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Überblick über genetische Mutationen

In dieser dreiteiligen Videoreihe dreht sich alles um Mutationen. Ein sehr komplexer Themenbereich innerhalb der Genetik, der zudem viel Vorwissen erfordert, zum Beispiel über den Aufbau der DNA oder über die Proteinbiosynthese, also wie aus Genen, das sind Abschnitte der DNA, Proteine synthetisiert bzw. hergestellt werden.

Erinnert euch an die Proteinbiosynthese. Während bei der Transkription die DNA in mRNA umgewandelt wird, wird diese bei der Translation in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins übersetzt. Drei aufeinanderfolgende Basen, auch ein Triplet genannt, kodieren jeweils für eine Aminosäure. Jedes Protein besteht aus einer spezifischen Reihenfolge von Aminosäuren. Stellt euch jetzt mal vor, was passiert, wenn eine Base verändert ist, sich das Triplet verändert und dadurch eine andere Aminosäure in das Protein eingebaut wird.

Bleibt das Protein dann immer noch funktionsfähig? Das ist die zentrale Frage, wenn es zu Mutationen kommt. Aber was sind Mutationen?

Unter Mutationen versteht man Veränderungen der Erbinformation. Die Erbinformation, die in Form von vier DNA-Basen verschlüsselt ist, liegt auf unterschiedlichen Strukturebenen vor. Und genauso wie man die Erbinformation auf unterschiedlichen Ebenen betrachten kann, je nachdem wie nah man sie sich betrachtet, lassen sich auch Mutationen je nach ihrer Größe in folgende drei Gruppen aufteilen. Genmutation bzw.

Punktmutation. Hier werden einzelne Basen der DNA innerhalb eines Gens eingefügt, Gen verloren oder werden ausgetauscht. Chromosommutation, hier betrifft die Mutation die Struktur eines einzelnen Chromosoms.

Sie ist also viel umfangreicher als eine Punktmutation. Und auch die Genmutation, hier kommt es zur Veränderung der Anzahl an Chromosomen. Bei der DNA-Replikation, also der Verdopplung der DNA, können durchaus Fehler in Form von Punktmutationen entstehen. Wird dabei eine Base durch eine andere ausgetauscht, spricht man von einer Basensubstitution.

Der Einschub einer Base bezeichnet man als Insertion. Der Verlust einer Base als Deletion. Die DNA besteht aus protein-codierenden Bereichen, den sogenannten Exons, welche die Proteine herstellen, und aus Bereichen, die für kein Protein codieren, den sogenannten Introns. Findet die Mutation in einem nicht-codierenden Bereich der DNA statt, hat die Mutation auch keine Auswirkung.

Dann handelt es sich um eine stille bzw. stumme Mutation, die sich per Definition nicht auf das Protein auswirkt. Aber selbst wenn es zu einer Mutation innerhalb einer codierenden Region kommt und dadurch die mRNA verändert wird, muss das nicht zwangsläufig zu einer Veränderung der Aminosäure-Sequenz und damit zur Veränderung des Proteins kommen.

Neben der Stummmutation treten im Bereich der codierenden Bereiche auch Genmutationen auf, die das Protein verändern, darunter Miscens-Mutationen und Nonsense-Mutationen. Schauen wir uns mal anhand einer mRNA-Basensequenz, genau diese Sequenz ist auch in manchen Schulbüchern abgebildet, an welche Auswirkungen die verschiedenen Genmutationen auf die Aminosäuresequenz haben können. Wie gerade besprochen, kodieren drei aufeinanderfolgende Basen der RNA für eine Aminosäure.

Die Kotsonne kann man dabei als Werkzeug nutzen, um abzulesen, in welche Aminosäure ein jeweiliges Triplet übersetzt wird. Die Leserichtung erfolgt dabei von innen nach außen. Und im Fall des ersten Triplets ist es die Aminosäure Methionin, ein sogenanntes Startkodon. Die Übersetzung erfolgt so lange, bis ein Stoppkodon in diesem Fall das Triplet UAA, die Translation beendet.

In der Regel ist das Protein nun vollständig und fertig. Nehmen wir im nächsten Beispiel mal an, dass die Base Zytosin durch die Base Urazil ausgetauscht wird. Die ersten drei Triplets bleiben unverändert und werden in dieselbe Aminosäure-Sequenz übersetzt.

Die Mutation betrifft die dritte Base des darauf folgenden Triplets. Wenn wir das veränderte Triplet nun mithilfe des genetischen Codes in die Aminosäure übersetzen wollen, fällt auf, dass das veränderte Triplet trotzdem in dieselbe Aminosäure übersetzt wird. Je nachdem kann der Basenaustausch an der dritten Position eines Triplets also dazu führen, dass das veränderte Triplet trotzdem dieselbe Aminosäure kodiert.

Hier liegt also auch eine stumme Mutation vor. Wie vorhin schon angedeutet, führen Miscents und Nonsense-Mutationen hingegen zu einer Veränderung des Proteins und nicht selten zu einem nicht funktionsfähigen Protein. Aber wie unterscheiden sich diese Mutationstypen?

Nehmen wir an, dass das erste anstatt das letzte Basenpaar des Triplets durch eine andere Base ausgetauscht wurde, zum Beispiel Adenin. Wird dadurch eine Aminosäure durch eine andere ersetzt, spricht man von einer Miscenz-Mutation. Jetzt kodiert das veränderte Triplet für die Aminosäure Serien anstatt Glycin.

Zwar kann eine Miscenz-Mutation zu einem defekten Protein führen, häufig bleibt die Proteinfunktion jedoch erhalten. Und das liegt daran, dass sich die chemischen Eigenschaften der beiden Aminosäuren häufig ähneln. Bei einer Nonsense-Mutation kommt es zu einem Austausch einer Base, die einen Stopp-Codon erzeugt.

Eine Nonsense-Mutation führt zwangsläufig zu einem verkürzten Protein, weil sich die Translation nicht über die Stelle hinaus fortsetzt, an der die Mutation aufgetreten ist. In diesem Beispiel wird die erste Base des zweiten Triplets, nämlich Adenin, durch Urazil ersetzt, wodurch der Stopp-Codon UAG erzeugt wird. Normalerweise sind verkürzte Proteine nicht funktionsfähig, es sei denn, die Mutation tritt relativ weit an. Ende der Aminosäure-Sequenz auf.

Nicht alle Punktmutationen sind Basensubstitutionen. Ist in der mRNA eine zusätzliche Base vorhanden, Insertion, oder fehlt eine Base, Deletion, verschiebt sich zwangsläufig das Leseraster der genetischen Informationen. Deshalb werden diese beiden Mutationen auch als Rasterstubmutationen bezeichnet. Nehmen wir mal an, dass beim dritten Triplet die dritte Base verloren geht, dann nimmt die erste Base des darauf folgenden Triplets auf einmal die Stelle der verloren gegangenen Base ein. Die Folge ist, dass das neue Kodon für die Aminosäure Leucin kodiert.

Für alle weiteren Triplets gilt dasselbe. Alle Basen sind im Triplet nun um eine Stelle verschoben, wodurch sich die Aminosäure-Sequenz ab der Stelle der Mutation völlig verändert. Sehr oft erscheint dadurch auch bald ein Stopp-Kodon, wie im letzten Beispiel bei der Insertion deutlich wird.

Auch hier gilt, dass Rasterschub-Mutationen in der Regel sehr schwerwiegende Folgen haben, es sei denn, die Mutation tritt am Ende des Gens auf. Lasst euch an dieser Stelle nicht verwirren von den vielen Fachbegriffen für die Mutation. Wir haben uns in diesem Video Genmutationen angeschaut, welche die Basensequenz einzelner Gene verändern. Die Basensequenz wird immer durch Punktmutationen verändert, also durch den Austausch, dem Einfügen oder dem Verlust einer Base. Somit sind Punktmutationen als eine Gruppe von Mutationen zu sehen, zu denen die Basensubstitution, also der Austausch einer Base, sowie die Insertion und Deletion gehören.

In manchen Büchern ist die Insertion und Deletion unabhängig von der Punktmutation aufgeführt. Sie gehören aber trotzdem zu dieser, schließlich handelt es sich in der Regel auch hier um einzelne Vasen, die eingefügt bzw. verloren gehen.

Die Begriffe Stimmemutation, Missenzmutation, Nonsensmutation und Rastaschubmutation beziehen sich jeweils auf die Auswirkungen der Mutation auf die Aminosäure-Sequenz. Zuletzt sei noch erwähnt, dass Punktmutationen natürlich durch Fehler bei der DNA-Replikation entstehen können, die beim Korrekturlesen nicht beseitigt werden, aber auch durch Mutagene aus der Umwelt verursacht werden. Und Mutagene sind Faktoren, die Mutationen hervorrufen, beispielsweise Strahlung oder bestimmte chemische Verbindungen.