Schuljahr 2016/17 "Gene, Genetik und Gentechnologie"

Einführungsblock

Bei diesem Treffen sind zwei Fragen offen geblieben, die ich hier beantworten möchte. Dazu habe ich die Fachliteratur durchsucht, die in der Biologie fast ausschließlich englischsprachig ist.

1. Wodurch ist die etwas höhere Zahl von neugeborenen Jungen gegenüber Mädchen (ca. 51,3% gegenüber 48,7%) bedingt?
   Letztes Jahr ist dazu eine interessante Publikation erschienen (Orzack et al., 2015), in der gezeigt wird, dass zum Zeitpunkt der Befruchtung der Eizelle gleich viele männliche wie weibliche Zellen vorhanden sind. Allerdings haben die daraus entstehenden Föten im Laufe der Schwangerschaft unterschiedliche Überlebenschancen zu verschiedenen Stadien der Schwangerschaft, was am Ende zu der beobachteten leichten Überzahl an neugeborenen Jungen führt. In einem Kommentarartikel werden diese Erkenntnisse zusammengefasst (Austad, 2015).
2. Wie ändert sich die Haar- und Augenfarbe im Laufe der Kindheit?
   Zu diesem Thema habe ich erstaunlich wenig wissenschaftliche Literatur gefunden. Die einzigen umfangreicheren Arbeiten wurden Mitte der 70er Jahre von zwei Wissenschaftlern in Kentucky an einer großen Zahl von ein- und zweieiigen Zwillingen durchgeführt. Dazu haben sie einen Artikel zur Änderung der Haarfarbe in der frühen Kindheit (Matheny & Dolan, 1975-1), und einen Artikel zur Änderung der Augenfarbe veröffentlicht (Matheny & Dolan, 1975-2). Zusammengefasst kann man sagen, dass in beiden Fällen die Farben innerhalb der ersten 6 Jahre eher dunkler werden, was man mit der zunehmenden Produktion von Melanin erklären kann.
   Die zugrundeliegenden genetischen Ursachen für Unterschiede in der Farbe sind für die Augen wesentlich besser untersucht als für die Haarfarben. Wer sich mal an einen englischsprschigen wissenschaftlichen Text heranwagen möchte, der kann den Stand des derzeitigen Wissens in der Publikation von Sturm & Larson (2009) erfahren.

Selbstgewähltes Thema "Unsterblichkeit" mit Gastreferent Prof. Charles David

Dieses Thema ist außerordentlich interessant und gleichzeitig vielschichtig. Es geht um ganz verschiedene Fragen, die alle miteinander in Verbindung stehen:

1. Einzeller sind prinzipiell unsterblich, mehrzellige Organismen meistens nicht. Warum ist das so?
2. Auch unter den Mehrzellern gibt es Organismen, die prinzipiell unsterblich sind, wie z.B. den Süßwasserpolypen Hydra. Wie schaffen sie das?
3. Auch in sterblichen mehrzelligen Organismen gibt es unsterbliche Zellen: die Zellen der Keimbahn. Was unterscheidet sie von den restlichen (somatischen) Körperzellen?
4. Viele mehrzelligen Organismen altern, genauso wie die Zellen in diesen Organismen. Was ist Altern eigentlich und wodurch wird es ausgelöst?
5. Warum werden Organismen unterschiedlich alt?
6. Können wir aus den Erkenntnissen von anderen Organismen lernen, um den Alterungsprozess bei Menschen zu verlangsamen? Können Menschen unendlich alt oder unsterblich werden?

Wie Ihr seht, macht es bei der Frage nach Unsterblichkeit Sinn, sich zuerst einmal Organismen genauer anzuschauen, die prinzipiell unsterblich sind, um zu verstehen, was Sterblichkeit bedeutet. Ein sehr interessanter Organismus ist dabei der oben schon erwähnte Süßwasserpolyp Hydra. Ich habe euch zwei kurze, einfache Texte heraus gesucht, die eine schöne Einführung in das Thema geben (Holstein 2012, Wilhelm 2015). Wer sich an die gesamte Komplexität des Themas heranwagen wöchte, für den habe ich einen hervoragenden (allerdings auch nicht ganz einfach zu lesenden) wissenschaftlichen Artikel gefunden (Patralia et al. 2014), in dem das Thema umfassend behandelt wird und auch die Konsequenzen für den Menschen angesprochen werden.

Lest Euch die Texte durch und macht Euch Notizen zu allen Fragen, die wir zunächst am 13.01.17 und 27.01.17 untereinander, und am 10.02.17 mit unserem Gastreferenten Prof. Charles David bespechen wollen.

Außerdem ist hier ein Link zu einer Webseite mit einer recht interessanten Geschichte zum Thema Unsterblichkeit (vielen Dank an Isabella).

Wir wollen folgende Punkte besprechen und verstehen:

• Warum verkürzen sich die Chromosomen bei der Vervielfältigung? (Johannes)
• Warum führt die Chromosomenverkürzung zum Zelltod? (Andreas)
• Was ist die Telomerase und was macht sie? (Andreas)
• Was ist Zellalterung und wodurch wird sie beeinflusst? (Andreas)
• Was sind multi-, toti- und pluripotente Zellen und wodurch unterscheiden sie sich von ausdifferenzierten Zellen ? (Johannes und Michael)
• Altern Zellen beim Wundverschluss? (Andreas)
• Wie entstehen Krebszellen? (Andreas)
• Was passiert mit Krebszellen im Gewebe? (Andreas)

• Warum hat sich die Unsterblichkeit in der Evolution nicht durchgesetzt?
• Welche Auswirkungen hätte es auf die Evolution, wenn alle Lebewesen unsterblich wären?
• Welche psychologischen Auswirkungen hätte Unsterblichkeit?

Prof. David ist einer der führenden Hydra-Forscher der letzten 40 Jahre (Link zur Webseite seines Labors). Er wird uns unter anderem folgende Fragen beantworten:

• Wie ist Hydra aufgebaut? Wie und von was lebt Hydra?
• An welchen Themen wird an Hydra geforscht und mit welchem Ziel?
• Welche Methoden werden dabei eingesetzt?
• Inwiefern kann man die gewonnenen Ergebnisse auf den Menschen übertragen?
• Wie viele ZellenHydra-Zellen müssen noch vorhanden sein, damit es sich wieder vollständig regenerieren kann?
• Gibt es bei Hydra bestimmte Anpassungen an die Unsterblichkeit?
• Inwiefern ist die Unsterblichkeit von Hydra in der natürlichen Umgebung relevant?

Thema "Biotechnologie" mit Exkursion (Roche Penzberg)

In der ersten Sitzung haben wir folgende Fragen geklärt, um die es bei unserem Besuch gehen wird:

1. Was versteht man unter personalisierter Medizin?
2. Was ist ein Antikörper?
3. Wie kann man Antikörper in der Diagnostik einsetzen?
4. Wie kann man Antikörper in der Krebstherapie einsetzen?
5. Wie stellt man Antikörper industriell her?
6. Wozu braucht man in der Pharmaindustrie Tierversuche?

1. Wie effektiv ist es Antikörper z.B. in der Krebstherapie einzusetzen?
2. Wo liegen Probleme bei diesem Einsatz?
3. Wie können Nebenwirkungen verhindert werden?
4. Welche Methode bei der Produktion von Antikörpern ist am besten?
5. Warum sind Antikörper nur eine begrenzte Zeit wirksam?

• Antikörperproteine bestehen jeweils aus einer schweren und einer leichten Aminosäurekette, die jeweils aus einem konstanten Teil  (von dem es jeweils zwei Varianten gibt ) und aus einem varablen Teil bestehen, wobei der variable Teil z.B. bei den schweren Ketten aus jeweils einer V-Region (V = "variabel), einer D-Region (D = "divers") und einer J-Region (J = "joining") zusammengesetzt wird. Nachdem es dort 44 verschiedene V-Regionen, 27 verschiedene D-Regionen und 4 verschiedene J-Regionen gibt, kommt man insgesamt auf 3x10¹¹ theoretische Möglichkeiten, wie Antikörper aufgebaut sein können, also eine enorme Vielfalt, durch die alle möglichen Antigene erkannt werden können.

• Die drei wichtigsten Antikörper, die man kennen sollte, sind:
  Immunglobulin G (IgG), das sind die klassischen monomeren Antikörper, die vor allem im Blut zirkulieren und dort vergleichsweise lange erhalten bleiben. Diese Antikörper werden einige Wochen nach einer durchstandenen Infaktion oder nach einer Impfung gebildet.
  Immunglobulin M (IgM), das sind Komplexe aus 5 Antikörpern (Pentamere), die entsprechend dann 10 Bindestellen für das Antigen besitzen und deswegen diese Antigene stark verklumpen können. Diese Antikörper werden beim Erstkontakt mit Antigenen gebildet, zeigen also eine frische Infektion an.
  Immunglobulin A (IgA) sind dimere Antikörper, die auf Schleimhäuten vorkommen und vor allem vor Krankheitserregern schützen.

• Bei der Pockenimpfung mit Rinderpocken hatte ich mich im Entdecker geirrt. Diese Art der Impfung wurde von dem englischen Arzt Edward Jenner im Jahre 1796 vorgeschlagen. Der Wiener Arzt Ignaz Semmelweis hat dagegen erkannt, dass Infektionen in Krankenhäusern oft durch Ärzte und Pflegepersonal übertragen werden und schlug im Jahr 1847 erstmals Hygienemaßnahmen in Kliniken vor.

Laborpraktikum zum Thema "Molekularbiologie"

Am 23. und 24.06.17 werden wir die Gelegenheit haben, am Biozentrum der LMU in einem molekularbiologischen Labor eigenständig zu forschen. Dabei werden wir

• aus unterschiedlichen Organismen genomische DNA isolieren,
• Bereiche dieser DNA mittels der Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigen,
• die DNA-Sequenzen dieser vervielfältigten DNA-Stücke bestimmen, und
• diese Sequenzen entweder untereinander oder mit bereits bekannten Sequenzen in Datenbanken vergleichen.

Aus welchen Organismen Ihr DNA extrahiert und welche DNA-Bereiche Ihr vervielfältigt und sequenzanalysiert, bleibt Euch überlassen.

Protokoll von Sabrina Schrötter

Vortragsfolien

Vorgeschlagene Versuche:

• Melanie schlägt vor, Lebensmittel darauf zu testen, ob sie gentechnisch veränderte Inhaltsstoffe enthalten. Dazu hat sie einen interessanten Artikel gefunden
• Alle weiteren Vorschläge siehe Protokoll

Gebildete Versuchsgruppen:

• Genetische Analyse von Nahrungsmitteln (5 Teilnehmer)
  Hier soll bei Zimt und Sushi-Fisch getestet werden, um welche Arten es sich jeweils handelt (Swetha 2014, Asif & Cannon 2005).
• Menschliche Abstammungsanalyse anhand der hypervariablen Regionen in der mitochondriellen DNA (5 Teilnehmer)
  (Dimo-Simonin 2000)
• Detektivarbeit (7 Teilnehmer)
  Genetischer Vergleich der DNA aus Speichelproben (Pötter 2003)
• Bestimmung der Blutgruppe durch DNA-Sequenzierung (3 Teilnehmer)
• Analyse der Bakterien im Mundraum (2 Teilnehmer)
  Vergleich der Bakterien im Mundraum, die für Karies verantwortlich sind, z.B. vor dem Zähneputzen und nach dem Zähneputzen.

Versuchsprotokolle:

• Ein einfacher Einstiegsversuch, um das Arbeiten mit Mikroliterpipetten zu üben; diesen Versuch werden wir alle zu Beginn durchführen
• Präparation menschlicher DNA
• DNA-Isolation aus Pflanzenmaterial
• Protokoll für die PCR mit Taq-Polymerase
• Protokoll zur Aufreinigung von PCR-Produkten
• Protokoll zur Abgabe von Proben für die DNA-Sequenzierung
• Protokoll zur Amplifikation der ITS-Region bei Pflanzen

Versuchsprotokolle und Daten der einzelnen Gruppen:

• Detektivarbeit (Gelfoto 1, 2 und 3; Sequenzdaten)
• Analyse von Zimt (Gelfoto 1 und 2)
• Analyse von Zahnbakterien (Gelfoto; Sequenzdaten)
• Sushi-Check (Gelfoto; Sequenzdaten)
• Analyse mitochondrieller DNA (Abstammungsanalyse) (Gelfoto; Sequenzdaten; Sequenzdaten der Wiederholung)
• Blutgruppenbestimmung (Gelfoto; Sequenzdaten)

Abschlussveranstaltung