Abituraufgabe

Sichelzellanämie ist ein Thema, das sich sehr gut in Abituraufgaben einsetzen lässt. Es ist themenübergreifend und passt zu Stoffwechsel, Zytologie, Evolution und Molekularbiologie.

Sichelzellanämie in Afrika und den USA:

Material: Sichelzellgen und Malaria
Malaria wird in feucht-tropischen Klimagebieten von der Mücke Anopheles übertragen. Besonders verbreitet ist Malaria im tropischen Afrika und Südostasien. Die USA hingegen sind malariafrei.

Die Sichelzellanämie ist eine Erbkrankheit, die durch eine Punktmutation im Hämoglobingen (beta-Hämoglobinkette) verursacht wird. Der Basenaustausch im Codon „GAG” zu „GTG” führt im Protein zu einer Veränderung der Aminosäuresequenz. Statt Glutaminsäure wird nun ein Valin eingebaut.

Im 18. Jahrhundert wurden viele Bewohner Tropisch-Afrikas als Sklaven in die USA verschleppt. Die Häufigkeit der überwiegend heterozygoten Merkmalsträger der Sichelzellanämie in ihren afrikanischen Heimatgebieten betrug damals wie heute 25 %, d.h., 75 % sind homozygot gesund! Studien in den USA ergaben, dass von 20 Millionen farbigen Einwohnern (African american; Nachfahren der ehemaligen Sklaven) 50.000 homozygote Träger des Sichelzellgens sind. Diese Krankheit bedarf intensiver Betreuung. Die Lebenserwartung ist mit durchschnittlich 14 Jahren sehr niedrig.

Wie könnte das Sichelzellgen entstanden sein, wie mag es sich verbreitet haben? Diskutieren Sie auf Basis Ihrer Kenntnisse über Evolutionsfaktoren.

Was sagt das Hardy-Weinberg-Gesetz (HWG) aus? Berechnen Sie mit dem HWG die Allelfrequenzen und Phänotyphäufigkeiten in der ursprünglichen Heimat der Sklaven und in den heutigen USA!

Begründen Sie die Veränderung in den Allelfrequenzen (Bezugsland USA). Ist das HWG anwendbar? Nehmen Sie Stellung!

Malaria + Sichelzellanämie

• Sichelzellanämie ist eine rezessive Erbkrankheit. Liegen beide Allele des veränderten beta-Hämoglobingens (Sichelzellgen) vor, so ist der Patient schwer krank; die Lebenserwartung ist sehr gering. Genotypisch würde dies als aa bezeichnet. Heterozygote Merkmalsträger sind gesund (Aa). Daneben gibt es noch Mitglieder der Population, die kein Sichelzellgen besitzen (AA).
• Das Sichelzellgen ist eine durch Punktmutation veränderte Variante des beta-Hämoglobingens. Dadurch wird auf Proteinebene eine Aminosäure ausgetauscht. Sichelzellanämie ist ein Sonderfall. Hat eine Erbkrankheit so dramatische Folgen (intensive Pflege, geringe Lebenserwartung), dann wird das Allel mit der Mutation in der Regel „ausverdünnt”; die homozygot Betroffenen haben kaum die Möglichkeit, sich fortzupflanzen, die Verringerung von aa führt auf lange Sicht auch zur Verringerung der heterozygoten Variante Aa.
• Anders bei der Sichelzellanämie, da sich hier die heterozygoten Aa als resistent gegenüber Malaria erweisen. Legt man eine Karte mit „Vorkommen Malaria” über eine Karte mit „Vorkommen Sichelzellanämie”, stellt man fest, dass die markierten Gebiete einander entsprechen! So hat man im Fall der Sichelzellanämie zwei Tendenzen, die gegeneinander arbeiten: einerseits die schwere Krankheit Sichelzellanämie, andererseits der Schutz vor Malaria durch genau die Mutation, die zur Sichelzellanämie führt. Je höher die Malariagefahr, umso höher ist die Häufigkeit der Sichelzellanämie.

Hardy-Weinberg-Gesetz (HWG)

• Was ist die Aussage des populationsgenetischen Hardy-Weinberg-Gesetzes?
• Das HWG beschreibt eine ideale, sich nicht verändernde Population, d.h., weder die Häufigkeiten der Allele noch die Häufigkeiten der Genotypen verändern sich. Ohne Veränderung keine Evolution!!
• Trotzdem kann das HWG sehr gut „Momentaufnahmen” einer Population zeichnen; soll heißen, die Verteilung der Genotypen bzw. Allele erfassen.
• Eine Anwendung vom HWG ist die Berechnung des Anteils von heterozygoten Individuen (z.B. bei der Sichelzellanämie die Träger von Aa) bei rezessiven Erbgängen, da heterozygote Organismen von den homozygoten (ohne Sichelzellgen, hier: AA) anhand ihres Phänotyps nicht zu unterscheiden sind.
• Die Zahlenwerte geben die Phänotypen wieder, Vorsicht, nicht Allele! Das HWG sagt aus, dass die Allelfrequenz in einer idealen Population konstant bleibt. Die relativen Häufigkeiten des dominanten und des rezessiven Allels entsprechen p und q, somit gilt: p + q = 1. Die Häufigkeit der Phänotypen ist (p+q)² = p² + 2 pq + q² = 1.
• dominant: beta-Hämoglobingen = p (oder A)
• rezessiv: Sichelzellhämoglobingen = q (oder a)
• Die Textangabe berichtet von 25 % meist heterozygoten Merkmalsträgern. Dies umfasst sowohl die Gruppe aa als auch Aa; 75 % sind homozygot gesund (also AA). Damit ist p² bekannt mit 0,75!
• Die relative Häufigkeit der Gesunden beträgt 75 % damit ist p² = 0,75, daraus die Wurzel = 0,866.
• Häufigkeit des Sichelzellgens a ist dann: q= 1 – p = 1 – 0,866 = 0,134.
• Die Häufigkeit des Genotyps aa entspricht q² = 0,134 x 0,134 = 0,018.
• Die Häufigkeit des Genotyps Aa kann berechnet werden über 2 pq = 2 x 0,866 x 0,134 = 0,232.
• Damit ergeben sich folgende Häufigkeiten: AA: 75 %; Aa: 23,2 % und aa: 1,8 %.
• Im Text versteckt sich noch eine zweite Angabe: Die Anzahl homozygot erkrankter Menschen in den USA beträgt 50.000 von 20.000.000,
  also q² = 50.000/20.000.000 = 0,0025 = 0,25 %; damit ist q die Wurzel aus 0,0025 -> 0,05
• p errechnet sich über p = 1 – 0,05 = 0,95.
• p² ist 0,95² = 0,9025 = 90,25 %
• 2 pq = 2 x 0,95 x 0,5 = 0,095 = 9,5 %
• Zusammengefasst ergeben sich diese Häufigkeiten: AA (p²): 90,25 %; Aa (2 pq): 9,5 %; aa (q²): 0,25 %
• Kontrolle:                90,25 % + 9,5 % + 0,25 % = 100 %
                                     0,9025 + 0,095 + 0,0025 = 1

Betrachtet man den Anteil Merkmalsträger in Afrika (25 %) im Vergleich zu den USA (9,75 %), so ist die Häufigkeit in den USA in den letzten 20 Jahren um fast 2/3 zurückgegangen. Grund: Es gibt keine Malaria im Gebiet der USA. Heterozygot zu sein, bietet hier keinen Vorteil.

Das HWG gilt in beiden Fällen nicht, da Selektion herrscht (USA: Merkmalsträger zeigen Symptome, die sich nachteilig auswirken können; Afrika: Merkmalsträger haben Vorteil durch Malariaresistenz). Trotzdem ermöglicht das HWG einen anschaulichen Vergleich der beiden Populationen.