Što su spontane mutacije. Spontani mutacijski proces i njegovi uzroci

Mutacije su važan predmet proučavanja citogenetičara i biokemičara. Upravo su mutacije, genske ili kromosomske, najčešće uzrok nasljednih bolesti. U prirodnim uvjetima vrlo rijetko dolazi do kromosomskih preraspodjela. Mutacije uzrokovane kemikalijama, biološkim mutagenima ili fizičkim čimbenicima poput ionizirajućeg zračenja često su uzrok kongenitalnih malformacija i zloćudnih bolesti.

Opće informacije o mutacijama

Hugh de Vries definirao je mutaciju kao iznenadnu promjenu naslijeđene osobine. Ovaj fenomen nalazimo u genomu svih živih organizama, od bakterija do čovjeka. U normalnim uvjetima, mutacije u nukleinskim kiselinama javljaju se vrlo rijetko, s učestalošću od oko 1·10 -4 - 1·10 -10 .

Ovisno o količini genetskog materijala zahvaćenog promjenama, mutacije se dijele na genomske, kromosomske i genske. Genomske su povezane s promjenom broja kromosoma (monosomija, trisomija, tetrasomija); kromosomske su povezane s promjenama u strukturi pojedinih kromosoma (delecije, duplikacije, translokacije); mutacije gena utječu na jedan gen. Ako je mutacija zahvatila samo jedan par nukleotida, tada se radi o točkastoj mutaciji.

Ovisno o uzrocima koji su ih uzrokovali, razlikuju se spontane i inducirane mutacije.

Spontane mutacije

Nastaju u tijelu pod utjecajem unutarnjih čimbenika. Spontane mutacije smatraju se normalnim, rijetko dovode do ozbiljnih posljedica za tijelo. Najčešće se takve preraspodjele događaju unutar istog gena, povezane sa zamjenom baza - purina za drugi purin (prijelaz) ili purina za pirimidin (transverzija).

Spontane mutacije se mnogo rjeđe događaju u kromosomima. Obično su spontane kromosomske mutacije predstavljene translokacijama (prijenos jednog ili više gena s jednog kromosoma na drugi) i inverzijama (promjene u slijedu gena u kromosomu).

Inducirana preuređivanja

Inducirane mutacije nastaju u stanicama tijela pod utjecajem kemikalija, zračenja ili materijala za replikaciju virusa. Takve se mutacije javljaju češće od spontanih i imaju ozbiljnije posljedice. Oni utječu na pojedine gene i skupine gena, blokirajući sintezu pojedinih proteina. Inducirane mutacije često globalno utječu na genom, pod utjecajem mutagena u stanici se pojavljuju abnormalni kromosomi: izokromosomi, prstenasti kromosomi, dicentrici.

Mutageni, osim kromosomskih preraspodjela, uzrokuju oštećenje DNA: dvolančane lomove, stvaranje DNA križnih veza.

Primjeri kemijskih mutagena

Kemijski mutageni uključuju nitrate, nitrite, analoge dušičnih baza, dušikastu kiselinu, pesticide, hidroksilamin i neke prehrambene aditive.

Dušična kiselina uzrokuje cijepanje amino skupine od dušičnih baza i zamjenu drugom skupinom. To dovodi do točkastih mutacija. Kemijski inducirane mutacije također uzrokuje hidroksilamin.

Nitrati i nitriti u visokim dozama povećavaju rizik od raka. Neki prehrambeni aditivi induciraju reakcije arilacije nukleinskih kiselina, što dovodi do poremećaja procesa transkripcije i translacije.

Kemijski mutageni vrlo su raznoliki. Često upravo te tvari uzrokuju inducirane mutacije u kromosomima.

U fizičke mutagene spadaju ionizirajuće zračenje, prvenstveno kratkovalno i ultraljubičasto. Ultraljubičasto zračenje pokreće proces u membranama, izaziva stvaranje raznih defekata u DNK.

X-zrake i gama zračenje izazivaju mutacije na razini kromosoma. Takve stanice nisu sposobne za diobu, umiru tijekom apoptoze. Inducirane mutacije također mogu utjecati na pojedinačne gene. Na primjer, blokiranje tumor supresorskih gena dovodi do pojave tumora.

Primjeri induciranih preraspodjela

Primjeri induciranih mutacija su razne genetske bolesti, koje se češće očituju u područjima izloženim fizičkom ili kemijskom mutagenom čimbeniku. Poznato je, naime, da je u indijskoj državi Kerala, gdje godišnja efektivna doza ionizirajućeg zračenja premašuje normu za 10 puta, učestalost rađanja djece s Downovim sindromom (trisomija na 21. kromosomu) povećana. U kineskom okrugu Yangjiang u tlu je pronađena velika količina radioaktivnog monazita. Nestabilni elementi u svom sastavu (cerij, torij, uran) raspadaju se uz oslobađanje gama kvanta. Utjecaj kratkovalnog zračenja na stanovnike okruga doveo je do velikog broja rađanja djece sa sindromom plačuće mačke (delecija velikog dijela 8. kromosoma), kao i povećane učestalosti raka. Još jedan primjer: u siječnju 1987. u Ukrajini je zabilježen rekordan broj rođenja djece s Downovim sindromom, povezan s nesrećom u Černobilu. U prvom tromjesečju trudnoće fetus je najosjetljiviji na djelovanje fizikalnih i kemijskih mutagena, pa je kolosalna doza zračenja dovela do povećanja učestalosti kromosomskih anomalija.

Jedan od najozloglašenijih kemijskih mutagena u povijesti je sedativ Thalidomide, proizveden u Njemačkoj 1950-ih. Uzimanje ovog lijeka dovelo je do rađanja mnogo djece s raznim genetskim abnormalnostima.

Znanstvenici često koriste metodu induciranih mutacija kako bi pronašli najbolje načine za borbu protiv autoimunih bolesti i genetskih abnormalnosti povezanih s hipersekrecijom proteina.

Spontano- to su mutacije koje se javljaju spontano, bez sudjelovanja eksperimentatora.

induciran- to su mutacije koje su uzrokovane umjetno, koristeći različite čimbenike mutageneza.

Općenito, proces nastanka mutacija naziva se mutageneza a faktori koji uzrokuju mutacije su mutageni.

Mutageni čimbenici podijeljeno na fizički, kemijski I biološki.

Učestalost spontanih mutacija jedan gen je , za svaki gen svakog organizma ima svoj.

Uzroci spontanih mutacija nisu posve jasni. Prije se smatralo da su uzrokovane prirodna pozadina ionizirajućeg zračenja. Međutim, pokazalo se da to nije tako. Na primjer, kod Drosophile prirodno pozadinsko zračenje ne uzrokuje više od 0,1% spontanih mutacija.

S dob posljedice izloženosti prirodnom pozadinskom zračenju mogu akumulirati a kod ljudi je s njim povezano 10 do 25% spontanih mutacija.

Drugi razlog spontane mutacije su slučajno oštećenje kromosoma i gena tijekom stanične diobe i replikacije DNA zbog slučajne greške u funkcioniranju molekularnih mehanizama.

Treći razlog spontane mutacije je kreće se po genomu pokretni elementi, koji se može unijeti u bilo koji gen i izazvati mutaciju u njemu.

Američki genetičar M. Green pokazao je da je oko 80% mutacija koje su otkrivene kao spontane nastale kao rezultat kretanja mobilnih elemenata.

inducirane mutacije prvi put otkriven 1925. godine. G.A. Nadson I G.S. Filippov u SSSR-u. Ozračili su kulture plijesni X-zrakama Mucor genevensis i dobio je cijepanje kulture "na dvije forme ili rase, koje se razlikuju ne samo jedna od druge, već i od izvornog (normalnog) oblika." Mutanti su se pokazali stabilnima, jer su nakon osam uzastopnih pasaža zadržali svoja stečena svojstva. Njihov je članak objavljen samo na ruskom, a osim toga u radu nisu korištene nikakve metode za kvantificiranje djelovanja X-zraka, pa je ostao malo zapažen.

U 1927 G. G. Möller objavio je učinak X-zraka na proces mutacije u Drosophili i predložio kvantitativna metoda dopuštenje za recesivne letalne mutacije na X kromosomu ( ClB), koji je postao klasik.

Godine 1946. Möller je dobio Nobelovu nagradu za otkriće radijacijske mutageneze. Sada je utvrđeno da praktički sve vrste zračenja(uključujući ionizirajuće zračenje svih vrsta - a, b, g; UV zrake, infracrvene zrake) uzrokuju mutacije. Zovu se fizički mutageni.

Glavni mehanizmima njihove radnje:

1) kršenje strukture gena i kromosoma zbog izravno djelovanje na DNA i proteinske molekule;

2) obrazovanje slobodni radikali, koji stupaju u kemijsku interakciju s DNA;

3) prekidi niti fisijsko vreteno;

4) obrazovanje dimeri(timin).

U 30-im godinama. bilo otvoreno kemijska mutageneza u Drosophili: V. V. Saharov (1932 ), M. E. Lobašev I F. A. Smirnov (1934 ) su pokazali da neki spojevi, kao npr jod, octena kiselina, amonijak sposobni su inducirati recesivne letalne mutacije na X kromosomu.

U 1939 G. Sergej Mihajlovič Geršenzon(učenik S.S. Chetverikova) otkrio je snažan mutageni učinak egzogene DNA u Drosophila. Pod utjecajem ideja N.K. Koltsov da je kromosom ogromna molekula, S.M. Gershenzon je odlučio provjeriti svoju pretpostavku da je DNK takva molekula. Izolirao je DNA iz timusa i dodao ga u hranu ličinki Drosophila. Među 15.000 kontrolnih muha (tj. bez DNK u hrani) nije bilo niti jedne mutacije, au eksperimentu je među 13.000 muha pronađeno 13 mutanata.

U 1941. Charlotte Auerbach I J. Robson pokazao da dušični iperit izaziva mutacije u Drosophili. Rezultati rada s ovim kemijskim bojnim sredstvom objavljeni su tek 1946. godine, nakon završetka Drugog svjetskog rata. U istom 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovich) u SSSR-u pokazao je mutageno djelovanje formaldehid.

Trenutno do kemijski mutageni uključuju:

A) prirodni organske i anorganske tvari;

b) industrijski proizvodi obrada prirodnih spojeva- ugljen, nafta;

V) sintetičke tvari, koji se prije nisu nalazili u prirodi (pesticidi, insekticidi, itd.);

d) neke metaboliti ljudski i životinjski organizmi.

Kemijski mutageni uzrok pretežno genetski mutacije i djeluju tijekom replikacije DNA.

Mehanizmi njihovog djelovanja:

1) modifikacija bazne strukture (hidroksilacija, deaminacija, alkilacija);

2) zamjena dušičnih baza njihovim analogima;

3) inhibicija sinteze prekursora nukleinskih kiselina.

Posljednjih godina tzv supermutageni:

1)bazni analozi;

2) veze, alkilirajuća DNA(etil metansulfonat, metil metansulfonat, itd.);

3) veze, interkalirajući između baza DNA (akridina i njihovih derivata).

Supermutageni povećavaju učestalost mutacija za 2-3 reda veličine.

DO biološki mutageni odnositi se:

A) virusi(rubeola, ospice, itd.);

b) nevirusni infektivni agensi(bakterije, rikecije, protozoe, helminti);

V) pokretni genetski elementi.

Mehanizmi njihovog djelovanja:

1) genomi virusa i mobilni elementi integrirani su u DNK stanica domaćina;

inducirana mutageneza, od kasnih 20-ih godina XX. stoljeća, koriste se za uzgoj novih sojeva, pasmina i sorti. Najveći uspjeh postignut je u selekciji sojeva bakterija i gljivica - proizvođača antibiotika i drugih biološki aktivnih tvari.

Da, uspjeli smo povećati aktivnost proizvođači antibiotika 10-20 puta, što je omogućilo značajno povećanje proizvodnje odgovarajućih antibiotika i oštro smanjenje njihove cijene. Aktivnost blistave gljive - proizvođač vitamina B12 uspio povećati 6 puta, a aktivnost bakterije - proizvođača lizin aminokiseline- 300-400 puta.

Korištenje mutacija patuljastog rasta u pšenici dopušteno je 60-70-ih dramatično povećati prinos žitarica, što se zvalo " zelena revolucija". Patuljaste sorte pšenice imaju kratku, debelu stabljiku koja je otporna na polijeganje, može izdržati povećano opterećenje od većeg klasa. Korištenje ovih sorti omogućilo je značajno povećanje prinosa (u nekim zemljama nekoliko puta).

Autor "zelene revolucije" smatra se američkim uzgajivačem i genetičarom N. Borlauga, koji se 1944. godine, u dobi od 30 godina, nastanio i počeo raditi u Meksiku. Za uspjeh u oplemenjivanju visokoproduktivnih biljnih sorti 1970. godine dobio je Nobelovu nagradu za mir.

11 . Genske mutacije

Genske (točkaste) mutacije povezan s relativno malim promjenama u nukleotidnim sekvencama. Genske mutacije podijeljeno za promjene strukturni geni i promjene regulatorni geni.

Vrste mutacija:

1. umetanje (umetanje) ili gubitak (brisanje) par ili nekoliko parova nukleotida dovode do pomak okvira. Ovisno o mjestu umetanja ili gubitka nukleotida, mijenja se manji ili veći broj kodona.

2. Tranzicija- zamjena purinskih baza purinskim bazama ili pirimidinskih baza pirimidinskim bazama, npr.: A "G, C" T.

3. Transverzija - supstitucija purinske baze za pirimidinsku bazu ili pirimidinske baze za purinsku bazu. Na primjer: A "C, G" T.

Promjene u strukturnim genima dovode do:

a) za missense mutacije- promjena značenja kodona i nastajanje drugih proteina;

b) do besmislene mutacije– stvaranje STOP kodona (UAA, UAG, UGA).

Rezultati promjena u regulatornim genima:

1. Represorski protein ne odgovara operateru (“ ključ ne staje u ključanicu”) - strukturni geni rade stalno (proteini se sintetiziraju cijelo vrijeme).

2. Represorski protein čvrsto se "pričvršćuje" za operatera i ne uklanja ga induktor (" ključ ne izlazi iz ključanice”) – strukturni geni ne rade stalno i proteini kodirani u ovom operonu se ne sintetiziraju.

3. Kršenje izmjene potiskivanja i indukcije- u nedostatku induktora sintetizira se specifičan protein, a u njegovom prisustvu protein se ne sintetizira. To je zbog mutacija u regulatornom genu ili operatorskoj sekvenci.

Mutacije gena su glavni uzrok genske bolesti, čija učestalost u ljudskoj populaciji doseže 1-2%.

Koje se mutacije nazivaju spontanim? Ako izraz prevedemo na pristupačan jezik, onda se radi o prirodnim pogreškama koje nastaju u procesu interakcije genetskog materijala s unutarnjim i/ili vanjskim okolišem. Takve su mutacije obično slučajne. Uočavaju se u spolnim i drugim stanicama tijela.

Egzogeni uzroci mutacija

Spontana mutacija može nastati pod utjecajem kemikalija, zračenja, visokih ili niskih temperatura, prorijeđenog zraka ili visokog tlaka.

Svake godine čovjek u prosjeku apsorbira oko jedne desetine rada ionizirajućeg zračenja, što čini prirodnu pozadinu zračenja. Ovaj broj uključuje gama zračenje iz Zemljine jezgre, solarni vjetar i radioaktivnost elemenata koji se nalaze u debljini zemljine kore i otopljeni su u atmosferi. Primljena doza također ovisi o tome gdje se osoba nalazi. Četvrtina svih spontanih mutacija događa se upravo zbog ovog faktora.

Ultraljubičasto zračenje, suprotno uvriježenom mišljenju, igra malu ulogu u nastanku raspada DNK, jer ne može prodrijeti dovoljno duboko u ljudsko tijelo. Ali koža često strada od pretjeranog izlaganja suncu (melanom i drugi karcinomi). Međutim, jednostanični organizmi i virusi mutiraju kada su izloženi sunčevoj svjetlosti.

Previsoke ili niske temperature također mogu uzrokovati promjene u genetskom materijalu.

Endogeni uzroci mutacija

Glavni razlozi zbog kojih može doći do spontane mutacije ostaju endogeni čimbenici. To uključuje nusproizvode metabolizma, pogreške u procesu replikacije, popravka ili rekombinacije i druge.

1. Greške replikacije:
   - spontani prijelazi i inverzije dušičnih baza;
   - neispravno umetanje nukleotida zbog grešaka u DNA polimerazama;
   - kemijska zamjena nukleotida, na primjer, gvanin-citozin u adenin-gvanin.
2. Pogreške oporavka:
   - mutacije u genima odgovornim za popravak pojedinih dijelova lanca DNA nakon njihovog prekida pod utjecajem vanjskih čimbenika.
3. Problemi rekombinacije:
   - kvarovi u procesima crossing overa tijekom mejoze ili mitoze dovode do gubitka i završetka baza.

Ovo su glavni čimbenici koji uzrokuju spontane mutacije. Razlozi kvarova mogu biti aktivacija gena mutatora, kao i pretvaranje sigurnih kemijskih spojeva u aktivnije metabolite koji utječu na staničnu jezgru. Osim toga, postoje i strukturni čimbenici. To uključuje ponavljanje nukleotidnog slijeda u blizini mjesta preraspodjele lanca, prisutnost dodatnih segmenata DNK slične strukture genu, kao i mobilnih elemenata genoma.

Patogeneza mutacije

Spontana mutacija nastaje kao posljedica utjecaja svih navedenih čimbenika koji djeluju zajedno ili odvojeno u određenom razdoblju života stanice. Postoji takav fenomen kao što je klizno kršenje uparivanja DNK lanaca kćeri i majke. Kao rezultat toga, petlje se često formiraju od peptida koji se ne mogu adekvatno uklopiti u sekvencu. Nakon uklanjanja suvišnih fragmenata DNK iz lanca kćeri, petlje se mogu i resektirati (delecije) i ugraditi (duplikacije, insercije). Nastale promjene fiksiraju se u sljedećim ciklusima stanične diobe.

Brzina i broj mutacija koje se javljaju ovise o primarnoj strukturi DNK. Neki znanstvenici vjeruju da su apsolutno sve sekvence DNK mutagene ako tvore zavoje.

Najčešće spontane mutacije

Koja je najčešća manifestacija spontanih mutacija u genetskom materijalu? Primjeri takvih stanja su gubitak dušičnih baza i uklanjanje aminokiselina. Ostaci citozina smatraju se posebno osjetljivima na njih.

Dokazano je da danas više od polovice kralješnjaka ima mutaciju ostataka citozina. Nakon deaminacije, metilcitozin se mijenja u timin. Naknadno kopiranje ovog odjeljka ponavlja pogrešku ili je briše, ili se udvostručuje i mutira u novi fragment.

Drugim razlogom čestih spontanih mutacija smatra se veliki broj pseudogena. Zbog toga se tijekom mejoze mogu formirati nejednake homologne rekombinacije. To rezultira preraspodjelom u genima, zaokretima i udvostručavanjem pojedinačnih nukleotidnih sekvenci.

Polimerazni model mutageneze

Prema ovom modelu, spontane mutacije nastaju kao rezultat slučajnih pogrešaka u molekulama koje sintetiziraju DNA. Po prvi put je takav model predstavio Bresler. Predložio je da se mutacije pojavljuju zbog činjenice da polimeraze u nekim slučajevima umeću nekomplementarne nukleotide u sekvencu.

Godinama kasnije, nakon dugih testova i eksperimenata, ovo je gledište odobreno i prihvaćeno u znanstvenom svijetu. Čak su izvedeni određeni obrasci koji znanstvenicima omogućuju kontrolu i usmjeravanje mutacija izlaganjem određenih dijelova DNK ultraljubičastom svjetlu. Tako je, primjerice, utvrđeno da je adenin najčešće ugrađen nasuprot oštećenog tripleta.

Tautomerni model mutageneze

Još jednu teoriju koja objašnjava spontane i umjetne mutacije predložili su Watson i Crick (otkrivači strukture DNK). Predložili su da se mutageneza temelji na sposobnosti nekih baza DNK da se pretvore u tautomerne oblike koji mijenjaju način na koji su baze povezane.

Od objave hipoteza se aktivno razvija. Novi oblici nukleotida otkriveni su nakon zračenja ultraljubičastim svjetlom. To je znanstvenicima dalo nove mogućnosti istraživanja. Suvremena znanost još uvijek raspravlja o ulozi tautomernih oblika u spontanoj mutagenezi i njihovom utjecaju na broj otkrivenih mutacija.

Ostali modeli

Spontana mutacija moguća je kada je poremećeno prepoznavanje nukleinskih kiselina od strane DNA polimeraza. Poltaev i koautori razjasnili su mehanizam koji osigurava usklađenost s načelom komplementarnosti u sintezi molekula kćeri DNA. Ovaj model omogućio je proučavanje pravilnosti pojave spontane mutageneze. Znanstvenici su svoje otkriće objasnili činjenicom da je glavni razlog promjene strukture DNK sinteza nekanonskih parova nukleotida.

Predložili su da do supstitucije baza dolazi zbog deaminacije regija DNK. To dovodi do promjene citozina u timin ili uracil. Zbog takvih mutacija nastaju parovi nekompatibilnih nukleotida. Stoga se tijekom sljedeće replikacije događa prijelaz (točkasta zamjena nukleotidnih baza).

Klasifikacija mutacija: spontana

Postoje različite klasifikacije mutacija ovisno o tome koji je kriterij u njihovoj osnovi. Postoji podjela prema prirodi promjene funkcije gena:

Hipomorfni (mutirani aleli sintetiziraju manje proteina, ali su slični izvornim);
- amorfni (gen je potpuno izgubio svoje funkcije);
- antimorfni (mutirani gen potpuno mijenja svojstvo koje predstavlja);
- neomorfni (pojavljuju se novi znakovi).

Ali češća je klasifikacija koja dijeli sve mutacije u odnosu na strukturu koja se mijenja. Dodijeliti:

1. Genomske mutacije. To uključuje poliploidiju, odnosno stvaranje genoma s trostrukim ili više skupova kromosoma, i aneuploidiju, broj kromosoma u genomu nije višekratnik haploidnog.
2. Kromosomske mutacije. Primjećuju se značajne preraspodjele pojedinih dijelova kromosoma. Dolazi do gubitka informacije (delecija), njenog udvostručenja (duplikacije), promjene smjera nizova nukleotida (inverzija), kao i prijenosa kromosomskih dijelova na drugo mjesto (translokacija).
3. Genska mutacija. Najčešća mutacija. U lancu DNA zamjenjuje se nekoliko nasumičnih dušičnih baza.

Posljedice mutacija

Spontane mutacije uzrok su tumora, poremećaja rada organa i tkiva kod ljudi i životinja. Ako se mutirana stanica nalazi u velikom višestaničnom organizmu, tada će s visokim stupnjem vjerojatnosti biti uništena pokretanjem apoptoze (programirane stanične smrti). Tijelo kontrolira proces očuvanja genetskog materijala te se uz pomoć imunološkog sustava rješava svih eventualno oštećenih stanica.

U jednom slučaju od stotina tisuća, T-limfociti nemaju vremena prepoznati zahvaćenu strukturu, pa nastaje klon stanica koje također sadrže mutirani gen. Konglomerat stanica već ima druge funkcije, proizvodi otrovne tvari i negativno utječe na opće stanje tijela.

Ako se mutacija nije dogodila u somatskoj, već u zametnoj stanici, tada će se promjene primijetiti u potomcima. Manifestiraju se kongenitalnim patologijama organa, deformacijama, metaboličkim poremećajima i bolestima nakupljanja.

Spontane mutacije: značenje

U nekim slučajevima, prethodno naizgled beskorisne mutacije mogu biti korisne za prilagodbu novim životnim uvjetima. Ovo predstavlja mutaciju kao mjeru prirodne selekcije. Životinje, ptice i kukci se kamufliraju u skladu sa svojim područjem stanovanja kako bi se zaštitili od grabežljivaca. Ali ako se njihovo stanište promijeni, tada uz pomoć mutacija priroda pokušava zaštititi vrstu od izumiranja. U novim uvjetima, najsposobniji preživljavaju i tu sposobnost prenose na druge.

Mutacija se može dogoditi u neaktivnim regijama genoma i tada se ne uočavaju nikakve vidljive promjene u fenotipu. Moguće je otkriti "lom" samo uz pomoć specifičnih studija. To je potrebno za proučavanje podrijetla srodnih životinjskih vrsta i sastavljanje njihovih genetskih karata.

Problem spontanosti mutacija

Četrdesetih godina prošlog stoljeća postojala je teorija da su mutacije uzrokovane isključivo izlaganjem i pomoći u prilagodbi na njih. Kako bi se ispitala ova teorija, razvijen je poseban test i metoda ponavljanja.

Postupak se sastojao u tome što je mala količina bakterija iste vrste posijana u epruvete i nakon nekoliko inokulacija u njih su dodani antibiotici. Neki od mikroorganizama su preživjeli i prebačeni su u novi medij. Usporedba bakterija iz različitih epruveta pokazala je da je rezistencija nastala spontano, i prije i nakon kontakta s antibiotikom.

Metoda ponavljanja sastojala se u tome da su mikroorganizmi prebačeni u vunasto tkivo, a potom istovremeno prebačeni u nekoliko čistih medija. Nove kolonije su uzgojene i tretirane antibiotikom. Kao rezultat toga, bakterije smještene u istim dijelovima medija preživjele su u različitim epruvetama.

Koje se mutacije nazivaju spontanim? Ako izraz prevedemo na pristupačan jezik, onda se radi o prirodnim pogreškama koje nastaju u procesu interakcije genetskog materijala s unutarnjim i/ili vanjskim okolišem. Takve su mutacije obično slučajne. Uočavaju se u spolnim i drugim stanicama tijela.

Egzogeni uzroci mutacija

Spontana mutacija može nastati pod utjecajem kemikalija, zračenja, visokih ili niskih temperatura, prorijeđenog zraka ili visokog tlaka. Svake godine čovjek u prosjeku apsorbira oko jedne desetine rada ionizirajućeg zračenja, što je prirodna pozadina zračenja. Ovaj broj uključuje gama zračenje iz Zemljine jezgre, solarni vjetar, radioaktivnost elemenata koji se javljaju u debljini zemljine kore i otopljeni u atmosferi. Primljena doza također ovisi o tome gdje se osoba nalazi. Četvrtina svih spontanih mutacija događa se upravo zbog ovog faktora.
Ultraljubičasto zračenje, suprotno uvriježenom mišljenju, igra neznatnu ulogu u nastanku raspada DNK, jer ne može prodrijeti duboko u ljudsko tijelo. Ali koža često strada od pretjeranog izlaganja suncu (melanom i drugi karcinomi). Međutim, jednostanični organizmi i virusi mutiraju kada su izloženi sunčevoj svjetlosti. Previsoke ili niske temperature također mogu uzrokovati promjene u genetskom materijalu.

Endogeni uzroci mutacija

Glavni razlozi za pojavu spontane mutacije ostaju endogeni čimbenici. To uključuje nusproizvode metabolizma, pogreške u procesu replikacije, popravka ili rekombinacije i druge.

Greške replikacije:
- spontani prijelazi i inverzije dušičnih baza;
- nepravilan raspored nukleotida zbog grešaka u DNA polimerazama;
- kemijska zamjena nukleotida, na primjer, gvanin-citozin u adenin-gvanin.

Pogreške oporavka:
- mutacije u genima odgovornim za popravak pojedinih dijelova lanca DNA nakon njihovog prekida pod utjecajem vanjskih čimbenika.

Problemi rekombinacije:
- kvarovi u procesima crossingovera tijekom mejoze ili mitoze dovode do gubitka i završetka baza.

Ovo su glavni čimbenici koji uzrokuju spontane mutacije. Razlozi kvarova mogu biti aktivacija gena mutatora, kao i pretvaranje sigurnih kemijskih spojeva u aktivnije metabolite koji utječu na staničnu jezgru. Osim toga, postoje i strukturni čimbenici. To uključuje ponavljanje nukleotidnog slijeda u blizini mjesta preraspodjele lanca, prisutnost dodatnih segmenata DNK slične strukture genu, kao i mobilnih elemenata genoma.

Patogeneza mutacije

Spontana mutacija nastaje kao posljedica utjecaja svih gore navedenih čimbenika koji djeluju zajedno ili zasebno u određenom razdoblju života stanice. Postoji takav fenomen kao što je klizno kršenje uparivanja DNK lanaca kćeri i majke. Kao rezultat toga, petlje se često formiraju od peptida koji se ne mogu adekvatno uklopiti u sekvencu. Nakon uklanjanja suvišnih fragmenata DNK iz lanca kćeri, petlje se mogu i resektirati (delecije) i ugraditi (duplikacije, insercije). Promjene se pojavljuju i fiksiraju u narednim ciklusima stanične diobe.
Brzina i broj mutacija koje se javljaju ovise o primarnoj strukturi DNK. Neki znanstvenici vjeruju da su apsolutno sve sekvence DNK mutagene ako tvore zavoje.

Najčešće spontane mutacije

Zašto se spontane mutacije najčešće manifestiraju u genetskom materijalu? Primjeri takvih stanja su gubitak dušičnih baza i uklanjanje aminokiselina. Ostaci citozina smatraju se posebno osjetljivima na njih. Dokazano je da danas više od polovice kralješnjaka ima mutaciju ostataka citozina. Nakon deaminacije, metilcitozin se mijenja u timin. Daljnje kopiranje ovog odjeljka ponavlja pogrešku ili je briše ili udvostručuje i mutira u novi fragment. Drugi razlog čestih spontanih mutacija je veliki broj pseudogena. Zbog toga se tijekom mejoze mogu formirati nejednake homologne rekombinacije. Posljedica toga su preraspodjele u genima, zaokreti i udvostručenje pojedinih nukleotidnih nizova.

Polimerazni model mutageneze

Prema ovom modelu, spontane mutacije nastaju kao rezultat slučajnih pogrešaka molekula koje sintetiziraju DNA. Po prvi put je takav model predstavio Bresler. Predložio je da se mutacije pojavljuju kao rezultat činjenice da polimeraze u nekim slučajevima umeću nekomplementarne nukleotide u sekvencu. Godinama kasnije, nakon dugih testova i eksperimenata, ovo je gledište odobreno i prihvaćeno u znanstvenom svijetu. Čak su izvedeni određeni obrasci koji znanstvenicima omogućuju kontrolu i usmjeravanje mutacija izlaganjem određenih dijelova DNK ultraljubičastom svjetlu. Tako je, primjerice, utvrđeno da je adenin najčešće ugrađen nasuprot oštećenog tripleta.

Tautomerni model mutageneze

Još jednu teoriju koja objašnjava spontane i umjetne mutacije predložili su Watson i Crick (otkrivač strukture DNA). Predložili su da se mutageneza temelji na sposobnosti nekih baza DNK da se pretvore u tautomerne oblike koji mijenjaju način na koji su baze povezane.
Od objave hipoteza se aktivno razvija. Nakon ultraljubičastog zračenja otkriveni su novi oblici nukleotida. To je znanstvenicima dalo nove mogućnosti istraživanja. Moderna znanost još uvijek raspravlja o ulozi tautomernih oblika u spontanoj mutagenezi i njihovom utjecaju na broj identificiranih mutacija.

Ostali modeli

Spontana mutacija moguća je kada je poremećeno prepoznavanje nukleinskih kiselina od strane DNA polimeraza. Poltaev i koautori razjasnili su mehanizam koji osigurava usklađenost s načelom komplementarnosti u sintezi molekula kćeri DNA. Ovaj model omogućio je proučavanje zakonitosti u pojavi spontane mutageneze. Znanstvenici su svoje otkriće objasnili činjenicom da je glavni razlog promjene strukture DNK sinteza nekanonskih parova nukleotida. Predložili su da se supstitucija baza događa deaminacijom segmenata DNA. To dovodi do promjene citozina u timin ili uracil. Zbog takvih mutacija nastaju parovi nekompatibilnih nukleotida. Stoga se tijekom sljedeće replikacije događa prijelaz (točkasta zamjena nukleotidnih baza).

Klasifikacija mutacija: spontana

Postoje različite klasifikacije mutacija, ovisno o tome koji kriterij je u njihovoj osnovi. Postoji podjela prema prirodi promjene funkcije gena: - hipomorfni (mutirani aleli sintetiziraju manje proteina, ali su slični izvornim);
- amorfni (gen je potpuno izgubio svoje funkcije);
- antimorfni (mutirani gen potpuno mijenja svojstvo koje predstavlja);
- neomorfni (pojavljuju se novi znakovi). Ali klasifikacija koja dijeli sve mutacije u odnosu na varijabilnu strukturu je češća. Izdvojite: 1. Genomske mutacije. To uključuje poliploidiju, odnosno stvaranje genoma s trostrukim ili više skupova kromosoma, i aneuploidiju, broj kromosoma u genomu nije višekratnik haploidnog.
2. Kromosomske mutacije. Primjećuju se značajne preraspodjele pojedinih dijelova kromosoma. Dolazi do gubitka informacija (delecija), udvostručavanja (duplikacija), promjene smjera nizova nukleotida (inverzija), kao i prevrtanja kromosomskih dijelova na drugo mjesto (translokacija).
3. Genska mutacija. Najčešća mutacija U lancu DNA zamjenjuje se nekoliko nasumičnih dušičnih baza.

Posljedice mutacija

Spontane mutacije su uzroci tumora, bolesti nakupljanja, poremećaja rada organa i tkiva kod ljudi i životinja. Ako se mutirana stanica nalazi u velikom višestaničnom organizmu, tada će s visokim stupnjem vjerojatnosti biti uništena pokretanjem apoptoze (programirane stanične smrti). Tijelo kontrolira proces očuvanja genetskog materijala te se uz pomoć imunološkog sustava rješava svih eventualno oštećenih stanica. U jednom slučaju od stotina tisuća, T-limfociti nemaju vremena prepoznati zahvaćenu strukturu, pa nastaje klon stanica koje također sadrže mutirani gen. Konglomerat stanica već ima druge funkcije, proizvodi otrovne tvari i negativno utječe na opće stanje tijela. Ako se mutacija nije dogodila u somatskoj, već u zametnoj stanici, tada će se promjene primijetiti u potomcima. Pokazalo se da su to urođene patologije organa, deformacije, metabolički poremećaji i bolesti skladištenja.

Spontane mutacije:

U nekim slučajevima, mutacije koje su se prije činile beskorisnima mogu biti korisne za prilagodbu novim životnim uvjetima. Ovo predstavlja mutaciju kao mjeru prirodne selekcije. Životinje, ptice i kukci se kamufliraju u skladu sa svojim područjem stanovanja kako bi se zaštitili od grabežljivaca. Ali ako se njihovo stanište promijeni, tada uz pomoć mutacija priroda pokušava zaštititi vrstu od izumiranja. U novim uvjetima, najsposobniji preživljavaju i tu sposobnost prenose na druge. Mutacija se može dogoditi u neaktivnim regijama genoma i tada se ne uočavaju nikakve vidljive promjene u fenotipu. Moguće je identificirati "lom" samo uz pomoć specifičnih studija. Potrebno je proučavati podrijetlo i srodne vrste životinja te njihove genetske karte.

Problem spontanosti mutacija

Četrdesetih godina prošlog stoljeća postojala je teorija da su mutacije uzrokovane isključivo utjecajem vanjskih čimbenika i pomažu u prilagodbi na njih. Kako bi se ispitala ova teorija, razvijen je poseban test i metoda ponavljanja. Postupak se sastojao u tome što je mala količina bakterija iste vrste posijana u epruvete i nakon nekoliko inokulacija u njih su dodani antibiotici. Neki od mikroorganizama su preživjeli i prebačeni su u novi medij. Usporedba bakterija iz različitih epruveta pokazala je da je rezistencija nastala spontano, i prije i nakon kontakta s antibiotikom. Metoda ponavljanja uključivala je prijenos mikroorganizama na vunenu tkaninu i zatim njihov prijenos u nekoliko čistih medija. Nove kolonije su uzgojene i tretirane antibiotikom. Kao rezultat toga, bakterije smještene u istim dijelovima medija preživjele su u različitim epruvetama.

Datum objave: 22.05.17

Po prvi put, povećanje učestalosti nasljedne varijabilnosti pod utjecajem vanjskih agenasa otkrili su 1925. godine sovjetski mikrobiolozi G.A. Nadson i G.S. Filippov. Uočili su povećanje raznolikosti nasljednih oblika - salipants- nakon izlaganja "radijevim zrakama" na niže gljive.

Godine 1927. G. Meller izvijestio je o učinku X-zraka na proces mutacije kod Drosophila. Neki spojevi (jod, octena kiselina, amonijak) sposobni su inducirati recesivne letale u L" kromosomu. Godine 1939. S.M. Gershenzon otkrio je snažan mutageni učinak egzogene DNA u Drosophili. Snažne kemijske mutagene otkrio je 1946. I.A. Rapoport (etilenimin ) u SSSR-u te S. Auerbach i J. Robson (dušikov iperit) u Engleskoj.

Od tada, arsenal mutagenih čimbenika uključuje razne kemijske spojeve: bazne analoge ugrađene izravno u DNA, agense za modifikaciju baza kao što su dušikova kiselina ili hidroksilamin, spojeve za alkiliranje DNA (etil metansulfonat, metil metansulfonat itd.), spojeve koji interkalirati između baza DNA (akridini i njihovi derivati) itd.

Uz mutagene pronađeni su i antimutageni.

Sposobnost promjene brzine procesa mutacije poslužila je kao odlučujući poticaj za rasvjetljavanje uzroka spontanih mutacija. Jedan od prvih pokušaja da se objasne uzroci spontanih mutacija sveo se na pretpostavku da su one u stvarnosti izazvane prirodnom pozadinom radioaktivnosti. Međutim, pokazalo se da se samo oko 0,1% svih spontanih mutacija u Drosophili može objasniti na ovaj način. Nije potvrđena ni hipoteza o toplinskom gibanju atoma kao glavnom uzroku spontanih mutacija. Bilo je pokušaja objasniti spontane mutacije kao rezultat djelovanja metaboličkih produkata stanice i tijela.

Suvremeno gledište o uzrocima spontanih mutacija formirano je šezdesetih godina prošlog stoljeća. zahvaljujući proučavanju mehanizama reprodukcije, popravka i rekombinacije gena te otkriću enzimskih sustava odgovornih za te procese. Postojala je tendencija da se mutacije gena objasne greškama u radu enzima sinteze predloška DNA. Ova hipoteza danas je općeprihvaćena. Atraktivnost hipoteze također je u tome što nam omogućuje da inducirani mutacijski proces promatramo kao rezultat intervencije vanjskih čimbenika u normalnoj reprodukciji nositelja genetske informacije, odnosno daje jedinstveno objašnjenje uzroka spontane i inducirane mutacije. Na razvoj teorije procesa mutacije uvelike je utjecalo proučavanje njegove genetske kontrole. Otkriveni su geni čije mutacije mogu povećati ili smanjiti učestalost kako spontanih tako i induciranih mutacija. Time je potvrđeno postojanje zajedničkih uzroka induciranog i spontanog procesa mutacije.

Prvo objašnjenje mehanizma mutacijskih promjena (mutacije gena i kromosomske aberacije) predložio je 1935. godine N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer i M. Delbrück na temelju analize radijacijske mutageneze u višim organizmima, prvenstveno u Drosophili. Mutacija se smatrala rezultatom trenutnog preraspodjele atoma u složenoj molekuli gena. Razlog za takvo preslagivanje smatrao se izravnim udarcem u gen kvanta ili ionizirajuće čestice (princip udarca) ili nasumičnih vibracija atoma. Otkriće djelovanja posljedica ionizirajućeg zračenja kasnije je pokazalo da mutacije nastaju kao rezultat procesa koji traje kroz vrijeme, a ne izravno u trenutku prolaska kvanta energije ili ionizirajuće čestice kroz gen.