Aufgaben: 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.

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

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.

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

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

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.

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?

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.

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

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.

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.

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.

Retroviren wie HIV vervielfältigen ihr Genom mithilfe der reversen Transkriptase, eines Enzyms ohne Korrekturlesefunktion. Begründen Sie, warum diese Viren sehr hohe Mutationsraten aufweisen, und erklären Sie, welche Folgen dies für die Behandlung der von ihnen verursachten Infektionen und für die Entwicklung von Impfstoffen hat.

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.

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.

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.

Um den Ursprung der Antibiotikaresistenz zu untersuchen, wurde ein Experiment in Anlehnung an den Fluktuationstest von Luria und Delbrück entworfen: 20 unabhängige Röhrchen wurden mit einer identischen, sehr geringen Anzahl ampicillinempfindlicher Bakterien beimpft und bis zur Sättigung wachsen gelassen. Gleichzeitig wurde ein großer Kolben mit einem Volumen angezogen, das dem aller 20 Röhrchen zusammen entsprach. Anschließend wurden gleiche Aliquots auf Ampicillin-Platten ausgestrichen:

• Die Proben aus dem großen Kolben ergaben eine untereinander sehr ähnliche Anzahl resistenter Kolonien (Mittelwert 24 Kolonien, sehr geringe Varianz).

• Die Proben aus den 20 unabhängigen Röhrchen zeigten eine enorme Schwankung: Die meisten Röhrchen ergaben 0 oder 1 resistente Kolonie, einige wenige dagegen mehr als 300 Kolonien.

1. a) Interpretieren Sie diese Ergebnisse: Zeigen sie, dass die Resistenz durch den Kontakt mit dem Antibiotikum induziert wird oder dass sie auf bereits vorhandene spontane Mutationen zurückgeht? Begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie die Ursache der großen Varianz zwischen den unabhängigen Röhrchen erklären.
2. b) Sagen Sie voraus, welches Ergebnis auf den Platten der 20 Röhrchen beobachtet worden wäre, wenn die Anwesenheit des Antibiotikums der direkte Reiz wäre, der die Mutation in einem kleinen, konstanten Anteil der Bakterien auslöst.

Im Gen eines essenziellen Stoffwechselenzyms werden zwei unabhängige Mutanten untersucht, die Veränderungen im Codon Nummer 45 aufweisen, dessen ursprüngliches Triplett in der mRNA GGU (Glycin) lautet:

• Mutante 1: weist das Codon AGU (Serin) auf.

• Mutante 2: weist das Codon UGU (Cystein) auf.

1. a) Wenn sich der Rest 45 an der Oberfläche des Enzyms befindet, dem wässrigen Milieu ausgesetzt und weit vom katalytischen Zentrum entfernt, sagen Sie begründet voraus, welche der beiden Substitutionen mit geringerer Wahrscheinlichkeit die aktive Konformation des Proteins verändert.
2. b) Es zeigt sich, dass Mutante 2 bei leichter Oxidation des Milieus riesige, inaktive molekulare Aggregate aus kovalenten Dimeren des Enzyms bildet, ein Phänomen, das beim Wildtyp und bei Mutante 1 fehlt. Begründen Sie dieses Verhalten auf chemischer Ebene.
3. c) Wenn ein dritter mutierter Stamm in demselben Codon das Triplett GGA aufweist, welche phänotypische Folge hat das für die Enzymaktivität? Begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie die Eigenschaft des genetischen Codes nennen, die dies erklärt.

Bei der Sequenzierung vollständiger Genome einer Art zeigt sich empirisch, dass die Rate spontaner Transitionen doppelt so hoch ist wie die der Transversionen (Verhältnis 2:1), obwohl die Zahl der theoretisch möglichen Transversionen doppelt so hoch ist wie die der Transitionen (theoretisches Verhältnis 1:2).

1. a) Begründen Sie auf stereochemischer Ebene, warum die DNA-Polymerase bei der DNA-Replikation eine Transition häufiger begeht und durchlässt als eine Transversion.
2. b) Betrachten Sie die dritte Position der Codons in Vierer-Codonfamilien des genetischen Codes (z. B. Valin: GUU, GUC, GUA, GUG). Begründen Sie, warum eine Transition an dieser Position keine Auswirkung auf die Polypeptidsequenz hat, und sagen Sie voraus, ob eine Transversion an derselben Position biologisch ebenso unbedenklich wäre.
3. c) Sagen Sie voraus, welche Veränderung der Mutationsraten eine Zelle erführe, wenn eine Mutation selektiv die 3'→5'-Exonuklease-Domäne ihrer wichtigsten DNA-Polymerase inaktivieren würde.

Die Genomanalyse eines völlig gesunden Neugeborenen zeigt, dass es etwa 70 Punktmutationen de novo trägt, die im Genom seiner Eltern fehlen. Seine Angehörigen befürchten, dass diese Mutationen in Zukunft schwere Erkrankungen hervorrufen.

1. a) Begründen Sie unter Heranziehung der Organisation des menschlichen Genoms und der Eigenschaften des genetischen Codes, warum die allermeisten dieser 70 Punktmutationen keinen erkennbaren phänotypischen Effekt haben.
2. b) Nehmen Sie an, eine dieser Punktmutationen liegt im konservierten Dinukleotid, das die Spleißstelle (Splicing) des ersten Introns eines essenziellen Gens markiert. Sagen Sie die molekularen Folgen für die reife mRNA und für das translatierte Protein voraus und begründen Sie sie.
3. c) Kann eine Punktmutation in einer nicht codierenden intergenischen Region die Menge des von einem benachbarten Gen synthetisierten Proteins verändern? Begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie einen konkreten molekularen Mechanismus vorschlagen.

In einem Laborversuch zur experimentellen Evolution werden zwei Bakterienpopulationen (Standardstamm mit normaler Mutationsrate und Mutatorstamm mit einer durch einen Defekt der DNA-Reparatur 150-fach erhöhten Mutationsrate) steigenden letalen Dosen eines neuen toxischen Wirkstoffs ausgesetzt.

1. a) Während der ersten Expositionszyklen erzeugt der Mutatorstamm lebensfähige resistente Klone deutlich schneller als der Standardstamm. Interpretieren Sie dieses Ergebnis im Hinblick auf genetische Variabilität und natürliche Selektion.
2. b) Nach tausend Generationen in einem optimalen, konstanten Milieu ohne jegliches Toxin erleidet der Mutatorstamm einen deutlichen Rückgang seiner biologischen Fitness (Fitness) und einen Populationsrückgang gegenüber dem Standardstamm. Begründen Sie diesen Rückgang anhand der Natur der meisten Mutationen und des Konzepts der Mutationslast.
3. c) Formulieren Sie ausgehend von den vorherigen Ergebnissen eine Hypothese, die erklärt, warum die natürliche Selektion bei Lebewesen sehr niedrige, aber nicht streng gleich null liegende Mutationsraten begünstigt hat.

Herausforderung zum Thema. Als genetische Beraterin bzw. genetischer Berater analysieren Sie die molekularen Auswirkungen einer realen Mutation im menschlichen Gen $HBB$ (verantwortlich für die Sichelzellanämie) und entwickeln einen biotechnologischen Lösungsvorschlag.

1. Datenbeschaffung: Rufen Sie die öffentliche Datenbank NCBI ClinVar oder Ensembl auf, lokalisieren Sie das Gen $HBB$ und entnehmen Sie das ursprüngliche Triplett des Codons 6 im Vergleich zur pathogenen Variante des Hämoglobins S (c.20A>T, p.Glu7Val in ClinVar; Glu6Val in der klassischen Nummerierung).

2. Fluss der genetischen Information: Erstellen Sie eine Vergleichstabelle, in der Sie die Replikation des DNA-Abschnitts (Matrizenstrang und komplementärer Strang), seine Transkription in mRNA und die Translation in das resultierende Peptid darstellen. Klassifizieren Sie die Mutation auf molekularer Ebene und sagen Sie voraus, wie sich dieser Aminosäureaustausch auf die dreidimensionale Konformation des Hämoglobins auswirkt.

3. Regulation und Therapiebericht: Verfassen Sie einen begründeten Bericht (1,0-1,5 Seiten), in dem Sie erklären, warum sich die Erkrankung in der Fetalphase nicht manifestiert (Stilllegung und Genregulation von $HBB$ im Vergleich zu fetalen Globinen). Stellen Sie eine fundierte Hypothese auf, wie die Expression des fetalen Globins durch Genom-Editierung reaktiviert werden könnte, um die Krankheit zu behandeln.

Bewertet werden:

• Sorgfalt und Genauigkeit bei der Herleitung der Prozesse Replikation, Transkription und Translation anhand realer Daten des NCBI.

• Angemessene Klassifizierung der Mutation und ihr Zusammenhang mit der Proteinstruktur.

• Kritische Einbindung der Mechanismen der Genregulation in den Therapievorschlag.