Mutation, Mutagenese Und Reparatur

Mutation,
Mutagenese
Und Reparatur
Hinweis: Im Atelier finden Sie das Video „Die Replikation“ sowie die CD "The Nature of
Genes". Das Video bietet einen guten Einstieg in das Thema; die CD macht mittels Tutorials und
Aufgaben die wichtigsten Themen der Molekularbiologie leichter verständlich.
Was ist eine Mutation?
Mutationen sind Änderungen im Erbmaterial
Auf molekularem Niveau handelt es sich bei einer Mutation um eine veränderte (mutierte) DNABasensequenz. Die Folgen der genetischen Veränderung betreffen nicht nur die Zelle, in welcher
die Veränderung stattfindet, sondern auch deren Nachkommen: die Mutation wird in allen
künftigen Generationen kopiert werden, weil die "falschen" Basensequenzen ebenso repliziert
werden wie die "richtigen".
Eine Mutation in einem lebenswichtigen Gen kann die Inaktivierung eines Enzyms zur Folge
haben und damit zum Tod der Zelle führen. Eine solche Mutation wird sich nicht durchsetzen
können, weil das Individuum gestorben ist, bevor es sein Erbmaterial an Nachkommen
weitergeben konnte. In diesem Fall geht die veränderte DNA-Sequenz wieder verloren, die
Mutation hat sich selbst vernichtet.
In sehr seltenen Fällen bewirkt eine Mutation aber auch die Synthese eines "besseren", d.h. für
die jeweiligen Umweltbedingungen geeigneteren Enzyms. Dieser Organismus hat einen Vorteil,
und das modifizierte Gen wird schliesslich das ursprüngliche Gen im grössten Teil der Population
durch natürliche Auslese ersetzen.
Das Erbmaterial muss also einerseits sehr genau (erbgleich) an die Tochterzellen weitergegeben
werden, damit das Überleben der Art gewährleistet ist, andererseits soll es sich auch auf
veränderte Umweltbedingungen einstellen können. Evolution, die Entwicklung der
Formenvielfalt von Lebewesen, wäre also ohne Mutationen gar nicht möglich!
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Aber längst nicht jede Änderung der Basensequenz hat wirklich Auswirkungen auf die Struktur
oder die biochemischen Prozesse einer Zelle. Solche Mutationen nennt man deshalb "stille
Mutationen". Die Organisation der Gene und des genetischen Codes, welche Ihnen an anderer
Stelle vorgestellt werden, sind dafür verantwortlich:
• Nur etwa 5% der DNA des Menschen enthält Gene.
• Eukaryontische Gene enthalten nicht-kodierende Sequenzen (Introns).
• Mehrere Basentripletts kodieren für dieselbe Aminosäure.
• Gewisse Aminosäuren eines Proteins können durch andere Aminosäuren ersetzt werden, ohne
dass das Protein funktionell verändert wird.
Arten von Mutationen
Mutationen können sich auf einzelne Gene beschränken (Genmutationen), Teile von
Chromosomen (Chromosomenmutationen) oder noch grössere Anteile des Erbmaterials
(Genommutationen) betreffen.
1. Genommutationen
Normalerweise ist jedes der 23 Chromosomen des Menschen doppelt vorhanden, sie bilden ein
Chromosomenpaar. Das eine stammt vom Vater, das andere von der Mutter. Liegen in einer Zelle
nun drei oder mehr Ausführungen desselben Chromosoms vor, spricht man von Polyploidie, der
Chromosomensatz ist dann nicht diploid (2n), sondern eben triploid (3n), tetraploid (4n),
pentaploid (5n), usw. Die Knochenmarksriesenzellen (Megakaryozyten) sind gute Beispiele für
menschliche polyploide Zellen: ihr Chromosomensatz erreicht durch Endoreplikation (DNASynthese ohne anschliessende Kernteilung) eine Grösse von 32n oder gar 64n! Es handelt sich
dabei aber nicht um eine Mutation, sondern um eine gezielte Genomvergrösserung.
Diploide Keimzellen entstehen durch Ausbleiben der Reduktionsteilung bei der Meiose. Bei einer
eventuellen Befruchtung entstehen triploide Embryonen. Diese sind aber nicht lebensfähig und
sterben meist noch im Mutterleib.
Folgendes Karyogramm zeigt den triploiden Chromosomensatz eines spontan abortierten
menschlichen Fetus:
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Ebenfalls zu den Genommutationen gehören die Aneuploidien, bei welchen einzelne
Chromosomen in Überzahl oder Unterzahl vorhanden sind. Ein Chromosom im Überschuss (also
47 statt 46) bezeichnet man als Trisomie, fehlt ein Chromosom, spricht man von Monosomie.
Aneuploidien entstehen durch Fehlverteilung der Chromosomen bei der Gametogese.
Down-Syndrom
Prominentestes Beispiel für eine Trisomie ist das Down-Syndrom (Trisomie 21), früher
"Mongolismus" genannt, bei welchem das Chromosom 21 in dreifacher Ausführung vorhanden
ist. Patienten mit nur einem X-Geschlechtschromosom ohne Y-Chromosom leiden unter dem
Turner-Syndrom (45, X0). Weitere Informationen über beide Krankheitsbilder finden Sie auf
dem Plakat dieses Postens im Atelier.
2. Chromosomenmutationen
Diese Mutationen betreffen Strukturveränderungen von Chromosomen, bei welchen Brüche
auftreten und sich die entstehenden grösseren Bruchstücke gegebenenfalls neu arrangieren.
Chromosomenmutationen sind mit modernen Färbemethoden (Bänderungstechnik) im Gegensatz
zu Genmutationen mikroskopisch sichtbar. Chromosomenbrüche können sich in jeder Phase des
Zellzyklus erreignen. Tritt die Mutation beispielsweise in der G1-Phase ein, betrifft dies später
beide Chromatiden. Eine Strukturaberration in der G2-Phase beschränkt sich meist auf ein
Chromatid.
Deletion: Das Chromosom verliert durch das
Bruchereignis einen Teil seiner Information.
Man unterscheidet einen
Zwischenstückverlust von einem
Endstückverlust.
Inversion: Das Bruchstück wird um 180
gedreht und wieder eingesetzt. Man spricht
von einer parazentrischen Inversion, wenn
beide Arme des Chromosoms betroffen sind,
von einer perizentrischen Inversion, wenn
nur einer umgebaut wird.
Ringchromosomen: Deletion an beiden
Enden des Chromosoms und anschliessende
Fusion beider Bruchstücke zu einem Ring.
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Duplikation: Das Bruchstück wird im
homologen Partnerchromosom eingebaut.
Liegen die entsprechenden
Chromosomenabschnitte direkt
hintereinander, spricht man von einer
Tandem-Duplikation. Ursache ist
wahrscheinlich ungleiches Crossing-Over
homologer Chromosomen.
Translokationen: Hier werden Bruchstücke
zwischen nicht homologen Chromosomen
ausgetauscht. Es entsteht deshalb kein
Materialverlust
Zentrische Fusion: (Robertson'sche
Translokation): Sie ist eine Sonderform der
oben besprochenen Translokation und
betrifft die akrozentrischen Chromosomen
13, 14, 15, 21 und 22. Zwei Chromosomen
verlieren dabei ihre Satelliten-DNA und
fusionieren zu einem grösseren Chromosom.
Erfolgt der Umbau zwischen homologen
Chromosomen, entsteht ein metazentrisches,
sonst ein submetazentrisches
erTranslokationschromosom.
Aufgabe: Zeichnen Sie eine Zentrische Fusion der Chromosomen 14 und 21 auf.
Wie sieht die Chromosomenverteilung bei der Gametogenese und wie bei einer eventuellen
Befruchtung der Eizelle aus (theoretisch sechs verschiedene Fälle)?
Welchen Einfluss hat dies auf den Embryo?
Lösung: S. 12
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Hinweis: Die Folgen einer Deletion im kurzen Arm von Chromosom 5, einer Mutation, welche
zum sog. Cri-du-chat-Syndrom (Katzenschrei-Syndrom) führt, können Sie dem Plakat im
Atelier entnehmen.
3. Genmutationen
Genmutationen betreffen einzelne Abschnitte eines Gens und sind deshalb mikroskopisch nicht
sichtbar. Oft betreffen sie sogar nur ein einziges Basenpaar auf der DNA: es sind dies sogenannte
Punktmutationen.
Substitution
Beim Kopieren von DNA (Replikation) kann es vorkommen, dass falsche, nicht komplementäre
Basen eingebaut werden: wird eine Purin-Base durch eine andere Purin-Base (A zu G) oder eine
Pyrimidin-Base durch eine andere Pyrimidin-Base (C zu T) ersetzt, spricht man von einer
Transition; bei einer Transversion wird eine Purin- durch eine Pyrimidinbase (A,G zu T,C) oder
umgekehrt (T,C zu A,G) ersetzt.
Hinweis: Ein gutes Beispiel für eine Basensubstitution ist die Sichelzellanämie. Sie finden im
Atelier einen Posten zum Thema "Sichelzellanämie".
Deletion und Insertion
Der Verlust oder der Einbau einzelner Basen kommen seltener vor. Da das Basentriplett (drei
aufeinanderfolgende Basen) die Basis des genetischen Codes darstellt, kommt es bei Deletion
oder Insertion einzelner Basen unter Umständen zu einer Verschiebung des Leserasters eines
Gens (sog. frame-shift-Mutation). Wie Sie noch sehen werden, führt dies schlussendlich zu
einer völlig veränderten Proteinstruktur. Dazu ein einfaches Beispiel:
DNA (nur kodierender Strang gezeigt)
und entsprechende Basentripletts
Insertion von zwei Basen (A, T)
und resultierende Basentripletts
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Deletion einer Base (Cytosin)
und resultierende Basentripletts
Aufgabe: Versuchen Sie herauszufinden, in welchen Fällen Deletion oder Insertion von Basen zu
keiner frame-shift-Mutation führt.
Lösung: S. 13
Mutagenese: wie entsteht eine Mutation?
Mutationen unterteilt man nach Art ihrer Entstehung in spontane und induzierte Mutationen.
Spontane Mutationen geschehen auch unter "normalen" Verhältnissen mit bestimmter
Wahrscheinlichkeit. Die Spontanrate ist allerdings individuell verschieden. Der Grund für diese
Variation liegt in der unterschiedlichen Aktivität der DNA-Reparatursysteme (siehe weiter
unten). Die Mutationsrate wird durch induzierte Mutationen weiter erhöht. Physikalische,
chemische oder auch virale Mutagene induzieren Mutationen.
Die Grenze zwischen spontanen und induzierten Mutationen ist aber nicht immer einfach zu
ziehen: viele Agentien müssten nämlich eigentlich in beiden Klassen aufgeführt werden, weil
eine gewisse Dosis eines Mutagens auch unter normalen Bedingungen existiert. Ultraviolette
Strahlung, zum Beispiel, ist auch im Spektrum des Sonnenlichts enthalten und ist so auch an der
Entstehung der "spontanen" Mutationen beteiligt.
Induzierte Mutationen
1. Physikalische Mutagene
Ionisierende Strahlen: Ionisierende Strahlen sind energiereiche Strahlen (Röntgenstrahlen, AlphaBeta- oder Gamma- Strahlen radioaktiver Substanzen), die einen Teil der von ihnen getroffenen
Moleküle verändern. Röntgenstrahlen z.B. rufen bevorzugt Chromosomenbrüche hervor.
UV-Licht: UV-Bestrahlung führt zur Bildung von Dimeren aus zwei benachbarten PyrimidinResten, wie weiter unten genauer beschrieben wird.
2. Chemische Mutagene
ENU und EMS: Ethylnitroisoharnstoff (ENU) und Ethylmethansulfonat (EMS) werden
experimentell zur Mutagenese eingesetzt. ENU und EMS lösen Punktmutationen aus.
Colchizin: Polyploidie kann durch Zugabe von Colchizin induziert werden. Colchizin hemmt
nämlich den Spindelapparat und damit die Trennung der Chromatiden bei der Zellteilung, indem
es an Tubulin bindet und die Neubildung von Mikrotubuli verhindert.
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5-Brom-Uracil: 5-Bromuracil ist eine dem Thymin ähnliche Base - sie trägt ein Bromatom
anstelle der Methylgruppe. Bei der Replikation wird es aber oft mit Cytosin verwechselt, so dass
Guanin anstelle von Adenin in die DNA eingebaut wird. Dies ergibt schliesslich eine
Basensubstitution.
Salpetrige Säure: Salpetrige Säure (HNO2) ist Katalysator bei diversen Umwandlungsreaktionen:
So entstehen durch Abspaltung von NH3 (Desaminierung) und anschliessender Isomerisierung
aus Cytosin Uracil, aus Adenin Hypoxanthin und aus Guanin Xanthin.
Aufgabe: Eine der beiden Cytosin-Basen im
DNA-Abschnitt wird unter Einfluss von
HNO2 desaminiert. Welche Folgen hat dies
auf diesen DNA-Abschnitt und welche
Basensequenz haben die bei der
nachfolgenden Replikation entstehenden
DNA-Helices? (Tip: Uracil paart
normalerweise mit Adenin)
Lösung: S. 13
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3. Virale Mutagene
Auch Viren sind mutagen und können zu Chromosomenmutationen führen. Retroviren z.B.
schreiben ihr Erbmaterial erst von RNA in DNA um und fügen diese dann in das Wirtsgenom ein.
Spontane Mutationen
Desaminierungen und Depurinierungen
Dass salpetrige Säure die Struktur von Basen ändern kann, wurde schon oben gezeigt. Diese
Desaminierung kann aber auch spontan ablaufen, genauso wie die hydrolytische Spaltung der
Zucker-Base-Bindung von Purinen (Depurinierung).
Pyrimidin-Dimere
Benachbarte Pyrimidin-Basen (T-T, T-C, C-C) werden durch ultraviolette Strahlung zu kovalent
gebundenen Pyrimidin-Dimeren verbunden. Beispiel:
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Endoreplikation, Zellkernfusion und Endomitose
Polyploide Zellen entstehen entweder durch doppelte DNA-Synthese in der S-Phase des
Zellzyklus (Endoreplikation), durch Fusion von Zellkernen (Zellkernfusion) oder durch DNASynthese unter Ausbleiben der Zell- und Kernteilung (Endomitose).
Non-disjunction
Wenn sich zwei homologe Chromosomen bei der Meiose nicht trennen, erhält die eine Keimzelle
beide Chromosomen, die andere keines. Diese Erscheinungsform nennt man meiotische Nondisjunction. Nichttrennung von homologen Chromatiden in der Mitose (mitotische Nondisjunction) hat zur Folge, dass ein Chromosom zuviel oder zuwenig in eine somatische Zelle
gelangt. Beide Kategorien von Non-disjunction führen schliesslich zur Aneuplodie: Die Zahl der
Chromosomen einer Zelle weicht von 23 Chromosomenpaaren ab.
Tautomerien
Die in der DNA vorkommenden Basen tragen unter anderem Amino- und Ketogruppen. Sie
können aber in seltenen Fällen intramolekulare Umlagerungsreaktionen erfahren und in der
Imino- oder Enolform vorliegen. In diesem Fall ändern sich die Paarungseigenschaften: So paart
z.B. Cytosin nicht mehr mit Guanin, sondern mit Adenin!
Entsprechendes gilt für alle anderen Basen, wie folgende Aufstellung zeigt:
Normale Form
A (Amino) paart mit T
C (Amino) paart mit G
G (Keto) paart mit C
T (Keto) paart mit A
Tautomere Form
A (Imino) paart mit C
C (Imino) paart mit A
G (Enol) paart mit T
T (Enol) paart mit G
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Reparaturmechanismen
Zellen verlieren durch spontane Depurinierung pro Tag bis zu 5000 Purinbasen aus der DNA. Die
spontanen Desaminierungen von Cytosin zu Uracil werden auf etwa 100 geschätzt. Das
Verhältnis zwischen den bekannten DNA-Basen und ihren tautomeren Formen beträgt etwa
10'000 zu 1. Trotzdem wird bei der Replikation nur etwa eine Base auf 109 Basen falsch
eingebaut. Wie ist dieser Widerspruch zu erklären? Warum macht ein durchschnittlich grosses
Gen nur alle 106 Zellteilungen eine Mutation durch?
Obige Zahlen fordern die Existenz von Reparatursystemen, welche die DNA nach Fehlern
absuchen und diese korrigieren. Solche Reparatursysteme gibt es tatsächlich. Als Mutationen
erscheinen also nur die Genomänderungen, welche von den Reparaturkomplexen nicht erkannt
wurden.
Zellen verfügen über eine Reihe von Enzymkomplexen, welche verschiedene Typen von DNASchäden erkennen und reparieren können. Vereinfacht bestehen DNA-Reparaturvorgänge aus
drei Schritten:
• Ein Fehler auf einem DNA-Abschnitt wird von einem Enzymkomplex erkannt.
Endonukleasen hydrolysieren darauf die Phosphodiesterbindungen im fehlerhaften Abschnitt
und entfernen so die veränderte Nukleotidsequenz.
• Der resultierende DNA-Einzelstrang wird durch eine DNA-Polymerase wieder mit
komplementären Basen zum Doppelstrang ergänzt.
• Eine DNA-Ligase verbindet das zuletzt eingebaute Nukleotid mit seinem Nachbarn und
schliesst damit die Lücke.
Depurinierte Stellen
• Eine Endonuklease spaltet die DNA-Kette gerade vor der defekten Stelle und entfernt den
Zucker und das Phosphat.
• Eine DNA-Polymerase setzt das passende Nukleotid ein.
• Eine DNA-Ligase schliesst die Lücke
Enzyme erkennen Veränderungen in der DNA-Doppelhelix
Fehler in der DNA-Doppelhelix, welche die Basenpaarung verändern, werden von Glycosylasen
erkannt und die entsprechenden Basen entfernt. Glycosylasen sind eine vielfältige Gruppe von
Enzymen: es gibt Glycosylasen, die spezifisch desaminierte Adenine, desaminierte Cytosine,
verschiedene alkylierte Basen und Basen mit geöffneten Ringen entfernen können. Nach dem
Entfernen der defekten Base wird der Schaden wie oben beschieben repariert.
Desaminierungen können erkannt werden, weil jede durch eine Desaminierung entstandene Base
nicht mehr korrekte Basenpaarung eingehen kann: so wird aus Cytosin Uracil, aus Adenin
Hypoxanthin und aus Guanin Xanthin. Hier liegt ein Evolutionsvorteil, den die Verwendung von
Thymin anstelle von Uracil im Einbau in die DNA hat: in einer uracil-haltigen DNA könnten
normale Uracile nicht von solchen unterschieden werden, die durch Desaminierung von Cytosin
entstehen.
Es gibt auch Multienzymkomplexe, die grössere Veränderungen in der DNA erkennen und
reparieren können. Solche Schäden entstehen unter anderem bei der Anlagerung von
Kohlenwasserstoffen (wie z.B. dem Karzinogen Benzpyren) an Basen oder Bestrahlung von
DNA mit ultravioletter Strahlung, welche zu kovalenter Verknüpfung von benachbarten
Pyrimidinen führt. Solche DNA-Stränge werden vor und nach der schadhaften Stelle von
Endonukleasen gespalten, ein Stück DNA von 20-30 Nukleotiden mit der schadhaften Stelle
entfernt und die entstandene Lücke wie oben beschrieben repariert.
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Und wenn beide DNA-Stränge defekt sind ?
Sind gleichzeitig beide Kopien am gleichen Basenpaar beschädigt, kann keiner der beiden
Stränge mehr als Matrize für die Reparatur gebraucht werden. Aber auch für diesen seltenen Fall
gibt es mittels genetischer Rekombinationsvorgänge manchmal eine Rettung, nämlich dann, wenn
die defekte Basensequenz noch in einem andern DNA-Abschnitt unversehrt vorhanden ist.
Der "Korrekturlese"-Mechanismus der DNA-Polymerasen
Die DNA-Polymerase baut bei der Replikation Nukleotide in 5'-> 3' - Richtung in den
wachsenden DNA-Strang ein. Dazu braucht sie ein korrektes Basenpaar und ein freies 3' -OHEnde, an welches das nächste Nukleotid angehängt werden kann. Liegen nun zwei nichtkomplementäre Basen vor (wie es beim Einbau von tautomeren Formen der Basen geschehen
kann), stoppt die Polymerase und entfernt solange Nukleotide in 3'-> 5' - Richtung, bis wieder ein
basengepaartes Ende zur Verfügung steht.
Die DNA-Polymerase ist also ein selbst-korrigierendes Enzym, indem es die von ihr falsch
eingebauten Basen erkennt und wieder entfernt.
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Hinweis: Wie wichtig diese Reparaturmechanismen für eine Zelle sind, können Sie dem Plakat
im Atelier entnehmen. Patienten mit der Erbkrankheit Xeroderma pigmentosum haben Defekte
in gewissen Reparaturenzymen und leiden unter schweren Hautschäden, darunter auch Hautkrebs.
Quellennachweis
•
Walther Traut: "Chromosomen - klassische und molekulare Cytokinetik", p. 29-56, SpringerLehrbuch
•
Bruce Alberts et al.: "Molekularbiologie der Zelle", 2. Aufl., p. 257-269, p. 113-114
Hinweis: In der „Lese-Ecke“ stehen Ihnen Lehrbücher zum vertieften Studium zur Verfügung
Lösungen
•
Zeichnen Sie eine Zentrische Fusion der Chromosomen 14 und 21 auf.
Wie sieht die Chromosomenverteilung bei der Gametogenese und wie bei einer eventuellen
Befruchtung der Eizelle aus (theoretisch sechs verschiedene Fälle)?
Welchen Einfluss hat dies auf den Embryo?
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•
Versuchen Sie herauszufinden, in welchen Fällen Deletion oder Insertion von Basen zu
keiner frame-shift-Mutation führt.
Die genetischen Code-Wörter sind Basentripletts. Wenn nun eine Anzahl Basen, die dem
Vielfachen von 3 entspricht, in die DNA eingebaut oder entfernt wird, kommt es zu keiner
Verschiebung des Leserasters, wie unteres Schema zeigt. Allerdings entsteht dann bei der
Proteinsynthese ein zu kurzes Eiweiss oder eines mit zuviel Aminosäuren.
•
Eine der beiden Cytosin-Basen im DNA-Abschnitt wird unter Einfluss von HNO2
desaminiert. Welche Folgen hat dies auf diesen DNA-Abschnitt und welche Basensequenz
haben die bei der nachfolgenden Replikation entstehenden DNA-Helices?
Uebungsaufgaben mit Lösungen
finden Sie in der Internetversion des Ateliers!
Hinweis: Das „Repetitorium Molekularbiologie“ definiert den Stoff, welcher in den Prüfungen
verlangt wird. Wegen seiner Kürze eignet es sich allerdings nicht als primäre Informationsquelle!
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