Mutationen

Was ist eine Mutation? Erklären Sie den Unterschied zwischen einer Genmutation (oder Punktmutation) und einer Chromosomenmutation und nennen Sie je ein Beispiel.

Im Schema ist die Sequenz A ein Fragment einer normalen mRNA, die Sequenzen B und C haben eine Mutation erfahren. Geben Sie an, welche Art von Mutation (Substitution, Insertion oder Deletion) in jeder von ihnen aufgetreten ist, und begründen Sie, welche eine Verschiebung des Leserasters verursacht und warum.

Was ist eine strukturelle Chromosomenmutation? Nenne zwei Beispiele für Strukturveränderungen von Chromosomen (Deletion, Duplikation, Inversion oder Translokation) und erkläre kurz, worin eine davon besteht.

Ordne die folgenden Punktmutationen nach ihrer Wirkung auf das Protein ein: eine Substitution, die die Aminosäure nicht verändert, eine Substitution, die sie gegen eine andere austauscht, und eine Substitution, die ein Codon in ein Stoppcodon umwandelt. Gib an, welche der drei in der Regel am schwerwiegendsten ist, und begründe, warum.

Eine Mutation verändert das Codon GAA zu GAG, und beide Codons codieren dieselbe Aminosäure (Glutaminsäure). Wie nennt man diese Art von Mutation und warum verändert sie das entstehende Protein nicht?

In einem Gen kommt es innerhalb des codierenden Bereichs zur Deletion eines einzelnen Nukleotids. Erklären Sie, was ab dieser Stelle mit dem Leseraster geschieht und warum sich alle nachfolgenden Aminosäuren verändern können. Beurteilen Sie begründet, ob eine solche Deletion am Anfang oder am Ende des Gens schädlicher wäre.

Im Gen CFTR besteht die häufigste Mutation, die Mukoviszidose verursacht (ΔF508), im Verlust von drei Nukleotiden: CTT. Die Sequenz des codierenden DNA-Strangs zwischen den Codons 506 und 509 lautet:

5'-... ATC ATC TTT GGT ...-3' (Ile506 - Ile507 - Phe508 - Gly509).

Nach der Deletion der drei mittleren Nukleotide CTT (die letzte Base von ATC 507 und die ersten beiden von TTT 508) lautet die resultierende Sequenz: 5'-... ATC ATT GGT ...-3'.

1. a) Ausgehend davon, dass sowohl ATC als auch ATT für Isoleucin codieren, begründen Sie, warum diese Mutation das nachfolgende Leseraster nicht verändert und welche die einzige Veränderung in der Primärstruktur des CFTR-Proteins ist.
2. b) Bei einem anderen Patienten wird die Deletion eines einzelnen Nukleotids in derselben Region festgestellt (Verlust des „C“ im Triplett 507). Begründen Sie, welche Folgen diese Mutation für das Leseraster, für die Aminosäuresequenz stromabwärts und für die Wahrscheinlichkeit eines verkürzten Proteins hat.
3. c) Es gibt Wirkstoffe in der Entwicklung („Korrektoren“), die bewirken, dass das CFTR-Protein die Zellmembran erreicht, wenn es seine volle Länge behält, auch wenn eine Aminosäure fehlt. Sagen Sie begründet voraus, welcher der beiden Patienten von dieser Therapie profitieren könnte und warum sie beim anderen völlig wirkungslos bliebe.

Nenne zwei Mutagene, ein physikalisches und ein chemisches, und erkläre kurz, wie sie die DNA schädigen.

Mutationen können spontan oder induziert sein. Erkläre den Unterschied zwischen beiden und nenne für jede Art ein Beispiel für eine Ursache.

Zellen besitzen DNA-Reparatursysteme, die viele Schäden korrigieren, die der DNA-Polymerase entgehen. Erklären Sie, was geschieht, wenn ein Schaden nicht repariert wird, und begründen Sie, warum Menschen mit Xeroderma pigmentosum, bei denen das System zur Reparatur der durch UV-Licht verursachten Thymindimere defekt ist, ein so hohes Hautkrebsrisiko haben.

Bei der DNA-Replikation eines Bakteriums baut die DNA-Polymerase irrtümlich ein Guanin-Desoxyribonukleotid (G) gegenüber einem Thymin (T) der Matrize ein. Dadurch entsteht in einem der neu synthetisierten Stränge eine G-T-Fehlpaarung, die von der unmittelbaren Korrekturlesefunktion nicht erkannt wird.

1. a) Leiten Sie her, welcher Prozentsatz der doppelsträngigen Tochter-DNA-Moleküle nach zwei aufeinanderfolgenden Replikationsrunden ausgehend von diesem Ausgangsmolekül eine dauerhafte, in beiden Strängen festgelegte Mutation tragen wird.
2. b) Begründen Sie, wie sich die resultierenden Basenpaare auf die vier fertigen DNA-Moleküle verteilen, wenn das Ausgangspaar A-T war und kein späteres Reparatursystem wirkt.
3. c) Das Mismatch-Reparatursystem (mismatch repair) ist nur wirksam, wenn es eingreift, bevor der neu synthetisierte Strang methyliert wird. Begründen Sie, welche Folge es für die Stabilität des Genoms hätte, wenn dieses System den methylierten Matrizenstrang statt des neu gebildeten Tochterstrangs reparieren würde.

Erkläre den Unterschied zwischen einer Mutation, die in einer Körperzelle (somatische Zelle) auftritt, und einer, die in einer Keimzelle auftritt, im Hinblick auf ihre Folgen und ihre Weitergabe an die Nachkommen.

Das Down-Syndrom beruht auf dem Vorhandensein einer zusätzlichen Kopie des Chromosoms 21 (Trisomie 21). Erklären Sie, um welche Art von Mutation es sich handelt und wie sie durch eine Non-Disjunction während der Meiose entstehen kann. Begründen Sie, warum solche Mutationen viele Merkmale gleichzeitig beeinflussen.

Eine Mutation in der regulatorischen Region eines Gens verhindert, dass dieses transkribiert wird, obwohl seine codierende Sequenz völlig normal ist. Erklären Sie, wie das möglich ist, und vergleichen Sie die Wirkung dieser Mutation mit der einer Substitution innerhalb eines Exons desselben Gens.

Sind alle Mutationen schädlich? Begründe deine Antwort und nenne ein Beispiel für eine Mutation, die für eine Art vorteilhaft war.

Erkläre, was die Mutationsrate ist, und begründe, warum Lebewesen niedrige, aber nicht vollständig fehlende Mutationsraten aufrechterhalten; stelle dabei den Zusammenhang zum Gleichgewicht zwischen genetischer Stabilität und Variabilität her.

Man sagt, Mutationen seien die primäre Quelle genetischer Variabilität. Erkläre, welcher Zusammenhang zwischen Mutationen, der Evolution der Arten und der Biodiversität besteht.

In einer Region, in der Malaria endemisch ist, bleibt die Häufigkeit des mutierten Allels $Hb^S$ (verantwortlich für die Sichelzellanämie bei Homozygotie) stabil bei etwa 0,12, aufgrund des Selektionsvorteils, den es Heterozygoten gegenüber einer Infektion mit Plasmodium verschafft.

1. a) Nach einer intensiven Gesundheitskampagne gelingt es, die Malaria in dieser Region vollständig auszurotten. Sagen Sie begründet voraus, wie sich die Häufigkeit des Allels $Hb^S$ über die folgenden Generationen entwickeln wird.
2. b) Begründen Sie, warum das Allel $Hb^S$ nicht sofort aus der Population verschwindet, obwohl es bei Homozygotie letal oder schwer schädlich ist.
3. c) Eine Person behauptet: „Da die Malaria verschwunden ist, existiert die Mutation $Hb^S$ in der Population nicht mehr.“ Widerlegen Sie diese Aussage, indem Sie klar zwischen der Entstehung einer Mutation und ihrem Anpassungswert in Abhängigkeit von der Umwelt unterscheiden.