Abitraining Biologie Klausur Grundkurs 3
Thema: Ivermectin-Überempfindlichkeit bei Hunden
Orientierungen zur Lösung
Aufgabe 1: Beschreiben Sie die Abläufe an einer hemmenden chemischen Synapse und erklären Sie auf molekularer Ebene die Wirkung von Ivermectin bei Wirbellosen (Material A).
Teil 1) die Abläufe an einer hemmenden chemischen Synapse beschreiben:
● Ein an der präsynaptischen Membran ankommendes Aktionspotential löst im Endknöpfchen die Öffnung spannungsgesteuerter Calciumionen-Kanäle aus.
● Der Einstrom der Calciumionen sorgt dafür, dass die mit Transmitter gefüllten Vesikel zur präsynaptischen Membran wandern und mit ihr fusionieren. Der Transmitter wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
● Er gelangt durch Diffusion an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und bewirkt durch die Anlagerung ein Öffnen der Chloridionen-Kanäle.
● Dadurch kommt es zur Hyperpolarisation der Postsynapse. Ein IPSP entsteht, das sich passiv unter Abschwächung ausbreitet.
Teil 2) die Wirkung von Ivermectin bei Wirbellosen auf molekularer Ebene erklären:
● Die Öffnung der Glutamat-gesteuerten Chloridionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran durch Ivermectin bewirkt einen dauerhaften Chloridionen-Einstrom in die Postsynapse, ohne dass eine Ausschüttung der Neurotransmitter erfolgt sein muss.
● Die dauerhafte Hyperpolarisation (IPSP) in der postsynaptischen Zelle wird bis zum Axonhügel weitergeleitet und dort mit Depolarisationen (EPSP) verrechnet.
● Aufgrund der verstärkten Hemmung wird in der postsynaptischen Zelle der Schwellenwert zum Auslösen von Aktionspotentialen seltener oder gar nicht erreicht. Dies kann zum Tod der Tiere führen.
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Aufgabe 2: Vergleichen Sie die Verteilung von Ivermectin in den verschiedenen Geweben der Mäuse (Tabelle 1) und leiten Sie die Funktion des MDR1-Proteins bei Säugetieren ab (Materialien A und B). Ermitteln Sie die Aminosäuresequenz der in Tabelle 2 dargestellten DNA-Sequenzen sowie den Mutationstyp (Materialien C und E). Erläutern Sie die Auswirkungen für das MDR1-Protein und die betroffenen Hunde (Materialien A bis C).
Teil 1) die Verteilung von Ivermectin in den verschiedenen Geweben der Mäuse (Tabelle 1) vergleichen:
● Bei gentechnisch veränderten Mäusen mit ausgeschaltetem MDR1-Gen sind in allen untersuchten Geweben höhere Mengen von Ivermectin vorhanden.
● Insbesondere im Gehirn der gentechnisch veränderten Mäuse ist Ivermectin etwa 90fach höher konzentriert als bei den Wildtyp-Mäusen.
● Die Ivermectin-Konzentration in Leber und Fettgewebe ist besonders hoch mit fast 500 ng/g.
Teil 2) die Funktion des MDR1-Proteins bei Säugetieren ableiten:
● Das MDR1-Protein transportiert körperfremde Stoffe aus unterschiedlichen Geweben zurück in das Blut. Es ist insbesondere in den Blutgefäßwänden der Blut-Hirn-Schranke wichtig. So wird das dauerhafte Eindringen körperfremder Stoffe in das Nervengewebe des Gehirns unterbunden und das Gehirn und das Rückenmark vor diesen Stoffen geschützt.
● Ivermectin ist ein fettlöslicher Stoff, der durch die Membran der Blutgefäßzellen in ihr Inneres und von dort ins Gehirn gelangen kann. Das MDR1-Protein bindet Ivermectin und transportiert es wieder zurück ins Blut, sodass Ivermectin nicht oder nur in geringem Maß ins Gehirn und andere Gewebe gelangt.
Teil 3) die Aminosäuresequenz der in Tabelle 2 dargestellten DNA-Sequenzen und den Mutationstyp ermitteln:
● Die Aminosäuresequenz für das Wildtyp-Allel:
AS Gly-Asn-Met-Thr-Asp-Ser-Phe-Ala-Asn
● Die Aminosäuresequenz für das mutierte Allel:
AS Gly-Asn-Met-Thr-Ala-Leu-Gln-Met
● Das veränderte MDR1-Protein bei Collies weist ab der 77. Position eine vom Wildtyp-Protein abweichende Aminosäuresequenz auf.
● Beim veränderten MDR1-Allel liegt eine Deletion von vier Nukleotiden vor. Dies führt zu einem veränderten Leseraster. Es handelt sich daher um eine Rasterschubmutation.
Teil 4) die Auswirkungen für das MDR1-Protein und die betroffenen Hunde erläutern:
● Aufgrund der veränderten Abfolge von Aminosäuren ab der 77. Position wird die Raumstruktur des gebildeten Proteins sehr wahrscheinlich nicht funktional aufgebaut sein.
● Möglicherweise können auch Stopp-Codons zur Verkürzung der Polypeptidkette führen.
● Das vom veränderten Allel codierte MDR1-Protein ist funktionslos und kann keine körperfremden Stoffe aus den Blutgefäßwänden zurück in die Blutbahn transportieren.
● Die betroffenen, homozygoten Hunde haben kein funktionsfähiges MDR1-Protein und daher im Zentralnervensystem nach einer Ivermectin-Behandlung aufgrund des fehlenden Transportproteins erhöhte Ivermectin-Konzentrationen.
● Bei den betroffenen Hunden tritt eine stark erhöhte Ivermectin-Konzentration im Gehirn auf, da durch das Fehlen des MDR1-Proteins kein Rücktransport aus den Zellen der Blutgefäßwände stattfindet.
● Die hohen Ivermectin-Konzentrationen im Gehirn können dazu führen, dass Ivermectin an die GABA-gesteuerten Chloridionen-Kanäle bindet und eine übermäßige Hemmung der postsynaptischen Zellen bewirkt. Dies erklärt die Symptome der Ivermectin-überempfindlichen Hunde wie Bewegungsstörungen, Benommenheit und manchmal auch Koma.
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Aufgabe 3: Stellen Sie die wesentlichen Schritte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) dar und erklären Sie die Funktion der Primer im dargestellten Diagnoseverfahren (Abbildung 1, Materialien C und D). Werten Sie Abbildung 2 im Hinblick auf die Genotypen der untersuchten Hunde aus (Material D). Erläutern Sie mögliche Konsequenzen für die Hundezucht (Materialien A bis D).
Teil 1) die wesentlichen Schritte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) darstellen:
1. Denaturierung: Die beiden Stränge der DNA werden durch Erhitzen auf etwa 95 °C voneinander getrennt, da sich die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen lösen.
2. Bei der Hybridisierung lagern sich bei etwa 55 °C bis 60 °C die Primer komplementär an den zu vervielfältigenden DNA-Abschnitt an.
3. Bei der Polymerisation synthetisiert die Taq-Polymerase bei etwa 72 °C ausgehend vom 3ʹ-Ende des Primers den zur Matrizen-DNA komplementären DNA-Strang.
4. Dieses Temperaturprofil wird in gewünschter Zyklus-Anzahl wiederholt.
Teil 2) die Funktion der Primer im dargestellten Diagnoseverfahren erklären:
● Es werden zwei verschiedene Primer-Paare verwendet, die aufgrund der unterschiedlichen Sequenzen des jeweiligen Primers 1 spezifisch für das Wildtyp-Allel oder das mutierte Allel sind.
● Die vervielfältigten Bereiche sind so gewählt, dass unterschiedlich große PCR-Fragmente entstehen. So können Wildtyp-Allel und mutiertes Allel in zwei PCR-Reaktionen der Proben-DNA eines Hundes detektiert werden.
Teil 3) Abbildung 2 im Hinblick auf die Genotypen der untersuchten Hunde auswerten:
● Bei Hund 1 ist kein PCR-Produkt des Wildtyp-Allels nachweisbar, allerdings das PCR-Produkt des mutierten Allels. Es handelt sich um einen homozygoten Hund
mit zwei mutierten Allelen.
● Bei den Hunden 2 und 3 sind die PCR-Produkte des Wildtyp-Allels und des veränderten Allels nachweisbar. Es sind heterozygote Hunde.
● Bei Hund 4 tritt kein PCR-Produkt des mutierten Allels auf, allerdings das PCR-Produkt des Wildtyp-Allels. Dieser Hund besitzt zwei Wildtyp-Allele.
Teil 3) mögliche Konsequenzen für die Hundezucht erläutern:
● Durch diese PCR-Methode liegt eine Diagnosemöglichkeit vor, um heterozygote Anlageträger zu identifizieren. Diese erkranken nicht selbst, geben aber mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % die Anlage weiter.
● Bevor Hunde betroffener Rassen wie etwa Collies zur Zucht zugelassen werden, sollte ein PCR-Test durchgeführt werden. Ziel muss sein, die Häufigkeit des veränderten Allels in der Rasse zu verringern.
● Züchter sollten die Käufer von Hunden mit Anlage zur Ivermectin-Überempfindlichkeit auf mögliche Gefahren hinweisen. In diesem Fall müssen alternative Mittel zur Parasitenbekämpfung eingesetzt werden.