Bist du ein Mutant? - DNA Mutationen und Reparatur

Du hast bestimmt schon einmal von Mutationen gehört. Zum Beispiel in Filmen, indem sogenannte Mutanten als Monster dargestellt werden, die außergewöhnliche Fähigkeiten besitzen. So sehr sich das nach Fiktion anhört, haben aber auch in deinem Körper Mutationen stattgefunden und finden immer noch statt. So gesehen sind wir also irgendwie alle Mutanten, auch wenn sich das erst einmal lustig anhört.

Man spricht von Mutationen, wenn auf deiner DNA die Erbinformation (der Genetischer Code) verändert wird. Es gibt Mutationen, von denen man nichts mitbekommt. Diese nennt man stumme oder auch neutrale Mutationen. Sie werden so genannt, weil auf der DNA nichts verändert wird, das Auswirkungen auf das Lebewesen hat. Im Folgenden werde ich dir den biologischen Hintergrund der Mutationen genauer erläutern.

Bevor ich dir die Mutationen genauer erklären kann, wäre es besser, wenn du weißt, wie die Proteinbiosynthese abläuft. Wenn du weißt, dass bei der Proteinbiosynthese Proteine hergestellt werden, die aus Aminosäuren bestehen, kann ich dir die Mutationen verständlicher erklären. Außerdem wäre es hilfreich, wenn du weißt, dass diese Proteine aus einzelnen Ketten aus Aminosäuren bestehen. Diese Aminosäuren bestehen aus vielen einzelnen Basen, wobei jeweils drei hintereinanderliegende Basen für eine Aminosäure codieren. Wie eine Art Code für jede einzelne Aminosäure.

Bei einer Mutation wird entweder eine der vier Basen Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin ausgetauscht (Substitution), weggelassen (Deletion) (vom engl. delete = löschen) oder hinzugefügt (Insertion) (vom engl. insert = einsetzen).

Ich fange erstmal mit den Mutationen an, bei denen die Basen ausgetauscht werden. Wie eben schon gesagt, gibt es Mutationen, von denen du nichts mitbekommst und die man deswegen auch stumme oder neutrale Mutationen nennt. Diese laufen wie jede Mutation ab, es wird also in diesem Fall bei der DNA- Replikation (Link) eine Base deiner DNA ausgetauscht (Substitution). Davon bemerkst du aber nichts, weil trotz des Austauschs der Base, die gleiche Aminosäure entsteht. Das kann passieren, da manche Aminosäuren nicht nur aus einer bestimmten Basenabfolge entstehen, sondern es mehrere Möglichkeiten von Basenabfolgen gibt, bei denen jedoch immer die gleiche Aminosäure gebildet wird.

Entsteht bei diesem Austausch allerdings eine andere Aminosäure, nennt man diese Mutation eine Missense-Mutation. Zum Beispiel entsteht bei der Basenabfolge "Guanin-Adenin-Uracil" die Aminosäure Asparaginsäure (Asp), bei der Veränderung zu „Adenin-Adenin-Uracil“ die Aminosäure Asparagin (Asn). Das Protein wurde also verändert, da es jetzt eine andere Aminosäure beinhaltet. Dies kann, im Gegensatz zur stummen oder neutralen Mutation Auswirkungen auf unseren Körper haben. Ein Beispiel dafür ist die Rot-Grün-Schwäche, bei der durch die Veränderung der Aminosäuresequenz das Gen für die rote und grüne Farbe nicht richtig entstehen kann.

Es kann aber auch dazu kommen, dass durch die neue Base eine Aminosäure gebildet wird, die dafür sorgt, dass die Proteinbiosynthese früher als gewollt gestoppt wird und das Protein daher nicht weiter gebildet werden kann (Stopp-Codon= Stoppsignal). Je früher die Herstellung des Proteins abgebrochen wird, desto schlimmer sind die Auswirkungen auf das Protein. Es ist also kein vollständiges Protein entstanden, was zur Folge haben kann, dass es nicht funktionstüchtig ist. Diese Mutation nennt man die Nonsense-Mutation.

 

Es gibt aber auch Mutationen bei denen eine Base hinzugefügt (Insertion) oder weggenommen (Deletion) wird.

Stell dir vor du liest einen Satz und es wird einfach ein Buchstabe weggestrichen oder hinzugefügt. Der Satz könnte einen ganz anderen Sinn ergeben, wie zum Beispiel: „Ich habe einen Hund“ wird zu „Ich habe keinen Hund.“. Genauso ist es auch bei deiner DNA mit den Basen, die zusammen für etwas Bestimmtes stehen sollen (wie bei einem Satz, wo jedes einzelne Wort wichtig ist). Wird also einfach eine Base hinzugefügt oder weggenommen, entstehen ganz andere Basensequenzen, was zur Folge haben kann, dass auch eine andere Aminosäure entsteht. Das Leseraster der DNA ändert sich also und es wird zum Beispiel aus der Basensequenz „Adenin-Adenin-Cytosin-Guanin“ die Basensequenz „Adenin-Cytosin-Adenin-Cytosin-Guanin“.

Außerdem gibt es noch Spontanmutationen, welche ebenfalls durch einen Fehler bei der DNA-Polymerase entstehen. Diese sind allerdings sehr selten und kommen nicht so häufig vor. Es ist vergleichbar mit einem Tippfehler auf 50.000 Seiten. Das hört sich wenig an, betrifft aber 3,2 Millionen Nucleotide bei einer Mutation. Des Weiteren gibt es die Desaminierung, welche einen Verlust der Aminogruppe bedeutet.

Abb. 1: DNA-Mutationen
Abb. 1: DNA-Mutationen
Abb. 2: DNA-Mutationen
Abb. 2: DNA-Mutationen

 

Nun komme ich zu den Reparaturmöglichkeiten. Eine gut untersuchte Methode ist die Ausschnitts-Reparatur von Thymindimeren. Thymindimere sind räumlich veränderte Verformungen an der DNA mit schadhaften Stellen. Um zu erkennen ob und wo so eine Stelle auf der DNA ist, wird ein Enzym hinzugefügt, was speziell dafür ausgerichtet ist diese zu suchen. Dieses Enzym nennt sich „Endonuclease“. Wenn es eine Mutation gefunden hat, gibt es eine Information an ein anderes Enzym, die Exonuclease. Diese Exonuclease schneidet die gefundene fehlerhafte Stelle raus, sodass eine Lücke in der DNA entsteht. Nun folgt automatisch die DNA-Polymerase um diese Lücke wieder zu schließen. Dabei kann sie bei dem komplementären Strang der DNA abgucken und zu jeder Base die passende komplementäre Base neu herstellen. So wird auf dem Strang, auf dem die Lücke vorher war, ein neuer Teil der DNA gebildet. Um dieses neu hergestellte DNA-Stück vollständig  in die DNA einzubauen, kommt die DNA-Ligase und „klebt“ das Stück fest. Nun hat man wieder zwei DNA-Stränge ohne Mutation.

Abb. 3: DNA-Reparatur
Abb. 3: DNA-Reparatur