Kristin Menke

Schnelle Anpassung durch Epigenetik

Kristin Menke

Unterrichtsvoraussetzung:
Proteinbiosynthese, Genregulation bei Eukaryoten, Transkriptionsfaktoren, epigenetische Modifikation durch DNA-Methylierung, Selektionsfaktoren und Evolution
Lösungshinweise und Anforderungsbereiche:
Aufgabe 1
Transkriptionsfaktoren können positiv oder negativ regulierend auf die Transkription eines oder mehrerer Gene einwirken. Einerseits binden sie an besondere Sequenzabschnitte der DNA in der Region eines Promotors. Aber auch weiter entfernte DNA-Sequenzen (enhancer und silencer) haben regulatorischen Einfluss, indem sie an die Transkriptionsfaktoren binden. Andererseits nehmen die Transkriptionsfaktoren auch Kontakt mit der RNA-Polymerase sowie weiteren Proteinen auf. Alle diese Verbindungen bewirken schließlich Änderungen der Aktivität der vom Promotor aus startenden RNA-Polymerase. (AFB I)
Aufgabe 2
Durch die Methylierung wird die Raumstruktur der DNA am Promotor verändert. Die Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase können nicht mehr binden und die Transkription wird blockiert. (AFB II)
Aufgabe 3
Bei Meerschweinchenvätern ohne Hitzebehandlung hat sich das Methylierungsmuster in den Leberzellen der F1-Söhne nicht verändert. Wurden die Männchen dagegen einer Hitzebehandlung unterzogen, so waren bei der DNA der F1-Söhne einige Methylgruppen entfernt und andere Stellen der DNA neu methyliert. (AFB I)
Aufgabe 4
Der Grad der Methylierung hat sich durch die Hitzebehandlung von dem Mittelwert von 20% (F1-Kontrolle) auf den Mittelwert von über 35% bei den F1-Söhnen erhöht (Abb. 4a). Bei der m-RNA Expression ist es gerade umgekehrt. Hier verringert sich der Mittelwert von 0,6 auf 0,3 durch die Hitzebehandlung der Väter (Abb.4b). (AFB I)
Bezieht man sich auf Abbildung2, so wird durch die Methylierung die Bildung von m-RNA (Genexpression) blockiert. Mit wachsender Methylierung sinkt demnach die Transkriptionsrate und damit die Genexpression. Es werden bestimmte Proteine in geringem Maße synthetisiert. Dies hat Einfluss auf die Stoffwechselprozesse in der Leber. (AFB II)
Aufgabe 5
Durch Methylierung und Demethylierung der DNA können sich Lebewesen an veränderte Umweltbedingungen schnell anpassen. Meerschweinchenväter sind in der Lage, ihre internen Stoffwechselabläufe an gestiegene Temperaturen anzupassen und diese Erfahrung unmittelbar an ihre Nachkommen weiterzugeben. Dadurch werden die Meerschweinchensöhne auf den Umgang mit veränderten Temperaturen vorbereitet, indem die epigenetische Information von den Vätern übertragen wird. Dies spielt besonders bei Meerschweinchenvätern eine Rolle, da sich diese bei der Reviersuche schnell an neue Umweltbedingungen anpassen müssen. Epigenetische Mechanismen könnten daher entscheidend für die Fitness und das Überleben der Nachkommen sein. (AFB III)
Literatur
Kegel, B. 2016. Das interaktive Buch des Lebens. Spektrum der Wissenschaft Highlights 2/16 (2016): Gene und Umwelt, S.16
Weyrich, Alexandra u.a. 2016. Paternal heat exposure causes DNA methylation and Gene expression changes of Stat3, in Wild guinea pig sons. Ecology and Evolution 6(9). S.26572666.
Weyrich, A. u.a. 2015. Paternal intergenerational epigenetic response to heat exposure in male Wild guinea pigs. Molecular Ecology. 25(8), S.17291740. DOI: 10.1111/mec.13494.
Baron/Braun/Erdmann u.a. 2012. Grüne Reihe Genetik, Schroedel, Braunschweig.
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 455 / 2020

Pflanzenevolution

Beitrag aus Zeitschrift Unterricht Biologie Schuljahr 11-13