Leite anhand des Stammbaums in Abbildung 1 den wahrscheinlichen Erbgang des Okulären Albinismus Typ 1 (OA1) ab, indem du andere Erbgänge begründet ausschließt (Material A). Ermittle die möglichen Genotypen der Personen 1, 2, 4, 7 und 15 (Material A).

Beschreibe Verteilung und Aufgaben der Lichtsinneszellen in der Netzhaut des Menschen. Vergleiche die in Abbildung 2 dargestellten Daten für gesunde und erkrankte Personen und erkläre die Bedeutung dieser Befunde für die Sehschärfe (Material B).

Ermittle für die in Tabelle 1 dargestellten Nukleotidsequenzen die zugehörigen mRNA- und Aminosäuresequenzen sowie den Mutationstyp (Materialien C und D). Erkläre die Methode der DNA-Gelelektrophorese und werte das in Abbildung 3 gezeigte Gel aus (Material C). Erkläre die in Abbildung 4 dargestellten Befunde vor dem Hintergrund der Materialien A und C.

Fasse die in den Abbildungen 5 und 6 dargestellten Daten zusammen und analysiere diese im Hinblick auf die Bedeutung von Maus-GPR143 für die Netzhaut von OA1-Mäusen (Material D). Beurteile die Relevanz der an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse für eine Behandlung von Patienten mit OA1 (Materialien A bis D).

Erbgang des okulären Albinismus Typ 1: Die Analyse des Stammbaums zeigt, dass der okuläre Albinismus Typ 1 X-chromosomal-rezessiv vererbt wird. Wäre der Erbgang dominant, so müsste mindestens ein Elternteil der erkrankten Personen ebenfalls die Krankheit ausprägen. Nur im Fall der rezessiven Vererbung können die Eltern ein betroffenes Allel an ihre Kinder vererben, die Krankheit selbst aber nicht ausprägen. In dem Stammbaum sind nur Männer von der Krankheit betroffen. Das spricht für einen X-Chromosomalen Erbgang, da Männer nur ein X-Chromosom aufweisen. Wenn sie also ein betroffenes X-Chromosom vererbt bekommen, können sie es – im Gegensatz zu Frauen – nicht mit einem gesunden X-Chromosom kompensieren. Genotypen (X: betroffenes Allel; x: gesundes Allel):

• Person 1: xy
• Person 2: Xx
• Person 4: Xx
• Person 7: xx
• Person 15: Xy

Verteilung und Aufgaben der Lichtsinneszellen: In der menschlichen Netzhaut finden sich Stäbchen- und Zapfenzellen, die für das Sehen bei verschiedenen Lichtverhältnissen zuständig sind. Zapfen sind hauptsächlich für das Farbsehen verantwortlich, während Stäbchen für das Sehen bei schwachem Licht zuständig sind. Auswertung von Material B und Auswirkungen auf die Sehschärfe von OA1-Patienten: In dem Diagramm ist die Anzahl der Zapfen pro mm² gegen den Abstand von der Mitte der Sehgrube in mm aufgetragen. Gesunde Personen weisen etwa 200 000 Zapfen pro mm² in unmittelbarer Nähe der Mitte der Sehgrube auf. Die Anzahl fällt mit zunehmenden Abstand zur Mitte der Sehgrube exponentiell ab. Die Untersuchungen zeigen, dass die Zapfendichte bei OA1-Patienten im Vergleich zu Gesunden stark reduziert ist. Die Zapfendichte ist im gesamten untersuchten Bereich geringer als bei gesunden Personen, bleibt dafür aber konstant. Bei erkrankten Personen ersteckt sich das Ausbreitungsgebiet der Zapfen außerdem über einen kleineren Bereich. Vermutlich können Personen mit OA1 Farben nicht gut voneinander unterscheiden. Die Sehgrube ist der Ort des schärfsten Sehens. Durch die verringerte Anzahl an Zapfen in unmittelbarer Nähe der Mitte der Sehgrube, ist daher die Sehschärfe bei erkrankten Personen verringert. Auch die Stäbchendichte ist bei OA1-Patienten im Vergleich zu gesunden Personen reduziert, was die Sehschärfe zusätzlich beeinträchtigt.

Sequenzen des GPR143-Gens und Mutationstyp:

1. Normal-Allel
codogener Strang: CTT TAA ACC GGA CGA
mRNA-Sequenz: GAA AUU UGG CCU GCU
Aminosäurenkette: Glu-Ile-Leu-Pro-Ala
2. OA1-Allel
codogener Strang: CTT TAA ACT GGA CGA
mRNA-Sequenz: GAA AUU UGA CCU GCU
Aminosäurenkette: Glu-Ile-Stopp

Es handelt sich um eine Punktmutation in der letzten Base im Triplett Nummer 111. Dadurch wird eine Nonsense-Mutation hervorgerufen, da bei erkrankten Personen ein Stoppcodon anstelle der Base Leu in die Polypeptidkette eingebaut wird. Methode der Gelektrophorese: Die Gelelektrophorese dient der Unterscheidung geladener Teilchen nach ihrer Größe. Durch eine anschließende Färbung des Gels können diese Fragmente sichtbar gemacht werden. Die Gelelektrophorese besteht aus einer Kammer, in der sich ein Agarose-Gel befindet. Das Gel ist strukturell wie ein engmaschiges Netz aufgebaut, wodurch größere Fragmente langsamer wandern als kleinere. Auf der Kathodenseite des Gels werden die zu untersuchenden Proben gemeinsam mit einem Ladepuffer in dafür vorgesehene Taschen im Gel gegeben. In der Regel wird in eine äußere Tasche ein Größenmarker gegeben, um die DNA-Fragmente später zuordnen zu können. Im Anschluss wird eine elektrische Spannung angelegt, und die Fragmente beginnen zu wandern. Da DNA polar und durch ihr Phosphatrückgrat negativ geladen ist, wandert sie im Gel von der Kathode in Richtung Anode. Nach einer definierten Zeitspanne wird das Gel von der Spannungsquelle getrennt, und mit einem Farbstoff eingefärbt, der die Banden im UV-Licht sichtbar macht. Dadurch und durch den Vergleich mit dem Größenmarker kann die Länge und Häufigkeit der erhaltenen DNA Fragmente ermittelt werden. Auswertung des Gels und dargestellte Befunde: Auf dem Gel zur Analyse der Expression des GPR143-Gens zeigt sich lediglich eine Bande von dem RT-PCR-Produkt bei gesunden Personen. Bei OA1-Patienten kann dagegen kein Produkt der RT-PCR nachgewiesen werden. Das bedeutet, dass bei OA1-Patienten zu diesem Zeitpunkt keine mRNA des GPR143-Gens in der Probe vorhanden war. Abbildung 4 zeigt die Menge an GPR143-mRNA bei einer gesunden Frau, und bei der phänotypisch gesunden Person 4. Es lässt sich erkennen, dass Person 4 nur halb so viel mRNA dieses Gens aufweist, wie die gesunde Frau. Das bedeutet, dass Person 4 ein betroffenes Allel besitzen muss, jedoch äußerlich nicht von OA1 betroffen ist. Die halbierte Menge der mRNA kommt daher zustande, dass die mRNA des erkrankten X-Chromosoms in der Zelle schnell abgebaut wird, während die mRNA des gesunden Chromosoms normal exprimiert wird. Person 4 ist daher eine Konduktorin, die das betroffene X-Chromosom an ihre männlichen Nachkommen vererben kann.

Zusammenfassung der Daten in Material 5 und 6 und Bedeutung von Maus-GPR143 für die Netzhaut von OA1-Mäusen: Abbildung 5 zeigt die Melanosomen-Dichte in der Netzhaut von Mäusen. Es lässt sich erkennen, dass gentherapierte Mäuse etwa 75 % und OA1-Mäuse etwa 25 % der Melanosomen pro µm² im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen besitzen. Das bedeutet, dass die Gentherapie die Melanosomendichte in der Pigmentschicht der jeweiligen Netzhaut bei OA1-Mäusen deutlich erhöhen kann. Abbildung 6 zeigt die Erregung der Lichtrezeptoren relativ zur Erregung vor der Bleichung durch einen starken Lichtblitz in Relation zur Zeit nach der Bleichung in Minuten. Es ist zu erkennen, dass sowohl bei OA1-Mäusen als auch bei gentherapierten OA1-Mäusen die Erregbarkeit der Lichtrezeptoren mit fortschreitender Zeit zunimmt. Bei gentherapierten Mäusen erholen sich die Lichtrezeptoren nach der Bleichung recht schnell, sodass bereits nach 60 Minuten das Niveau vor der Bleichung beinahe erreicht ist. Bei OA1-Mäusen stellt sich das Niveau vor der Bleichung auch am Ende des Experiment nicht wieder ein. 60 Minuten nach der Bleichung liegt die Erregbarkeit etwa bei 70 % in Relation zu der Erregung vor der Bleichung. Dieser Wert bleibt bis zum Ende des Experiments konstant. Das Gen GPR143 spielt auch für Sehprozesse bei Mäusen eine wichtige Rolle. Mäuse, bei denen dieses Gen ausgeschalten wurde zeigen eine signifikante Reduktion der Melanosomdichte. Das führt zu einer verminderten Streulichtabsorption und Sehstörungen, da so zu viele Fotorezeptoren gleichzeitig Erregt werden. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Lichtblitzen und die Auswirkung einer Netzhautbleichung ist dadurch erhöht, da mehr Licht ungefiltert auf die Fotorezeptoren der Netzhaut trifft. Der verstärkte Bleichungseffekt führt zu einer langsameren und schlechteren Erholung nach der Bleichung. Daher leiden OA1-Mäuse an ähnlichen Symptomen wie menschliche OA1-Patienten. Relevanz der an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse: Die an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse sind vielversprechend, da die Gentherapie eine signifikante Verbesserung der Symptome des OA1 mit sich bringt. Allerdings unterscheidet sich der strukturelle Aufbau der Netzhaut bei Mäusen von dem bei Menschen. So hat die Netzhaut von Mäusen beispielsweise keine Sehgrube und enthält nur wenige Zapfen. Mäuse als nachtaktive Tiere können Farben schlechter unterscheiden als Menschen. Ihre Augen sind für das Sehen bei schlechteren Lichtverhältnissen spezialisiert. Die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf den Menschen sollte daher in weiteren Studien überprüft werden.