Mutation

Mutation, eine Veränderung des genetischen Materials (des Genoms) einer Zelle eines lebenden Organismus oder eines Virus, die mehr oder weniger dauerhaft ist und auf die Nachkommen der Zelle oder des Virus übertragen werden kann. (Die Genome von Organismen bestehen alle aus DNA, während virale Genome aus DNA oder RNA bestehen können; siehe Vererbung: Die physikalische Grundlage der Vererbung., Eine Mutation in der DNA einer Körperzelle eines vielzelligen Organismus (somatische Mutation) kann durch DNA-Replikation auf nachkommende Zellen übertragen werden und somit zu einem Sektor oder einem Fleck von Zellen mit abnormaler Funktion führen, beispielsweise Krebs. Mutationen in Ei-oder Samenzellen (Keimmutationen) können zu einzelnen Nachkommen führen, deren Zellen alle die Mutation tragen, was häufig zu schwerwiegenden Fehlfunktionen führt, wie im Fall einer menschlichen genetischen Erkrankung wie Mukoviszidose., Mutationen resultieren entweder aus Unfällen während der normalen chemischen Transaktionen von DNA, häufig während der Replikation, oder aus der Exposition gegenüber hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (z. B. ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlen) oder Partikelstrahlung oder hochreaktiven Chemikalien in der Umwelt. Da Mutationen zufällige Veränderungen sind, wird erwartet, dass sie größtenteils schädlich sind, aber einige können in bestimmten Umgebungen von Vorteil sein. Im Allgemeinen ist die Mutation die Hauptquelle der genetischen Variation, die der Rohstoff für die Evolution durch natürliche Selektion ist.,

Das Genom besteht aus einem bis mehreren langen DNA-Molekülen, und Mutationen können jederzeit und überall auf diesen Molekülen auftreten. Die schwerwiegendsten Veränderungen finden in den Funktionseinheiten der DNA, den Genen, statt. Eine mutierte Form eines Gens wird Mutantallele genannt., Ein Gen besteht typischerweise aus einem regulatorischen Bereich, der für das Ein-und Ausschalten der Transkription des Gens zu den geeigneten Zeiten während der Entwicklung verantwortlich ist, und einem kodierenden Bereich, der den genetischen Code für die Struktur eines funktionellen Moleküls, im Allgemeinen eines Proteins, trägt. Ein Protein ist eine Kette von meist mehreren hundert Aminosäuren. Zellen bilden 20 gemeinsame Aminosäuren, und es ist die eindeutige Anzahl und Reihenfolge von diesen, die einem Protein seine spezifische Funktion geben., Jede Aminosäure wird durch eine einzigartige Sequenz oder Codon von drei der vier möglichen Basenpaare in der DNA kodiert (A-T, T–A, G–C und C-G, die einzelnen Buchstaben beziehen sich auf die vier stickstoffhaltigen Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin). Daher kann eine Mutation, die die DNA-Sequenz ändert, die Aminosäuresequenz verändern und auf diese Weise möglicherweise die Funktion eines Proteins reduzieren oder inaktivieren. Eine Veränderung der DNA-Sequenz der regulatorischen Region eines Gens kann das Timing und die Verfügbarkeit des Genproteins beeinträchtigen und auch zu schwerwiegenden zellulären Fehlfunktionen führen., Andererseits schweigen viele Mutationen und zeigen auf funktioneller Ebene keine offensichtliche Wirkung. Einige stille Mutationen befinden sich in der DNA zwischen Genen oder sie sind von einem Typ, der zu keinen signifikanten Aminosäureveränderungen führt.

Mutationen sind von verschiedenen Typen. Veränderungen innerhalb von Genen werden Punktmutationen genannt. Die einfachsten Arten sind Änderungen an einzelnen Basenpaaren, sogenannte Basenpaar-Substitutionen. Viele von ihnen ersetzen eine falsche Aminosäure in der entsprechenden Position im kodierten Protein, und von diesen führt ein großer Anteil zu einer veränderten Proteinfunktion., Einige Basispaar-Substitutionen erzeugen ein Stop-Codon. Wenn ein Stop-Codon am Ende eines Gens auftritt, stoppt es normalerweise die Proteinsynthese, aber wenn es in einer abnormalen Position auftritt, kann es zu einem abgeschnittenen und nicht funktionierenden Protein führen. Eine andere Art der einfachen Veränderung, die Deletion oder Insertion einzelner Basenpaare, hat im Allgemeinen einen tiefgreifenden Effekt auf das Protein, da die Proteinsynthese, die durch das lineare Lesen von Tripletcodons von einem Ende des Gens zum anderen erfolgt, abgeworfen wird., Diese Veränderung führt zu einem Frameshift beim Lesen des Gens, so dass alle Aminosäuren von der Mutation an falsch sind. Komplexere Kombinationen von Basensubstitutionen, Insertionen und Deletionen können auch in einigen mutierten Genen beobachtet werden.

Mutationen, die sich über mehr als ein Gen erstrecken, werden chromosomale Mutationen genannt, da sie die Struktur, Funktion und Vererbung ganzer DNA-Moleküle beeinflussen (mikroskopisch sichtbar in einem gewickelten Zustand als Chromosomen)., Oft resultieren diese Chromosomenmutationen aus einem oder mehreren übereinstimmenden Brüchen in den DNA-Molekülen des Genoms (möglicherweise durch Exposition gegenüber energetischer Strahlung), gefolgt von teilweise fehlerhaftem Rejoining. Einige Ergebnisse sind groß angelegte Löschungen, Duplikationen, Inversionen und Translokationen. Bei einer diploiden Spezies (einer Spezies wie dem Menschen, die einen doppelten Chromosomensatz im Zellkern jeder Zelle aufweist) verändern Deletionen und Duplikationen das Gengleichgewicht und führen häufig zu Anomalien., Inversionen und Translokationen beinhalten keinen Verlust oder Gewinn und sind funktionell normal, es sei denn, innerhalb eines Gens tritt ein Bruch auf. Bei der Meiose (der spezialisierten Kernteilung, die während der Produktion von Gameten—d. H. Eiern und Spermien-stattfindet) kann jedoch eine fehlerhafte Paarung eines invertierten oder translozierten Chromosomensatzes mit einem normalen Satz zu Gameten und damit zu Nachkommen mit Duplikationen und Deletionen führen.

Verlust oder Gewinn ganzer Chromosomen führt zu einem Zustand namens Aneuploidie., Ein bekanntes Ergebnis der Aneuploidie ist das Down-Syndrom, eine Chromosomenstörung, bei der Menschen mit einem zusätzlichen Chromosom 21 geboren werden (und daher drei Kopien dieses Chromosoms anstelle der üblichen zwei tragen). Eine andere Art von Chromosomenmutation ist der Gewinn oder Verlust ganzer Chromosomensätze. Verstärkung von Sätzen führt zu Polyploidie—das heißt, das Vorhandensein von drei, vier oder mehr Chromosomensätzen anstelle der üblichen zwei. Polyploidie war eine bedeutende Kraft in der Entwicklung neuer Pflanzen-und Tierarten. (Siehe auch evolution: Polyploidie.,)

die Meisten Genome enthalten sind mobile DNA-Elemente, die die Bewegung von einem Ort zu einem anderen., Die Bewegung dieser Elemente kann eine Mutation verursachen, entweder weil das Element an einem entscheidenden Ort ankommt, z. B. innerhalb eines Gens, oder weil es groß angelegte Chromosomenmutationen durch Rekombination zwischen Paaren mobiler Elemente an verschiedenen Orten fördert.

Auf der Ebene ganzer Organismenpopulationen kann die Mutation als ein ständig tropfender Wasserhahn angesehen werden, der mutierte Allele in die Population einführt, ein Konzept, das als Mutationsdruck beschrieben wird. Die Mutationsrate unterscheidet sich für verschiedene Gene und Organismen., Bei RNA-Viren wie dem humanen Immunschwächevirus (HIV; siehe AIDS) erfolgt die Replikation des Genoms innerhalb der Wirtszelle unter Verwendung eines fehleranfälligen Mechanismus. Daher sind die Mutationsraten in solchen Viren hoch. Im Allgemeinen ist das Schicksal einzelner mutierter Allele jedoch nie sicher. Die meisten werden zufällig eliminiert. In einigen Fällen kann ein mutiertes Allel zufällig an Häufigkeit zunehmen, und dann können Individuen, die das Allel ausdrücken, entweder einer positiven oder einer negativen Selektion unterliegen., Daher wird für jedes Gen die Häufigkeit eines mutierten Allels in einer Population durch eine Kombination von Mutationsdruck, Selektion und Zufall bestimmt.