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Der genetische Fingerabdruck

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Lerntext zum Thema Der genetische Fingerabdruck

Was ist ein genetischer Fingerabdruck?

Hast du schon einmal vom genetischen Fingerabdruck gehört? Vielleicht im Zusammenhang mit Kriminalfällen? Heute wollen wir uns ansehen, was genau ein genetischer Fingerabdruck ist, wo er Verwendung findet und wie man ihn erstellen kann.


Genetischer Fingerabdruck – Definition

Der genetische Fingerabdruck ist, einfach erklärt, ein DNA‑Profil. Ebenso wie der Fingerabdruck an deinen Fingern ist er für jedes Individuum charakteristisch und somit einzigartig – daher auch sein Name. Das generelle Verfahren zu seiner Erstellung wurde vom britischen Wissenschaftler Alec John Jeffreys im Jahr 1984 entwickelt.

Im Gegensatz zur DNA-Sequenzierung wird beim genetischen Fingerabdruck nicht die Basensequenz eines Individuums untersucht – vielmehr werden bestimmte Fragmente auf ihre Länge bestimmt. Genaueres dazu findest du im Abschnitt zur Bestimmung des genetischen Fingerabdrucks.


Genetischer Fingerabdruck – Verwendung und Funktion

Der genetische Fingerabdruck findet dort Anwendung, wo genetisches Material miteinander abgeglichen werden soll. Daher kommt er insbesondere bei der Täterermittlung von Straftaten zum Einsatz: Das DNA‑Material eines Verdächtigen wird mit Spurenmaterial von einem Tatort verglichen. Stimmen die Proben überein, kann dies vor Gericht als Beweis genutzt werden, um den Täter zu überführen. Seit etwa 30 Jahren handelt es sich dabei um ein anerkanntes Verfahren.

Der genetische Fingerabdruck kann auch für Abstammungsgutachten, die häufig als Vaterschaftstests bezeichnet werden, Verwendung finden. Hierbei muss beachtet werden, dass sich der genetische Fingerabdruck gemäß der Vererbungsregeln aus dem Erbgut der Mutter und des Vaters ergibt.

Wie kann man den genetischen Fingerabdruck erstellen?

Um zu verstehen, was ein genetischer Fingerabdruck ist, musst du wissen, dass hierbei die Länge von DNA-Fragmenten verglichen wird. Schauen wir uns erst einmal an, welche Fragmente der DNA hierfür überhaupt relevant sind. Anschließend gehen wir auf die genaue Methodik ein.


Genetischer Fingerabdruck – generelle Methode

Wie oben bereits erwähnt wird beim genetischen Fingerabdruck nicht die Basensequenz der DNA untersucht. Vielmehr konzentriert man sich ausschließlich auf nicht codierende Bereiche der DNA. Hier findet man die repetitive DNA, also DNA‑Bereiche, die aus sich wiederholenden Sequenzen bestehen. Je nachdem wie lang die Sequenz ist, die sich wiederholt, kann man unterschiedliche Arten der repetitiven DNA unterscheiden. Beim genetischen Fingerabdruck spielen insbesondere VNTRs (variable number of tandem repeats) – hier besteht die sich wiederholende Sequenz aus zehn bis einhundertfünfzig Basenpaaren – und STRs (short tandem repeats) – hier besteht der sich wiederholende Anteil aus zwei bis sieben Basenpaaren – eine Rolle.

Alle Säugetiere haben in ihrer DNA diese sich wiederholenden Sequenzen. Jedoch unterscheidet sich die Anzahl der Wiederholungen. Je mehr DNA-Regionen eines Individuums auf Wiederholungen untersucht werden, desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein weiteres Individuum für all diese Regionen genau die gleiche Anzahl an Sequenzwiederholungen aufweist. Insgesamt ergibt sich für das Individuum aus der Untersuchung ein charakteristisches Bandenprofil. Wie genau dieses erstellt wird, schauen wir uns nun genauer an.


Genetischer Fingerabdruck – detaillierter Ablauf

Im ersten Schritt werden bis zu 15 verschiedene repetitive Abschnitte der DNA vervielfältigt. Dies geschieht mittels Polymerase-Kettenreaktion (engl. polymerase chain reaction, Abk.: PCR). Das ist eine Labormethode, bei der mithilfe des Enzyms DNA-Polymerase eine bis zu millionenfache Vervielfältigung des DNA-Abschnitts durchgeführt wird. So steht genügend Probenmaterial für folgende Analysen zur Verfügung.

Im nächsten Schritt wird eine Gelelektrophorese durchgeführt, beispielsweise eine Agarose‑Gelelektrophorese. Diese Methode dient dazu, DNA-Abschnitte oder -Stränge nach ihrer Länge zu sortieren. Zunächst wird die Probe, also die vervielfältigten DNA-Abschnitte, eingefärbt, um sie im späteren Verlauf sichtbar zu machen. Die Probe wird nun in das Gel eingefüllt. Dadurch, dass an diesem ein elektrisches Feld anliegt, wandert die Probe durch das Gel. Da sich in dem Agarose-Gel kleine Poren befinden, dient es als eine Art Sieb – dabei werden größere Moleküle früher aufgehalten als kleinere. Die DNA-Abschnitte können somit nach ihrer Länge aufgetrennt werden. Durch die Einfärbung hinterlassen sie an der Stelle, an der sie aufgehalten wurden, eine farbige Markierung im Gel. Auf diese Weise entsteht das typische Bandenprofil. Die Länge eines DNA-Abschnitts kann man nun bestimmen, indem man die zugehörige Bande mit einer sogenannten DNA-Leiter vergleicht. Das ist das Bandenprofil, das zu einer Standardprobe mit verschiedenen DNA‑Abschnitten bekannter Längen gehört.
Im Rahmen einer Täterüberführung wird nun das Bandenprofil eines Verdächtigen mit dem Bandenprofil einer Tatortprobe verglichen. In der unten stehenden Abbildung erkennst du bestimmt sofort, dass das pink umrahmte Bandenprofil mit dem Bandenprofil der DNA-Probe vom Tatort übereinstimmt.

Anwendung des genetischen Fingerabdrucks zur Täterüberführung

Kurze Zusammenfassung zum Video Der genetische Fingerabdruck

In diesem Video lernst du, was ein genetischer Fingerabdruck ist und mit welchem Verfahren man ihn bestimmen kann. Außerdem erfährst du, wo der genetische Fingerabdruck Anwendung findet. Ein Arbeitsblatt und interaktive Übungen findest du wie immer neben dem Video. Ein Referat zum Thema genetischer Fingerabdruck sollte nun kein Problem mehr sein!

Der genetische Fingerabdruck Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Lerntext Der genetische Fingerabdruck kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.

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sofatutor Team
Der genetische Fingerabdruck
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