Punktmutation

Definition und Bedeutung

Eine Punktmutation ist eine Genmutation, bei der nur eine einzelne Nukleinbase verändert wird. Ihre Folgen hängen von der Art und der Lage der Veränderung ab: Sie kann ohne erkennbare Wirkung bleiben, die Aminosäuresequenz und damit ein Protein verändern oder durch eine Verschiebung des Leserasters die gesamte nachfolgende genetische Information beeinträchtigen.

Punktmutation bei erhaltenem Leseraster

Der genetische Code ist degeneriert, also redundant: Mehrere Codons können dieselbe Aminosäure codieren. Den 20 Aminosäuren stehen 61 codierende Basentripletts gegenüber; 3 weitere Basentriplett-Kombinationen sind nicht codierend. Entsteht durch eine Punktmutation ein Codon, das weiterhin dieselbe Aminosäure festlegt, wird das gleiche Protein wie zuvor gebildet.

Austausch einer Base

Bei einer Substitution wird eine DNA-Base gegen eine andere ausgetauscht. In einer codierenden Region kann dadurch eine veränderte mRNA entstehen. Wird anschließend eine andere Aminosäure eingebaut, kann sich das Protein verändern und seine Aufgabe je nach Lage der Mutation und ausgetauschter Aminosäure teilweise oder vollständig verlieren. Seltener ist auch eine Verbesserung möglich, etwa eine erhöhte Substratumsetzung eines Enzyms. Ein bekanntes menschliches Beispiel ist die Sichelzellenanämie.

Nach der Art des Basenaustauschs unterscheidet man:

• Transition: Austausch einer Purinbase gegen eine andere Purinbase oder einer Pyrimidinbase gegen eine andere Pyrimidinbase.
• Transversion: Austausch einer Purinbase gegen eine Pyrimidinbase oder umgekehrt.

Für codierende Sequenzen werden außerdem folgende Wirkungen unterschieden:

• Missense-Mutation oder nicht-synonyme Mutation: Das veränderte Codon legt eine andere Aminosäure fest.
• Nonsense-Mutation: Es entsteht ein Stopcodon, sodass die Translation beendet wird. Nonsense-Mutationen in Introns können außerdem Fehler beim Spleißen verursachen. Sie müssen bei einem einzelnen Individuum keinen auffälligen Phänotyp erzeugen, können aber über evolutionäre Zeiträume nachteilig sein.
• Readthrough-Mutation: Ein Stopcodon wird in ein Codon für eine Aminosäure verändert.
• Silent-Mutation oder synonyme beziehungsweise stille Mutation: Trotz des Basenaustauschs wird wegen der Redundanz des genetischen Codes dieselbe Aminosäure eingebaut.

Auch stille Mutationen können Krankheiten auslösen. Bei bestimmten Veränderungen faltet sich die mRNA auf dem Weg vom Zellkern zum Ribosom anders als gewöhnlich und wird deshalb kaum oder übermäßig stark translatiert.

Verschiebung des Leserasters

Fällt eine einzelne Base weg oder kommt eine neue hinzu, verschiebt sich das Leseraster der mRNA nach links oder rechts. Diese Leserasterverschiebung heißt Frameshift. Weil die Basen hinter der Mutationsstelle anschließend zu anderen Tripletts zusammengefasst werden, verändert sich die nachfolgende Information. Das gebildete Protein besitzt daher später meist eine völlig andere Struktur und verliert in der Regel seine ursprüngliche Funktion.

Bei einer Deletion geht eine Base verloren; die nachfolgenden Basen rücken gegen die Leserichtung auf und verschieben das Leseraster in diese Richtung. Bei einer Insertion kommt eine Base hinzu; die nachfolgenden Basen rücken in Leserichtung auf und verschieben das Leseraster entsprechend.

Beispiel für einen Frameshift

Der Satz „ICH MAG NUR EIN EIS“ veranschaulicht die Einteilung genetischer Information in Basentripletts: Jedes Wort besteht wie ein Triplett aus drei Zeichen. Wird hinter „ICH“ ein X eingefügt, entstehen bei unveränderter Dreiergruppierung die Gruppen „ICH XMA GNU REI NEI S“. Wird stattdessen das M nach „ICH“ entfernt, ergibt sich „ICH AGN URE INE IS“. In beiden Fällen geht ab der Veränderungsstelle der ursprüngliche Sinn verloren. Entsprechend kann nach dem Einfügen oder Entfernen einer Base die genetische Information nicht mehr sinnvoll abgelesen werden.

Experimentelle Anwendung

Das Verständnis von Punktmutationen ermöglichte die Entwicklung des Ames-Tests. Mit diesem Test lässt sich die Anwesenheit von Mutagenen nachweisen, also von Stoffen oder Einflüssen, die Mutationen hervorrufen.