Mutationen und Superkräfte

In modernen Science-Fiction- und Actionfilmen werden die Begriffe Mutation und Mutant oft verwendet, um Superkräfte zu erklären. Beliebte Figuren aus Filmen und Serien wie Deadpool, Spider-Man, Heroes und X-Men erhalten außergewöhnliche Fähigkeiten durch genetische Veränderungen, die als Mutationen bezeichnet werden. Diese Geschichten suggerieren, dass Mutationen Menschen besondere Kräfte verleihen können, wie etwa übermenschliche Stärke, Regeneration oder die Fähigkeit, die Körperform zu verändern.

In der realen Biologie ist die Bedeutung einer Mutation jedoch viel spezifischer. Eine Mutation ist einfach eine Veränderung in der DNA-Sequenz eines Organismus (Griffiths et al., 2019). Wissenschaftler untersuchen Mutationen, um zu verstehen, wie sich Merkmale verändern, wie Krankheiten entstehen und wie Evolution funktioniert – nicht, um Übermenschen zu erschaffen.

Dies wirft wichtige Fragen auf: Was bewirkt eine Mutation wirklich im menschlichen Körper? Kann ein Mensch mit dramatischen Fähigkeiten wie im Film geboren werden oder nach Kontakt mit Strahlung oder einem genetisch veränderten Organismus Kräfte erlangen? Wissenschaftliche Forschung zeigt, dass Mutationen zwar körperliche Merkmale oder die Gesundheit beeinflussen können, aber nicht zu plötzlichen oder extremen Fähigkeiten wie Wände hochklettern oder Gestaltwandlung führen (Alberts et al., 2015). Die meisten Mutationen haben stattdessen kleine Effekte, gar keine sichtbaren Auswirkungen oder negative Folgen für den Organismus.

Das Verständnis des Unterschieds zwischen fiktiven Mutationen und echten genetischen Veränderungen hilft Schülerinnen und Schülern, wissenschaftliche Kompetenz zu entwickeln und kritisch darüber nachzudenken, wie Biologie in der Populärkultur dargestellt wird (National Human Genome Research Institute, 2023).

Was bedeutet Mutation wirklich?

Das Genom ist die vollständige DNA-Ausstattung eines lebenden Organismus. Es umfasst Gene, die für Proteine kodieren, sowie nicht-kodierende Bereiche wie Introns und Pseudogene, die nicht direkt Proteine produzieren, aber dennoch wichtige Rollen in der Regulation und Struktur spielen (Alberts et al., 2015). Jede Spezies besitzt ihr eigenes einzigartiges Genom. Zum Beispiel teilen Menschen und Schimpansen etwa 99 % ihrer DNA, doch das verbleibende 1 % führt zu bedeutenden Unterschieden im Aussehen, Verhalten und Fähigkeiten (Griffiths et al., 2019).

Eine hilfreiche Möglichkeit, das Genom zu verstehen, ist, es sich als Bauplan für ein Haus vorzustellen. Der Bauplan erklärt, wie das Haus gebaut werden soll—seine Größe, Struktur und Materialien. In lebenden Organismen sind die „Baumaterialien“ Proteine, Lipide (Fette) und Zucker. Das Genom bestimmt, welche Proteine produziert werden, welche Versionen von Genen (Allele) verwendet werden und wie viel von jedem Protein hergestellt wird. Dieser Prozess wird als Genexpression bezeichnet (Strachan & Read, 2018).
Gene wirken jedoch nicht allein. Auch die Umwelt beeinflusst stark, wie sich ein Organismus entwickelt. Zum Beispiel liefern Gene die Anweisungen für Muskelwachstum, aber Muskeln werden nur durch richtige Ernährung und körperliche Aktivität stärker. Diese Wechselwirkung zwischen Genen und Umwelt erklärt, warum Individuen mit ähnlicher DNA dennoch unterschiedliche Merkmale entwickeln können (Alberts et al., 2015).

Obwohl jede Zelle im menschlichen Körper die gleiche DNA enthält, nutzen verschiedene Zellen unterschiedliche Gene. Hautzellen und Muskelzellen beispielsweise produzieren verschiedene Proteine in unterschiedlichen Mengen. Diese selektive Genaktivität prägt körperliche Merkmale wie Augenfarbe, Haarfarbe, Körpergröße und Körperstruktur (Griffiths et al., 2019).

Da Merkmale von der DNA abhängen, kann jede Veränderung im Genom einen Organismus beeinflussen. Eine Mutation ist eine Veränderung der DNA-Sequenz, die zufällig auftreten oder durch Umweltfaktoren wie Strahlung oder Chemikalien verursacht werden kann. Mutationen können innerhalb von Genen oder in nicht-kodierenden Bereichen der DNA auftreten. Während einige Mutationen keine sichtbaren Auswirkungen haben, können andere Merkmale, Gesundheit oder Überleben beeinflussen (National Human Genome Research Institute, 2023).

Wie können Mutationen ein Organismus beeinflussen?

Lebewesen können viele verschiedene Arten von Mutationen haben. Einige Mutationen verursachen deutliche und schwerwiegende Veränderungen, während andere überhaupt keine spürbaren Auswirkungen haben. Um dies besser zu verstehen, können wir erneut das Beispiel eines Hausbauplans verwenden. Eine zufällige Veränderung in einem sorgfältig entworfenen Plan kann zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen (Alberts et al., 2015).

Zum Beispiel könnte eine kleine Veränderung einen Spalt zwischen einem Fenster und einer Wand erzeugen, wodurch kalte Luft ins Haus gelangen kann. Eine andere Veränderung könnte das Sanitärsystem beschädigen und das tägliche Leben unangenehm machen. In der Biologie können ähnliche kleine Mutationen die Funktionsweise eines Proteins oder dessen Produktionseffizienz leicht beeinflussen.

Manchmal kann eine große, zufällige Veränderung ernsthafte Probleme verursachen. Das Entfernen einer tragenden Wand aus einem Haus könnte dazu führen, dass das gesamte Gebäude einstürzt. In ähnlicher Weise stören manche Mutationen wichtige Gene stark und können zu Krankheiten oder Entwicklungsstörungen führen (Strachan & Read, 2018).

Allerdings sind nicht alle Veränderungen schädlich. Manche Mutationen haben überhaupt keine Auswirkungen, wie etwa das Ersetzen einer Dachziegel durch eine identische. In der Genetik werden diese als neutrale Mutationen bezeichnet. Sehr selten kann eine Mutation sogar vorteilhaft sein. Ein Beispiel ist die Laktosetoleranz beim Menschen – die Fähigkeit von Erwachsenen, Milch zu verdauen – die nach der Domestizierung von Rindern von Vorteil wurde (Griffiths et al., 2019).

Die Auswirkung einer Mutation hängt hauptsächlich ab von:

• ob sie ein Gen verändert, das für ein Protein oder RNA codiert,
• wie wichtig dieses Gen für den Organismus ist,
• und wie stark das Gen exprimiert wird (wie sehr es „eingeschaltet“ ist).

Da Gene in komplexen Netzwerken interagieren, kann selbst eine kleine Mutation manchmal weitreichende Auswirkungen haben, während andere Mutationen unbemerkt bleiben (National Human Genome Research Institute, 2023).

Punktmutationen

Die einfachste Art von Mutation tritt auf, wenn ein DNA-Buchstabe, genannt Nukleotid, durch einen anderen ersetzt wird. Diese Art von Veränderung wird als Punktmutation oder Einzel-Nukleotid-Variante (SNV) bezeichnet (Alberts et al., 2015).

Wenn eine Punktmutation von Eltern an Kinder weitergegeben wird und in einer Population häufig vorkommt, wird sie als Einzel-Nukleotid-Polymorphismus (SNP) bezeichnet. Eine Veränderung wird normalerweise nur dann als SNP betrachtet, wenn sie bei mindestens einem kleinen Teil der Bevölkerung vorkommt, zum Beispiel bei etwa 1% der Menschen (Griffiths et al., 2019).

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass 98% der Menschen die DNA-Sequenz haben:

…acgtgcgAtgattg…

aber 2% der Menschen haben eine leicht abweichende Version:

…acgtgcgTtgattg…

In diesem Fall wird der DNA-Buchstabe A an einer Position durch T ersetzt. Dies ist ein Beispiel für einen A-zu-T-SNP.

Wenn sich dieser SNP innerhalb eines Gens befindet, wird er als Allel oder Genvariante bezeichnet. Verschiedene Allele können zu kleinen Unterschieden zwischen Individuen führen, wie Augenfarbe, Körpergröße oder die Fähigkeit, bestimmte Nahrungsmittel zu verdauen (Strachan & Read, 2018).

Die meisten Punktmutationen haben keine sichtbaren Auswirkungen, aber einige können beeinflussen, wie ein Protein funktioniert oder wie viel davon produziert wird. In bestimmten Fällen sind Punktmutationen mit genetischen Krankheiten verbunden, während sie in anderen Fällen einfach die genetische Vielfalt einer Population erhöhen (National Human Genome Research Institute, 2023).

Warum der Ort der Mutation wichtig ist

Bei Punktmutationen ist es sehr wichtig, wo die Mutation in der DNA auftritt. Eine Mutation kann innerhalb eines Gens oder zwischen Genen auftreten. Mutationen, die außerhalb von Genen stattfinden, haben oft wenig oder gar keine Auswirkungen, da große Teile des Genoms nicht direkt für Proteine codieren und wiederholte oder regulatorische Sequenzen enthalten (Alberts et al., 2015).

Wenn eine Mutation innerhalb eines protein-codierenden Gens auftritt, hängt ihre Auswirkung davon ab, ob sie das Protein verändert. Verändert die DNA-Änderung die Aminosäuresequenz des Proteins nicht, spricht man von einer synonymen Mutation. Dies ist möglich, weil der genetische Code redundant ist, das heißt, verschiedene DNA-Tripletts (Codons) können für die gleiche Aminosäure codieren (Griffiths et al., 2019).

Viele synonyme Mutationen treten an der dritten Position eines Codons auf, die auch als Wobble-Position bekannt ist. Veränderungen an dieser Position beeinflussen die Proteinstruktur oder -funktion oft nicht (Strachan & Read, 2018).

Es gibt auch neutrale Mutationen, bei denen eine Aminosäure durch eine andere mit ähnlichen chemischen Eigenschaften, wie Ladung oder Größe, ersetzt wird. Da sich die neue Aminosäure ähnlich verhält, kann das Protein oft weiterhin normal funktionieren. Diese kleinen Veränderungen schaden dem Organismus in der Regel nicht und helfen zu erklären, warum genetische Variation existieren kann, ohne Krankheiten zu verursachen (National Human Genome Research Institute, 2023).

Stille Mutationen

Wenn eine Mutation die sichtbaren Merkmale eines Organismus, auch Phänotyp genannt, nicht verändert, wird sie als stille Mutation bezeichnet. In vielen Fällen verursachen stille Mutationen keine bemerkbaren Effekte, aber der Unterschied zwischen stillen und synonymen Mutationen ist nicht immer eindeutig (Griffiths et al., 2019). Obwohl synonyme Mutationen die Aminosäuresequenz eines Proteins nicht verändern, können sie dennoch kleine Auswirkungen haben. Zum Beispiel können verschiedene Codons, die für dieselbe Aminosäure codieren, unterschiedliche Mengen an passenden tRNA-Molekülen verwenden. Dies kann beeinflussen, wie schnell ein Protein produziert wird, was die Zellfunktion leicht beeinflussen kann (Alberts et al., 2015). In den meisten Fällen haben stille und synonyme Mutationen nur sehr geringe Auswirkungen auf den Organismus. Diese Mutationen zeigen, dass genetische Systeme flexibel sind und kleine Veränderungen tolerieren können, ohne ihre Funktion zu verlieren. Diese Flexibilität ist wichtig für die Evolution und die langfristige Anpassung (Strachan & Read, 2018).

_{Abbildung 1 zeigt eine synonyme Mutation, bei der eine Veränderung der DNA-Sequenz die Aminosäuresequenz des resultierenden Proteins nicht verändert.}

Missense-Mutationen

^{Abbildung 2. Missense- und Nonsense-Mutationen in einem protein-codierenden Gen}

Bei einer Missense-Mutation wird eine Aminosäure in einem Protein durch eine andere, unterschiedliche Aminosäure ersetzt. Diese Veränderung kann die Form und Funktion des Proteins beeinflussen und dazu führen, dass es nicht korrekt arbeitet. Viele genetische Krankheiten werden durch Missense-Mutationen verursacht, da selbst eine kleine Veränderung in der Proteinstruktur schwerwiegende Auswirkungen haben kann (Alberts et al., 2015).

Ein bekanntes Beispiel für eine Missense-Mutation ist die Sichelzellenanämie. Diese Krankheit wird durch eine Punktmutation im β-Globin-Gen verursacht. Bei dieser Mutation verändert sich die zweite Base in einem Codon von Adenin (A) zu Thymin (T). Dadurch wird die Aminosäure Glutaminsäure im Hämoglobinprotein durch Valin ersetzt (Griffiths et al., 2019).

Diese kleine Veränderung hat große Auswirkungen. Die veränderten Hämoglobinmoleküle verklumpen, wodurch die roten Blutkörperchen sichelförmig statt rund werden. Diese abnormalen Zellen können Sauerstoff nicht effizient transportieren und zerfallen schneller als normale rote Blutkörperchen. Dies führt zu Symptomen wie Schmerzen, Müdigkeit und einem erhöhten Infektionsrisiko (Strachan & Read, 2018).

Unsinn-Mutationen

Nonsense-Mutationen entstehen, wenn eine Punktmutation zu früh in einem Gen ein Stopcodon erzeugt. Dadurch wird die Proteinsynthese gestoppt, bevor das vollständige Protein gebildet wird. Dies führt zu einem verkürzten (trunkierten) Protein, das normalerweise nicht richtig funktioniert oder überhaupt nicht funktioniert (Alberts et al., 2015) (siehe Abbildung 2).

Da Proteine oft ihre vollständige Struktur benötigen, um korrekt zu funktionieren, sind Nonsense-Mutationen in der Regel schädlicher als synonyme oder neutrale Mutationen. Der fehlende Teil des Proteins kann wichtige funktionelle Bereiche entfernen und das Protein instabil oder nutzlos machen (Griffiths et al., 2019).

Mehrere schwere genetische Erkrankungen werden durch Nonsense-Mutationen verursacht, darunter die Duchenne-Muskeldystrophie und Mukoviszidose (Strachan & Read, 2018).

Insertionsmutationen

^{Abbildung 3. Eine Insertion}

Eine Insertion tritt auf, wenn ein oder mehrere Nukleotide in die DNA-Sequenz eingefügt werden. Insertionen können sehr klein oder extrem groß sein und manchmal Tausende oder sogar Millionen von Nukleotiden umfassen. Kleine Insertionen treten häufig während der DNA-Replikation oder DNA-Reparaturprozesse auf (Alberts et al., 2015).

Wenn Nukleotide in ein protein-kodierendes Gen eingefügt werden und die Anzahl der hinzugefügten Nukleotide nicht durch drei teilbar ist, verursacht die Mutation eine Rasterverschiebung (Frameshift-Mutation). Dies verschiebt das Leseraster des Gens und verändert alle nachfolgenden Codons. Infolgedessen wird die gesamte Proteinsequenz verändert und das Protein verliert meist seine normale Funktion (siehe Abbildung 3) (Griffiths et al., 2019).

Frameshift-Mutationen betreffen in der Regel nur ein Protein, da die Gene im Genom durch lange nicht-kodierende Regionen voneinander getrennt sind. Die Auswirkungen auf dieses eine Protein können jedoch sehr schwerwiegend sein und führen häufig zu Krankheiten.

Insertionen können auch durch transponierbare Elemente (TEs) verursacht werden. Dies sind DNA-Sequenzen, die sich an verschiedene Stellen im Genom bewegen können. Das häufigste transponierbare Element beim Menschen ist das Alu-Element, das etwa 300 Basenpaare lang ist und in Hunderttausenden von Kopien im menschlichen Genom vorkommt (Strachan & Read, 2018).

Transponierbare Elemente können sich auf zwei Hauptmechanismen bewegen:

• „Ausschneiden und Einfügen“, wobei das Element von einer Stelle entfernt und an einer anderen eingefügt wird.
  
• „Kopieren und Einfügen“, wobei eine Kopie des Elements an einer neuen Stelle eingefügt wird, während das Original erhalten bleibt.

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass Alu-Insertions Gene stören können und mit genetischen Erkrankungen wie Hämophilie und Brustkrebs in Verbindung stehen (National Human Genome Research Institute [NHGRI], 2023).

Deletionsmutationen

^{Abbildung 4: Chromosomale Deletion, Duplikation und Inversion}

Eine Deletionsmutation tritt auf, wenn ein oder mehrere Nukleotide aus der DNA-Sequenz entfernt werden. Im Gegensatz zu Insertionen sind Deletionen meist irreversibel, da die verlorene DNA nicht wiederhergestellt werden kann, sobald sie entfernt wurde (Alberts et al., 2015). Obwohl einige transponierbare Elemente das Genom verlassen können, gehen gelöschte DNA-Sequenzen dauerhaft verloren.

Deletionen können schwerwiegende Auswirkungen haben, insbesondere wenn ein großer Abschnitt eines Chromosoms entfernt wird. Dies kann zum Verlust der Heterozygotie führen, was bedeutet, dass nur eine Kopie (Allele) eines Gens verbleibt. Wenn das verbleibende Allel fehlerhaft ist und das gelöschte Allel gesund war, kann das Organismus schwere biologische Konsequenzen erfahren (Griffiths et al., 2019).

Kleine Deletionen innerhalb protein-codierender Gene können ebenfalls zu Frameshift-Mutationen führen, die das Leseraster des Gens verändern und meist zu einem nicht-funktionalen Protein führen.

Duplikationsmutationen

Im Gegensatz zu Deletionen treten Duplikationsmutationen auf, wenn ein DNA-Abschnitt ein- oder mehrmals kopiert wird. Diese Mutationen entstehen häufig durch Fehler während der genetischen Rekombination (siehe Abbildung 4) (Strachan & Read, 2018).
Kleine Duplikationen führen dazu, dass bestimmte DNA-Sequenzen wiederholt auftreten, was zu Veränderungen in der Kopienzahlvariation (CNV) führt. Das bedeutet, dass einige Gene in mehr oder weniger Kopien als normal vorhanden sein können, was beeinflussen kann, wie viel von einem Protein produziert wird.

Veränderungen in der Wiederholungsanzahl können genetische Erkrankungen verursachen. Ein bekanntes Beispiel ist die Huntington-Krankheit. Das Huntingtin-Gen (HTT) enthält normalerweise 27–35 Wiederholungen der Drei-Nukleotid-Sequenz CAG. Überschreitet die Anzahl der Wiederholungen 40, führt dies zu einer fort ACMHT progressiven neurodegenerativen Erkrankung, die das zentrale Nervensystem betrifft (NHGRI, 2023).

Große Duplikationen, die ganze Gene oder Chromosomenabschnitte betreffen, können die Genexpression erhöhen und werden häufig mit independently Erkrankungen wie Krebs in Verbindung gebracht, bei denen übermäßiges Zellwachstum auftritt.

Inversionsmutationen

Eine Inversionsmutation tritt auf, wenn ein DNA-Abschnitt bricht und in umgekehrter Richtung innerhalb des Chromosoms wieder eingesetzt wird. Obwohl dies dramatisch klingt, verursachen Inversionen oft keinen größeren Schaden, da kein genetisches Material verloren geht (Griffiths et al., 2019).

In vielen Fällen beeinflusst die Reihenfolge der Gene auf einem Chromosom die Funktionsweise des Organismus nicht stark. Probleme können jedoch an den Bruchstellen auftreten, an denen die DNA bricht und wieder verbunden wird. An diesen Stellen können wichtige Gene gestört werden.

Es gibt zwei Haupttypen von Inversionen:

• Parazentrische Inversionen: treten innerhalb eines Arms eines Chromosoms auf und schließen das Zentromer nicht ein.
• Perizentrische Inversionen: schließen das Zentromer innerhalb des invertierten Abschnitts ein.

Chromosomale Translokation

Eine chromosomale Translokation tritt auf, wenn ein Segment eines Chromosoms abbricht und sich an auf ein anderes Chromosom oder an eine andere Stelle desselben Chromosoms anlagert. Diese Art von Mutation verändert die Position von Genen, was deren Funktion beeinflussen kann (Griffiths et al., 2019).

Es gibt zwei Haupttypen von chromosomalen Translokationen:

Translokationen können auch zu Genfusionen führen, bei denen Teile zweier verschiedener Gene miteinander verbunden werden. Diese fusionierten Gene können abnormale Proteine produzieren, die die normale Zellfunktion stören und zur Entstehung von Krankheiten beitragen können, insbesondere bei bestimmten Krebsarten (Alberts et al., 2015).

^{Abbildung 5. Chromosomale Translokation}

Wie entstehen Mutationen?

Mutationen entstehen durch Veränderungen oder Fehler in der DNA-Sequenz, wie Brüche, Fehlpaarungen oder fehlende Basen. Diese Fehler treten hauptsächlich aus zwei Gründen auf: äußere Umweltfaktoren oder zufällige Fehler während der DNA-Replikation (Alberts et al., 2015).

Umweltfaktoren

Umweltfaktoren, die Mutationen verursachen, werden Mutagene genannt. Dazu gehören verschiedene Arten von Strahlung und chemischen Substanzen.

Zum Beispiel verursacht ultraviolette (UV) Strahlung des Sonnenlichts häufig Punktmutationen, indem sie eine DNA-Base in eine andere umwandelt, etwa indem Guanin (G) durch Thymin (T) ersetzt wird. Diese Art von Schaden tritt häufig in Hautzellen auf und steht in engem Zusammenhang mit Hautkrebs (Griffiths et al., 2019).

Bestimmte Chemikalien können ebenfalls DNA schädigen. Ein Beispiel ist Ethidiumbromid, eine Substanz, die sich zwischen die DNA-Basen einlagert. Dies verzerrt die DNA-Struktur und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Replikationsfehlern (Strachan & Read, 2018).

DNA-Schäden und -Reparatur

DNA-Schäden führen nicht immer zu einer Mutation. Zellen verfügen über mehrere DNA-Reparaturmechanismen, die ständig das Genom auf Fehler überprüfen und diese beheben. Allerdings ist die DNA-Reparatur nicht immer perfekt. Manchmal fügt das Reparatursystem gegenüber einer beschädigten Base das falsche Nukleotid ein. In solchen Fällen kann eine Mutation – eine dauerhafte Veränderung der DNA-Sequenz – auftreten (Alberts et al., 2015).

Mutationsrate während der Zellteilung

Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, muss die gesamte DNA-Sequenz kopiert werden. Beim Menschen bedeutet dies, etwa 12 Milliarden Nukleotide zu kopieren (beide DNA-Stränge einer diploiden Zelle). Das für diesen Prozess verantwortliche Enzym, die DNA-Polymerase, ist äußerst genau und macht nur etwa einen Fehler pro 100 Millionen Nukleotiden (Griffiths et al., 2019).

Selbst bei dieser hohen Genauigkeit bedeutet die große Größe des menschlichen Genoms, dass bei jeder Zellteilung Hunderte neuer Mutationen auftreten können. Die meisten dieser Fehler werden durch DNA-Reparatursysteme oder durch die Korrekturfunktion der DNA-Polymerase behoben, die etwa 99 % der Fehler ausbessert.

Arten von Fehlern, die von der DNA-Polymerase gemacht werden

Die DNA-Polymerase kann verschiedene Arten von Fehlern machen:

• Fehlpaarungen: Falsche Nukleotide werden eingebaut, wodurch falsche Basenpaare entstehen (zum Beispiel A–C statt A–T).
• Rutschfehler: Das Enzym rutscht entlang des DNA-Strangs vorwärts oder rückwärts, was zu Einfügungen oder Deletionen von Nukleotiden führt.
  Wenn diese Fehler nicht korrigiert werden, können sie zu dauerhaften Mutationen werden.

Fixierung von Mutationen

Eine Mutation wird fixiert, wenn DNA-Reparaturmechanismen versagen oder den Schaden falsch reparieren. Während der nächsten Runde der DNA-Replikation dient der mutierte Strang als Vorlage, und die Mutation wird in die neue DNA kopiert. Zu diesem Zeitpunkt erkennt die Zelle sie nicht mehr als Fehler (NHGRI, 2023).

Mutationen in somatischen Zellen (Körperzellen) werden nur an Tochterzellen weitergegeben und nicht an Nachkommen vererbt. Mutationen in Keimzellen (Spermien oder Eizellen) hingegen können an die nächste Generation weitergegeben werden.

Warum eine unvollständige Reparatur wichtig ist

Obwohl Mutationen schädlich sein können, würde eine perfekte DNA-Reparatur die Evolution stoppen. Ohne Mutationen gäbe es keine genetische Variation, keine natürliche Selektion und keine Anpassung an sich verändernde Umgebungen. Genetische Variation ist für das Überleben und die Entwicklung von Populationen im Laufe der Zeit unerlässlich (Griffiths et al., 2019).

Wie viele Mutationen treten auf?

Mutationsraten variieren stark zwischen Organismen:

• Viren haben sehr hohe Mutationsraten, etwa 1 Mutation pro 10.000 Nukleotide pro Infektionszyklus.
• Menschen haben deutlich niedrigere Mutationsraten, etwa 1 Mutation pro 30–40 Millionen Nukleotiden.

Trotz dieser niedrigen Rate geben Menschen aufgrund der großen Größe des menschlichen Genoms etwa 100–200 neue Mutationen an jedes Kind weiter (Strachan & Read, 2018).

Sind alle Mutationen schädlich?

Die meisten Mutationen sind schädlich oder neutral, da Proteinsequenzen im Verlauf der Evolution stark optimiert wurden. Studien an Fruchtfliegen zeigen, dass etwa 70 % der nicht-synonymen Mutationen – also solche, die Aminosäuren verändern – schädlich sind (Griffiths et al., 2019).

Nützliche Mutationen sind selten, spielen aber eine Schlüsselrolle in der Evolution. Ein echtes Beispiel ist die Laktosetoleranz beim Menschen. Mutationen, die es Erwachsenen ermöglichen, Milch zu verdauen, wurden nach der Domestizierung von Rindern durch den Menschen vorteilhaft. Ob eine Mutation nützlich ist, hängt jedoch oft von der Umwelt ab. Wenn sich die Bedingungen ändern, kann eine ehemals vorteilhafte Mutation keinen Vorteil mehr bieten (NHGRI, 2023).

Hollywood vs. Realität

In Filmen und Comics verleihen Mutationen den Charakteren oft Superkräfte. In Wirklichkeit ist das nicht möglich. Dramatische Fähigkeiten würden viele komplexe Mutationen erfordern, die gleichzeitig in allen Körperzellen auftreten—und in Keimzellen, um vererbt zu werden. Solche Veränderungen sind biologisch unrealistisch (Alberts et al., 2015).

Zum Beispiel würden Spider-Mans Fähigkeiten koordinierte Veränderungen in Muskeln, Knochen, Nerven und Stoffwechsel im gesamten Körper erfordern—etwas, das durch normale Mutationen nicht geschehen kann.

Wann werden Mutationen an Nachkommen weitergegeben?

• Mutationen in den meisten Körperzellen von Erwachsenen werden nicht vererbt.
• Mutationen in Stammzellen betreffen nur die Zellen, die sich aus ihnen entwickeln.
• Nur Mutationen in Keimzellen (Spermien oder Eizellen) können an zukünftige Generationen weitergegeben werden.