Mutationen im Erbgut - Herzlich willkommen auf bio

Mutationen im Erbgut
Jeder Mensch ist anders. Bei manchen ist die Nase lang, andere haben eine Stupsnase,
manche haben lange dünne Finger und wiederum andere besitzen eher kurze dicke Finger an
ihren Händen. Aber einige Merkmale sind vielleicht sogar ganz einzigartig. Wie kommt es dazu?
Hier sieht man eine Population an Käfern, die unterschiedliche Merkmale besitzen.
Man kann deutlich die zwei unterschiedlichen Muster des Rückenpanzers erkennen (gerade
und zickzack). Ein Käfer hat offenbar dickere Beine und einer längere Fühler als alle anderen.
Bei einer so kleinen Zahl an Käfern ist es schwierig, genau zu sagen, worauf diese Änderungen
zurückzuführen sind. Wahrscheinlich sind sie auf genetische Ursachen zurückzuführen, wobei
man natürlich nie Krankheiten o.ä. ausschließen darf. Daher sind zwei mögliche
Erklärungen für die Variablität
in dieser winzigen Käferpopulation anzunehmen:
1. sexuelle Rekombination
Die Wahrscheinlichkeit besteht, dass eines der Merkmale ganz natürlich in den
Genotypen
der Population
vorkommt und sich eben nur nicht immer im Phänotyp widerspiegelt (z.B. weil das Merkmal
rezessiv ist). Da viele Merkmale polygen vererbt sind, können durch sexuelle Rekombination
verschiedene Zusammensetzungen
der beteiligten Gene entstehen, die jeweils unterschiedliche Ausprägungen bedingen (z.B. die
Haarfarbe ist polygen vererbt).
2. Mutation
Damit in einer Population bestimmte Merkmale oder Ausprägungen von Merkmalen
vorkommen, muss eine entsprechende
Änderung im Erbgut stattgefunden haben. Die ge
netische Variabilität
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Mutationen im Erbgut
einer Art steigt nur bei Mutationen, nicht bei Rekombinationen. Und auch nur dann, wenn die
Mutation sich
in den Keimzellen
ereignet. Bei Körperzellen würde die Mutation nämlich nicht an Nachkommen weitergegeben.
Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Typen von Mutationen.
Genommutationen betreffen die Anzahl der Chromosomen im Erbgut. Viele bekannte
Erbkrankheiten hängen mit Genommutationen zusammen, weil das Fehlen oder das
Vorhandensein eines zusätzlichen Chromosoms sehr gravierende Auswirkungen auf den
Organismus haben kann. Man bezeichnet Genommutationen auch als
numerische Aberrationen
.
Chromosomenmutationen betreffen hingegen das Chromosom selbst und werden daher
auch als
strukturelle
Aberration
bezeichnet. Der Aufbau eines Chromosoms gerät hierbei beispielsweise durch falsch
eingebaute oder fehlende Chromosomen-Stücke durcheinander.
Genmutationen betreffen die Abfolge der Basen innerhalb eines Gens. Dabei kann es zu
falsch eingebauten Basen kommen oder dem Fehlen bzw. dem zusätzlichen Einbau von Basen.
Genommutationen
Die numerischen Aberrationen kommen meistens durch eine Non-Disjunction zustande.
Besondere Bedeutung hat sie bei der Entstehung von Keimzellen, deshalb soll hier auch im
Wesentlichen darauf eingegangen werden. Bei einer Non-Disjunction werden
zwei homologe Chromosomen in der 1. meiotischen Teilung
nicht richtig voneinander getrennt und dadurch beide zu einem Polkörperchen gezogen. Oder
in der 2. meiotischen Teilung
werden die
zwei Ein-Chromatid-Chromosomen
nicht richtig getrennt und damit wie bei den Chromosomen in Richtung des selben
Polkörperchen gezogen. Beide Varianten der Non-Disjunction haben zur Folge, dass in
mindestens 2/4 entstandenen Keimzellen eine
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Mutationen im Erbgut
Aneuploidie
vorkommt. Also sich
ein Chromosom zu viel oder zu wenig
in der Zelle befindet. Von
Polyploidie
spricht man, wenn mehr als
zwei komplette Chromosomensätze
in einer Zelle vorhanden sind. In der folgenden Abbildung hat die Non-Disjunction in der 2.
Reifeteilung stattgefunden.
Welche Folgen hat eine solche Aneuploidie? Es gibt leider eine ganze Menge an Krankheiten,
die damit zusammen hängen. Die Trisomie 21 (Down-Syndrom) dürfte beispielsweise jeder
kennen, da sie relativ häufig vorkommt und die Betroffenen in der Regel nicht gleich in den
ersten Monaten sterben. Das 21.
Chromosom b
efindet sich
drei Mal in jeder Zelle
. Im obigen Beispiel hat die erste Keimzelle von links das Chromosom (rot) schon zwei Mal.
Wenn die betroffene Keimzelle mit der Keimzelle des Partners verschmilzt besitzt die
Urkeimzelle eines neuen Menschen das rote Chromosom drei Mal statt nur zwei Mal. Wäre dies
das 21. Chromosom, spricht man von einer Trisomie 21 (TRI = 3). Den
Karyotyp
würde man dann folgendermaßen bezeichnen "
47,XX,+21
" bei einer Frau und "
47,XY,+21
" bei einem Mann. In den Slides werden stichpunktartig einige dieser oft schwerwiegenden
Krankheiten vorgestellt.
{slide=Trisomie 13, Trisomie 18, Trisomie 21}
Trisomie 13
(Pätau-Syndrom) (Edwards-Syndrom) (Down-Syndrom) Karyotyp
47,XY,+13 Trisomie 18
Trisomie 21
47,XX,+13
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47,XX,+18
47,XY,+18
47,XX,+21
47,XY,+21
Häufigkeit
50% verstorben bis 1 von 5000
< 1 Monat
1 von 3000
< 2 Monaten
1 von 700
< 20 Jahren
Phänotyp
- Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalte
- Hexadaktylie (6-Fingrigkeit)
- Mikrophtalmie (verkümmerte/s Auge/n) -
schmaler, langer Schädel
kleiner Mund
-
kurzer Schädel, Finger, Hals
schmale Lippenspalte
Fehlbildung
- Herzfehler
- urogenitale Fehlbildungen
(Geschlechtsorgane)
-
Herzfehler
ZNS-Fehlbildungen
(zentrales Nervensystem)
- urogenitale Fehlbildungen
(Geschlechtsorgane) -
Herzfehler
Duodenalatresie
(Zwölffingerdarm nicht durchgängig) 4/9
Mutationen im Erbgut
funktionelle
Symptome - Taubheit
- psychomotorische Störungen
-
psychosomatische Entwicklungsstörungen
-
geistige Retardierung ("geistig behindert")
schlaffe Muskulatur
häufige Infekte
{/slide}
{slide=Gonosomale Trisomien}
Turner-Syndrom
Triple-X-Syndrom
Klinefelter-Syndrom
XYY-Syndrom
Karyotyp
45,X
47,XXX
47,XXY
Häufigkeit
1-2 von 5000
1 von 1000
1 von 1000
4
1
Merkmale
- normale Intelligenz
- Kleinwuchs
- unfruchtbar
keine Periode
- frühe Osteoporose
- Sphinxgesicht -
Lernbehinder-ungen
körperlich unauffällig
3/4 fruchtbar
-
leicht verminderte Intelligenz
verminderte Körperbehaarung
frühzeitige Osteoporose
unterentwickelte Gonaden
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-
Intelligenz normal/subnormal
sehr groß
evtl. psychische Unausgeglichenheit
{/slide}
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Chromosomenmutationen
Solche strukturellen Aberrationen scheinen auf den ersten Blick viel gravierender als eine
Mutation an einer einzelnen Base. Denn hier werden
ganze
Abschnitte eines Chromosom ausgetauscht
,
verschoben
,
umgedreht
oder
fusioniert
. In der Evolution spielen Chromosomenmutationen eine große Rolle. Der Schimpanse als
unser nächster Verwandter beispielsweise besitzt insgesamt zwei Chromosomen mehr als der
Mensch. Die Chromosomen 2A und 2B sind beim Menschen fusioniert und zum Chromosom 2
geworden. Damit hat der Mensch ein Chromosomenpaar weniger.
Trotzdem sind diese Änderungen bezogen auf den Phänotyp oft nicht all zu gravierend, da
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Mutationen im Erbgut
die eigentlichen Gene im Normalfall weiterhin funktionsfähig sind. Man spricht bei einem
Austausch manchmal von
balancierte Translokation
, das heißt nichts anderes, dass ein Abschnitt von z.B. Chromosom 1 sich einfach an
Chromosom 2 anlagert. Die Auswirkungen auf den Phänotyp können damit sogar völlig
wegfallen. Sechs verschiedene Varianten von Chromosomenmutationen können vorkommen. Bei einer
normalen Folge von Abschnitten (ABCDEF) eines Chromosoms ergeben sich jeweils folgende
Veränderungen:
1. AB--EF
Deletion: Ein oder mehrere Abschnitte des Chromosoms gehen verloren.
2. ABCBCDEF Duplikation: Ein oder mehrere Abschnitte des Chromosoms werden verdoppelt.
3. ADCBEF
Inversion: Ein oder mehrere Abschnitte des Chromosoms werden umgekehrt.
4. ABXYZF
Translokation: Ein oder mehrere Abschnitte des Chromosoms werden mit nicht homologen
Chromosomenabschnitten ausgetauscht.
5. ABCDEFXYZ
Fusion: Das Chromosom fusioniert mit einem anderen Chromosom am selben Centromer.
6. ABC & DEF
Fission: Das Chromosom trennt sich an seinem Centromer und zwei neue Chromosomen
entstehen.
Einigen Krankheiten liegen Chromosomenmutationen zugrunde. Zu erwähnen sei das Katzens
chreisyndrom
, das eine
Deletion am fünften Chromosom
aufweist. Näheres wie immer unter dem Slide.
{slide=Katzenschreisyndrom}
Das Katzenschreisyndrom kommt äußerst selten vor (1 von 50.000 Neugeborenen). Betroffene
können durchaus das
Erwa
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Mutationen im Erbgut
chsenenalter
erreichen, leiden aber unter
vielfältigen Beschwerden
. Neben geistiger Retardation, Sprachstörungen und den namensgebenden Schreien, die
vergleichbar denen einer Katze sind, kommen einige schwerwiegende Defekte. So können
Herzfehler und Fehlbildungen des Zentralen Nervensystems und der Niere auftreten. Man
erkennt Betroffene an ihrem kleinen, schmalen Kopf mit seltsam anmutenden Gesichtszügen.
Die Deletion am 5. Chromosom kann sich jedoch als balancierte Translokation erweisen, da
sich dass Stück vom kurzen Arm des Chromosoms an ein anderes Chromosom anlagert. Auf Bilder soll auch hier aufgrund der Sensibilität des Themas verzichtet werden.
{/slide} Genmutationen
Auf Ebene der Basen (Primärstruktur) finden am Tag rund 10.000 Mutationen pro Zelle
statt. Meistens werden diese gleich repariert, aber trotzdem gibt es immer wieder Austausche
von einzelnen Basen (
Punktmutationen
). Auch kommt es vor, dass Basen verloren gehen (
Deletion
) oder zusätzlich eingefügt werden (
Insertion
). Das nennt man
Rasterschub-Mutation
. Die folgenden vier Haupttypen von Genmutationen basieren beispielhaft auf diesem
RNA-Strang.
1. stumme Mutation
Ein Basenaustausch findet zwar statt, aber beim Blick auf die Codesonne stellt man fest,
dass sich dadurch die zugehörige
Aminosäure nicht verändert. Solche stummen
Mutationen sind daher kaum von Bedeutung und unterliegen keinerlei Selektion.
2. Missense-Mutation
Ein Basenaustausch findet statt und dabei ändert sich auch die entsprechende
Aminosäure
. Solche
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Mutationen im Erbgut
Punktmutationen können schwerwiegende Folgen haben. Bei der Bluterkrankheit wird lediglich
die Aminosäure Glutaminsäure durch Valin ersetzt, was trotzdem extreme Auswirkungen hat.
3. Nonsense-Mutation
Ein Basentausch führt zum Beispiel dazu, dass ein Stopp-Codon schon zu Beginn des
RNA/DNA-Abschnitts auftritt und dadurch die Translation schon möglicherweise viel früher
stoppt als es eigentlich vorgesehen wäre. Dadurch können ganze
Proteine nicht
hergestellt
werden.
Mutationen können manchmal auch zum
Funktionsverlust des Proteins
führen.
4. Rasterschub-Mutation
Durch eine Basenpaar-Insertion oder eine Basenpaar-Deletion befindet sich in der Kette
eine Base zu viel oder zu wenig. Dies hat zur Folge, dass das gesamte Leseraster (3 Basen -->
1 Aminosäure) durcheinander gerät. Anstatt CAG wird im unteren Beispiel aufgrund einer
Deletion AGG abgelesen. Alle weiteren Tripplets sind durch die
Verschiebung des
Leserasters
ebenfalls
unterschiedlich.
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