Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 7 · Abitur Hessen Biologie GK 2021

Thema: Humangenetik, Gendiagnostik und Gentechnik · Aus der Prüfung GK (2021)

Aufgabenstellung

Material 6

Gene Drive mit MEDEA

Durch Gene Drive werden bestimmte Allele in einer Population viel effizienter verbreitet als über reguläre Vererbungsmechanismen. Während bei heterozygoten Organismen die meist in zweifacher Ausfertigung vorliegenden Allele eines Gens zufällig mit gleicher Wahrscheinlichkeit an die Nachfolgegenerationen vererbt werden, treten durch Gene Drive bestimmte Allele mit (viel) höherer Wahrscheinlichkeit in der fertig entwickelten Tochtergeneration auf.

Der Gene-Drive-Effekt tritt in der Natur u.a. bei Insekten auf. Eine Möglichkeit ist der sogenannte MEDEA-Drive, den man bei Mehlkäfern entdeckt hat. Hierbei wird das Allel eines Gens zum MEDEA-Allel, indem es mit zwei weiteren Gen-Elementen gekoppelt wird, einem Giftgen und einem Immunitätsgen. Im jeweils anderen Allel dieses Gens, dem verbliebenen Wildtyp-Allel, fehlen diese Elemente.

In den Eierstöcken von Insekten mit dem MEDEA-Allel ist während der Eireifung das Giftgen aktiv. Das so produzierte Gift wird in die Eier aufgenommen und in ihnen angereichert. Bei heterozygoten Weibchen enthalten daher alle Eier das Gift, auch dann, wenn durch die Meiose nicht in allen Eiern das MEDEA-Allel, sondern z.T. das Wildtyp-Allel vorliegt.

Nach der Befruchtung wird in den Eizellen, die das MEDEA-Allel enthalten, das Immunitätsgen aktiviert, sodass nur diese das Gift neutralisieren und sich zu Larven weiterentwickeln können. Das mit den MEDEA-Elementen gekoppelte mutierte Allel eines Gens ist somit in allen lebenden Nachkommen dieser MEDEA-Weibchen vorhanden.

7 Werten Sie das Vererbungsschema in Material 6 aus. Begründen Sie, dass es sich bei der Vererbung des MEDEA-Allels um einen Gene Drive-Mechanismus handelt. (Material 6) [19 BE]

a)

b)

Aufgabenstellung: Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 7 · Abitur Hessen Biologie GK 2021

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Werten Sie das Vererbungsschema in Material 6 aus (Kreuzungen A, B und C).

Lösung: Auswertung des Vererbungsschemas: - Vererbungsschema A: Kreuzung heterozygoter Weibchen und Männchen. Alle Eizellen enthalten das Gift, da das Weibchen das MEDEA-Allel trägt. Jeweils die Hälfte der Keimzellen besitzt das MEDEA-Allel. Embryonen mit mindestens einem MEDEA-Allel (MEDEA/MEDEA, MEDEA/Wt) überleben dank des aktivierten Immunitätsgens. Nur der Genotyp Wt/Wt stirbt ab, da kein Immunitätsgen vorhanden ist. - Vererbungsschema B: Kreuzung heterozygoter Weibchen mit homozygoten Wt-Männchen. Alle Eier enthalten Gift. Nur die Embryonen überleben, die über die Eizelle das MEDEA-Allel und damit das Immunitätsgen erhalten haben (MEDEA/Wt); Wt/Wt-Embryonen sterben ab. - Vererbungsschema C: Kreuzung homozygoter Wt-Weibchen mit heterozygoten Männchen. Da das Gift nur während der Eireifung im Weibchen gebildet wird, sind die Eizellen giftfrei. Alle Embryonen überleben unabhängig davon, ob sie das MEDEA-Allel vom Spermium erhalten haben.

Begründen Sie, dass es sich bei der Vererbung des MEDEA-Allels um einen Gene Drive-Mechanismus handelt.

Lösung: Begründung des Gene-Drive-Mechanismus: Das MEDEA-Element bewirkt eine Vergiftung der Eizellen und verhindert dadurch die Entwicklung aller Nachkommen, die reiner Wildtyp (Wt/Wt) sind. Infolgedessen besitzen bei Kreuzung A 100 % aller überlebenden Nachkommen mindestens ein MEDEA-Allel (statt regulär 75 %). Bei Kreuzung B besitzen ebenfalls 100 % der überlebenden Nachkommen das MEDEA-Allel (statt regulär 50 %). Durch die gezielte Selektion gegen Nicht-Träger wird das MEDEA-Allel in der Folgegeneration überproportional angereichert, was die Definition eines Gene Drives erfüllt (bei Kreuzung C erfolgt eine reguläre Vererbung ohne Drive-Effekt).

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