Punktmutation – Definition, Ursachen, Mechanismus, Typen, Beispiele, Anwendungen

Punktmutation definition

Punktmutation – Definition, Ursachen, Mechanismus, Typen,Punkt – Mutation ist eine Art von genetischer Mutation , wo eines der Basenpaare in der DNA – Sequenz entweder durch Insertion oder Deletion verändert ist.

  • Punktmutation tritt, wie der Name schon sagt, an einer bestimmten Stelle der DNA-Sequenz als Folge von Veränderungen in einem bestimmten Basenpaar auf.
  • In der Regel entstehen Punktmutationen durch Fehler bei der DNA-Replikation; jedoch kann in einigen Fällen eine DNA-Modifikation durch Röntgenstrahlen oder ultraviolette Strahlung induziert werden.
  • Die Auswirkungen von Punktmutationen basieren oft auf den Besonderheiten der Mutation, da diese von keiner Wirkung bis hin zu schädlichen Wirkungen reichen können, die die Proteinproduktion, -zusammensetzung und -funktion beeinträchtigen.
  • Punktmutation ist eine Art von Mutation, die die Struktur des Chromosoms beeinflusst und durch Veränderungen der Nukleotidsequenzen induziert wird.
  • Punktmutationen können wichtige Auswirkungen auf die Produktion von Proteinen haben, da Nukleotide in Tripletts gelesen werden und die Veränderungen in den Sequenzen Veränderungen in der Sequenz von Aminosäuren im Protein verursachen können.
  • Außerdem können die Änderungen in den Sequenzen am Anfang oder am Ende der Sequenz auch zu einer vorzeitigen Beendigung oder Initiierung führen. Somit hängt die Schwere der Mutation von der Position der Mutation ab.

Ursachen der Punktmutation

  • Die meisten Punktmutationen treten während der DNA-Replikation auf, bei der eine einzelne Punktmutation in der Sequenz die gesamte DNA-Sequenz verändern kann.
  • Die Veränderung entweder des Purins oder des Pyrimidins kann die Aminosäuresequenz verändern, für die das Nukleotid kodiert.
  • Diese Veränderungen können das Ergebnis einer spontanen Mutation sein, die während der DNA-Replikation auftritt; die Rate dieser Mutationen nimmt jedoch mit der Exposition gegenüber Mutagenen zu.
  • Die Mutagene können physikalischer Natur sein, wie Röntgen- und UV-Strahlung oder chemische Moleküle, die die Basenpaare verändern und die Struktur der DNA verändern.
  • Bei Strahlung kann das Licht eine Ionisierung der Moleküle in der DNA bewirken, wodurch sich die Zusammensetzung der Sequenz verändert.
  • Außerdem das Nebenprodukt des Zellstoffwechsels wie reaktive Sauerstoffspezies, die bestimmte Basenpaare in der Struktur zerstören könnten.
  • Solche Veränderungen können entweder die abgetrennte einzelsträngige DNA oder den helikalen Doppelstrang betreffen.
  • Einige dieser Veränderungen können später während der Verarbeitung der DNA auftreten, wo die Basenpaare von Nukleasen verdaut werden.
  • Andere Mutationsformen wie Deletion, Substitution, Insertion usw. können auch die Ursache von Punktmutationen in verschiedenen Stadien der DNA-Bildung, -Replikation und -Prozessierung sein.

Mechanismus der Punktmutation

Je nach Ursache der Mutation gibt es unterschiedliche Mechanismen der Punktmutation. Da Punktmutationen in den meisten Fällen spontan während der DNA-Replikation auftreten, ist der Mechanismus der Substitution eines Nukleotids häufiger.

Auswechslung

  • Der Austausch eines Basenpaares durch ein anderes während der DNA-Replikation ist der häufigste Mutationsmechanismus.
  • Dies geschieht normalerweise als Folge einer tautomeren Verschiebung, bei der sich die Wasserstoffatome eines Nukleotidbasenpaares in einer Weise entfernen, die die Eigenschaften der Bindung verändert.
  • Alle an der DNA-Replikation beteiligten Basen existieren in verschiedenen Formen, die als Tautomere bezeichnet werden. Diese Formen existieren im Gleichgewicht, wobei die Ketoform normalerweise in der DNA zu finden ist und die Enolformen normalerweise selten sind.
  • Die Verschiebung der Struktur zwischen Keto- und Enolform kann die komplementäre Basenpaarung der Nukleotide verändern, was zu Punktmutationen führen kann.
  • Ein Beispiel dafür kann bei Guanin beobachtet werden, wo seine Enol-Form an das eingehende Thymin anstelle von Cytosin bindet, was zu einer Punktmutation führt.

Ionisation

  • Ionisierung ist der nächste häufige Mutationsmechanismus, der als Ergebnis chemischer Spezies oder Strahlung auftritt.
  • Die Basen können spontan in verschiedene Formen ionisiert werden, die mit dem komplementären Basenpaar keine Wasserstoffbrücken mehr bilden können.
  • Dadurch kann das Basenpaar an ein anderes Molekül oder Basenpaar binden, was zu Sequenzänderungen führt.

Arten von Punktmutationen (basierend auf der Substitution der Basenpaare)

Punktmutationen können in Abhängigkeit von der Art der Substitution der Basenpaare in zwei Typen unterschieden werden.

Übergangsmutationen

  • Übergangsmutationen sind Mutationen, die durch die Substitution einer Pyrimidinbase durch eine andere Pyrimidinbase oder die Substitution einer Purinbase durch die andere entstehen.
  • Da die Basenpaare in einer doppelsträngigen DNA an spezifische Partner auf den entsprechenden Strängen binden, führt der Austausch einer Stickstoffbase durch eine andere zu einem anderen Satz von Basenpaaren.
  • Übergangsmutationen werden durch oxidative Desaminierung und Tautomerisierung der Basenpaare verursacht. 
  • Diese treten in Genomen aufgrund des molekularen Mechanismus, der zu ihrer Erzeugung gehört, häufiger auf, obwohl es nur einen einzigen möglichen Übergang gibt.
  • Übergangsmutationen führen jedoch weniger wahrscheinlich zu Aminosäuresubstitutionen und existieren daher als stille Substitutionen in genomischen Populationen wie Einzelnukleotidpolymorphismen.

Beispiel einer Übergangsmutation

  • Ein Beispiel für eine Übergangsmutation kann durch den Ersatz von Adenin durch Guanin oder durch den Ersatz von Cytosin durch Thymin und umgekehrt beobachtet werden.
  • In diesen Fällen werden die Purinnukleotide untereinander und die Pyrimidinnukleotide untereinander ausgetauscht.

Transversionsmutationen

  • Transversionsmutationen sind die Mutationen, bei denen die Purinbase eine Pyrimidinbase ersetzt und umgekehrt.
  • Transversionsmutationen sind normalerweise spontan, können aber durch Bestrahlung oder Alkylierungsmittel induziert werden. Bei spontaner Mutation ist eine reversible Transversion möglich.
  • Es gibt zwei mögliche Transversionen, die jedoch weniger wahrscheinlich auftreten, da es schwierig ist, eine Doppelringstruktur durch eine Einzelringstruktur zu ersetzen.
  • Eine Transversion hat jedoch einen ausgeprägteren Effekt, da das dritte Nukleotid-Codon der DNA weniger transversionstolerant ist.
  • Eine Transversion führt selten zu Codons, die für die Aminosäuren kodieren, was Veränderungen im Protein bewirkt.

Beispiel für Transversionsmutation

  • Ein Beispiel für eine Transversionsmutation kann durch den Ersatz des Adenin- oder Guaninnukleotids durch Thymin oder Cytosin beobachtet werden.
  • Es gibt acht mögliche Veränderungen, die zwischen den beiden Purinen und zwei Pyrimidinen auftreten können.

Arten von Punktmutationen (basierend auf den durch die Änderungen erzeugten Effekten)

Punktmutationen können weiter in verschiedene Typen unterteilt werden, abhängig von den Auswirkungen, die durch die Änderungen erzeugt werden.

1. Nonsense-Mutationen

Eine Nonsense-Mutation oder Point-Nonsense-Mutation ist eine Art von Punktmutation, bei der die Substitution eines Basenpaares zu einem vorzeitigen Stoppcodon führt.

  • Durch die Punktmutation wird der DNA-Abschnitt, der zuvor ein eine Aminosäure spezifizierendes Codon enthielt, durch ein Stop-Codon ersetzt.
  • Die Wirkung auf die Nonsense-Mutation hängt von der Position des Stopcodons bei einem gegebenen Segment ab. Wenn die Mutation nahe am ursprünglichen Stoppcodon liegt, kann die funktionelle Wirkung weniger schwerwiegend sein, als wenn die Mutation weit vom Stoppcodon entfernt ist.
  • Die Mutation führt häufig zur Produktion verkürzter und nicht funktionsfähiger Proteineinheiten.
  • Eine Nonsense-Mutation ist eine der schwerwiegenderen Arten von Punktmutationen, da sie zum vollständigen Funktionsverlust des fertigen Produkts führen kann.

Beispiel für Nonsense-Mutation

  • Beta-Thalassämien sind eine Gruppe von Blutkrankheiten, die als Folge einer Punkt-Nonsense-Mutation auf dem Gen, das für die Beta-Ketten des Hämoglobins kodiert, auftreten.
  • Das Ergebnis der Mutation kann je nach Position der Mutation von schwerer Anämie bis hin zu klinisch asymptomatischen Fällen reichen.
  • Die Punktmutation kann dabei entweder durch die Substitution einer einzelnen Base oder durch die Deletion eines Nukleotids erfolgen.
  • Die Substitution erfolgt in der Nähe der Promotorregionen, die den Beta-Globin-Genen vorausgehen. Im Falle einer Deletion werden bestimmte Nukleotide aus der Region in der Nähe des stromaufwärts gelegenen beta-Globin-Gens deletiert.
  • Die Veränderung des Gens verursacht die Bildung eines vorzeitigen Stoppcodons, das die Bildung des Globinproteins verhindert.

2. Missense-Mutationen

Eine Missense-Mutation ist eine Art von Punktmutation, bei der die Substitution eines Basenpaares zu einer anderen Aminosäure im resultierenden Protein führt.

  • Die Missense-Mutation kann je nach Substitution und Position entweder keine Wirkung haben oder zu einem nicht funktionsfähigen Protein führen.
  • Eine Missense-Mutation wird häufig mit Krankheiten wie Epidermolysis bullosa, Sichelzellenanämie und ALS in Verbindung gebracht.
  • Alle Missense-Mutationen sind jedoch nicht so schädlich wie in einigen Fällen; eine Aminosäure wird durch eine andere Aminosäure mit ähnlichen Eigenschaften ersetzt, wodurch ein funktionelles Protein entsteht. Diese Mutation wird auch als stille Mutation bezeichnet.
  •  Außerdem kann die Substitution auch an einer Position erfolgen, die die Struktur und Funktion eines Proteins nicht wesentlich beeinflusst.

Beispiel für eine Missense-Mutation

  • Die Sichelzellenanämie ist ein klassisches Beispiel für Missense-Punktmutationen, bei denen die Mutation zur Produktion verschiedener Aminosäuren führt, die die Gesamtstruktur des Proteins beeinflussen.
  • Dies führt zu einer Veränderung der Struktur der roten Blutkörperchen, während die Fähigkeit der Zellen, Sauerstoff aufzunehmen und eine Blutgerinnung zu verursachen, verändert wird.
  • Die Punktmutation tritt in diesem Fall stromaufwärts des Gens auf, das für die Aminosäuren kodiert, die an der Produktion von Proteinen beteiligt sind, die die Wand der Blutzelle bilden.
  • Der Unterschied in den Nukleotiden führt zur Produktion einer anderen Aminosäure, die den Unterschied in der Struktur der Blutzelle bewirkt.

3. Stille Mutationen

Eine stille Mutation ist eine Art von Mutation, bei der als Ergebnis der Mutation keine beobachtbare Wirkung auf den Phänotyp des Organismus beobachtet wird.

  • Die stille Mutation kann auf verschiedene Weise erfolgen, aber die nach der Veränderung gebildete Aminosäuresequenz ist der ursprünglichen Aminosäuresequenz größtenteils ähnlich.
  • Silent-Point-Mutation könnte aus der Bildung bestimmter Codons resultieren, die für dieselbe Aminosäure kodieren, was zu keiner Veränderung der Aminosäuresequenzen führen würde.
  • In einigen Fällen kann das Codon für eine andere Aminosäure kodieren, die die gleichen chemischen Eigenschaften wie die ursprüngliche Aminosäure hat. Auch hierdurch werden Struktur und Funktion der gebildeten Proteine ​​nicht verändert.

Beispiel für stille Mutation

  • Ein Beispiel für eine stille Mutation wird in dem Fall beobachtet, in dem ein Thyminnukleotid durch Cytosin in einem TTC-Codon ersetzt wird, was zur Bildung eines TTT-Codons führt.
  • Die mRNA der Codons sind AAG bzw. AAA. Beide dieser mRNAs kodieren jedoch für dieselbe Aminosäure, Lysin.
  • So kann die Punktmutation innerhalb einer Sequenz das Codon verändern, die resultierende Aminosäure bleibt jedoch gleich. In diesem Fall ist die Mutation still, da sie keine Auswirkungen auf das Endprodukt hat.
  • Dies ist aufgrund der Tatsache möglich, dass mehrere Codons für die gleichen Aminosäuren kodieren können.

4. Frameshift-Mutationen

Frameshift-Punktmutation ist eine Art von Punktmutation, bei der die Nukleotide einer DNA-Sequenz so verändert werden, dass ein oder mehrere Codons verändert werden.

  • Die Wirkung der Frameshift-Mutation hängt von der Position der Mutation ab, wobei die Wirkung stärker ausgeprägt ist, wenn die Mutation früher in der Sequenz auftritt.
  • Bei der Frameshift-Mutation führt das Lesen des Codons nach dem Mutationspunkt zu anderen Aminosäuren als das Original.
  • Eine Frameshift-Mutation ist eine der schweren Arten von Punktmutationen, da die Mutation die Sequenz der Aminosäuren und damit das gebildete Protein beeinflusst.
  • Die resultierende Polypeptidsequenz nach der Frameshift-Mutation ist entweder abnormal lang oder kurz, aber höchstwahrscheinlich nicht funktionsfähig.

Beispiel für Frameshift-Mutation

  • Ein Beispiel für eine Frameshift-Mutation kann bei Morbus Crohn beobachtet werden. Die Krankheit ist mit dem NOD2-Gen assoziiert.
  • Eine Mutation tritt aufgrund der Insertion des Cytosin-Nukleotids an der Position 3020 des Gens auf.
  • Dadurch wird das Codon zu einem Stop-Codon, wodurch ein verkürztes Protein entsteht. 
  • Die Veränderung der Struktur des Proteins beeinflusst dann seine Funktion, nämlich auf bakterielle Liposaccharide zu reagieren.
  • Die Mutation beeinflusst nicht die Gensequenz beim Vielfachen von drei, die für die Frameshift-Mutation und die eventuelle Krankheit verantwortlich ist.

Anwendungen

Punktmutation hat mehrere Anwendungen, die sowohl industrielle als auch medizinische Vorteile haben. Einige der gängigen Anwendungen umfassen;

  1. Eine Punktmutation kann verwendet werden, um im Rahmen der molekularen Therapie die Gene zu verändern, die an pathologischen Zuständen beteiligt sind.
  2. Verschiedene Mutagene können verwendet werden, um auf verschiedene Krebszellen abzuzielen, um eine Punktmutation zu induzieren und ein bestimmtes Nukleotid zu entfernen.
  3. Die Verwendung von Mutagenen, um eine erwünschte Mutation in verschiedenen Pflanzenarten zu induzieren, wurde zur Verbesserung der Kulturpflanzen durch das als Mutationszüchtung bezeichnete Verfahren verwendet.
  4. Bei erblichen Mutationen kann die Punktmutation verwendet werden, um vorteilhafte Eigenschaften in verschiedene Organismen einzuführen, die dann für verschiedene Anwendungen verwendet werden können.
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