Fehlsteuerung von Zellen

1.7

Mutation durch Strahlung und Chemikalien

Überblick über Mutationsformen

Die bisher besprochenen Vorgänge um die Verdopplung des Erbguts (Replikation) und die Realisierung der genetischen Information (Transkription, Translation) sind alle höchst kompliziert und bedürfen eines gewaltigen Aufwandes an Energie und Material in der Zelle. Dabei geschehen spontan Fehler. Spontane oder induzierte Änderungen des Erbgutes werden als Mutationen bezeichnet.

Wird z.B. ein Gen falsch abgeschrieben, ensteht ein modifiziertes oder sogar defektes Protein, was sich in einem veränderten Stoffwechsel oder als Krankheit äußert. Man nennt solche Mutationen Genmutationen.

Links ist das Hämoglobin-Molekül abgebildet. Eine Genmutation im Gen der ß-Kette sorgt für eine veränderte Hämoglobinstruktur, sichelzellartig verformte Erythrocyten (siehe unten) und eine schlechte O2-Speicherung.

Man bezeichnet diese Krankheit als Sichelzellanämie.
Sie tritt fast nur bei der schwarz-afrikanischen Bevölkerung auf.

In den USA kann man die Häufigkeit des Auftretens der Abbildung entnehmen.

Bei der schwarzen Bevölkerung tritt sie homozygot 1:400 und heterozygot 1:12 auf. In den Malariagebieten Afrikas findet man sehr häufig die heterozygote Form, da die Sichelform der Erythrozyten den Infektionszyklus des Malaria-Erregers behindert und so dem Merkmalsträger eine Resistenz verliehen wird.

Homozygot ist das Krankheitsbild u.a. von Anämie und Verstopfung der Blutgefäße gekennzeichnet.

Auch bei der Verteilung der Chromosomen bei der Zellteilung können Fehler auftreten, z. B. können die Chromosomen ungleichmäßig auf die neuen Zellen verteilt werden. Eine der neu entstandenen Zellen besitzt nun 1 Chromosom zuviel.

Unten ist ein solcher Fall abgebildet, das Karyogramm eines Menschen mit dem Karyotyp (47, XY, t21). Diese Erbkrankheit hat Folgen für den gesamten Organismus.

Man nennt das Krankheitsbild Down-Syndrom (siehe links).

Die Krankheit tritt bezüglich der lebend geborenen 1:700 auf.

Da bei dieser Krankheit die Anzahl der Chromosomen betroffen ist, bezeichnet man diese Form der Mutationen als Genommutationen.

Als dritten Typ Mutation findet man in vielen Organismen Änderungen der Chromosomenform, z.B. ein verkürztes oder ein ringförmiges Chromosom.

Solche Mutationen nennt man Chromosomenmutationen. Die Abbildung links zeigt eine Verkürzung des Chromosoms (Deletion) und eine Zyklisierung.

 

Man unterscheidet also 3 Mutationsformen:

  • Genommutation
  • Chromosomenmutation
  • Genmutation

Bei Drosophila ist z.B. die Bar-Mutante, die eine veränderte Augenform besitzt auf eine Deletion der Bar-Gene zurückzuführen. (siehe rechts)

Wir wollen uns nachfolgend nur mit Genmutationen beschäftigen.


Allgemeine Ursachen und Bedeutung der Mutationen

Alle Mutationen bewirken letztlich eine Veränderung, einen Defekt oder das Fehlen von Genen. Dies kann spontan durch

  • Fehler bei der Meiose (Bildung der Gameten) der Eltern oder
  • Fehler bei der DNA-Replikation (1:1000 Basen) oder
  • Faktoren der Umwelt wie elektromagnet. Strahlung (UV, Röntgen), radioaktive Strahlung (a, b,g), Chemikalien oder Temperatur oder
  • Fehler im DNA-Reparaturmechanismus der Zelle

geschehen. Man nennt mutationsauslösende Faktoren Mutagene.

Strahlung

Elektromagnetische Strahlung wird biologisch um so gefährlicher wird, je kürzer die Wellenlänge unterhalb des sichtbaren Bereichs des Lichts ist.

Bei 260 nm (UV-C-Bereich) liegt weiterhin das Maximum der UV-Absorption der DNA. Normalerweise absorbiert die Atmosphäre schon in 100 Km Höhe den größten Teil der UV-B und C Strahlung. Durch die Ozonlöcher gelangen jedoch mehr dieser Wellenlängen in Bodennähe.

UV-Strahlung bewirkt hauptächlich Thymin-Dimere, was zu einer Strukturänderung der DNA-Helix führt und Replikation und Transkription beeinträchtigt.

Ionisierende Strahlung wie Röntgen- ( 10-12m) und g-Strahlung (10-15m) verursacht

  • Einzelstrangbrüche: wird meist durch die DNA-Ligase repariert
  • Doppelstrangbrüche: sind oft letal, da der Reparaturmechanismus überfordert ist.(siehe hier)
  • oxidative Basenänderungen: sind oft letal, da die Replikation geblockt wird. (siehe hier)

Chemikalien wie HNO2, HNO3, Acrolein (= 2-Propenal entsteht bei Überhitzen von Fett) oder Dioxin wirken durch Interaktion mit der DNA mutagen.

Dioxin lagert sich an Thymin an und verursacht falsch replizierte DNA-Kopien.

 

Viele Pestizide sind mutagen, wie das weltweit verwendete Pestizid Methyl-Bromid (siehe auch Biokurs Klasse 11 alt) wirkt durch Veränderung des Hypoxanthin-Guanin Phosphoribosyl-Transferase Gens (hprt) mutagen.

Wir besitzen Onkogene (Krebsgene), die durch Tumorsuppressorgene unterdrückt werden. Findet in letzteren eine Mutation statt, werden bestimmte Zellen zu Krebszellen.

Krebserregende Stoffe können durch Behinderung der Tumorsuppressorgene oder Aktivierung der Onkogene Krebs auslösen.

Um zu prüfen, ob eine Chemikalie mutagen wirkt führt man den Ames-Test durch. Er beruht auf der Annahme, daß jeder Stoff, der als Mutagen wirkt auch karzinogen ist.

Links ist eine Mutante des Bakteriums Salmonella typhimurium zu sehen, das kein Histidin (His) synthetisieren kann. Der Agar enthält Rattenleber-Enzyme und kein Histidin. Der Papierfilter wurde mit 10µg des Karzinogens 2-Aminofluorin getränkt. Die krebserregende Wirkung sorgte für bei vielen Bakterien für Rückmutationen, denn sie wachsen trotz Histidin-Abwesenheit.

 

Manche Stellen der DNA sind besonders für Mutationen anfällig (siehe unten), man nennt sie Hot Spots.

Die Auswirkungen der Mutagene für den Organismus sind je nach Mutation unterschiedlich.

Komplettes Fehlen von Genen sorgen meist für schwere Störungen des Gesamtstoffwechsels,der Entwicklung und Differenzierung. Defekte Gene sind für viele Erbkrankheiten wie Albinismus, Rotgrün-Blindheit, Bluterkrankheit usw. verantortlich. Leicht veränderte Gene machen sich entweder gar nicht oder durch das Vorhandensein veränderter Proteine (Enzyme) bemerkbar. Dies kann sich positiv auswirken, wie bei den Menschen, die immun gegen das HIV-Virus sind oder negativ auswirken wie bei Sichelzellanämie.

Die Induktion von Mutationen bei Bakterien war in der Forschung von unschätzbarem Wert, um die Wirkung von Genen zu untersuchen. Dazu gehören z. B. die

Resistenzmutation, d.h. ein Bakterium ist resistent gegen ein Antibiotikum oder die

Auxotrophe Mutation, bei der Bakterien, die einen Wuchststoffmangel haben, diesen durch eine Mutation nun selbst herstellen können.

Mutationen sind wichtige Faktoren der Evolution, denn durch sie verändert sich das Genom der Organismen. Vergleichen wir die Aminosäresequenz der b-Kette des Hämoglobins bei verschiedenen Tieren (siehe oben), stellen wir Unterschiede fest, je nach Verwandschaftsgrad. Je näher die Verwandschaft, desto identischer die Sequenz. Bei allen Tieren erfüllt das Molekül seine Funktion. Die Umweltverhältnisse entscheiden, welche der spontanen Mutationen sich positiv oder negativ für den Merkmalsträger auswirkt (=Selektion). (siehe Sichelzellanämie oder HIV-Resistenz)

DNA-Reparaturmechanismen bitte rechts klicken

DNA-Reparatur

Genmutationen als Ursache für Krankheiten bitte rechts klicken

Krankheiten

Weiterführende Quellen:

Gene und Krankheiten

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/disease/

Gendatenbank (Mensch)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Schuler/UniGene/

Genmutationen

http://fp.bio.utk.edu/microbio411/index.htm

Mutationen

http://www.life.uiuc.edu/micro/316/topics.html

Dioxin

http://www.bekkoame.ne.jp/~ttdhrs/dioxin/
http://www.enviroweb.org/enviroissues/dioxin/

Kanzerogene Pestizide

http://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/ataxia/dnarep.html
http://www.newsfile.com/110298dp.htm
http://ace.ace.orst.edu/info/extoxnet/pips/methylbr.htm
http://website.lineone.net/~mwarhurst/

Chemische Kampfstoffe

http://www.mitretek.org/offer/energy/cw_page/cwagent.html

Acrolein

http://www.hhmi.org/genetictrail/

Onkogene

http://www.ultranet.com/~jkimball/BiologyPages/O/Oncogenes.html

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