Der genetische Fingerabdruck

Der genetische Fingerabdruck Übung

• Definiere die Grundbegriffe des genetischen Fingerabdrucks.

  Tipps

  Das DNA-profiling ist der Prozess der Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks.

  Die Polymerase-Kettenreaktion sowie die Gelelektrophorese sind beides molekularbiologische Methoden, um DNA im Labor zu bearbeiten.

  Lösung

  Beim DNA-profiling wird ein sogenanntes Längenprofil bestimmter DNA-Abschnitte erstellt. Das entstandene DNA-Profil ist für jeden Menschen einzigartig und stellt seinen genetischen Fingerabdruck dar.

  Die nicht-codierenden Bereiche der DNA, die Introns, enthalten DNA-Sequenzwiederholungen, genannt short tandem repeats (STRs). Beim DNA-profiling werden diese Bereiche mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt und anschließend mittels Gelelektrophorese der Größe nach aufgetrennt. Es entsteht das charakteristische DNA-Längenprofil.

• Erkläre den wissenschaftlichen Hintergrund des genetischen Fingerabdrucks.

  Tipps

  Nur ein kleiner Teil der DNA codiert für Proteine.

  Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung erhält der Nachkomme je die Hälfte seines Genoms von einem Elternteil.

  Drei der fünf Antwortmöglichkeiten sind falsch.

  Lösung

  Die ursprüngliche Technik des genetischen Fingerabdrucks nutzte Restriktionsenzyme aus Bakterien und war sehr materialaufwendig und umständlich. Daher wird sie heutzutage kaum noch angewendet.

  99,9 % der DNA-Sequenz sind in jedem Menschen identisch. Die restlichen 0,1 % reichen aus, um Individuen eindeutig voneinander zu unterscheiden.

  Innerhalb der DNA codieren nur 3% für Proteine, der Rest besteht aus nicht-codierenden Introns.

  Innerhalb der Introns befinden sich DNA-Sequenzwiederholungen, sogenannte short tandem repeats (STRs).

  Diese Bereiche werden solchermaßen vererbt, dass je ein STR-Allel vom Vater und ein weiteres von der Mutter weitergegeben wird.

• Stelle den Aufbau und die Funktionsweise der Gelelektrophorese als molekularbiologische Methode dar.

  Tipps

  Kurze DNA-Fragmente wandern schneller als lange, da sie auf weniger Widerstand innerhalb der Netzstruktur der Agarose-Gelmatrix treffen.

  In der Abbildung siehst du ein DNA-Fragment. Welche Ladungen hat es? Wie verhält es sich in einem elektrischen Feld?

  Die Elektroden sind elektrische Leitungen – oft feine Drähte – innerhalb der Becken mit den Pufferlösungen. In der Abbildung sind sie weiß. Ihre Ladung bzw. Polarität ist an ihren Anschlüssen erkennbar.

  Lösung

  Aufbau und Ablauf der Gelelektrophorese

  1. Probentasche
  2. negative Elektrode
  3. positive Elektrode
  4. Laufrichtung
  5. DNA-Probe
  6. Agarose
  7. Gelelektrophorese
  8. lange DNA-Fragmente
  9. kurze DNA-Fragmente

• Untersuche die Verwandtschaftsverhältnisse anhand der genetischen Fingerabdrücke der einzelnen Familienmitglieder.

  Tipps

  Nur 0,1 % der gesamten DNA unterscheiden sich von Mensch zu Mensch mit der Ausnahme von eineiigen Zwillingen.

  Zwei der fünf Aussagen sind falsch.

  Bei der Vererbung von STR-Allelen wird je ein Allel von der Mutter und eines vom Vater an das Kind weitergegeben.

  Lösung

  In dieser Abbildung sind die Banden (braun – CTAAG, lila – GTA) der STR-Bereiche dargestellt, wie sie nach einer Gelelektrophorese sichtbar wären. Je tiefer die Bande, desto kürzer das DNA-Fragment, und damit auch desto kleiner der STR-Bereich. Entsprechend umgekehrt besitzt eine höher gelegene Bande mehr Sequenzwiederholungen.

  Folgende Aussagen können durch den Vergleich der STR-Bereiche für die Familie verifiziert, also bestätigt, werden:

  • Beide Kinder entstammen einer Eizelle. Sie sind also eineiige Zwillinge. Ihre DNA ist identisch.
  • Die Basensequenzen der STR-Bereiche lauten CTAAG und GTA. Jene werden drei bis acht mal wiederholt.
  • Die Geschlechter der Kinder sind nicht ersichtlich, doch beide wurden adoptiert. Dies ist erkennbar, da keinerlei Übereinstimmung in der Anzahl der Basensequenzwiederholungen zu den Eltern besteht. Das biologische Geschlecht einer Person kann über andere Methoden – wie beispielsweise durch ein Karyogramm – ermittelt werden.

• Beschreibe den Ablauf des DNA-profiling.

  Tipps

  Die Abschnitte der DNA, welche für das DNA-profiling genutzt werden, sind sie sogenannten Short Tandem Repeats, die sich aus Wiederholungen derselben kurzen Basenfolge zusammensetzen.

  Bei der Polymerase-Kettenreaktion werden DNA-Fragmente vervielfältigt, bei der Gelelektrophorese nach Größe aufgetrennt.

  Lösung

  Ablauf des DNA-Profiling

  1. Zunächst wird eine DNA-Probe benötigt, aus der das Erbgut der untersuchten Person isoliert werden kann. Häufig wird Erbmaterial aus Blut, Mundschleimhautzellen oder Sperma gewonnen.
  2. Im nächsten Schritt werden die STR-Bereiche der DNA vervielfältigt. Die genutzte Methode ist die Polymerase-Kettenreaktion – kurz: PCR. Es entstehen viele DNA-Fragmente mit unterschiedlicher Länge.
  3. Diese Fragmente werden bei der Gelelektrophorese nach Größe aufgetrennt. Dazu wird elektrische Spannung angelegt, was die negativ geladenen Bruchstücke dazu veranlasst, im Agarose-Gel zur positiv geladenen Elektrode zu wandern.
  4. Es entsteht das typische Muster, wobei jede Bande für zahlreiche DNA-Stücke mit gleicher Länge steht. Dieses Muster ist für jeden Menschen individuell und stellt seinen genetischen Fingerabdruck dar.

• Analysiere die genetischen Fingerabdrücke und löse das Verbrechen auf.

  Tipps

  Bedenke, dass sich an einem Tatort DNA-Spuren von mehreren Personen befinden können.

  Befinden sich an einem Tatort DNA-Spuren, so müssen sämtliche Banden mit denen der verdächtigten Person übereinstimmen, um sie eindeutig identifizieren zu können.

  Lösung

  Rekonstruktion des Tathergangs:

  Person A und Person B fuhren im Auto zum Haus des Opfers. Dort sollte Person B etwas für Person A stehlen. Im Haus eingebrochen, wurde Person B vom Opfer schreiend und kratzend überrascht. Person B überwältigte das Opfer in einem Kampf mithilfe des Grillspießes in der Küche. Verletzt und ohne Beute zog sich Person B in das Fluchtfahrzeug von Person A zurück. Beide flohen gemeinsam, bevor die Polizei eintraf.

  Der Bandenvergleich verschiedener DNA-Spuren aus den Räumen Wohnzimmer, Küche und Schlafzimmer zeigte, dass sich im Wohnzimmer und im Schlafzimmer nur DNA des Opfers befand. In der Küche dagegen fand sich auch DNA des kriminellen Subjektes, welches als Person B identifiziert wurde.

  In der Küche, dem Tatort, wurden verschiedene Küchengeräte wie ein Messer, eine Schere, ein Grillspieß und eine Gabel auf Spuren untersucht. Am Grillspieß konnte Blut des Opfers festgestellt werden. Person B griff das Opfer also anscheinend mit dem Grillspieß an.

  Das Opfer wehrte sich und es kam zum Kampf, in dessen Verlauf durch Kratzen Hautfetzen von Person B unter die Fingernägel des Opfers gelangten. Mit so viel Gegenwehr hatte Person B nicht gerechnet. Als das Opfer überwältigt schien, zog sich Person B in das Auto von Person A zurück und beide flohen gemeinsam. Im Fluchtauto finden sich zusätzlich zu DNA-Spuren von Person B auch noch Spuren von Person A. Da in der Wohnung des Opfers nur DNA-Spuren von Opfer und Person B zu finden waren, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit gesagt werden, dass der Raubüberfall von Person B durchgeführt wurde. Person A lieferte das Motiv, das Fluchtauto und das falsche Alibi.