Aufgabe Vorschlag B - Aufgaben 1.1 bis 1.4 · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2021

1.1 Erläutern Sie mithilfe einer beschrifteten Skizze einen allgemeinen Genregulationsmechanismus bei Prokaryoten auf der Ebene der Transkription.

Lösung: Beschriftete Skizze zum Operon-Modell (z. B. Substratinduktion am Lac-Operon mit Regulator-Gen, Promotor, Operator, Strukturgenen, Repressor, Induktor und RNA-Polymerase).

1.1 Erläutern Sie mithilfe einer beschrifteten Skizze einen allgemeinen Genregulationsmechanismus bei Prokaryoten auf der Ebene der Transkription.

Lösung: Das gewählte Beispiel bezieht sich auf die Substratinduktion am Beispiel des Lac-Operons: - Die Enzyme werden nur synthetisiert um das Substrat zu verwerten, wenn dieses zur Verfügung steht. - Das Regulator-Gen produziert ein aktives Repressor-Protein, dieses bindet an den Operator und blockiert das Weiterwandern der RNA-Polymerase in Richtung Strukturgene und verhindert so die Transkription der Gene, die für die Umsetzung des Substrats benötigt werden. Die Strukturgene sind also reprimiert (blockiert). - Werden die Prokaryoten mit dem Substrat versorgt, wird das entsprechende Operon aktiviert. Das Substrat bindet an das Repressor-Protein und verändert dadurch dessen räumliche Struktur. In dieser Form kann das Repressor-Protein nicht mehr an den Operator binden (inaktiv). Dadurch wird die Blockade der RNA-Polymerase aufgehoben und die Transkription kann fortgesetzt werden. - Die Strukturgene können abgelesen und die das Substrat abbauenden Enzyme gebildet werden. - Es liegt das Schlüssel-Schloss-Prinzip zugrunde: Das Ein- und Ausschalten der Genaktivität erfolgt mittels des Zusammenspiels von Operator-Gen und Repressor. (Hinweis: Die Darstellung eines anderen Operonmodells ist alternativ möglich.)

1.2 Material 1 zeigt reversible epigenetische Veränderungen an der DNA. Beschreiben und erläutern Sie diese epigenetischen Mechanismen.

Lösung: - Abb. 1.1 zeigt chemische Veränderung der Histonproteine, eine sogenannte Acetylierung, die aus den Nucleosomenspulen herausragt. Die Anordnung der Nucleosome bzw. des aufgewickelten DNA-Strangs ist locker. Durch die geringere Packungsdichte wird die DNA transkribiert. - Abb. 1.2 zeigt eine Veränderung am DNA-Faden. Bestimmte Basen der DNA werden methyliert, was zu einer Verdichtung der Nucleosomenpackung führt, die DNA kann nicht transkribiert werden. - Acetylierung und Methylierung der DNA sind reversibel, und somit sind Gene, je nach Gebrauch, an- oder abschaltbar.

1.3 Zeigen Sie die Mechanismen auf, die nach der Transkription bis zur fertigen mRNA ablaufen und erklären Sie die Funktion dieser Prozesse.

Lösung: Mechanismen: - Capping: Das Anlagern von Guanin-Nucleotiden an die mRNA stabilisiert diese (schützt vor Exonucleasen) und erleichtert die Anlagerung der fertigen mRNA an das Ribosom in der Translation (Initiation). - Polyadenylierung: Die Anheftung eines Poly(A)-Schwanzes an die mRNA dient ebenfalls der Stabilität. - konstitutives und alternatives Spleißen: Beim konstitutiven Spleißen wird jedes Intron aus der prä-mRNA herausgeschnitten und jedes Exon mit dem nächsten stromabwärts gelegenen verknüpft. Beim alternativen Spleißen kann es beim Zusammenfügen der Exons zu Umorientierungen, Umlagerungen oder auch zum Auslassen von Exons kommen. Funktion: - Die Stabilität der mRNA hängt von der Länge der Guanin-Nucleotide bzw. des Poly(A)-Schwanzes ab. Je nachdem ob schnell auf eine Situation reagiert werden muss, ist die RNA kurzlebig, bei längeren Prozessen kann sie auch über Stunden stabil sein und dementsprechend öfter abgelesen werden. - Alternatives Spleißen führt dazu, dass die mRNA eines Gens auf verschiedene Art und Weise prozessiert wird und folglich zu vielen unterschiedlichen Proteinen führen kann.

1.4.1 Werten Sie Material 2 aus und entwickeln Sie eine begründete Hypothese über die Funktion von FLC bei der Blühinduktion.

Lösung: Auswertung: Die Menge an FLC-Protein ist abhängig von der Temperatur, die am Standort der Pflanze herrscht. Bei 20 °C ist die FLC-Expression auf einem hohen Level. Mit anhaltender Kälte (4 °C) kommt es zu einem starken Abfall der Expression, sie wird gehemmt. Es wird nur noch wenig FLC-Protein gebildet. Folgt auf die Kälteperiode wieder eine Wärmeperiode, bleibt das FLC-Protein auf einem niedrigen Level und die Pflanze blüht. Hypothese: FLC ist ein Transkriptionsfaktor, der als Repressor der Blütenbildung wirkt.

1.4.2 Erläutern Sie die Auswirkungen der unterschiedlichen Methylierungsmuster auf die FLC-Genaktivität (Material 3).

Lösung: - Die von FRI gesteuerten Methyltransferasen führen zu einer Methylierung an den Histonen der DNA, die als H3Lys4me3 bezeichnet werden. Der entsprechende Chromatinbereich ist nicht so eng gepackt. Die Gene, hier das FLC-Gen, können abgelesen werden. - Werden die von FRI unabhängigen Methyltransferasen aktiviert, kommt es zu einer veränderten Methylierung (H3K27me3), das Chromatin ist dichter gepackt und die FLC-Expression somit gehemmt. FLC hemmt vermutlich die Gene von Blüten-induzierenden Faktoren, da die Pflanze erst bei niedrigem FLC-Level blüht. FLC könnte als Inhibitor/Silencer funktionieren und die Expression der Blüten-induzierenden Gene unterdrücken.