Mutationen sind Veränderungen in der Sequenz der DNA. Diese Veränderungen können spontan auftreten oder durch die Belastung mit Umweltfaktoren induziert werden. Mutationen können auf verschiedene Weise charakterisiert werden: ob und wie sie die Aminosäuresequenz des Proteins verändern, ob sie über einen kleinen oder großen Bereich der DNA hinweg auftreten und ob sie in somatischen Zellen oder Keimzellen vorkommen.
Mutationen, die an einem einzelnen Nukleotid auftreten, werden als Punktmutationen bezeichnet. Wenn Punktmutationen innerhalb von Genen auftreten, können ihre Folgen unterschiedlich schwerwiegend sein. Dabei hängt es davon ab, was mit der kodierten Aminosäuresequenz passiert. Eine stille Mutation verändert nicht die Identität der Aminosäure und hat keine Auswirkungen auf den Organismus. Eine Missense-Mutation verändert eine einzelne Aminosäure. Die Auswirkungen können schwerwiegend sein, wenn die Veränderung die Funktion des Proteins modifiziert. Eine Nonsense-Mutation erzeugt ein Stopcodon, welche das Protein verkürzt und es wahrscheinlich funktionsunfähig macht. Frameshift-Mutationen treten auf, wenn ein oder mehrere Nukleotide in eine proteinkodierende DNA-Sequenz eingefügt oder daraus entfernt werden. Sie betreffen alle Codons abwärts von der Stelle, an der die Mutation stattgefunden hat.
Die drastischste Art der Mutation verändert die physikalische Struktur eines Chromosoms grundlegend. Hierbei handelt es sich um Chromosomenaberrationen. Chromosomenveränderungen können Deletion, Duplikation oder Inversion großer DNA-Abschnitte innerhalb eines einzigen Chromosoms oder die Integration eines Teils eines anderen Chromosoms umfassen. Diese Mutationen sind typischerweise weitaus schwerwiegender als Punktmutationen, da sie viele Gene und regulatorische Elemente umfassen. Chromosomenveränderungen können durch die Karyotypisierung der betroffenen Zelle nachgewiesen werden.
Mutationen können in jeder Zelle auftreten. Nur Keimbahnmutationen, die in Ei -und Samenzellen aufgetreten sind, können jedoch auch auf Nachkommen übertragen werden. Zum Beispiel sind Erbkrankheiten ein Subtyp von genetischen Störungen, die durch schädliche Keimbahnmutationen verursacht werden. Sie können autosomal, auf den Chromosomen eins bis 22, oder geschlechtsgebunden, auf dem X- oder Y-Chromosom, auftreten. Ein Beispiel für eine Erbkrankheit ist die Mukoviszidose (CF). Es handelt sich dabei um eine Krankheit, die vor allem die Funktionsfähigkeit der Lunge beeinflusst. Sie wird durch eine Deletion innerhalb des Gens CFTR verursacht, das eine einzelne Aminosäure aus dem CFTR-Protein entfernt. CF ist eine autosomal rezessive Krankheit. Das bedeutet, dass eine Person mit einer mutierten Kopie des Gens und einer normalen Kopie die Krankheit nicht entwickelt. Andere Krankheiten, wie die Huntington-Krankheit sind autosomal dominant. Das bedeutet, dass nur eine mutierte Kopie des Gens notwendig ist, um die neurodegenerative Krankheit zu verursachen.
Sowohl somatische Mutationen, die die außerhalb der Keimbahn auftreten, als auch Keimbahnmutationen können spontan während der DNA-Replikation entstehen. Sie können jedoch auch durch Strahlenbelastung oder durch Chemikalien in der Umwelt verursacht werden. Externe Faktoren, welche die DNA schädigen und Mutationen verursachen, werden als Mutagene bezeichnet. Ein gut charakterisiertes Umweltmutagen ist die ultraviolette (UV) Strahlung. UV-Strahlung trägt mehr Energie als das sichtbare Licht und schädigt die DNA, indem sie die Bindungen zwischen Basenpaaren aufbricht, so dass sich Thyminbasen auf dem gleichen DNA-Strang in charakteristischen Thymin-Dimeren miteinander paaren. Die Sonne ist eine natürliche Quelle für UV-Strahlung. Die schädlichste Wellenlänge, UV-C, wird hoch in der Atmosphäre abgefangen. UV-A-und UV-B-Strahlen erreichen jedoch die Erdoberfläche. Zu den künstlichen Quellen der UV-Belastung gehören Sonnenbänke, die hauptsächlich UV-A-Strahlen mit geringeren Mengen an UV-B durchlassen. Glücklicherweise verfügen Zellen über Mechanismen zur Reparatur beschädigter DNA. Manchmal werden die Schäden jedoch nicht vor der Zellteilung in sich schnell teilenden Zellen, wie z.B. Hautzellen, repariert. Tritt der DNA-Schaden in einer genomischen Region auf, die für die Regulierung des Zellwachstums und der Zellteilung wichtig ist, kann er zu Krebs führen, wenn er nicht repariert wird.
