Sichelzellanämie in einer Familie
AFB I–IIDie Sichelzellanämie wird autosomal-rezessiv vererbt. In einer Familie, in der die Krankheit aufgetreten ist, soll geklärt werden, wer das Sichelzell-Allel (HbS) trägt. Dazu wird aus Blutzellen DNA isoliert, ein 600 bp langer Abschnitt des β-Globin-Gens per PCR vervielfältigt, mit dem Restriktionsenzym MstII geschnitten und im Gel aufgetrennt (M2).
MstII schneidet an der Erkennungssequenz 5′-CCTNAGG-3′ (N = beliebige Base).
Codons 4 bis 8, Normal-Allel (HbA): 5′-ACT CCT GAG GAG AAG-3′
Codons 4 bis 8, Sichelzell-Allel (HbS): 5′-ACT CCT GTG GAG AAG-3′
Im 600-bp-Abschnitt liegt beim Normal-Allel nur diese eine MstII-Stelle; sie teilt ihn in Stücke von 400 bp und 200 bp (Modellwerte).
- Beschreiben Sie das Prinzip der Gelelektrophorese.
- Erläutern Sie mithilfe von M1, warum die beiden Allele nach dem MstII-Schnitt unterschiedliche Bandenmuster ergeben.
- Werten Sie M2 hinsichtlich der Genotypen und Phänotypen aller Familienmitglieder aus.
- Begründen Sie, warum man für die Diagnose das PCR-Produkt schneidet, statt es ungeschnitten aufzutrennen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die DNA-Proben werden mit Ladepuffer in Taschen eines Agarosegels am Minuspol gefüllt, daneben ein Größenmarker mit Fragmenten bekannter Länge. Nach Anlegen einer Spannung wandert die DNA wegen ihrer negativ geladenen Phosphatreste zum Pluspol. Das Gel wirkt als Sieb: Kurze Fragmente kommen schneller voran und wandern weiter als lange. Da die Ladung je Nucleotid gleich ist, trennt das Verfahren allein nach der Länge. Anschließend wird die DNA mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt und unter UV- oder Blaulicht als Banden sichtbar; ihre Länge wird mithilfe des Markers bestimmt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beim Normal-Allel ergeben Codon 5 bis 7 die Folge CCT GAG G, also CCTGAGG — sie passt auf CCTNAGG (N = G). MstII schneidet hier, und der 600-bp-Abschnitt zerfällt in 400 bp und 200 bp. Beim Sichelzell-Allel ist im sechsten Codon A durch T ersetzt (GAG → GTG, Substitution). Die Folge lautet nun CCTGTGG; an der fünften bis siebten Position steht TGG statt AGG, die Erkennungssequenz ist zerstört. Das Enzym schneidet nicht, und es bleibt ein 600-bp-Fragment. Die Punktmutation wird also nicht über eine Längenänderung, sondern über den Verlust der Schnittstelle sichtbar.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
400 + 200 bp stammen vom geschnittenen HbA-Allel, 600 bp vom ungeschnittenen HbS-Allel. Vater und Mutter zeigen alle drei Banden: heterozygot (HbA/HbS), phänotypisch gesunde Anlageträger. Kind 1 zeigt nur 400 und 200 bp: homozygot HbA/HbA, gesund und kein Träger. Kind 2 zeigt nur 600 bp: homozygot HbS/HbS, an Sichelzellanämie erkrankt. Kind 3 ist wie die Eltern heterozygot, gesunder Anlageträger. Das Ergebnis passt zum autosomal-rezessiven Erbgang zweier heterozygoter Eltern.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Sichelzell-Mutation ist eine Substitution: Eine Base wird durch eine andere ersetzt, die Länge des Abschnitts bleibt gleich. Ungeschnitten würden beide Allele ein 600-bp-Produkt ergeben, das Gel könnte sie nicht unterscheiden. Erst der Restriktionsschnitt übersetzt den Basenaustausch in einen Längenunterschied, denn nur das Normal-Allel besitzt die MstII-Erkennungssequenz.
Eine Spur am Tatort
AFB II–IIIAn einem Tatort wird eine Speichelspur gesichert. Die Polizei vergleicht ihr STR-Profil mit dem von drei Verdächtigen (S1–S3). Am STR-Ort 1 wiederholt sich die Sequenz AGAT; die Primer liegen so, dass jedes PCR-Produkt aus 120 bp flankierender Sequenz plus den Wiederholungen besteht (M3). M4 zeigt die Profile an drei STR-Orten und die Häufigkeiten der Allele in der Bevölkerung.
| STR-Ort | Spur | S1 | Allelhäufigkeiten |
|---|---|---|---|
| Ort 1 | 11 / 14 | 11 / 14 | Allel 11: 0,10 · Allel 14: 0,20 |
| Ort 2 | 29 / 29 | 29 / 29 | Allel 29: 0,25 |
| Ort 3 | 6 / 9 | 6 / 9 | Allel 6: 0,20 · Allel 9: 0,15 |
- Ermitteln Sie aus M3 die Zahl der AGAT-Wiederholungen der Allele in allen vier Proben und geben Sie an, welcher Verdächtige am Ort 1 zur Spur passt.
- Erklären Sie, warum sich STR-Profile zwischen Menschen unterscheiden und warum eine Person an einem Ort höchstens zwei Banden zeigt.
- Berechnen Sie mit M4 die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällig ausgewählte, nicht verwandte Person das Profil der Spur an allen drei Orten besitzt.
- Der Staatsanwalt erklärt: „Die Wahrscheinlichkeit, dass S1 unschuldig ist, beträgt nur 1 : 6700.“ Beurteilen Sie diese Aussage und die Beweiskraft der Analyse.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Wiederholungen = (Länge − 120 bp) : 4 bp. Spur: 164 bp → 11, 176 bp → 14. S1: 164 und 176 bp → 11 / 14. S2: 164 und 172 bp → 11 / 13. S3: 168 und 176 bp → 12 / 14. Nur S1 stimmt am Ort 1 mit der Spur überein; S2 und S3 sind als Spurenleger ausgeschlossen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Zahl der Wiederholungen an einem STR-Ort variiert in der Bevölkerung stark (viele Allele); da die Sequenzen in nicht codierenden Bereichen liegen, wirken sich Längenunterschiede nicht nachteilig aus und bleiben erhalten. Jeder Mensch ist diploid und erbt pro Ort ein Allel von der Mutter und eins vom Vater. Daher entstehen höchstens zwei verschieden lange PCR-Produkte; bei gleichen Wiederholungszahlen (homozygot, z. B. Ort 2) erscheint nur eine Bande. Die Kombination vieler unabhängig vererbter Orte macht das Profil nahezu individuell.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ort 1: \(2 \cdot 0{,}10 \cdot 0{,}20 = 0{,}04\). Ort 2: \(0{,}25^2 = 0{,}0625\). Ort 3: \(2 \cdot 0{,}20 \cdot 0{,}15 = 0{,}06\). Gesamt: \(0{,}04 \cdot 0{,}0625 \cdot 0{,}06 = 1{,}5 \cdot 10^{-4}\), also etwa 1 : 6700.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage verwechselt zwei Wahrscheinlichkeiten: 1 : 6700 ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällige Person das Profil hat — nicht die Wahrscheinlichkeit, dass S1 unschuldig ist. In einer Stadt mit 600 000 Einwohnern wären etwa \(600\,000 \cdot 1{,}5 \cdot 10^{-4} = 90\) Personen mit passendem Profil zu erwarten; drei Orte reichen also nicht, reale Gutachten untersuchen deutlich mehr STR-Orte. Verwandte (v. a. Geschwister, eineiige Zwillinge) haben viel höhere Übereinstimmungswahrscheinlichkeiten, als die Rechnung annimmt. Zudem belegt eine passende Spur nur, dass sie wahrscheinlich von S1 stammt, nicht wann und wie sie an den Tatort kam (z. B. Übertragung, früherer Besuch). Die Analyse schließt S2 und S3 sicher aus; für S1 ist sie ein belastendes Indiz, das mit anderen Beweisen zusammen gewürdigt werden muss.