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4.9: Mutationsursachen - Biologie

4.9: Mutationsursachen - Biologie



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Was bewirkt Strahlenbelastung?

Es mutiert die DNA. Die Katastrophe von Tschernobyl war ein Atomunfall, der sich am 26. April 1986 ereignete. Es gilt als der schlimmste Atomkraftwerksunfall der Geschichte. Eine russische Veröffentlichung kommt zu dem Schluss, dass zwischen 1986 und 2004 985.000 Krebserkrankungen infolge radioaktiver Kontamination aufgetreten sind. Der Bericht des European Committee on Radiation Risk aus dem Jahr 2011 berechnet insgesamt 1,4 Millionen Krebserkrankungen, die als Folge dieser Kontamination aufgetreten sind.

Ursachen der Mutation

Mutationen haben viele mögliche Ursachen. Einige Mutationen scheinen spontan ohne äußeren Einfluss zu passieren. Sie können auftreten, wenn bei der DNA-Replikation oder -Transkription Fehler gemacht werden. Andere Mutationen werden durch Umweltfaktoren verursacht. Alles in der Umgebung, das eine Mutation verursachen kann, wird als a . bezeichnet mutagen. Beispiele für Mutagene sind abgebildet in Abbildung unter. Ein Video über Mutagene finden Sie unter dem folgenden Link.http://www.youtube.com/watch?v=0wrNxCGKCws (0:36)

Beispiele für Mutagene. Arten von Mutagenen umfassen Strahlung, Chemikalien und Infektionserreger. Kennen Sie weitere Beispiele für jede hier gezeigte Mutagenart?

Spontane Mutationen

Es gibt fünf häufige Arten von spontanen Mutationen. Diese sind in der beschrieben Tischunter.

MutationBeschreibung
Tautomerieeine Base wird durch die Neupositionierung eines Wasserstoffatoms verändert
ReinigungVerlust einer Purinbase (A oder G)
Desaminierungspontane Desaminierung von 5-Methylcytosin
Übergangein Purin zu Purin (A zu G, G zu A) oder ein Pyrimidin zu Pyrimidin (C zu T, T zu C) wechseln
Transversionein Purin wird zu einem Pyrimidin oder umgekehrt

Die Katastrophe von Tschernobyl: Folgemaßnahmen

Obwohl das Gebiet unmittelbar um die Katastrophe von Tschernobyl möglicherweise für Tausende von Jahren nicht sicher für Menschenleben ist, Sperrzone rund um das Kernkraftwerk Tschernobyl ist ein Paradies für Wildtiere geworden. Als die Menschen vor 25 Jahren aus dem Gebiet evakuiert wurden, vermehrten sich bestehende Tierpopulationen und seltene Arten, die seit Jahrhunderten nicht mehr gesehen wurden, sind zurückgekehrt oder wurden wieder eingeführt, z Eule. Die Sperrzone ist so üppig mit Wildtieren und Grün, dass die ukrainische Regierung sie 2007 zum Naturschutzgebiet erklärt hat. Es ist heute eines der größten Naturschutzgebiete in Europa.

Zusammenfassung

  • Mutationen werden durch Umweltfaktoren verursacht, die als Mutagene bekannt sind.
  • Arten von Mutagenen umfassen Strahlung, Chemikalien und Infektionserreger.
  • Mutationen können spontaner Natur sein.

Erkunde mehr

Verwenden Sie diese Ressource, um die folgenden Fragen zu beantworten.

  • Was ist Mutation? unter http://learn.genetics.utah.edu/content/variation/mutation/.
  1. Wann entstehen die meisten Mutationen?
  2. Was passiert mit den meisten Mutationen, die sich natürlich entwickeln?
  3. Wo im Genom treten die meisten Mutationen auf?
  4. Sind die meisten Mutationen schlecht? Erkläre deine Antwort.
  5. Was versteht man unter DNA-Reparatur?

Rezension

  1. Definiere Mutation und Mutagen.
  2. Nennen Sie drei Beispiele für Mutagene.
  3. Unterscheiden Sie zwischen einer Transition und einer Transversion.

4.9: Mutationsursachen - Biologie

Da alle Zellen in unserem Körper DNA enthalten, gibt es viele Orte, an denen Mutationen auftreten können. Einige Mutationen können jedoch nicht an die Nachkommen weitergegeben werden und spielen für die Evolution keine Rolle. Somatische Mutationen treten in nicht-reproduktiven Zellen auf und werden nicht an die Nachkommen weitergegeben. Zum Beispiel wurde die goldene Farbe auf der Hälfte dieses Red Delicious-Apfels durch eine somatische Mutation verursacht. Seine Samen werden die Mutation nicht tragen.

Die einzigen Mutationen, die für die Evolution im großen Maßstab von Bedeutung sind, sind diejenigen, die an Nachkommen weitergegeben werden können. Diese treten in Fortpflanzungszellen wie Eiern und Spermien auf und werden als Keimbahnmutationen bezeichnet.

Auswirkungen von Keimbahnmutationen
Eine einzelne Keimbahnmutation kann eine Reihe von Auswirkungen haben:

    Der Phänotyp ändert sich nicht.
    Einige Mutationen haben keinen merklichen Einfluss auf den Phänotyp eines Organismus. Dies kann in vielen Situationen passieren: Vielleicht tritt die Mutation in einem Abschnitt der DNA ohne Funktion auf, oder vielleicht tritt die Mutation in einer proteinkodierenden Region auf, beeinflusst aber letztendlich nicht die Aminosäuresequenz des Proteins.

Kleine Mutationen mit großer Wirkung: Mutationen zur Kontrolle von Genen
Mutationen sind oft Opfer schlechter Presse – die zu Unrecht als unwichtig oder als Ursache für genetische Erkrankungen stereotypisiert werden. Während viele Mutationen tatsächlich kleine oder negative Auswirkungen haben, erhält eine andere Art von Mutation weniger Sendezeit. Mutationen, um Gene zu kontrollieren, können große (und manchmal auch positive) Auswirkungen haben.

Einige DNA-Regionen kontrollieren andere Gene und bestimmen, wann und wo andere Gene "angeschaltet" werden. Mutationen in diesen Teilen des Genoms können die Art und Weise, wie der Organismus aufgebaut ist, erheblich verändern. Der Unterschied zwischen einer Mutation eines Kontrollgens und einer Mutation eines weniger starken Gens ist ein bisschen wie der Unterschied zwischen dem Flüstern einer Anweisung an den Trompeter in einem Orchester oder dem Flüstern an den Dirigenten des Orchesters. Die Auswirkungen einer Änderung des Verhaltens des Dirigenten sind viel größer und koordinierter als die Änderung des Verhaltens eines einzelnen Orchestermitglieds. In ähnlicher Weise kann eine Mutation in einem Gen-„Dirigent“ eine Kaskade von Auswirkungen auf das Verhalten von Genen unter seiner Kontrolle haben.

Viele Organismen haben starke Kontrollgene, die bestimmen, wie der Körper aufgebaut ist. Zum Beispiel, Hox Gene finden sich in vielen Tieren (einschließlich Fliegen und Menschen) und bestimmen, wohin der Kopf geht und in welchen Körperregionen Anhängsel wachsen. Solche Hauptkontrollgene helfen, den Aufbau von Körper-"Einheiten" wie Segmenten, Gliedmaßen und Augen zu steuern. Daher ist es möglicherweise nicht so unwahrscheinlich, dass eine größere Änderung des grundlegenden Körperlayouts erfolgt, dass möglicherweise einfach eine Änderung eines Hox-Gens und die Bevorzugung der natürlichen Selektion erforderlich sind.


Molekulare Mutation: Merkmale, Ursachen und Typen | Genetik

1. Es ist eine Änderung in der Anzahl oder Anordnung der Nukleotidsequenz eines Gens.

2. Es ist eine erbliche Veränderung der DNA-Sequenz.

3. Es handelt sich um eine dauerhafte Strukturveränderung im Erbgut [DNA].

4. Mutationen können schädlich, nützlich oder wirkungslos sein.

5. Mutationen sind meistens schädlich und sehr selten von Vorteil.

6. Mutationen können durch Fehler bei der Zellteilung oder durch die Exposition gegenüber DNA-schädigenden Stoffen in der Umwelt wie Strahlung und mutagenen Chemikalien verursacht werden.

7. Es ist eine Veränderung eines Gens gegenüber seinem natürlichen Zustand. Mit anderen Worten, ein Allel eines Gens ändert sich in ein anderes Allel.

8. Es kann sich um eine spontane oder induzierte Veränderung der DNA einer Zelle handeln.

9. Eine Mutation führt zum Auftreten eines neuen erblichen Merkmals bei einem Individuum.

10. Mutationen werden manchmal zufälligen Ereignissen zugeschrieben.

Ursachen der molekularen Mutation:

Mutationen in molekularer Hinsicht werden durch zwei Arten von Veränderungen auf DNA-Ebene verursacht, nämlich:

(ii) Basen-Additionen oder -Deletionen.

1. Basensubstitution:

Der Austausch eines Basenpaares durch ein anderes wird als Basensubstitution bezeichnet. Einige Mutationen betreffen nur einen Teil eines Nukleotids, was zum Ersatz des Basenpaares führt. Der Austausch des Basenpaares kann während der DNA-Replikation ohne Bruch erfolgen. Diese Basenpaarersetzungen sind von zweierlei Art, nämlich. Übergänge und Verwandlungen.

Der Austausch eines Purins durch ein anderes Purin oder eines Pyrimidins durch ein anderes Pyrimidin wird als Transition bezeichnet. Mit anderen Worten, es ist der Ersatz einer Base durch eine andere Base derselben chemischen Gruppe [Purin ersetzt durch Purin: entweder A gegen G oder G gegen A Pyrimidin ersetzt durch Pyrimidin: entweder C gegen T oder T gegen C].

Dies bedeutet, dass ein Wechsel zwischen Purinen [A und G] und Pyrimidinen [C und T] in beide Richtungen erfolgen kann. Eine solche Änderung ergibt eine normale Basis.

Der Ersatz eines Purins durch ein Pyrimidin und umgekehrt wird als Transversion bezeichnet. Mit anderen Worten, es ist der Ersatz einer Base einer chemischen Kategorie durch eine Base der anderen [Pyrimidin ersetzt durch Purin: C zu A, C zu G, T zu A, T zu G Purin ersetzt durch Pyrimidin: A zu C , A nach T, G nach C, G nach T].

Bei der Transversion wird entweder eine Base in eine abnormale Base umgewandelt oder durch eine solche Base ersetzt. Diese Änderungen treten entweder aufgrund einer falschen Einbindung oder einer falschen Replikation auf. Darüber hinaus sind Übergänge im Allgemeinen häufiger als Transversionen.

2. Basis hinzufügen oder löschen:

Solche Mutationen sind das Ergebnis von Brüchen des Rückgrats des genetischen Materials [DNA] an zwei oder mehr Stellen. Solche Änderungen umfassen das Hinzufügen, Löschen, Ersetzen, Transponieren und Invertieren. Alle diese Mutationen außer Inversionen sind für einzelsträngige DNA oder RNA möglich.

Die Inversion erfordert doppelsträngige Nukleinsäure. Die einfachsten Formen solcher Mutationen sind Einzelbasenpaar-Additionen oder Einzelbasenpaar-Deletionen. Es gibt Beispiele, bei denen Mutationen durch gleichzeitige Addition oder Deletion mehrerer Basenpaare entstehen.

Wie Nonsense-Mutationen haben Einzelbasen-Additionen oder -Deletionen Konsequenzen auf die Polypeptidsequenz, die weit über den Ort der Mutation selbst hinausgehen.

Denn die Sequenz der mRNA ist “lesen” durch den Translationsapparat in Gruppen von drei Basenpaaren (Codons) wird die Addition oder Deletion eines einzelnen DNA-Basenpaars den Leserahmen ausgehend von der Stelle der Addition oder Deletion bis zum Carboxy-Terminus des Proteins ändern.

Arten der molekularen Mutation:

1. Non-Sense-Mutationen:

Mutationen, bei denen das Codon für eine Aminosäure durch ein Translationsterminations-(Stopp-)Codon ersetzt ist, werden als Nonsense-Mutationen bezeichnet. Bei der Nonsense-Mutation ersetzt ein Stoppcodon ein Aminosäurecodon, was zu einer vorzeitigen Beendigung der Nukleotidkette führt.

(ich) Codon beteiligt:

Nonsense-Mutationen haben Nonsense-Codons, die für keine Aminosäure kodieren.

Die Häufigkeit von Nonsense-Mutationen ist viel geringer als die von Missense-Mutationen.

Nonsense-Mutationen führen zum vorzeitigen Abbruch der Polypeptidkette und werden daher auch als kettenabbrechende Mutationen bezeichnet. Sie haben einen erheblichen Einfluss auf die Proteinfunktion. Im Allgemeinen produzieren Nonsense-Mutationen völlig inaktive Proteinprodukte. Wenn sie sehr nahe am 3′-Ende des offenen Leserasters auftreten, wird nur ein teilweise funktionelles verkürztes Polypeptid produziert.

Nonsense-Mutationen resultieren aufgrund der Bildung von Nonsense-Codons nach dem Ursprung von Frameshift-Mutationen.

2. Missense-Mutationen:

Mutationen, bei denen das Codon einer Aminosäure durch ein Codon einer anderen Aminosäure ersetzt wird, nennt man Missense-Mutationen. Missense-Mutationen führen zu einem Protein, bei dem eine Aminosäure durch eine andere ersetzt wird.

(ich) Beteiligte Codons:

Missense-Mutationen haben Missense-Codons, die für verschiedene Aminosäuren kodieren. Missense-Mutationen führen normalerweise zum Ersatz einer einzelnen Aminosäure in der Polypeptidkette.

Die Häufigkeit von Missense-Mutationen ist höher als die von Nonsense-Mutationen.

Die Auswirkungen solcher Mutationen sind unterschiedlich. Wenn beispielsweise eine Missense-Mutation die Substitution einer chemisch ähnlichen Aminosäure verursacht, die als synonyme Substitution bezeichnet wird, ist es wahrscheinlich, dass die Veränderung eine weniger starke Auswirkung auf die Struktur und Funktion des Proteins hat.

Wenn eine Missense-Mutation die Substitution einer chemisch anderen Aminosäure verursacht, die als nicht-synonyme Substitutionen bezeichnet wird, ist es wahrscheinlicher, dass sie schwerwiegende Veränderungen in der Proteinstruktur und -funktion verursacht.

Missense-Mutationen resultieren aus der Bildung von Missense-Codons nach dem Ursprung von Frameshift-Mutationen.

3. Stille Mutationen:

Mutationen, die für dieselbe oder eine ähnliche Aminosäure kodieren, werden als stille Mutationen bezeichnet. Solche Mutationen ändern ein Codon für eine Aminosäure in ein anderes Codon für dieselbe Aminosäure. Daher verändern solche Mutationen niemals die Aminosäuresequenz der Polypeptidkette. Mit anderen Worten, sie haben keine Wirkung.

4. Frame-Shift-Mutationen:

Es gibt eine weitere Kategorie von Punktmutationen, bei denen der normale Leseraster des Basentripletts [Codon] verändert ist. Solche Mutationen sind als Frameshift-Mutationen bekannt. Bei diesen Mutationen wird der normale Leserahmen von Basentripletts [Codons] aufgrund der Addition oder Deletion einzelner Basenpaare oder Nukleotide in der mRNA verändert. Diese werden in der Regel von einem Stopcodon gefolgt.

Die Frameshift-Mutationen entstehen aufgrund der Addition oder Deletion einzelner Basenpaare.

Sie entstehen auf zwei Arten, nämlich:

(i) durch einen Fehler während der DNA-Reparatur oder -Replikation und

Die Addition oder Deletion von Nukleotiden erfolgt in anderen Zahlen als drei oder einem Vielfachen von drei. Der Leserahmen wird in einem solchen Fall ab dem Punkt der Addition oder Deletion verschoben.

Die Addition oder Deletion von Basenpaaren erfolgt in interstitiellen oder interkalaren Position. Manchmal finden Hinzufügungen und Löschungen an derselben Position statt, sie werden als Doppelrahmenverschiebungen bezeichnet. Solche Veränderungen können den normalen Leserahmen in mRNA wiederherstellen.

Frameshift-Mutationen zeigen typischerweise einen vollständigen Verlust der normalen Proteinstruktur und -funktion.

Nach Frameshift-Mutationen werden drei Arten von Codons produziert, nämlich:

Sense-Codons sind normale Codons, die auf die gleiche Weise gelesen werden wie vor Frameshift-Mutationen. Mutationen beeinflussen auch die Genregulation sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten.

5. Induzierte und spontane Mutation:

Im Allgemeinen werden Mutationen als induzierte und spontane Mutationen klassifiziert. Als induzierte Mutationen werden solche definiert, die nach einer gezielten Behandlung mit Mutagenen auftreten. Spontane Mutationen sind solche, die ohne bekannte Mutagenbehandlung auftreten. Die Häufigkeit, mit der spontane Mutationen auftreten, ist gering und liegt im Allgemeinen im Bereich von einer Zelle von 10 5 bis 10 8 .

Wenn eine große Anzahl von Mutanten für die genetische Analyse benötigt wird, müssen daher Mutationen induziert werden. Die Induktion von Mutationen wird erreicht, indem Zellen mit Mutagenen behandelt werden. Die am häufigsten verwendeten Mutagene sind energiereiche Strahlung oder spezifische Chemikalien. Induzierte und spontane Mutationen entstehen durch im Allgemeinen unterschiedliche Mechanismen.

Mechanismen der Induktionsmutation :

Induzierte Mutationen werden durch die Anwendung mutagener Wirkstoffe entwickelt, die als Mutagene bezeichnet werden.

Es gibt drei verschiedene Mechanismen der Mutationsinduktion durch die Verwendung von Mutagenen, nämlich. von:

(iii) Basenschaden in der DNA.

Diese werden kurz wie folgt besprochen:

1. Basisaustausch:

Einige chemische Verbindungen ersetzen eine Base in der DNA, weil sie DNA-Basen sehr ähnlich sind. Solche chemischen Verbindungen werden Basenanaloga genannt. Sie werden manchmal anstelle von normalen Basen in die DNA eingebaut.

So können sie durch falsche Basenpaarung Mutationen erzeugen. Eine falsche Basenpaarung führt zu Übergängen oder Transversionen nach der DNA-Replikation. Die am häufigsten verwendeten Basenanaloga sind 5 Bromuracil [5BU] und 2 Aminopurin [2AP].

Das 5-Brom-Uracil ähnelt Thymin, hat jedoch Bromid an der C5-Position, ‘während Thymin die C3-Gruppe an der C5-Position hat. Die Anwesenheit von Brom in 5BU verstärkt seine tautomere Verschiebung von der Ketoform zur Enolform. Die Ketoform ist die übliche und stabilere Form, während die Enolform selten und weniger stabil oder kurzlebig ist. Eine tautomere Veränderung findet in allen vier DNA-Basen statt, jedoch mit sehr geringer Häufigkeit.

Die Änderung oder Verschiebung von Wasserstoffatomen von einer Position zu einer anderen entweder in einer Purin- oder in einer Pyridinbase ist als tautomere Verschiebung bekannt, und ein solcher Vorgang ist als Tautomerisierung bekannt. Die bei der Tautomerisierung entstehende Base wird als tautomere Form oder als Tautomer bezeichnet.

Durch Tautomerisierung wird die Aminogruppe [-NH2] von Cytosin wird in eine Imno-Gruppe [-NH] umgewandelt. Ebenso wird die Keto-Gruppe [C=O] von Thymin in eine Enol-Gruppe [-OH] umgewandelt.

5BU ist Thymin ähnlich, daher paart es sich mit Adenin [anstelle von Thymin]. Ein Tautomer von 5BU wird eher mit Quanin als mit Adenin gepaart. Da die tautomere Form kurzlebig ist, ändert sie sich zum Zeitpunkt der DNA-Replikation in die Keto-Form, die sich mit Adenin anstelle von Guanin paart.

Auf diese Weise ergeben sich Übergänge von A nach G oder von G nach A und von C nach T oder von T nach C. Das Mutagen 2AP wirkt auf ähnliche Weise und bewirkt Übergänge von A nach G oder G nach A und T nach C oder C nach T. Dies ist ein Analogon von Adenin, das sich mit Thymin paaren kann, aber auch mit Cytosim fehlpaaren und Übergänge verursachen kann.

2. Basisänderung:

Einige chemische Verbindungen verändern eine DNA-Base so, dass sie sich spezifisch mit einer anderen Base fehlpaart. Solche Mutagene werden nicht in die DNA eingebaut, sondern verändern eine Base, was zu einer spezifischen Fehlpaarung führt.

Bestimmte Alkylierungsmittel wie Ethylmethansulfonat (EMS) und das weit verbreitete Nitrosoguanidin (NG) wirken auf diesem Weg:

Sie induzieren Mutationen, insbesondere Transitionen und Transversionen, indem sie an verschiedenen Positionen in der DNA eine Alkylgruppe [entweder Ethyl oder Methyl] hinzufügen. Die Alkylierung induziert eine Mutation, indem sie die Wasserstoffbrückenbindung auf verschiedene Weise verändert.

Alkylierungsmittel können verschiedene große und kleine Deformationen der Grundstruktur verursachen, was zu Basenpaarübergängen und -transversionen führt. Transversionen können auftreten, entweder weil ein Purin so verkleinert wurde, dass es ein anderes Purin als Komplement annehmen kann, oder weil ein Pyridin so vergrößert wurde, dass es ein anderes Pyrimidin als Paarung akzeptieren kann.

In beiden Fällen liegt der Durchmesser des mutierten Basenpaars nahe dem eines normalen Basenpaars.

Einige Mutagene schädigen eine DNA-Base, so dass sie unter normalen Bedingungen mit keiner Base mehr paaren kann. Viele Mutagene schädigen eine oder mehrere DNA-Basen, wodurch keine spezifische Basenpaarung möglich ist. Das Ergebnis ist ein Replikationsblock, da die DNA-Synthese nicht über eine Base hinausgeht, die ihren komplementären Partner nicht durch Wasserstoffbrückenbindungen bestimmen kann.

In Bakterienzellen können solche Replikationsblöcke durch das Einfügen unspezifischer Basen umgangen werden. Der Prozess erfordert die Aktivierung eines speziellen Systems, das SOS-System Der Name SOS kommt von der Idee, dass dieses System als Notfallreaktion induziert wird, um den Zelltod bei Vorliegen eines erheblichen DNA-Schadens zu verhindern.

Die SOS-Induktion ist ein letzter Ausweg, der es der Zelle ermöglicht, den Tod gegen ein bestimmtes Maß an Mutagenese einzutauschen. In der Natur kann DNA durch zwei Hauptquellen geschädigt werden, nämlich. Ultraviolettes Licht und Aflatoxin in pilzinfizierten Erdnüssen.

Ultraviolettes (UV) Licht erzeugt eine Reihe von Photoprodukten in der DNA. Zwei verschiedene Läsionen, die benachbarte Pyrimidine im gleichen Strang vereinen, wurden am stärksten mit Mutagenese korreliert. Diese Läsionen sind das Cyclobutan-Pyrimidin-Photodimer und das 6-4-Photoprodukt.

Diese Läsionen stören die normale Basenpaarung, daher ist eine Induktion des SOS-Systems für die Mutagenese erforderlich. Die Einfügung falscher Basen gegenüber UV-Photoprodukten erfolgt an der Position 3′ des Dimers und häufiger bei 5′-CC-3′ und 5′-TC-3′ Dimeren.

Der C->-T-Übergang ist die häufigste Mutation, aber auch andere Basensubstitutionen (Transversionen) und Rasterverschiebungen werden durch UV-Licht induziert, ebenso wie größere Duplikationen und Deletionen.

Aflatoxin B1 (AFB1) ist ein starkes Karzinogen, das ursprünglich aus pilzinfizierten Erdnüssen isoliert wurde. Aflatoxin bildet ein Additionsprodukt an der N-7-Position von Guanin. Dieses Produkt führt zum Aufbrechen der Bindung zwischen der Base und dem Zucker, wodurch die Base freigesetzt wird und eine apurinische Stelle entsteht.

Studien mit in vitro erzeugten apurinischen Stellen haben gezeigt, dass der SOS-Bypass dieser Stellen zur bevorzugten Insertion eines Adenins gegenüber einer apurinischen Stelle führt. Dies sagt voraus, dass Agenzien, die eine Depurination an Guaninresten verursachen, vorzugsweise GC-TA-Transversionen induzieren sollten.

Rolle der induzierten Mutation bei der Verbesserung der Kulturpflanzen:

Induzierte Mutationen sind bei der Verbesserung der Kulturpflanzen auf die folgenden fünf Hauptwege nützlich:

1. Bei der Entwicklung verbesserter Sorten:

Mehr als 2000 verbesserte Sorten von Feld- und Gartenbaukulturen mit hohem Ertrag, verbesserter Qualität, Frühzeitigkeit, Resistenz gegen biotische und abiotische Belastungen wurden durch induzierte Mutationen entwickelt.

2. Induktion der männlichen Sterilität:

Die männliche Sterilität wurde in vielen Feldfrüchten wie Perlhirse, die in der Hybridsaatgutproduktion verwendet wird, induziert.

3. Produktion von Haploiden:

Röntgeninduzierte Haploide wurden in vielen Kulturpflanzen entwickelt, die zur Entwicklung reiner Linien nach chromosomaler Verdoppelung verwendet werden.

4. Erzeugung genetischer Variabilität:

Induzierte Mutationen führen zu einer enormen genetischen Variabilität in einer Population, die die Grundlage für die Selektion bildet.

5. In einigen Fällen wurden induzierte Mutationen verwendet, um das Problem der Selbstinkompatibilität zu überwinden.

Mechanismen der spontanen Mutation:

Es ist heute bekannt, dass spontane Mutationen aus einer Vielzahl von Quellen stammen.

Es gibt drei wichtige Mechanismen spontaner Mutationen, nämlich:

(i) Fehler bei der DNA-Replikation,

(ii) spontane Läsionen und

(iii) Transponierbare genetische Elemente.

Diese werden im Folgenden kurz diskutiert:

1. Fehler bei der DNA-Replikation:

Fehlpaarungen im Verlauf der Replikation sind eine Quelle spontaner Basensubstitution. (Fehlpaarungen wurden früher in der Diskussion von 5-BU behandelt.) Die meisten Fehlpaarungsmutationen sind Übergänge.

Dies liegt wahrscheinlich daran, dass ein A. C oder G. T-Fehlpaarung verformt die DNA-Doppelhelix nicht so stark wie A. G oder C. T-Basenpaare tun es. Transversionen können jedoch auch durch Fehlpaarungen auftreten. Replikationsfehler können auch zu Frameshift-Mutationen führen.

2. Spontane Läsionen:

Natürlich auftretende Schäden an der DNA, die als spontane Läsionen bezeichnet werden, können ebenfalls Mutationen erzeugen.

Die spontanen Läsionen sind von drei Arten, nämlich:

(iii) Oxidativ beschädigte Basen. Der erste ist häufiger.

Wie oben erwähnt, induziert Aflatoxin die Depurination. Die Depurination tritt jedoch auch spontan auf. Eine Säugerzelle verliert während einer 20-stündigen Zellgeneration bei 37 °C spontan etwa 10.000 Purine aus ihrer DNA.

Wenn diese Läsionen bestehen bleiben, führen sie zu erheblichen DNA-Schäden, da die apurinischen Stellen während der Replikation keine Basenart angeben können. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch eine Base gegenüber einer apurinischen Stelle eingefügt werden, was häufig zu einer Mutation führt.

Die Desaminierung von Cytosin liefert Uracil. Unreparierte Uracilreste paaren sich im Verlauf der Replikation mit Adenin, was zur Umwandlung eines G-C-Paares in ein AT-Paar führt (ein G-C-> A-T-Übergang). Die Desaminierung an bestimmten Cytosin-Positionen hat sich als eine Art von Mutations-Hotspot erwiesen.

Die DNA-Sequenzanalyse von Hot Spots für G-C A-T-Übergänge im lacl-Gen hat gezeigt, dass 5-Methylcytosin-Reste an der Position jedes Hot Spots vorhanden sind.

Das Enzym Uracil-DNA-Glykosylase [eines der Reparaturenzyme in der Zelle] erkennt die Uracil-Reste in der DNA, die bei der Desaminierung entstehen und schneidet sie heraus, wobei eine Lücke zurückbleibt, die anschließend aufgefüllt wird.

Bei der Desaminierung von 5-Methylcytosin entsteht jedoch Thymin (5-Methyluracil), das vom Enzym Uracil-DNA-Glykosylase nicht erkannt und somit nicht repariert wird. Daher werden durch Desaminierung erzeugte C->-T-Übergänge häufiger an 5-Methylcytosin-Stellen beobachtet, da sie diesem Reparatursystem entgehen.

(iii) Oxidativ geschädigte Basen:

Diese Art von Läsion durch aktive Sauerstoffspezies wie Superoxidradikale (02D), Wasserstoffperoxid (H202) und Hydroxylradikale (OHD), die als Nebenprodukte des normalen aeroben Stoffwechsels entstehen.

Diese Sauerstoffspezies können sowohl die DNA als auch Vorläufer der DNA (wie GTP) oxidative Schäden verursachen, was zu einer Mutation führt. Solche Mutationen wurden mit einer Reihe von menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht. Ein solches Produkt fehlpaart häufig mit A, was zu einem hohen Grad an G —> T-Transversionen führt.

3. Transponierbare genetische Elemente:

Es wird auch berichtet, dass transponierbare Elemente eine wichtige Rolle bei der Induktion spontaner Mutationen in verschiedenen Organismen spielen.

Biologische Reparaturmechanismen spontaner Mutationen:

Lebende Zellen haben eine Reihe von enzymatischen Systemen entwickelt, die DNA-Schäden auf verschiedene Weise reparieren. Die geringe spontane Mutationsrate ist ein Hinweis auf die Effizienz dieser Reparatursysteme. Ein Ausfall dieser Systeme kann zu einer höheren Mutationsrate führen.

Die DNA-Reparaturmechanismen lassen sich in vier Kategorien einteilen, nämlich:

(iv) Reparatur nach der Replikation.

Diese werden wie folgt kurz besprochen:

1. Fehlervermeidung:

Einige enzymatische Systeme neutralisieren potenziell schädliche Verbindungen, bevor sie überhaupt mit DNA reagieren. Ein solches System entgiftet Superoxidradikale, die während oxidativer DNA-Schäden entstehen. Das Enzym Superoxiddismutase katalysiert die Umwandlung der Superoxidradikale in Wasserstoffperoxid und das Enzym Katalase wiederum wandelt das Wasserstoffperoxid in Wasser um.

2. Direkte Schadensabwicklung:

Der einfachste Weg, eine Läsion zu reparieren, besteht darin, sie direkt auf die normale Basis umzukehren. Eine Rückabwicklung ist nicht immer möglich, da einige Schadensarten grundsätzlich irreversibel sind. In einigen Fällen können jedoch Läsionen auf diese Weise repariert werden.

Ein Fall ist ein mutagenes Photodimer, das durch UV-Licht verursacht wird. Das Cyclobutan-Pyrimidin-Photodimer kann durch eine Photolyase repariert werden, die in Bakterien und niederen Eukaryoten, aber nicht in Menschen gefunden wurde.

Das Enzym bindet an das Photodimer und spaltet es in Gegenwart bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, um die ursprünglichen Basen zu erzeugen. Dieses Enzym kann im Dunkeln nicht funktionieren, daher sind andere Reparaturwege erforderlich, um UV-Schäden zu beseitigen. Eine Photolyase, die die 6-4-Photoprodukte umkehrt, wurde auch in Pflanzen und Drosophila nachgewiesen.

Alkyltransferasen sind Enzyme, die Läsionen direkt umkehren. Sie entfernen bestimmte Alkylgruppen, die durch Mutagene wie Nitrosoguanidin und Ethylmethansulfonat an die 0-6-Positionen von Guanin hinzugefügt wurden.

Die Methyltransferase aus E. coli wurde gut untersucht. Dieses Enzym überträgt die Methylgruppe von 0-6-Methyl-Guanin auf einen Cysteinrest am Protein. In diesem Fall wird das Enzym inaktiviert, sodass dieses Reparatursystem gesättigt werden kann, wenn der Alkylierungsgrad hoch genug ist.

3. Exzisions-Reparatur-Pfade:

Das allgemeine Exzisions-Reparatur-System bricht eine Phosphodiester-Bindung auf beiden Seiten der Läsion auf demselben Strang, was zur Exzision eines Oligonukleotids führt. Dadurch bleibt eine Lücke, die durch Reparatursynthese gefüllt wird, und eine Ligase verschließt die Brüche. Bei Prokaryoten werden 12 oder 13 Nukleotide entfernt, während bei Eukaryoten 27 bis 29 Nukleotide eliminiert werden.

Bestimmte Läsionen sind zu gering und verursachen eine kleine Verzerrung, die vom allgemeinen Exzisions-Reparatur-System und seinen Gegenstücken in höheren Zellen nicht erkannt werden kann. Daher sind zusätzliche spezifische Exzisionswege notwendig.

Die Basenexzisionsreparatur wird durch DNA-Glykosylasen durchgeführt, die N-glykosidische (Base-Zucker)-Bindungen spalten, wodurch die veränderten Basen freigesetzt und apurinische oder apyrimidinische Stellen (AP-Stellen) erzeugt werden. Die resultierende Stelle wird dann durch einen AP-stellenspezifischen Endonuklease-Reparaturweg repariert.

Es existieren zahlreiche DNA-Glykosylasen. Eine, Uracil-DNA-Glykosylase, entfernt Uracil aus der DNA. Uracilreste, die aus der spontanen Desaminierung von Cytosin resultieren, können, wenn sie nicht repariert werden, zu einem C->-T-Übergang führen.

Es ist möglich, dass der natürliche Paarungspartner von Adenin in der DNA Thymin (5-Methyluracil) und nicht Uracil ist, um die Erkennung und Entfernung dieser Uracilreste zu ermöglichen. Wäre Uracil ein normaler Bestandteil der DNA, wäre eine solche Reparatur nicht möglich.

Alle Zellen haben Endonukleasen, die die Stellen angreifen, die nach dem spontanen Verlust einzelner Purin- oder Pyrimidinreste verbleiben. Die AP-Endonukleasen sind für die Zelle lebenswichtig, da die spontane Depurination ein relativ häufiges Ereignis ist.

Diese Enzyme führen Kettenbrüche ein, indem sie die Phosphodiesterbindungen an AP-Stellen spalten. Dies initiiert einen Exzisions-Reparatur-Prozess, der durch drei weitere Enzyme vermittelt wird – eine Exonuklease, DNA-Polymerase I und DNA. Ligase.

Aufgrund der Effizienz des AP-Endonuklease-Reparaturwegs kann er der letzte Schritt anderer Reparaturwege sein. Wenn somit beschädigte Basenpaare ausgeschnitten werden können, wodurch eine AP-Stelle zurückbleibt, können die AP-Endonukleasen die Wiederherstellung des Wildtyps vervollständigen. Dies geschieht im DNA-Glykosylase-Reparaturweg.

4. Reparatur nach der Replikation:

Einige Reparaturwege sind in der Lage, Fehler zu erkennen, auch wenn die DNA bereits repliziert wurde. Ein Beispiel, das als Fehlanpassungs-Reparatursystem bezeichnet wird, kann solche Fehlanpassungen erkennen.

Mismatch-Repair-Systeme müssen mindestens drei Dinge tun:

1. Erkennen Sie nicht übereinstimmende Basenpaare.

2. Bestimmen Sie, welche Base in der Fehlanpassung die falsche ist.

3. Entfernen Sie die falsche Base und führen Sie eine Reparatursynthese durch.

Die zweite Eigenschaft ist die entscheidende eines solchen Systems. Sobald die nicht übereinstimmende Site identifiziert wurde, korrigiert das System zur Reparatur von Fehlübereinstimmungen den Fehler.

Sofern es nicht in der Lage ist, zwischen den richtigen und den falschen Basen zu unterscheiden, kann das Fehlpaarungsreparatursystem nicht bestimmen, welche Base ausgeschnitten werden muss, um das Entstehen einer Mutation zu verhindern. Replikationsfehler führen jedoch zu Fehlpaarungen auf dem neu synthetisierten Strang, daher muss die Base auf diesem Strang erkannt und ausgeschnitten werden.


INS-Genmutationen: Von der Genetik und Betazellbiologie bis hin zu klinischen Erkrankungen

Eine wachsende Liste von Insulin-Genmutationen, die eine neue Form des monogenen Diabetes verursachen, hat in den letzten sieben Jahren zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Mutationen wurden in den untranslatierten Regionen des Insulingens sowie in der kodierenden Sequenz von Präproinsulin identifiziert, einschließlich innerhalb des Signalpeptids, der Insulin-B-Kette, des C-Peptids, der Insulin-A-Kette und der proteolytischen Spaltungsstellen sowohl für die Signalpeptidase und die Prohormonkonvertasen. Diese Mutationen betreffen eine Vielzahl verschiedener Schritte der Insulinbiosynthese in pankreatischen Betazellen. Obwohl viele dieser Mutationen eine Proinsulin-Fehlfaltung mit früh einsetzendem autosomal-dominantem Diabetes verursachen, scheinen einige der mutierten Allele unterschiedliche zelluläre und molekulare Mechanismen zu aktivieren, die Betazellversagen und Diabetes zugrunde liegen. In diesem Artikel überprüfen wir die neuesten Fortschritte auf diesem Gebiet und diskutieren Herausforderungen sowie potenzielle Strategien zur Verhinderung/Verzögerung der Entwicklung und des Fortschreitens von autosomal-dominantem Diabetes, der durch INS-Gen-Mutationen verursacht wird. Es ist erwähnenswert, dass, obwohl Diabetes, der durch Mutationen im INS-Gen verursacht wird, selten ist, immer mehr Hinweise darauf hindeuten, dass Defekte im Weg der Insulinbiosynthese auch am Fortschreiten häufigerer Diabetesarten beteiligt sein können. Zusammengenommen liefern die (Prä)Proinsulin-Mutanten aufschlussreiche molekulare Modelle, um die Pathogenese aller Formen von Diabetes besser zu verstehen, an denen Präproinsulin-Verarbeitungsdefekte, Proinsulin-Fehlfaltung und ER-Stress beteiligt sind.

Schlüsselwörter: Diabetes Endoplasmatisches Retikulum Stress Insulinbiosynthese Insulingenmutation Pankreas-Betazelle Proinsulin-Fehlfaltung.

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Figuren

Die Effekte von INS -Gen…

Die Effekte von INS -Genmutationen an den wichtigsten Schritten der Insulinbiosynthese.…

Drei funktionelle Regionen von Präproinsulin…

Drei funktionelle Regionen des Präproinsulin-Signalpeptids und die mit Diabetes assoziierten Mutationen.…

Lösungsstrukturen von Insulinanaloga.…

Lösungsstrukturen von Insulinanaloga. A. Ensemble von NMR-abgeleiteten Strukturen DKP-Insulin Wildtyp (WT).…

Zwei Mutationen des Präproinsulin-Signalpeptids…

Zwei Mutationen des Präproinsulin-Signalpeptids verursachen unterschiedliche zelluläre Defekte in Betazellen. EIN.…

Ein vorgeschlagenes Modell für Betazellversagen und Diabetes, die durch die Defekte verursacht werden…


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Newly Discovered Mutation Causes Eye Disease

This image shows the damaged retina of a patient with a genetic mutation discovered by IRP investigators that causes the eye disease retinitis pigmentosa.

The Human Genome Project gave scientists an incredible roadmap of the thousands of genes used to construct the human body. However, many individuals harbor DNA that differs markedly from the standard reference sequence produced by that initiative, and these variations can have profound implications for a person’s health. A recent study led by IRP scientists has uncovered yet another of these genetic variants, a rare mutation that causes the eye disease retinitis pigmentosa. 1

Retinitis pigmentosa is one of the most common diseases of the retina, the part of the eye that contains light-sensing cells called photoreceptors. In patients with the condition, the photoreceptors degenerate over time, leading first to poor night vision and deteriorating peripheral vision and eventually causing substantial vision loss that leaves patients legally blind.

Mutations in more than 50 genes are known to cause retinitis pigmentosa. IRP senior investigator J. Fielding Hejtmancik, M.D., Ph.D., has been working for over a decade with researchers at Johns Hopkins University and the Center for Excellence in Molecular Biology in Lahore, Pakistan, to identify previously unknown genetic mutations that cause inherited eye diseases. By sequencing the DNA of 143 Pakistani families containing several members with retinitis pigmentosa, the project discovered that multiple affected individuals in five families had a never-before-seen change in a gene called CLCC1, which provides the genetic blueprint for building a channel that moves around chloride ions within cells. Around the same time, a research group in the UK found the same mutation in three other families with Pakistani ancestry and a family history of retinitis pigmentosa, which spurred a collaborative effort to investigate it.

“Finding that this mutation in an intracellular chloride channel caused the disorder threw us for a bit of a loop,” Dr. Hejtmancik says. “It’s not part of the other groups of proteins known to be involved in the disease. Finding something that’s completely outside those groups was a bit of a surprise for us.”

Prior to that discovery, the CLCC1 chloride channel had been largely ignored by the scientific community, with just a single study having examined it nearly three decades ago. 2 Yet the gene’s sequence is remarkably similar across a number of different species from zebrafish to mice to humans, suggesting that it plays an important role in cells.

When Dr. Hejtmancik’s team inserted a mutated version of the CLCC1 channel into human and chicken retinal cells, the abnormal molecule accumulated in a structure called the endoplasmic reticulum that generates and transports cellular proteins. In addition, when Dr. Hejtmancik’s team knocked down the activity of the gene in lab-grown human retinal cells, roughly 10 percent of the cells activated a cellular self-destruct process and died, compared to less than one percent of control cells.

“It’s sort of a double whammy,” Dr. Hejtmancik says. “The absence of CLCC1’s function will kill the cell, and having that damaged protein hanging around in the endoplasmic reticulum probably doesn’t help either.”

Further experiments showed that zebrafish larvae without the CLCC1 gene had abnormal retinas with fewer photoreceptors, which showed signs of degeneration. Injecting these zebrafish with genetic material that allowed their cells to manufacture the CLCC1 channel partially reversed those abnormalities. Mice missing just one copy of the gene had similar retinal defects.

More work will be needed to pin down precisely what the CLCC1 chloride channel does in cells both within and outside the retina, as well as why the CLCC1 mutation causes retinitis pigmentosa. Even without that knowledge, Dr. Hejtmancik’s findings will enable genetic counseling for retinitis pigmentosa patients with the CLCC1 mutation, and further down the line it may be possible to correct the mutation’s consequences using gene therapy.

“We might clinically do some good for some patients at some point, especially if we can do gene therapy,” Dr. Hejtmancik says. “But in the near term, this study really serves as a guidepost for future investigations into the physiology and biochemistry of the retina. It provides a foundation for all the other studies that will be done, many of which will have practical implications.”

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Verweise:

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[2] Identification of a novel chloride channel expressed in the endoplasmic reticulum, golgi apparatus, and nucleus. Nagasawa M, Kanzaki M, Iino Y, Morishita Y, Kojima I. J Biol Chem. 2001 Jun 8276(23):20413-8. Epub 2001 Mar 5.


2) Alkylating, Intercalating, and Adduct-Forming Agents cause induced mutation

A number of naturally occurring and human-made chemicals alter the structure of DNA und verursachen induced mutations. Die sulfur-containing mustard gases, discovered during World War I, were some of the first chemical mutagens identified in chemical warfare studies.

Mustard gases sind alkylating agents—that is, they donate an alkyl group, such as CH3 or CH3CH2, to amino or keto groups in nucleotides. Ethylmethane sulfonate (EMS), for example, alkylates the keto groups in the number 6 position of guanine and in the number 4 position of thymine.

As with base analogs, base-pairing affinities are altered, and transition mutations result. For example, 6-ethylguanine acts as an analog of adenine and pairs with thymines. Interkalierende Agentien are chemicals that have dimensions and shapes that allow them to wedge between the base pairs of DNA.

When bound between base pairs, intercalating agents cause base pairs to distort and DNA strands to unwind. These changes in DNA structure affect many functions including transcription, replication, and repair. Deletions und insertions occur during DNA Replikation and repair, leading to frameshift mutations.

Some intercalating agents are used as DNA stains. An example is ethidium bromide, a fluorescent compound. That is commonly used in molecular biology laboratories to visualize DNA during purifications and Gelelektrophorese.

The mutagenic characteristics of both ethidium bromide and the ultraviolet light used to visualize its fluorescence, that mean this chemical must be used with caution.

Other intercalating agents are used for cancer chemotherapy. Examples are doxorubicin, which is used to treat Hodgkin’s lymphoma und dactinomycin, which is used to treat a variety of sarcomas.

Because cancer cells undergo DNA Replikation more frequently than noncancer cells. They are more sensitive than normal cells to the mutagenic and damaging effects of these chemotherapeutic agents.

Another group of chemicals that cause induced mutations are known as adduct-forming agents. A DNA adduct is a substance that covalently binds to DNA, altering its conformation and interfering with replication and repair.

Two examples of adduct-forming substances are,

  1. Acetaldehyd (a component of cigarette smoke)
  2. heterocyclic amines (HCAs).

HCAs are cancer-causing chemicals that are created during the cooking of meats such as beef, chicken, and fish. HCAs are formed at high temperatures from amino acids and creatine. Many HCAs covalently bind to guanine bases. Wenigstens 17 different HCAs have been linked to the development of cancers, such as those of the stomach, colon, and breast


The How and the Why

Scientists ask these sorts of questions and test them based on previous knowledge and future predictions. Some common questions focus on how a trait develops. This is known as the proximate cause. The proximate cause of the wing color in the peppered moth is genetic. A specific gene codes for whether they have light or dark-colored wings. In moths that survive and reproduce, the genes for a specific color is passed to their offspring.

Now, let’s look at the bigger picture. Why might an animal like the peppered moth have colored wings? Why a trait evolves is known as the ultimate cause. We now know that the wings of the peppered moth help the moths blend in. By blending in, their chances of survival increase. So in a specific environment, one wing color may help more moths survive than the other wing color. That's a pretty important benefit. The proximate cause and ultimate cause are often both involved in bringing about a trait that helps an organism survive in its niche.

Bicycling can be used as another example of proximate vs. ultimate causation. Klicken Sie für mehr Details.

Understanding both the proximate and ultimate causes helps us to understand why traits change over time. In non-polluted forests, moths with light wings were more likely to survive. In polluted forests, moths with dark wings blended in better. They were less likely to get eaten by birds and could then reproduce and pass their wing colors on.

We can also look at more familiar problems in terms of proximate or ultimate questions. Think of a bicycle. To go forward, you move the pedals. This turns the wheels, moving the bike. That is the proximate cause of how a bike works.

But what are the ultimate causes of why the bike moves? One proposal is that humans needed a faster way to get around. We designed the bike to help us move around faster and use our time more wisely.

If you're still confused about proximate vs. ultimate, try to think of it in a different way. Proximate and ultimate explanations also differ in the time scale over which they act. Proximate explanations focus on things that occur during the life of an individual. Ultimate explanations focus on things that occur in populations over many generations. Think you have a handle on the how and the why of biology?


Yes And No

As L.Dutch pointed out, retroviruses routinely insert their RNA into the DNA of the host cell. If such a virus were carefully engineered, and targeted germ cells (sperm and eggs), it could introduce some scattershot mutations that could result in much more rapid evolution in the progeny of the people infected by the virus. (And result in a Menge more stillbirths/miscarriages as mutations kill more often than they're beneficial.)

In The Cave, what the creatures do is not evolution. They change, as an extant organism, from one form to another. This is impossible. Changing the DNA of a host all at once is impossible, and the changes required for major phenotypic (body structure) change would be lethal to an organism not evolved to handle it (insects with cocoons, etc.)

Even leaving aside the impossibility of non-lethal whole-organism phenotype change, the energy demands would be astronomical. Think of how adolescents eat, but much more dramatically.

So could you introduce a virus into a population which would increase the rate of mutation and thereby increase the "rate" of evolution? Jawohl. Would it be anything like The Cave? Nein. The Cave's parasites are magic.


Gene Study Shows Blond Hair Color Is Just Skin Deep

For thousands of years, people have both prized and mocked blond hair. Now, a new study shows that many can thank a tiny genetic mutation—a single letter change from an A to a G among the 3 billion letters in the book of human DNA—for their golden locks.

The mutation "is the biological mechanism that helps create that [blond] color naturally," said David Kingsley, a professor of developmental biology at Stanford University and a Howard Hughes Medical Institute investigator, who led the research. "This is a great biological example of how traits can be controlled, and what a superficial difference blond hair color really is."

Kingsley, a brunet, said the study, published today in Nature Genetics, also offers a powerful insight into the workings of the human genome. The mutation doesn't alter the protein production of any of the 20,000 genes in the human genome, he said. Instead, in people of European ancestry, it causes blond hair through a 20 percent "turn of the thermostat dial" that regulates a signaling gene in the hair follicles of the skin.

Elsewhere in the body, that signaling gene is involved in the formation of blood, egg, sperm, and stem cells. Turning such a gene entirely on or off could be devastating. But a tiny mutation that tweaks the gene's activity in only one area—in this case the skin—allows for harmless changes, he said.

Pardis Sabeti, a computational biologist at Harvard University and Broad Institute who was not involved in the research, said the study is a "beautiful demonstration" of this kind of tweaking, which has previously been poorly understood. To find a single letter change and prove that it is a big driver of blond hair is a major scientific accomplishment, she said.

A Subtle Change With Big Results

To find the blond-hair gene mutation, Kingsley and his team looked at an area of the genome previously linked to blondness in people from Iceland and the Netherlands. They painstakingly identified the exact letter change that gives a person blond hair.

The researchers tested what that letter change did in human skin cells grown in a petri dish. The cells showed a reduction in activity in the switch that controls the signaling gene. Then Kingley's group bred lines of mice that either had the mutation or didn't have it. The single-letter change didn't create blond mice, but those with the mutation had coats of a lighter color than those without.

Learning the mechanism behind something as common—and as universally recognizable—as hair color, can help explain how genes work in other contexts, such as illnesses, where the stakes are higher, Kingsley said. "Understanding these principles will help people . trying to find drugs for diseases."

Hopi Hoekstra, a professor of genetics at Harvard who was not involved in the research, said the new finding confirms what researchers had long suspected: that small changes in gene expression caused by only a single DNA base pair change can lead to major changes in traits.

Hair color "is a great starting point to do this type of molecular dissection" because it's simple to see whether the mutation results in a change in appearance, she said. "But it highlights how difficult this is going to be for more complex human traits, like mental illness, which we've never been very good at measuring."

The blond hair mutation—or variant—is not genetically linked to any other traits, even eye color, Kingsley said, showing that none of our stereotypes about blonds are true. In contrast, many other human variants, such as some that cause red hair, are known to affect the protein structure of genes, and therefore trigger changes everywhere in the body the gene is expressed. Red hair, fair skin, and lighter eyes tend to travel as a package, he said, and may even be genetically paired with greater sensitivity to pain and temperature changes—though probably not fiery tempers.


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