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13.10: Mutationen
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13.10: Mutations

13.10: Mutationen

Overview

Mutations are changes in the sequence of DNA. These changes can occur spontaneously or they can be induced by exposure to environmental factors. Mutations can be characterized in a number of different ways: whether and how they alter the amino acid sequence of the protein, whether they occur over a small or large area of DNA, and whether they occur in somatic cells or germline cells.

Consequences of Point Mutations at the Molecular Level

Mutations that occur at a single nucleotide are called point mutations. When point mutations occur within genes, the consequences can vary in severity depending on what happens to the encoded amino acid sequence. A silent mutation does not change the amino acid identity and will have no effect on an organism. A missense mutation changes a single amino acid, and the effects might be serious if the change alters the function of the protein. A nonsense mutation produces a stop codon that truncates the protein, likely rendering it nonfunctional. Frameshift mutations occur when one or more nucleotides are inserted into or deleted from a protein-coding DNA sequence, affecting all of the codons downstream of the location of the mutation.

Chromosomal Alterations Are Large-Scale Mutations

The most drastic type of mutation, chromosomal alteration, changes the physical structure of a chromosome. Chromosomal alterations can include deletion, duplication, or inversion of large stretches of DNA within a single chromosome, or integration of a portion of a different chromosome. These mutations are typically far more serious than point mutations because they encompass many genes and regulatory elements. Chromosomal alterations can be detected by karyotyping the affected cell.

Only Germline Mutations Are Inherited

Mutations can occur in any cell, but only germline mutations—those present in egg and sperm cells—can be transmitted to offspring. For instance, hereditary diseases are a subtype of genetic disorder that are caused by deleterious germline mutations. They can be autosomal, occuring on chromosomes one through 22, or sex-linked, occurring on the X or Y chromosome. One example of a hereditary disease is cystic fibrosis (CF), a disease that primarily affects the lungs. It is caused by a deletion within the gene CFTR that removes a single amino acid from the CFTR protein. CF is an autosomal recessive disease, meaning that a person with one mutated copy of the gene and one normal copy will not develop the disease; other diseases, like Huntington’s disease, a neurodegenerative disorder, are autosomal dominant, meaning that only one mutated copy of the gene is necessary for the disease to develop.

Some Mutations Are Caused by Environmental Factors

Both somatic mutations—those that occur outside the germline—and germline mutations can arise spontaneously during DNA replication, but they can also be caused by exposure to radiation or chemicals in the environment. External factors that damage DNA and cause mutations are called mutagens. One well-characterized environmental mutagen is ultraviolet (UV) radiation. UV radiation carries more energy than visible light and damages DNA by breaking the bonds between base pairs, causing thymine bases on the same strand of DNA to pair with one another in characteristic thymine dimers. The sun is a natural source of UV radiation. The most damaging wavelengths, UV-C, are intercepted high in the atmosphere, but UV-A and UV-B rays reach the surface of the Earth. Artificial sources of UV exposure include tanning beds, which transmit primarily UV-A rays with smaller amounts of UV-B. Fortunately, cells have mechanisms to repair damaged DNA, but sometimes the damage is not repaired before cell division in rapidly-dividing cells, such as skin cells. If the DNA damage occurs in a genomic region that is important for regulation of cell growth and division, it can lead to cancer if it is not repaired.

Überblick

Mutationen sind Veränderungen in der Sequenz der DNA. Diese Veränderungen können spontan auftreten oder durch die Belastung von Umweltfaktoren induziert werden. Mutationen können auf verschiedene Weise charakterisiert werden: ob und wie sie die Aminosäuresequenz des Proteins verändern, ob sie über einen kleinen oder großen Bereich der DNA hinweg auftreten und ob sie in somatischen Zellen oder Keimbahnzellen vorkommen.

Konsequenzen der Punktmutationen auf molekularer Ebene

Mutationen, die an einem einzelnen Nukleotid auftreten, werden als Punktmutationen bezeichnet. Wenn Punktmutationen innerhalb von Genen auftreten, können ihre Folgen unterschiedlich schwerwiegend sein. Dabei hängt es davon ab, was mit der kodierten Aminosäuresequenz passiert. Eine stille Mutation verändert die Aminosäure-Identität nicht und hat keine Auswirkungen auf den Organismus. Eine Missense-Mutation verändert eine einzelne Aminosäure. Die Auswirkungen können schwerwiegend sein, wenn die Veränderung die Funktion des Proteins verändert. Eine Nonsense-Mutation erzeugt ein Stoppcodon, welche das Protein abschneidet und es wahrscheinlich funktionsunfähig macht. Frameshift-Mutationen treten auf, wenn ein oder mehrere Nucleotide in eine proteincodierende DNA-Sequenz eingefügt oder daraus entfernt werden. Sie betreffen alle Codons stromabwärts der Stelle, an der die Mutation stattgefunden hat.

Chromosomale Veränderungen sind großflächige Mutationen

Die drastischste Art der Mutation verändert die physikalische Struktur eines Chromosoms grundlegend. Hierbei handelt es sich um chromosomale Veränderungen. Chromosomenveränderungen können Deletion, Duplikation oder Inversion großer DNA-Abschnitte innerhalb eines einzigen Chromosoms oder die Integration eines Teils eines anderen Chromosoms umfassen. Diese Mutationen sind typischerweise weitaus schwerwiegender als Punktmutationen, da sie viele Gene und regulatorische Elemente umfassen. Chromosomenveränderungen können durch eine Karyotypisierung der betroffenen Zelle nachgewiesen werden.

Nur Keimbahnmutationen werden vererbt

Mutationen können in jeder Zelle auftreten. Nur Keimbahnmutationen, die in Ei -und Samenzellen aufgetreten sind, können jedoch auch auf Nachkommen übertragen werden. Zum Beispiel sind Erbkrankheiten ein Subtyp von genetischen Störungen, die durch schädliche Keimbahnmutationen verursacht werden. Sie können autosomal, auf den Chromosomen eins bis 22, oder geschlechtsgebunden, auf dem X- oder Y-Chromosom, auftreten. Ein Beispiel für eine Erbkrankheit ist die Mukoviszidose (CF). Es handelt sich dabei um eine Krankheit, die vor allem die Funktionsfähigkeit der Lunge beeinflusst. Sie wird durch eine Deletion innerhalb des Gens CFTR verursacht, das eine einzelne Aminosäure aus dem CFTR-Protein entfernt. CF ist eine autosomal rezessive Krankheit. Das bedeutet, dass eine Person mit einer mutierten Kopie des Gens und einer normalen Kopie die Krankheit nicht entwickelt. Andere Krankheiten, wie die Huntington-Krankheit sind autosomal dominant. Das bedeutet, dass nur eine mutierte Kopie des Gens notwendig ist, um die neurodegenerative Krankheit zu verursachen.

Einige Mutationen werden durch Umweltfaktoren hervorgerufen

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