Östrogen steuert Gene
AFB I–IIIm Eileiter von Hühnern bilden Drüsenzellen das Eiklarprotein Ovalbumin. Um die Wirkung von Östrogen zu untersuchen, wurden Eileiterzellen und Muskelzellen von Küken in Kultur gehalten und mit Östrogen behandelt. Gemessen wurde die Menge an Ovalbumin-mRNA (M1). In einem Teil der Ansätze wurde zusätzlich Actinomycin D zugegeben, ein Stoff, der die RNA-Polymerase hemmt. In weiteren Ansätzen hemmte Cycloheximid die Translation an den Ribosomen (M2).
| Ansatz | 0 h | 2 h | 8 h | 24 h |
|---|---|---|---|---|
| Eileiterzellen ohne Östrogen | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Eileiterzellen + Östrogen | 0 | 8 | 45 | 100 |
| Eileiterzellen + Östrogen + Actinomycin D | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Muskelzellen + Östrogen | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Messgröße | ohne Cycloheximid | mit Cycloheximid |
|---|---|---|
| Ovalbumin-mRNA (relativ) | 100 | 96 |
| Ovalbumin (relativ) | 100 | 2 |
- Beschreiben Sie, wie ein Steroidhormon wie Östrogen die Transkription eines Zielgens auslöst.
- Werten Sie die Messwerte der Eileiterzellen mit und ohne Östrogen (M1) aus.
- Erklären Sie, warum Muskelzellen trotz Östrogen keine Ovalbumin-mRNA bilden (M1).
- Deuten Sie die Ergebnisse mit Actinomycin D (M1) und mit Cycloheximid (M2).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Östrogen ist lipophil und diffundiert durch die Zellmembran. In der Zelle bindet es an einen spezifischen Rezeptor. Der Hormon-Rezeptor-Komplex gelangt in den Zellkern und bindet dort an ein Hormon-Response-Element (HRE) vor dem Promotor des Zielgens. Als Transkriptionsfaktor erleichtert er die Bindung der RNA-Polymerase am Promotor; das Gen wird transkribiert, es entsteht mRNA.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ohne Östrogen enthalten die Eileiterzellen zu keinem Zeitpunkt Ovalbumin-mRNA. Mit Östrogen steigt die mRNA-Menge nach 2 h an (8 Einheiten) und nimmt bis 24 h stark zu (100 Einheiten). Östrogen ist also Voraussetzung dafür, dass das Ovalbumin-Gen in diesen Zellen abgelesen wird; die Wirkung setzt mit Verzögerung ein und verstärkt sich mit der Zeit.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Muskelzellen enthalten dasselbe Genom wie Eileiterzellen, also auch das Ovalbumin-Gen. Sie bilden aber offenbar keinen passenden Östrogen-Rezeptor (bzw. das Gen ist dort z. B. durch Methylierung dauerhaft abgeschaltet). Ohne Hormon-Rezeptor-Komplex am HRE wird das Gen nicht transkribiert. Die Wirkung eines Hormons hängt also von der Ausstattung der Zelle ab — Ergebnis der Zelldifferenzierung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Actinomycin D hemmt die RNA-Polymerase: Trotz Östrogen entsteht keine Ovalbumin-mRNA. Das belegt, dass Östrogen die Neusynthese der mRNA (Transkription) auslöst und nicht etwa vorhandene mRNA stabilisiert. Cycloheximid hemmt die Translation: Die mRNA-Menge bleibt fast gleich (96 statt 100), Ovalbumin entsteht aber kaum (2 statt 100). Die Östrogenwirkung auf die mRNA-Menge ist also unabhängig von der Translation; das Protein entsteht erst in einem zweiten Schritt an den Ribosomen. Östrogen wirkt damit auf der Ebene der Transkription.
Futter färbt das Fell
AFB II–IIIDie Fellfarbe von Mäusen hängt u. a. vom Agouti-Gen ab, das in den Haarwurzeln die Bildung von gelbem Farbstoff steuert. Beim Mausstamm Avy liegt vor dem Agouti-Gen ein zusätzlicher DNA-Abschnitt, der als Promotor wirkt und reich an CpG-Stellen ist (M3). Ist dieser Abschnitt unmethyliert, wird das Agouti-Gen in allen Zellen ständig abgelesen: Die Mäuse sind gelb, stark übergewichtig und erkranken häufig an Diabetes. Ist er methyliert, entstehen braune, schlanke Mäuse; teilweise Methylierung ergibt gescheckte Tiere. In einem Versuch erhielten genetisch identische Avy-Weibchen vor und während der Trächtigkeit entweder Kontrollfutter oder Futter mit zusätzlichen Methylgruppen-Lieferanten (Folsäure, Vitamin B12, Cholin). Untersucht wurden die Nachkommen (M4, nach WATERLAND und JIRTLE 2003, Werte gerundet und vereinfacht).
| Fellfarbe der Nachkommen | methylierte CpG-Stellen |
|---|---|
| gelb | 8 % |
| gescheckt | 45 % |
| braun | 86 % |
- Beschreiben Sie die Ergebnisse in M4.
- Erklären Sie den Unterschied in der Fellfarbe zwischen gelben und braunen Mäusen auf molekularer Ebene (M3). Berücksichtigen Sie den Befund, dass die Histone am zusätzlichen Promotor bei gelben Mäusen stark acetyliert, bei braunen Mäusen weitgehend deacetyliert sind.
- Deuten Sie die Ergebnisse aus M4 unter Einbeziehung von M3.
- In einer Zeitschrift heißt es: „Die Agouti-Mäuse zeigen: Nicht die Gene, sondern die Ernährung der Mutter bestimmt, wie ihre Kinder aussehen.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Bei Kontrollfutter sind 42 % der Nachkommen gelb, 40 % gescheckt und 18 % braun. Bei methylgruppenreichem Futter sinkt der Anteil gelber Nachkommen auf 18 %, der Anteil brauner Nachkommen steigt auf 37 %; gescheckte Tiere nehmen leicht zu (45 %). Die Verteilung verschiebt sich also deutlich von gelb nach braun.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei gelben Mäusen ist der zusätzliche Promotor kaum methyliert (8 %), und die Histone sind acetyliert. Die Acetylgruppen neutralisieren die positiven Ladungen der Histone, die DNA ist locker gebunden (Euchromatin). Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase erreichen den Promotor, das Agouti-Gen wird ständig abgelesen; es entsteht viel gelber Farbstoff. Bei braunen Mäusen sind 86 % der CpG-Stellen methyliert und die Histone deacetyliert: Das Chromatin ist dicht gepackt (Heterochromatin), der Promotor unzugänglich, das Gen stumm. Beide Mechanismen wirken gleichsinnig; die Basensequenz ist bei beiden Mäusen gleich — der Unterschied ist epigenetisch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Futter der Mütter enthielt zusätzliche Methylgruppen-Lieferanten. Offenbar standen den Methyltransferasen in den Embryonen mehr Methylgruppen zur Verfügung; der zusätzliche Promotor wurde bei mehr Nachkommen stärker methyliert. Nach M3 geht ein hoher Methylierungsgrad mit brauner Fellfarbe einher, deshalb steigt der Anteil brauner (und damit auch schlankerer) Nachkommen. Da alle Tiere genetisch identisch sind, ist der Unterschied auf eine umweltbedingte Veränderung des Methylierungsmusters zurückzuführen, die während der Embryonalentwicklung festgelegt und bei den Zellteilungen weitergegeben wurde.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist in ihrer Ausschließlichkeit falsch. Richtig ist: Bei genetisch identischen Tieren hat die Ernährung der Mutter die Verteilung der Fellfarben deutlich verändert — über die Methylierung, also die Genexpression. Voraussetzung ist aber ein bestimmtes Gen (Agouti mit zusätzlichem Promotor); ohne dieses Allel gäbe es den Effekt nicht. Auch mit Spezialfutter blieben 18 % der Nachkommen gelb — die Ernährung verschiebt nur Wahrscheinlichkeiten. Merkmale entstehen also im Zusammenwirken von Genen und Umwelt. Zudem handelt es sich um einen Sonderfall bei Mäusen; eine Übertragung auf den Menschen ist ohne eigene Untersuchungen nicht zulässig. Fazit: Die Aussage überbewertet den Umwelteinfluss; zutreffend wäre „Die Ernährung der Mutter beeinflusst, wie stark bestimmte Gene der Kinder abgelesen werden.“