Mik azok a spontán mutációk? Spontán mutációs folyamat és okai

A mutációk a citogenetikusok és biokémikusok fontos vizsgálati tárgyát képezik. Leggyakrabban a gén- vagy kromoszómális mutációk okozzák az örökletes betegségeket. Természetes körülmények között nagyon ritkán fordul elő kromoszóma-átrendeződés. A kémiai reagensek, biológiai mutagének vagy fizikai tényezők, például ionizáló sugárzás által okozott mutációk gyakran okozzák a veleszületett fejlődési kórképeket és rosszindulatú daganatokat.

Általános információk a mutációkról

Hugo de Vries a mutációt egy örökletes tulajdonság hirtelen változásaként határozta meg. Ez a jelenség minden élő szervezet genomjában megtalálható, a baktériumoktól az emberekig. Normál körülmények között a nukleinsavak mutációi nagyon ritkán, körülbelül 1·10 -4 - 1,10 -10 gyakorisággal fordulnak elő.

A változások által érintett genetikai anyag mennyiségétől függően a mutációkat genomiális, kromoszómális és génmutációkra osztják. A genomikus a kromoszómák számának változásaihoz kapcsolódik (monosómia, triszómia, tetraszómia); kromoszómális az egyes kromoszómák szerkezetének változásaihoz kapcsolódnak (deléciók, duplikációk, transzlokációk); a génmutációk egyetlen gént érintenek. Ha a mutáció csak egy pár nukleotidot érintett, akkor pontmutációról van szó.

Az ezeket okozó okoktól függően spontán és indukált mutációkat különböztetünk meg.

Spontán mutációk

A szervezetben belső tényezők hatására fordulnak elő. A spontán mutációk normálisnak tekinthetők, ritkán vezetnek súlyos következményekhez a szervezet számára. Leggyakrabban az ilyen átrendeződések egy génen belül fordulnak elő, és a bázisok helyettesítésével járnak - egy purin egy másik purinnal (átmenetek), vagy egy purin egy pirimidinnel (transzverziók).

Spontán mutációk sokkal ritkábban fordulnak elő a kromoszómákban. A kromoszómális spontán mutációkat jellemzően transzlokációk (egy vagy több gén átmenete egyik kromoszómából a másikba) és inverziók (a kromoszómán lévő gének szekvenciájának megváltozása) képviselik.

Indukált átrendeződések

Az indukált mutációk a szervezet sejtjeiben vegyi anyagok, sugárzás vagy vírusreplikációs anyag hatására következnek be. Az ilyen mutációk gyakrabban jelennek meg, mint a spontánok, és súlyosabb következményekkel járnak. Egyes génekre és géncsoportokra hatnak, blokkolva az egyes fehérjék szintézisét. Az indukált mutációk gyakran globális hatást gyakorolnak a genomra, mutagének hatására kóros kromoszómák jelennek meg a sejtben: izokromoszómák, gyűrűs kromoszómák, dicentrikusok.

A mutagének a kromoszóma-átrendeződések mellett DNS-károsodást okoznak: kettősszál-szakadást, DNS-keresztkötések kialakulását.

Példák kémiai mutagénekre

A kémiai mutagének közé tartoznak a nitrátok, nitritek, nitrogénbázisok analógjai, salétromsav, peszticidek, hidroxil-amin és egyes élelmiszer-adalékanyagok.

A salétromsav hatására az aminocsoport eltávolítható a nitrogéntartalmú bázisokból, és helyébe egy másik csoport lép. Ez pontmutációkhoz vezet. A kémiailag indukált mutációkat a hidroxil-amin is okozza.

A nitrátok és nitritek nagy dózisban növelik a rák kockázatát. Egyes élelmiszer-adalékanyagok a nukleinsavak arilációs reakcióit váltják ki, ami a transzkripciós és transzlációs folyamatok megzavarásához vezet.

A kémiai mutagének nagyon változatosak. Ezek az anyagok gyakran indukált mutációkat okoznak a kromoszómákban.

A fizikai mutagének közé tartozik az ionizáló sugárzás, elsősorban a rövidhullámú sugárzás és az ultraibolya sugárzás. Az ultraibolya fény folyamatot indít el a membránokban, és különféle hibák kialakulását idézi elő a DNS-ben.

A röntgen- és gamma-sugárzás kromoszómaszintű mutációkat vált ki. Az ilyen sejtek nem képesek osztódni, apoptózis során elpusztulnak. Az indukált mutációk az egyes génekre is hatással lehetnek. Például a tumorszuppresszor gének blokkolása daganatok megjelenéséhez vezet.

Példák indukált átrendeződésekre

Az indukált mutációk példái közé tartoznak a különböző genetikai betegségek, amelyek gyakran fizikai vagy kémiai mutagén tényezőknek kitett területeken jelennek meg. Köztudott, hogy az indiai Kerala államban, ahol az ionizáló sugárzás éves effektív dózisa tízszeresen meghaladja a normát, megnő a Down-szindrómás (21-es triszómia) gyermekek születési gyakorisága. A kínai Yangjiang kerületben nagy mennyiségű radioaktív monacitot mutattak ki a talajban. Az összetételében lévő instabil elemek (cérium, tórium, urán) gamma-sugárzással bomlanak. A kerület lakóinak rövidhullámú sugárzásnak való kitettsége miatt nagyszámú gyermek születik cry-the-cat-szindrómában (a 8-as kromoszóma nagy részének törlése), valamint megnövekedett a rák előfordulása. Egy másik példa: 1987 januárjában rekordszámú Down-szindrómás gyermek születését regisztrálták Ukrajnában, összefüggésben a csernobili balesettel. A terhesség első trimeszterében a magzat a legérzékenyebb a fizikai és kémiai mutagének hatására, ezért a kolosszális sugárdózis a kromoszóma-rendellenességek gyakoriságának növekedéséhez vezetett.

A történelem egyik leghírhedtebb kémiai mutagénje a nyugtató Thalidomide, amelyet Németországban gyártottak a múlt század 50-es éveiben. Ennek a gyógyszernek a szedése sok gyermek születéséhez vezetett, sokféle genetikai rendellenességgel.

Az indukált mutációk módszerét a tudósok általában arra használják, hogy megtalálják az optimális módszereket az autoimmun betegségek és a fehérjék hiperszekréciójával kapcsolatos genetikai rendellenességek leküzdésére.

Spontán- Ezek olyan mutációk, amelyek spontán módon, a kísérletvezető beavatkozása nélkül jelentkeznek.

Indukált– ezek azok a mutációk, amelyeket mesterségesen, különféle tényezők felhasználásával okoznak mutagenezis.

Általában a mutáció kialakulásának folyamatát ún mutagenezis, a mutációkat okozó tényezők pedig azok mutagéneket.

Mutagén tényezők részre vannak osztva fizikai, kémiaiÉs biológiai.

Spontán mutációs ráta egy gén , minden szervezet minden génjére más.

A spontán mutációk okai nem teljesen világos. Korábban azt hitték, hogy az okozta az ionizáló sugárzás természetes háttere. Kiderült azonban, hogy ez nem így van. Például Drosophilában a természetes háttérsugárzás a spontán mutációk legfeljebb 0,1%-át okozza.

VAL VEL kor a természetes háttérsugárzásnak való kitettség következményei lehetnek felhalmozódik, emberben pedig a spontán mutációk 10-25%-a ennek köszönhető.

Második ok spontán mutációk vannak a kromoszómák és a gének véletlen károsodása miatt a sejtosztódás és a DNS-replikáció során véletlenszerű hibák a molekuláris mechanizmusok működésében.

A harmadik ok spontán mutációk vannak mozgó genom szerint mobil elemek, amely bármely gént behatolhat és mutációt okozhat benne.

M. Green amerikai genetikus kimutatta, hogy a spontánként felfedezett mutációk körülbelül 80%-a mobil elemek mozgása következtében keletkezett.

Indukált mutációk először fedezték fel 1925-ben. G.A. NadsonÉs G.S. Filippov a Szovjetunióban. Röntgensugárzással besugározták a penészkultúrákat. Mucor genevensisés megkapta a kultúra felosztását „két formára vagy fajra, amelyek nemcsak egymástól, hanem az eredeti (normál) formától is különböznek”. A mutánsok stabilnak bizonyultak, mivel nyolc egymást követő szubkultúra után megőrizték megszerzett tulajdonságaikat. Cikkük csak orosz nyelven jelent meg, és a munka nem alkalmaz semmilyen módszert a röntgensugarak hatásának kvantitatív értékelésére, így kevéssé vették észre.

BAN BEN 1927 G. G. Möller beszámolt a röntgensugárzás hatásáról a Drosophila mutációs folyamatára, és javasolta mennyiségi módszer az X kromoszóma recesszív letális mutációinak számlájára ClB), amely klasszikussá vált.

1946-ban Möller Nobel-díjat kapott a sugárzási mutagenezis felfedezéséért. Mára gyakorlatilag megállapították minden típusú sugárzás(beleértve minden típusú ionizáló sugárzást - a, b, g; UV-sugarak, infravörös sugarak) mutációkat okoznak. Felhívták őket fizikai mutagének.

Alapvető mechanizmusok cselekedeteiket:

1) a gének és kromoszómák szerkezetének megzavarása miatt közvetlen cselekvés DNS- és fehérjemolekulákon;

2) oktatás szabad radikálisok, amelyek kémiai kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel;

3) cérna elszakad orsók;

4) oktatás dimerek(timin).

A 30-as években nyitva volt kémiai mutagenezis Drosophilában: V. V. Szaharov (1932 ), M. E. LobasevÉs F. A. Szmirnov (1934 ) kimutatta, hogy egyes vegyületek, mint pl jód, ecetsav, ammónia, képesek recesszív letális mutációkat indukálni az X kromoszómán.

BAN BEN 1939 G. Szergej Mihajlovics Gersenzon(S.S. Chetverikov tanítványa) felfedezett egy erős exogén DNS mutagén hatása Drosophilában. N.K. eszméinek hatására. Kolcov szerint a kromoszóma egy óriási molekula, S.M. Gershenzon úgy döntött, hogy teszteli azt a feltételezését, hogy a DNS egy ilyen molekula. DNS-t izolált a csecsemőmirigyből, és hozzáadta a Drosophila lárvák táplálékához. 15 ezer kontrolllégy között (azaz DNS nélkül az élelmiszerben) egyetlen mutáció sem volt, a kísérletben pedig 13 ezer légy között 13 mutánst találtak.

BAN BEN 1941 Charlotte AuerbachÉs J. Robson azt mutatta nitrogén mustár mutációkat indukál a Drosophilában. Az ezzel a vegyi harci szerrel végzett munka eredményeit csak 1946-ban tették közzé, a második világháború vége után. Ugyanabban a 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovics) a Szovjetunióban mutagén aktivitást mutatott formaldehid.

Jelenleg a kémiai mutagének tartalmazza:

A) természetes szerves és szervetlen anyagok;

b) ipari termékek természetes vegyületek feldolgozása– szén, olaj;

V) szintetikus anyagok, korábban nem fordult elő a természetben (peszticidek, rovarirtó szerek stb.);

d) néhány metabolitok emberi és állati testek.

Kémiai mutagének elsősorban okozza genetikai mutációk és a DNS-replikáció során hatnak.

Hatásmechanizmusuk:

1) az alapszerkezet módosítása (hidroxilezés, dezaminálás, alkilezés);

2) a nitrogéntartalmú bázisok helyettesítése analógjaikkal;

3) a nukleinsav prekurzorok szintézisének gátlása.

Az elmúlt években ún szupermutagének:

1)bázis analógok;

2) kapcsolatok, DNS alkilező(etil-metánszulfonát, metil-metánszulfonát stb.);

3) kapcsolatok, interkalálódva DNS-bázisok (akridinek és származékaik) között.

A szupermutagének 2-3 nagyságrenddel növelik a mutációk gyakoriságát.

NAK NEK biológiai mutagének viszonyul:

A) vírusok(rubeola, kanyaró stb.);

b) nem vírusos fertőző ágensek(baktériumok, rickettsia, protozoák, helminták);

V) mobil genetikai elemek.

Hatásmechanizmusuk:

1) a vírusok és a mobil elemek genomja beépül a gazdasejtek DNS-ébe;

Indukált mutagenezis század 20-as éveinek végétől kezdődően új törzsek, fajták és fajták kiválasztására használták. A legnagyobb sikert az antibiotikumokat és más biológiailag aktív anyagokat termelő baktérium- és gombatörzsek szelekciója érte el.

Így sikerült növelnünk az aktivitást antibiotikum gyártók 10-20-szorosára, ami lehetővé tette a megfelelő antibiotikumok termelésének jelentős növelését és költségeik jelentős csökkentését. A sugárzó gomba aktivitása - B 12 vitamin termelője sikerült hatszorosára növelni, és a baktérium - termelő aktivitását aminosavak lizin- 300-400 alkalommal.

Mutációk használata törpeség a búzában a 60-70-es években lehetővé tették a gabonanövények hozamának meredek növekedését, amelyet „ zöld forradalom" A törpebúza fajták lerövidített, vastag szárral rendelkeznek, amely ellenáll a megdőlésnek, nagyobb kalászból is bírja a megnövekedett terhelést. E fajták használata lehetővé tette a hozamok jelentős (egyes országokban többszörös) növelését.

Egy amerikai tenyésztő és genetikus a „zöld forradalom” szerzője. N. Borlauga, aki 1944-ben, 30 évesen Mexikóban telepedett le és kezdett dolgozni. A nagy termőképességű növényfajták nemesítésében elért sikeréért 1970-ben Nobel-békedíjat kapott.

11 . Génmutációk

Gén (pont) mutációk a nukleotidszekvenciák viszonylag csekély változásaihoz kapcsolódik. Génmutációk alokra vannak osztva változtatásokhoz szerkezeti génekés változásokat szabályozó gének.

A mutációk típusai:

1. Beillesztés vagy veszteség (törlés) pár vagy több pár nukleotid, ezek oda vezetnek olvasási keretváltás. A nukleotid inszerció vagy deléció helyétől függően kevesebb vagy több kodon változik.

2. Átmenet– bázisok cseréje purinról purinra vagy pirimidin cseréje pirimidinre, például: A „G, C” T.

3. Transzverzió – purinbázist pirimidinbázissal vagy pirimidinbázist purinbázissal helyettesíteni. Például: A «C, G «T.

A szerkezeti gének változásai a következőkhöz vezetnek:

a) ahhoz missense mutációk– a kodonok jelentésének változásai és más fehérjék képződése;

b) hogy nonszensz mutációk– STOP kodonok kialakulása (UAA, UAG, UGA).

A szabályozó gének változásainak eredményei:

1. A represszor fehérje nem egyezik az operátorral (“ a kulcs nem fér be a kulcslyukba") - a szerkezeti gének folyamatosan működnek (a fehérjéket folyamatosan szintetizálják).

2. A represszor fehérje szorosan „csatlakozik” a kezelőhöz, és az induktor nem távolítja el (“ a kulcs nem jön ki a kulcslyukon") - a szerkezeti gének folyamatosan nem működnek, és az ebben az operonban kódolt fehérjék nem szintetizálódnak.

3. Az elfojtás és az indukció váltakozásának megsértése– induktor hiányában specifikus fehérje szintetizálódik, de jelenlétében a fehérje nem szintetizálódik. Ennek oka a szabályozó gén vagy az operátor szekvencia mutációja.

A génmutációk a fő ok génbetegségek, melynek megnyilvánulási gyakorisága az emberi populációkban eléri az 1-2%-ot.

Milyen mutációkat nevezünk spontánnak? Ha a kifejezést hozzáférhető nyelvre fordítjuk, akkor ezek természetes hibák, amelyek a genetikai anyag és a belső és/vagy külső környezet kölcsönhatása során merülnek fel. Az ilyen mutációk általában véletlenszerűek. Megfigyelhetők a test reproduktív és egyéb sejtjeiben.

A mutációk exogén okai

Spontán mutáció történhet vegyszerek, sugárzás, magas vagy alacsony hőmérséklet, ritka levegő vagy nagy nyomás hatására.

Egy ember évente átlagosan a természetes háttérsugárzást alkotó ionizáló sugárzás egytizedét nyeli el. Ez a szám tartalmazza a Föld magjából származó gammasugárzást, a napszelet, valamint a földkéreg mélyén elhelyezkedő és a légkörben oldott elemek radioaktivitását. A kapott adag attól is függ, hogy az illető pontosan hol tartózkodik. Az összes spontán mutáció negyede pontosan ennek a tényezőnek köszönhető.

Az ultraibolya sugárzás – a közhiedelemmel ellentétben – csekély szerepet játszik a DNS-károsodásban, mivel nem tud elég mélyre behatolni az emberi szervezetbe. De a bőr gyakran szenved a túlzott napsugárzástól (melanoma és más típusú rák). Az egysejtű szervezetek és vírusok azonban napfény hatására mutálódnak.

A túl magas vagy alacsony hőmérséklet szintén változásokat okozhat a genetikai anyagban.

A mutációk endogén okai

A fő okok, amelyek miatt a spontán mutáció előfordulhat, továbbra is endogén tényezők. Ide tartoznak az anyagcsere melléktermékei, a replikáció, a javítás vagy a rekombináció folyamatában fellépő hibák és mások.

1. Replikációs hibák:
   - nitrogéntartalmú bázisok spontán átmenetei és inverziói;
   - a nukleotidok helytelen beillesztése a DNS polimerázok hibái miatt;
   - a nukleotidok kémiai helyettesítése, például a guanin-citozin adenin-guaninnal.
2. Helyreállítási hibák:
   - a DNS-lánc egyes szakaszainak helyreállításáért felelős gének mutációi, miután azok külső tényezők hatására megtörtek.
3. Rekombinációs problémák:
   - a meiózis vagy mitózis során a keresztezési folyamatok meghibásodása a bázisok elvesztéséhez és kiteljesedéséhez vezet.

Ezek a spontán mutációkat okozó fő tényezők. A kudarcok oka lehet a mutátor gének aktiválódása, valamint a biztonságos kémiai vegyületek átalakulása aktívabb metabolitokká, amelyek hatással vannak a sejtmagra. Emellett strukturális tényezők is vannak. Ide tartoznak a nukleotidszekvencia ismétlődései a láncátrendeződés helye közelében, további, a génhez hasonló szerkezetű DNS-szakaszok jelenléte, valamint a genom mobil elemei.

A mutáció patogenezise

A spontán mutáció a fenti tényezők mindegyikének hatására jön létre, együtt vagy külön-külön hatnak a sejt életének egy bizonyos időszakában. Létezik olyan jelenség, mint a leány- és anya-DNS-szálak párosításának csúszó megszakadása. Ez gyakran olyan peptidhurkok képződését eredményezi, amelyek nem tudtak megfelelően integrálódni a szekvenciába. A leányszálból a felesleges DNS-szakaszok eltávolítása után a hurkok vagy reszekálhatók (deléciók) vagy inszertálhatók (duplikációk, inszerciók). A megjelenő változások a sejtosztódás következő ciklusaiban konszolidálódnak.

A bekövetkező mutációk sebessége és száma a DNS elsődleges szerkezetétől függ. Egyes tudósok úgy vélik, hogy abszolút minden DNS-szekvencia mutagén, ha kanyarokat képez.

A leggyakoribb spontán mutációk

Hogyan nyilvánulnak meg leggyakrabban a spontán mutációk a genetikai anyagban? Ilyen körülmények például a nitrogéntartalmú bázisok elvesztése és az aminosavak eltávolítása. A citozin maradékokat különösen érzékenynek tekintik rájuk.

Bebizonyosodott, hogy ma a gerincesek több mint fele mutációt mutat a citozin-maradékokon. Dezaminálás után a metilcitozin timinné változik. A szakasz későbbi másolása megismétli a hibát vagy törli, vagy megduplázza és új töredékké alakítja.

A gyakori spontán mutációk másik oka a pszeudogének nagy száma. Emiatt a meiózis folyamata során egyenlőtlen homológ rekombinációk alakulhatnak ki. Ennek következménye a gének átrendeződése, az egyes nukleotidszekvenciák rotációja és megkettőződése.

A mutagenezis polimeráz modellje

E modell szerint a spontán mutációk a DNS-t szintetizáló molekulák véletlenszerű hibáinak eredményeként jönnek létre. Először mutatott be ilyen modellt a Bresler. Azt javasolta, hogy a mutációk annak a ténynek köszönhetőek, hogy a polimerázok bizonyos esetekben nem komplementer nukleotidokat szúrnak be a szekvenciába.

Évekkel később, hosszas tesztek és kísérletek után ezt a nézőpontot jóváhagyták és elfogadták a tudományos világban. Sőt bizonyos mintákat is levezettek, amelyek lehetővé teszik a tudósok számára a mutációk szabályozását és irányítását azáltal, hogy a DNS bizonyos szakaszait ultraibolya fénynek teszik ki. Például azt találták, hogy az adenint leggyakrabban a sérült triplettel szemben helyezik be.

A mutagenezis tautomer modellje

A spontán és mesterséges mutációkat magyarázó másik elméletet Watson és Crick (a DNS szerkezetének felfedezői) javasolta. Azt javasolták, hogy a mutagenezis alapja egyes DNS-bázisok azon képessége, hogy tautomer formákká alakuljanak át, megváltoztatva a bázisok csatlakozási módját.

A publikáció után a hipotézist aktívan fejlesztették. Ultraibolya fénnyel történő besugárzás után a nukleotidok új formáit fedezték fel. Ez új kutatási lehetőségeket adott a tudósoknak. A modern tudomány még mindig vitatja a tautomer formák spontán mutagenezisben betöltött szerepét és a kimutatott mutációk számára gyakorolt ​​hatását.

Egyéb modellek

Spontán mutáció lehetséges, ha a nukleinsavak DNS-polimerázok általi felismerése károsodott. Poltaev és társszerzői rávilágítottak arra a mechanizmusra, amely biztosítja a komplementaritás elvének való megfelelést a leány-DNS-molekulák szintézise során. Ez a modell lehetővé tette a spontán mutagenezis előfordulási mintáinak tanulmányozását. A tudósok azzal magyarázták felfedezésüket, hogy a DNS szerkezetében bekövetkezett változások fő oka a nem kanonikus nukleotidpárok szintézise.

Azt javasolták, hogy a bázisseprés a DNS-szakaszok dezaminációja miatt következik be. Ennek eredményeként a citozin timinre vagy uracilra változik. Az ilyen mutációk miatt inkompatibilis nukleotidpárok jönnek létre. Ezért a következő replikáció során átmenet történik (a nukleotid bázisok pontcseréje).

A mutációk osztályozása: spontán

A mutációk különböző osztályozása létezik, attól függően, hogy milyen konkrét kritériumok állnak mögöttük. A génműködésben bekövetkezett változások természete szerint felosztás van:

Hipomorf (a mutált allélok kevesebb fehérjét szintetizálnak, de hasonlóak az eredetiekhez);
- amorf (a gén teljesen elvesztette funkcióit);
- antimorf (a mutált gén teljesen megváltoztatja az általa képviselt tulajdonságot);
- neomorf (új jelek jelennek meg).

De egy gyakoribb besorolás az, amely az összes mutációt a megváltozott szerkezet szerint osztja fel. Kiemel:

1. Genomi mutációk. Ezek közé tartozik a poliploidia, azaz egy hármas vagy több kromoszómakészlettel rendelkező genom kialakulása, valamint az aneuploidia – a genomban lévő kromoszómák száma nem többszöröse a haploidnak.
2. Kromoszómamutációk. Az egyes kromoszóma szakaszok jelentős átrendeződései figyelhetők meg. Megkülönböztetik az információvesztést (törlés), annak megkettőzését (duplikáció), a nukleotidszekvenciák irányának megváltozását (inverzió), valamint a kromoszómaszakaszok másik helyre történő átvitelét (transzlokáció).
3. Génmutáció. A leggyakoribb mutáció. A DNS-láncban több véletlenszerű nitrogénbázist helyettesítenek.

A mutációk következményei

A spontán mutációk a daganatok, az emberek és állatok szerveinek és szöveteinek működési zavarainak okai. Ha egy mutált sejt egy nagy, többsejtű szervezetben található, akkor nagy valószínűséggel az apoptózis (programozott sejthalál) kiváltásával megsemmisül. A szervezet irányítja a genetikai anyag fenntartásának folyamatát, és az immunrendszer segítségével megszabadul az esetleges károsodott sejtektől.

Több százezer esetből egy esetben a T-limfocitáknak nincs idejük felismerni az érintett struktúrát, és ebből olyan sejtklón jön létre, amely a mutált gént is tartalmazza. A sejtkonglomerátum más funkciókat is ellát, mérgező anyagokat termel, és negatívan befolyásolja a szervezet általános állapotát.

Ha a mutáció nem a szomatikus sejtben, hanem a reproduktív sejtben történt, akkor a leszármazottakban változások figyelhetők meg. Veleszületett szervi patológiákban, deformitásokban, anyagcserezavarokban és raktározási betegségekben nyilvánulnak meg.

Spontán mutációk: jelentése

Egyes esetekben a korábban haszontalannak tűnő mutációk hasznosak lehetnek az új életkörülményekhez való alkalmazkodásban. Ez bevezeti a mutációt, mint a természetes szelekció mértékét. Az állatok, madarak és rovarok a területükhöz illő terepszínű színeket viselnek, hogy megvédjék magukat a ragadozóktól. De ha az élőhelyük megváltozik, akkor a természet mutációk segítségével megpróbálja megvédeni a fajt a kihalástól. Új körülmények között a legrátermettebbek túlélik, és átadják ezt a képességüket másoknak.

A mutáció előfordulhat a genom inaktív régióiban, és ekkor nem figyelhető meg látható változás a fenotípusban. Az „összeomlást” csak speciális kutatással lehet kimutatni. Ez szükséges a rokon állatfajok eredetének tanulmányozásához és genetikai térképeik összeállításához.

A mutációk spontaneitásának problémája

A múlt század negyvenes éveiben volt egy olyan elmélet, amely szerint a mutációkat kizárólag a kitettség okozza, és segít az alkalmazkodásban. Ennek az elméletnek a tesztelésére egy speciális tesztelési és ismétlési módszert fejlesztettek ki.

Az eljárás abból állt, hogy kis számú, egyfajta baktériumot vetettek kémcsövekbe, és többszöri beoltás után antibiotikumot adtak hozzájuk. Néhány mikroorganizmus túlélte, és új táptalajba került. A különböző kémcsövekből származó baktériumok összehasonlítása azt mutatta, hogy a rezisztencia spontán módon alakult ki, az antibiotikummal való érintkezés előtt és után is.

Az ismétlési módszer abból állt, hogy a mikroorganizmusokat gyapjas szövetre vitték át, majd egyidejűleg több tiszta tápközegbe vitték át. Az új telepeket tenyésztettük és antibiotikummal kezeltük. Ennek eredményeként a táptalaj azonos területein elhelyezkedő baktériumok különböző kémcsövekben éltek túl.

Milyen mutációkat nevezünk spontánnak? Ha a kifejezést hozzáférhető nyelvre fordítjuk, akkor ezek természetes hibák, amelyek a genetikai anyag és a belső és/vagy külső környezet kölcsönhatása során merülnek fel. Az ilyen mutációk általában véletlenszerűek. Megfigyelhetők a test reproduktív és egyéb sejtjeiben.

A mutációk exogén okai

Spontán mutáció történhet vegyszerek, sugárzás, magas vagy alacsony hőmérséklet, ritka levegő vagy nagy nyomás hatására. Évente átlagosan egy tized rad ionizáló sugárzást nyel el egy ember, ami a természetes háttérsugárzás. Ez a szám tartalmazza a Föld magjából származó gammasugárzást, a napszelet, valamint a földkéreg mélyén elhelyezkedő és a légkörben oldott elemek radioaktivitását. A kapott adag attól is függ, hogy az illető pontosan hol tartózkodik. Az összes spontán mutáció negyede pontosan ennek a tényezőnek köszönhető.
Az ultraibolya sugárzás – a közhiedelemmel ellentétben – csekély szerepet játszik a DNS-károsodásban, mivel nem tud mélyen behatolni az emberi szervezetbe. De a bőr gyakran szenved a túlzott napsugárzástól (melanoma és más típusú rák). Az egysejtű szervezetek és vírusok azonban napfény hatására mutálódnak. A túl magas vagy alacsony hőmérséklet szintén változásokat okozhat a genetikai anyagban.

A mutációk endogén okai

A spontán mutáció előfordulásának fő okai továbbra is endogén tényezők. Ide tartoznak az anyagcsere melléktermékei, a replikáció, a javítás vagy a rekombináció folyamatában fellépő hibák és mások.

Replikációs hibák:
- nitrogéntartalmú bázisok spontán átmenetei és inverziói;
- a nukleotidok helytelen elrendezése a DNS polimerázok hibái miatt;
- a nukleotidok kémiai helyettesítése, például a guanin-citozin adenin-guaninnal.

Helyreállítási hibák:
- a DNS-lánc egyes szakaszainak helyreállításáért felelős gének mutációi, miután azok külső tényezők hatására megtörtek.

Rekombinációs problémák:
- a meiózis vagy mitózis során a keresztezési folyamatok meghibásodása a bázisok elvesztéséhez és kiteljesedéséhez vezet.

Ezek a spontán mutációkat okozó fő tényezők. A kudarcok okai között szerepelhet a mutátor gének aktiválódása, valamint a biztonságos kémiai vegyületek átalakulása aktívabb metabolitokká, amelyek hatással vannak a sejtmagra. Ezen kívül strukturális tényezők is vannak. Ide tartoznak a nukleotidszekvencia ismétlődései a láncátrendeződés helye közelében, további, a génhez hasonló szerkezetű DNS-szakaszok jelenléte, valamint a genom mobil elemei.

A mutáció patogenezise

A spontán mutáció az összes fent felsorolt ​​tényező hatására jön létre, amelyek együtt vagy külön-külön hatnak a sejt életének egy bizonyos szakaszában. Létezik olyan jelenség, mint a leány- és anya-DNS-szálak párosításának csúszó megszakadása. Ez gyakran olyan peptidhurkok képződését eredményezi, amelyek nem tudtak megfelelően integrálódni a szekvenciába. A leányszálból a felesleges DNS-szakaszok eltávolítása után a hurkok vagy reszekálhatók (deléciók) vagy inszertálhatók (duplikációk, inszerciók). A megjelenő változások a sejtosztódás következő ciklusaiban konszolidálódnak.
A bekövetkező mutációk sebessége és száma a DNS elsődleges szerkezetétől függ. Egyes tudósok úgy vélik, hogy abszolút minden DNS-szekvencia mutagén, ha kanyarokat képez.

A leggyakoribb spontán mutációk

Miért jelennek meg leggyakrabban a spontán mutációk a genetikai anyagban? Ilyen körülmények például a nitrogéntartalmú bázisok elvesztése és az aminosavak eltávolítása. A citozin maradékokat különösen érzékenynek tekintik rájuk. Bebizonyosodott, hogy ma a gerincesek több mint fele mutációt mutat a citozin-maradékokon. Dezaminálás után a metilcitozin timinné változik. A szakasz további másolása megismétli a hibát vagy törli, vagy megduplázza és új töredékké alakítja át. A gyakori spontán mutációk másik okát a nagyszámú pszeudogénnek tekintik. Emiatt a meiózis folyamata során egyenetlen homológ rekombinációk alakulhatnak ki. Ennek következménye a gének átrendeződése, az egyes nukleotidszekvenciák rotációja és duplikációja.

A mutagenezis polimeráz modellje

E modell szerint a spontán mutációk a DNS-t szintetizáló molekulák véletlenszerű hibáinak eredményeként jönnek létre. Először mutatott be ilyen modellt a Bresler. Azt javasolta, hogy a mutációk annak eredményeként jelennek meg, hogy a polimerázok bizonyos esetekben nem komplementer nukleotidokat szúrnak be a szekvenciába. Évekkel később, hosszas tesztek és kísérletek után ezt a nézőpontot jóváhagyták és elfogadták a tudományos világban. Sőt bizonyos mintákat is levezettek, amelyek lehetővé teszik a tudósok számára a mutációk szabályozását és irányítását azáltal, hogy a DNS bizonyos szakaszait ultraibolya fénynek teszik ki. Például azt találták, hogy az adenint leggyakrabban a sérült triplettel szemben helyezik be.

A mutagenezis tautomer modellje

Egy másik elméletet, amely megmagyarázza a spontán és mesterséges mutációkat, Watson és Crick (a DNS szerkezetének felfedezői) javasolta. Azt javasolták, hogy a mutagenezis egyes DNS-bázisok azon képességén alapul, hogy tautomer formákká alakulnak át, amelyek megváltoztatják a bázisok összekapcsolódását.
A publikáció után a hipotézist aktívan fejlesztették. Ultraibolya besugárzás után a nukleotidok új formáit fedezték fel. Ez új kutatási lehetőségeket adott a tudósoknak. A modern tudomány még mindig vitatja a tautomer formák spontán mutagenezisben betöltött szerepét és az azonosított mutációk számára gyakorolt ​​hatását.

Egyéb modellek

Spontán mutáció lehetséges, ha a nukleinsavak DNS-polimerázok általi felismerése károsodott. Poltaev és társszerzői rávilágítottak arra a mechanizmusra, amely biztosítja a komplementaritás elvének való megfelelést a leány-DNS-molekulák szintézise során. Ez a modell lehetővé tette a spontán mutagenezis mintázatainak tanulmányozását. A tudósok azzal magyarázták felfedezésüket, hogy a DNS szerkezetében bekövetkezett változások fő oka a nem kanonikus nukleotidpárok szintézise. Azt javasolták, hogy a bázisseprés a DNS-szakaszok dezaminálása révén történik. Ennek eredményeként a citozin timinre vagy uracilra változik. Az ilyen mutációk miatt inkompatibilis nukleotidpárok jönnek létre. Ezért a következő replikáció során átmenet történik (a nukleotid bázisok pontcseréje).

A mutációk osztályozása: spontán

A mutációk különböző osztályozása létezik, attól függően, hogy milyen konkrét kritériumok állnak mögöttük. A génműködés változásának jellege alapján van egy felosztás: - hipomorf (a mutált allélok kevesebb fehérjét szintetizálnak, de hasonlóak az eredetihez);
- amorf (a gén teljesen elvesztette funkcióit);
- antimorf (a mutált gén teljesen megváltoztatja az általa képviselt tulajdonságot);
- neomorf (új jelek jelennek meg). De egy gyakoribb osztályozás az, amely az összes mutációt arányosan osztja el a változó szerkezettel. Vannak: 1. Genomi mutációk. Ezek közé tartozik a poliploidia, azaz egy hármas vagy több kromoszómakészlettel rendelkező genom kialakulása, valamint az aneuploidia – a genomban lévő kromoszómák száma nem többszöröse a haploidnak.
2. Kromoszómamutációk. Az egyes kromoszóma szakaszok jelentős átrendeződései figyelhetők meg. Létezik információvesztés (deléció), megkettőződés (duplikáció), a nukleotidszekvenciák irányának megváltozása (inverzió), valamint a kromoszóma szakaszok visszafordítása egy másik helyre (transzlokáció).
3. Génmutáció. A leggyakoribb mutáció. A DNS-láncban több véletlenszerű nitrogénbázist helyettesítenek.

A mutációk következményei

A spontán mutációk daganatok, raktározási betegségek, emberi és állati szervek és szövetek működési zavarainak okai. Ha egy mutált sejt egy nagy, többsejtű szervezetben található, akkor nagy valószínűséggel az apoptózis (programozott sejthalál) kiváltásával megsemmisül. A szervezet irányítja a genetikai anyag megőrzésének folyamatát, és az immunrendszer segítségével megszabadul az esetleges károsodott sejtektől. Több százezer esetből egy esetben a T-limfocitáknak nincs idejük felismerni az érintett struktúrát, és ebből olyan sejtklón jön létre, amely a mutált gént is tartalmazza. A sejtkonglomerátum más funkciókat is ellát, mérgező anyagokat termel, és negatívan befolyásolja a szervezet általános állapotát. Ha a mutáció nem a szomatikus sejtben, hanem a reproduktív sejtben történt, akkor a leszármazottakban változások figyelhetők meg. Kiderül, hogy veleszületett szervi patológiák, deformitások, anyagcserezavarok és raktározási betegségek.

Spontán mutációk:

Egyes esetekben a korábban haszontalannak tűnő mutációk hasznosak lehetnek az új életkörülményekhez való alkalmazkodásban. Ez bevezeti a mutációt, mint a természetes szelekció mértékét. Az állatok, madarak és rovarok a területükhöz illő terepszínű színeket viselnek, hogy megvédjék magukat a ragadozóktól. De ha az élőhelyük megváltozik, akkor a természet mutációk segítségével megpróbálja megvédeni a fajt a kihalástól. Új körülmények között a legrátermettebbek túlélik, és átadják ezt a képességüket másoknak. A mutáció előfordulhat a genom inaktív régióiban, és ekkor nem figyelhető meg látható változás a fenotípusban. Az „összeomlást” csak konkrét vizsgálatok segítségével lehet azonosítani. Ez szükséges az állatok eredetének és rokon fajainak vizsgálatához, genetikai térképeik összeállításához.

A mutációk spontaneitásának problémája

A múlt század negyvenes éveiben volt egy elmélet, amely szerint a mutációkat kizárólag külső tényezők okozzák, és segítik az ezekhez való alkalmazkodást. Ennek az elméletnek a tesztelésére egy speciális tesztelési és ismétlési módszert fejlesztettek ki. Az eljárás az volt, hogy az egyik típusú baktériumból kis mennyiséget vetettek be kémcsövekbe, és többszöri oltás után antibiotikumot adtak hozzájuk. Néhány mikroorganizmus túlélte, és új táptalajba került. A különböző kémcsövekből származó baktériumok összehasonlítása azt mutatta, hogy a rezisztencia spontán módon alakult ki, az antibiotikummal való érintkezés előtt és után is. Az ismétlés módszere az volt, hogy a mikroorganizmusokat gyapjas szövetre vitték át, majd több tiszta táptalajra vitték át. Az új telepeket tenyésztettük és antibiotikummal kezeltük. Ennek eredményeként a táptalaj azonos területein elhelyezkedő baktériumok különböző kémcsövekben éltek túl.

Megjelenés időpontja: 05/22/17

Először 1925-ben fedezték fel a szovjet mikrobiológusok, G.A., az örökletes variabilitás gyakoriságának növekedését külső ágensek hatására. Nadson és G.S. Filippov. Megfigyelték az örökletes formák sokféleségének növekedését - salypants- „rádiumsugárzásnak” való kitettség után az alsóbbrendű gombákon.

1927-ben G. Möller beszámolt a röntgensugárzásnak a Drosophila mutációs folyamatára gyakorolt ​​hatásáról. Egyes vegyületek (jód, ecetsav, ammónia) képesek recesszív letálist indukálni az L kromoszómában. S. M. Gershenzon 1939-ben fedezte fel az exogén DNS erős mutagén hatását Drosophilában. Erőteljes kémiai mutagéneket fedeztek fel 1946-ban. (I.A. Rapoport) a Szovjetunióban és S. Auerbach és J. Robson (nitrogén mustár) Angliában.

Azóta a mutagén faktorok arzenálja számos kémiai vegyületet tartalmaz: bázisok analógjai, amelyek közvetlenül beépülnek a DNS-be, olyan szerek, mint a salétromsav vagy hidroxil-amin, módosító bázisok, a DNS-t alkilező vegyületek (etil-metánszulfonát, metil-metánszulfonát stb.). ), olyan vegyületek, amelyek a DNS-bázisok között interkalálódnak (akridinek és származékaik) stb.

A mutagénekkel együtt antimutagén anyagokat is találtak.

A mutációs folyamat sebességének megváltoztatásának képessége döntő ösztönzőként szolgált a spontán mutációk okainak tisztázására. A spontán mutációk okainak magyarázatára tett első kísérletek egyike arra a feltételezésre vezethető vissza, hogy azokat valójában a radioaktivitás természetes háttere idézte elő. Kiderült azonban, hogy ezzel a módszerrel a Drosophila összes spontán mutációjának csak körülbelül 0,1%-a magyarázható. Az a hipotézis, hogy az atomok hőmozgása a spontán mutációk fő oka, szintén nem igazolódott be. A sejt és a szervezet anyagcseretermékeinek hatásából eredő spontán mutációkat próbálták megmagyarázni.

A spontán mutációk okait vizsgáló modern nézőpont az 1960-as években alakult ki. köszönhetően a gének szaporodási, javítási és rekombinációs mechanizmusainak tanulmányozásának, valamint az e folyamatokért felelős enzimrendszerek felfedezésének. Volt egy tendencia, hogy a génmutációkat a DNS-templát enzimek működésének hibájával magyarázzák. Ez a hipotézis ma már általánosan elfogadott. A hipotézis vonzereje abban is rejlik, hogy lehetővé teszi a genetikai információhordozók normális reprodukciójába a külső tényezők beavatkozásának eredményeként indukált mutációs folyamatot, azaz egységes magyarázatot ad a spontán információhordozók okaira. és indukált mutációk. A mutációs folyamat elméletének kialakulását nagyban befolyásolta annak genetikai szabályozásának vizsgálata. Olyan géneket fedeztek fel, amelyek mutációi növelhetik vagy csökkenthetik mind a spontán, mind az indukált mutációk gyakoriságát. Így az indukált és spontán mutációs folyamatok közös okai megléte megerősítést nyer.

A mutációs változások (génmutációk és kromoszóma-rendellenességek) mechanizmusának első magyarázatát 1935-ben N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer és M. Delbrück magasabb rendű élőlényekben, elsősorban Drosophilában végzett sugárzási mutagenezis elemzése alapján. A mutációt egy komplex génmolekulában az atomok azonnali átrendeződésének eredményeként tekintették. Az ilyen átstrukturálás okának egy kvantum vagy ionizáló részecske közvetlen belépését a génbe (belépés elve) vagy az atomok véletlenszerű rezgéseit tekintették. Az ionizáló sugárzás következményeinek ezt követő felfedezése azt mutatta, hogy a mutációk egy időn át tartó folyamat eredményeként jönnek létre, és nem közvetlenül az energiakvantum vagy ionizáló részecske génen való áthaladásának pillanatában.