Genetik - Mutationen und Chromosomen

Mutationen

Mutationen treten spontan, zufällig und ungerichtet auf. Es kommt zur Veränderung des Erbguts und Mutagene begünstigen das Auftreten von Mutationen.

Dennoch unterscheidet man zwischen verschiedenen Formen von Mutationen:

1. Genommutationen (= numerische Chromosomenabberationen): Veränderung der Anzahl von Chromosomen

Hierbei sind Krankheiten, die auf eine Monosomie oder Trisomie zurückzuführen sind, berühmte Beispiele:

Trisomie 21 (= Down-Syndrom), Turner-Syndrom, Klinefelter-Syndrom, Cri-du-Chat-Syndrom (= Katzenschreisyndrom)

Kurze wichtige Fakten über die oben genannten Krankheiten:

Down-Syndrom (= Trisomie 21): 

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Down-Syndrom

- Betroffene haben 47 statt 46 Chromosomen (Chromosom 21 ist dreimal vorhanden)

- Merkmale: Gesicht ist flach und breit, Augen stehen schräg, Hautfalte am inneren Augenwinkel, Nase ist klein, Körpergröße unterhalb dem Durchschnittswert, kleine Ohren und breite Hände mit kurzen Fingern (Babys leiden unter Muskelschwäche) 

- häufig treten verschiedene Herzfehler auf

- die Sprach- und auch motorische Entwicklung ist verzögert

- intellektuelle Fähigkeiten sind vermindert (sehr unterschiedlich bei Betroffenen, d.h. manche sind in bestimmten Bereichen besonders begabt wie z.B. künstlerisch) --> geistige Behinderung 

Turner-Syndrom:

- Betroffene sind nur weibliche Personen, die nur 45 statt 46 Chromosomen besitzen, also eine Monosomie X (entweder fehlt ein komplettes X oder ein Teil von einem X-Chromosom geht verloren = XO statt XX)

- Merkmale: häufige Ohrenschmerzen (kein Druckausgleich im Innenohr möglich beim Tauchen oder Fliegen), Skoliose (= Wirbelsäulenverkrümmung), unterentwickelten bzw. zum Teil fehlende Pubertätsentwicklung z.B. unfruchtbar (unterdurchschnittliche Körpergröße)

- keine Auswirkungen auf die geistigen Fähigkeiten

Klinefelter-Syndrom:

- Betroffene sind nur männliche Personen, die 47 (oder auch mehr) statt 46 Chromosomen besitzen, also eine Trisomie (statt XY --> XXY oder XXXY)

- unterentwickelte Pubertätsentwicklung z.B. wenig Bartwuchs, Brustbildung

- verminderte Produktion von Testosteron in den Hoden --> Testosteronmangel führt zu wenige bis keine zeugungsfähigen Spermien (= zeugungsunfähig)

Cri-du-Chat-Syndrom ( = Katzenschreisyndrom):

- Deletion am kurzen Arm von Chromosom 5

- Betroffene geben katzenschreiartige Laute in den frühen Lebensjahren von sich

2. Genmutationen: Veränderung eines einzelnen Gens

•  Punktmutation:

 - stumme Mutation = Die 3. Base eines Basentripletts ist verändert --> hat jedoch keine Auswirkungen, weil der genetische Code redundant ist (mehrere Basentripletts führen zur selben Aminosäure)

- Missense-Mutation = Die 1. oder 2. Base ist verändert --> Die Funktion bzw. Aktivität des Proteins wird verändert (falsche Base führt zur falschen Aminosäure)

- Nonsense-Mutation = Ein Basentriplett wird umgewandelt in ein Stoppcodon --> Translation wird zu früh abgebrochen und das Protein ist nicht funktionsfähig

- Readthrough-Mutation = Aus einem Stoppcodon wird ein normales Codon, sodass die Translation weiterläuft

3. Chromsomenmutationen (= strukturelle Chromosomenaberrationen): Veränderung der Chromosomenstrukturen

- Deletion = Das Löschen/ der Verlust einzelner  Chromosomenabschnitte

Bekanntes Beispiel: Cri-du-Chat-Syndrom (Deletion am kurzen Arm von Chromosom 5)

- Duplikation = Verdopplung eines Chromosomenabschnittes 

- Inversion = Die umgekehrte Reihenfolge eines Chromosomenabschnittes (um 180° gedreht) 

- Translokation = Stückaustausch zwischen nicht homologen Chromosomen

--> reziproke Translokation: Zwei Chromosomen tauschen Fragmente aus

--> nichtreziproke Translokation: Das Fragment wird nur von einem Chromosom auf ein anderes übertragen

Bekanntes Beispiel: Robertson-Translokation (Personen haben 45 statt 46 Chromosomen)

- Insertion = Eine zusätzliche Base wird in das Gen eingefügt

- Substitution = Eine Base wird gegen eine andere Base ersetzt 

--> Transversion: Austausch von Purinbase gegen eine Pyrimidinbase (oder auch umgekehrt)

--> Transition: Austausch einer Purinbase gegen eine andere Purinbase (oder auch Austausch zweier Pyrimidinbasen)

Bekanntes Beispiel: Sichelzellenanämie (Valin statt Glutaminsäure)

Bei der Deletion und Insertion kann es zum Verschieben des Leserasters ( = einem Frameshift) kommen. Bei einem Frameshift kann es durch das Hinzukommen/Wegfallen einer Base dazu kommen, dass der Sinn des gesamten Gens verloren geht. 

Chromosomen:

Die Substanz, aus der die Chromosomen bestehen, wird Chromatin genannt. Chromatin ist ein Sammelbegriff für die DNA und assoziierte Proteine ( = Proteine, die mit der DNA interagieren). Chromosomen bestehen aus zwei Ästen (Kopie und Vorlage), den sogenannten Chromatiden. In der Mitte befindet sich das Zentromer, an dem die Chromatiden verbunden sind. Man nennt das gesamte Gebilde Zwei-Chromatid-Chromosom. Die Enden der Chromosomen bezeichnet man als Telomere. Sie schützen die wichtigen Abschnitte des Gens und enthalten selber keine wichtigen Informationen für die Proteinbiosynthese. Telomere enthalten sogenannte kurze repetitive DNA (Anteil repetitiver DNA an der gesamten DNA beträgt ca. 50%). Die Zellalterung beruht auf der Verkürzung der Telomere, weshalb Prokaryoten keiner Zellalterung unterliegen. Die Lebensdauer einer Zelle ist also abhängig von der Länge der Telomere. Für die Verlängerung der Telomere ist das Enzym Telomerase zuständig, weshalb sich z.B. Krebszellen oder Zellen des Knochenmarks sehr oft teilen können.

Chromosom 1 ist das größte menschliche Chromosom.

Chromosom 19 ist kleiner als Chromosom 1, aber hat die größte Gendichte.

Das Y-Chromosom ist das kleinste Chromosom und hat auch noch dazu die geringste Gendichte.

Die DNA hat eigentlich die Form eines langen Fadens. Wie kommt sie nun zur Form, wie sie im Zellkern vorliegt?

Durch sogenannte Histone ( = globuläre Proteine im Zellkern) ist das Aufwickeln der DNA möglich. Die DNA wird 1 ¾ Mal um ein Histon gewickelt. Die Histone kommen im Zellkern aber nicht alleine vor: Acht Histone bilden ein Histon-Oktamer. Ein Oktamer besteht aus je zwei Histonen vom Typ H2a, H2b, H3 und H4. H1 stabilisiert die DNA zwischen den Nukleosomen. Nukleosome bezeichnet man die DNA, die um ein Histon-Oktamer gewickelt ist. Mehrere Nukleosomen bilden ein sogenanntes Solenoid. Die DNA und Histone haften aufgrund elektrostatischer Anziehungskräfte einander und bleiben zusammen.

Aufgelockertes Chromatin = Euchromatin

Eng gepacktes Chromatin = Heterochromatin

Das erste bis zum 22. Chromosom = Autosomen (Körperchromosomen)

XX bei Frauen, XY bei Männern (23. Chromosom) = Gonosomen (Geschlechtschromosomen)

Die Keimzellen (Eizelle und Spermium) besitzen einen haploiden Chromosomensatz! Denn bei der Befruchtung verschmelzen beide Keimzellen miteinander und die befruchtete Eizelle (Zygote) hat dann einen diploiden Chromosomensatz. Ansonsten würden die Menschen tetraploid, oktaploid usw. sein, was irgendwann zu einem anatomischen Problem führen könnte.