Genmutation – Balance zwischen Segen und Fluch

Frankenstein, Allergien, Krankheiten – Genmutationen haben eindeutig ein Imageproblem. Wissenschaftler und Züchter allerdings können den Veränderungen im Genom der Organismen etwas Gutes abgewinnen. Allerdings dringt ihr Wissen nicht bis zum Verbraucher vor. Und so fürchten sich viele Menschen vor Mutationen, die vielleicht unkontrollierbare Monster oder unbesiegbare Krankheiten erschaffen. Dabei ist eine Genmutation nicht nur die natürlichste Sache der Welt, sie sind auch der Ursprung von Vielfalt und Garant für den Fortbestand allen Lebens. 

Das genetische System der Organismen beruht auf einem Gleichgewicht zwischen Veränderlichkeit und Erhaltung des Genoms. Zellen besitzen ausgefeilte Reparatur-mechanismen zur Verhinderung und Behebung von Erbgutschäden. Gleichzeitig stellen basale biologische Prozesse eine stetige Durchmischung und Neuordnung der DNA sicher. Die treibenden Kräfte für genetische Diversität sind die Rekombination der DNA durch Vereinigung zweier unterschiedlicher Genome und Mutationen. 

In der natürlichen Entwicklung eines Organismus entsteht eine Genmutation spontan, ungerichtet und mit unterschiedlicher Häufigkeit (Mutationsrate). Organismen besitzen sogar Strategien, unter ungünstigen Lebensbedingungen die Mutationsrate ihrer DNA zu erhöhen, um ihren Nachkommen eine schnellere Anpassung zu ermöglichen. Mutationen spielen also eine zentrale Rolle für die Weiterentwicklung von Lebewesen, sie sind der „Motor der Evolution“.

Aber Mutationen können auch schwere Krankheiten verursachen. Skeptisch beäugt werden „Umweltgifte“, die wir Menschen selber geschaffen haben und die uns zunehmend bedrängen. Was also ist dran an der Angst vor Genveränderungen, und ist eine Genmutation schädlich? 

Genmutation Definition

Als Genmutation im weiteren Sinne bezeichnet man eine Veränderung im Genmaterial eines Organismus. Je nachdem, wo und in welchem Umfang eine Modifikation des Erbguts stattfindet, wird zwischen drei Formen der Mutation unterschieden:

1. Genmutation: ein einzelnes Gen betreffend

Als Gene werden die Teilbereiche der DNA-Stränge bezeichnet, die als Vorlage für die Produktion eines Proteins (i.d.R. ein Enzym) oder eines funktionalen RNA-Moleküls dienen. Wird die Nukleotidsequenz des Gens verändert, können sich Auswirkungen auf Formgebung und Funktionsweise des späteren Proteins ergeben. Mögliche Nukleotidvariationen sind Deletion (Verlust), Insertion (Einfügen), Transition (Austausch) u.a. Ist nur ein einzelnes Nukleotid mutiert, spricht man von Punktmutation. Auch solche kleinen Modifikationen können gravierende Folgen haben, wenn z.B. das codierte Protein nicht korrekt gefaltet werden kann und dadurch seine Funktion einbüßt („loss-of-function-Mutation“).

2. Chromosomenmutation: einen Teilbereich der Chromosomen betreffend

DNA-Stränge liegen in der Zelle als Chromosomen vor. Jedes Chromosom enthält eine zusammenhängende DNA-Kette, jeder Organismus enthält eine bestimmte Anzahl von Chromosomen. Mutationen an größeren Teilbereiche von Chromosomen betreffen zumeist mehrere Gene gleichzeitig, möglich sind u.a. eine Translokation (Verlagerung von Teilstücken) oder Duplikation (Verdopplung). Derartige Rearrangements sind nicht zwangsläufig schadhaft, sie können auch neue Funktionen erzeugen, z.B. kann über Duplikation von Rezeptorproteinen eine Verbesserung von Erkennungsprozessen erreicht werden.

3. Genommutation: das gesamte Genom betreffend

Alle Chromosomen zusammen bilden das Genom eines Organismus, über Anzahl und Struktur der Chromosomen wird seine Artzugehörigkeit definiert. Verschmelzung, fehlerhafte Aufteilung (Monosomie, Trisomie) oder Verdopplung von Chromosomen (Polyploidie) haben in der Regel bedeutende Auswirkungen zur Folge. Bei Menschen und höheren Tieren verursachen solche Aberrationen zumeist mehr oder weniger schwerwiegende Organschädigungen und Entwicklungsstörungen. Bei Pflanzen dagegen sind Genommutationen ein natürliches Phänomen; sie sind ein wesentliches Element bei der Entstehung neuer Arten. 

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Auswirkungen einer Genmutation

Eine Genmutation ist zunächst auf die Zelle beschränkt, in der sie entstanden ist. Ist diese Zelle teilungsaktiv, kann sich die Mutation auf einen ganzen Gewebebereich ausdehnen. So entstehen zum Beispiel dekorative Musterungen auf Blättern und Blüten. Beeinträchtigt die Mutation den Zellteilungszyklus, kann die Zelle tumorartig wuchern (karzinogen). Findet die Mutation in den Keimbahnen statt, kommt der Effekt erst in der Nachkommenschaft zum Tragen (teratogen). Ein Großteil der Genmutationen sind sogenannte „stille“ oder neutrale Mutationen ohne erkennbare Folgen. Solche Veränderungen können sich in Regionen zwischen den Genen ansammeln, bis sie sich möglicherweise als evolutiver Vorteil erweisen und einen neuen, besser angepassten Organismus hervorbringen. 

Genmutation Beispiele 

Nicht immer sind Mutationen äußerlich sichtbar. Viel öfter betreffen sie Teile des Körperstoffwechsels. Einige Beispiele, die Schädigungen und Nutzen von mutativen Veränderungen der DNA verdeutlichen sollen:

1. Beispiele Medizin

• Albinismus: Mutationen von Enzymen, die für die Pigmentsynthese notwendig sind (Pharmazeutische Zeitung: Albinismus – Wenn das Melanin fehlt)
• Phenylketonurie: mutativer Verlust eines Stoffwechselenzyms führt zur Anreicherung toxischer Substanzen im Körper und verursacht schwere Entwicklungsstörungen (Ärzteblatt: Phenylketonurie – Erste-medikamentoese-Therapie-ist-verfuegbar)
• Down-Syndrom: Genommutation, bei der das Chromosom 21 dreifach (statt zweifach) vorliegt, verursacht multiple Entwicklungsstörungen 
• Knock-out-Mäuse: in der Forschung vielfach genutzt werden gentechnisch veränderte Mäuse, die verschiedene Mutationen tragen, anhand derer die Entstehung von Krankheiten bzw. Therapien untersucht werden kann (vgl. Rote Gentechnik)

2. Beispiele Züchtung

• Raps: mutativer Funktionsverlust eines Enzyms im Fettstoffwechsel bereitete die Basis für die Züchtung moderner Rapssorten, die frei von ungenießbarer Erucasäure sind (Pflanzenforschung.de – Schub durch Doppel-Null-Raps)
• Kurzstrohweizen: Mutationen am Gen Rht (reduced height) verursachen eine Halmverkürzung, da die Wachstumsregulation gestört ist (frontiersin.org)
• Fleischrind „Weißblauer Belgier“: mutative Verkürzung eines Enzyms zur Kontrolle des Muskelwachstums führt zu extremer Bemuskelung

Entstehung einer Genmutation

Bei jeder Zellteilung wird die DNA von einem komplexen Apparat aus Enzymen aufgespalten, abgelesen und dupliziert. Dieser Kopierprozess (Replikation) verläuft nicht fehlerfrei. Zwar besitzt die Zelle hierfür Reparatursysteme, vereinzelte Variationen in der Nukleotidfolge – die Mutationen – geschehen dennoch regelmäßig. Im menschlichen Organismus werden in jeder Sekunde etwa eine Millionen Zellen repliziert; von 100 Zellen ist in mindestens einer ein Nukleotid mutiert (Quelle: Graw, J.: Genetik. Springer-Verlag, 2015). Genmutationen sind also ausgesprochen häufige Ereignisse.

Ein weiterer störungsanfälliger Schritt ist die Bildung der Keimzellen (Meiose). Unterlaufen bei der Aufteilung der Chromosomen auf die neu gebildeten Tochterzellen Fehler, so erhalten einige Zellen zu viele bzw. zu wenige Chromosomen. Der neue Organismus, der aus einer solchen Zelle erwächst, hat dementsprechend zu viele oder zu wenige Kopien mehrerer Gene. 

Für höhere Tiere können solche Genomschäden letal sein; ohne korrekte genetische Information entwickelt sich der Embryo nicht weiter und stirbt. Pflanzen funktionieren ganz anders und können Änderungen der Chromosomenanzahl überwinden. Insbesondere bei Nutzpflanzen finden sich viele vitale Sorten mit dreifachem oder sogar vielfachem Chromosomensatz (z.B. triploide Äpfel, polyploide Getreide).

Genmutationen entstehen auch spontan, häufig löst ein externes Element – ein Mutagen – eine genetische Modifikation aus. Als Mutagene wirken sowohl biologische als auch synthetische Faktoren wie z.B. Medikamente, Chemikalien.

Beispiele für chemische Mutagene:

• Dioxin
• Benzol
• Nitrosamine
• Kolchizin (ein pflanzliches Alkaloid)
• Thalidomid (Contergan)

Beispiele für physikalische Mutagene:

• Röntgenstrahlen
• UV-Strahlen
• Radioaktive Strahlung 

Künstliche Erzeugung von Genmutationen: Mutagenese

Das Potenzial von mutativen Veränderungen, genetische Variation zu erzeugen, machen sich Forscher und Züchter zunutze. Unerwünschte Eigenschaften sollen „weggezüchtet“, erwünschte Eigenschaften „eingekreuzt“ werden. So funktioniert Züchtung seit Jahrtausenden, als Ausgangsmaterial dient die natürliche genetische Variabilität der entsprechenden Tier- und Pflanzenarten. Auch Mikroorganismen, die zur Herstellung von Arzneistoffen oder industriell genutzten Substanzen Einsatz finden, können Mutationen eingefügt werden, die zur Produktion des gewünschten Stoffes beitragen (vgl. Weiße Gentechnik). Genmutationen sind daher ein wichtiges Element in Forschung, Biotechnologie und Züchtungstechnik; ein etabliertes Verfahren ist die sogenannte Mutagenese.

Für die klassische, züchterisch genutzte Mutagenese werden Pflanzenteile mit Mutagenen behandelt, die ungerichtet verschiedenste Schädigungen im Genom verursachen. Die so modifizierte Nachkommenschaft wird, soweit lebensfähig, angezogen und auf interessierende Eigenschaften untersucht. In der Pflanzenzucht sind Zuchtziele z.B. höherer Ertrag, Blütenfarbe und -form. Zahlreiche unserer heutigen Nutz- und Zierpflanzen sind aus Mutagenese hervorgegangen. Moderne Verfahren der Grünen Gentechnik (vgl. Grüne Gentechnik) nutzen spezialisierte Techniken wie die ODM (oligonucleotide-directed-mutagenesis), mit der Mutationen wesentlich gezielter eingefügt und Züchtungsprozesse abgekürzt werden können. Zelleigene Schutz- und Kontrollmechanismen werden durch die neuen Techniken jedoch unterlaufen (afchstelle-gentechnik-umwelt.de – GE_Vergleich.pdf), weswegen der EuGH in seinem Urteil im Juli 2018 die Techniken des Genome Editing als Gentechnik (Was ist Gentechnik?) eingestuft hat (vgl. Gentechnikgesetz).

Bei Nutztieren sind derartige Experimente ethisch nicht vertretbar, da sie eine Vielzahl schwer kranker oder nicht lebensfähiger Tiere hervorbringen würde.

Sind Mutationen schädlich?

Eine Genmutation ist vor allem eines: wertneutral. Denn ob eine Veränderung als „schädlich“ oder „nützlich“ eingestuft wird, liegt im Auge des Betrachters. Dauerhaft im Genom verankert werden allein solche Veränderungen, die dem Organismus einen Vorteil bringen. Alles andere stirbt aus, wird stillgelegt oder wieder aus dem Genom entfernt. Dieses Prinzip bezeichnet die Populationsgenetik als „purifying selection“, also als „reinigende Selektion“. Selektion ist ein Prozess, der sich über mehrere Generationen erstreckt. Entscheidend ist, wie viele Nachkommen ein Organismus erzeugt und wie vital die Nachkommen sind. Daher kann auch die Bewertung einer mutativen Veränderung nur über Generationen hinweg erfolgen. Sicher ist, dass die Evolution auch vor aufwändig gezüchteten Organismen keinen Halt macht.