Wir alle sind Mutanten. Jedes Merkmal, das unsere Spezies ausmacht, ist das Ergebnis einer genetischen Mutation irgendwo in der Geschichte der Evolution. Und das Gleiche gilt für jeden anderen Organismus auf dem Planeten. Doch meistens denken wir bei Mutationen an etwas Schlechtes, das zu Behinderungen oder Krankheiten führt. Wie oft sind diese DNA-Veränderungen also schädlich und wie viele von ihnen sind potenziell hilfreich? Eine neue Studie deutet darauf hin, dass tödliche Mutationen viel seltener vorkommen, als wir bisher dachten, zumindest bei Bakterien.
Die meisten DNA-Mutationen werden durch Fehler verursacht, die passieren, wenn eine Zelle eine Kopie ihrer gesamten genetischen Information anfertigt, damit sie sich in zwei neue Zellen teilen kann. Bakterien wie E. coli müssen etwa fünf Millionen Buchstaben des DNA-Codes kopieren. Beim Menschen sind es etwa 3,2 Milliarden DNA-Buchstaben in Eiern und Spermien und doppelt so viele in anderen Körperzellen.
Trotz ausgeklügelter Systeme zur Erkennung und Reparatur von Kopierfehlern schlüpfen gelegentlich einige durch das Netz. Die meisten führen zu so genannten „Punktmutationen“, da sie nur einen einzigen DNA-Buchstaben verändern. Doch selbst diese können manchmal zu großen Veränderungen führen, die Gene und die von ihnen produzierten Proteine verändern. Dies wiederum kann sich auf die Art und Weise auswirken, wie der Körper wächst oder funktioniert.
Mutationen können die Evolution vorantreiben, wenn sie einem Individuum einen Vorteil verschaffen, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass es überlebt, Kinder bekommt und das mutierte Gen weitergibt. Die Wahrscheinlichkeit, dass zufällige Mutationen in Millionen oder Milliarden von Buchstaben des Codes von Vorteil sind, mag gering erscheinen. Aber das Leben auf der Erde existiert seit vier Milliarden Jahren, so dass die Zeitspanne der Evolution enorm ist.
Mutationen können aber auch ernste gesundheitliche Probleme verursachen, von denen einige auch vererbt werden können. Forscher in Frankreich haben kürzlich versucht, am Beispiel von E. coli-Bakterien herauszufinden, wie oft Mutationen tatsächlich schädlich sind. Lydia Roberts und ihre Kollegen verwendeten eine ausgeklügelte Technik, die es ihnen ermöglichte, DNA-Veränderungen sichtbar zu machen, während sich die Bakterien tatsächlich teilten.
Die übliche Methode zur Abschätzung der Mutationsraten bei Bakterien besteht darin, sie auf Agarplatten wachsen zu lassen, Plastikschalen, die eine nährstoffreiche Gallerte für Mikroben enthalten. Das Problem bei diesem Ansatz ist jedoch, dass alle Bakterien, die eine tödliche Mutation erlangen, natürlich sterben, so dass die Informationen über diese genetischen Veränderungen dauerhaft verloren gehen.
Um dies zu umgehen, verwendeten die französischen Forscher einen winzigen Chip mit 1.000 mikroskopisch kleinen Kanälen, in die flüssige Nährstoffbrühe geleitet wird. Neue Zellen, die nach jeder Zellteilung entstehen, verbleiben in den Kanälen, unabhängig von schädlichen Mutationen, die ihr Überleben beeinträchtigen könnten.
Das Team setzte dann Zeitrafferaufnahmen ein, kombiniert mit einem fluoreszierenden Marker, der jedes Mal aufleuchtete, wenn eine Mutation auftrat. Auf diese Weise entstanden beeindruckende Videos der sich vermehrenden und mutierenden Bakterien, die an die Codezeilen aus dem Science-Fiction-Film „The Matrix“ erinnern.
Die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, dass Punktmutationen in Bakterien mit einer konstanten Rate von etwa einer Mutation alle 600 Stunden auftreten. Zur Überraschung der Forscher entdeckten sie auch, dass nur etwa 1 % dieser DNA-Veränderungen für die Bakterien tödlich waren – weit weniger als bisher angenommen.
Es scheint, dass zumindest bei Bakterien die meisten Mutationen überhaupt keine Auswirkungen auf das Überleben haben. Sie sind weder „schlecht“ noch „gut“, sondern einfach nur Zuschauer der Evolution. Forscher, die verstehen wollen, wie genetische Mutationen beim Menschen Krankheiten verursachen, stellen sich ähnliche Fragen. Die Ergebnisse von Großprojekten wie dem britischen 100.000-Genome-Projekt sollen Aufschluss darüber geben, welche Mutationen Krankheiten verursachen und welche ohne Bedeutung sind.
Jenseits von gut und schlecht
Aber wir wissen auch, dass die Einstufung von Mutationen als gut oder schlecht manchmal sehr schwierig sein kann. Oft hängt es vom Kontext ab, z.B. ob die Mutation dem Organismus hilft, eine bestimmte Nahrungsquelle zu nutzen oder eine Krankheit zu bekämpfen, die während seines Lebens auftritt. Und manche Mutationen können nützlich sein, wenn nur eine Kopie vererbt wird, aber schädlich, wenn zwei Kopien vererbt werden. Ein Beispiel für eine Genmutation, die dieser Art von „ausgleichender Selektion“ unterliegt, ist die Sichelzellkrankheit.
Personen mit Sichelzellkrankheit haben eine Genmutation, die eine veränderte Form von Hämoglobin produziert, dem Protein in den roten Blutkörperchen, das den Sauerstoff durch den Körper transportiert. Das veränderte Hämoglobin führt zu langen, sichelförmigen Blutzellen, die in kleinen Blutgefäßen stecken bleiben können. Dies führt zu Schmerzen in der Brust und in den Gelenken sowie zu Blutarmut, einem erhöhten Infektionsrisiko und anderen Problemen.
Trotz dieser potenziell verheerenden gesundheitlichen Auswirkungen ist die Krankheit in einigen Ländern relativ häufig. Schätzungsweise 300.000 Kinder, die zwei Kopien der Sichelzellen-Genmutation (eine von jedem Elternteil) geerbt haben, werden jedes Jahr mit der Krankheit geboren, vor allem in Nigeria, der Demokratischen Republik Kongo und Indien.
Das liegt daran, dass Menschen mit einer Kopie der Mutation resistent gegen Malaria sind und daher eher das Erwachsenenalter erreichen und das mutierte Gen an ihre Kinder weitergeben. Obwohl die Sichelkrankheit also ein evolutionärer Nachteil ist, haben nicht betroffene Träger der Genmutation einen Überlebensvorteil in Ländern, in denen Malaria weit verbreitet war (oder immer noch ist).
Eine neuere US-Studie legt nahe, dass alle heute lebenden Menschen mit dieser Krankheit von einem einzigen Vorfahren abstammen, der vor etwa 7.300 Jahren entweder in der Sahara oder in West-Zentralafrika lebte. Dies zeigt, wie sich eine einzelne Mutation auf viele, viele Individuen in einer Population ausbreiten kann, wenn sie einen erheblichen Nutzen bringt, selbst wenn sie auch das Potenzial hat, Schaden anzurichten. In ähnlicher Weise gibt es Hinweise darauf, dass eine einzige Kopie des Mukoviszidose-Gens unsere Vorfahren gegen Cholera resistent gemacht hat und dass Träger der Tay-Sachs-Krankheit gegen Tuberkulose resistent sind.
Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Mutationen könnte bei der Behandlung von Krankheiten eine große Rolle spielen. Die Untersuchung der Mutationsraten in verschiedenen Zelltypen könnte zum Beispiel Aufschluss darüber geben, wie Krebs in verschiedenen Körpergeweben entsteht. Und das Verständnis der bakteriellen Mutationsraten könnte Wissenschaftlern helfen, Mikroben zu bekämpfen, die eine Resistenz gegen Antibiotika entwickelt haben. Dies wird schließlich dazu beitragen, eine neue Ära der Medizin einzuläuten, in der viele Krankheiten mit Hilfe genetischer Informationen diagnostiziert und behandelt werden können. Und das muss einfach gut sein.