Mutationen: Arten, Ursachen und evolutionäre Bedeutung

Mutationen und ihre Klassifikation

Mutationen sind Veränderungen in der genetischen Information eines Organismus. Jede Änderung, die das genetische Material - DNA, Chromosomen oder Karyotyp - betrifft, ist eine Mutation. Mutationen können sowohl in somatischen Zellen als auch in Keimzellen auftreten, wobei letztere eine größere Bedeutung haben. Mutationen sind nur vererbbar, wenn sie die Keimzellen betreffen. Wenn sie die somatischen Zellen betreffen, sterben sie meist mit dem Individuum ab, es sei denn, es handelt sich um einen Organismus mit asexueller Fortpflanzung.

Mutationen können natürlich (spontan) oder induziert (künstlich erzeugt durch Strahlung, Chemikalien oder andere mutagene Stoffe) sein. Je nach dem Ausmaß der Veränderung des genetischen Materials werden folgende Arten von Mutationen unterschieden:

1. Genmutationen
2. Strukturelle Chromosomenmutationen
3. Numerische Chromosomenmutationen (Genommutationen)

1. Genmutationen

Genmutationen sind Veränderungen in der Nukleotidsequenz eines Gens. Es gibt verschiedene Arten:

a) Basenpaar-Substitutionen

Dazu gehören:

• Transitionen: Der Wechsel in einer Nukleotidsequenz der DNA von einer Purinbase zu einer anderen Purinbase oder von einer Pyrimidinbase zu einer anderen Pyrimidinbase.
• Transversionen: Die Veränderung einer Purinbase durch eine Pyrimidinbase oder umgekehrt.

b) Verlust oder Einfügen von Nukleotiden

Diese Art der Mutation bewirkt eine Verschiebung im Leseraster. Diese können sein:

• Gen-Additionen: Die Einfügung von Nukleotiden in die Gensequenz.
• Gen-Deletionen: Der Verlust von Nukleotiden.

Substitutionen verursachen die Veränderung eines Tripletts und haben daher, außer wenn ein Triplett verändert wird, das Stopp signalisiert, oder eine Aminosäure im aktiven Zentrum eines Enzyms, in der Regel keine großen Auswirkungen auf das kodierte Protein, da nur eine einzelne Aminosäure betroffen ist und das Protein weiterhin in der Lage sein wird, die gleiche Funktion zu erfüllen.

Mutationen, die eine Verschiebung des Leserasters verursachen, wie Additionen oder Deletionen, können jedoch, sofern sie sich nicht gegenseitig aufheben, die Aminosäuresequenz des kodierten Proteins ab dem Punkt der Mutation verändern. Ihre Folgen sind oft schwerwiegend, da alle Aminosäuren der Proteinsequenz von diesem Punkt an anders sein werden.

2. Strukturelle Chromosomenmutationen

Strukturelle Chromosomenmutationen sind Veränderungen in der inneren Struktur der Chromosomen. Sie lassen sich in zwei Arten unterteilen:

a) Verlust oder Duplikation von Chromosomensegmenten

• Chromosomendeletion: Der Verlust eines Teils eines Chromosoms.
• Chromosomenduplikation: Die Wiederholung eines Chromosomensegments.

b) Veränderungen in der Verteilung der Chromosomensegmente

• Inversionen: Ein Chromosomensegment befindet sich in einer umgekehrten Position.
• Translokationen: Ein Chromosomensegment befindet sich auf einem anderen, nicht homologen Chromosom.

Phänotypische Auswirkungen struktureller Chromosomenmutationen

Deletionen und Duplikationen führen zu einer Veränderung der Anzahl der Gene und haben somit phänotypische Auswirkungen, die in der Regel schädlich sind. Inversionen und Translokationen haben oft keine phänotypischen Auswirkungen, da die Gene in der richtigen Anzahl vorhanden sind. Allerdings können diese Umlagerungen zu Fruchtbarkeitsproblemen führen, da die Chromosomen während der Gametogenese nicht richtig gepaart werden können, oder es können Nachkommen mit Anomalien entstehen.

Evolutionäre Bedeutung struktureller Chromosomenmutationen

Deletionen haben eine geringe evolutionäre Bedeutung, während Duplikationen eine große evolutionäre Bedeutung haben. Inversionen und Translokationen sind ebenfalls eng mit der Evolution der Lebewesen verbunden. Beispielsweise kann die Fusion von zwei akrozentrischen Chromosomen zu einem metazentrischen Chromosom führen, wie es bei Chromosom 2 der menschlichen Spezies der Fall ist, das das Ergebnis der Fusion von zwei Chromosomen eines Menschenaffen-Vorfahren ist. Mehrere Gene, wie z. B. die für Hämophilie, wurden im Laufe der Evolution durch Duplikation erworben.

3. Numerische Chromosomenmutationen

Numerische Chromosomenmutationen sind Veränderungen in der Anzahl der Chromosomen, die für eine Art typisch sind. Diese können sein:

• Euploidie
• Aneuploidie

a) Euploidie

Bei der Euploidie ist die Anzahl der vollständigen Chromosomensätze im Verhältnis zur normalen Anzahl der Chromosomen der Art verändert. Euploidien können nach der Anzahl der Chromosomensätze wie folgt klassifiziert werden:

• Monoploidie oder Haploidie: Wenn die Zellen einen einzigen Satz (n) von Chromosomen haben.
• Polyploidie: Wenn die Zellen mehr als zwei Chromosomensätze haben. Diese können triploid (3n), tetraploid (4n) usw. sein.

Euploidien können auch nach der Herkunft der Chromosomen klassifiziert werden:

• Autopolyploidie: Wenn alle Chromosomensätze von der gleichen Art stammen.
• Allopolyploidie: Wenn die Chromosomensätze aus der Hybridisierung von zwei Arten stammen.

Ursprung der Euploidien

Wenn während der Meiose in einigen Zellen keine Disjunktion aller Chromosomen auftritt, entstehen Gameten mit 2n Chromosomen und Gameten ohne Chromosomen (0). Die Vereinigung dieser Gameten mit normalen Gameten (n) kann zu haploiden (n + 0), triploiden (n + 2n) oder tetraploiden (2n + 2n) Zygoten führen. In Pflanzen können Tetraploide experimentell durch Behandlung mit Colchicin erzeugt werden.

Phänotypische Auswirkungen der Euploidie

Im Allgemeinen sind die Anomalien bei Euploiden geringer als bei Aneuploiden, da die phänotypischen Auswirkungen nicht so stark sind, weil die Gendosis im Gleichgewicht bleibt.

b) Aneuploidie

Aneuploidie liegt vor, wenn nur ein Teil des Chromosomensatzes betroffen ist und die Zygote mehr oder weniger Chromosomen hat. Aneuploidie kann sowohl in den Autosomen (z. B. Down-Syndrom) als auch in den Heterosomen oder Geschlechtschromosomen (z. B. Turner-Syndrom oder Klinefelter-Syndrom) auftreten. Diese Veränderungen werden wie folgt bezeichnet:

• Monosomie: Wenn ein Chromosom des homologen Paares fehlt.
• Trisomie: Wenn drei Chromosomen anstelle der üblichen zwei vorhanden sind.
• Tetrasomie: Wenn vier Chromosomen vorhanden sind, Pentasomie wenn fünf vorhanden sind, usw.

Beispiel einer Trisomie: Down-Syndrom oder Trisomie 21

Eine besonders häufige Art der Trisomie beim Menschen ist die Trisomie 21 oder das Down-Syndrom (auch als Mongolismus bekannt). Menschen mit diesem Syndrom zeichnen sich durch geistige Retardierung, kurzen Körperbau, kurze, dicke Finger, eine geschwollene Zunge und eine Lidfalte aus, die der mongolischen Rasse ähnelt. Es scheint ein gewisser Zusammenhang zwischen dem Down-Syndrom und dem fortgeschrittenen Alter der Mutter zu bestehen.

In bestimmten Fällen von Mongolismus hat das Individuum eine normale Metaphaseplatte mit 46 Chromosomen, aber ein Chromosom der Gruppe 13-15 ist größer. Es wird vermutet, dass in diesen Fällen eine Translokation eines Chromosoms 21 auf ein Chromosom der Gruppe 13-15 stattgefunden hat. Es scheint, dass Trisomien durch eine Non-Disjunktion der Chromosomen in der ersten meiotischen Teilung verursacht werden.

Mutagene

Ein Mutagen ist ein Faktor, der die Häufigkeit von natürlichen Mutationen erhöhen kann. Verschiedene physikalische und chemische Faktoren können als mutagen wirken. Tatsächlich sind Mutagene alle Agenzien, die Veränderungen des genetischen Materials hervorrufen können, insbesondere solche, die die DNA-Sequenz verändern.

Die wichtigsten Mutagene sind:

1. Physikalische Agenzien

• Elektromagnetische Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlen.
• Korpuskularstrahlung wie Betastrahlen und der Fluss von Protonen oder Neutronen, die von Kernreaktoren oder anderen natürlichen und künstlichen radioaktiven Quellen erzeugt werden.
• Bestimmte physikalische Faktoren wie Ultraschall, Temperaturschocks, Zentrifugation usw.

2. Chemische Agenzien

• Analoga von Stickstoffbasen.
• Salpetrige Säure (HNO2), da sie Stickstoffbasen desaminiert.
• Bestimmte Alkaloide wie Koffein, Nikotin usw.
• Senfgas.
• Wasserstoffperoxid (H2O2).
• Cyclamat usw.

Mutationen und Evolution

Evolution basiert auf den Prozessen, durch die Populationen ihre genetischen Merkmale im Laufe der Zeit verändern. Der Genpool einer Population umfasst alle Gene derselben, bestehend aus allen Allelen der Gene der Individuen, die sie bilden. Eine Kombination von Allelen in einem Individuum erhöht dessen Überlebenswahrscheinlichkeit und damit seine Reproduktion und Verbreitung in der Population.

Die Mutation ist die primäre Quelle der Variation, aber nicht die einzige. Die Genrekombination erhöht die Variabilität. Die meisten evolutionären Veränderungen sind auf eine allmähliche Akkumulation von Genmutationen und Variationen in der Anzahl und Organisation der Gene zurückzuführen. Die meisten Mutationen sind schädlich (Tod), und diejenigen, die bestehen bleiben, tun dies, weil sie eine Verbesserung bewirken und für die Evolution von wesentlicher Bedeutung sind.

Die Trennung zwischen den Mitgliedern einer Population verhindert den genetischen Austausch zwischen ihnen. Dies geschieht jedes Mal, wenn sich die Notwendigkeit der Anpassung an unterschiedliche Umgebungen ergibt. Wenn sich im Laufe der Zeit Unterschiede ansammeln, die die Fortpflanzung zwischen den Mitgliedern dieser Gruppen verhindern, spricht man von verschiedenen Arten.

Es scheint, dass der Mensch im Laufe der Zeit die Anzahl der Gene erhöht hat (Duplikation). Es wird angenommen, dass doppelte Gene Mutationen mit geringerem Risiko erzeugen und den Prozess der Schaffung von Variabilität fördern können. So ist in Eukaryoten die DNA-Menge höher als in anderen Gruppen und mehr als nötig, um genetische Informationen zu enthalten.

Mutagene können in der Regel krebserregend sein. Es gibt keine unmittelbaren Auswirkungen. Es müssen immer wieder zusätzliche Faktoren hinzukommen, um die Umwandlung einer normalen Zelle in eine Krebszelle zu bewirken.