5.4 Vervielfältigung von DNA: Der genetische Fingerabdruck

Biologie 11, Herr Blaurock
5.4 Vervielfältigung von DNA: Die Polymerase-Kettenreaktion
Die Polymerase-Kettenreation (PCR) ist eines der wichtigsten Verfahren in der modernen
Gentechnik. Mithilfe der PCR können quasi beliebige DNA-Abschnitte in kurzer Zeit und
vollautomatisiert vervielfältigt werden. Die Grundsätzlichen Schritte wurden bereits besprochen:
1. Durch starkes Erhitzen auf 95°C wird die Doppelstrang-DNA in der Probe in zwei
Einzelstränge aufgeteilt (denaturiert)
2. Die Temperatur wird auf 65°C gesenkt, damit sich die Primer (kurze DNA-Abschnitte) an
komplementäre DNA-Bereiche anlagern können.
3. Ausgehend von den Primern synthetisiert die Polymerase bei 72°C mithilfe der im Gemisch
enthaltenen DNA-Bausteine einen neuen DNA-Strang in 5‘-Richtung (bis zum Ende der
Vorlage)
4. Durch die vielfache Wiederholung des Vorgangs werden zahlreiche Kopien der DNA erstellt.
Aufgabe: Ergänze die Grafik unten, um alle Informationen aus der Beschreibung der PCR oben
abzubilden (Tipp: Die Pfeile entsprechen den Vorgängen. Stelle als Bild immer das Ergebnis dar)
1.
Biologie 11, Herr Blaurock
5.4 Vervielfältigung von DNA: Der genetische Fingerabdruck
Bei der Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks werden bestimmte
Abschnitte des Genoms vervielfältigt und untersucht. Diese Abschnitte haben
die Gemeinsamkeit, dass sie nicht die Information für ein Merkmal tragen
(nicht-codierende Bereiche). Es handelt sich hierbei um kurze Basenabfolgen,
die mehrfach wiederholt werden (sogenannte short tandem repeats, kurz
STR). Da sich die STRs in jedem Menschen bezüglich ihrer Anzahl und Länge
unterscheiden, ergibt die aufgetrennte Darstellung einen sogenannten
„genetischen Fingerabdruck“ einer Person. Der Vergleich von 5-10 STRs reicht
theoretisch schon aus, um jeden Menschen auf der Welt eindeutig zu
identifizieren (Ausnahme: eineiige Zwillinge).
Durch die geschickte Primerauswahl können gezielte STRs
vervielfacht werden um die anschließend zu untersuchen.
Aufgabe: Erstelle für die oben dargestellten STRs geeignete
Primer mit 5 Basen Länge (rechts ist das 3‘-Ende, links das
5‘-Ende). Beachte, dass hier nur ein Strang dargestellt ist!
Beispiel 1:
5‘-ATATA-3‘
und
3‘-ATATA-5‘
Beispiel 2:
5‘-TACTA-3‘
und
3‘-TGATG-5‘
Beispiel 3:
5‘-GCAGG-3‘
und
3‘-CCGTC-5‘
Beispiel 4:
5‘-TTAAC-3‘
und
3‘-AATTG-5‘
Die Gelelektrophorese
Zur Erstellung einer Auftrennung wie oben werden die STR-Duplikate aller Proben auf eine Startlinie
einer Gelplatte gegeben. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung werden dann die DNAMoleküle zum anderen Ende des Gels bewegt. Je nach Größe des Moleküls können sich die DNAAbschnitte mehr oder weniger gut durch das Gel bewegen, mit der Zeit teilen sie sich also auf:
Längere Moleküle sind noch nicht weit von der Startlinie weggekommen, kleinere Moleküle hingegen
schon. Meist lässt man zur Zuordnung noch eine weitere Probe mitlaufen, deren Molekülgrößen
bekannt sind. Dieses Verfahren bezeichnet man als Gelelektrophorese.
Anwendung des genetischen Fingerabdrucks
Die zwei häufigsten Anwendungen des genetischen Fingerabdrucks sind in der Kriminalistik und bei
Vaterschaftstests. In der Kriminalistik werden häufig Erbgutspuren von Objekten am Tatort mit dem
Erbgut von Verdächtigen verglichen um zusätzliche Beweismittel zu liefern. Hierbei wird schlicht auf
die exakte Übereinstimmung der Bandenmuster geachtet.
Der Vaterschaftstest ist etwas komplizierter. STRs werden, wie alles andere Erbgut auch, mit den
jeweiligen Chromosomen nach den Mendel’schen Regeln vererbt. Die STRs auf den homologen
Chromosomen stammen also jeweils vom Vater und der Mutter (Jeder Mensch hat also zwei
verschiedene Banden für jede STR-Region, eine pro Chromosom). Vergleicht man also das
Bandenmuster eines Kindes mit den Eltern, treten die Hälfte der Banden der Mutter und die Hälfte
der Banden des Vaters auf.
Aufgabe: In der Abbildung oben sind vergleichbare Abschnitte aus dem genetischen Fingerabdruck
einer Mutter (M), ihrer Tochter (T) und drei möglicher Väter (V) wiedergegeben. Begründe, welcher
Mann der leibliche Vater ist.