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Mutation

Unterscheidung nach Erblichkeit

Keimbahnmutationen
sind Mutationen, die an die Nachkommen über die Keimbahn vererbt werden; sie betreffen Eizellen oder Spermien sowie deren Vorläufer vor und während der Oogenese bzw. Spermatogenese. Diese Mutationen spielen eine bedeutende Rolle in der Evolution, da sie von einer Generation zur nächsten übertragbar sind. Auf den Organismus, in dem sie stattfinden, haben Keimbahnmutationen in der Regel keine direkten Auswirkungen.
Somatische Mutationen
sind Mutationen, die somatische Zellen betreffen. Sie haben Auswirkungen auf den Organismus, in dem sie stattfinden, werden aber nicht an die Nachkommen vererbt. So können sich unter anderem normale Körperzellen in ungebremst wuchernde Krebszellen umwandeln. Auch beim Altern eines Organismus spielen somatische Mutationen eine Rolle. Sie haben daher Bedeutung für die Medizin.

Unterscheidung nach Ursache

Spontanmutationen
sind Mutationen ohne besondere äußere Ursache, etwa der chemische Zerfall eines Nukleotids (z. B. kann aus Cytosin durch spontane Desaminierung Uracil entstehen) oder der Tunneleffekt (Protonen-Tunneln in DNA).
Induzierte Mutationen
sind durch Mutagene (mutationsauslösende Stoffe oder Strahlen) erzeugte Mutationen.

Unterscheidung nach Mechanismus

Fehler bei der Replikation
DNA-Polymerasen bauen nach Vorlage mit unterschiedlich hohen Fehlerraten einen komplementären DNA-Strang auf.
Unzureichende Proof-reading-Aktivität
Manche DNA-Polymerasen haben die Möglichkeit, Fehleinbauten selbstständig zu erkennen und zu korrigieren (englisch proof-reading ‚Korrekturlesen‘). Jedoch besitzt z. B. die DNA-Polymerase α der Eukaryoten keine Proof-reading-Aktivität.
Fehler bei prä- und postreplikativen Reparaturmechanismen
Beim Auffinden eines ungewöhnlichen Nukleotids, etwa von Uracil in der DNA, wird dieses entfernt. Bei einer Fehlpaarung zwischen zwei DNA-typischen Nukleotiden trifft das Reparatur-Enzym eine Entscheidung mit 50-prozentiger Fehlerwahrscheinlichkeit.
Ungleichmäßiges Crossing-over
Zu Fehlpaarungen bei der Meiose kann es kommen durch benachbarte ähnliche oder identische Sequenzen auf dem Strang, wie etwa Satelliten-DNA oder Transposons.
Non-Disjunction
Die Fehlsegregation oder Non-Disjunction (englisch disjunction ‚Trennung‘) von Chromosomen führt zur fehlerhaften Verteilung auf die Tochterzellen und so zu Trisomien und Monosomien.
Integration oder Herausspringen von Transposons oder Retroviren
Diese Elemente können in Gene oder genregulatorische Bereiche integrieren oder desintegrieren und dadurch die Aminosäuresequenz eines Proteins oder die Ablesehäufigkeit eines Proteins verändern.

Unterscheidung nach Größe und Ort der Veränderung

Die Sichelzellenanämie wird durch eine Mutation im Gen einer Hämoglobin-Untereinheit ausgelöst. Sie führt zu sichelförmigen roten Blutkörperchen, hier zusammen mit normalen Formen.
Genmutation
eine erbliche Änderung, die nur ein Gen betrifft. Beispiele sind Punkt- und Rastermutationen. Bei der Punktmutation wird lediglich eine organische Base im genetischen Code verändert (mutiert). Eine Frameshift-Mutation, also eine Insertion (Einschub) oder Deletion (Entfernen) einer Anzahl von Basen, die kein Vielfaches von drei ist, verändert jedoch aufgrund der Triplettcodierung im genetischen Code die gesamte Struktur eines Gens und hat deshalb meist weit größere Auswirkungen. Eine weitere mögliche Folge ist alternatives Spleißen. Zu den Genmutationen zählen auch Deletionen von längeren Sequenzen sowie Genduplikationen, bei denen sich ein bestimmter Abschnitt eines Chromosoms verdoppelt oder vervielfacht.
Chromosomenmutation oder strukturelle Chromosomenaberrationen
vererbbare Änderung der Struktur einzelner Chromosomen. Der im Lichtmikroskop sichtbare Bau eines Chromosoms ist verändert. So können Chromosomenstücke verloren gehen oder Teile eines anderen Chromosoms eingebaut sein. Ein Beispiel ist das Katzenschrei-Syndrom, bei dem ein Abschnitt des Chromosoms 5 verloren gegangen ist. Dadurch fehlen zahlreiche Gene, die zu einer starken Veränderung und Schädigung im Phänotyp führen.
Genommutation oder numerische Chromosomenaberration
eine Änderung, bei der ganze Chromosomen oder gar Chromosomensätze vermehrt werden (Aneuploidie, Polyploidie) oder verloren gehen. Ein bekanntes Beispiel beim Menschen ist das Downsyndrom. Hier ist das Chromosom 21 dreifach vorhanden.

Unterscheidung nach Folgen für das Protein

Trunkierende Mutationen
Mutationen eines für ein Protein codierenden Genomabschnitts, in dessen Folge ein verkürztes Genprodukt (Protein) entsteht.
Gain-of-function-Mutationen (GOF)
Hierbei gewinnt das Genprodukt (Protein) an Aktivität und wird dann auch als hypermorph bezeichnet. Entsteht durch die Mutation ein komplett neuer Phänotyp, dann bezeichnet man das Allel auch als neomorph. Eine Gain-of-function-Mutation, die einen sichtbaren Phänotyp hervorruft, wird als ‚dominant‘ bezeichnet. Wenn ein Gain-of-function-Allel einen Phänotyp ausschließlich im homozygoten Zustand zeigt, spricht man jedoch von einer rezessiven Gain-of-function-Mutation.

Für Gain-of-function-Mutationen bei Viren und Bakterien in vitro siehe

Loss-of-function-Mutationen (LOF)
Hierbei wird das Genprodukt (Protein) durch eine Mutation in dem Gen funktionslos. Ist der Funktionsverlust vollständig, spricht man von Nullallel oder einem amorphen Allel. Bleibt ein Teil der Wildtypfunktion erhalten, bezeichnet man es als hypomorphes Allel.
Loss-of-function-Mutationen sind kodominant oder (meistens) rezessiv, wenn ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann.
Haploinsuffiziente Mutationen
Loss-of-function-Mutationen in einem Gen, dass keine Haploinsuffizienz verträgt, d. h. bei dem eine Halbierung der exprimierten Gendosis (mRNS) bereits ausreicht, um einen veränderten Phänotyp hervorzurufen. (Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem (monoallelischem) Genotyp der Mutation).
Dominant negative Mutationen
Wie bei Loss-of-function-Mutationen verliert das Genprodukt durch die Mutation seine Funktion. Das mutierte Protein ist jedoch außerdem noch in der Lage, die Funktion des verbliebenen zweiten (wildtyp) Allels zu unterdrücken, was ein bloßes Loss-of-function-Allel üblicherweise nicht tut bzw. nicht kann. Viele trunkierende Mutationen sind dominant negativ. (Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem (monoallelischem) Genotyp der Mutation.)

Unterscheidung nach Folgen für den Organismus

Neutrale Mutationen
können den Phänotyp verändern, haben aber keine Fitnesskonsequenzen.
Stille Mutationen
sind Mutationen, bei denen das gebildete Protein unverändert bleibt. Trotzdem kann es zu Veränderungen im Organismus kommen, da die mRNA sich bei Verlassen des Zellkerns faltet. Dabei kann unterschiedliche Faltung die Menge des gebildeten Proteins beeinflussen.
Konditional-letale Mutationen
Mutationen, deren Veränderung des Genprodukts einen Organismus nur bei bestimmten Wachstumsbedingungen tötet.
Letale Mutationen
Mutationen, die nach ihrem Auftreten einen Organismus unabhängig von seiner jeweiligen Lebensphase in jedem Falle töten.

Beim Menschen hat man die Zahl von Neumutationen (De-novo-Mutationen) durch Sequenzierung der DNA von Vater, Mutter und dem entsprechenden Kind bestimmt. Im Durchschnitt fand man 45 Neumutationen, wobei etwa 80 % der Mutationen aus den Spermien des Vaters stammen. Da die Spermienbildung (Spermatogenese) beim Mann kontinuierlich verläuft und somit die Zahl der Replikationen der DNA mit dem Alter zunimmt, ist es nicht erstaunlich, dass die Zahl der Neumutationen mit dem Alter des Vaters ansteigt. Ein junger Vater von 20 Jahren trägt 20 Mutationen bei, während ein älterer Vater von 40 Jahren 40 Mutationen beisteuert. Obwohl die Eizellen der Frau schon alle in der Embryonalentwicklung vor der Geburt ausgebildet sind und somit keine weitere Replikation der DNA stattfindet, konnte bei Frauen von 40 Jahren im Vergleich zu 20-jährigen Frauen ein Anstieg der Neumutationen von 7 auf 12 beobachtet werden. Offensichtlich treten die Neumutationen nicht nur bei der Replikation der DNA auf.

Die große Häufigkeit an Mutationen wurde in einer Sequenzanalyse der proteincodierenden DNA des Menschen bei 60.706 Personen aufgezeigt. Die Studie deckte 7,4 Millionen Varianten auf, was im Schnitt einer Mutation an jedem 8. Basenpaar der DNA des Menschen entspricht.

Keine Folgen – neutrale Mutationen

Viele Mutationen führen zu Veränderungen in DNA-Abschnitten, die keine Konsequenzen für den Organismus nach sich ziehen. Dies ist der Fall, wenn die mutierte Stelle im Genom nicht für genetisch relevante Information benutzt wird (siehe Pseudogen, nichtcodierende DNA). Auch wenn die veränderte Stelle benutzt wird, kann es sein, dass der Informationsgehalt des Gens sich nicht verändert hat, da eine Reihe von Aminosäuren identisch codiert sind (siehe genetischer Code). Daher werden diese Mutationen stille oder stumme Mutationen genannt. Selbst Mutationen, die die Aminosäurensequenz eines Proteins verändern, können neutral oder fast neutral sein, wenn sich hierdurch die Struktur des Proteins kaum ändert.

Neutrale Mutationen tragen dazu bei, dass innerhalb einer Gruppe von Organismen funktional gleiche Gene unterschiedliche genetische „Buchstaben“ innerhalb ihrer Nukleotid-Sequenz besitzen. Diese Unterschiede, die Polymorphismen heißen, lassen sich ausnutzen, um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Individuen abzuleiten, oder auch um eine durchschnittliche Mutationsrate abzuschätzen.

Zusätzlich kommt noch zum Tragen, dass nicht nur beim diploiden Chromosomensatz oft mehrere Gene die gleichen genetischen Eigenschaften codieren, so dass sich eine Mutation aus diesem Grunde nicht sofort bemerkbar machen muss.

Die neutrale Theorie der molekularen Evolution besagt, dass die meisten genetischen Änderungen neutraler Art sind. Diese Hypothese ist umstritten und Gegenstand aktueller Forschung.

Negative Folgen

Besonders größere Veränderungen im Erbgut führen oft zu nachteiligen Veränderungen im Stoffwechsel oder auch zu Fehlbildungen und anderen Besonderheiten.

Es gibt verschiedene Erbkrankheiten, die entweder vererbt sind oder durch Mutation neu auftreten können. Beispiele dafür sind:

Positive Folgen

Mutationen sind einer der Evolutionsfaktoren und damit für die Entwicklung des Lebens und der Artenvielfalt auf der Erde mitverantwortlich. Zwar sind Mutationen mit positiven Folgen der Wahrscheinlichkeit ihres Eintretens nach wesentlich seltener als solche neutraler oder negativer Auswirkung. Doch wenn eine positive Mutation auftritt, kann natürliche Selektion dazu beitragen, dass diese sich in einer Population ausbreiten kann. So sind beispielsweise die Folgen der Malaria bei heterozygoten Merkmalsträgern einer Sichelzellenanämie weniger schlimm. Diese Mutation ist daher in von Malaria betroffenen Gebieten häufiger verbreitet.

Der Mensch macht sich den genomverändernden Effekt ionisierender Strahlen zunutze, um Mutationen künstlich auszulösen. Eine Anwendung besteht in der Bestrahlung von Blumen- und Pflanzensamen, um bisher unbekannte Formen zu erzeugen und wirtschaftlich zu nutzen. Das Verfahren hat aufgrund der breitgestreuten, zu umfangreichen und ungezielten Veränderung des Erbmaterials meist eine sehr geringe Erfolgsquote.

Eine Nacktmaus
  • Manx-Katzen sind durch Genmutation infolge extremer Inzucht entstanden. Neben der Schwanzlosigkeit bestehen Skelettmissbildungen und weitere Fehlbildungen. Manx-Katzen sind in diesem mutierten Gen M nie reinerbig, es liegt also bei ihnen die Kombination Mm vor, d. h., es besteht ein autosomal unvollkommen dominanter Erbgang mit variabler Expressivität (Ausprägung). Bei Tieren mit der reinerbigen Gen-Kombination MM sterben die Feten schon im Mutterleib.
  • Die Sphynx-Katze hat keinerlei Fell. Diese Rasse wird seit 1966 aus einer in Kanada geborenen, natürlich mutierten Katze vom Menschen weitergezüchtet.
  • Nacktmäuse, auch thymusaplastische Mäuse oder athymische Mäuse genannt, sind genetische Mutanten der Hausmaus mit fehlendem Thymus. Sie entstanden 1961 in Glasgow infolge einer Spontanmutation bei Albino-Mäusen und sind für die Forschung ein außerordentlich wichtiger Modellorganismus.
  • Beim Escherichia coli-Langzeitexperiment von Lenski wurden Bakterien über zwei Jahrzehnte unter konstanten Bedingungen gehalten und die auftretenden Veränderungen im Genom regelmäßig dokumentiert. Als Kohlenstoffquellen befanden sich im Glasgefäß nur Glucose und Citrat. E. coli verwendet Glucose als natürliche Nahrungsquelle; Citrat als Kohlenstoffquelle kann der Wildtyp von E. coli nicht metabolisieren. 2003 zeigten sich plötzlich E. coli-Mutanten, die auch Citrat verstoffwechseln können.
  • Laktose-Toleranz beim Menschen: Genetisch determiniert sind die meisten Menschen wie alle Säugetiere im Erwachsenenalter laktose-intolerant, können also dann milchzuckerhaltige Nahrung nur noch schlecht oder gar nicht mehr verdauen. Nach Ansicht von Genetikern ist vor etwa 8.000 bis 10.000 Jahren bei einem Menschen im kaukasischen Raum eine Mutation aufgetreten, die die natürliche Laktosetoleranz des Säuglings und Kindes über die Stillzeit hinaus auf die gesamte Lebensspanne ausdehnte. Somit zeigen alle Nachkommen dieses Menschen zeit ihres Lebens keine gesundheitliche Beeinträchtigung beim Verzehr von Milch bzw. Milchzucker, wohingegen solche Nahrungsmittel beispielsweise von erwachsenen Asiaten oder Afrikanern nicht vertragen werden, die von dieser Mutation nicht betroffen sind (siehe Laktoseintoleranz).
  • Gehirnentwicklung des Menschen: Die Gene Microcephalin und ASPM steuern beim Menschen das Größenwachstum des Gehirns. Forscher um Bruce Lahn vom Howard Hughes Medical Institute der University of Chicago (USA) haben herausgefunden, dass zwei Mutationen sich in der jüngeren Stammesgeschichte des Menschen als vorteilhaft erwiesen haben. Die Haplogruppe D als Ergebnis einer Mutation des Microcephalins entstand vor 37.000 Jahren im menschlichen Genom und verbreitete sich etwa gleichzeitig mit den ältesten Funden, die von der Beschäftigung des Menschen mit Kunst, Musik und Religion zeugen. Diese Mutation findet man heute bei etwa 70 % aller Menschen. Bei einer anderen Mutation entstand vor etwa 5.800 Jahren die Haplogruppe D des ASPM, etwa zeitgleich mit der ersten Zivilisation in Mesopotamien, von der auch die ältesten Schriftfunde der Menschheitsgeschichte stammen. Diese zweite Mutation hat sich bis heute bei 30 % der Weltbevölkerung durchgesetzt. Zusätzlich gibt es auch regionale Unterschiede. So kommt die Haplogruppe D des ASPM-Gens besonders in Europa und den angrenzenden Gebieten Asiens und Afrikas vor. Die Parallelität der beschriebenen Ereignisse wird von den Wissenschaftlern dahingehend interpretiert, dass beide Mutationen einen evolutionären Vorteil bieten müssen.
  • Erkrankungsrisiko bei Brustkrebs: Im Sommer 2006 haben Forscher um Naznee Rahman vom britischen Institut of cancer research in Surrey ein neues Brustkrebsgen mit der Bezeichnung BRIP-1 identifiziert. Dieses Gen codiert ein Protein, welches an der Reparatur von DNA-Schäden beteiligt ist. Eine zugleich entdeckte, selten vorkommende Mutation dieses Gens bewirkt, dass das BRIP-1-Protein diese Schutzfunktion nicht mehr ausführen kann. Bei einem Vorliegen dieser Mutation haben Frauen ein doppelt so hohes Brustkrebsrisiko wie andere mit einer normalen Version dieser Erbanlage. Mutationen der schon länger bekannten Gene BRCA1 und BRCA2 erhöhen dagegen das Erkrankungsrisiko um den Faktor 10 bis 20.

Im Gartenbau wird eine Mutation, aus der eine neue Sorte entsteht, auch „Abart“ oder „Sport“ genannt.

  1. Herder Lexikon der Biologie 2004: Mutation w [von latein. mutatio = Veränderung; Verb mutieren], spontane, d. h. natürlich verursachte, oder durch Mutagene induzierte Veränderung des Erbguts (Veränderung der Basensequenz), die sich möglicherweise phänotypisch (Phänotyp; z. B. in Form einer „Degeneration“) manifestiert.
  2. Rolf Knippers: Molekulare Genetik. Thieme, 1997, ISBN 3-13-477007-5: Mutationen sind vererbbare Veränderungen der genetischen Informationen.
  3. Douglas J. Futuyma: Evolutionsbiologie. Birkhäuser, Basel/ Boston/ Berlin 1990, S. 105.
  4. W. Seyffert: Genetik. 2. Auflage. Spektrum, 2003, ISBN 3-8274-1022-3: Spontane oder induzierte Veränderungen des Erbgefüges werden als Mutationen bezeichnet.
  5. Pschyrembel Klinisches Wörterbuch (online), abgerufen am 30. September 2009: Definition 1.(genet.): Veränderung des genetischen Materials (DNA oder RNA), die ohne erkennbare äußere Ursache (Spontanmutation) oder durch exogene Einflüsse (induzierte M.) entstehen kann;…
  6. Werner Buselmaier, Gholamali Tariverdian: Humangenetik. Begleittext zum Gegenstandskatalog. Springer Verlag Berlin/ Heidelberg/ New York 1991, ISBN 3-540-54095-4.
  7. William Hovanitz: Textbook of Genetics. Elsevier Press, Houston/ New York 1953, S. 190.„(…) if a change in structure (of chromosomes) is large enough to be visible in cytological preparations it is considered a chromosomal mutation. If it is too small to be readily observed, is known only from the genetic results of segregation and can be localized on a chromosome, it is known as a gene mutation. There is no sharp dividing line between gene mutations and chromosomal mutations. Eventually all gene mutations in their ultra-fine structure will be found to be structural, if only in the molecular arrangement of which the gene is composed.“
  8. Bernhard Kegel: Epigenetik. Köln 2010, S. 35.
  9. P.-O. Löwdin: Proton Tunneling in DNA and its Biological Implications. In: Reviews of Modern Physics. 35 (3), 1963, S. 724–732, doi:10.1103/RevModPhys.35.724.
  10. Ying Wang: Organisation of the cytoskeleton of the Drosophila oocyte. Köln 2007, DNB 988300672,Fundstelle: Letzter Satz im Abstract, urn:nbn:de:hbz:38-22940 (Dissertation, Universität Köln).
  11. Theodor Dingermann, Rudolf Hänsel, Ilse Zündorf: Pharmazeutische Biologie: Molekulare Grundlagen und klinische Anwendung. Springer, 2002, ISBN 3-540-42844-5, S. 425.
  12. B. Alberts u. a.: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage. 2002, S. 527.
  13. A. Goriely: Decoding germline de novo point mutations. In: Nat Genet. 48(8), 2016, S. 823–824, doi:10.1038/ng.3629, S. a. freien Volltext am Institut der Autorin (PDF, 302 KB, abgerufen am 15. September 2020)
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  15. Z. D. Blount, C. Z. Borland, R. E. Lenski: Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 105, Nummer 23, Juni 2008, S. 7899–7906, doi:10.1073/pnas.0803151105. PMID 18524956, PMC 2430337 (freier Volltext).
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  18. Sheila Seal, Deborah Thompson u. a.: Truncating mutations in the Fanconi anemia J gene BRIP1 are low-penetrance breast cancer susceptibility alleles. In: Nature Genetics. 38, 2006, S. 1239–1241, doi:10.1038/ng1902.
Normdaten (Sachbegriff): GND:4170883-0(OGND, AKS)

Mutation
mutation, dauerhafte, erbgutveränderung, sprache, beobachten, bearbeiten, titel, dieses, artikels, mehrdeutig, weitere, bedeutungen, sind, unter, begriffsklärung, aufgeführt, mutare, ändern, verändern, verwandeln, wird, biologie, eine, spontan, auftretende, da. Mutation dauerhafte Erbgutveranderung Sprache Beobachten Bearbeiten Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig Weitere Bedeutungen sind unter Mutation Begriffsklarung aufgefuhrt Als Mutation lat mutare andern verandern verwandeln wird in der Biologie eine spontan auftretende dauerhafte Veranderung des Erbgutes bezeichnet 1 Die Veranderung betrifft zunachst das Erbgut nur einer Zelle wird aber an deren Tochterzellen weitergegeben 2 Bei mehrzelligen Tieren unterscheidet man Keimbahn Mutationen die durch Vererbung an die Nachkommen weitergegeben werden konnen von Mutationen in somatischen Zellen die nicht in den Keimzellen Gameten sondern nur in den ubrigen Geweben des Korpers vorliegen Ein Organismus mit einem neuen durch Mutation entstandenen Merkmal wird als Mutant oder Mutante bezeichnet Rote Tulpe mit halbem gelben Blutenblatt aufgrund einer MutationDie rotliche Blattfarbe der Blutbuche oben entstand durch eine Mutation bei einer Rotbuche unten Blaue Mutante des in der Wildform grunen Halsbandsittichs Psittacula krameri Eine Mutation kann Auswirkungen auf die Merkmale eines Organismus haben oder auch nicht stille Mutation Abweichende Merkmalsauspragungen konnen negative positive oder auch gar keine Folgen hinsichtlich der Lebensfahigkeit und oder des Fortpflanzungsvermogens haben Pragt sich eine Mutation als deutlich unterschiedener Phanotyp aus der in einer Population zu einem gewissen Anteil uber 1 stabil erhalten bleibt spricht man in der Biologie auch von Polymorphismus 3 Polymorphismus ist eine wesentliche Voraussetzung fur die Entstehung neuer Arten Biodiversitat Manchmal wird das unerwartete phanotypische Auftreten sehr seltener rezessiver Erbanlagen die von unauffalligen mischerbigen heterozygoten Vorfahren als Konduktoren an den gemeinsamen Nachkommen vererbt wurden falschlich fur eine Mutation gehalten Echte Mutationen konnen spontan stochastisch auftreten oder durch aussere Einflusse verursacht werden wie beispielsweise mutagene Strahlung z B UV Strahlung ionisierende Strahlung oder erbgutverandernde Chemikalien Mutagene 4 5 In der klassischen Zytogenetik werden Mutationen nach ihrem Umfang eingeteilt Genommutationen sind Veranderungen der Anzahl der Chromosomen Chromosomenmutationen sind Veranderungen der Chromosomenstruktur die bei Chromosomenpraparaten lichtmikroskopisch erkennbar sind Genmutationen sind dagegen an solchen Praparaten mikroskopisch nicht erkennbar und konnen nur durch DNA Analyse festgestellt werden 6 7 Eine Genmutation kann darin bestehen dass neue Nukleotidsequenzen entstehen oder dass zuvor vorhandene Erbinformation verloren geht oder beides Mutationen in Genen deren Genprodukte fur die Aufrechterhaltung einer intakten DNA erforderlich sind zum Beispiel Tumorsuppressorgene konnen weitere Mutationen nach sich ziehen Mutatorphanotyp Der Begriff der Mutation wurde von dem Botaniker Hugo de Vries 1901 gepragt 8 Inhaltsverzeichnis 1 Arten der Mutation 1 1 Unterscheidung nach Erblichkeit 1 2 Unterscheidung nach Ursache 1 3 Unterscheidung nach Mechanismus 1 4 Unterscheidung nach Grosse und Ort der Veranderung 1 5 Unterscheidung nach Folgen fur das Protein 1 6 Unterscheidung nach Folgen fur den Organismus 2 Haufigkeit von Mutationen 3 Folgen 3 1 Keine Folgen neutrale Mutationen 3 2 Negative Folgen 3 3 Positive Folgen 4 Beispiele 5 Gartenbau 6 Literatur 7 EinzelnachweiseArten der Mutation BearbeitenUnterscheidung nach Erblichkeit Bearbeiten Keimbahnmutationen sind Mutationen die an die Nachkommen uber die Keimbahn vererbt werden sie betreffen Eizellen oder Spermien sowie deren Vorlaufer vor und wahrend der Oogenese bzw Spermatogenese Diese Mutationen spielen eine bedeutende Rolle in der Evolution da sie von einer Generation zur nachsten ubertragbar sind Auf den Organismus in dem sie stattfinden haben Keimbahnmutationen in der Regel keine direkten Auswirkungen Somatische Mutationen sind Mutationen die somatische Zellen betreffen Sie haben Auswirkungen auf den Organismus in dem sie stattfinden werden aber nicht an die Nachkommen vererbt So konnen sich unter anderem normale Korperzellen in ungebremst wuchernde Krebszellen umwandeln Auch beim Altern eines Organismus spielen somatische Mutationen eine Rolle Sie haben daher Bedeutung fur die Medizin Unterscheidung nach Ursache Bearbeiten Spontanmutationen sind Mutationen ohne besondere aussere Ursache etwa der chemische Zerfall eines Nukleotids z B kann aus Cytosin durch spontane Desaminierung Uracil entstehen oder der Tunneleffekt Protonen Tunneln in DNA 9 Induzierte Mutationen sind durch Mutagene mutationsauslosende Stoffe oder Strahlen erzeugte Mutationen Unterscheidung nach Mechanismus Bearbeiten Fehler bei der Replikation DNA Polymerasen bauen nach Vorlage mit unterschiedlich hohen Fehlerraten einen komplementaren DNA Strang auf Unzureichende Proof reading Aktivitat Manche DNA Polymerasen haben die Moglichkeit Fehleinbauten selbststandig zu erkennen und zu korrigieren englisch proof reading Korrekturlesen Jedoch besitzt z B die DNA Polymerase a der Eukaryoten keine Proof reading Aktivitat Fehler bei pra und postreplikativen Reparaturmechanismen Beim Auffinden eines ungewohnlichen Nukleotids etwa von Uracil in der DNA wird dieses entfernt Bei einer Fehlpaarung zwischen zwei DNA typischen Nukleotiden trifft das Reparatur Enzym eine Entscheidung mit 50 prozentiger Fehlerwahrscheinlichkeit Ungleichmassiges Crossing over Zu Fehlpaarungen bei der Meiose kann es kommen durch benachbarte ahnliche oder identische Sequenzen auf dem Strang wie etwa Satelliten DNA oder Transposons Non Disjunction Die Fehlsegregation oder Non Disjunction englisch disjunction Trennung von Chromosomen fuhrt zur fehlerhaften Verteilung auf die Tochterzellen und so zu Trisomien und Monosomien Integration oder Herausspringen von Transposons oder Retroviren Diese Elemente konnen in Gene oder genregulatorische Bereiche integrieren oder desintegrieren und dadurch die Aminosauresequenz eines Proteins oder die Ablesehaufigkeit eines Proteins verandern Unterscheidung nach Grosse und Ort der Veranderung Bearbeiten Die Sichelzellenanamie wird durch eine Mutation im Gen einer Hamoglobin Untereinheit ausgelost Sie fuhrt zu sichelformigen roten Blutkorperchen hier zusammen mit normalen Formen Genmutation eine erbliche Anderung die nur ein Gen betrifft Beispiele sind Punkt und Rastermutationen Bei der Punktmutation wird lediglich eine organische Base im genetischen Code verandert mutiert Eine Frameshift Mutation also eine Insertion Einschub oder Deletion Entfernen einer Anzahl von Basen die kein Vielfaches von drei ist verandert jedoch aufgrund der Triplettcodierung im genetischen Code die gesamte Struktur eines Gens und hat deshalb meist weit grossere Auswirkungen Eine weitere mogliche Folge ist alternatives Spleissen Zu den Genmutationen zahlen auch Deletionen von langeren Sequenzen sowie Genduplikationen bei denen sich ein bestimmter Abschnitt eines Chromosoms verdoppelt oder vervielfacht Chromosomenmutation oder strukturelle Chromosomenaberrationen vererbbare Anderung der Struktur einzelner Chromosomen Der im Lichtmikroskop sichtbare Bau eines Chromosoms ist verandert So konnen Chromosomenstucke verloren gehen oder Teile eines anderen Chromosoms eingebaut sein Ein Beispiel ist das Katzenschrei Syndrom bei dem ein Abschnitt des Chromosoms 5 verloren gegangen ist Dadurch fehlen zahlreiche Gene die zu einer starken Veranderung und Schadigung im Phanotyp fuhren Genommutation oder numerische Chromosomenaberration eine Anderung bei der ganze Chromosomen oder gar Chromosomensatze vermehrt werden Aneuploidie Polyploidie oder verloren gehen Ein bekanntes Beispiel beim Menschen ist das Downsyndrom Hier ist das Chromosom 21 dreifach vorhanden Unterscheidung nach Folgen fur das Protein Bearbeiten Trunkierende Mutationen Mutationen eines fur ein Protein codierenden Genomabschnitts in dessen Folge ein verkurztes Genprodukt Protein entsteht Gain of function Mutationen GOF Hierbei gewinnt das Genprodukt Protein an Aktivitat und wird dann auch als hypermorph bezeichnet Entsteht durch die Mutation ein komplett neuer Phanotyp dann bezeichnet man das Allel auch als neomorph Eine Gain of function Mutation die einen sichtbaren Phanotyp hervorruft wird als dominant bezeichnet Wenn ein Gain of function Allel einen Phanotyp ausschliesslich im homozygoten Zustand zeigt spricht man jedoch von einer rezessiven Gain of function Mutation 10 Fur Gain of function Mutationen bei Viren und Bakterien in vitro siehe Hauptartikel Gain of function Forschung Loss of function Mutationen LOF Hierbei wird das Genprodukt Protein durch eine Mutation in dem Gen funktionslos Ist der Funktionsverlust vollstandig spricht man von Nullallel oder einem amorphen Allel Bleibt ein Teil der Wildtypfunktion erhalten bezeichnet man es als hypomorphes Allel Loss of function Mutationen sind kodominant oder meistens rezessiv wenn ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann 11 12 Haploinsuffiziente Mutationen Loss of function Mutationen in einem Gen dass keine Haploinsuffizienz vertragt d h bei dem eine Halbierung der exprimierten Gendosis mRNS bereits ausreicht um einen veranderten Phanotyp hervorzurufen Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem monoallelischem Genotyp der Mutation Dominant negative Mutationen Wie bei Loss of function Mutationen verliert das Genprodukt durch die Mutation seine Funktion Das mutierte Protein ist jedoch ausserdem noch in der Lage die Funktion des verbliebenen zweiten wildtyp Allels zu unterdrucken was ein blosses Loss of function Allel ublicherweise nicht tut bzw nicht kann Viele trunkierende Mutationen sind dominant negativ Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem monoallelischem Genotyp der Mutation Unterscheidung nach Folgen fur den Organismus Bearbeiten Neutrale Mutationen konnen den Phanotyp verandern haben aber keine Fitnesskonsequenzen Stille Mutationen sind Mutationen bei denen das gebildete Protein unverandert bleibt Trotzdem kann es zu Veranderungen im Organismus kommen da die mRNA sich bei Verlassen des Zellkerns faltet Dabei kann unterschiedliche Faltung die Menge des gebildeten Proteins beeinflussen Konditional letale Mutationen Mutationen deren Veranderung des Genprodukts einen Organismus nur bei bestimmten Wachstumsbedingungen totet Letale Mutationen Mutationen die nach ihrem Auftreten einen Organismus unabhangig von seiner jeweiligen Lebensphase in jedem Falle toten Haufigkeit von Mutationen BearbeitenBeim Menschen hat man die Zahl von Neumutationen De novo Mutationen durch Sequenzierung der DNA von Vater Mutter und dem entsprechenden Kind bestimmt Im Durchschnitt fand man 45 Neumutationen wobei etwa 80 der Mutationen aus den Spermien des Vaters stammen Da die Spermienbildung Spermatogenese beim Mann kontinuierlich verlauft und somit die Zahl der Replikationen der DNA mit dem Alter zunimmt ist es nicht erstaunlich dass die Zahl der Neumutationen mit dem Alter des Vaters ansteigt Ein junger Vater von 20 Jahren tragt 20 Mutationen bei wahrend ein alterer Vater von 40 Jahren 40 Mutationen beisteuert Obwohl die Eizellen der Frau schon alle in der Embryonalentwicklung vor der Geburt ausgebildet sind und somit keine weitere Replikation der DNA stattfindet konnte bei Frauen von 40 Jahren im Vergleich zu 20 jahrigen Frauen ein Anstieg der Neumutationen von 7 auf 12 beobachtet werden Offensichtlich treten die Neumutationen nicht nur bei der Replikation der DNA auf 13 Die grosse Haufigkeit an Mutationen wurde in einer Sequenzanalyse der proteincodierenden DNA des Menschen bei 60 706 Personen aufgezeigt Die Studie deckte 7 4 Millionen Varianten auf was im Schnitt einer Mutation an jedem 8 Basenpaar der DNA des Menschen entspricht 14 Folgen BearbeitenKeine Folgen neutrale Mutationen Bearbeiten Viele Mutationen fuhren zu Veranderungen in DNA Abschnitten die keine Konsequenzen fur den Organismus nach sich ziehen Dies ist der Fall wenn die mutierte Stelle im Genom nicht fur genetisch relevante Information benutzt wird siehe Pseudogen nichtcodierende DNA Auch wenn die veranderte Stelle benutzt wird kann es sein dass der Informationsgehalt des Gens sich nicht verandert hat da eine Reihe von Aminosauren identisch codiert sind siehe genetischer Code Daher werden diese Mutationen stille oder stumme Mutationen genannt Selbst Mutationen die die Aminosaurensequenz eines Proteins verandern konnen neutral oder fast neutral sein wenn sich hierdurch die Struktur des Proteins kaum andert Neutrale Mutationen tragen dazu bei dass innerhalb einer Gruppe von Organismen funktional gleiche Gene unterschiedliche genetische Buchstaben innerhalb ihrer Nukleotid Sequenz besitzen Diese Unterschiede die Polymorphismen heissen lassen sich ausnutzen um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Individuen abzuleiten oder auch um eine durchschnittliche Mutationsrate abzuschatzen Zusatzlich kommt noch zum Tragen dass nicht nur beim diploiden Chromosomensatz oft mehrere Gene die gleichen genetischen Eigenschaften codieren so dass sich eine Mutation aus diesem Grunde nicht sofort bemerkbar machen muss Die neutrale Theorie der molekularen Evolution besagt dass die meisten genetischen Anderungen neutraler Art sind Diese Hypothese ist umstritten und Gegenstand aktueller Forschung Negative Folgen Bearbeiten Besonders grossere Veranderungen im Erbgut fuhren oft zu nachteiligen Veranderungen im Stoffwechsel oder auch zu Fehlbildungen und anderen Besonderheiten Es gibt verschiedene Erbkrankheiten die entweder vererbt sind oder durch Mutation neu auftreten konnen Beispiele dafur sind Sichelzellenanamie Bei dieser Blutkrankheit ist die aussere Form der roten Blutkorperchen verandert und die Sauerstoffaufnahme verringert Phenylketonurie gestorter Abbau der Aminosaure Phenylalanin der das kindliche Gehirn schadigen kann Albinismus Mukoviszidose zystische Fibrose die haufigste genetisch bedingte Krankheit Nordeuropas Das CFTR Gen das die Konsistenz der Drusensekrete steuert ist defekt Wenn das Sekret zu zah ist kann es je nach Druse die Atemwege oder die Ausfuhrungsgange der Drusen verstopfen Formen von Minderwuchs bei denen die Arme und Beine ungewohnlich kurz sind wahrend der Korper ansonsten wie ublich gebaut ist Rot Grun Schwache Bluterkrankheit gestorte BlutgerinnungPositive Folgen Bearbeiten Mutationen sind einer der Evolutionsfaktoren und damit fur die Entwicklung des Lebens und der Artenvielfalt auf der Erde mitverantwortlich Zwar sind Mutationen mit positiven Folgen der Wahrscheinlichkeit ihres Eintretens nach wesentlich seltener als solche neutraler oder negativer Auswirkung Doch wenn eine positive Mutation auftritt kann naturliche Selektion dazu beitragen dass diese sich in einer Population ausbreiten kann So sind beispielsweise die Folgen der Malaria bei heterozygoten Merkmalstragern einer Sichelzellenanamie weniger schlimm Diese Mutation ist daher in von Malaria betroffenen Gebieten haufiger verbreitet Der Mensch macht sich den genomverandernden Effekt ionisierender Strahlen zunutze um Mutationen kunstlich auszulosen Eine Anwendung besteht in der Bestrahlung von Blumen und Pflanzensamen um bisher unbekannte Formen zu erzeugen und wirtschaftlich zu nutzen Das Verfahren hat aufgrund der breitgestreuten zu umfangreichen und ungezielten Veranderung des Erbmaterials meist eine sehr geringe Erfolgsquote Beispiele Bearbeiten Eine Nacktmaus Manx Katzen sind durch Genmutation infolge extremer Inzucht entstanden Neben der Schwanzlosigkeit bestehen Skelettmissbildungen und weitere Fehlbildungen Manx Katzen sind in diesem mutierten Gen M nie reinerbig es liegt also bei ihnen die Kombination Mm vor d h es besteht ein autosomal unvollkommen dominanter Erbgang mit variabler Expressivitat Auspragung Bei Tieren mit der reinerbigen Gen Kombination MM sterben die Feten schon im Mutterleib Die Sphynx Katze hat keinerlei Fell Diese Rasse wird seit 1966 aus einer in Kanada geborenen naturlich mutierten Katze vom Menschen weitergezuchtet Nacktmause auch thymusaplastische Mause oder athymische Mause genannt sind genetische Mutanten der Hausmaus mit fehlendem Thymus Sie entstanden 1961 in Glasgow infolge einer Spontanmutation bei Albino Mausen und sind fur die Forschung ein ausserordentlich wichtiger Modellorganismus Beim Escherichia coli Langzeitexperiment von Lenski wurden Bakterien uber zwei Jahrzehnte unter konstanten Bedingungen gehalten und die auftretenden Veranderungen im Genom regelmassig dokumentiert Als Kohlenstoffquellen befanden sich im Glasgefass nur Glucose und Citrat E coli verwendet Glucose als naturliche Nahrungsquelle Citrat als Kohlenstoffquelle kann der Wildtyp von E coli nicht metabolisieren 2003 zeigten sich plotzlich E coli Mutanten die auch Citrat verstoffwechseln konnen 15 16 Laktose Toleranz beim Menschen Genetisch determiniert sind die meisten Menschen wie alle Saugetiere im Erwachsenenalter laktose intolerant konnen also dann milchzuckerhaltige Nahrung nur noch schlecht oder gar nicht mehr verdauen Nach Ansicht von Genetikern ist vor etwa 8 000 bis 10 000 Jahren bei einem Menschen im kaukasischen Raum eine Mutation aufgetreten die die naturliche Laktosetoleranz des Sauglings und Kindes uber die Stillzeit hinaus auf die gesamte Lebensspanne ausdehnte Somit zeigen alle Nachkommen dieses Menschen zeit ihres Lebens keine gesundheitliche Beeintrachtigung beim Verzehr von Milch bzw Milchzucker wohingegen solche Nahrungsmittel beispielsweise von erwachsenen Asiaten oder Afrikanern nicht vertragen werden die von dieser Mutation nicht betroffen sind siehe Laktoseintoleranz Gehirnentwicklung des Menschen Die Gene Microcephalin und ASPM steuern beim Menschen das Grossenwachstum des Gehirns Forscher um Bruce Lahn vom Howard Hughes Medical Institute der University of Chicago USA haben herausgefunden dass zwei Mutationen sich in der jungeren Stammesgeschichte des Menschen als vorteilhaft erwiesen haben Die Haplogruppe D als Ergebnis einer Mutation des Microcephalins entstand vor 37 000 Jahren im menschlichen Genom und verbreitete sich etwa gleichzeitig mit den altesten Funden die von der Beschaftigung des Menschen mit Kunst Musik und Religion zeugen Diese Mutation findet man heute bei etwa 70 aller Menschen Bei einer anderen Mutation entstand vor etwa 5 800 Jahren die Haplogruppe D des ASPM etwa zeitgleich mit der ersten Zivilisation in Mesopotamien von der auch die altesten Schriftfunde der Menschheitsgeschichte stammen Diese zweite Mutation hat sich bis heute bei 30 der Weltbevolkerung durchgesetzt Zusatzlich gibt es auch regionale Unterschiede So kommt die Haplogruppe D des ASPM Gens besonders in Europa und den angrenzenden Gebieten Asiens und Afrikas vor Die Parallelitat der beschriebenen Ereignisse wird von den Wissenschaftlern dahingehend interpretiert dass beide Mutationen einen evolutionaren Vorteil bieten mussen 17 Erkrankungsrisiko bei Brustkrebs Im Sommer 2006 haben Forscher um Naznee Rahman vom britischen Institut of cancer research in Surrey ein neues Brustkrebsgen mit der Bezeichnung BRIP 1 identifiziert Dieses Gen codiert ein Protein welches an der Reparatur von DNA Schaden beteiligt ist Eine zugleich entdeckte selten vorkommende Mutation dieses Gens bewirkt dass das BRIP 1 Protein diese Schutzfunktion nicht mehr ausfuhren kann Bei einem Vorliegen dieser Mutation haben Frauen ein doppelt so hohes Brustkrebsrisiko wie andere mit einer normalen Version dieser Erbanlage Mutationen der schon langer bekannten Gene BRCA1 und BRCA2 erhohen dagegen das Erkrankungsrisiko um den Faktor 10 bis 20 18 Gartenbau BearbeitenIm Gartenbau wird eine Mutation aus der eine neue Sorte entsteht auch Abart oder Sport genannt Literatur BearbeitenWilfried Janning Elisabeth Knust Genetik allgemeine Genetik molekulare Genetik Entwicklungsgenetik Georg Thieme Verlag Stuttgart New York 2004 ISBN 3 13 128771 3 Raymond Devoret Mutation In Encyclopedia of Life Sciences 2001 doi 10 1038 npg els 0001882 Volltextzugriff Dennis Drayna Genspuren der Menschheitsgeschichte In Spektrum der Wissenschaft Januar 2006 S 30 ff Einzelnachweise Bearbeiten Herder Lexikon der Biologie 2004 Mutation w von latein mutatio Veranderung Verb mutieren spontane d h naturlich verursachte oder durch Mutagene induzierte Veranderung des Erbguts Veranderung der Basensequenz die sich moglicherweise phanotypisch Phanotyp z B in Form einer Degeneration manifestiert Rolf Knippers Molekulare Genetik Thieme 1997 ISBN 3 13 477007 5 Mutationen sind vererbbare Veranderungen der genetischen Informationen Douglas J Futuyma Evolutionsbiologie Birkhauser Basel Boston Berlin 1990 S 105 W Seyffert Genetik 2 Auflage Spektrum 2003 ISBN 3 8274 1022 3 Spontane oder induzierte Veranderungen des Erbgefuges werden als Mutationen bezeichnet Pschyrembel Klinisches Worterbuch online abgerufen am 30 September 2009 Definition 1 genet Veranderung des genetischen Materials DNA oder RNA die ohne erkennbare aussere Ursache Spontanmutation oder durch exogene Einflusse induzierte M entstehen kann Werner Buselmaier Gholamali Tariverdian Humangenetik Begleittext zum Gegenstandskatalog Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1991 ISBN 3 540 54095 4 William Hovanitz Textbook of Genetics Elsevier Press Houston New York 1953 S 190 if a change in structure of chromosomes is large enough to be visible in cytological preparations it is considered a chromosomal mutation If it is too small to be readily observed is known only from the genetic results of segregation and can be localized on a chromosome it is known as a gene mutation There is no sharp dividing line between gene mutations and chromosomal mutations Eventually all gene mutations in their ultra fine structure will be found to be structural if only in the molecular arrangement of which the gene is composed Bernhard Kegel Epigenetik Koln 2010 S 35 P O Lowdin Proton Tunneling in DNA and its Biological Implications In Reviews of Modern Physics 35 3 1963 S 724 732 doi 10 1103 RevModPhys 35 724 Ying Wang Organisation of the cytoskeleton of the Drosophila oocyte Koln 2007 DNB 988300672 Fundstelle Letzter Satz im Abstract urn nbn de hbz 38 22940 Dissertation Universitat Koln Theodor Dingermann Rudolf Hansel Ilse Zundorf Pharmazeutische Biologie Molekulare Grundlagen und klinische Anwendung Springer 2002 ISBN 3 540 42844 5 S 425 B Alberts u a Molecular Biology of the Cell 4 Auflage 2002 S 527 A Goriely Decoding germline de novo point mutations In Nat Genet 48 8 2016 S 823 824 doi 10 1038 ng 3629 S a freien Volltext am Institut der Autorin PDF 302 KB abgerufen am 15 September 2020 M Lek u a Analysis of protein coding genetic variation in 60 706 humans In Nature 536 7616 2016 S 285 291 doi 10 1038 nature19057 Z D Blount C Z Borland R E Lenski Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli In Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Band 105 Nummer 23 Juni 2008 S 7899 7906 doi 10 1073 pnas 0803151105 PMID 18524956 PMC 2430337 freier Volltext R E Lenski Evolution in action a 50 000 generation salute to Charles Darwin In Microbe 6 2011 S 30 33 doi 10 1128 microbe 6 30 1 freier Volltext University of Chicago researchers find human brain still evolving September 2005 Sheila Seal Deborah Thompson u a Truncating mutations in the Fanconi anemia J gene BRIP1 are low penetrance breast cancer susceptibility alleles In Nature Genetics 38 2006 S 1239 1241 doi 10 1038 ng1902 Normdaten Sachbegriff GND 4170883 0 OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Mutation amp oldid 213678142, wikipedia, wiki, deutsches

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