Mutationen

Mutationsursachen

Mutationen resultieren häufig aus Fehlern bei molekulargenetischen Prozessen wie der Replikation oder der DNA-Reparatur bzw. Fehlern bei der Chromosomenverteilung während der Zellkernteilung (Mitose, Meiose).
Bei der DNA-Replikation können beispielsweise Fehlpaarungen entstehen, weil von den Stickstoffbasen verschiedene Isomerieformen existieren. Ein nicht erkannter und reparierter Fehler bleibt als Mutation übrig.
Im menschlichen Eierstock verharren die Eizellen seit Beginn der Geschlechtsreife in der 1. Phase der Meiose. Es bilden sich homologe Chromosomenpaare. Je älter die Eizellen werden, umso fester haften vermutlich die Chromosomen aneinander und trennen sich beim weiteren Verlauf der Meiose schlechter. Chromosomenfehlverteilungen, eine Mutation, können entstehen. Solchen Mutationen liegen natürliche Ursachen zugrunde, sie sind spontan verursacht.

Äußere, physikalisch-chemische Einflüsse können auch Mutationen auslösen, sie werden als Mutagene bezeichnet. Zahlreiche physikalische oder chemische Faktoren können als Mutagene wirken (Tabelle).

Unter natürlichen Bedingungen sind die Organismen an ihre Wirkung angepasst. 
Einerseits wird die Aufnahme von Mutagenen vermieden (schmecken z. B. bitter) oder die Organismen tolerieren die Mutagene durch Entwicklung von Abwehrmechanismen (z. B. Pigmentierung gegen UV-Strahlung).
Die Verbreitung der einzelnen Organismenarten in ihren Lebensräumen wird nicht nur durch die Wirkung solcher wichtigen Umweltfaktoren wie Licht, Wasser, Temperatur usw. bestimmt, sondern auch durch das Wirken von Mutagenen. Den Träger des neuen Merkmals nennt man Mutante.
Durch Mutationen entsteht die Basis für die erblich bedingte Variabilität der Organismen. Sie sind somit ein bedeutender Faktor für die Neubildung von Arten und eine Voraussetzung für die Evolution der Organismen. Für die Evolution der Organismen sind Mutationen von Bedeutung, weil die neuen Anlagen an die Nachkommen weitergegeben werden und unter diesem Aspekt bestimmte Voraussagen ermöglichen.

Mutationsformen

Mutationen können ganze Chromosomensätze, einzelne Chromosomen oder die DNA selbst verändern. Entsprechend der betroffenden Struktur werden einzelne Mutationsformen unterschieden, nämlich Genom-, Chromosomen- und Genmutation.

Veränderungen in der Anzahl der Chromosomen im Vergleich zum natürlichen Chromosomenbestand werden als Genommutation (oder Ploidiemutation) bezeichnet.
Man unterscheidet Abweichungen um gesamte Chromosomensätze (Euploidie) und ein Abweichen der Anzahl einzelner Chromosomen (Aneuploidie).
Es werden haploide Organismen (besitzen nur einen Chromsomensatz), diploide Organismen (besitzen zwei Chromosomensätze, normal) und polyploide Organismen (besitzen drei und mehr Chromosomensätze) unterschieden.

In der Natur kommt Polyploidie bei Pflanzen in gemäßigten und subpolaren Gebieten häufig vor. Offensichtlich besitzen sie unter den bestehenden klimatischen Bedingungen eine verbesserte Angepasstheit. Auch viele unserer heutigen Kulturpflanzen sind polyploid und dadurch ertragsstark.
Im Tierreich kommt Polyploidie nicht so häufig vor. In den meisten Fällen führen vielfache Chromosomensätze zum Tod. Beispielsweise sind triploide menschliche Embryonen, die durch doppelte Befruchtung entstehen können, nicht lebensfähig.
Die Nichttrennung von homologen Chromosomenpaaren oder Schwesterchromatiden während der Meiose oder Mitose führt zu Aneuploidien. Nach der Befruchtung der Keimzellen können so monosome (ein Chromsom zu wenig) oder trisome (ein Chromsom zu viel) befruchtete Eizellen entstehen. Die phänotypischen Auswirkungen sind in der Regel negativ. Betroffene Organismen sind meist nicht oder nur mit schweren Behinderungen lebensfähig.

Chromosomenmutationen sind Strukturveränderungen an Chromosomen, die über die Grenze eines einzelnen Gens hinausgehen. In den veränderten Chromosomen kann die Menge des Erbmaterials durch Verlust (Deletion) oder Verdoppelung (Duplikation) bzw. kann die Lage des Erbmaterials durch Umkehrung (Inversion) oder Tausch mit einem anderen Chromosom (Translokation) verändert sein. Lageveränderungen wirken sich meist nur gering auf den Phänotyp aus, lediglich seine Kreuzbarkeit ist erschwert.
Mit zunehmender Größe der betroffenen Stücke ähneln Mengenveränderungen den Aneuploidien.

Veränderungen an Genen werden als Genmutation bezeichnet.
Sie entstehen zufällig an beliebigen Stellen der Gene bzw. Chromosomen und sind somit im Sinne der Evolution ungerichtet. Erst der nach der Mutation entstandene Phänotyp wird in seiner Umwelt durch Selektion bewertet.
Es können einzelne Basen oder längere Genabschnitte betroffen sein. Je größer die veränderten Abschnitte sind (etwa ab 50 000 Basen), desto mehr ähneln die zellbiologischen Auswirkungen Chromosomenmutationen.
Häufig weist der mutierte Organismus andere Eiweißstrukturen auf. Durch Genmutationen entstehen neue Allele.

Grundsätzlich werden Basensubstitutionsmutationen und Leserastermutationen unterschieden.
Bei der Basensubstitution, auch Punktmutation genannt, kommt es zum Austausch von Nucleotiden der DNA. Das während der Translation gebildete Eiweiß besitzt dann entweder eine andere Aminosäure oder hat sich aufgrund der Redundanz des genetischen Codes nicht verändert. Es kann auch kleiner sein, da ein zufällig entstandenes Stopp-Codon zum Translationsabbruch führte.
Durch Einfügen (Insertion), Verdoppeln (Duplikation) oder Entfernen (Deletion) von Basen bzw. Genabschnitten verschiebt sich das Leseraster der mRNA am Ribosom. Infolge des Rasterschubs bricht die Translation meist ab, da vorzeitig ein Stopp-Codon entsteht.

Es können auch Eiweiße mit falscher Aminosäurenfolge gebildet werden.