Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 5 · Abitur Hessen Biologie LK · Schulen für Erwachsene 2022

Material 1

Genetische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie (SMA)

Patientinnen und Patienten, die an SMA leiden, erleben nach und nach den Verlust der Funktion ihrer Skelettmuskulatur. Der Zeitpunkt, ab dem die Krankheit ausbricht, ist unterschiedlich, zumeist beginnt die Krankheit aber schon im Baby- oder Kleinkindalter. Je nach vorher erlernten Bewegungsmustern verlieren die Betroffenen die Fähigkeit zu gehen oder zu sprechen und bei schwerem Verlauf auch zu atmen.

Alle Betroffenen können keine ausreichende Menge eines bestimmten Proteins, des SMN-Proteins, bilden. SMN steht für „survival motor neuron“ und gibt damit sehr gut die Bedeutung des Proteins wieder: Ohne dieses Protein sterben motorische Nervenzellen im Rückenmark, die $\alpha$-Motoneurone, ab.

Die häufigste Ursache einer SMA ist die Deletion von Exon 7 des SMN1 -Gens. Das SMN1 -Gen, welches das aus 294 Aminosäuren bestehende SMN-Protein codiert, liegt auf Chromosom 5. Es enthält insgesamt neun Exons (1, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6, 7, 8). Exon 7 des SMN1 -Gens umfasst 54 Nukleotide.

Material 2

Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen auf Chromosom 5 eine zweite Variante, das SMN2 -Gen. Dieses Gen kann durch Duplikation des entsprechenden Chromosomenabschnitts individuell in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz eines oder mehrerer SMN2 -Gene von besonderer Bedeutung.

Beide Varianten, das SMN1 -Gen und das SMN2 -Gen, stimmen zu über 99% überein. Das vom SMN2 -Gen codierte Protein ist jedoch überwiegend instabil und wird rasch abgebaut.

Die Ursache dafür liegt in einer Mutation in Exon 7 des SMN2 -Gens. Exon 7 umfasst die Nukleotidpositionen 868 bis 921.

Die Nukleotid-Sequenzen von Exons enthalten neben den Protein-codierenden Informationen gerade zu Beginn der Exonbereiche auch entscheidende Informationen für die Regulation des Spleißvorgangs im Zellkern.

Material 3

Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550–600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90% der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung.

Bei der molekulargenetischen Untersuchung von zahlreichen an SMA erkrankten Personen wurde ein Zusammenhang zwischen der Anzahl der SMN2 -Genkopien und dem Schweregrad der Erkrankung festgestellt.

Kriterien für die Einteilung der SMA

Typ · Beginn [Monate] · motorische Entwicklungsschritte · Tod [Jahre]

I · < 6 · niemals freies Sitzen · < 2

II · < 18 · niemals freies Gehen · > 2

III · > 18 · freies Stehen und Gehen · Erwachsenenalter

Material 4

Molekulargenetischer Nachweis der SMA

Mittlerweile ist es möglich, die Krankheit durch einen Gentest eindeutig zu diagnostizieren. Dazu reichen schon wenige Blutstropfen des Neugeborenen. Die daraus gewonnene DNA wird mittels PCR-Methode vervielfältigt und anschließend durch Gelelektrophorese analysiert. Die PCR führt zu Genabschnitten, die das Exon 7 einschließen und dann eine Größe von 200 Basenpaaren aufweisen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen aufweisen, wird dieser Genabschnitt nicht vervielfältigt.

Eine Schwierigkeit im Fall der SMA-Diagnose liegt darin, dass das SMN2 -Gen exakt die gleiche Länge wie das intakte SMN1 -Gen besitzt. Durch die Mutation im SMN2 -Gen ergibt sich jedoch eine weitere Schnittstelle für ein Restriktionsenzym.

Bei der molekulargenetischen Untersuchung auf SMA bei drei verschiedenen Personen, die nicht aus einer Familie stammen, konnte durch ein spezielles Verfahren auch die jeweilige Menge der untersuchten DNA-Fragmente ermittelt werden. Nur Person 3 zeigt phänotypisch die Symptome der SMA.

Aufgabe 5

[16 BE] Beschreiben Sie das Prinzip der Gelelektrophorese.

Analysieren Sie das Ergebnis der molekulargenetischen Untersuchung von drei Personen auf SMA in Bezug auf das Auftreten von SMA und leiten Sie den Erbgang der SMA her.

(Material 1, 2 und 4)

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5.3