Mutation

Mutationen Beispiele – Mutationsarten

Es werden drei Arten von Mutationen unterschieden:

• Genommutationen
• Chromosomenmutationen
• Genmutationen

Die Unterscheidung erfolgt anhand der Anzahl und Struktur der Chromosomen oder einem einzelnen Gen.

Genommutationen

Genommutationen werden auch numerische Chromosomenaberrationen genannt, da sich die Anzahl der Chromosomen verändert.

Genommutationen werden in Polypoidien und Aneuploidien unterschieden. Des Weiteren wird differenziert, ob die Geschlechtschromosomen (Gonosomen) oder andere Chromosomen (Autosomen) von der Mutation betroffen sind.

Polyploidie

Bei der Polyploidie wird der gesamte Chromosomensatz vervielfacht. Das heißt, der Chromosomensatz liegt mindestens dreifach vor. Hauptursache für eine Polyploidie ist ein fehlender Spindelapparat bei der Mitose oder Meiose. Eine Polyploidie ist für den menschlichen Embryo immer tödlich. Bei einigen Nutzpflanzen kann durch Kreuzungen oder entsprechende Mutagene eine Polyploidie erzeugt werden.

Aneuploidie

Bei der Aneuploidie wird die Anzahl der Chromosomen erhöht oder vermindert. Die Hauptursache für Aneuploidien sind fehlerhafte Trennungen von Chromosomen während der Reifeteilung der Keimzellen (Meiose).

Abbildung 1: Aneuploidie & Polyploidie

Typischerweise werden ein Geschlechtschromosom zu viel oder zu wenig an die Nachkommen vererbt. Dadurch entstehen gonosomale Aneuploidien. Typische Beispiele sind:

• XXY-Trisomie (Klinefelter-Syndrom)
• XYY-Trismoie (Jacobs-Syndrom)
• Triple-X-Syndrom (Super-Female-Syndrom)
• X-Chromosom-Monosomie (Ulrich-Turner-Syndrom)

Da die Geschlechtschromosomen eine geringe Anzahl an lebensnotwendigen Genen tragen, sind die Auswirkungen einer gonosomalen Genommutation weniger fatal. Teilweise können Betroffene ein normales Leben führen.

Chromosomenmutationen

Ist die Struktur eines Chromosoms von einer Mutation betroffen, spricht man von einer Chromosomenmutation.

Chromosomenmutationen werden auch strukturelle Chromosomenaberrationen genannt.

Es gibt fünf Arten der Chromosomenmutation:

1. Deletion: Ein Abschnitt des Chromosoms geht verloren
2. Insertion: Basenpaare werden in das Chromosom eingefügt
3. Duplikation: Ein Teilstück des Chromosoms wird verdoppelt
4. Translokation: Ein Stück eines Chromosoms bricht ab und wird mit einem anderen, nicht homologen Chromosom verbunden
5. Inversion: Ein abgebrochenes Chromosomenstück verbindet sich wieder mit demselben Chromosom, allerdings umgekehrt

Genmutationen

Wenn eine Veränderung der genetischen Information innerhalb eines Gens stattfindet, spricht man von einer Genmutation.

Wenn ein einzelnes Basenpaar in der genetischen Information verändert, wird das als Punktmutation bezeichnet.

Es gibt drei Arten der Punktmutation:

• Substitution: Eine Base wird ausgetauscht
• Deletion: Eine Base geht verloren
• Insertion: Eine Base wird hinzugefügt

Je nachdem, ob das Leseraster des Gens betroffen ist, wird zwischen Mutationen, die das Leseraster nicht betreffen und Rastermutationen unterschieden.

Die genetische Information für Proteine liegt in sogenannten Basentripletts vor. Hierbei entsprechen immer drei Basenpaare auf einem Gen einer Aminosäure des entstehenden Proteins. Das Leseraster eines Gens besteht daher aus aufeinanderfolgenden Basentripletts.

Punktmutationen, die das Leseraster nicht beeinflussen

Liegt eine Substitution vor, wird das Leseraster des Gens nicht verändert. Dadurch, dass ein Basenpaar ausgetauscht wird, wird zwar ein einzelnes Basentriplett verändert, aber die darauffolgenden Basenpaare bleiben bestehen.

Mutationen, die das Leseraster nicht beeinflussen, können verschiedenen Auswirkungen haben:

• Stumme Mutation: Wird die dritte Position eines Basentripletts ausgetauscht, kann es sein, dass das neu entstandene Triplett die gleiche Aminosäure codiert (degenerierter Code). In diesem Fall hat die Mutation keine Wirkung und bleibt stumm.
• Missense Mutation: Durch eine Punktmutation kann es vorkommen, dass in das bei der Proteinbiosynthese entstandene Protein eine andere Aminosäure eingebaut wird. Die Funktion des Proteins kann dadurch beeinflusst beziehungsweise eingeschränkt werden. Es ist auch möglich, dass Proteine weitgehend uneingeschränkt funktionieren.
• Nonsense Mutation: Entsteht durch die Punktmutation ein Stopp-Codon, wird die Proteinbiosynthese vorzeitig abgebrochen. Eine verkürzte Aminosäuresequenz entsteht, die entstehenden Proteine sind in der Regel nicht funktionsfähig.
• Readthrough Mutation: Durch eine Punktmutation wird ein Stopp-Codon zu einer Aminosäure. Die DNA wird bis zum nächsten Stopp-Codon weiter abgelesen. Ein nicht funktionsfähiges Protein entsteht.

Rastermutationen

Wird das Leseraster durch eine Mutation verändert, spricht man von einer Rastermutation, diese wird auch Leserastermutation genannt.

Rastermutationen durch Punktmutationen entstehen durch Deletionen und Insertionen von einzelnen Basenpaaren. Diese Veränderungen haben schwerwiegende Folgen, da nicht nur ein einzelnes Basentriplett, sondern auch folgende Basentripletts durch die Mutation verändert werden. Somit verändert sich in der Regel ein großer Teil der Aminosäuresequenz und das resultierende Protein ist nicht funktionsfähig.

Mutation – Ursachen

Wie schon erwähnt, können Mutationen unter natürlichen Bedingungen (Spontanmutationen) oder durch bestimmte Stoffe hergeleitet werden (induzierte Mutationen).

Spontanmutationen

Spontanmutationen treten unter natürlichen Bedingungen auf. Sie sind typischerweise auf Fehler durch bestimmte Proteine oder Enzyme zurückzuführen. Diese Fehler sind normal; in unseren Zellen gibt es Reparaturmechanismen, die zur Beseitigung entsprechender Fehler verantwortlich sind.

Aber selbst diese Reparaturmechanismen sind nicht fehlerfrei. Versagen die Reparaturmechanismen, können Mutationen entstehen, die gegebenenfalls an Tochterzellen oder die Nachkommen weitergegeben werden.

Es gibt spezifische Prozesse in unserem Körper, die gezielt Mutationen hervorbringen. Zu diesen Prozessen gehören:

• DNA-Replikation während der Mitose/Meiose (Zellteilung)
• Aufteilung der Chromosomen während der 1. und 2. Reifeteilung (Meiose)
• Crossing-Over während der Meiose

Mutagene – Umweltursachen für Mutationen

Induzierte Mutationen können durch verschiedene chemische Substanzen (z. B. Teerstoffe in Tabakrauch, salpetrige Säure, Bromuracil) oder energiereiche Strahlen (z. B. UV- oder Röntgenstrahlung) ausgelöst werden.

Prozesse, in denen Mutagene mit DNA-Molekülen interagieren, sind zum Teil äußerst spezifisch. In der Regel werden die Verknüpfungen zwischen den Basen gelöst oder einzelne Basen werden entfernt. Andere Mutagene können DNA-Stränge zum Brechen bringen.

Mutation – Reparaturvorgänge an der DNA

Es gibt verschiedene Reparaturmechanismen der DNA. Ohne sie würden alle DNA-Schäden zu Mutationen führen. Wir unterscheiden vier verschiedene Reparaturmechanismen:

• Fotoreaktivierung: Ein Reparaturenzym macht die Dimerisierung von Thymin-Basen unter Aufnahme von Licht rückgängig.
• Postreplikationsreparatur: Bei der Replikation werden fehlerhafte Stellen in der DNA ausgelassen, die Lücken werden durch Rekombination mit intakten DNA-Abschnitten repariert.
• Exzisionsreparatur: Verschiedene Nukleasen (Enzyme) entfernen einen fehlerhaften Abschnitt aus der DNA. Der Abschnitt wird durch die ursprüngliche Basensequenz ersetzt.
• SOS-Antwort:Dieser Mechanismus ist nur für schwere Schädigungen der DNA (im Notfall) gedacht und arbeitet fehlerhafter als die anderen drei Reparaturmechanismen. Eine Reaktionskaskade setzt spezifische Reparaturenzyme in Gang, welche die DNA zwar schnell, aber ungenau reparieren. Die SOS-Antwort ist mit einer erhöhten Mutationsrate assoziiert.