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. Vegyi anyagok, biológiai mutagének vagy fizikai tényezők, például ionizáló sugárzás által okozott mutációk gyakran okozzák a veleszületett fejlődési rendellenességeket és rosszindulatú daganatokat.

Általános információk a mutációkról

Hugh de Vries úgy határozta meg a mutációt, mint egy öröklött tulajdonság hirtelen változását. 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 génre osztják. A genomiálisak a kromoszómák számának megváltozásával járnak (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 mutációkat normálisnak tekintik, ritkán vezetnek súlyos következményekhez a szervezet számára. Leggyakrabban az ilyen átrendeződések ugyanazon a génen belül fordulnak elő, a bázisok helyettesítésével kapcsolatban - purin egy másik purinra (átmenet), vagy purin pirimidinre (transzverzió).

Spontán mutációk sokkal ritkábban fordulnak elő a kromoszómákban. A kromoszómális spontán mutációkat általában transzlokációk (egy vagy több gén átvitele egyik kromoszómából a másikba) és inverziók (a kromoszómában lévő gének szekvenciájának megváltozása) jelentik.

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 globálisan érintik a genomot, mutagének hatására kóros kromoszómák jelennek meg a sejtben: izokromoszómák, gyűrűs kromoszómák, dicentrikusok.

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

Példák kémiai mutagénekre

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

A salétromsav hatására az aminocsoport lehasad a nitrogéntartalmú bázisokról, és egy másik csoport helyettesíti. 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 nukleinsavak arilációs reakcióit váltják ki, ami a transzkripciós és transzlációs folyamatok megzavarásához vezet.

A kémiai mutagének nagyon változatosak. Gyakran ezek az anyagok okozzák a kromoszómák indukált mutációit.

A fizikai mutagének közé tartozik az ionizáló sugárzás, elsősorban a rövidhullámú és az ultraibolya. Az ultraibolya beindítja a folyamatot a membránokban, provokálja a DNS különböző hibáinak kialakulását.

A röntgen- és gamma-sugárzás mutációkat vált ki a kromoszómák szintjén. 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 a különféle genetikai betegségek, amelyek gyakrabban manifesztálódnak fizikai vagy kémiai mutagén faktornak kitett területeken. Köztudott, hogy az indiai Kerala államban, ahol az ionizáló sugárzás éves effektív dózisa 10-szer meghaladja a normát, megnő a Down-szindrómás (a 21. kromoszómán triszómia) gyermekek születési gyakorisága. A kínai Yangjiang kerületben nagy mennyiségű radioaktív monacitot találtak a talajban. Az összetételében lévő instabil elemek (cérium, tórium, urán) gamma-kvantumok felszabadulásával bomlanak. A rövidhullámú sugárzás hatása a kerület lakóira nagy számban síró macska-szindrómában (a 8. kromoszóma nagy részének törlése), valamint a rák előfordulásának növekedéséhez vezetett. Egy másik példa: 1987 januárjában rekordszámú Down-szindrómás gyermek születését regisztrálták Ukrajnában, a csernobili balesettel összefüggésben. 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 talidomid nyugtató, amelyet Németországban állítottak elő az 1950-es években. Ennek a gyógyszernek a szedése sok gyermek születéséhez vezetett, sokféle genetikai rendellenességgel.

Az indukált mutációk módszerét általában a tudósok használják, hogy megtalálják a legjobb módszereket az autoimmun betegségek és a fehérje-túltermeléssel összefüggő genetikai rendellenességek leküzdésére.

Spontán- ezek olyan mutációk, amelyek spontán módon, a kísérletező közreműködése nélkül jelentkeznek.

indukált- ezek mesterségesen, különböző tényezők felhasználásával előidézett mutációk mutagenezis.

Általában a mutációk kialakulásának folyamatát ún mutagenezisés a mutációkat okozó tényezők azok mutagéneket.

Mutagén tényezők részre osztva fizikai, kémiaiés biológiai.

A spontán mutációk gyakorisága egy gén , minden szervezet minden génjéhez megvan a sajátja.

A spontán mutációk okai nem teljesen egyértelműek. Régen azt hitték, hogy okozták 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.

TÓL TŐL kor a természetes háttérsugárzásnak való kitettség következményei lehetnek felhalmozódnak emberben pedig a spontán mutációk 10-25%-a kapcsolódik hozzá.

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 az mozgó genom szerint mobil elemek, amely bármely génbe bejutva mutációt okozhat benne.

M. Green amerikai genetikus kimutatta, hogy a spontánként felfedezett mutációk mintegy 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 (normális) formától is különböznek". A mutánsok stabilnak bizonyultak, mivel nyolc egymást követő passzálást követően megőrizték megszerzett tulajdonságaikat. Cikkük csak orosz nyelven jelent meg, ráadásul a munka nem használt módszert a röntgensugarak hatásának számszerűsítésére, így kevéssé figyelték meg.

NÁL NÉL 1927 G. G. Möller beszámolt a röntgensugárzásnak a Drosophila mutációs folyamatára gyakorolt ​​hatásáról, és javasolta mennyiségi módszer az X kromoszóma recesszív letális mutációinak megengedése ( ClB), amely klasszikussá vált.

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

Fő mechanizmusok cselekedeteiket:

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

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

3) cérna elszakad hasadási orsó;

4) oktatás dimerek(timin).

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

NÁL NÉL 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. 15 000 kontrolllég között (azaz DNS nélkül a takarmányban) egyetlen mutáció sem volt, a kísérletben pedig 13 000 légy között 13 mutánst találtak.

NÁL NÉL 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;

ban ben) szintetikus anyagok, korábban a természetben nem találhatók (peszticidek, rovarirtó szerek stb.);

d) néhány metabolitok emberi és állati szervezetek.

Kémiai mutagének túlnyomórészt 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, alkilező DNS(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, rickettsiák, protozoonok, helminták);

ban ben) mobil genetikai elemek.

Hatásmechanizmusuk:

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

indukált mutagenezis, a XX. század 20-as évei óta használják új törzsek, fajták és fajták nemesítésére. A legnagyobb sikert az antibiotikumok és más biológiailag aktív anyagok termelői, baktérium- és gombatörzsek szelekciója érte el.

Igen, sikerült növelni az aktivitást antibiotikum gyártók 10-20-szor, 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 lizin aminosavak- 300-400 alkalommal.

Mutációk használata törpeség a búzában a 60-70-es években lehetővé tette a gabonanövények hozamának drámai növelését, amelyet " zöld forradalom". A törpe búzafajták rövid, vastag szárúak, amelyek ellenállnak a megdőlésnek, bírja a nagyobb kalászból származó megnövekedett terhelést. E fajták használata lehetővé tette a termés jelentős (egyes országokban többszörös) növelését.

A "zöld forradalom" szerzőjét amerikai tenyésztőnek és genetikusnak tartják 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 kis változásaihoz kapcsolódik. Génmutációk felosztva változtatásokhoz szerkezeti génekés változásokat szabályozó gének.

Mutáció típusok:

1. Beszúrás (beszúrás) vagy veszteség (törlés) pár vagy több pár nukleotid, vezetnek keretváltás. A nukleotidok beépülésének vagy elvesztésének helyétől függően kisebb vagy nagyobb számú kodon változik.

2. Átmenet- purinbázisok purinbázisokkal vagy pirimidinbázisok pirimidinbázisokkal történő helyettesítése, például: A "G, C" T.

3. Transzverzió - purinbázis helyettesítése pirimidinbázissal vagy pirimidinbázis helyettesítése purinbázissal. Például: A "C, G" T.

A szerkezeti gének változásai a következőkhöz vezetnek:

a) ahhoz missense mutációk- a kodonok jelentésének megváltoztatása és más fehérjék képződése;

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

A szabályozó gének változásainak eredményei:

1. A represszor fehérje nem illik a kezelőhöz (“ 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 nem működnek folyamatosan, és az ebben az operonban kódolt fehérjék nem szintetizálódnak.

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

A génmutációk a fő ok génbetegségek, melynek 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 kölcsönhatásának folyamatában fordulnak elő. Az ilyen mutációk általában véletlenszerűek. Megfigyelhetők a nemi szervekben és a test más sejtjeiben.

A mutációk exogén okai

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

Évente egy ember átlagosan körülbelül egytized rad ionizáló sugárzást nyel el, ami a természetes sugárzási hátteret képezi. Ez a szám magában foglalja a Föld magjából származó gammasugárzást, a napszelet, valamint a földkéreg vastagságában található és a légkörben oldott elemek radioaktivitását. A kapott adag attól is függ, hogy a személy hol tartózkodik. Az összes spontán mutáció negyede éppen ennek a tényezőnek köszönhető.

Az ultraibolya sugárzás a közhiedelemmel ellentétben csekély szerepet játszik a DNS lebontásában, mivel nem tud elég mélyre behatolni az emberi szervezetbe. De a bőr gyakran szenved a túlzott napsugárzástól (melanóma és más rákos megbetegedések). 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 mutációk létrejöttének fő okai 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-guaninra.
2. Helyreállítási hibák:
   - a DNS-lánc egyes szakaszainak helyreállításáért felelős gének mutációi, miután azok külső tényezők hatására megszakadnak.
3. Rekombinációs problémák:
   - a meiózis vagy mitózis során bekövetkező átkelés folyamatainak kudarcai a bázisok elvesztéséhez és kiteljesedéséhez vezetnek.

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-szegmensek jelenléte, valamint a genom mobil elemei.

Mutáció patogenezise

A spontán mutáció a fenti tényezők mindegyikének együttesen vagy külön-külön ható hatására jön létre a sejt életének egy bizonyos szakaszában. Van egy olyan jelenség, mint a lánya és az anyai DNS-szálak párosításának csúszó megsértése. Ennek eredményeként gyakran olyan peptidekből képződnek hurkok, amelyek nem tudtak megfelelően illeszkedni a szekvenciába. A leányszálból a felesleges DNS-fragmentumok eltávolítása után a hurkok reszekálhatók (deléciók) és beépíthetők (duplikációk, inszerciók). Az ebből eredő változások a sejtosztódás következő ciklusaiban rögzülnek.

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

Mi a leggyakoribb megnyilvánulása a genetikai anyag spontán mutációinak? Ilyen körülmények például a nitrogéntartalmú bázisok elvesztése és az aminosavak eltávolítása. A citozin maradékokat különösen érzékenynek tekintik rájuk.

Bebizonyosodott, hogy manapság a gerincesek több mint fele rendelkezik citozin-maradék mutációval. Dezaminálás után a metilcitozin timinné változik. Ennek a szakasznak a későbbi másolása megismétli a hibát vagy törli, vagy megduplázódik és új töredékké alakul.

A gyakori spontán mutációk másik okát a nagyszámú pszeudogénnek tekintik. Emiatt a meiózis során egyenlőtlen homológ rekombinációk alakulhatnak ki. Ez a gének átrendeződését, az egyes nukleotidszekvenciák fordulatait és megkettőződését eredményezi.

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. Így például azt találták, hogy az adenin leggyakrabban a sérült hármassal szemben van beágyazva.

A mutagenezis tautomer modellje

A spontán és mesterséges mutációkat magyarázó másik elméletet Watson és Crick (a DNS szerkezetének felfedezői) javasolták. Azt sugallták, hogy a mutagenezis egyes DNS-bázisok azon képességén alapul, hogy tautomer formákká alakulnak, amelyek megváltoztatják a bázisok kapcsolódási módját.

A hipotézis megjelenése óta aktívan fejlődött. Ultraibolya fénnyel történő besugárzás után a nukleotidok új formáit fedezték fel. Ez új lehetőségeket adott a tudósoknak a kutatáshoz. A modern tudomány még mindig vitatja a tautomer formák szerepét a spontán mutagenezisben 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 szintézisében. Ez a modell lehetővé tette a spontán mutagenezis megjelenésének törvényszerűségeinek tanulmányozását. A tudósok azzal magyarázták felfedezésüket, hogy a DNS szerkezetének változásának fő oka a nem kanonikus nukleotidpárok szintézise.

Azt javasolták, hogy a bázisszubsztitúció a DNS-régiók dezaminációja miatt következik be. Ez a citozin timinné vagy uracillá történő átalakulásához vezet. 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 melyik kritérium áll mögöttük. A gén funkciójában bekövetkezett változás 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 gyakoribb az a besorolás, amely az összes mutációt a megváltozott szerkezet arányában osztja fel. Kioszt:

1. Genomi mutációk. Ide tartozik a poliploidia, vagyis a hármas vagy több kromoszómakészlettel rendelkező genom kialakulása, valamint az aneuploidia, a genomban lévő kromoszómák száma nem többszöröse a haploidnak.
2. Kromoszómamutációk. A kromoszómák egyes szakaszaiban jelentős átrendeződések figyelhetők meg. Létezik információvesztés (deléció), megkettőződése (duplikáció), a nukleotidszekvenciák irányának megváltozása (inverzió), valamint a kromoszóma szakaszok más helyre való áthelyezése (transzlokáció).
3. Génmutáció. A leggyakoribb mutáció. A DNS-láncban több véletlenszerű nitrogénbázist helyettesítenek.

A mutációk következményei

A spontán mutációk a daganatok, a szervek és szövetek működési zavarainak okai emberekben és állatokban. 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 minden lehetséges sérült sejttől.

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 már más funkciókat is ellát, mérgező anyagokat termel, és negatívan befolyásolja a szervezet általános állapotát.

Ha a mutáció nem a szomatikus, hanem a csírasejtben történt, akkor a változások a leszármazottaknál is megfigyelhetők lesznek. A szervek veleszületett patológiáiban, deformitásokban, anyagcserezavarokban és felhalmozódási betegségekben nyilvánulnak meg.

Spontán mutációk: jelentése

Egyes esetekben a korábban haszontalannak tűnő mutációk hasznosak lehetnek az új életkörülményekhez való alkalmazkodásban. Ez a mutációt jelenti a természetes szelekció mértékeként. Az állatokat, madarakat és rovarokat lakóhelyüknek megfelelően álcázzák, hogy megvédjék magukat a ragadozóktól. De ha az élőhelyük megváltozik, akkor mutációk segítségével a természet megpróbálja megvédeni a fajt a kihalástól. Új körülmények között a legrátermettebbek túlélik, és továbbadják ezt a képességüket másoknak.

A genom inaktív régióiban mutáció léphet fel, és ekkor nem figyelhető meg látható változás a fenotípusban. A "törés" kimutatása csak meghatározott vizsgálatok segítségével lehetséges. Ez szükséges a rokon állatfajok eredetének tanulmányozásához, 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 mennyiségű azonos fajba tartozó baktériumot vetettek a kémcsövekbe, és többszöri beoltás után antibiotikumot adtak hozzájuk. A mikroorganizmusok egy része 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 abból állt, hogy a mikroorganizmusokat egy gyapjas szövetbe vitték át, majd egyidejűleg több tiszta tápközegbe vitték át. Az új telepeket tenyésztettük és antibiotikummal kezeltük. Ennek eredményeként a táptalaj ugyanazon részein található 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 kölcsönhatásának folyamatában fordulnak elő. Az ilyen mutációk általában véletlenszerűek. Megfigyelhetők a nemi szervekben és a test más 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 sugárzási háttér. Ebben a számban benne van a Föld magjából származó gammasugárzás, a napszél, a földkéreg vastagságában előforduló és a légkörben oldott elemek radioaktivitása. A kapott adag attól is függ, hogy a személy hol tartózkodik. Az összes spontán mutáció negyede éppen ennek a tényezőnek köszönhető.
Az ultraibolya sugárzás a közhiedelemmel ellentétben elhanyagolható szerepet játszik a DNS-lebontások előfordulásában, mivel nem tud mélyen behatolni az emberi szervezetbe. De a bőr gyakran szenved a túlzott napsugárzástól (melanóma és más rákos megbetegedések). 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 mutációk 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-guaninra.

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

Rekombinációs problémák:
- a meiózis vagy mitózis során bekövetkező átkelés folyamatainak 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. Ezen kívül strukturális tényezők is vannak. Ide tartoznak a nukleotidszekvencia ismétlődései a láncátrendeződés helye közelében, további, a génhez hasonló szerkezetű DNS-szegmensek jelenléte, valamint a genom mobil elemei.

Mutáció patogenezise

A spontán mutáció az összes fent felsorolt ​​tényező hatására jön létre, amelyek együttesen vagy külön-külön is hatnak a sejt életének egy bizonyos szakaszában. Van egy olyan jelenség, mint a lánya és az anyai DNS-szálak párosításának csúszó megsértése. Ennek eredményeként gyakran olyan peptidekből képződnek hurkok, amelyek nem tudtak megfelelően illeszkedni a szekvenciába. A leányszálból a felesleges DNS-fragmensek eltávolítása után a hurkok reszekálhatók (deléciók) és beépíthetők (duplikációk, inszerciók). A változások a sejtosztódás következő ciklusaiban jelennek meg és rögzülnek.
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 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 manapság a gerincesek több mint fele rendelkezik citozin-maradék mutációval. Dezaminálás után a metilcitozin timinné változik. A szakasz további másolása megismétli a hibát vagy törli, vagy megduplázódik és új töredékké alakul át. A gyakori spontán mutációk másik oka a nagyszámú pszeudogén. Emiatt a meiózis során egyenetlen homológ rekombinációk alakulhatnak ki. Ennek következménye a gének átrendeződése, fordulatok és az egyes nukleotidszekvenciák 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 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. Így például azt találták, hogy az adenin leggyakrabban a sérült hármassal szemben van beágyazva.

A mutagenezis tautomer modellje

Egy másik elméletet, amely megmagyarázza a spontán és mesterséges mutációkat, Watson és Crick (a DNS szerkezetének felfedezője) javasolta. Azt sugallták, hogy a mutagenezis egyes DNS-bázisok azon képességén alapul, hogy tautomer formákká alakulnak, amelyek megváltoztatják a bázisok kapcsolódási módját.
A hipotézis megjelenése óta aktívan fejlődött. Ultraibolya besugárzás után a nukleotidok új formáit fedezték fel. Ez új lehetőségeket adott a tudósoknak a kutatáshoz. 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 feltárták azt a mechanizmust, amely biztosítja a komplementaritás elvének való megfelelést a leány-DNS-molekulák szintézisében. Ez a modell lehetővé tette a spontán mutagenezis megjelenésének törvényszerűségeinek tanulmányozását. A tudósok azzal magyarázták felfedezésüket, hogy a DNS szerkezetének változásának fő oka a nem kanonikus nukleotidpárok szintézise. Azt sugallták, hogy a bázisszubsztitúció a DNS-szegmensek dezaminációján keresztül megy végbe. Ez a citozin timinné vagy uracillá történő átalakulásához vezet. 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 melyik kritérium áll mögöttük. A gén működésében bekövetkezett változás jellege 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 gyakoribb az a besorolás, amely az összes mutációt egy változó szerkezet arányában osztja fel. Kiosztás: 1. Genomi mutációk. Ide tartozik a poliploidia, vagyis a hármas vagy több kromoszómakészlettel rendelkező genom kialakulása, valamint az aneuploidia, a genomban lévő kromoszómák száma nem többszöröse a haploidnak.
2. Kromoszómamutációk. A kromoszómák egyes szakaszaiban jelentős átrendeződések figyelhetők meg. Létezik információvesztés (deléció), megkettőződés (duplikáció), a nukleotidszekvenciák irányának megváltozása (inverzió), valamint a kromoszóma szakaszok más helyre billenése (transzlokáció).
3. Génmutáció. A leggyakoribb mutáció A DNS-láncban több véletlenszerű nitrogénbázist helyettesítenek.

A mutációk következményei

A spontán mutációk a daganatok, raktározási betegségek, a szervek és szövetek működési zavarainak okai emberekben és állatokban. 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 minden lehetséges sérült sejttől. 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 már más funkciókat is ellát, mérgező anyagokat termel, és negatívan befolyásolja a szervezet általános állapotát. Ha a mutáció nem a szomatikus, hanem a csírasejtben történt, akkor a változások a leszármazottaknál is megfigyelhetők lesznek. 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 a mutációt jelenti a természetes szelekció mértékeként. Az állatokat, madarakat és rovarokat lakóhelyüknek megfelelően álcázzák, hogy megvédjék magukat a ragadozóktól. De ha az élőhelyük megváltozik, akkor mutációk segítségével a természet megpróbálja megvédeni a fajt a kihalástól. Új körülmények között a legrátermettebbek túlélik, és továbbadják ezt a képességüket másoknak. A genom inaktív régióiban mutáció léphet fel, és ekkor nem figyelhető meg látható változás a fenotípusban. A "törés" azonosítása csak speciális vizsgálatok segítségével lehetséges. Szükséges az állatok eredetének és rokon fajainak, genetikai térképeinek tanulmányozása.

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 abból állt, hogy kis mennyiségű azonos fajba tartozó baktériumot vetettek be kémcsövekbe, és többszöri beoltás után antibiotikumot adtak hozzájuk. A mikroorganizmusok egy része 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 iterációs módszer abból állt, hogy a mikroorganizmusokat egy gyapjas kendőre vitték át, majd több tiszta közegre vitték át. Az új telepeket tenyésztettük és antibiotikummal kezeltük. Ennek eredményeként a táptalaj ugyanazon részein található baktériumok különböző kémcsövekben éltek túl.

Megjelenés dátuma: 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 - nyálasok- az alsó gombák "rádium sugarainak" való kitettsége után.

1927-ben G. Meller beszámolt a röntgensugárzásnak a Drosophila mutációs folyamatára gyakorolt ​​hatásáról. Egyes vegyületek (jód, ecetsav, ammónia) képesek recesszív halált okozni az L kromoszómában. 1939-ben S. M. Gershenzon felfedezte a Drosophila exogén DNS erős mutagén hatását. Erőteljes kémiai mutagéneket fedezett 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: közvetlenül a DNS-be beépített bázisanalógok, bázismódosító szerek, például salétromsav vagy hidroxil-amin, DNS-alkilező vegyületek (etil-metánszulfonát, metil-metánszulfonát stb.), olyan vegyületek, amelyek DNS-bázisok (akridinek és származékaik) között interkalálódnak stb.

A mutagénekkel együtt antimutagéneket 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 redukálódott, hogy a valóságban ezeket a radioaktivitás természetes háttere váltja ki. Kiderült azonban, hogy a Drosophila összes spontán mutációjának csak körülbelül 0,1%-a magyarázható így. Nem igazolódott be az a hipotézis sem, hogy az atomok hőmozgása a spontán mutációk fő oka. A sejt és a test 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 templát DNS-szintézis enzimek munkájában fellépő hibáknak 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 genetikai információhordozók normális reprodukciójába. spontán 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 folyamat 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 az atomok azonnali átrendeződésének eredményeként tekintették egy komplex génmolekulában. Az ilyen átrendeződés okát egy kvantum vagy egy ionizáló részecske génjében bekövetkezett közvetlen találatnak (az ütés elve) vagy az atomok véletlenszerű rezgéseinek tekintették. Az ionizáló sugárzás következményeinek hatásának felfedezése később azt mutatta, hogy a mutációk egy időn át tartó folyamat eredményeként jönnek létre, és nem közvetlenül abban a pillanatban, amikor egy energiakvantum vagy egy ionizáló részecske áthalad egy génen.