DE3018899C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lehrkasten für Genetik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Lehrkasten zur Veranschaulichung genetischer Gesetze.

Um Studenten das Verständnis der Gesetze der Genetik durch Ausführung genetischer Versuche zu erleichtern, gab es bisher die Möglichkeit, süße Bohnen aus Samen zu ziehen, die Blüten kreuzweise zu befruchten, die Samen zu sammeln, diese anschließend zu säen und die Charakteristika der erhaltenen Blüten und Samen auszuwerten. Die Durchführung dieses gesamten Verfahrens dauert jedoch mindestens zwei Jahre, bis abschließende Ergebnisse erhalten werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Versuche mit der Fruchtfliege Drosophila durchzuführen, um genetische Gesetzmäßigkeiten zu untersuchen. Die Entwicklungsdauer von Drosophila beträgt etwa 12 Tage. Die Zucht von Drosophila ist jedoch schwierig und umständlich, und da Drosophila getrennt-geschlechtlich ist, muß die Kreuzung sorgfältig gesteuert werden, um die gewünschten Ergebnisse sicherzustellen. Aufgrund dieser Probleme wurde Drosophila kaum als Lehrmaterial für genetische Versuche an Gymnasien, Oberschulen und Fachhochschulen oder anderen Schulen verwendet.

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen problemlos aufzuziehenden Organismus mit kurzer Generationsdauer zur Verfügung zu stellen, bei dem genetische Veränderungen leicht am Phänotyp erkennbar sind.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch einen Organismus gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist selbstverständlich, daß ein Versuchsorganismus, der in einem Lehrkasten verwendet werden soll, nichtpathogen und harmlos sein muß. Unter diesem Gesichtspunkt ist Caenorhabditis elegans, ein freilebender hermaphroditischer Bodennematode, das ideale Versuchstier. Von diesem Tier ist bekannt, daß es nichtpathogen, ungiftig und harmlos ist. Ferner wurde die Zellentwicklung bei diesem Nematoden vom befruchteten Ei bis zum Erwachsenenstadium und der Verlauf der Organogenese praktisch vollständig untersucht und ist somit bekannt.

Bei Caenorhabditis elegans, im folgenden als "C. elegans" bezeichnet, beträgt die Entwicklungsdaur etwa 2 Tage. Ein hermaphroditischer erwachsener Nematode dieser Art bildet im Durchschnitt etwa 300 selbstbefruchtete Eier. In etwa 50 Stunden entwickeln sich die befruchteten Eier zu reifen Erwachsenen, welche wiederum zum Legen von befruchteten Eiern fähig sind. Infolgedessen bilden sich aus einem Erwachsenen in etwa 100 Stunden etwa 100 000 neue Individuen.

Eine fünftägige Inkubation ist somit ausreichend, um Individuen der zweiten Tochtergeneration (F₂) zu erhalten, die zur Untersuchung und zum Aufzeigen der Gesetze der Genetik notwendig ist. Falls deshalb der Lehrkasten gemäß der Erfindung verwendet wird, können die Gesetze der Genetik experimentell innerhalb einer kurzen Zeit bestätigt werden, wobei die Theorie gleichzeitig aus einem Lehrbuch erarbeitet werden kann.

Um Mutationen in Nematoden auszulösen, können bekannte Mutagene, wie Röntgenstrahlen, Radioisotopenstrahlen oder chemische Substanzen eingesetzt werden. Falls beispielsweise die Nematoden einem Mutagen wie Ethylmethansulfonat, das nachfolgend als EMS bezeichnet wird, ausgesetzt werden, kann man Mutationen auslösen, die zu Individuen vom dicken (kurze Körperlänge) oder unkoordinierten (abnorme Bewegungen) Typ führen. Ferner können homozygote Nematoden, die ungebundene dicke (dpy) und unkoordinierte (unc) Mutationen enthalten, gezielt erhalten werden. Wie dies möglich ist, wird nachfolgend beschrieben.

(1) Gewinnung von homozygoten Mutanten mit dem rezessiven Merkal "dick" (dpy/dpy)

Als Mutagen wird EMS verwendet, obwohl auch andere Mutagene verwendet werden können. Larven im dritten Stadium werden während 4 h 5000 ppm EMS ausgesetzt, um die Mutation zum rezessiven Merkmal "dick" einzuleiten. Die Mutationsrate für den Satz von Genen, die zur dicken Mutante führt, beträgt etwa 10^-3. Die Heterozygoten der F₁-Generation mit dem Genotyp (dpy/+) werden zur Erzeugung der F₂-Generation gekreuzt. Die Genotypen und Phänotypen der F₂-Generation sind aus Tabelle I ersichtlich.

Tabelle I

In der Tabelle I bedeutet + den Genotyp des Wildtyps und d den Genotyp der dpy-Mutante. Der Phänotyp ist in Klammern angegeben: W bedeutet den Wildtyp und D die homozygote dicke Mutante. In der F₂-Generation beträgt das Verhältnis von Wildtyp (W) zu homozygoter dicker Mutante (D) 3 : 1. Die homozygoten dicken Mutanten werden selektiert.

(2) Gewinnung von homozygoten Mutanten mit dem rezessiven Merkmal "unkoordiniert" (und/unc)

Entsprechend dem vorstehend unter (1) beschriebenen Verfahren wurde eine Mutation zum unkoordinierten Typ (unc) induziert. Die Mutationsrate für den Satz von Genen, die zur unkoordinierten Mutante führt, beträgt etwa 1/300. Die Heterozygoten der F₁-Generation mit dem Genotyp (unc/+) werden zur Erzeugung der F₂-Generation gekreuzt. Die Genotypen und Phänotypen der F₂-Generation sind aus Tabelle II ersichtlich.

Tabelle II

In der Tabelle II ist mit + der Genotyp des Wildtyps und mit u der Genotyp der unc-Mutante bezeichnet. Der Phänotyp ist in Klammern angegeben: W bezeichnet den Wildtyp und U die homozygote unkoordinierte Mutante. In der F₂-Generation beträgt das Verhältnis von Wildtyp (W) zur unkoordinierten homozygoten Mutante (U) 3 : 1. Die homozygoten unkoordinierten Mutanten werden selektiert.

(3) Gewinnung von homozygoten Mutanten mit den ungebunden Merkmalen "dick" und "unkoordiniert" (dpy,unc/dpy,unc)

Durch Kreuzen von dicken männlichen Tieren des Genotyps dpy,+/dpy,+ mit unkoordinierten Hermaphroditen des Genotyps +,unc/+,unc wird eine F₁-Generation mit dem Phänotyp des Wildtyps und dem Genotyp +,+/dpy,unc gebildet. Diese heterozygote Generation wird zur Erzeugung der F₂-Generation gekreuzt. Die Genotypen und Phänotypen der F₂-Generation sind aus Tabelle III ersichtlich.

Tabelle III

In der Tabelle III bezeichnet + den Genotyp des Wildtyps, d den von dpy und u den von unc. Der Phänotyp ist in Klammern angegeben: W bezeichnet den Wildtyp, D die dicke homozygote Mutante, U die unkoordinierte homozygote Mutante und DU die dicke unkoordinierte homozygote Mutante. In der F₂-Generation beträgt das Phänotypenverhältnis von Wildtyp (W), dickem Typ (D), unkoordiniertem Typ (U) und dickem unkoordiniertem Typ (DU) 9 : 3 : 3 : 1. Die unkoordinierten dicken homozygoten Mutanten werden selektiert.

Gemäß der Erfindung können die hermaphroditischen Nematoden mit Mutationen rezessiver Merkmale einzeln oder in Kombination für den Lehrkasten verwendet werden. Falls beispielsweise die vorstehend unter (1) oder (2) beschriebenen Nematoden des Genotyps dpy/+ oder unc/+ als Versuchstiere verwendet werden, kann das Segregationsgesetz (Erstes Gesetz von Mendel) und wenn die vorstehend unter (3) beschriebenen Nematoden des Genotyps +,+/dpy,unc als Versuchstiere verwendet werden, kann das Gesetz der unabhängigen Auswahl nichtgebundener Gene (Zweites Gesetz von Mendel) untersucht werden.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Nematoden können während eines langen Zeitraumes, z. B. bis zu einigen Jahren, im halbgetrockneten oder gefrorenen Zustand aufbewahrt werden. Sie werden an die Verbraucher als halbgetrocknete oder gefrorene Nematoden, eingeschlossen in einem Gefäß, beispielsweise einer Ampulle oder einem Glasgefäß, geliefert. Die Nematoden, die für die Versuche verwendet werden, sind, wie eingangs erwähnt, harmlos und nicht pathogen. Sie können daher nach den Versuchen einfach weggeworfen werden. Sie sind aber auch leicht zu töten, indem sie in heißes Wasser geworfen werden.

In dem Lehrkasten gemäß der Erfindung ist weiterhin eine Nährstoffquelle für ein Kulturmedium zum Wachsen der Nematoden enthalten. Escherichia coli oder synthetische Medien können neben anderen als Nährstoffquelle verwendet werden.

Geeignete Hilfsmittel zur Züchtung oder Beobachtung von Nematoden können in dem Lehrkasten gemäß der Erfindung gewünschtenfalls zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Nematoden und der Nährstoffquelle für das Kulturmedium enthalten sein. Ein erwachsenes Tier von C. elegans ist etwa 1 mm lang, so daß eine Beobachtung mit unbewaffnetem Auge nicht ausreicht. Falls ein Vergrößerungsglas mit einer 5- bis 30fachen Vergrößerung in dem Lehrkasten enthalten ist, wird die Beobachtung wesentlich erleichtert. Ein weiteres sinnvolles Zubehör ist eine Bestimmungsvorrichtung, bestehend aus einem transparenten Bogen, auf dem seitlich und senkrecht Linien in Abständen von etwa ¹/₁₀ mm gedruckt sind. Damit ist eine Bestimmung der Körperlänge und eine Zählung der Anzahl der Individuen leicht möglich. Ferner können Glas oder Petri-Schalen aus Kunststoff als Behälter zur Züchtung der Nematoden enthalten sein.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Lehrkasten für Genetik vorgeschlagen, der Nematoden der Art C. elegans als Versuchstiere enthält, die durch ihre kurze Entwicklungsdauer besonders gut für das Studium genetischer Gesetzmäßigkeiten eingesetzt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele erläutert.

Beispiel 1 (Lehrkasten 1a)

Dieses Beispiel beschreibt einen Lehrkasten zur Untersuchung des Gesetzes der Segregation. Zehn Hermaphroditen (morphologischer Wildtyp) mit dem Genotyp unc/+ wurden in eine Ampulle eingeschlossen. Diese Ampulle wurde zusammen mit einer mit einem Agarkulturmedium gefüllten verschlossenen Petri-Schale und einer eine E. coli-Suspension enthaltenden Ampulle zu einem Lehrkasten vereinigt. Zur Versuchsdurchführung wurde die Petri-Schale geöffnet und ein Tropfen der flüssigen C. coli-Suspension auf das Agarkulturmedium aufgebracht. Drei Hermaphroditen wurden auf das E. coli-Agarkulturmedium gebracht und bei 25°C inkubiert. Wenn etwa 200 Nachkommen gebildet worden waren, wurden die drei Eltern-Hermaphroditen von dem Agarkulturmedium entfernt. Einen Tag später wurde gezählt, wie viele Individuen der Nachkommenschaft vom Wildtyp (+,+ und unc,+) und wie viele vom unkoordinierten Typ (unc,unc) gebildet worden waren; das Verhältnis Wildtyp zu unkoordiniertem Typ betrug 3 : 1, wie aus Tabelle II ersichtlich.

Beispiel 2 (Lehrkasten 1b)

Auch dieses Beispiel beschreibt einen Lehrkasten zur Untersuchung des Gesetzes der Segregation, aber die verwendeten Hermaphroditen waren diesmal im Unterschied zum Beispiel 1 vom Genotyp dpy/+. Die Versuchsdurchführung erfolgte in der gleichen Weise in Beispiel 1. Die Nachkommenschaft war wieder im Verhältnis von 3 : 1 in den Wildtyp (+,+ und dpy/+) und den dicken Typ (dpy,dpy) segregiert, wie aus Tabelle I ersichtlich ist.

Beispiel 3 (Lehrkasten 2)

Auch dieses Beispiel beschreibt einen Lehrkasten zur Untersuchung des Gesetzes der Segregation.

Der Lehrkasten wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch männliche Tiere vom Wildtyp (+,+) und unkoordinierte Hermaphroditen (unc,unc) getrennt in Ampullen eingeschlossen wurden. Mit dem Lehrkasten dieses Beispiels sind Untersuchungen zum gleichen Gesetz wie im Fall des Lehrkastens 1 möglich, er ist jedoch insbesondere für fortgeschrittenere Genetikstudenten geeignet.

Zur Versuchsdurchführung wurde ein Tropfen der E. coli-Suspension auf die Mitte einer Agarplatte aufgebracht. Fünf männliche +,+-Wildtypen und fünf unkoordinierte unc/unc-Hermaphroditen wurden auf das E. coli-Wachstumszentrum der Agarplatte zur Kreuzbefruchtung gebracht. Die Platte wurde während 2 Tagen bei 25°C inkubiert. Etwa 300 Individuen der Nachkommenschaft waren phänotypisch vom Wildtyp mit dem Genotyp und/+. Sie ließen sich leicht von den selbstbefruchteten unkoordinierten Individuen der Nachkommenschaft unterscheiden.

Drei kreuzbefruchtete unc,+-Hermaphroditen, die sich leicht von männlichen Tieren mit demselben Genotyp unterscheiden lassen, wurden auf einen Fleck mit iener E. coli-Suspension, der auf dem Agarkulturmedium einer anderen Petri-Schale gewachsen war, gesetzt. Wenn etwa 300 selbstbefruchtete Nachkommen gebildet worden waren, wurden die Eltern-Hermaphroditen entfernt. Einen Tag später wurde die gesamte Nachkommenschaft ausgezählt. Das Verhältnis des phänotypischen Wildtyps zu unkoordinierten Tieren betrug 3 : 1, wodurch das Gesetz der Segregation nach Mendel wiederum bestätigt wurde.

Beispiel 4 (Lehrkasten 3)

Dieses Beispiel beschreibt einen Lehrkasten zur Untersuchung des Gesetzes der unabhängigen Auswahl (Zweites Gesetz von Mendel).

Ein Lehrkasten wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch zehn phänotypische Wildtyp-Hermaphroditen vom Genotyp +,dpy/unc,+ für zwei ungebundene Mutationen in eine Ampulle eingeschlossen wurden. Drei Hermaphroditen wurden auf eine Agarplatte mit einer E. coli-Suspension wie in Beispiel 1 gebracht und bei 26°C inkubiert. Dann wurde abgewartet, bis sich 300 Nachkommen entwickelt hatten, wonach die Eltern-Hermaphroditen wieder von der Platte entfernt wurden. Einen Tag später wurde diese Nachkommenschaft im Hinblick auf verschiedene Phänotypen ausgezählt. Es wurden 4 Phänotypen gefunden, die, wie aus Tabelle III ersichtlich ist, vom Wildtyp (W), vom unkoordinierten Typ (U), vom dicken Typ (D) und vom dicken unkoordinierten Typ (DU) waren. Das Verhältnis der jeweiligen Phänotypen zueinander betrug 9 : 3 : 3 : 1.

Beispiel 5 (Lehrkasten 4)

Dieses Beispiel beschreibt ebenfalls einen Lehrkasten für die Untersuchung des Gesetzes der unabhängigen Auswahl für zwei ungebundene Gene.

Ein Lehrkasten wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch zehn Hermaphroditen vom Genotyp dpy,unc/dpy,unc und zehn männliche Tiere vom Wildtyp +,+/+,+ in Ampullen eingeschlossen wurden. Das Prinzip dieses Lehrkastens erlaubt Versuche wie beim Lehrkasten 3, jedoch ist dieser Kasten insbesondere für fortgeschrittenere Genetikstudenten geeignet.

Wie in Beispiel 3, wurden 5 männliche Tiere vom Wildtyp +,+/+,+ mit drei Hermaphroditen dpy,unc/dpy,unc auf eine E. coli-Suspension, die sich auf einer Agarmediumplatte befand, gebracht. Diese Platte mit zur Paarung geeigneten Bedingungen wurde bei 25°C inkubiert, bis sich die Hermaphroditen zahlreich vermehrt hatten. Drei phänotypische Hermaphroditen vom Wildtyp (+,unc/dpy,+) wurden unter der Nachkommenschaft selektiert und zur Erzeugung von Nachwuchs durch Selbstbefruchtung überlassen. Wie in Beispiel 4 wurden die Phänotypen der Nachkommenschaft ausgezählt. Das Verhältnis der Individuen des Wildtyps, des unkoordinierten Typs, des dicken Typs und des unkoordinierten dicken Typs betrug 9 : 3 : 3 . 1.

Neben den oben beschriebenen Beispielen sind viele Abwandlungen im Versuchsaufbau und -ablauf im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Es können beispielsweise temperaturempfindliche Mutanten als Versuchstiere verwendet werden. Es ist auch möglich, Kästen zur Untersuchung des Segregationsgesetzes für drei oder mehr Gene, zur Bestimmung von gebunden vererbten Genen und zur Untersuchung des Verhaltens von sechs gebunden vererbten Genen herzustellen. Auch sind beispielsweise Lehrkästen möglich, die die eine Bindungsgruppenbestimmung und einen Komplementationstest erlauben.

Claims (8)

1. Lehrkasten für Genetik, dadurch gekennzeichnet, daß er den Nematoden Caenorhabditis elegans in halbgetrocknetem oder gefrorenem Zustand in einem Gefäß eingeschlossen sowie eine Nährstoffquelle für ein Kulturmedium zum Wachstum des Nematoden enthält.

2. Lehrkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nematode ein selbstbefruchtender Hermaphrodit ist.

3. Lehrkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine geeignete Nährstoffquelle zur Kreuzungszüchtung der Nematoden enthält.

4. Lehrkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Vergrößerungsglas für die Beobachtung der Nematoden, eine Petri-Schale sowie Vorrichtungen zur Messung der Länge und Zählung der Individuenanzahl der Nematoden enthält.

5. Lehrkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Gesetzes der Segregation eines Paares von allen Genen der Nematode aus einer dicken (kurze Körperlänge) oder unkoordinierten (abnorme Bewegungen ausführend) Hermaphroditmutante besteht.

6. Lehrkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Gesetzes der unabhängigen Auswahl für ein Paar von ungebundenen Mutationen ein homozygot mutierter Nematode vom dicken und unkoordinierten Typ verwendet wird.

7. Lehrkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Gesetzes der Segregation der Nematode aus homozygoten Hermaphroditen mit Mutationen zum dicken und/oder unkoordinierten Typ und männlichen Tieren vom Wildtyp besteht.

8. Lehrkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nematode in einer Ampulle oder einem anderen Glasgefäß eingeschlossen ist.