend gegen den Extrazellularraum isoliert. Aktionspotenziale werden nur sehr langsam oder gar nicht mehr durch die Axone weitergeleitet. Ist dies der Fall, so ist die Kommunikation zwischen dem peripheren Nervensystem und dem Zentralnervensystem gestört. Bei einer Schädigung des Sehnervs können aufgenommene Signale nicht an das Gehirn weitergeleitet werden, und es kommt zu einer fortschreitenden Erblindung.
Beim Tay-Sachs-Syndrom ist das HEXA-Gen defekt, wodurch dessen Genprodukt – das Enzym Hexosaminidase A – nur in sehr geringen Mengen oder gar nicht hergestellt werden kann. Dies hat zur Folge, dass Ganglioside in der Cytoplasmamembran von Nervenzellen nicht mehr abgebaut werden können. Steigt die Gangliosidkonzentration an, so kommt es zu einer Aufblähung der Zellen und anschließend zum Abbau der Myelinscheiden. Die Folgen der Demyelinisierung sind dabei erheblich. Fehlt die Markschicht, so sind die Zellen des Nervengewebes nicht ausreichend gegen den Extrazellularraum isoliert. Aktionspotenziale werden nur sehr langsam oder gar nicht mehr durch die Axone weitergeleitet. Ist dies der Fall, so ist die Kommunikation zwischen dem peripheren Nervensystem und dem Zentralnervensystem gestört. Bei einer Schädigung des Sehnervs können aufgenommene Signale nicht an das Gehirn weitergeleitet werden, und es kommt zu einer fortschreitenden Erblindung.
4
Realisierung der Erbinformation:
- Bei der Transkription wird die DNA in eine mRNA umgeschrieben. Es wird dabei nicht die gesamte DNA umgeschrieben, sondern nur ein kleiner Teil, der gerade für die Herstellung eines bestimmten Proteins (wie der Hexosaminidase A) benötigt wird.
- Initiation: Die DNA-Polymerase lagert sich an den DNA Doppelstrang an. Sie läuft so lange die Basenpaare entlang, bis sie auf eine Promotorsequenz stößt. Hier beginnt die Entwindung der beiden DNA-Stränge und die eigentliche Transkription.
- Elongation: Der Matrizenstrang wird in 3'
- Termination: Gelangt die DNA-Polymerase an die Terminatorregion, so wird die Transkription gestoppt, und die Polymerase löst sich vom Matrizenstrang. Die beiden DNA-Stränge werden wieder zu einer Doppelhelix verknüpft.
- Die mRNA befindet sich nun im Zellkern und wird dort gespleißt. Dabei werden die nicht codierenden Introns entfernt und es entsteht eine reife mRNA.
5
Prime-Editing-Verfahren:
Synthese einer Guide-RNA Einschleusen dieser Guide-DNA in den Zellkern Schneiden eines DNA-Stranges an der Zielregion mithilfe des angelagerten CAS9-Enzyms Umschreiben der eingefügten RNA in DNA durch Reverse Transkriptase Ausschneiden des nun nicht mehr komplementären, anderen DNA-Stranges durch CAS9 Reparatur des fehlenden DNA-Stückes durch zelleigene Mechanismen Entstehung eines editierten DNA-Stranges.
Synthese einer Guide-RNA
6
Vor- und Nachteile des Prime-Editing-Verfahrens:
- Vorteil: Durch das Prime-Editing-Verfahren kann die DNA direkt am Zielort verändert werden, wobei das CAS9-Enzym sehr präzise arbeitet.
- Nachteil: Die zelleigene Reparatur des ausgeschnittenen DNA-Stranges funktioniert nicht in allen Zelltypen, und ist anfällig für Fehler.