Die genetische Grundlagen von Adipositas: ein Experiment im Klassenzimmer Teach article

Übersetzt von Kathrin Schäker. Ungefähr 1,5 Milliarden Menschen weltweit sind übergewichtig oder fettleibig. Essen wir einfach nur zuviel oder können wir unsere Gene dafür verantwortlich machen? Hier wird erklärt, wie man die genetischen Grundlagen der Fettleibigkeit im Klassenzimmer…

Mit freundlicher Genehmigung
von colros / Flickr

Adipositas ist in mehr als einer Hinsicht ein schwerwiegendes Problem. Mehr als 10% der erwachsenen Weltbevölkerung ist fettleibig und dies kann in manchen Ländern sogar bis zu 40% betreffen. Herzerkrankungen, Typ – 2 – Diabetes, manche Krebsarten, Komplikationen in der Schwangerschaft, Gelenkprobleme, Depressionen und Angststörungen wurden alle mit Fettleibigkeit in Zusammenhang gebrachtw1.

Veränderungen im Auftreten
von adulter Adipositas: die
Prozentzahl der erwachsenen
Bevölkerung mit einem Body
Mass Index von 30 oder
höher in 11 verschiedenen
Ländern

Datenquelle: International
Association for the Study of
Obesity (www.iaso.org)

Kalorienreiche Fertiggerichte und eine bewegungsarme Lebensweise werden normalerweise für den erschreckenden Anstieg der Fettleibigkeit verantwortlich gemacht, aber könnten unsere Gene nicht auch ein Teil des Problems sein? Dieser Artikel stellt einige der neuesten Forschungsergebnisse bezüglich der genetischen Grundlagen von Adipositas vor, zusammen mit einer vom European Xplore Health Projekt entwickelten Methode der DNA Extraktion, dem ersten Schritt der Wissenschaftler zur Identifikation von möglichen “Fettgenen”.

Die DNA Extraktion ist für Mittelstufen- (Alter 14-16) oder Oberstufenschüler (Alter 16+) geeignet und kann in einer Unterrichtseinheit absolviert werden. Wenn diese Methode nicht für Ihre Schüler oder Ihr Labor geeignet ist, können Sie eine der beiden alternativen Methoden (basierend auf dem gleichen Prinzip, aber mit Hilfe von leichter verfügbaren Materialen) mit gefrorenen Erbsen (Madden, 2006) oder Kiwisw2durchführen. Die Anleitungen für den Versuchw5können auch als Word oder PDF Datei von derScience in School Webseite heruntergeladen werden.

Das Thema Fettleibigkeit kann ein hilfreicher Einstieg sein um aktuelle genetische Forschung und ethische Inhalte, in einem Kontext mit dem die Schüler sehr wahrscheinlich persönliche Erfahrungen und Meinungen haben, einzuführen. Denn wie viele Teenager mögen kein Fast Food oder faulenzen nicht vor dem Fernseher? Weitere Materialien, unter anderem ein Diskussionspacket um das Thema weiter zu untersuchen, sind auf der Xplore Health websitew3 erhältlich.

Die Definition von Fettleibigkeit

Jemand wird als fettleibig erachtet wenn der Body Mass Index (BMI) der Person 30 oder mehr beträgt. Der gesunde Bereich liegt bei 18,5-25. Der BMI wird durch das Dividieren des Gewichts einer Person in Kilogramm durch die Größe der Person in Metern hoch zwei errechnet.

BMI = Gewicht (kg)
        (Größe (m))2

Obwohl der BMI ein nützlicher Leitfaden ist, berücksichtigt er jedoch keine Variationen in Gestalt und Körperbau. Zum Beispiel werden Sportler mit viel Muskelmasse oft als übergewichtig bewertet wenn nur der BMI beurteilt wird.

 

Was haben Gene damit zu tun?

Adipositas kommt familiär vor. Bedeutet dies, dass Adipositas genetisch bedingt ist oder bedeutet dies nur, dass Familien ihre ungesunden Essgewohnheiten teilen? Vielleicht überraschenderweise haben Zwillingsstudien gezeigt, dass Fettleibigkeit bis zu 70% genetisch bedingt ist, weil Geschwister die die gleichen Gene besitzen (eineiige Zwillinge) eine größere Wahrscheinlichkeit haben die gleiche Körperform zu besitzen als zweieiige Zwillinge (O’Rahilly & Farooqi, 2006).

Forscher haben eine Reihe von Genvarianten (Allele) entdeckt, die möglicherweise mit Adipositas in Verbindung stehen. Manche davon sind selten und beeinflussen nur eine kleine Anzahl von Leuten, andere hingegen sind weit verbreitet und erhöhen das Risiko der Gewichtszunahme für große Teile der Bevölkerung (Tabelle 1).

Tabelle 1: Verschiedene Typen von Fettleibigkeit-assoziierten Genen, die von Wissenschaftlern identifiziert wurden

 

Seltene einzelne Genvarianten

Häufige multiple Genvarianten

Effekt auf das Körpergewicht

Trägt zu viel Extragewicht bei wenig Menschen bei

Trägt zu ein wenig Extragewicht bei vielen Menschen bei

Beispiele

Ob Gen, Mc4r Gen

Fto Gen, Tmem18 Gen

Zusammenhang mit anderen Krankheitsbildern

Kann mit seltenen Krankheiten in Zusammenhang stehen, z.B. mit angeborener Leptin-Defizienz, MC4R-Defizienz

Einer von vielen “normal” variierten humanen Charakteristika, kann aber auch mit anderen häufigen Krankheiten, z.B. Typ – 2 – Diabetes, in Zusammenhang stehen

Wie wurden sie gefunden?

Kandidatengen-Studien, Tierversuche, Exom-Sequenzierung

Genomweite Assoziationsstudien

Potentielle Relevanz

Pränatale Gentests und Gentherapie

Verständnis des Risikos einer Erkrankung und Entwicklung von Krankheitsvermeidungsstrategien

Eine fettleibige, Leptin-
defiziente Maus (links) neben
einer normalen Maus (rechts)

Mit freundlicher Genehmigung
von US Department of Energy,
Oak Ridge National Laboratory

Das Ob Gen ist eine einzelne Genvariante, die Fettleibigkeit auslösen kann. Es kontrolliert den Appetit durch die Produktion eines Hormons, das Leptin genannt wird. Menschen die zwei defekte Kopien diese Gens tragen, können kein Leptin produzieren und haben ein anhaltendes Verlangen zu essen. Fettleibige, Leptin-defizienzte Menschen, die mit Leptininjektionen behandelt wurden, kehrten zu einem normalen Gewicht zurück. Ein anderes Gen, das in einer ähnlichen Weise wirkt, ist das Mc4r Gen. Es ist Teil einer Signalkaskade die das Essverhalten kontrolliert (O’Rahilly & Farooqi, 2006).

Jedoch sind diese einzelnen Genmutationen sehr selten. Andere, weiter verbreiterte Genvarianten wurden identifiziert, die, wenn sie auch keine direkte Ursache für Adipositas sind, dazu führen, dass Träger dieser Varianten höchst wahrscheinlich zunehmen. Beispiele schließen Varianten des Fto Gens und desTmem18 Gens ein. Studien haben gezeigt, dass Menschen mit einer Kopie der “Risiko” – Fto Variante im Durchschnitt 1,2 kg mehr als Menschen mit anderen Varianten wiegen, Menschen mit zwei Kopien der “Risiko”- Variante wiegen im Durchschnitt 3 kg mehr.

Sind also Menschen, die diese weiter verbreiterten “Fettgene” tragen, dazu bestimmt fettleibig zu sein oder können sie ihrem Schicksal entkommen? Diese Genvarianten veranlagen Menschen einfach nur zuzunehmen, aber mit einer gesunden Ernährung und Lebenswandel gibt es keinen Grund warum Träger nicht in der Lage sein sollten ein gesundes Gewicht zu halten.

Adipositas – Spezialisten untersuchen auch die Epigenetik (die Interaktion zwischen den Genen und der Umwelt) und wie Signalwege (z.B. Hormone und das Nervensystem) im Körper den Stoffwechsel s und das Essverhalten beeinflussen. Sie hoffen so ein besseres Verständnis von der komplexen Natur von Appetit, Metabolismus und Fettspeicherung zu erhalten und dadurch möglicherweise bessere Behandlungen oder Strategien zu entwickeln, um die Nahrungsaufnahme von Menschen, die genetisch für Adipositas veranlagt sind, zu kontrollieren.

Schülerexperiment: extrahiere Deine DNA

Zum Vergrößern auf das Bild
klicken. 
Mit freundlicher
Genehmigung von @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona

Materialien

  • Mikropipette oder skalierte Messpipetten
    Wenn Du keine Mikropipetten hast, kannst Du kalibrierte/skalierte Wegwerftransferpipetten aus Plastik benutzen. Bei diesen Pipetten ist der “Stil” skaliert, dies erlaubt Dir Volumen von weniger als 1ml mit ausreichender Genauigkeit für dieses Experiment zu transferieren.
  • Wegwerfimpfösen oder Tupfer für Wangenabstriche
  • Ein kleines Falcon Röhrchen oder Reagenzglas mit einem Stöpsel oder Kappe
Mit freundlicher Genehmigung
von @el taller interactivo, Parc
Científic de Barcelona
  • Falcon Röhrchen sind kalibrierte Reaktionsgefäße mit Drehverschluss. Wenn Du keine hast, verwende einfach normale Reagenzgläser.
  • Wasserbad bei 40°C (optional)
  • Desinfektionslösung
  • Lyse-Lösung
  • Proteinase K-Lösung
  • Natriumacetat-Lösung
Mit freundlicher Genehmigung
von @el taller interactivo, Parc
Científic de Barcelona
  • Kaltes Ethanol oder Isopropyl (Reinigungs-) Alkohol (im Gefrierschrank lassen bis benötigt)

Durchführung

  1. Gebe 1ml Lyse-Lösung in Dein Falcon Röhrchen oder Reagenzglas.
  1. Streiche kräftig mit einer Impföse oder einem Tupfer über die Innenseite Deiner Wangen und über Deine Zunge.
  1. Tunke die Impföse oder den Tupfer in den Lysepuffer und rühre darin um Deine Zellen abzulösen.
Mit freundlicher Genehmigung
von @el taller interactivo, Parc
Científic de Barcelona
  1. Lege Deine Impföse oder den Tupfer in die Desinfektionslösung.
  1. Wiederhole die Schritte 2-4 noch zweimal um sicher zu gehen, dass Du genug Zellen erhältst. Benutze jedesmal eine neue Impföse oder Tupfer.
  1. Füge 20 µl (oder 1 Tropfen, wenn Du eine Transferpipette benutzt) der Proteinase K zu Deinem Reagenzgefäß hinzu.
  1. Verschließe das Gefäß und invertiere es ein paar Mal.
  1. Inkubiere das Gemisch im Wasserbad oder bei Raumtemperatur für 10 Min.
Mit freundlicher Genehmigung
von @el taller interactivo, Parc
Científic de Barcelona
  1. Füge 100 µl Natriumacetat hinzu.
  1. Verschließe Dein Gefäß und schüttle es gut um zu mischen.
  1. Füge 3 ml kalten Alkohol hinzu.
  1. Verschließe Dein Gefäß und invertiere es sehr langsam um zu mischen.
  1. Deine DNA sollte als weißer, fädiger Niederschlag erscheinen.
 

Sicherheitshinweis

Die Lösungen können Augen und Haut reizen, trage also Laborkittel, Laborbrille und Handschuhe. Speichel kann Krankheitserreger enthalten; also fasse nur Deine eigenen Impfösen oder Tupfer an und lege diese in die Desinfektionslösung.

Entsorgung: Die Flüssigkeiten können mit viel Wasser den Abfluss hinab gespült werden. Benutzte Impfösen oder Tupfer können nach 15 minütiger Desinfektion mit dem normalen Müll entsorgt werden.

 

Fragen zur Diskussion

  • Was bedeutet “Lyse”? Wie hilft dies die DNA zu extrahieren?
  • Der Lysepuffer enthält ein Detergens namens SDS. Benutze Dein Wissen über die Zellstruktur, was denkst Du bewirkt das Detergens?
  • Innerhalb der Zellen liegt die DNA fest zusammengepackt und an verschiedene Proteine gebunden vor. Welcher Schritt ermöglicht die Freisetzung von den Proteinen?
  • Was sagt der letzte Schritt über die Löslichkeit von DNA in salzreichen Wasser und Ethanol aus?
  • Wie könntest Du beweisen, dass im Niederschlag wirklich DNA vorhanden ist?

Weiterführende Fragen und Experimente

  • Vergleiche diese Methode der DNA Isolation mit den einfacheren Methoden bei denen man gefrorene Erbsen (Madden, 2006) oder Kiwisw2 benutzt. Wie unterscheiden sie sich? Welche funktioniert am besten? Kannst Du erklären warum? Kannst Du herausfinden welche Methode am ehesten der entspricht, die professionelle Genetiker benutzen?
  • Einfach nur jemandes DNA zu extrahieren gibt keine Erkenntnis ob derjenige für Adipositas veranlagt ist. Welche anderen Tests müssten durchgeführt werden? Finde mehr über die Techniken der genetischen Forschung heraus.
  • In vielen Ländern können Eltern, die an ernsthaften Krankheiten wie Mukoviszidose oder Hämophilie leiden, sich für Präimplantationsdiagnostik entscheiden um zu verhindern, dass sie Kinder bekommen, die die Krankheit auch entwickeln könnten. Denkst Du, dass diese Methode auch für Eltern möglich sein sollte die eine genetische Veranlagung für Adipositas haben? Stimmen Dir Deine Klassenkameraden zu?

Warum gibt es so viele unterschiedliche Methoden der DNA Extraktion?

Diese ist nur eine der vielen veröffentlichten Methoden zur DNA Extraktion aus Zellen (z.B. Madden, 2006, und Naked Scientists websitew2). Sie reichen von sehr einfachen (Benutzung von Spülmittel und Tafelsalz), zu Methoden die Chemikalien benutzen, die denen von Molekularbiologen ähnlicher sind. Das Prinzip der Extraktion ist in allen Fällen gleich: Ein Detergens wird benutzt um die Zellmembran aufzubrechen, ein Enzym wird hinzugefügt um die Proteine, die die DNA binden und fest zusammenpacken zu verdauen und Salz und kalter Alkohol werden dann hinzugefügt um Bedingungen zu erreichen bei denen DNA nicht löslich ist.

Der größte Unterschied liegt darin, dass je fortschrittlicher die Methode ist, desto reiner die erhaltene DNA am Ende ist. Zum Beispiel wird bei der einfachsten Methode eine Menge Pektin mit der DNA gemischt. Natürlich benötigen Adipositas – Spezialisten und andere Molekularbiologen jedoch Proben die so rein wie möglich sind.

Beschaffung und Herstellung der Reagenzien

Lyse-Lösung (50 ml)

  1. Stellen Sie Tris-gepufferte Salzlösung (TBS; engl. tris-buffered saline) anhand der Herstellerangabe oder einem Standardrezept her.
    TBS kann als fertige Lösung gekauft werden oder anhand dieses Rezeptesw4 frisch hergestellt werden.

 

Sicherheitshinweis

Die Benutzung einer fertigen Natriumdodecylsulfat-Lösung (SDS, engl. sodium dodecyl sulphate) wird empfohlen, da pulverförmiges SDS bei Inhalation gesundheitsschädlich ist. Wenn pulverförmiges SDS benutzt wird, sollte der Lehrer die Lösung unter einem Abzug herstellen und dabei einen Mundschutz tragen. Beachten Sie auch die allgemeinen Science in School Sicherheitshinweise.

  1. Bei Benutzung einer fertigen 10% SDS-Lösung, geben Sie 5 ml SDS zu 45 ml TBS.
  2. Bei Benutzung von pulverförmigen SDS, lösen Sie 0,5 g in 50 ml TBS.
  3. Bis zur Benutzung im Kühlschrank lagern.

3 M Natriumacetat-Lösung (ergibt 50 ml)

  1. Lösen Sie 12,3 g wasserfreies Natriumacetat in 50 ml destillierten Wasser.
  2. Geben Sie verdünnte HCl hinzu um einen pH von 5,2 einzustellen.
  3. Bis zur Benutzung im Kühlschrank lagern.

Proteinase K (100 µg / ml)

  1. Verdünnen Sie 1 mg Proteinase K in 10 ml TBS.
    Es wird nur eine geringe Menge des Enzyms benötigt, daher können Sie bei einer ausreichend genauen Waage auch ein kleineres Volumen herstellen. Passen Sie einfach die Mengen dementsprechend an.
  2. Im Gefrierschrank bis zur Benutzung einfrieren.

Desinfektionslösung

Passende Desinfektionslösungen sind unter anderem 0,015 M Natriumhypochlorit-Lösung, 1 % Virkon® Lösung oder 5 % Haushaltsbleichmittel. Nach 15 minütigen Einweichen können die Impfösen in eine Plastiktüte gelegt werden (Handschuhe tragen) und mit dem normalen Müll entsorgt werden.

Als Hilfe finden Sie die notwendigen Reagenzien und eine Liste der Produktnummern von Sigma-Aldrich in Tabelle 2. Sie können diese jedoch auch von anderen Herstellern erhalten.

Tabelle 2: Sigma-Aldrich Produktnummern von in diesem Protokoll verwendeten Reagenzien
Reagenzien Sigma-Aldrich Produktnummern
Tris-gepufferte Salzlösung (TBS) Tabletten: TS030 oder 94158
Natriumdodecylsulfat (SDS) Pulver: L3771
10% Lösung: 71736
Natriumacetat S2889
Proteinase K P6556

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References

Web References

Resources

Author(s)

Sarah McLusky ist freischaffende Autorin, Herausgeberin und Ausbildungsberaterin. Sie unterrichtet auch Biochemie am Newcastle College, GB.

Rosina Malagrida schloss ihr Studium der Chemie an der Universität von Barcelona, Spanien ab und hat einen Master der Wissenschaftskommunikation vom Imperial College London, GB. Sie hat sich auf außerschulische Ausbildung, vor allem in Gesundheitswissenschaften, spezialisiert. Momentan leitet sie das Centre for Public Engagement on Health Research at Irsi Caixa in Barcelona und koordiniert das Ausbildungsportal Xplore Healthw3. Rosina arbeitete zuvor am Wissenschaftspark von Barcelona und an den naturwissenschaftlichen Museen in London und Barcelona, wo sie Ausstellungen, experimentelle Workshops, Messen und Debatten entwickelte um die Lücke zwischen Forschung und Gesellschaft zu verkleinern.

Lorena Valverde schloss ihr Studium der Biologie an der Universität von Barcelona, Spanien, ab und hat einen Master in Immunologie der Universität von Barcelona und der Autonomen Universität Barcelona. Lorena arbeitet im Moment an ihrer Doktorarbeit in der Biomedizin und lehrt an der Universität von Barcelona. Sie kooperierte mit Xplore Health indem sie experimentelle Workshops für Studenten und für die allgemeine Öffentlichkeit am Wissenschaftspark von Barcelona anbot.


Review

Das Vorkommen von Adipositas steigt weltweit an. Eine erhöhte Aufmerksamkeit gegenüber diesem Problem, ein verändertes Essverhalten und die Untersuchung genetischer Veranlagung könnten zu ihrer Reduktion beitragen.

Dieser Artikel, der aktuelle Forschungsergebnisse der genetischen Hintergründe bei Fettleibigkeit behandelt und einen praktischen Versuch zu dem Thema bietet, könnte hilfreich für den Biologieunterricht bezüglich vieler verschiedener Themen sein, einschließlich Gesundheitserziehung, Genetik, Ernährung, Pharmakogenomik, individuelle Therapie in Korrelation mit dem Vorhandensein bestimmter Gene, Statistiken von Fettleibigkeit in verschiedenen Ländern und die Verbindung zu den Ernährungsgewohnheiten der entsprechenden Population.

Um zusätzlich einen Startpunkt für eine Diskussion über Fettleibigkeit zu erhalten, könnte der Artikel für ein Projekt über Ernährung verwendet werden, beginnend mit der Errechnung des BMI der Schüler und dessen Verbindung mit deren täglichen Nahrungsaufnahmen (z.B. Krotscheck, 2010). So könnte der Lehrer gesündere Ernährungsverhalten vorschlagen, um das Verhalten der Schüler zu ändern.

Passende Verständnis – und weiterführende Fragen wären:

  1. Gibt es eine Verbindung zwischen Genetik und Adipositas? Wenn ja, welche?
  2. Was bedeutet Phänotyp und Genotyp? Wie stehen beide zueinander oder mit der Umwelt im Zusammenhang?
  3. Wie hängen epigenetische Phänomene mit dem Phänotyp zusammen? Werden diese epigenetischen Veränderungen vererbt?
  4. Könnte das Wissen über unserer genetischen Beschaffenheit uns helfen Fettleibigkeit zu verhindern?
  5. Eine gute Ernährung ist wichtig für unsere Gesundheit. Wenn Dein BMI über dem normalen Wert liegt, wie könntest Du dann Deine Ernährungsgewohnheiten ändern um diesen zu reduzieren?

Panagiotis Stasinakis, 4th Lyceum of Zografou, Griechenland




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