Τι είναι οι αυθόρμητες μεταλλάξεις. Διαδικασία αυτόματης μετάλλαξης και τα αίτια της
Οι μεταλλάξεις αποτελούν σημαντικό αντικείμενο μελέτης για κυτταρογενετιστές και βιοχημικούς. Είναι μεταλλάξεις, γονιδιακές ή χρωμοσωμικές, που είναι συχνότερα η αιτία κληρονομικών ασθενειών. Υπό φυσικές συνθήκες, οι χρωμοσωμικές αναδιατάξεις συμβαίνουν πολύ σπάνια. Οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από χημικές ουσίες, βιολογικούς μεταλλαξιογόνους παράγοντες ή φυσικούς παράγοντες όπως η ιονίζουσα ακτινοβολία είναι συχνά η αιτία συγγενών δυσπλασιών και κακοηθειών.
Γενικές πληροφορίες για τις μεταλλάξεις
Ο Hugh de Vries όρισε μια μετάλλαξη ως μια ξαφνική αλλαγή σε ένα κληρονομικό χαρακτηριστικό. Αυτό το φαινόμενο εντοπίζεται στο γονιδίωμα όλων των ζωντανών οργανισμών, από τα βακτήρια μέχρι τον άνθρωπο. Υπό κανονικές συνθήκες, μεταλλάξεις στα νουκλεϊκά οξέα συμβαίνουν πολύ σπάνια, με συχνότητα περίπου 1·10 -4 - 1·10 -10 .
Ανάλογα με την ποσότητα του γενετικού υλικού που επηρεάζεται από τις αλλαγές, οι μεταλλάξεις χωρίζονται σε γονιδιωματικές, χρωμοσωμικές και γονιδιακές. Τα γονιδιωματικά σχετίζονται με μια αλλαγή στον αριθμό των χρωμοσωμάτων (μονοσωμία, τρισωμία, τετρασωμία). τα χρωμοσώματα σχετίζονται με αλλαγές στη δομή των μεμονωμένων χρωμοσωμάτων (διαγραφές, διπλασιασμοί, μετατοπίσεις). γονιδιακές μεταλλάξεις επηρεάζουν ένα μεμονωμένο γονίδιο. Εάν η μετάλλαξη επηρέασε μόνο ένα ζεύγος νουκλεοτιδίων, τότε πρόκειται για σημειακή μετάλλαξη.
Ανάλογα με τα αίτια που τις προκάλεσαν, διακρίνονται οι αυθόρμητες και οι επαγόμενες μεταλλάξεις.
Αυθόρμητες Μεταλλάξεις
Εμφανίζονται στο σώμα υπό την επίδραση εσωτερικών παραγόντων. Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις θεωρούνται φυσιολογικές, σπάνια οδηγούν σε σοβαρές συνέπειες για τον οργανισμό. Τις περισσότερες φορές, τέτοιες αναδιατάξεις συμβαίνουν μέσα στο ίδιο γονίδιο, που σχετίζονται με την αντικατάσταση βάσεων - πουρίνης για άλλη πουρίνη (μετάβαση) ή πουρίνης για πυριμιδίνη (μεταστροφή).
Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις συμβαίνουν πολύ λιγότερο συχνά στα χρωμοσώματα. Συνήθως, οι χρωμοσωμικές αυθόρμητες μεταλλάξεις αντιπροσωπεύονται από μετατοπίσεις (μεταφορά ενός ή περισσότερων γονιδίων από ένα χρωμόσωμα σε άλλο) και αναστροφές (αλλαγές στην αλληλουχία γονιδίων στο χρωμόσωμα).
Προκαλούμενες ανακατατάξεις
Οι επαγόμενες μεταλλάξεις συμβαίνουν στα κύτταρα του σώματος υπό την επίδραση χημικών ουσιών, ακτινοβολίας ή υλικού αναπαραγωγής ιών. Τέτοιες μεταλλάξεις εμφανίζονται πιο συχνά από τις αυθόρμητες και έχουν πιο σοβαρές συνέπειες. Επηρεάζουν μεμονωμένα γονίδια και ομάδες γονιδίων, εμποδίζοντας τη σύνθεση μεμονωμένων πρωτεϊνών. Οι επαγόμενες μεταλλάξεις συχνά επηρεάζουν συνολικά το γονιδίωμα, είναι υπό την επίδραση μεταλλαξιγόνων που εμφανίζονται μη φυσιολογικά χρωμοσώματα στο κύτταρο: ισοχρωμοσώματα, χρωμοσώματα δακτυλίου, δικεντρικά.
Οι μεταλλαξιογόνοι παράγοντες, εκτός από τις χρωμοσωμικές αναδιατάξεις, προκαλούν βλάβες στο DNA: θραύσεις διπλού κλώνου, σχηματισμός σταυροδεσμών DNA.
Παραδείγματα χημικών μεταλλαξιγόνων
Οι χημικοί μεταλλαξιογόνοι παράγοντες περιλαμβάνουν νιτρικά, νιτρώδη, ανάλογα αζωτούχων βάσεων, νιτρώδες οξύ, φυτοφάρμακα, υδροξυλαμίνη και ορισμένα πρόσθετα τροφίμων.
Το νιτρώδες οξύ προκαλεί τη διάσπαση της αμινομάδας από τις αζωτούχες βάσεις και την αντικατάστασή της από μια άλλη ομάδα. Αυτό οδηγεί σε σημειακές μεταλλάξεις. Χημικά επαγόμενες μεταλλάξεις προκαλούνται επίσης από την υδροξυλαμίνη.
Τα νιτρικά και τα νιτρώδη σε υψηλές δόσεις αυξάνουν τον κίνδυνο καρκίνου. Ορισμένα πρόσθετα τροφίμων προκαλούν αντιδράσεις αρυλίωσης νουκλεϊκών οξέων, γεγονός που οδηγεί σε διακοπή των διαδικασιών μεταγραφής και μετάφρασης.
Τα χημικά μεταλλαξιογόνα είναι πολύ διαφορετικά. Συχνά είναι αυτές οι ουσίες που προκαλούν επαγόμενες μεταλλάξεις στα χρωμοσώματα.
Τα φυσικά μεταλλαξιογόνα περιλαμβάνουν ιονίζουσα ακτινοβολία, κυρίως βραχέων κυμάτων και υπεριώδη ακτινοβολία. Η υπεριώδης ακτινοβολία ξεκινά τη διαδικασία στις μεμβράνες, προκαλεί το σχηματισμό διαφόρων ελαττωμάτων στο DNA.
Οι ακτίνες Χ και η ακτινοβολία γάμμα προκαλούν μεταλλάξεις στο επίπεδο των χρωμοσωμάτων. Τέτοια κύτταρα δεν είναι ικανά να διαιρεθούν, πεθαίνουν κατά την απόπτωση. Οι επαγόμενες μεταλλάξεις μπορούν επίσης να επηρεάσουν μεμονωμένα γονίδια. Για παράδειγμα, ο αποκλεισμός των ογκοκατασταλτικών γονιδίων οδηγεί στην εμφάνιση όγκων.
Παραδείγματα επαγόμενων ανακατατάξεων
Παραδείγματα επαγόμενων μεταλλάξεων είναι διάφορες γενετικές ασθένειες, οι οποίες εκδηλώνονται συχνότερα σε περιοχές που εκτίθενται σε φυσικό ή χημικό μεταλλαξογόνο παράγοντα. Είναι γνωστό, συγκεκριμένα, ότι στην ινδική πολιτεία της Κεράλα, όπου η ετήσια αποτελεσματική δόση ιονίζουσας ακτινοβολίας υπερβαίνει τον κανόνα κατά 10 φορές, η συχνότητα γέννησης παιδιών με σύνδρομο Down (τρισωμία στο 21ο χρωμόσωμα) αυξάνεται. Στην κινεζική συνοικία Yangjiang, βρέθηκε μεγάλη ποσότητα ραδιενεργού μοναζίτη στο έδαφος. Τα ασταθή στοιχεία στη σύνθεσή του (δημήτριο, θόριο, ουράνιο) διασπώνται με την απελευθέρωση γάμμα κβαντών. Η επίδραση της ακτινοβολίας βραχέων κυμάτων στους κατοίκους της συνοικίας οδήγησε σε μεγάλο αριθμό γεννήσεων παιδιών με σύνδρομο που κλαίει (διαγραφή μεγάλου τμήματος του 8ου χρωμοσώματος), καθώς και σε αυξημένη συχνότητα εμφάνισης καρκίνου. Ένα άλλο παράδειγμα: τον Ιανουάριο του 1987, καταγράφηκε στην Ουκρανία αριθμός ρεκόρ γεννήσεων παιδιών με σύνδρομο Down, που σχετίζεται με το ατύχημα του Τσερνομπίλ. Στο πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης, το έμβρυο είναι πιο ευαίσθητο στις επιδράσεις των φυσικών και χημικών μεταλλαξιγόνων, έτσι μια κολοσσιαία δόση ακτινοβολίας έχει οδηγήσει σε αύξηση της συχνότητας των χρωμοσωμικών ανωμαλιών.
Ένα από τα πιο διαβόητα χημικά μεταλλαξιογόνα στην ιστορία είναι το ηρεμιστικό Θαλιδομίδη, που παρήχθη στη Γερμανία τη δεκαετία του 1950. Η λήψη αυτού του φαρμάκου έχει οδηγήσει στη γέννηση πολλών παιδιών με μεγάλη ποικιλία γενετικών ανωμαλιών.
Η μέθοδος των επαγόμενων μεταλλάξεων χρησιμοποιείται συνήθως από τους επιστήμονες για να βρουν τους καλύτερους τρόπους για την καταπολέμηση των αυτοάνοσων ασθενειών και των γενετικών ανωμαλιών που σχετίζονται με την υπερέκκριση πρωτεϊνών.
Αυθόρμητος- πρόκειται για μεταλλάξεις που συμβαίνουν αυθόρμητα, χωρίς τη συμμετοχή του πειραματιστή.
που προκαλείται- πρόκειται για μεταλλάξεις που προκαλούνται τεχνητά, χρησιμοποιώντας διάφορους παράγοντες μεταλλαξιογένεση.
Γενικά, η διαδικασία σχηματισμού μεταλλάξεων ονομάζεται μεταλλαξιογένεσηκαι οι παράγοντες που προκαλούν μεταλλάξεις είναι μεταλλαξιογόνα.
Μεταλλαξιογόνοι παράγοντεςυποδιαιρείται σε φυσικός, χημική ουσίακαι βιολογικός.
Συχνότητα αυθόρμητων μεταλλάξεωνένα γονίδιο είναι , για κάθε γονίδιο κάθε οργανισμού έχει το δικό του.
Αιτίες αυθόρμητων μεταλλάξεωνδεν είναι απολύτως σαφείς. Παλαιότερα πίστευαν ότι προκλήθηκαν φυσικό υπόβαθρο ιονίζουσας ακτινοβολίας. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι δεν ήταν έτσι. Για παράδειγμα, στη Drosophila, η φυσική ακτινοβολία υποβάθρου δεν προκαλεί περισσότερο από το 0,1% των αυθόρμητων μεταλλάξεων.
ΑΠΟ ηλικίασυνέπειες από την έκθεση σε φυσική ακτινοβολία υποβάθρου μπορεί συσσωρεύωκαι στους ανθρώπους, το 10 έως 25% των αυθόρμητων μεταλλάξεων σχετίζονται με αυτό.
Δεύτερος λόγοςοι αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι τυχαία βλάβη σε χρωμοσώματα και γονίδιακατά την κυτταρική διαίρεση και την αντιγραφή του DNA λόγω τυχαία σφάλματαστη λειτουργία των μοριακών μηχανισμών.
Ο τρίτος λόγοςοι αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι κίνησηαπό το γονιδίωμα κινητά στοιχεία, το οποίο μπορεί να εισαχθεί σε οποιοδήποτε γονίδιο και να προκαλέσει μετάλλαξη σε αυτό.
Ο Αμερικανός γενετιστής M. Green έδειξε ότι περίπου το 80% των μεταλλάξεων που ανακαλύφθηκαν ως αυθόρμητες προέκυψαν ως αποτέλεσμα της κίνησης κινητών στοιχείων.
επαγόμενες μεταλλάξειςανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1925. Γ.Α. Nadsonκαι Γ.Σ. Φιλίπποφστην ΕΣΣΔ. Ακτινοβολούσαν καλλιέργειες μούχλας με ακτίνες Χ Mucor genevensisκαι έλαβε μια διάσπαση του πολιτισμού «σε δύο μορφές ή φυλές, που διαφέρουν όχι μόνο μεταξύ τους, αλλά και από την αρχική (κανονική) μορφή». Τα μεταλλαγμένα αποδείχθηκαν σταθερά, αφού μετά από οκτώ διαδοχικά περάσματα διατήρησαν τις επίκτητες ιδιότητες τους. Το άρθρο τους δημοσιεύτηκε μόνο στα ρωσικά, και επιπλέον, η εργασία δεν χρησιμοποίησε μεθόδους για την ποσοτικοποίηση της δράσης των ακτίνων Χ, επομένως δεν έγινε αντιληπτό.
ΣΤΟ 1927 ΣΟΛ. G. Möllerαναφέρθηκε στην επίδραση των ακτίνων Χ στη διαδικασία μετάλλαξης στη Drosophila και πρότεινε ποσοτική μέθοδοςεπίδομα για υπολειπόμενες θανατηφόρες μεταλλάξεις στο χρωμόσωμα Χ ( ClB), που έχει γίνει κλασικό.
Το 1946, ο Möller τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη της μεταλλαξιογένεσης ακτινοβολίας. Έχει πλέον διαπιστωθεί ότι πρακτικά όλα τα είδη ακτινοβολίας(συμπεριλαμβανομένης της ιονίζουσας ακτινοβολίας όλων των ειδών - a, b, g, ακτίνες UV, υπέρυθρες ακτίνες) προκαλούν μεταλλάξεις. Καλούνται φυσικά μεταλλαξιογόνα.
Κύριος μηχανισμώντις πράξεις τους:
1) παραβίαση της δομής των γονιδίων και των χρωμοσωμάτων λόγω άμεση δράσησε μόρια DNA και πρωτεΐνης.
2) εκπαίδευση ελεύθερες ρίζες, τα οποία εισέρχονται σε χημική αλληλεπίδραση με το DNA.
3) σπασίματα νήματος άτρακτο σχάσης;
4) εκπαίδευση διμερή(θυμίνη).
Στη δεκαετία του '30. ήταν ανοιχτό χημική μεταλλαξιογένεσηστη Δροσόφιλα: V. V. Ζαχάρωφ (1932 ), M. E. Lobashevκαι F. A. Smirnov (1934 ) έχουν δείξει ότι ορισμένες ενώσεις, όπως π.χ ιώδιο, οξικό οξύ, αμμωνίαείναι ικανά να επάγουν υπολειπόμενες θανατηφόρες μεταλλάξεις στο χρωμόσωμα Χ.
ΣΤΟ 1939 ΣΟΛ. Σεργκέι Μιχαήλοβιτς Γκερσενζόν(μαθητής του S.S. Chetverikov) ανακάλυψε ένα ισχυρό μεταλλαξιογόνο δράση του εξωγενούς DNAστη Δροσόφιλα. Υπό την επίδραση των ιδεών του Ν.Κ. Koltsov ότι το χρωμόσωμα είναι ένα γιγάντιο μόριο, S.M. Ο Gershenzon αποφάσισε να δοκιμάσει την υπόθεσή του ότι το DNA είναι ένα τέτοιο μόριο. Απομόνωσε DNA από τον θύμο αδένα και το πρόσθεσε στην τροφή των προνυμφών της Drosophila. Ανάμεσα σε 15.000 μύγες ελέγχου (δηλαδή, χωρίς DNA στην τροφή), δεν υπήρξε ούτε μία μετάλλαξη και στο πείραμα βρέθηκαν 13 μεταλλάκτες ανάμεσα σε 13.000 μύγες.
ΣΤΟ 1941 Charlotte Auerbachκαι J. Robsonέδειξε ότι μουστάρδα αζώτουπροκαλεί μεταλλάξεις στη Drosophila. Τα αποτελέσματα της εργασίας με αυτόν τον παράγοντα χημικού πολέμου δημοσιεύθηκαν μόλις το 1946, μετά το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Στο ίδιο 1946 ΣΟΛ. Ράποπορτ(Joseph Abramovich) στην ΕΣΣΔ παρουσίασε μεταλλαξιογόνο δράση φορμαλδευγή.
Επί του παρόντος να χημικά μεταλλαξιογόναπεριλαμβάνω:
ένα) φυσικόςοργανικές και ανόργανες ουσίες.
β) βιομηχανικά προϊόντα επεξεργασία φυσικών ενώσεων- άνθρακας, λάδι.
σε) συνθετικές ουσίες, που δεν είχε προηγουμένως βρεθεί στη φύση (φυτοκτόνα, εντομοκτόνα κ.λπ.)
δ) μερικά μεταβολίτεςανθρώπινους και ζωικούς οργανισμούς.
Χημικά μεταλλαξιογόναπροκαλούν κατά κύριο λόγο γενετικήμεταλλάξεις και δρουν κατά την αντιγραφή του DNA.
Μηχανισμοί δράσης τους:
1) τροποποίηση της δομής βάσης (υδροξυλίωση, απαμίνωση, αλκυλίωση).
2) αντικατάσταση αζωτούχων βάσεων από τα ανάλογα τους.
3) αναστολή της σύνθεσης προδρόμων νουκλεϊκών οξέων.
Τα τελευταία χρόνια, τα λεγόμενα υπερμεταλλαξιογόνα:
1)ανάλογα βάσης?
2) συνδέσεις, αλκυλιωτικό DNA(μεθανοσουλφονικός αιθυλεστέρας, μεθανοσουλφονικός μεθυλεστέρας, κ.λπ.);
3) συνδέσεις, παρεμβάλλονταςμεταξύ βάσεων DNA (ακριδίνες και τα παράγωγά τους).
Τα υπερμεταλλαξιογόνα αυξάνουν τη συχνότητα των μεταλλάξεων κατά 2-3 τάξεις μεγέθους.
Προς την βιολογικά μεταλλαξιογόνασχετίζομαι:
ένα) ιούς(ερυθρά, ιλαρά, κ.λπ.);
σι) μη ιικοί μολυσματικοί παράγοντες(βακτήρια, ρικέτσιες, πρωτόζωα, έλμινθοι).
σε) κινητά γενετικά στοιχεία.
Μηχανισμοί δράσης τους:
1) τα γονιδιώματα των ιών και των κινητών στοιχείων ενσωματώνονται στο DNA των κυττάρων-ξενιστών.
επαγόμενη μεταλλαξιογένεση, από τα τέλη της δεκαετίας του 20 του ΧΧ αιώνα, έχουν χρησιμοποιηθεί για την αναπαραγωγή νέων στελεχών, φυλών και ποικιλιών. Η μεγαλύτερη επιτυχία έχει επιτευχθεί στην επιλογή στελεχών βακτηρίων και μυκήτων - παραγωγών αντιβιοτικών και άλλων βιολογικά δραστικών ουσιών.
Ναι, καταφέραμε να αυξήσουμε τη δραστηριότητα παραγωγούς αντιβιοτικών 10-20 φορές, γεγονός που κατέστησε δυνατή τη σημαντική αύξηση της παραγωγής των αντίστοιχων αντιβιοτικών και τη σημαντική μείωση του κόστους τους. Η δραστηριότητα του ακτινοβόλου μύκητα - παραγωγός βιταμίνης Β 12κατάφερε να αυξηθεί 6 φορές, και η δραστηριότητα των βακτηρίων - παραγωγού αμινοξέα λυσίνης- 300-400 φορές.
Χρήση μεταλλάξεων νανισμός στο σιτάριεπέτρεψε στη δεκαετία του 60-70 να αυξηθεί δραματικά η απόδοση των καλλιεργειών σιτηρών, η οποία ονομάστηκε " πράσινη επανάσταση". Οι ποικιλίες νάνου σιταριού έχουν ένα κοντό, παχύ μίσχο που είναι ανθεκτικό στην παραμονή, μπορεί να αντέξει το αυξημένο φορτίο από ένα μεγαλύτερο στάχυ. Η χρήση αυτών των ποικιλιών κατέστησε δυνατή τη σημαντική αύξηση των αποδόσεων (πολλές φορές σε ορισμένες χώρες).
Ο συγγραφέας της «πράσινης επανάστασης» θεωρείται Αμερικανός κτηνοτρόφος και γενετιστής Ν. Μπορλάουγκα, ο οποίος το 1944, σε ηλικία 30 ετών, εγκαταστάθηκε και άρχισε να εργάζεται στο Μεξικό. Για την επιτυχία του στην αναπαραγωγή ποικιλιών φυτών υψηλής παραγωγικότητας το 1970, του απονεμήθηκε το Νόμπελ Ειρήνης.
11
.
Γονιδιακές μεταλλάξεις
Γονιδιακές (σημειιακές) μεταλλάξειςσχετίζεται με σχετικά μικρές αλλαγές στις αλληλουχίες νουκλεοτιδίων. Γονιδιακές μεταλλάξεις υποδιαιρείταιγια αλλαγές δομικά γονίδιακαι αλλαγές ρυθμιστικά γονίδια.
Τύποι μετάλλαξης:
1. Εισαγωγή (εισαγωγή)ή απώλεια (διαγραφή)ζευγάρι ή πολλά ζεύγη νουκλεοτιδίων, οδηγούν σε μετατόπιση πλαισίου. Ανάλογα με τον τόπο εισαγωγής ή απώλειας νουκλεοτιδίων, αλλάζει μικρότερος ή μεγαλύτερος αριθμός κωδικονίων.
2. Μετάβαση- αντικατάσταση βάσεων πουρίνης με πουρινικές βάσεις ή βάσεων πυριμιδίνης με βάσεις πυριμιδίνης, για παράδειγμα: A "G, C" T.
3. Μεταστροφή -αντικατάσταση μιας βάσης πουρίνης για μια βάση πυριμιδίνης ή μιας βάσης πυριμιδίνης για μια βάση πουρίνης. Για παράδειγμα: A "C, G" T.
Οι αλλαγές στα δομικά γονίδια οδηγούν σε:
α) να κακές μεταλλάξεις- αλλαγή της σημασίας των κωδικονίων και σχηματισμός άλλων πρωτεϊνών.
β) να ανοησίες μεταλλάξεις– ο σχηματισμός κωδικονίων STOP (UAA, UAG, UGA).
Αποτελέσματα αλλαγών στα ρυθμιστικά γονίδια:
1. Η πρωτεΐνη καταστολέα δεν ταιριάζει στον χειριστή (“ το κλειδί δεν χωράει στην κλειδαρότρυπα”) - τα δομικά γονίδια λειτουργούν συνεχώς (οι πρωτεΐνες συντίθενται συνεχώς).
2. Η πρωτεΐνη καταστολέα «προσκολλάται» σφιχτά στον χειριστή και δεν αφαιρείται από τον επαγωγέα (“ το κλειδί δεν βγαίνει από την κλειδαρότρυπα”) – τα δομικά γονίδια δεν λειτουργούν συνεχώς και οι πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται σε αυτό το οπερόνιο δεν συντίθενται.
3. Παραβίαση της εναλλαγής καταστολής και επαγωγής- απουσία επαγωγέα, συντίθεται μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη και παρουσία της, η πρωτεΐνη δεν συντίθεται. Αυτό οφείλεται σε μεταλλάξεις στο γονίδιο του ρυθμιστή ή στην ακολουθία χειριστή.
Οι γονιδιακές μεταλλάξεις είναι η κύρια αιτία γονιδιακές παθήσεις, η συχνότητα των οποίων στους ανθρώπινους πληθυσμούς φτάνει το 1-2%.
Ποιες μεταλλάξεις ονομάζονται αυθόρμητες; Εάν μεταφράσουμε τον όρο σε μια προσβάσιμη γλώσσα, τότε πρόκειται για φυσικά λάθη που συμβαίνουν στη διαδικασία αλληλεπίδρασης του γενετικού υλικού με το εσωτερικό ή/και εξωτερικό περιβάλλον. Τέτοιες μεταλλάξεις είναι συνήθως τυχαίες. Παρατηρούνται στο φύλο και σε άλλα κύτταρα του σώματος.
Εξωγενή αίτια μεταλλάξεων
Αυθόρμητη μετάλλαξη μπορεί να συμβεί υπό την επίδραση χημικών ουσιών, ακτινοβολίας, υψηλών ή χαμηλών θερμοκρασιών, σπάνιου αέρα ή υψηλής πίεσης.
Κάθε χρόνο, κατά μέσο όρο, ένα άτομο απορροφά περίπου το ένα δέκατο του rad ιονίζουσας ακτινοβολίας, που αποτελεί το φυσικό υπόβαθρο ακτινοβολίας. Αυτός ο αριθμός περιλαμβάνει την ακτινοβολία γάμμα από τον πυρήνα της Γης, τον ηλιακό άνεμο και τη ραδιενέργεια των στοιχείων που βρίσκονται στο πάχος του φλοιού της γης και είναι διαλυμένα στην ατμόσφαιρα. Η δόση που λαμβάνεται εξαρτάται επίσης από το πού βρίσκεται το άτομο. Το ένα τέταρτο όλων των αυθόρμητων μεταλλάξεων συμβαίνουν ακριβώς εξαιτίας αυτού του παράγοντα.
Η υπεριώδης ακτινοβολία, αντίθετα με τη δημοφιλή πεποίθηση, παίζει δευτερεύοντα ρόλο στην εμφάνιση καταστροφών του DNA, καθώς δεν μπορεί να διεισδύσει αρκετά βαθιά στο ανθρώπινο σώμα. Αλλά το δέρμα υποφέρει συχνά από υπερβολική έκθεση στον ήλιο (μελάνωμα και άλλους καρκίνους). Ωστόσο, μονοκύτταροι οργανισμοί και ιοί μεταλλάσσονται όταν εκτίθενται στο ηλιακό φως.
Οι πολύ υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν αλλαγές στο γενετικό υλικό.
Ενδογενείς αιτίες μεταλλάξεων
Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους μπορεί να συμβεί αυθόρμητη μετάλλαξη παραμένουν ενδογενείς παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν παραπροϊόντα του μεταβολισμού, σφάλματα στη διαδικασία αντιγραφής, επιδιόρθωσης ή ανασυνδυασμού και άλλα.
- Αποτυχίες αναπαραγωγής:
- αυθόρμητες μεταπτώσεις και αναστροφές αζωτούχων βάσεων.
- εσφαλμένη εισαγωγή νουκλεοτιδίων λόγω σφαλμάτων στις πολυμεράσες του DNA.
- χημική αντικατάσταση νουκλεοτιδίων, για παράδειγμα, γουανίνη-κυτοσίνη σε αδενίνη-γουανίνη. - Σφάλματα ανάκτησης:
- μεταλλάξεις στα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την επιδιόρθωση μεμονωμένων τμημάτων της αλυσίδας του DNA μετά το σπάσιμό τους υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων. - Προβλήματα ανασυνδυασμού:
- αποτυχίες στις διαδικασίες διασταύρωσης κατά τη διάρκεια της μείωσης ή της μίτωσης οδηγούν στην απώλεια και ολοκλήρωση των βάσεων.
Αυτοί είναι οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν αυθόρμητες μεταλλάξεις. Οι λόγοι για τις αποτυχίες μπορεί να είναι η ενεργοποίηση γονιδίων μεταλλάξεων, καθώς και η μετατροπή ασφαλών χημικών ενώσεων σε πιο ενεργούς μεταβολίτες που επηρεάζουν τον κυτταρικό πυρήνα. Επιπλέον, υπάρχουν και δομικοί παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν επαναλήψεις της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας κοντά στη θέση της αναδιάταξης της αλυσίδας, την παρουσία πρόσθετων τμημάτων DNA παρόμοιας δομής με το γονίδιο, καθώς και κινητά στοιχεία του γονιδιώματος.
Παθογένεια μετάλλαξης
Η αυθόρμητη μετάλλαξη εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της επίδρασης όλων των παραπάνω παραγόντων που δρουν μαζί ή χωριστά σε μια ορισμένη περίοδο της ζωής του κυττάρου. Υπάρχει ένα τέτοιο φαινόμενο όπως μια ολισθαίνουσα παραβίαση του ζευγαρώματος των κλώνων του θυγατρικού και του μητρικού DNA. Ως αποτέλεσμα, συχνά σχηματίζονται βρόχοι από πεπτίδια που δεν μπόρεσαν να χωρέσουν επαρκώς στην αλληλουχία. Μετά την απομάκρυνση της περίσσειας θραυσμάτων DNA από τον θυγατρικό κλώνο, οι βρόχοι μπορούν να αφαιρεθούν (διαγραφές) και να ενσωματωθούν (διπλασιασμοί, εισαγωγές). Οι αλλαγές που προκύπτουν διορθώνονται στους επόμενους κύκλους κυτταρικής διαίρεσης.
Ο ρυθμός και ο αριθμός των μεταλλάξεων που συμβαίνουν εξαρτώνται από την πρωτογενή δομή του DNA. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι απολύτως όλες οι αλληλουχίες DNA είναι μεταλλαξιογόνες εάν σχηματίζουν στροφές.
Οι πιο συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις
Ποια είναι η πιο κοινή εκδήλωση αυθόρμητων μεταλλάξεων στο γενετικό υλικό; Παραδείγματα τέτοιων συνθηκών είναι η απώλεια αζωτούχων βάσεων και η απομάκρυνση αμινοξέων. Τα υπολείμματα κυτοσίνης θεωρούνται ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτά.
Έχει αποδειχθεί ότι σήμερα περισσότερα από τα μισά σπονδυλωτά έχουν μετάλλαξη υπολειμμάτων κυτοσίνης. Μετά την απαμίνωση, η μεθυλκυτοσίνη μετατρέπεται σε θυμίνη. Η επακόλουθη αντιγραφή αυτής της ενότητας επαναλαμβάνει το σφάλμα ή το διαγράφει ή διπλασιάζεται και μεταλλάσσεται σε ένα νέο τμήμα.
Ένας άλλος λόγος για συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις θεωρείται ο μεγάλος αριθμός ψευδογονιδίων. Εξαιτίας αυτού, μπορούν να σχηματιστούν άνισοι ομόλογοι ανασυνδυασμοί κατά τη διάρκεια της μείωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αναδιατάξεις στα γονίδια, στροφές και διπλασιασμούς μεμονωμένων αλληλουχιών νουκλεοτιδίων.
Μοντέλο πολυμεράσης μεταλλαξιογένεσης
Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, οι αυθόρμητες μεταλλάξεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα τυχαίων σφαλμάτων στα μόρια που συνθέτουν το DNA. Για πρώτη φορά, ένα τέτοιο μοντέλο παρουσιάστηκε από την Bresler. Πρότεινε ότι εμφανίζονται μεταλλάξεις λόγω του γεγονότος ότι οι πολυμεράσες σε ορισμένες περιπτώσεις εισάγουν μη συμπληρωματικά νουκλεοτίδια στην αλληλουχία.
Χρόνια αργότερα, μετά από μακροχρόνιες δοκιμές και πειράματα, αυτή η άποψη εγκρίθηκε και έγινε αποδεκτή στον επιστημονικό κόσμο. Έχουν εξαχθεί ακόμη και ορισμένα μοτίβα που επιτρέπουν στους επιστήμονες να ελέγχουν και να κατευθύνουν μεταλλάξεις εκθέτοντας ορισμένα τμήματα του DNA στο υπεριώδες φως. Έτσι, για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι η αδενίνη είναι πιο συχνά ενσωματωμένη απέναντι από το κατεστραμμένο τρίδυμο.
Ταυτομερικό μοντέλο μεταλλαξιογένεσης
Μια άλλη θεωρία που εξηγεί τις αυθόρμητες και τεχνητές μεταλλάξεις προτάθηκε από τους Watson και Crick (τους ανακαλυπτές της δομής του DNA). Πρότειναν ότι η μεταλλαξιογένεση βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων βάσεων DNA να μετατρέπονται σε ταυτομερείς μορφές που αλλάζουν τον τρόπο σύνδεσης των βάσεων.
Από τη δημοσίευσή της, η υπόθεση έχει αναπτυχθεί ενεργά. Νέες μορφές νουκλεοτιδίων ανακαλύφθηκαν μετά από ακτινοβολία με υπεριώδες φως. Αυτό έδωσε στους επιστήμονες νέες ευκαιρίες για έρευνα. Η σύγχρονη επιστήμη εξακολουθεί να συζητά τον ρόλο των ταυτομερών μορφών στην αυθόρμητη μεταλλαξιογένεση και την επίδρασή της στον αριθμό των ανιχνευόμενων μεταλλάξεων.
Άλλα μοντέλα
Η αυθόρμητη μετάλλαξη είναι δυνατή όταν η αναγνώριση των νουκλεϊκών οξέων από τις DNA πολυμεράσες είναι εξασθενημένη. Ο Poltaev και οι συνεργάτες του διευκρίνισαν τον μηχανισμό που διασφαλίζει τη συμμόρφωση με την αρχή της συμπληρωματικότητας στη σύνθεση των θυγατρικών μορίων DNA. Αυτό το μοντέλο κατέστησε δυνατή τη μελέτη των κανονικοτήτων της εμφάνισης της αυθόρμητης μεταλλαξιογένεσης. Οι επιστήμονες εξήγησαν την ανακάλυψή τους με το γεγονός ότι ο κύριος λόγος για την αλλαγή στη δομή του DNA είναι η σύνθεση μη κανονικών ζευγών νουκλεοτιδίων.
Πρότειναν ότι η υποκατάσταση βάσης συμβαίνει λόγω απαμίνωσης περιοχών DNA. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της κυτοσίνης σε θυμίνη ή ουρακίλη. Λόγω τέτοιων μεταλλάξεων, σχηματίζονται ζεύγη ασυμβίβαστων νουκλεοτιδίων. Επομένως, κατά την επόμενη αντιγραφή, λαμβάνει χώρα μια μετάβαση (αντικατάσταση σημείου νουκλεοτιδικών βάσεων).
Ταξινόμηση μετάλλαξης: αυθόρμητη
Υπάρχουν διαφορετικές ταξινομήσεις μεταλλάξεων ανάλογα με το κριτήριο που τις διέπει. Υπάρχει μια διαίρεση ανάλογα με τη φύση της αλλαγής στη λειτουργία του γονιδίου:
Υπομορφικά (τα μεταλλαγμένα αλληλόμορφα συνθέτουν λιγότερες πρωτεΐνες, αλλά είναι παρόμοια με τα αρχικά).
- άμορφο (το γονίδιο έχει χάσει εντελώς τις λειτουργίες του).
- αντιμορφικό (ένα μεταλλαγμένο γονίδιο αλλάζει εντελώς το χαρακτηριστικό που αντιπροσωπεύει).
- νεομορφικό (εμφανίζονται νέα σημάδια).
Αλλά μια ταξινόμηση που διαιρεί όλες τις μεταλλάξεις ανάλογα με τη δομή που αλλάζει είναι πιο συνηθισμένη. Διανέμω:
1. Γονιδιωματικές μεταλλάξεις. Αυτές περιλαμβάνουν την πολυπλοειδία, δηλαδή τον σχηματισμό ενός γονιδιώματος με ένα τριπλό ή περισσότερα σετ χρωμοσωμάτων, και την ανευπλοειδία, ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα δεν είναι πολλαπλάσιο του απλοειδούς.
2. Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις. Παρατηρούνται σημαντικές αναδιατάξεις μεμονωμένων τμημάτων χρωμοσωμάτων. Παρατηρείται απώλεια πληροφοριών (διαγραφή), διπλασιασμός της (διπλασιασμός), αλλαγή στην κατεύθυνση των νουκλεοτιδικών αλληλουχιών (αναστροφή), καθώς και μεταφορά τμημάτων χρωμοσώματος σε άλλο σημείο (μετατόπιση).
3. Γονιδιακή μετάλλαξη. Η πιο κοινή μετάλλαξη. Στην αλυσίδα του DNA, αντικαθίστανται αρκετές τυχαίες αζωτούχες βάσεις.
Συνέπειες μεταλλάξεων
Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι οι αιτίες όγκων, δυσλειτουργιών οργάνων και ιστών σε ανθρώπους και ζώα. Εάν ένα μεταλλαγμένο κύτταρο βρίσκεται σε έναν μεγάλο πολυκύτταρο οργανισμό, τότε με μεγάλο βαθμό πιθανότητας θα καταστραφεί προκαλώντας απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Το σώμα ελέγχει τη διαδικασία διατήρησης του γενετικού υλικού και, με τη βοήθεια του ανοσοποιητικού συστήματος, απαλλάσσεται από όλα τα πιθανά κατεστραμμένα κύτταρα.
Σε μία περίπτωση από τις εκατοντάδες χιλιάδες, τα Τ-λεμφοκύτταρα δεν έχουν χρόνο να αναγνωρίσουν την προσβεβλημένη δομή και δημιουργεί έναν κλώνο κυττάρων που περιέχουν επίσης το μεταλλαγμένο γονίδιο. Το σύμπλεγμα κυττάρων έχει ήδη άλλες λειτουργίες, παράγει τοξικές ουσίες και επηρεάζει αρνητικά τη γενική κατάσταση του οργανισμού.
Εάν η μετάλλαξη δεν συνέβη στο σωματικό, αλλά στο γεννητικό κύτταρο, τότε οι αλλαγές θα παρατηρηθούν στους απογόνους. Εκδηλώνονται με συγγενείς παθολογίες οργάνων, παραμορφώσεις, μεταβολικές διαταραχές και ασθένειες συσσώρευσης.
Αυθόρμητες μεταλλάξεις: νόημα
Σε ορισμένες περιπτώσεις, προηγουμένως φαινομενικά άχρηστες μεταλλάξεις μπορεί να είναι χρήσιμες για την προσαρμογή σε νέες συνθήκες διαβίωσης. Αυτό αντιπροσωπεύει τη μετάλλαξη ως μέτρο της φυσικής επιλογής. Τα ζώα, τα πουλιά και τα έντομα καμουφλάρονται ανάλογα με την περιοχή διαμονής τους για να προστατευτούν από τα αρπακτικά. Αλλά αν αλλάξει ο βιότοπός τους, τότε με τη βοήθεια μεταλλάξεων, η φύση προσπαθεί να προστατεύσει το είδος από την εξαφάνιση. Κάτω από νέες συνθήκες, οι ισχυρότεροι επιβιώνουν και μεταβιβάζουν αυτή την ικανότητα σε άλλους.
Μετάλλαξη μπορεί να συμβεί σε ανενεργές περιοχές του γονιδιώματος και στη συνέχεια δεν παρατηρούνται ορατές αλλαγές στον φαινότυπο. Είναι δυνατό να ανιχνευθεί «σπάσιμο» μόνο με τη βοήθεια συγκεκριμένων μελετών. Αυτό είναι απαραίτητο για τη μελέτη της προέλευσης συγγενών ζωικών ειδών και τη σύνταξη των γενετικών χαρτών τους.
Το πρόβλημα του αυθορμητισμού των μεταλλάξεων
Στη δεκαετία του σαράντα του περασμένου αιώνα, υπήρχε μια θεωρία ότι οι μεταλλάξεις προκαλούνται αποκλειστικά από την έκθεση και βοηθούν στην προσαρμογή σε αυτές. Προκειμένου να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία, αναπτύχθηκε μια ειδική μέθοδος δοκιμής και επανάληψης.
Η διαδικασία συνίστατο στο γεγονός ότι μια μικρή ποσότητα βακτηρίων του ίδιου είδους σπάρθηκε σε δοκιμαστικούς σωλήνες και, μετά από αρκετούς εμβολιασμούς, προστέθηκαν αντιβιοτικά σε αυτά. Μερικοί από τους μικροοργανισμούς επέζησαν και μεταφέρθηκαν σε νέο μέσο. Μια σύγκριση βακτηρίων από διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες έδειξε ότι η αντίσταση προέκυψε αυθόρμητα, τόσο πριν όσο και μετά την επαφή με το αντιβιοτικό.
Η μέθοδος της επανάληψης συνίστατο στο γεγονός ότι οι μικροοργανισμοί μεταφέρθηκαν σε ένα μαλλί ιστό και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν ταυτόχρονα σε πολλά καθαρά μέσα. Νέες αποικίες καλλιεργήθηκαν και υποβλήθηκαν σε αγωγή με ένα αντιβιοτικό. Ως αποτέλεσμα, βακτήρια που βρίσκονται στα ίδια μέρη του μέσου επιβίωσαν σε διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες.
Ποιες μεταλλάξεις ονομάζονται αυθόρμητες; Εάν μεταφράσουμε τον όρο σε μια προσβάσιμη γλώσσα, τότε πρόκειται για φυσικά λάθη που συμβαίνουν στη διαδικασία αλληλεπίδρασης του γενετικού υλικού με το εσωτερικό ή/και εξωτερικό περιβάλλον. Τέτοιες μεταλλάξεις είναι συνήθως τυχαίες. Παρατηρούνται στο φύλο και σε άλλα κύτταρα του σώματος.
Εξωγενή αίτια μεταλλάξεων
Αυθόρμητη μετάλλαξη μπορεί να συμβεί υπό την επίδραση χημικών ουσιών, ακτινοβολίας, υψηλών ή χαμηλών θερμοκρασιών, σπάνιου αέρα ή υψηλής πίεσης. Κάθε χρόνο, κατά μέσο όρο, ένα άτομο απορροφά περίπου το ένα δέκατο του rad ιονίζουσας ακτινοβολίας, που είναι το φυσικό υπόβαθρο ακτινοβολίας. Αυτός ο αριθμός περιλαμβάνει την ακτινοβολία γάμμα από τον πυρήνα της Γης, τον ηλιακό άνεμο, τη ραδιενέργεια στοιχείων που εμφανίζονται στο πάχος του φλοιού της γης και διαλύονται στην ατμόσφαιρα. Η δόση που λαμβάνεται εξαρτάται επίσης από το πού βρίσκεται το άτομο. Το ένα τέταρτο όλων των αυθόρμητων μεταλλάξεων συμβαίνουν ακριβώς εξαιτίας αυτού του παράγοντα.
Η υπεριώδης ακτινοβολία, σε αντίθεση με τη δημοφιλή πεποίθηση, παίζει ασήμαντο ρόλο στην εμφάνιση καταστροφών του DNA, αφού δεν μπορεί να διεισδύσει βαθιά στο ανθρώπινο σώμα. Αλλά το δέρμα υποφέρει συχνά από υπερβολική έκθεση στον ήλιο (μελάνωμα και άλλους καρκίνους). Ωστόσο, μονοκύτταροι οργανισμοί και ιοί μεταλλάσσονται όταν εκτίθενται στο ηλιακό φως. Οι πολύ υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν αλλαγές στο γενετικό υλικό.
Ενδογενείς αιτίες μεταλλάξεων
Οι κύριοι λόγοι για την εμφάνιση της αυθόρμητης μετάλλαξης παραμένουν ενδογενείς παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν παραπροϊόντα του μεταβολισμού, σφάλματα στη διαδικασία αντιγραφής, επιδιόρθωσης ή ανασυνδυασμού και άλλα.
- αυθόρμητες μεταπτώσεις και αναστροφές αζωτούχων βάσεων.
- εσφαλμένη διάταξη των νουκλεοτιδίων λόγω σφαλμάτων στις πολυμεράσες του DNA.
- χημική αντικατάσταση νουκλεοτιδίων, για παράδειγμα, γουανίνη-κυτοσίνη σε αδενίνη-γουανίνη.
- μεταλλάξεις στα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την επιδιόρθωση μεμονωμένων τμημάτων της αλυσίδας του DNA μετά το σπάσιμό τους υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων.
- οι αποτυχίες στις διαδικασίες διασταύρωσης κατά τη διάρκεια της μείωσης ή της μίτωσης οδηγούν στην απώλεια και ολοκλήρωση των βάσεων.
Αυτοί είναι οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν αυθόρμητες μεταλλάξεις. Οι λόγοι για τις αποτυχίες μπορεί να είναι η ενεργοποίηση γονιδίων μεταλλάξεων, καθώς και η μετατροπή ασφαλών χημικών ενώσεων σε πιο ενεργούς μεταβολίτες που επηρεάζουν τον κυτταρικό πυρήνα. Επιπλέον, υπάρχουν δομικοί παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν επαναλήψεις της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας κοντά στη θέση της αναδιάταξης της αλυσίδας, την παρουσία πρόσθετων τμημάτων DNA παρόμοιας δομής με το γονίδιο, καθώς και κινητά στοιχεία του γονιδιώματος.
Παθογένεια μετάλλαξης
Η αυθόρμητη μετάλλαξη εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της επίδρασης όλων των παραγόντων που αναφέρονται παραπάνω, που επηρεάζουν μαζί ή χωριστά σε μια ορισμένη περίοδο της ζωής του κυττάρου. Υπάρχει ένα τέτοιο φαινόμενο όπως μια ολισθαίνουσα παραβίαση του ζευγαρώματος των κλώνων του θυγατρικού και του μητρικού DNA. Ως αποτέλεσμα, συχνά σχηματίζονται βρόχοι από πεπτίδια που δεν μπόρεσαν να χωρέσουν επαρκώς στην αλληλουχία. Μετά την απομάκρυνση της περίσσειας θραυσμάτων DNA από τον θυγατρικό κλώνο, οι βρόχοι μπορούν να αφαιρεθούν (διαγραφές) και να ενσωματωθούν (διπλασιασμοί, εισαγωγές). Οι αλλαγές εμφανίζονται και διορθώνονται σε επόμενους κύκλους κυτταρικής διαίρεσης.
Ο ρυθμός και ο αριθμός των μεταλλάξεων που συμβαίνουν εξαρτώνται από την πρωτογενή δομή του DNA. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι απολύτως όλες οι αλληλουχίες DNA είναι μεταλλαξιογόνες εάν σχηματίζουν στροφές.
Οι πιο συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις
Γιατί οι αυθόρμητες μεταλλάξεις εκδηλώνονται συχνότερα στο γενετικό υλικό; Παραδείγματα τέτοιων συνθηκών είναι η απώλεια αζωτούχων βάσεων και η απομάκρυνση αμινοξέων. Τα υπολείμματα κυτοσίνης θεωρούνται ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτά. Έχει αποδειχθεί ότι σήμερα περισσότερα από τα μισά σπονδυλωτά έχουν μετάλλαξη υπολειμμάτων κυτοσίνης. Μετά την απαμίνωση, η μεθυλκυτοσίνη μετατρέπεται σε θυμίνη. Η περαιτέρω αντιγραφή αυτής της ενότητας επαναλαμβάνει το σφάλμα ή το διαγράφει ή διπλασιάζεται και μεταλλάσσεται σε νέο τμήμα. Ένας άλλος λόγος για συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι ο μεγάλος αριθμός ψευδογονιδίων. Εξαιτίας αυτού, μπορούν να σχηματιστούν ανομοιόμορφοι ομόλογοι ανασυνδυασμοί κατά τη διάρκεια της μείωσης. Συνέπεια αυτού είναι οι αναδιατάξεις στα γονίδια, οι στροφές και ο διπλασιασμός των μεμονωμένων αλληλουχιών νουκλεοτιδίων.
Μοντέλο πολυμεράσης μεταλλαξιογένεσης
Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, οι αυθόρμητες μεταλλάξεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα τυχαίων σφαλμάτων των μορίων που συνθέτουν το DNA. Για πρώτη φορά, ένα τέτοιο μοντέλο παρουσιάστηκε από την Bresler. Πρότεινε ότι οι μεταλλάξεις εμφανίζονται ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι οι πολυμεράσες σε ορισμένες περιπτώσεις εισάγουν μη συμπληρωματικά νουκλεοτίδια στην αλληλουχία. Χρόνια αργότερα, μετά από μακροχρόνιες δοκιμές και πειράματα, αυτή η άποψη εγκρίθηκε και έγινε αποδεκτή στον επιστημονικό κόσμο. Έχουν εξαχθεί ακόμη και ορισμένα μοτίβα που επιτρέπουν στους επιστήμονες να ελέγχουν και να κατευθύνουν μεταλλάξεις εκθέτοντας ορισμένα τμήματα του DNA στο υπεριώδες φως. Έτσι, για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι η αδενίνη είναι πιο συχνά ενσωματωμένη απέναντι από το κατεστραμμένο τρίδυμο.
Ταυτομερικό μοντέλο μεταλλαξιογένεσης
Μια άλλη θεωρία που εξηγεί τις αυθόρμητες και τεχνητές μεταλλάξεις προτάθηκε από τον Watson και τον Crick (τον ανακάλυψε τη δομή του DNA). Πρότειναν ότι η μεταλλαξιογένεση βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων βάσεων DNA να μετατρέπονται σε ταυτομερείς μορφές που αλλάζουν τον τρόπο σύνδεσης των βάσεων.
Από τη δημοσίευσή της, η υπόθεση έχει αναπτυχθεί ενεργά. Νέες μορφές νουκλεοτιδίων έχουν ανακαλυφθεί μετά από υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτό έδωσε στους επιστήμονες νέες ευκαιρίες για έρευνα. Η σύγχρονη επιστήμη εξακολουθεί να συζητά τον ρόλο των ταυτομερών μορφών στην αυθόρμητη μεταλλαξιογένεση και την επίδρασή της στον αριθμό των αναγνωρισμένων μεταλλάξεων.
Άλλα μοντέλα
Η αυθόρμητη μετάλλαξη είναι δυνατή όταν η αναγνώριση των νουκλεϊκών οξέων από τις DNA πολυμεράσες είναι εξασθενημένη. Ο Poltaev και οι συνεργάτες του έχουν αποσαφηνίσει τον μηχανισμό που διασφαλίζει τη συμμόρφωση με την αρχή της συμπληρωματικότητας στη σύνθεση των θυγατρικών μορίων DNA. Αυτό το μοντέλο κατέστησε δυνατή τη μελέτη των κανονικοτήτων στην εμφάνιση της αυθόρμητης μεταλλαξιογένεσης. Οι επιστήμονες εξήγησαν την ανακάλυψή τους με το γεγονός ότι ο κύριος λόγος για την αλλαγή στη δομή του DNA είναι η σύνθεση μη κανονικών ζευγών νουκλεοτιδίων. Πρότειναν ότι η υποκατάσταση βάσης λαμβάνει χώρα μέσω απαμίνωσης τμημάτων DNA. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της κυτοσίνης σε θυμίνη ή ουρακίλη. Λόγω τέτοιων μεταλλάξεων, σχηματίζονται ζεύγη ασυμβίβαστων νουκλεοτιδίων. Επομένως, κατά την επόμενη αντιγραφή, λαμβάνει χώρα μια μετάβαση (αντικατάσταση σημείου νουκλεοτιδικών βάσεων).
Ταξινόμηση μετάλλαξης: αυθόρμητη
Υπάρχουν διάφορες ταξινομήσεις μεταλλάξεων, ανάλογα με το ποιο κριτήριο τις διέπει. Υπάρχει μια διαίρεση ανάλογα με τη φύση της αλλαγής στη λειτουργία του γονιδίου: - υπομορφικά (τα μεταλλαγμένα αλληλόμορφα συνθέτουν λιγότερες πρωτεΐνες, αλλά είναι παρόμοια με τα αρχικά).
- άμορφο (το γονίδιο έχει χάσει εντελώς τις λειτουργίες του).
- αντιμορφικό (ένα μεταλλαγμένο γονίδιο αλλάζει εντελώς το χαρακτηριστικό που αντιπροσωπεύει).
- νεομορφικό (εμφανίζονται νέα σημάδια). Αλλά μια ταξινόμηση που διαιρεί όλες τις μεταλλάξεις σε αναλογία με μια μεταβλητή δομή είναι πιο συνηθισμένη. Κατανομή: 1. Γονιδιωματικές μεταλλάξεις. Αυτές περιλαμβάνουν την πολυπλοειδία, δηλαδή τον σχηματισμό ενός γονιδιώματος με ένα τριπλό ή περισσότερα σετ χρωμοσωμάτων, και την ανευπλοειδία, ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα δεν είναι πολλαπλάσιο του απλοειδούς.
2. Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις. Παρατηρούνται σημαντικές αναδιατάξεις μεμονωμένων τμημάτων χρωμοσωμάτων. Υπάρχει απώλεια πληροφοριών (διαγραφή), διπλασιασμός (διπλασιασμός), αλλαγή στην κατεύθυνση των αλληλουχιών νουκλεοτιδίων (αναστροφή), καθώς και ανατροπή των τμημάτων του χρωμοσώματος σε άλλη θέση (μετατόπιση).
3. Γονιδιακή μετάλλαξη. Η πιο κοινή μετάλλαξη Στην αλυσίδα του DNA, αντικαθίστανται αρκετές τυχαίες αζωτούχες βάσεις.
Συνέπειες μεταλλάξεων
Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι τα αίτια των όγκων, των ασθενειών αποθήκευσης, των δυσλειτουργιών οργάνων και ιστών σε ανθρώπους και ζώα. Εάν ένα μεταλλαγμένο κύτταρο βρίσκεται σε έναν μεγάλο πολυκύτταρο οργανισμό, τότε με μεγάλο βαθμό πιθανότητας θα καταστραφεί προκαλώντας απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Το σώμα ελέγχει τη διαδικασία διατήρησης του γενετικού υλικού και, με τη βοήθεια του ανοσοποιητικού συστήματος, απαλλάσσεται από όλα τα πιθανά κατεστραμμένα κύτταρα. Σε μία περίπτωση από τις εκατοντάδες χιλιάδες, τα Τ-λεμφοκύτταρα δεν έχουν χρόνο να αναγνωρίσουν την προσβεβλημένη δομή και δημιουργεί έναν κλώνο κυττάρων που περιέχουν επίσης το μεταλλαγμένο γονίδιο. Το σύμπλεγμα κυττάρων έχει ήδη άλλες λειτουργίες, παράγει τοξικές ουσίες και επηρεάζει αρνητικά τη γενική κατάσταση του οργανισμού. Εάν η μετάλλαξη δεν συνέβη στο σωματικό, αλλά στο γεννητικό κύτταρο, τότε οι αλλαγές θα παρατηρηθούν στους απογόνους. Αποδεικνύεται ότι είναι συγγενείς παθολογίες οργάνων, παραμορφώσεις, μεταβολικές διαταραχές και ασθένειες αποθήκευσης.
Αυθόρμητες μεταλλάξεις:
Σε ορισμένες περιπτώσεις, μεταλλάξεις που προηγουμένως φαίνονταν άχρηστες μπορεί να είναι χρήσιμες για την προσαρμογή σε νέες συνθήκες διαβίωσης. Αυτό αντιπροσωπεύει τη μετάλλαξη ως μέτρο της φυσικής επιλογής. Τα ζώα, τα πουλιά και τα έντομα καμουφλάρονται ανάλογα με την περιοχή διαμονής τους για να προστατευτούν από τα αρπακτικά. Αλλά αν αλλάξει ο βιότοπός τους, τότε με τη βοήθεια μεταλλάξεων, η φύση προσπαθεί να προστατεύσει το είδος από την εξαφάνιση. Κάτω από νέες συνθήκες, οι ισχυρότεροι επιβιώνουν και μεταβιβάζουν αυτή την ικανότητα σε άλλους. Μετάλλαξη μπορεί να συμβεί σε ανενεργές περιοχές του γονιδιώματος και στη συνέχεια δεν παρατηρούνται ορατές αλλαγές στον φαινότυπο. Είναι δυνατός ο εντοπισμός «σπάσιμο» μόνο με τη βοήθεια συγκεκριμένων μελετών. Είναι απαραίτητο να μελετηθεί η προέλευση και τα σχετικά είδη ζώων και οι γενετικοί τους χάρτες.
Το πρόβλημα του αυθορμητισμού των μεταλλάξεων
Στη δεκαετία του σαράντα του περασμένου αιώνα, υπήρχε μια θεωρία ότι οι μεταλλάξεις προκαλούνται αποκλειστικά από την επίδραση εξωτερικών παραγόντων και βοηθούν στην προσαρμογή σε αυτούς. Προκειμένου να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία, αναπτύχθηκε μια ειδική μέθοδος δοκιμής και επανάληψης. Η διαδικασία συνίστατο στο γεγονός ότι μια μικρή ποσότητα βακτηρίων του ίδιου είδους σπάρθηκε σε δοκιμαστικούς σωλήνες και, μετά από αρκετούς εμβολιασμούς, προστέθηκαν αντιβιοτικά σε αυτά. Μερικοί από τους μικροοργανισμούς επέζησαν και μεταφέρθηκαν σε νέο μέσο. Μια σύγκριση βακτηρίων από διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες έδειξε ότι η αντίσταση προέκυψε αυθόρμητα, τόσο πριν όσο και μετά την επαφή με το αντιβιοτικό. Η μέθοδος επανάληψης περιλάμβανε τη μεταφορά μικροοργανισμών σε ένα ελαστικό πανί και στη συνέχεια τη μεταφορά τους σε πολλά καθαρά μέσα. Νέες αποικίες καλλιεργήθηκαν και υποβλήθηκαν σε αγωγή με ένα αντιβιοτικό. Ως αποτέλεσμα, βακτήρια που βρίσκονται στα ίδια μέρη του μέσου επιβίωσαν σε διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες.
Για πρώτη φορά, μια αύξηση στη συχνότητα της κληρονομικής μεταβλητότητας υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων ανακαλύφθηκε το 1925 από τους σοβιετικούς μικροβιολόγους G.A. Nadson και G.S. Φιλίπποφ. Παρατήρησαν μια αύξηση στην ποικιλία των κληρονομικών μορφών - σαλιπάντες- μετά από έκθεση σε «ακτίνες ραδίου» στα κάτω μανιτάρια.
Το 1927 ο G. Meller ανέφερε την επίδραση των ακτίνων Χ στη διαδικασία μετάλλαξης στη Drosophila. Ορισμένες ενώσεις (ιώδιο, οξικό οξύ, αμμωνία) είναι ικανές να προκαλέσουν υπολειπόμενα θανατηφόρα στο χρωμόσωμα L. Το 1939, ο S.M. Gershenzon ανακάλυψε μια ισχυρή μεταλλαξιογόνο δράση του εξωγενούς DNA στο Drosophila. Ισχυροί χημικοί μεταλλαξιογόνοι παράγοντες ανακαλύφθηκαν το 1946 από τον I.Aiminepo ) στην ΕΣΣΔ και S. Auerbach και J. Robson (άζωτο μουστάρδα) στην Αγγλία.
Έκτοτε, το οπλοστάσιο των μεταλλαξιογόνων παραγόντων περιλαμβάνει μια ποικιλία χημικών ενώσεων: ανάλογα βάσης που ενσωματώνονται απευθείας στο DNA, παράγοντες τροποποίησης βάσης όπως νιτρώδες οξύ ή υδροξυλαμίνη, αλκυλιωτικές ενώσεις DNA (μεθανοσουλφονικός αιθυλεστέρας, μεθανοσουλφονικός μεθυλεστέρας, κ.λπ.), ενώσεις που παρεμβάλλονται μεταξύ βάσεων DNA (ακριδίνες και τα παράγωγά τους) κ.λπ.
Μαζί με μεταλλαξιογόνα, βρέθηκαν και αντιμεταλλαξιογόνα.
Η ικανότητα αλλαγής του ρυθμού της διαδικασίας μετάλλαξης έχει χρησιμεύσει ως αποφασιστικό ερέθισμα για την αποσαφήνιση των αιτιών των αυθόρμητων μεταλλάξεων. Μία από τις πρώτες προσπάθειες να εξηγηθούν τα αίτια των αυθόρμητων μεταλλάξεων περιορίστηκε στην υπόθεση ότι στην πραγματικότητα προκαλούνται από ένα φυσικό υπόβαθρο ραδιενέργειας. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι μόνο το 0,1% περίπου όλων των αυθόρμητων μεταλλάξεων στο Drosophila μπορεί να εξηγηθεί με αυτόν τον τρόπο. Δεν επιβεβαιώθηκε ούτε η υπόθεση της θερμικής κίνησης των ατόμων ως κύριας αιτίας αυθόρμητων μεταλλάξεων. Έχουν γίνει προσπάθειες να εξηγηθούν οι αυθόρμητες μεταλλάξεις ως αποτέλεσμα της δράσης των μεταβολικών προϊόντων του κυττάρου και του σώματος.
Η σύγχρονη άποψη για τα αίτια των αυθόρμητων μεταλλάξεων διαμορφώθηκε τη δεκαετία του 1960. χάρη στη μελέτη των μηχανισμών αναπαραγωγής, επιδιόρθωσης και ανασυνδυασμού των γονιδίων και στην ανακάλυψη ενζυμικών συστημάτων που είναι υπεύθυνα για αυτές τις διεργασίες. Υπήρξε μια τάση να εξηγούνται οι γονιδιακές μεταλλάξεις ως σφάλματα στο έργο των ενζύμων της σύνθεσης DNA προτύπου. Αυτή η υπόθεση είναι πλέον γενικά αποδεκτή. Η ελκυστικότητα της υπόθεσης έγκειται επίσης στο γεγονός ότι μας επιτρέπει να εξετάσουμε την επαγόμενη διαδικασία μετάλλαξης ως αποτέλεσμα της παρέμβασης εξωτερικών παραγόντων στην κανονική αναπαραγωγή των φορέων γενετικής πληροφορίας, δηλαδή παρέχει μια ενοποιημένη εξήγηση για τα αίτια της αυθόρμητες και επαγόμενες μεταλλάξεις. Η ανάπτυξη της θεωρίας της διαδικασίας μετάλλαξης επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από τη μελέτη του γενετικού ελέγχου της. Έχουν ανακαλυφθεί γονίδια των οποίων οι μεταλλάξεις μπορούν να αυξήσουν ή να μειώσουν τη συχνότητα τόσο των αυθόρμητων όσο και των επαγόμενων μεταλλάξεων. Έτσι, επιβεβαιώνεται η ύπαρξη κοινών αιτιών της επαγόμενης και της αυθόρμητης διαδικασίας μετάλλαξης.
Η πρώτη εξήγηση του μηχανισμού των μεταλλαγών αλλαγών (γονιδιακές μεταλλάξεις και χρωμοσωμικές εκτροπές) προτάθηκε το 1935 από τον N.V. Οι Timofeev-Resovsky, K. Zimmer και M. Delbrück βασίζονται στην ανάλυση της μεταλλαξιογένεσης ακτινοβολίας σε ανώτερους οργανισμούς, κυρίως στη Drosophila. Η μετάλλαξη θεωρήθηκε ως το αποτέλεσμα μιας στιγμιαίας αναδιάταξης των ατόμων σε ένα μόριο σύνθετου γονιδίου. Ο λόγος για μια τέτοια αναδιάταξη θεωρήθηκε ότι ήταν ένα άμεσο χτύπημα στο γονίδιο ενός κβαντικού ή ενός ιονίζοντος σωματιδίου (η αρχή του χτυπήματος) ή τυχαίες δονήσεις ατόμων. Η ανακάλυψη της επίδρασης των συνεπειών της ιονίζουσας ακτινοβολίας έδειξε αργότερα ότι οι μεταλλάξεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα μιας διαδικασίας που διαρκεί με την πάροδο του χρόνου και όχι απευθείας τη στιγμή που ένα ενεργειακό κβάντο ή ένα ιοντίζον σωματίδιο διέρχεται από ένα γονίδιο.
