Aufgabe 3 - Teilaufgabe 3 · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Material A: Das Warmblood Fragile Foal Syndrome in der Pferdezucht

Das Warmblood Fragile Foal Syndrome (WFFS) ist eine bei Pferden auftretende Erbkrankheit, die eine unheilbare Bindegewebsstörung zur Folge hat. Von WFFS betroffene Fohlen zeigen bereits unmittelbar nach der Geburt Symptome. Sie erleiden schon in den ersten Lebensstunden Verletzungen der Bänder, Sehnen und Knochen, die kaum heilen und letztlich tödlich sind. Das WFFS wird autosomal-rezessiv vererbt.

Das WFFS gibt es Schätzungen zufolge schon seit 170 Jahren, seit 2011 jedoch werden vermehrt Fälle von WFFS dokumentiert. Etwa sechs bis elf Prozent aller Pferde tragen diesen Gendefekt. Betroffen sind vor allem Pferde, die für den Pferdesport gezüchtet werden. Bei der Zucht wird ein Zuchthengst zur Verpaarung mit verschiedenen Stuten eingesetzt. Man vermutet einen Zusammenhang zwischen der Mutation, die dem WFFS zugrunde liegt, und den bei Sportpferden gewünschten Zuchteigenschaften wie einem besonderen Maß an Beweglichkeit.

Material B: Molekulargenetische Ursachen des WFFS

Bindegewebe besteht zu einem großen Teil aus Kollagen. Kollagen ist ein faserig aufgebautes Protein, das neben dem Aufbau von Bindegewebe – zum Beispiel der Haut, der Blutgefäße, der Sehnen und des Knorpels – auch am Aufbau von Knochen und Zähnen beteiligt ist. Kollagen macht bis zu 25 % des Proteingehalts des menschlichen und tierischen Körpers aus. Das PLOD1 -Gen codiert für das Enzym Lysyl-Hydroxylase 1 (LH1), welches an einem Teilschritt der Synthese von stabilen Kollagenfasern beteiligt ist. Um Erkenntnisse zu den molekulargenetischen Ursachen des WFFS zu gewinnen, wurde das PLOD1 -Gen sequenziert (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang des PLOD1 -Gens eines gesunden und eines an WFFS erkrankten Fohlens.

· Triplett-Nummer

691 · 692 · 693 · 694 · 695 · 696 · 697

Normalallel · TAC · GAG · GGC · GGG · GGC · TGT · CGG · $3'$

Mutiertes Allel · TAC · GAG · GGC · AGG · GGC · TGT · CGG · $3'$

$5' \rightarrow$ · · $\rightarrow 3'$

Material C: Nachweis von WFFS

Im Zusammenhang mit dem WFFS wird empfohlen, Zuchtpferde genetisch testen zu lassen. Dafür wird DNA aus dem Blut oder anderen Geweben der zu testenden Tiere isoliert. Anschließend wird das in Abbildung 1 dargestellte Verfahren genutzt, um die Mutation mithilfe einer speziellen PCR nachzuweisen. Bei dieser Form der PCR kommen zusätzlich zwei Sonden zum Einsatz, die selbst nicht als Primer wirken können. Jede der Sonden ist nukleotidgenau komplementär zu der untersuchten DNA-Sequenz, entweder mit oder ohne Mutation. Die beiden Sonden sind am 5'-Ende mit unterschiedlichen fluoreszierenden Farbstoffen gekoppelt und am 3'-Ende mit einem Entleuchter. Sind sowohl der Farbstoff als auch der Entleuchter an der Sonde gebunden, unterdrückt der Entleuchter die Fluoreszenz des Farbstoffs.

Während der PCR wird die Fluoreszenz im PCR-Ansatz gemessen. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Fluoreszenz-Messwerte, die im Verlauf einer solchen PCR für Pferde mit unterschiedlichen PLOD1 -Genotypen zu erwarten wären.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

3. Beschreiben Sie die zentralen Abschnitte einer PCR und erläutern Sie, welche Aufgabe die fluoreszierenden Sonden bei dem in Abbildung 1 gezeigten Nachweis des WFFS-Allels haben (Material C). Werten Sie auf dieser Grundlage die in Abbildung 2 dargestellten Untersuchungsergebnisse aus (Material C). Leiten Sie mit Begründung Maßnahmen ab, durch die sich die Zahl der WFFS-Fälle bei Sportpferden verringern lässt (Materialien A bis C). [26 Punkte]

a)

b)

c)

d)