Wie funktioniert die Gelelektrophorese?
Hallo an alle,
ich schreibe demnächst eine Bioklausur und unter anderem müssen wir da auch die PCR-Methode beschreiben und mithilfe der Gelelektrophorese auf die Basensequenz schließen bzw. Rückschlüsse auf einen Verwandtschaftsgrad oder eine Krankheit ziehen. Wie kann man das ablesen? Ich hab das Prinzip eigentlich verstanden, also dass die Molekülabschnitte, also die Gene, weiter laufen je kürzer sie sind, aber das sagt doch nur etwas über die Länge der Gene aus und nicht über die Basensequenz oder? Bei einem Vaterschaftstest z.B. könnten doch die zu vergleichenden Gene von Vater und Kind gleich weit „laufen“ aber eine eine unterschiedliche Basensequenz haben, was bedeuten würde, dass beide nicht miteinander verwandt sind?
Vielen Dank schonmal im Voraus!
1 Antwort
Hi,
du hast hier drei Themen (Gelektrophorese, PCR, Vaterschaftsgutachten) in einer Frage kombiniert. Daher nur jeweils kurz, sage dir aber gern, wonach du (weiter) suchen musst, um dich mehr einzulesen, sonst würde die Antwort den Rahmen sprengen.
Die Gelektrophorese ist ein Trennverfahren, bei dem DNA-Fragmente im elektrischen Feld durch eine Gelmatrix wandern und aufgetrennt werden.
DNA hat eine negative Nettoladung und wandert im elektrischen Feld (Gleichspannung) zum positiven Pol (zur Anode). Wenn sie veranlasst wird durch eine Gelmatrix zu wandern (z.B. Agarose), dann wandern kleine DNA-Stücke aufgrund ihres geringeren Molekulargewichts schneller im elektrischen Feld durch das Gel, als längere (schwerere) DNA-Fragmente. Nach einiger Zeit ist ein Gemisch aus DNA-Fragmenten unterschiedlicher Länge in "Banden" unterschiedlicher Laufgeschwindigkeit auseinandergezogen, wo sich in jeder Bande DNA definierter gleicher Länge befindet. Wenn man Fragmente in einer Spur (meistens am Rand der Elektrophorese-Platte) mitlaufen lässt, deren Länge bekannt ist, kann man die in den Versuchs-Banden enthaltene DNA längenmäßig bestimmen z.B.: https://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Leiter
Anhand der Fragmentlänge wissen wir nicht unbedingt was draufsteht, das hattest du angesprochen, weil sie nicht sequenziert wurde, so dein Einwand. Daran setze ich nun an und gehe zwei Wege, die musst du nachlesen und vertiefen für deine Klausur, wahrscheinlich aber insbesondere den 2.
1.) Es gibt das Phänomen, dass wenn man die DNA einer Person mit einer bestimmten "enzymatischen Schere", einem sog. "Restriktionsenzym" schneidet, die DNA in Fragmente unterschiedlicher Länge zerlegt wird, die für diese Person typisch sind (Stichwort: "genetischer Fingerabdruck") und damit hätte man Merkmale, die einer Person eindeutig anhand der Banden zuzuordnen sind, anhand des Schnittmusters, wie die DNA durch das Enzym zerschnitten wird, ohne dass man sequenzieren (Basenfolge bestimmen) müsste. Das nennt sich Fragmentlängen-Polymorphismus oder RFLP.
Um die Vaterschaft mit RFLP zu testen, wäre also die Abfolge DNA-Extraktion --> schneiden der DNA mit Restriktionsenzymen --> Elektrophorese --> Vergleich der Banden. Diese Methode ist die ältere und aus der Mode gekommen. Du kannst aber nach "RFLP" suchen, um es nachzulesen.
2.) Inzwischen vervielfältigt man mit PCR gezielt bestimmte DNA-Sequenzen, sog. short tandem repeats (STR's), die in jedem Genom vorkommen und in sog. VNTR-Regionen liegen (variable number of tandem repeats). So ein STR-Profil ist "individualisierend" (einzigartig in Bezug auf eine Person). D.h. bei der STR-Analyse werden mit PCR bestimmte Genorte amplifiziert (vervielfältigt/massenhaft kopiert) z.B. 15 bis 30 verschiedene Genorte, die man mit den PCR-Primern gezielt vervielfältigen kann und dann längenbestimmt (Elektophorese).
Die Bandenmuster müssen mit Mutter und Vater partiell übereinstimmen. Tauchen beim Kind Banden auf, die nicht mit der Mutter übereinstimmen aber auch nicht mit dem "Testvater", ist seine Vaterschaft ausgeschlossen. Denn diese Banden können nur von einem anderen Mann stammen. Zeigt er Übereinstimmung, ist eine Vaterschaft naheliegend, aber nicht bewiesen. Es könnte auch eine zufällige Übereinstimmung sein, jedoch liegt die Wahrscheinlichkeit, dass er es ist meist recht hoch bei 99,xx%. Da du die PCR-Methode kennen sollst, solltest du nach "STR-Analyse" suchen.
Vgl.: http://www.br.de/telekolleg/faecher/biologie/biologie-11-gentechnik114.html
sowie: http://www.br.de/telekolleg/faecher/biologie/biologie-11-gentechnik116.html
Good luck, Gruß, Cliff
Edit: "verschiedene Genorte, die man mit den PCR-Primern gezielt vervielfältigen kann und dann längenbestimmt (Elektophorese)."
hatte das vergessen zu schreiben: weil die repeats unterschiedlich lang sind, bei verschiedenen Personen, ergeben sich, wenn man diese mit PCR kopiert und vervielfältigt, verschiedene Banden. Z.B. das Motiv "CA" (Cytosin, Adenin) in Wiederholungsfolge wäre so ein short tandem repeat: "...CACACACACACACACACACACACACA..." bei dem Mensch, der das Motiv "CA" 13-fach wiederholt trägt, tritt nach PCR dieses Genortes eine Bande definierter Länge im Profil (Gel) auf.
Es kann natürlich sein, dass es andere Menschen gibt, mit einer gewissen Häufigkeit, die an diesem Genort ebenfalls 13 Wiederholungen des gleichen Motivs zeigen, dann würden sie auch die gleiche Bande zeigen. Durch Kombination verschiedener Genorte bekommt man aber ein einzigartiges Bandenprofil, weil es pro zusätzlichem Merkmal (Bande) immer unwahrscheinlicher wird, dass ein anderer das gleiche Profil aufweist. Ein Kind bekommt 50% seiner STR's von der Mutter und 50% vom Vater, daher müssen sich alle Banden entweder bei der Mutter oder dem Vater wiederfinden.
Hier ist ein schöner link zu den STR's insbesondere Abb. 24, 25 und 26 http://www.meine-molekuele.de/der-genetische-fingerabdruck/ In Abb. 26 sind die Banden von Mutter, Vater und 3 Kindern verglichen, ein eheliches Kind, eines aus früherer Beziehung und ein adoptiertes. Im Bandenmuster erkennt man gut welches vom aktuellen Ehemann stammt und welche nicht von ihm sein können. Gruß