mini|Rote Tulpe mit halbem gelben Blütenblatt aufgrund einer Mutation
mini|Mutation einer Hummel-Ragwurz mit Doppelblüte im Naturschutzgebiet Langheck bei Nittel mini|Blaue Mutante des in der Wildform grünen Halsbandsittichs (Psittacula krameri) Als Mutation (von lateinisch mutatio, von mutare „ändern/verändern, verwandeln“) wird in der Biologie eine spontan auftretende, dauerhafte Veränderung des Erbgutes bezeichnet.Herder Lexikon der Biologie 2004: Mutation w [von latein. mutatio = Veränderung; Verb mutieren], spontane, d. h. natürlich verursachte, oder durch Mutagene induzierte Veränderung des Erbguts (Veränderung der Basensequenz), die sich möglicherweise phänotypisch (Phänotyp; z. B. in Form einer „Degeneration“) manifestiert. Die zuerst von Hugo de Vries und Thomas Hunt Morgan als „Mutation“ bezeichneteErnst Klee: Deutsche Medizin im Dritten Reich. Karrieren vor und nach 1945. S. Fischer, Frankfurt am Main 2001, ISBN 3-10-039310-4, S. 28–30 (Anfänge der Genetik). Veränderung betrifft zunächst das Erbgut nur einer Zelle, wird aber an deren Tochterzellen weitergegeben.Rolf Knippers: Molekulare Genetik. Thieme, 1997, ISBN 3-13-477007-5: Mutationen sind vererbbare Veränderungen der genetischen Informationen. Bei mehrzelligen Tieren unterscheidet man Keimbahn-Mutationen, die durch Vererbung an die Nachkommen weitergegeben werden können, von Mutationen in somatischen Zellen, die nicht in den Keimzellen (Gameten), sondern nur in den übrigen Geweben des Körpers vorliegen. Ein Organismus mit einem neuen, durch Mutation entstandenen Merkmal wird als Mutant, das neue Merkmal als Mutante bezeichnet.
Eine Mutation kann Auswirkungen auf die Merkmale eines Organismus haben oder auch nicht (stille Mutation). Abweichende Merkmalsausprägungen können negative, positive oder auch gar keine Folgen hinsichtlich der Lebensfähigkeit und/oder des Fortpflanzungsvermögens haben. Prägt sich eine Mutation als deutlich unterschiedener Phänotyp aus, der in einer Population zu einem gewissen Anteil (über 1 %) stabil erhalten bleibt, spricht man in der Biologie auch von Polymorphismus.Douglas J. Futuyma: Evolutionsbiologie. Birkhäuser, Basel / Boston / Berlin 1990, S. 105. Polymorphismus ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung neuer Arten (Biodiversität).
Manchmal wird das unerwartete phänotypische Auftreten sehr seltener rezessiver Erbanlagen, die von unauffälligen mischerbigen (heterozygoten) Vorfahren (als Konduktoren) an den gemeinsamen Nachkommen vererbt wurden, fälschlich für eine Mutation gehalten.
Echte Mutationen können spontan (stochastisch) auftreten oder durch äußere Einflüsse verursacht werden, wie mutagene Strahlung (z. B. UV-Strahlung oder ionisierende Strahlung) oder erbgutverändernde Chemikalien (Mutagene).W. Seyffert: Genetik. 2. Auflage. Spektrum, 2003, ISBN 3-8274-1022-3Pschyrembel Klinisches Wörterbuch (online), abgerufen am 30. September 2009: Definition 1.(genet.): Veränderung des genetischen Materials (DNA oder RNA), die ohne erkennbare äußere Ursache (Spontanmutation) oder durch exogene Einflüsse (induzierte M.) entstehen kann;…
In der klassischen Zytogenetik werden Mutationen nach ihrem Umfang eingeteilt: Genommutationen sind Veränderungen der Anzahl der Chromosomen, Chromosomenmutationen sind Veränderungen der Chromosomenstruktur, die bei Chromosomenpräparaten lichtmikroskopisch erkennbar sind. Genmutationen sind dagegen an solchen Präparaten mikroskopisch nicht erkennbar und können nur durch DNA-Analyse festgestellt werden.Werner Buselmaier, Gholamali Tariverdian: Humangenetik. Begleittext zum Gegenstandskatalog. Springer Verlag Berlin / Heidelberg / New York 1991, ISBN 3-540-54095-4.William Hovanitz: Textbook of Genetics. Elsevier Press, Houston / New York 1953, S. 190. „(…) if a change in structure (of chromosomes) is large enough to be visible in cytological preparations it is considered a chromosomal mutation. If it is too small to be readily observed, is known only from the genetic results of segregation and can be localized on a chromosome, it is known as a gene mutation. There is no sharp dividing line between gene mutations and chromosomal mutations. Eventually all gene mutations in their ultra-fine structure will be found to be structural, if only in the molecular arrangement of which the gene is composed.“ Eine Genmutation kann darin bestehen, dass neue Nukleotidsequenzen entstehen oder dass zuvor vorhandene Erbinformation verloren geht oder beides.
Mutationen in Genen, deren Genprodukte für die Aufrechterhaltung einer intakten DNA erforderlich sind, zum Beispiel Tumorsuppressorgene, können weitere Mutationen nach sich ziehen (Mutatorphänotyp).
Der Begriff der Mutation wurde von dem Botaniker Hugo de Vries, der auch die Lehre von den Mutationen begründete,Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 54. 1901 geprägt.Bernhard Kegel: Epigenetik. Köln 2010, S. 35.
Arten der Mutation Unterscheidung nach Erblichkeit Keimbahnmutationen sind Mutationen, die an die Nachkommen über die Keimbahn vererbt werden; sie betreffen Eizellen oder Spermien sowie deren Vorläufer vor und während der Oogenese bzw. Spermatogenese. Diese Mutationen spielen eine bedeutende Rolle in der Evolution, da sie von einer Generation zur nächsten übertragbar sind. Auf den Organismus, in dem sie stattfinden, haben Keimbahnmutationen in der Regel keine direkten Auswirkungen. Somatische Mutationen sind Mutationen, die somatische Zellen betreffen. Sie haben Auswirkungen auf den Organismus, in dem sie stattfinden, werden bei der generativen Vermehrung nicht an die Nachkommen weitergegeben, wohl aber bei der vegetativen Vermehrung. So können sich unter anderem normale Körperzellen in ungebremst wuchernde Krebszellen umwandeln. Auch beim Altern eines Organismus spielen somatische Mutationen eine Rolle. Sie haben daher Bedeutung für die Medizin.
Unterscheidung nach Ursache Spontanmutationen sind Mutationen ohne besondere äußere Ursache, etwa der chemische Zerfall eines Nukleotids (z. B. kann aus Cytosin durch spontane Desaminierung Uracil entstehen) oder der Tunneleffekt (Protonen-Tunneln in DNAP.-O. Löwdin: Proton Tunneling in DNA and its Biological Implications. In: Reviews of Modern Physics. 35 (3), 1963, S. 724–732, doi:10.1103/RevModPhys.35.724.). Induzierte Mutationen sind durch Mutagene (mutationsauslösende Stoffe oder Strahlen) erzeugte Mutationen.
Unterscheidung nach Mechanismus Fehler bei der Replikation DNA-Polymerasen bauen nach Vorlage mit unterschiedlich hohen Fehlerraten einen komplementären DNA-Strang auf. Unzureichende Proof-reading-Aktivität Manche DNA-Polymerasen haben die Möglichkeit, Fehleinbauten selbstständig zu erkennen und zu korrigieren (englisch proof-reading ‚Korrekturlesen‘). Jedoch besitzt z. B. die DNA-Polymerase α der Eukaryoten keine Proof-reading-Aktivität. Fehler bei prä- und postreplikativen Reparaturmechanismen Beim Auffinden eines ungewöhnlichen Nukleotids, etwa von Uracil in der DNA, wird dieses entfernt. Bei einer Fehlpaarung zwischen zwei DNA-typischen Nukleotiden trifft das Reparatur-Enzym eine Entscheidung mit 50-prozentiger Fehlerwahrscheinlichkeit. Ungleichmäßiges Crossing-over Zu Fehlpaarungen bei der Meiose kann es kommen durch benachbarte ähnliche oder identische Sequenzen auf dem Strang, wie Satelliten-DNA oder Transposons. Non-Disjunction Die Fehlsegregation oder Non-Disjunction (englisch disjunction ‚Trennung‘) von Chromosomen führt zur fehlerhaften Verteilung auf die Tochterzellen und so zu Trisomien und Monosomien. Integration oder Herausspringen von Transposons oder Retroviren Diese Elemente können in Gene oder genregulatorische Bereiche integrieren oder desintegrieren und dadurch die Aminosäuresequenz eines Proteins oder die Ablesehäufigkeit eines Proteins verändern.
Unterscheidung nach Größe und Ort der Veränderung mini|Die Sichelzellenanämie wird durch eine Mutation im Gen einer Hämoglobin-Untereinheit ausgelöst. Sie führt zu sichelförmigen roten Blutkörperchen, hier zusammen mit normalen Formen. Genmutation eine erbliche Änderung, die nur ein Gen betrifft. Beispiele sind Punkt- und Rastermutationen. Bei der Punktmutation wird lediglich eine organische Base im genetischen Code verändert (mutiert). Eine Frameshift-Mutation, also eine Insertion (Einschub) oder Deletion (Entfernen) einer Anzahl von Basen, die kein Vielfaches von drei ist, verändert jedoch aufgrund der Triplettcodierung im genetischen Code die gesamte Struktur eines Gens und hat deshalb meist weit größere Auswirkungen. Eine weitere mögliche Folge ist alternatives Spleißen. Zu den Genmutationen zählen auch Deletionen von längeren Sequenzen sowie Genduplikationen, bei denen sich ein bestimmter Abschnitt eines Chromosoms verdoppelt oder vervielfacht. Chromosomenmutation oder strukturelle Chromosomenaberrationen vererbbare Änderung der Struktur einzelner Chromosomen. Der im Lichtmikroskop sichtbare Bau eines Chromosoms ist verändert. So können Chromosomenstücke verloren gehen oder Teile eines anderen Chromosoms eingebaut sein. Ein Beispiel ist das Katzenschrei-Syndrom, bei dem ein Abschnitt des Chromosoms 5 verloren gegangen ist. Dadurch fehlen zahlreiche Gene, die zu einer starken Veränderung und Schädigung im Phänotyp führen. Genommutation oder numerische Chromosomenaberration eine Änderung, bei der ganze Chromosomen oder gar Chromosomensätze vermehrt werden (Aneuploidie, Polyploidie) oder verloren gehen. Ein bekanntes Beispiel beim Menschen ist das Downsyndrom. Hier ist das Chromosom 21 dreifach vorhanden.
Unterscheidung nach Folgen für das Protein Trunkierende Mutationen Mutationen eines für ein Protein codierenden Genomabschnitts, in dessen Folge ein verkürztes Genprodukt (Protein) entsteht. Gain-of-Function-Mutationen (GOF) Hierbei gewinnt das Genprodukt (Protein) an Aktivität und wird dann auch als hypermorph bezeichnet. Entsteht durch die Mutation ein komplett neuer Phänotyp, dann bezeichnet man das Allel auch als neomorph. Eine Gain-of-function-Mutation, die einen sichtbaren Phänotyp hervorruft, wird als ‚dominant‘ bezeichnet. Wenn ein Gain-of-function-Allel einen Phänotyp ausschließlich im homozygoten Zustand zeigt, spricht man jedoch von einer rezessiven Gain-of-function-Mutation. Für Gain-of-function-Mutationen bei Viren und Bakterien in vitro siehe
Loss-of-function-Mutationen (LOF)Hierbei wird das Genprodukt (Protein) durch eine Mutation in dem Gen funktionslos. Ist der Funktionsverlust vollständig, spricht man von Nullallel oder einem amorphen Allel. Bleibt ein Teil der Wildtypfunktion erhalten, bezeichnet man es als hypomorphes Allel.Loss-of-function-Mutationen sind kodominant oder (meistens) rezessiv, wenn ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann.Theodor Dingermann, Rudolf Hänsel, Ilse Zündorf: Pharmazeutische Biologie: Molekulare Grundlagen und klinische Anwendung. Springer, 2002, ISBN 3-540-42844-5, S. 425.B. Alberts u. a.: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage. 2002, S. 527. Haploinsuffiziente Mutationen Loss-of-function-Mutationen in einem Gen, dass keine Haploinsuffizienz verträgt, d. h. bei dem eine Halbierung der exprimierten Gendosis (mRNS) bereits ausreicht, um einen veränderten Phänotyp hervorzurufen. (Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem (monoallelischem) Genotyp der Mutation). Dominant negative Mutationen Wie bei Loss-of-function-Mutationen verliert das Genprodukt durch die Mutation seine Funktion. Das mutierte Protein ist jedoch außerdem noch in der Lage, die Funktion des verbliebenen zweiten (wildtyp) Allels zu unterdrücken, was ein bloßes Loss-of-function-Allel üblicherweise nicht tut bzw. nicht kann. Viele trunkierende Mutationen sind dominant negativ. (Das betrifft nur diploide Organismen bei heterozygotem (monoallelischem) Genotyp der Mutation.)
Unterscheidung nach Folgen für den Organismus