Mutationen im Erbgut

Transkript

1 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 1 / 9

2 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 2 / 9

3 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) Trisomie 18 (Edwards-Syndrom) Trisomie 21 (Down-Syndrom) Karyotyp 47,XX,+13 47,XY,+13 3 / 9

4 47,XX,+18 47,XY,+18 47,XX,+21 47,XY,+21 Häufigkeit 1 von von von % verstorben bis < 1 Monat < 2 Monaten < 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

5 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 von von 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 5 / 9

6 - Intelligenz normal/subnormal - sehr groß - evtl. psychische Unausgeglichenheit {/slide} {googleads}<script type="text/javascript"><!-- google_ad_client = "pub "; /* 468x60, Erstellt */ google_ad_slot = " "; google_ad_width = 468; google_ad_height = 60; //--> </script> <script type="text/javascript" src=" > </script>{/googleads} 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 6 / 9

7 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 Neugeborenen). Betroffene können durchaus das Erwa 7 / 9

8 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 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 8 / 9

9 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. 9 / 9