Genmutationen und Chromosomenmutationen: Ursachen und Typen

Genmutationen oder molekulare Mutationen

Punktmutationen betreffen ein oder mehrere Nukleotide der DNA. Sie sind nicht mit dem Mikroskop beobachtbar und können in 2 Typen unterteilt werden:

Substitutionsmutation: Dabei wird eine Base durch eine andere ersetzt. Dies führt zu einer Veränderung an der 1. Position eines Basenpaars. Je nachdem, welche Basen ausgetauscht werden, unterscheidet man folgende Mutationen:

• Transitionen: Die Purinbase wird durch eine andere Purinbase ersetzt (A → G) oder eine Pyrimidinbase durch eine andere Pyrimidinbase (T → C).
• Transversionen: Eine Purinbase wird durch eine Pyrimidinbase ersetzt (A, G → T, C) oder eine Pyrimidinbase durch eine Purinbase (T, C → A, G).

Strukturelle Mutationen: Sie entstehen, wenn Basen hinzugefügt oder entfernt werden, wodurch sich die Länge der cDNA verändert. Sie werden unterteilt in:

• Deletion (Verlust): Wenn ein oder mehrere Nukleotide der DNA verloren gehen.
• Insertion (Einfügung): Wenn zusätzliche Basen in die cDNA eingefügt werden, also das Gegenteil der Deletion.

Genmutationen können folgende Konsequenzen für das Protein haben:

• Stille Mutation: Die Mutation verändert die Aminosäuresequenz des Proteins nicht, da sie in Introns liegt oder synonyme Codons betrifft, die dieselbe Aminosäure codieren, z. B. AGA (Arg) → AGG (Arg).
• Missense-Mutation (Fehlsinn): Ein neues Triplett kodiert eine andere Aminosäure, sodass das Protein eine veränderte Aminosäure erhält. Beispiel ist die Sichelzellanämie beim Hämoglobin, bei der die 6. Aminosäure Valin statt Glutaminsäure ist: GAG (Glu) → GUG (Val).
• Nonsense-Mutation (Sinnlosmutation): Ein Codon wird zu einem Stoppcodon, z. B. CAG (Gln) → UAG (Ende), wodurch das Protein verkürzt wird.
• Rasterschubmutation: Tritt auf, wenn durch Addition oder Deletion von Nukleotiden in einer Anzahl, die kein Vielfaches von 3 ist, das Leseraster verschoben wird. Ein Teil der Sequenz wird dadurch vollständig verändert, sodass ein völlig anderes Protein entsteht als bei einer Punktmutation.

Chromosomale Mutationen

Chromosomenmutationen sind Veränderungen in der Struktur der Chromosomen. Sie sind mit dem Mikroskop sichtbar und treten mit einer korrekten Häufigkeit auf, verringern jedoch die Fruchtbarkeit während der Meiose. Sie können in 4 Typen unterteilt werden:

• Inversion: Ein Chromosomenfragment wird um 180° gedreht, sodass sich die Reihenfolge der Gene umkehrt.
• Deletion: Ein Fragment des Chromosoms geht verloren.
• Duplikation: Ein Fragment des Chromosoms wird verdoppelt.
• Translokation: Ein Fragment wird an eine andere chromosomale Position verlagert. Erfolgt ein Austausch von Fragmenten zwischen zwei Chromosomen, spricht man von einer reziproken Translokation; ohne Austausch handelt es sich um eine nicht reziproke Translokation, die als Transposition bezeichnet wird.

Karyotyp- oder genomische Mutationen

Sie betreffen die Anzahl der Chromosomen, die auch unter dem Mikroskop sichtbar sind. Sie können in 2 Typen unterteilt werden:

Euploidie: Hierbei ist die Anzahl der vollständigen Chromosomensätze verändert. Sie kann auftreten als:

• Polyploidie: Wenn mehr als zwei vollständige haploide Chromosomensätze vorliegen. So entstehen Individuen mit Triploidie (3n), Tetraploidie (4n) usw. Polyploidie tritt bei Pflanzen häufig auf und geht oft mit einer Größenzunahme der Exemplare einher. Beim Menschen sind Triploidien für zahlreiche spontane Aborte verantwortlich; in diesem Fall liegt die Chromosomenformel 69 oder 69, XXX bzw. XXY vor.
• Monoploidie (Haploidie): Wenn nur ein Chromosomensatz vorliegt.

Aneuploidie: Hierbei ist nur die Anzahl einzelner Chromosomen eines Paares verändert. Sie kann auftreten als:

• Nullisomie: Ein vollständiges Chromosomenpaar fehlt.
• Monosomie: Ein Chromosom des Paares fehlt. Beim Menschen ist das Turner-Syndrom (Monosomie X0) die häufigste Form.
• Trisomie: Ein zusätzliches Chromosom liegt im Paar vor. Beim Menschen sind die häufigsten Trisomien das Down-Syndrom (Trisomie 21), das Edwards-Syndrom (Trisomie 18), das Patau-Syndrom (Trisomie 13), die Trisomie X (XXX), das Klinefelter-Syndrom (XXY) und das XYY-Syndrom.
• Tetrasomie: Zwei zusätzliche Chromosomen liegen im Paar vor.

Ursachen von Mutationen

Je nach Herkunft des Mutagens unterscheidet man zwei Arten von Mutationen: induzierte und spontane Mutationen.

Spontane Mutationen

Sie entstehen hauptsächlich durch:

• Replikationsfehler: Die häufigsten Ursachen sind die Tautomerie, eine Form der Isomerie.
• Zufällige DNA-Läsionen: Sie können durch Depurinierung entstehen, also den Bruch der Glykosidbindung zwischen Purinbase und Desoxyribose; durch Desaminierung, also den Verlust der Aminogruppen; oder durch oxidative Schäden an der DNA, verursacht durch freie Radikale wie Superoxid (O₂⁻), Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Hydroxylradikale (·OH), die im Stoffwechsel entstehen.
• Transponierbare genetische Elemente (Transposons): Dies sind DNA-Sequenzen, die ihre Position im Genom verändern können. Dabei verursachen sie Deletionen und Insertionen.

Induzierte Mutationen

Induzierte Mutationen entstehen durch die Einwirkung von Mutagenen wie Strahlung oder chemischen Substanzen:

• Analoge Mutagene: Sie ersetzen eine Base in der DNA und sind einer Base ähnlich.
• Mutagene, die die Basenpaarung verändern: Sie führen zu falschen Basenpaarungen.
• Interkalierende Mutagene: Sie lagern sich zwischen die Basen der DNA ein und verursachen Insertionen oder Deletionen.
• Mutagene, die die Basenpaarung verlieren lassen: Sie verursachen spezifische, große Schäden, die die Replikation der DNA blockieren können. Beispiele sind ultraviolettes Licht, das zur Bildung von Pyrimidindimeren führt, indem kovalente Bindungen zwischen benachbarten Pyrimidinen entstehen, und ionisierende Strahlung, wie Röntgen- oder Gammastrahlen, die Bindungen aufbrechen und die Phosphodiesterbindungen sowie die DNA fragmentieren können.