Mutagene

Mutagene – Arten

Man unterscheidet zwischen drei Arten der Mutagene:

• physikalische Mutagene: Strahlung und hohe Temperaturen
• chemische Mutagene: Nitrosamine, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
• biologische Mutagene: HP-Viren, Epstein-Barr-Virus

Die EU Chemikalienverordnung (CLP) stuft die Stoffe je nach Mutagenität in den Keimzellen in drei verschiedene Kategorien ein:

1. Kategorie 1A: Die Stoffe, die vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen verursachen. Die Einstufung beruht auf Befunden aus epidemiologischen Studien an Menschen.
2. Kategorie 1B: Die Stoffe, die ebenfalls vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen verursachen. Die Annahme beruht auf geeigneten Langzeit-Tierversuchen.
3. Kategorie 2: Die Stoffe, die vermutlich/möglicherweise vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen auslösen können. Die Annahmen beruhen auf geeigneten Tierversuchen. Sie können trotzdem nicht in Kategorien 1 oder 2 eingestuft werden.

Mutagene Stoffe und Substanzen

Es gibt einige chemische Stoffe, die Veränderungen im menschlichen Erbgut auslösen können. Dazu zählen unter anderem:

• Teerstoffe
• Basenanaloga
• Salpetrige Säure
• Acridinfarbstoffe

Andere mutagene Substanzen sind z. B. Pflanzengifte, Nitrosamine und Schwermetallsalze.

MuTeerstoffe

Teerstoffe, die in Tabakwaren enthalten sind, wirken krebserregend. Sie besitzen ein Molekül mit Ringsystem und können sich zwischen die Nukleotide schieben. So täuschen sie den Enzymen eine nichtexistierende Base vor. Während der DNA-Replikation wird an dieser Base eine andere beliebige Base angelagert. So ist der neu entstehende DNA-Strang um ein Nukleotid länger.

Bromuracil (Basenanaloga)

Basenanaloga weisen in ihrer chemischen Struktur eine Ähnlichkeit zu den normalen Basen der DNA auf. Sie können deswegen eine Base ersetzen und entsprechende Basenpaare bilden. Während der Replikation ersetzt Bromuracil das Thymin. Somit liegt die Basenpaarung Adenin-Bromuracil vor.

Bromuracil ist eine instabile Base. Sollte ein Wasserstoffatom umgelagert werden, kommt es zur Paarung von Bromuracil mit Guanin statt Adenin. Entsprechend kommt es bei der Replikation zu einem Austausch des ursprünglichen Basenpaares Adenin-Thymin durch das Basenpaar Guanin-Cytosin und damit zu einer Mutation.

Salpetrige Säure

Die salpetrige Säure führt zur Desaminierung, wobei die Base Cytosin verändert wird. Hier wird Cytosin in Uracil umgewandelt. Uracil ist aber nicht komplementär zu Guanin, sondern zu Adenin. Wenn es zur Replikation kommt, bildet sich das Basenpaar Adenin-Uracil statt Guanin-Cytosin. Es entsteht ein Replikationsfehler. Es kommt in der Folge auch zu Fehlern während des Ablesevorgangs, wodurch defekte Proteine entstehen können.

Acridinfarbstoffe

Acridinfarbstoffe sind aromatische Verbindungen, die die Basenabfolge ändern, indem sie sich zwischen die Nukleotide schieben. Dadurch werden Leserastermutationen hervorgerufen.

Mutagene – Wirkung auf die DNA

Physikalische Mutagene, z. B. ultraviolette Strahlung, radioaktive Strahlung oder Röntgenstrahlung, wirken sich ebenfalls negativ auf die DNA eines Lebewesens aus.

Ultraviolette Strahlung

Die ultraviolette Strahlung ist eine sehr energiereiche Strahlung und hat eine Wellenlänge von 280 bis 320 nm. Allgemein beeinflusst diese Strahlung die oberen Epithelzellen.

Durch die ultraviolette Strahlung vereinen sich zwei benachbarte Thyminbasen zu einem Thymin-Dimer. Sie bilden eine dauerhafte, kovalente Bindung miteinander. Thymin-Dimere bilden kleine Blasen, die die DNA-Polymerase nicht überwinden kann. Somit wird die Replikation nicht vervollständigt. Das gleiche Problem tritt bei der Transkription auf, da die RNA-Polymerase das eingebaute Thymin-Dimer nicht überwinden kann. Somit kann die Transkription nicht vollständig ablaufen.

Röntgenstrahlung

Die Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge von unter 10 nm. Die DNA wird nur selten durch Röntgenstrahlung gebrochen und zerstört. Das passiert nur, wenn das Zucker-Phosphat-Rückgrat an einer Stelle aufgetrennt wird. Meist kommt es in einem solchen Fall zum einseitigen Strangbruch. Dieser Bruch hindert die DNA-Polymerase an der vollständigen Replikation und die RNA-Polymerase an der vollständigen Transkription.

Radioaktive Strahlung

Radioaktive Strahlung hat einen höheren Energiegehalt als Röntgenstrahlung. Durch die radioaktive Strahlung entstehen Radikale, die die DNA chemisch verändern können.

Die radioaktive Strahlung hat aber noch mehr Auswirkungen auf die DNA. Auch hier kann es zum einseitigen Strangbruch kommen, wobei die Phosphodiesterbindung zwischen dem Zucker und dem Phosphat getrennt wird. Die Trennung kann einseitig, aber auch zweiseitig erfolgen. Außerdem können Pyrimidinbasen chemisch modifiziert werden, d. h. sie werden dimerisiert. Es kann auch zu gehäuften Läsionen kommen.

Hohe Temperaturen

Durch Hitzeschocks werden die Basen Adenin und Guanin von ihren Zuckern abgespalten. Solche depurinierten Bereiche können Punktmutationen oder eine Deletion verursachen.

Viren (biologische Mutagene)

Viren benötigen eine Wirtszelle, um sich reproduzieren oder vermehren zu können. Wenn ein Virus eine Wirtszelle gefunden hat, schleust es die eigene Erbinformation und spezifische Enzyme in die Wirtszelle ein. Manche Viren sind in der Lage, ihr Erbgut mithilfe von Enzymen in die DNA der Wirtszelle einzubauen. Es ist zwar abhängig vom Ort der eingebauten DNA, aber Veränderungen führen meist zu großen Schäden.

Mutagene Beispiele

Mutagene, wie z. B. Strahlung, Hitze, Viren oder chemische Stoffe können zu Veränderungen in dem Erbgut führen.

Chemische Mutagene

Chemische Substanzen, wie z. B. Nitrosamine, Basenanaloga, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Arsensäure und deren Salze, Asbest, Benzol, Acrylamid und Rohöl sind Mutagene. Überwiegend führen chemische Mutagene zu Doppelstrangbrüchen.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe können sich zwischen Basen schieben. So führen diese zu Rastermutationen (Genmutation). Dieser Vorgang der Einlagerung bezeichnet man als Interkalation. Durch die Interkalation wird die Replikation und die Transkription der DNA gestört.

Nitrosamine

Nitrosamine können beim Frittieren, Grillen oder Braten bestimmter Lebensmittel auftreten. So entstehen sie zum Beispiel bei der Hocherhitzung von Fleischwaren, die Nitritpökelsalz enthalten. Nitrosamine können sich auch beim Verzehr von pflanzlichen Nahrungsmitteln entwickeln, die intensiv gedüngt wurden. Die DNA-Basen werden dadurch chemisch stark verändert.

Aflatoxine

Aflatoxine sind hochgiftige Produkte der Schimmelpilze, die sich an die DNA-Basen anlagern. Schon bei sehr geringen Mengen von 10 µg/kg Körpergewicht können diese toxisch und krebserregend wirken.

Biologische Mutagene

Biologische Mutagene, wie z. B. HI-Viren, Epstein-Barr-Viren oder HP-Viren können zur Folge haben, dass Mutationen entstehen.

HP-Viren (HPV)

HP-Viren – auch Humane Papillomviren – sind DNA-Viren. Sie infizieren Epithelzellen der Haut und einige Schleimhäute. Bei Infizierten können solche Viren zu einem unkontrollierten tumorartigen Wachstum der infizierten Zellen führen. Meist sind die Tumoren gutartig und es kommt nur zur Bildung von Warzen. Manchmal sind die Tumoren bösartig und es kommt bei Frauen zum Gebärmutterhalskrebs.

Die Viren machen den Zelltod (Apoptose) unmöglich, weil einige bestimmte Gene das verhindern. Durch die Genproduktion ist die Reparatur der DNA auch nicht möglich.

Physikalische Mutagene

Physikalische Mutagene, wie z. B. Röntgen- oder UV-Strahlung haben überwiegend die Folge, dass es zu Mutationen, Doppelstrangbrüchen und Chromosomenaberrationen kommt.