Dein Erbgut, genauer gesagt Deine DNA wird tägliche viele Male abgeschrieben und in Proteine übersetzt. Dabei passieren Fehler, die sogenannten Mutationen. Im Schnitt findet am Tag eine Mutation auf 10.000 Zellen statt, aber da Du knapp 4 Billiarden Zellen besitzt, steigt die Mutationsrate auf 4 x 109 Mutationen täglich. Viele dieser Mutationen sind vollkommen harmlos und beeinflussen Dein Leben nicht, wenige können jedoch erhebliche Schäden auslösen.
Eine Art dieser Genmutationen ist die Rastermutation, bei der durch eine Mutation in der DNA-Sequenz eine Leserasterverschiebung die Folge ist.
Rastermutation – Definition
Eine Rastermutation, auch als Leserastermutation oder im Englischen als frameshift mutation bezeichnet, ist eine Art der Genmutation, bei welcher es zu einer Leserasterverschiebung durch Einfügen (Insertion) oder Löschen (Deletion) von Basenpaaren in der DNA kommt.
Das Einfügen oder Löschen von Basenpaaren hat zur Folge, dass das Raster des Gens und somit die entstehende mRNA nicht nur an einer Stelle verfälscht ist, sondern die gesamte nachfolgende Basensequenz verschoben wird.
Rastermutation einfach erklärt
Deine DNA ist aus vielen einzelnen Nukleotiden aufgebaut, die wiederum aus einer Base und einem Zuckerphosphatrest besteht. Diese Basen paaren sich mit einer gegenüberliegenden Base. Damit die Information auf der DNA nutzbar wird, muss sie auf eine mRNA abgeschrieben werden.
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Die mRNA (messengerRNA) wird auch als Boten-RNA beschrieben und ist, wie die DNA, eine Nukleinsäure. Sie enthält als Transportform den Bauplan für die Proteinbiosynthese.
Diese mRNA wird dann bei der Translation Codon für Codon abgelesen und in Aminosäuren übersetzt.
Ein Codon sind drei aufeinanderfolgende Nukleotide, die zusammen abgelesen werden. Alle Codons zusammen ergeben das Leseraster.
Die Translation ist ein biologischer Prozess, bei dem Proteine durch die Aktivität von Ribosomen synthetisiert werden.
Die folgende Abbildung soll Dir helfen, das Prinzip und den Ablauf der Proteinbiosynthese besser zu verstehen.
Abbildung 1: Prinzip der Proteinbiosynthese
Durch verschiedene Mutagene, also Substanzen, die die DNA verändern, kann es nun dazu kommen, dass eine oder mehrere Basen eingefügt oder gelöscht werden. Das hat zur Folge, dass das Leseraster verschoben wird und entweder andere Aminosäuren bei der Translation übersetzt werden oder die Translation stoppt, weil ein Stopcodon entsteht. Nicht nur Mutagene können Mutationen auslösen, sondern auch Fehler, die beispielsweise während der Replikation entstehen und nicht repariert werden.
Beispiele für solche Mutagene sind ionisierende Strahlung, UV-Strahlen oder chemische Substanzen.
Das Stopcodon ist das Codon, welches das Signal dazu gibt, die Translation zu beenden.
Rastermutation – Arten
Es gibt verschiedene Arten der Rastermutation:
- Punktmutationen
- Insertionen
- Deletionen
Rastermutationen können Punktmutationen sein, das heißt nur, eine einzige Base wurde eingefügt oder entfernt.
Eine Punktmutation ist eine Genmutation, bei der nur eine Base in der DNA-Sequenz eingefügt, entfernt oder ausgetauscht wird.
Jedoch können auch mehrere Basen eingefügt oder entfernt werden. Das Hinzufügen einer oder mehrerer Basen nennt man Insertion, das Entfernen hingegen Deletion.
Rastermutation – Insertion
Wenn ein oder zwei einzelne Nukleotide eingefügt werden, hat das eine sogenannte Leserasterverschiebung zur Folge. Das heißt es entstehen entweder falsche Aminosäuren bei der Translation oder es entsteht ein Stopcodon und die Translation kommt zum Erliegen. Diese Art der Mutation wird out-of-Frame Mutation genannt, weil das gesamte Leseraster hinter der Mutation verschobenen wird.
Eine in-Frame Mutation tritt auf, wenn die Anzahl der eingefügten Nukleotide drei oder ein Vielfaches von drei betragen. Somit wird das Leseraster nicht verschoben, sondern die Aminosäuren um die Anzahl der eingefügten Codons verlängert.
Abbildung 2: Beispiel einer out-of-Frame und einer in-Frame Mutation
Rastermutation – Deletion
Wie auch bei der Insertion spielt hier die Anzahl der verlorenen Basen eine Rolle: Werden drei oder ein Vielfaches von drei Basen entfernt, so bleibt immerhin der Rest des Rasters intakt. Das nennt man auch in-Frame Deletion, während das Entfernen einer anderen Anzahl an Basen als out-of-Frame Deletion bezeichnet wird.
Rastermutation – Folgen und Auswirkungen
Wie auch bei der Punktmutation unterscheidet man ebenfalls bei der Rastermutation in die stumme Mutation, die Missense-Mutation und die Nonsense-Mutation. Diese Arten der Mutation können jedoch nur auftreten, wenn nur ein oder zwei Nukleotide ausgetauscht wurden.
Stumme Mutation
Eine stumme Mutation ist eine Genmutation, die keine Veränderung der Aminosäuresequenz zur Folge hat.
Du sprichst von einer stummen Mutation, wenn die Mutation in einem Bereich auftritt, der keine wichtigen Informationen zur Codierung von Aminosäuren enthält. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Mutation an der dritten Base eines Tripletts vorkommt und durch die Redundanz des genetischen Codes, trotzdem die vorgesehene Aminosäure codiert wird. Das bedeutet, dass verschiedene Codons für die gleiche Aminosäure codieren.
Ein anschauliches Beispiel ist die Bildung der Aminosäure Prolin:
Es gibt vier verschiedene Codons, die die Aminosäure Prolin codieren. Die ersten beiden Stellen im Codon sind festgelegt, nur die letzte Stelle ist flexibel. So codieren die Codons CCG, CCA, CCC und CCU alle für Prolin. Wenn nun durch eine Mutation die letzte Base des Tripletts ausgetauscht wird, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass trotzdem Prolin synthetisiert wird.
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Missense-Mutation
Bei einer Missense-Mutation (deutsch: Fehlsinn-Mutation), entsteht durch eine Genmutation ein anderes Codon, welches für eine falsche Aminosäure codiert.
Die Folge einer Missense-Mutation ist der Einbau einer völlig anderen Aminosäure in einem Protein, woraufhin auch die Funktion des Proteins gestört sein kann. Häufig kann eine Missense-Mutation durch den Körper wieder ausgeglichen werden, sodass keine Schäden entstehen.
Nonsense Mutation
Bei einer Nonsense-Mutation (deutsch: Unsinn-Mutation) entsteht durch eine Punktmutation ein vorzeitiges Stopcodon.
Durch diese Art von Mutation entsteht ein Codon, welches nicht für die vorgesehene Aminosäure codiert, sondern für ein Stopcodon. Das Stopcodon verursacht dann ein Anhalten der Proteinsynthese. Das Protein kann nicht fertiggestellt werden und ist somit nicht funktionsfähig.
Abbildung 3: Beispiel einer Deletion, die zum Translationsstop führt (Nonsense-Mutation)
Rastermutation – Beispiele für Krankheiten
Die Duchenne-Muskeldystrophie ist eine seltene und lebensbedrohliche genetische Erkrankung. Es kommt durch das fehlende Protein Dystrophin zum Muskelschwund im frühen Alter. Schon im frühen Teenageralter benötigen Betroffene einen Rollstuhl, um sich fortzubewegen.
Ausgelöst wird die Krankheit durch eine Mutation auf dem Gen für das Protein Dystrophin, das für die Muskelsynthese gebraucht wird. Häufig handelt es sich um eine Deletion oder um eine Punktmutation, die eine Leserasterverschiebung zur Folge hat. Damit kommt es dann zum verfrühten Stopp der Translation und das Dystrophin kann nicht synthetisiert werden.
Rastermutation rückgängig machen
Allgemein sind alle Genmutationen dauerhaft und können nicht rückgängig gemacht werden. Jedoch können sie durch entgegengesetzte Mutationen ausgeglichen werden. So kann eine vorige Insertion, bei welcher eine Base in die DNA-Sequenz eingefügt wurde, durch eine spätere Deletion, also ein Entfernen einer Base, ausgeglichen werden.
Stell Dir vor, Du hast folgende DNA-Sequenzen:
Original:
ATG TCC AGC TAA CAT
1. Mutation (Insertion):
ATG TCA CAG CTA ACA T
2. Mutation (Deletion):
ATG TCA CAC TAA CAT
Hier kannst Du erkennen, dass sich die Mutation wieder ausgeglichen hat. Es wurde zuerst eine Base eingesetzt, wodurch sich das Leseraster verschoben hat. Anschließend fand eine Deletion statt, sodass sich das Leseraster wieder in die vorige Position verschoben hat.
Rastermutation – Das Wichtigste
Eine Rastermutation ist eine Genmutation, die durch Einfügen oder Entfernen einer oder mehrerer Basen eine Leserasterverschiebung zur Folge hat.
Es gibt verschiedene Arten der Rastermutation, bei welcher entweder Basen eingefügt oder gelöscht werden.
Bei der Insertion werden eine oder mehrere Nukleotide in die DNA eingesetzt.
Diese Mutation kann out-of-Frame sein, wenn das gesamte Leseraster verschoben wurde. Das ist der Fall, wenn ein oder zwei Basen mutiert sind.
Bei einer in-Frame Mutation werden 3 oder ein Vielfaches von drei Basen ausgetauscht, woraufhin sich das Leseraster nur um ein oder mehr Codons verlängert.
Eine Deletion tritt auf, wenn eine oder mehr Basen aus der DNA-Sequenz entfernt werden.
Eine Rastermutation kann ausgeglichen werden, wenn die entgegengesetzte Mutation nach einer vorigen Mutation auftritt.
Auswirkungen einer Rastermutation können die stille Mutation, die Missense-Mutation oder die Nonsense-Mutation sein.
Ein Beispiel für eine Krankheit, die durch eine Leserasterverschiebung ausgelöst wurde, ist die Duchenne-Muskeldystrophie.
Nachweise
- David Sadava et al. (2019). Purves Biologie. Springer.
- Jochen Graw (2015). Genetik. Springer.
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