Können Sie eine Krebsmutation ausfindig machen? Teach article

Übersetzt von Miriam Sonnet. Wie entsteht Krebs und wie können Genetiker feststellen, dass eine Zelle krebsartig ist? Mit Hilfe der folgenden Aufgaben, die von der Abteilung für Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit (Communication and Public Engagement team) des Wellcome Trust Sanger…

Alle Krebsarten entstehen durch Veränderungen in der DNA-Sequenz in unseren Zellen. Da das genetische Material innerhalb der Zellen Mutagenen wie UV- Strahlung ausgesetzt ist, kann es zur Anhäufung von Replikationsfehlern kommen.  Gelegentlich verändert eine dieser Mutationen die Funktion eines wichtigen Gens und beschafft so der Zelle, in der die Mutation aufgetreten ist, und deren Nachkommen einen Wachstumsvorteil; diese Zellen teilen sich schneller als ihre Nachbarzellen.

Nach und nach werden weitere Mutationen in der DNA angehäuft, die zu Veränderungen weiterer Schlüsselgene und so zu besonders schnell wachsenden und invasiven Zellen führen. Infolgedessen entsteht ein Tumor, der sich ins umliegende Gewebe ausbreitet und irgendwann Metastasen – die Ausbreitung des Tumors in andere Körperteile – bildet.

Gene, die – wenn sie mutiert sind – zur Krebsentstehung führen, werden als “Krebsgene” bezeichnet.

Tumorsuppressorgene (TSG; Abbildung 1) kodieren die Information für Proteine, die normalerweise das Zellwachstum bremsen und so vor unnötiger Zellteilung schützen. Des Weiteren fördern diese Proteine die Apoptose (programmierter Zelltod) falls die DNA der Zelle beschädigt ist. Beide Kopien eines TSG müssen inaktiviert sein, bevor diese Zellzykluskontrolle verloren geht. Wenn eine Kopie des TSG funktionell erhalten bleibt, kann der Zellzyklus immer noch gebremst werden.

Im Gegensatz dazu kodieren Proto-Onkogene (Abbildung 2) für Proteine, die Zellteilung und Zelldifferenzierung (Spezialisierung) begünstigen. Häufen diese Gene Mutationen an, die die Proteine kontinuierlich aktivieren oder die zum Verlust der Regulation dieser Gene führen, werden die Gene zu Onkogenen, die unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung fördern. Eine Mutation in einer Kopie eines Proto-Onkogens kann ausreichen, um die Krebsentstehung zu fördern.

Jeder individuelle Fall von Krebs wird durch ein einzigartiges Spektrum an Mutationen in Proto-Onkogenen und/oder TSG hervorgerufen. Obwohl die Anzahl noch nicht bekannt ist, wird vermutet, dass fünf Mutationen benötigt werden, um eine Zelle (und ihre Nachkommen) krebsartig werden zu lassen.

KRAS (Ausgesprochen kay-rass) ist ein Proto-Onkogen, das für das Protein KRAS, ein intrazelluläres Signalprotein, das in die Förderung des Zellwachstums involviert ist, kodiert (um Gene von Proteinen zu unterscheiden werden Gennamen in kursiv geschrieben). Die folgende Aufgabe ermöglicht den Schülern, reale Daten des Cancer Genome Projects^w1 zu nutzen, um bekannte Mutationen im KRAS Gen, die mit der Onkogenese (Krebsbildung) und der Entwicklung von Pankreaskrebs, dem kolorektalem Karzinom, Lungenkrebs, und anderen Krebsarten assoziiert sind, zu untersuchen. Ursprünglich wurden die Aufgaben für Schülerbesuche am Sanger Institut^w2  entwickelt,  sie sind aber nun auf der Yourgenome.org^w3 Webseite erhältlich. Die Aufgaben waren kürzlich Teil des ersten Bioinformatik-Kurses für europäische Lehrer und wurden von ELL^w4 am European Bioinformatics Institute^w5  in Hinxton, UK, durchgeführt. Die Aufgaben fördern die Diskussion über die Ursachen der Krebsentstehung, die Funktion von Genmutationen,  der Proteinstruktur und Proteinfunktion.

Die KRAS Aufgabe

Erwartete Zeitdauer: 45-60 Minuten (mit Präsentation und Diskussion)

Materialien

Alle für diese Aufgabe benötigten Materialien können gratis von der Yourgenome.org Webseite einzeln oder als komprimierte Zip Datei herunter geladen werden^w6.

• Ein Set bestehend aus 11 Arbeitsblättern (KRAS_student_wsheet.pdf) – ein Arbeitsblatt wird für eine Gruppe von Schülern ausgeteilt. Eine alternative Version für Schwarz-Weiß Drucker oder für die Arbeit mit farbenblinden Schülern ist ebenfalls verfügbar. Für größere Gruppen (20 oder mehr) sollten zwei Sets von Arbeitsblättern benutzt werden, um das Gen doppelt abzudecken.

• Ein KRAS Sequenzbanner (KRAS_gene_banner.pdf) für die gesamte Klasse und ein KRAS Genblatt mit der Sequenz für KRAS (KRAS_genesheet_yg.pdf; Abbildung 3) pro Schülergruppe. Das Genblatt (auf A3 oder A4 gedruckt) benötigt etwas Vorbereitungszeit. Das KRAS Banner wird auf mehrere Blätter gedruckt, die dann zusammen gefügt werden. Somit können die Ergebnisse der gesamten Klasse gleichzeitig dargestellt werden.
• Ein Kodonrad Blatt (KRAS_codon_wheel.pdf oder eine andere Kodontabelle für den Sinnstrang (‚sense‘) der DNA , 5’ nach 3’) pro Gruppe (siehe Abbildungen 4 und 5)
• Eine Zusammenfassung (KRAS_ data_sheet.pdf) pro Gruppe
• Stifte

Um das Banner zu benutzen, benötigen Sie des Weiteren große Pfeile, die die Mutationen der Gensequenz markieren. Quadrate werden zur Markierung von Regionen, die bereits überprüft wurden, verwendet (KRAS_annotations.pdf). Wiederverwendbare Klebestreifen (z.B. Blu Tack®) dienen zur Befestigung von Pfeilen und Quadraten am Sequenzbanner. Lesen Sie mehr über diese Methode in den Lehrernotizen, die Sie herunterladen können^w6.

Zusätzlich könnte es nützlich sein, DNA, Peptid und/oder Proteinmodelle zur Hand zu haben und die Wellcome Trust Sanger Institute Krebsanimationen zu nutzen (Cancer: Rogue cells und Role of cancer genes). Diese finden Sie auf der KRAS Aufgaben Webseite^w6.

Einführung in die Aufgabe

Die Investigating Cancer Präsentation (online erhältlich^w6) bietet den Schülern einen Überblick über Krebs. Die Präsentation stellt das Konzept vor, dass Krebs durch Veränderungen der DNA Sequenz entsteht. Des Weiteren werden die verschiedenen Ursachen dieser Mutationen erklärt und die Arbeitsblätter und die Aufgabe selbst eingeführt. Verschiedene Abschnitte der Präsentation fördern Schülerdiskussionen (siehe Präsentationsnotizen „presentation notes“ ^w6).

Im ersten Teil der Aufgabe identifizieren die Schüler Unterschiede zwischen der KRAS Gensequenz in gesunden und Tumorzellen auf ihren Arbeitsblättern. Die Mutationen werden auf dem KRAS Banner oder dem Genblatt markiert.

Die Arbeitsblätter enthalten Rohdaten von KRAS DNA Sequenzen von gesunden und krebsartigen Zellproben, die als farbige Linien dargestellt sind – eine für jede Genregion. Die vier Basen sind durch vier verschiedene Farben repräsentiert. Jeder farbige Liniengipfel stellt eine individuelle DNA Base dar:

Rot: T

Grün: A

Blau: C

Schwarz: G (normalerweise sind diese Gipfel gelb, dies ist aber auf Papier nur schwer zu sehen)

Es gibt 11 Arbeitsblätter, jedes zeigt zwei verschiedene Regionen des KRAS Gens. Die sechs Mutationen im KRAS Gen sind auf den Blättern eins bis sechs. Vertauschen Sie diese Blätter, bevor Sie sie an die Klasse verteilen. Alle Blätter müssen abgearbeitet werden, um das Gen vollständig abzudecken. Es ist wichtig, die Schüler darauf hinzuweisen, dass die Mutationen (relativ) selten sind, also wird nicht jeder eine finden; dies kann genutzt werden, um die Bedeutung von negativen Daten und umfassender Abdeckung in wissenschaftlichen Studien herauszustellen.

Die Identifizierung von Mutationen

Mit Hilfe der Arbeitsblätter können die Schüler Abschnitte einer DNA Sequenz von einer gesunden Zelle und einer Tumorzelle vom selben Patienten vergleichen. Um eine Mutation zu entdecken, ist es am einfachsten, die DNA Sequenz unter die farbigen Liniengipfel zu schreiben (auf dem Arbeitsblatt befindet sich ein Farbschlüssel) und die Sequenzen dann zu vergleichen.

Wenn sich ein Buchstabe unterscheidet (d.h. ein Liniengipfel eine unterschiedliche Farbe hat) weist dies auf eine Mutation in der Sequenz hin. In Abbildung 7 (rechts) wurde das A der DNA Sequenz von einer gesunden Zelle durch ein G in der Tumorzelle ersetzt.

Finden die Schüler einen Doppelgipfel an einer Basenposition, sollte dies mit zwei Alternativbasen notiert werden, die eine wird über die andere geschrieben. In Abbildung 8 enthält die gesunde DNA ein G und die Tumorsequenz ein G und ein C. Dies ist keine Insertion, sondern repräsentiert eine heterozygote Mutation, bei der nur eine Kopie des Gens ein G durch ein C ersetzt hat. In diesem Fall ist in der Tumorsequenz das G durch ein C ersetzt.

Alle Schüler sollten Genregionen, die sie bereits untersucht haben, markieren, indem sie die Region auf dem Genblatt abhaken (siehe Abbildung 9, links).

Schüler, die eine Mutation finden, sollten die entsprechende Base durch einen Kreis auf dem Genblatt markieren (siehe Abbildung 9) und notieren, in welchem Kodon die Mutation liegt (in diesem Beispiel, Kodon 12).

Die Schüler sollen auch die Tabelle auf dem Arbeitsblatt ausfüllen, indem sie das Kodonrad zur Übersetzung der DNA-Sequenz in Aminosäuren, wie in Tabelle 1 gezeigt, nutzen.

Wurden alle Mutationen gefunden, werden sie auf das zusammenfassenden Datenblatt eingetragen (siehe Tabelle 2).

Die Diskussion der Ergebnisse

Die oben gezeigten Ergebnisse stellen alle Einzelbasensubstitutionen dar. Diese Mutationen in der Protein-kodierenden Region des KRAS Gens können in drei Arten unterteilt werden, abhängig von der Information, die vom veränderten Kodon kodiert wird.

• Stille Mutationen kodieren für dieselbe Aminosäure.
• Missense Mutationen kodieren für eine andere Aminosäure.
• Nonsense Mutationen kodieren für einen Translationsstop und können das Protein verkürzen.

Diskutieren Sie, ob die Mutationen bedeutsam sind – haben sie einen Einfluss auf die Proteinfunktion oder sind sie „still“? In dieser Aufgabe sind die Kodons 30 und 173 still und haben damit keinen funktionalen Einfluss.

Die Präsentation enthält ein 3D-Bild des KRAS Proteins (Abbildung 10, rechts); die Folien 26-30 zeigen, wo die bedeutsamen Mutationen im Protein sind. Sie werden feststellen, dass sie alle in derselben Region liegen. Die Kodons 12, 13 und 61 waren die ersten Mutationen, die mit onkogener Transformation im KRAS Protein assoziiert wurden; die Mutation 146 wurde erst im Jahr 2005 entdeckt. Nutzen Sie die Folien, um den möglichen Einfluss der Mutationen auf die Proteinstruktur und die Funktion von KRAS in Wachstumssignalwegen zu diskutieren.

Als optionale Aufgabe können die Schüler mit RasMol arbeiten, eine Modellierungs-Software, die genutzt wurde, um die Bilder auf den Folien 26 bis 30 zu erstellen. Mit Hilfe dieser Software können die Schüler die mutierten Aminosäuren in der Proteinstruktur hervorheben. Für Details lesen Sie die Lehrernotizen^w6.

Wie beeinflussen Informationen wie diese unsere Betrachtungsweise von Krebs?

Die Lehrernotizen^w6 enthalten eine Fülle von Hintergrundinformationen, die KRAS als Beispiel nutzen. Es sollen Diskussionen über die Nutzung genomischer Informationen zur Erweiterung unseres Verständnisses von Krebs und zur Entwicklung von Krebstherapien angeregt werden. Diskussionsansätze für Schüler sind zum Beispiel:

• Welche Experimente oder Herangehensweisen können genutzt werden, um herauszufinden, welche Krebsarten KRAS Mutationen enthalten?
• Was könnte der Vorteil dieser Informationen sein?
• Krebs ist eine genetische Erkrankung: Sie entsteht aufgrund von Veränderungen der DNA-Sequenz. Deshalb glauben viele Menschen, dass die Finanzierung der Forschung an Krebsgenetik der beste Weg ist, um neue Möglichkeiten der Krebsbehandlung zu entwickeln und somit einen Umgang mit der Krankheit ermöglicht. Die Behandlung von Krebs und die Pflege für Krebspatienten ist kostspielig (alleine im Jahr 2000 gab der UK National Health Service mehr als 2 Milliarden Englische Pfund aus). Was denken die Schüler, wo und wie die Gelder ausgegeben werden sollen?

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