Ein Gen wird abgeschrieben
AFB I–IIIn M1 ist ein kurzer DNA-Abschnitt dargestellt, der direkt an einen Promotor grenzt. M2 enthält Angaben zu einem der längsten Gene des Menschen.
Das Gen für das Muskelprotein Dystrophin umfasst rund 2,2 Millionen Basenpaare mit 79 Exons. Die reife mRNA ist nur etwa 14 000 Nucleotide lang. Die RNA-Polymerase des Menschen synthetisiert etwa 2 400 Nucleotide pro Minute (Modellwert).
- Beschreiben Sie den Ablauf der Transkription.
- Ermitteln Sie, welcher Strang in M1 der codogene Strang ist, und geben Sie die Basenfolge der mRNA mit 5′- und 3′-Ende an.
- Berechnen Sie mit M2 die Dauer der Transkription des Dystrophin-Gens und den Anteil der Exons an der Prä-mRNA.
- Erklären Sie, welche mRNA entstünde, wenn der Promotor in M1 links neben dem Abschnitt läge.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Initiation: Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase binden am Promotor; die Polymerase entwindet die DNA lokal (Transkriptionsblase), der codogene Strang liegt frei. Elongation: Die Polymerase liest den codogenen Strang in 3′→5′-Richtung und knüpft komplementäre Ribonucleotide (A–U, T–A, G–C, C–G) an das 3′-Ende der wachsenden RNA; die RNA wächst 5′→3′, hinter der Polymerase schließt sich die Doppelhelix. Termination: Am Terminator löst sich die Polymerase, die RNA wird freigesetzt. Ein Primer ist nicht nötig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Transkription läuft vom Promotor aus nach links. Die Polymerase liest die Matrize 3′→5′; der obere Strang hat rechts (am Promotor) sein 3′-Ende und wird nach links zum 5′-Ende hin gelesen — er ist also der codogene Strang. Komplementär dazu, beginnend am Promotor: mRNA 5′-AUGCUAGGUACC-3′. Kontrolle: Die mRNA gleicht dem unteren (codierenden) Strang, von rechts nach links gelesen (5′-ATGCTAGGTACC-3′), mit U statt T.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Dauer: 2 200 000 nt : 2 400 nt/min ≈ 917 min ≈ 15 h. Anteil der Exons: 14 000 : 2 200 000 ≈ 0,0064 = 0,64 %. Über 99 % der Prä-mRNA sind also Introns, die beim Spleißen entfernt werden. (Der Poly-A-Schwanz ist in den 14 000 nt enthalten und fällt kaum ins Gewicht.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Polymerase liest die Matrize immer 3′→5′ und baut die RNA 5′→3′. Liegt der Promotor links, läuft die Transkription nach rechts; dann hat der untere Strang links sein 3′-Ende und wird zur Matrize. Die mRNA gleicht nun dem oberen Strang: 5′-GGUACCUAGCAU-3′. Welcher Strang codogen ist, legt also allein die Lage und Orientierung des Promotors fest — derselbe DNA-Abschnitt kann je nach Promotor unterschiedliche mRNAs liefern.
Ein Gen, zwei Hormone
AFB II–IIIDas Calcitonin-Gen des Menschen wird in verschiedenen Geweben abgelesen. In den C-Zellen der Schilddrüse entsteht das Hormon Calcitonin, in bestimmten Nervenzellen der Signalstoff CGRP (M3). M4 vergleicht Genome verschiedener Organismen.
| Organismus | proteincodierende Gene | Exons je Gen (Mittel) | Gene mit alternativem Spleißen |
|---|---|---|---|
| Mensch | ≈ 20 000 | ≈ 10 | > 90 % |
| Taufliege | ≈ 14 000 | ≈ 4 | ≈ 45 % |
| Fadenwurm C. elegans | ≈ 20 000 | ≈ 6 | ≈ 25 % |
| Bäckerhefe | ≈ 6 000 | ≈ 1 | < 1 % |
- Beschreiben Sie die Prozessierung der Prä-mRNA in den beiden Zelltypen (M3).
- Erläutern Sie, wie aus einem Gen zwei verschiedene Wirkstoffe entstehen.
- Werten Sie M4 im Hinblick auf die Frage aus, wie Organismen mit ähnlicher Genzahl unterschiedlich viele Proteine bilden können.
- „Je komplexer ein Organismus, desto mehr Gene besitzt er.“ Beurteilen Sie diese Aussage auf der Grundlage von M3 und M4.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beide Zelltypen transkribieren dasselbe Gen mit sechs Exons. In den C-Zellen der Schilddrüse wird die Prä-mRNA nach Exon 4 geschnitten und polyadenyliert; die reife mRNA enthält E1–E4 und codiert Calcitonin. In Nervenzellen wird Exon 4 herausgespleißt, die mRNA enthält E1, E2, E3, E5 und E6 mit Poly-A-Schwanz nach E6 und codiert CGRP. E1–E3 sind in beiden mRNAs gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das Gen wird in beiden Zellen vollständig transkribiert. Erst beim Spleißen werden je nach Zelltyp unterschiedliche Exons zur reifen mRNA verknüpft (alternatives Spleißen), zusätzlich wird eine andere Stelle für den Poly-A-Schwanz genutzt. Die beiden mRNAs unterscheiden sich im hinteren Teil (E4 bzw. E5/E6) und werden in Proteine mit unterschiedlicher Aminosäurefolge übersetzt. Welche Variante entsteht, hängt von zelltypspezifischen Proteinen ab, die das Spleißen steuern.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Mensch und Fadenwurm besitzen etwa gleich viele proteincodierende Gene. Die Gene des Menschen haben aber im Mittel mehr Exons, und über 90 % werden alternativ gespleißt, beim Fadenwurm nur etwa ein Viertel. Mehr Exons ermöglichen mehr Kombinationen; der Mensch kann daher aus ähnlich vielen Genen deutlich mehr Proteinvarianten herstellen. Die Hefe hat kaum Introns und bildet praktisch ein Protein pro Gen. Gesamtaussage: Die Proteinvielfalt hängt stark vom alternativen Spleißen ab, nicht nur von der Genzahl.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage wird durch M4 nicht gestützt: Der Mensch hat kaum mehr Gene als der Fadenwurm und sogar weniger als manche Pflanzen. M3 zeigt, dass ein Gen mehrere Produkte mit verschiedener Funktion liefern kann. Komplexität zeigt sich eher in der Zahl der Proteinvarianten und in der Steuerung, wann und wo welches Gen wie gespleißt wird. Einschränkung: Die Werte sind Schätzungen, und „Komplexität“ ist kein exakt messbares Merkmal; alternatives Spleißen ist nur ein Faktor neben der Genregulation. Urteil: In dieser Form ist die Aussage falsch.