Co to są mutacje spontaniczne? Proces mutacji spontanicznej i jego przyczyny

Mutacje są ważnym przedmiotem badań cytogenetyków i biochemików. To mutacje genowe lub chromosomalne najczęściej powodują choroby dziedziczne. W warunkach naturalnych rearanżacje chromosomów występują bardzo rzadko. Mutacje wywołane odczynnikami chemicznymi, mutagenami biologicznymi czy czynnikami fizycznymi, takimi jak promieniowanie jonizujące, są często przyczyną wrodzonych patologii rozwojowych i nowotworów złośliwych.

Ogólne informacje o mutacjach

Hugo de Vries zdefiniował mutację jako nagłą zmianę cechy dziedzicznej. Zjawisko to występuje w genomie wszystkich żywych organizmów, od bakterii po człowieka. W normalnych warunkach mutacje w kwasach nukleinowych występują bardzo rzadko, z częstotliwością około 1,10 -4 - 1,10 -10.

W zależności od ilości materiału genetycznego objętego zmianami, mutacje dzielą się na mutacje genomowe, chromosomalne i genowe. Genomiczne są związane ze zmianami liczby chromosomów (monosomia, trisomia, tetrasomia); chromosomalne są związane ze zmianami w strukturze poszczególnych chromosomów (delecje, duplikacje, translokacje); mutacje genowe wpływają na pojedynczy gen. Jeśli mutacja dotyczy tylko jednej pary nukleotydów, mamy do czynienia z mutacją punktową.

W zależności od przyczyn, które je spowodowały, wyróżnia się mutacje spontaniczne i indukowane.

Spontaniczne mutacje

Występują w organizmie pod wpływem czynników wewnętrznych. Spontaniczne mutacje są uważane za normalne i rzadko prowadzą do poważnych konsekwencji dla organizmu. Najczęściej takie rearanżacje zachodzą w obrębie jednego genu i wiążą się z zastąpieniem zasad – puryny inną puryną (przejścia) lub puryny pirymidyną (transwersje).

Mutacje spontaniczne w chromosomach występują znacznie rzadziej. Zazwyczaj spontaniczne mutacje chromosomowe są reprezentowane przez translokacje (przejście jednego lub większej liczby genów z jednego chromosomu na drugi) i inwersję (zmiany w sekwencji genów na chromosomie).

Indukowane przegrupowania

Indukowane mutacje zachodzą w komórkach organizmu pod wpływem substancji chemicznych, promieniowania lub materiału replikacyjnego wirusa. Mutacje takie pojawiają się częściej niż spontaniczne i mają poważniejsze konsekwencje. Oddziałują na poszczególne geny i grupy genów, blokując syntezę poszczególnych białek. Indukowane mutacje często mają globalny wpływ na genom; to pod wpływem mutagenów w komórce pojawiają się nieprawidłowe chromosomy: izochromosomy, chromosomy pierścieniowe, dicentryki.

Mutageny, oprócz rearanżacji chromosomów, powodują uszkodzenia DNA: pęknięcia dwuniciowe, tworzenie wiązań krzyżowych DNA.

Przykłady mutagenów chemicznych

Mutageny chemiczne obejmują azotany, azotyny, analogi zasad azotowych, kwas azotawy, pestycydy, hydroksyloaminę i niektóre dodatki do żywności.

Kwas azotawy powoduje usunięcie grupy aminowej z zasad azotowych i zastąpienie jej inną grupą. Prowadzi to do mutacji punktowych. Mutacje indukowane chemicznie są również powodowane przez hydroksyloaminę.

Azotany i azotyny w dużych dawkach zwiększają ryzyko zachorowania na raka. Niektóre dodatki do żywności powodują reakcje arylowania kwasów nukleinowych, co prowadzi do zakłócenia procesów transkrypcji i translacji.

Mutageny chemiczne są bardzo różnorodne. Często substancje te powodują indukowane mutacje w chromosomach.

Mutageny fizyczne obejmują promieniowanie jonizujące, głównie promieniowanie krótkofalowe i promieniowanie ultrafioletowe. Światło ultrafioletowe uruchamia proces w błonach i powoduje powstawanie różnych defektów w DNA.

Promieniowanie rentgenowskie i gamma wywołują mutacje na poziomie chromosomów. Takie komórki nie są zdolne do dzielenia się; umierają podczas apoptozy. Indukowane mutacje mogą również wpływać na poszczególne geny. Na przykład blokowanie genów supresorowych nowotworów prowadzi do pojawienia się nowotworów.

Przykłady przegrupowań indukowanych

Przykładami mutacji indukowanych są różne choroby genetyczne, które często pojawiają się na obszarach narażonych na działanie fizycznych lub chemicznych czynników mutagennych. Wiadomo zwłaszcza, że ​​w indyjskim stanie Kerala, gdzie roczna skuteczna dawka promieniowania jonizującego przekracza 10-krotnie normę, wzrasta częstość urodzeń dzieci z zespołem Downa (trisomia 21). W chińskiej dzielnicy Yangjiang wykryto w glebie dużą ilość radioaktywnego monacytu. Niestabilne pierwiastki w swoim składzie (cer, tor, uran) rozpadają się wraz z uwolnieniem promieni gamma. Narażenie mieszkańców dzielnicy na promieniowanie krótkofalowe spowodowało dużą liczbę urodzeń dzieci z zespołem płaczącego kota (delecja dużej części chromosomu 8), a także zwiększoną zachorowalność na nowotwory. Inny przykład: w styczniu 1987 roku na Ukrainie zarejestrowano rekordową liczbę urodzeń dzieci z zespołem Downa, związaną z awarią w Czarnobylu. W pierwszym trymestrze ciąży płód jest najbardziej wrażliwy na działanie mutagenów fizycznych i chemicznych, dlatego kolosalna dawka promieniowania doprowadziła do wzrostu częstości występowania nieprawidłowości chromosomowych.

Jednym z najbardziej znanych mutagenów chemicznych w historii jest uspokajający talidomid, produkowany w Niemczech w latach 50. ubiegłego wieku. Przyjmowanie tego leku doprowadziło do narodzin wielu dzieci z różnymi nieprawidłowościami genetycznymi.

Metoda mutacji indukowanych jest najczęściej wykorzystywana przez naukowców do poszukiwania optymalnych sposobów zwalczania chorób autoimmunologicznych i zaburzeń genetycznych związanych z nadmiernym wydzielaniem białek.

Spontaniczny- Są to mutacje, które zachodzą samoistnie, bez interwencji eksperymentatora.

Wywołany– są to mutacje, które powstają sztucznie, przy użyciu różnych czynników mutageneza.

Ogólnie proces powstawania mutacji nazywa się mutageneza, a czynnikami powodującymi mutacje są mutageny.

Czynniki mutagenne są podzielone na fizyczny, chemiczny I biologiczny.

Spontaniczny współczynnik mutacji jeden gen jest, dla każdego genu każdego organizmu jest inny.

Przyczyny mutacji spontanicznych nie do końca jasne. Wcześniej uważano, że są one spowodowane przez naturalne tło promieniowania jonizującego. Okazało się jednak, że tak nie było. Na przykład u Drosophila naturalne promieniowanie tła powoduje nie więcej niż 0,1% spontanicznych mutacji.

Z wiek Konsekwencje narażenia na naturalne promieniowanie tła mogą gromadzić, a u ludzi jest to spowodowane 10 do 25% spontanicznych mutacji.

Drugi powód są mutacje spontaniczne przypadkowe uszkodzenie chromosomów i genów podczas podziału komórki i replikacji DNA przypadkowe błędy w funkcjonowaniu mechanizmów molekularnych.

Trzeci powód są mutacje spontaniczne poruszający przez genom elementy mobilne, który może zaatakować dowolny gen i spowodować w nim mutację.

Amerykański genetyk M. Green wykazał, że około 80% mutacji, które uznano za spontaniczne, powstało w wyniku ruchu elementów ruchomych.

Indukowane mutacje pierwszy odkryty w 1925 r. GA Nadsona I G.S. Filippow w ZSRR. Napromieniali kultury pleśni promieniami rentgenowskimi. Mucor genevensis i otrzymał podział kultury „na dwie formy lub rasy, różniące się nie tylko między sobą, ale także od pierwotnej (normalnej) formy”. Mutanty okazały się stabilne, gdyż po ośmiu kolejnych subkulturach zachowały nabyte właściwości. Ich artykuł ukazał się wyłącznie w języku rosyjskim, a w pracy nie wykorzystano żadnych metod ilościowej oceny wpływu promieni rentgenowskich, więc pozostał mało zauważony.

W 1927 G. G. Möllera opisali wpływ promieni rentgenowskich na proces mutacji u Drosophila i zaproponowali metoda ilościowa wyjaśniające recesywne mutacje śmiertelne na chromosomie X ( ClB), który stał się klasykiem.

W 1946 roku Möller otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie mutagenezy radiacyjnej. Obecnie ustalono, że praktycznie wszystkie rodzaje promieniowania(w tym promieniowanie jonizujące wszelkiego rodzaju - a, b, g; promienie UV, promienie podczerwone) powodują mutacje. Nazywa się je mutageny fizyczne.

Podstawowy mechanizmy ich działania:

1) zakłócenie struktury genów i chromosomów z powodu akcja bezpośrednia na cząsteczkach DNA i białek;

2) edukacja wolne rodniki, które wchodzą w interakcję chemiczną z DNA;

3) zerwanie wątku wrzeciona;

4) edukacja dimery(tymina).

W latach 30 był otwarty mutageneza chemiczna w Drosophila: V.V. Sacharow (1932 ), M. E. Łobaszew I F. A. Smirnov (1934 ) wykazało, że niektóre związki, takie jak jod, kwas octowy, amoniak, są zdolne do indukowania recesywnych mutacji śmiertelnych na chromosomie X.

W 1939 G. Siergiej Michajłowicz Gershenzon(uczeń S.S. Czetwerikowa) odkrył silną mutagenne działanie egzogennego DNA w Drosophila. Pod wpływem idei N.K. Koltsova, że ​​chromosom jest gigantyczną cząsteczką, S.M. Gershenzon postanowił sprawdzić swoje założenie, że DNA jest taką cząsteczką. Wyizolował DNA z grasicy i dodał go do pożywienia larw Drosophila. Wśród 15 tysięcy muszek kontrolnych (tj. pozbawionych DNA w pożywieniu) nie stwierdzono ani jednej mutacji, a w eksperymencie na 13 tysięcy muszek wykryto 13 mutantów.

W Charlotta Auerbach z 1941 r I J. Robsona pokazał to musztarda azotowa indukuje mutacje u Drosophila. Wyniki prac z tym chemicznym środkiem bojowym opublikowano dopiero w 1946 roku, już po zakończeniu II wojny światowej. W tym samym 1946 G. Rapoport(Józef Abramowicz) w ZSRR wykazał działanie mutagenne formaldehyd.

Obecnie do mutageny chemiczne włączać:

A) naturalny substancje organiczne i nieorganiczne;

b) produkty przemysłowe przetwarzanie związków naturalnych– węgiel, ropa naftowa;

V) substancje syntetyczne, wcześniej niewystępujące w przyrodzie (pestycydy, środki owadobójcze itp.);

d) niektóre metabolity ciała ludzkie i zwierzęce.

Mutageny chemiczne powodować głównie genetyczny mutacje i działają podczas replikacji DNA.

Mechanizmy ich działania:

1) modyfikacja struktury zasadowej (hydroksylacja, deaminacja, alkilacja);

2) zastąpienie zasad azotowych ich analogami;

3) hamowanie syntezy prekursorów kwasów nukleinowych.

W ostatnich latach tzw supermutageny:

1)podstawowe analogi;

2) połączenia, Alkilowanie DNA(metanosulfonian etylu, metanosulfonian metylu itp.);

3) połączenia, interkalacja pomiędzy zasadami DNA (akrydyny i ich pochodne).

Supermutageny zwiększają częstotliwość mutacji o 2-3 rzędy wielkości.

DO mutageny biologiczne włączać:

A) wirusy(różyczka, odra itp.);

B) niewirusowe czynniki zakaźne(bakterie, riketsje, pierwotniaki, robaki);

V) ruchome elementy genetyczne.

Mechanizmy ich działania:

1) genomy wirusów i elementy ruchome są integrowane z DNA komórek gospodarza;

Indukowana mutageneza, począwszy od końca lat 20. XX wieku, były wykorzystywane do selekcji nowych szczepów, ras i odmian. Największy sukces osiągnięto w selekcji szczepów bakterii i grzybów wytwarzających antybiotyki i inne substancje biologicznie czynne.

Udało nam się zatem zwiększyć aktywność producentów antybiotyków 10-20 razy, co pozwoliło znacznie zwiększyć produkcję odpowiednich antybiotyków i znacznie obniżyć ich koszt. Aktywność grzyba promienistego - producent witaminy B 12 udało się zwiększyć 6-krotnie, a aktywność producenta bakterii aminokwasy lizyna- 300-400 razy.

Korzystanie z mutacji karłowatość u pszenicy pozwoliło w latach 60. i 70. gwałtownie zwiększyć plony zbóż, co nazwano „ zielona rewolucja" Odmiany pszenicy karłowej mają skróconą grubą łodygę, która jest odporna na wyleganie; może wytrzymać zwiększone obciążenie większym kłosem. Zastosowanie tych odmian pozwoliło na znaczne (w niektórych krajach kilkukrotne) zwiększenie plonów.

Za autora „zielonej rewolucji” uważa się amerykańskiego hodowcę i genetyka N. Borlauga, który w 1944 roku w wieku 30 lat osiedlił się i rozpoczął pracę w Meksyku. Za sukcesy w hodowli wysoce produktywnych odmian roślin otrzymał w 1970 roku Pokojową Nagrodę Nobla.

11 . Mutacje genowe

Mutacje genowe (punktowe). związane ze stosunkowo niewielkimi zmianami w sekwencjach nukleotydowych. Mutacje genowe są podzielone na zmiany geny strukturalne i zmiany geny regulatorowe.

Rodzaje mutacji:

1. Wprowadzenie Lub utrata (usunięcie) pary lub kilka par nukleotydów, do czego prowadzą przesunięcie ramki odczytu. W zależności od miejsca insercji lub delecji nukleotydu zmienia się mniej lub więcej kodonów.

2. Przemiana– zamiana zasad z puryn na purynę lub pirymidyny na pirymidynę, np.: A „G, C” T.

3. Transwersja – zastąpienie zasady purynowej zasadą pirymidynową lub zasady pirymidynowej zasadą purynową. Na przykład: A «C, G «T.

Zmiany w genach strukturalnych prowadzą do:

a) do mutacje zmiany sensu– zmiany w znaczeniu kodonów i powstawanie innych białek;

b) do bezsensowne mutacje– tworzenie kodonów STOP (UAA, UAG, UGA).

Wyniki zmian w genach regulatorowych:

1. Białko represorowe nie pasuje do operatora („ klucz nie pasuje do dziurki od klucza") - geny strukturalne działają stale (białka są syntetyzowane przez cały czas).

2. Białko represorowe jest ściśle „związane” z operatorem i nie jest usuwane przez induktor („ klucz nie wychodzi z dziurki od klucza") - geny strukturalne stale nie działają, a białka kodowane w tym operonie nie są syntetyzowane.

3. Naruszenie naprzemienności represji i indukcji– w przypadku braku induktora syntetyzowane jest określone białko, natomiast w jego obecności białko nie jest syntetyzowane. Jest to spowodowane mutacjami w genie regulatorowym lub sekwencji operatora.

Główną przyczyną są mutacje genów choroby genowe, którego częstotliwość występowania w populacjach ludzkich sięga 1-2%.

Jakie mutacje nazywamy spontanicznymi? Jeśli przełożymy to określenie na przystępny język, to są to naturalne błędy powstające podczas interakcji materiału genetycznego ze środowiskiem wewnętrznym i/lub zewnętrznym. Takie mutacje są zwykle losowe. Obserwuje się je w komórkach rozrodczych i innych komórkach organizmu.

Egzogenne przyczyny mutacji

Do mutacji spontanicznej może dojść pod wpływem środków chemicznych, promieniowania, wysokich lub niskich temperatur, rozrzedzonego powietrza lub wysokiego ciśnienia.

Każdego roku człowiek pochłania średnio około jednej dziesiątej promieniowania jonizującego, które stanowi naturalne promieniowanie tła. Liczba ta obejmuje promieniowanie gamma z jądra Ziemi, wiatr słoneczny i radioaktywność pierwiastków znajdujących się głęboko w skorupie ziemskiej i rozpuszczonych w atmosferze. Otrzymana dawka zależy również od tego, gdzie dokładnie znajduje się dana osoba. Jedna czwarta wszystkich spontanicznych mutacji następuje właśnie z powodu tego czynnika.

Promieniowanie ultrafioletowe, wbrew powszechnemu przekonaniu, odgrywa niewielką rolę w powodowaniu uszkodzeń DNA, ponieważ nie może wniknąć wystarczająco głęboko w organizm człowieka. Ale skóra często cierpi z powodu nadmiernej ekspozycji na słońce (czerniak i inne rodzaje nowotworów). Jednakże organizmy jednokomórkowe i wirusy mutują pod wpływem światła słonecznego.

Zbyt wysokie lub niskie temperatury mogą również powodować zmiany w materiale genetycznym.

Endogenne przyczyny mutacji

Głównymi przyczynami, dla których może wystąpić spontaniczna mutacja, pozostają czynniki endogenne. Należą do nich produkty uboczne metabolizmu, błędy w procesie replikacji, naprawy czy rekombinacji i inne.

1. Błędy replikacji:
   - spontaniczne przejścia i inwersje zasad azotowych;
   - nieprawidłowe wprowadzenie nukleotydów z powodu błędów w polimerazach DNA;
   - chemiczne zastąpienie nukleotydów, na przykład guaniny-cytozyny, adeniną-guaniną.
2. Błędy odzyskiwania:
   - mutacje w genach odpowiedzialnych za naprawę poszczególnych odcinków łańcucha DNA po ich uszkodzeniu pod wpływem czynników zewnętrznych.
3. Problemy z rekombinacją:
   - niepowodzenia w procesach cross-over podczas mejozy lub mitozy prowadzą do utraty i uzupełnienia zasad.

Są to główne czynniki powodujące spontaniczne mutacje. Przyczyną niepowodzeń może być aktywacja genów mutatorów, a także konwersja bezpiecznych związków chemicznych w bardziej aktywne metabolity oddziałujące na jądro komórkowe. Do tego dochodzą jeszcze czynniki strukturalne. Należą do nich powtórzenia sekwencji nukleotydowej w pobliżu miejsca przegrupowania łańcucha, obecność dodatkowych odcinków DNA o strukturze podobnej do genu, a także ruchome elementy genomu.

Patogeneza mutacji

Do mutacji spontanicznej dochodzi w wyniku oddziaływania wszystkich powyższych czynników, działających wspólnie lub oddzielnie w pewnym okresie życia komórki. Istnieje takie zjawisko, jak przesuwające się zaburzenie parowania nici DNA córki i matki. Często skutkuje to utworzeniem pętli peptydów, które nie były w stanie odpowiednio zintegrować się z sekwencją. Po usunięciu nadmiaru odcinków DNA z nici potomnej pętle można wyciąć (delecje) lub wstawić (duplikacje, insercje). Pojawiające się zmiany utrwalają się w kolejnych cyklach podziału komórki.

Szybkość i liczba występujących mutacji zależy od pierwotnej struktury DNA. Niektórzy naukowcy uważają, że absolutnie wszystkie sekwencje DNA są mutagenne, jeśli tworzą zakręty.

Najczęstsze mutacje spontaniczne

W jaki sposób spontaniczne mutacje najczęściej manifestują się w materiale genetycznym? Przykładami takich warunków są utrata zasad azotowych i usunięcie aminokwasów. Reszty cytozyny są uważane za szczególnie wrażliwe na nie.

Udowodniono, że obecnie ponad połowa kręgowców ma mutacje w resztach cytozyny. Po deaminacji metylocytozyna zmienia się w tyminę. Późniejsze kopiowanie tej sekcji powtarza błąd lub usuwa go, lub podwaja i mutuje w nowy fragment.

Inną przyczyną częstych spontanicznych mutacji jest duża liczba pseudogenów. Z tego powodu w procesie mejozy mogą powstawać nierówne rekombinacje homologiczne. Konsekwencją tego są rearanżacje w genach, rotacje i duplikacje poszczególnych sekwencji nukleotydowych.

Model polimerazy mutagenezy

Według tego modelu spontaniczne mutacje powstają w wyniku przypadkowych błędów w cząsteczkach syntetyzujących DNA. Po raz pierwszy taki model zaprezentował Bresler. Zasugerował, że mutacje pojawiają się wskutek tego, że polimerazy w niektórych przypadkach wstawiają do sekwencji niekomplementarne nukleotydy.

Wiele lat później, po długich testach i eksperymentach, ten punkt widzenia został zatwierdzony i zaakceptowany w świecie naukowym. Wydedukowano nawet pewne wzorce, które pozwalają naukowcom kontrolować mutacje i kierować nimi poprzez wystawienie pewnych odcinków DNA na działanie światła ultrafioletowego. Odkryli na przykład, że adenina jest najczęściej wstawiana naprzeciwko uszkodzonej trójki.

Tautomeryczny model mutagenezy

Inną teorię wyjaśniającą spontaniczne i sztuczne mutacje zaproponowali Watson i Crick (odkrywcy struktury DNA). Zasugerowali, że podstawą mutagenezy jest zdolność niektórych zasad DNA do przekształcania się w formy tautomeryczne, zmieniając sposób łączenia zasad.

Po publikacji hipoteza była aktywnie rozwijana. Po naświetleniu światłem ultrafioletowym odkryto nowe formy nukleotydów. Dało to naukowcom nowe możliwości badawcze. Współczesna nauka wciąż dyskutuje nad rolą form tautomerycznych w spontanicznej mutagenezie i jej wpływem na liczbę wykrywanych mutacji.

Inne modele

Mutacja spontaniczna jest możliwa, gdy rozpoznawanie kwasów nukleinowych przez polimerazy DNA jest zaburzone. Poltaev i współautorzy wyjaśnili mechanizm zapewniający zgodność z zasadą komplementarności podczas syntezy cząsteczek potomnego DNA. Model ten umożliwił badanie wzorców występowania spontanicznej mutagenezy. Naukowcy wyjaśnili swoje odkrycie stwierdzeniem, że główną przyczyną zmian w strukturze DNA jest synteza niekanonicznych par nukleotydów.

Zasugerowali, że wymiatanie zasad następuje w wyniku deminacji skrawków DNA. Powoduje to zmianę cytozyny na tyminę lub uracyl. W wyniku takich mutacji powstają pary niezgodnych nukleotydów. Dlatego podczas kolejnej replikacji następuje przejście (punktowa wymiana zasad nukleotydowych).

Klasyfikacja mutacji: spontaniczne

Istnieją różne klasyfikacje mutacji w zależności od konkretnego kryterium leżącego u ich podstaw. Istnieje podział ze względu na charakter zmian w funkcji genów:

Hipomorficzne (zmutowane allele syntetyzują mniej białek, ale są podobne do oryginalnych);
- amorficzny (gen całkowicie utracił swoje funkcje);
- antymorficzny (zmutowany gen całkowicie zmienia reprezentowaną cechę);
- neomorficzny (pojawiają się nowe znaki).

Jednak bardziej powszechną klasyfikacją jest ta, która dzieli wszystkie mutacje według zmienianej struktury. Atrakcja:

1. Mutacje genomowe. Należą do nich poliploidia, czyli tworzenie genomu z potrójnym lub większą liczbą zestawów chromosomów oraz aneuploidia – liczba chromosomów w genomie nie jest wielokrotnością liczby haploidalnej.
2. Mutacje chromosomowe. Obserwuje się istotne rearanżacje poszczególnych odcinków chromosomów. Rozróżnia się utratę informacji (delecja), jej podwojenie (duplikacja), zmianę kierunku sekwencji nukleotydowej (inwersja) i przeniesienie odcinków chromosomów w inne miejsce (translokacja).
3. Mutacja genowa. Najczęstsza mutacja. W łańcuchu DNA zostaje zastąpionych kilka losowych zasad azotowych.

Konsekwencje mutacji

Spontaniczne mutacje są przyczyną nowotworów, dysfunkcji narządów i tkanek ludzi i zwierząt. Jeśli zmutowana komórka zlokalizowana jest w dużym organizmie wielokomórkowym, to z dużym prawdopodobieństwem zostanie zniszczona poprzez wywołanie apoptozy (programowanej śmierci komórki). Organizm kontroluje proces utrzymywania materiału genetycznego i przy pomocy układu odpornościowego pozbywa się ewentualnych uszkodzonych komórek.

W jednym przypadku na setki tysięcy limfocyty T nie mają czasu na rozpoznanie uszkodzonej struktury i powstaje klon komórek, który również zawiera zmutowany gen. Konglomerat komórek pełni inne funkcje, wytwarza substancje toksyczne i negatywnie wpływa na ogólną kondycję organizmu.

Jeśli mutacja nie wystąpiła w komórce somatycznej, ale w komórce rozrodczej, wówczas zmiany zostaną zaobserwowane u potomków. Objawiają się wrodzonymi patologiami narządów, deformacjami, zaburzeniami metabolicznymi i chorobami spichrzeniowymi.

Spontaniczne mutacje: znaczenie

W niektórych przypadkach mutacje, które wcześniej wydawały się bezużyteczne, mogą okazać się przydatne w adaptacji do nowych warunków życia. To wprowadza mutację jako miarę doboru naturalnego. Zwierzęta, ptaki i owady noszą kolory kamuflażu odpowiadające ich lokalizacji, aby chronić się przed drapieżnikami. Ale jeśli zmieni się ich siedlisko, wówczas przy pomocy mutacji natura stara się chronić gatunek przed wyginięciem. W nowych warunkach przetrwają najsilniejsi i przekazują tę umiejętność innym.

Mutacja może wystąpić w nieaktywnych obszarach genomu i wówczas nie obserwuje się żadnych widocznych zmian w fenotypie. „Awarię” można wykryć jedynie poprzez szczegółowe badania. Jest to konieczne do zbadania pochodzenia pokrewnych gatunków zwierząt i opracowania ich map genetycznych.

Problem spontaniczności mutacji

W latach czterdziestych ubiegłego wieku istniała teoria, że ​​mutacje powstają wyłącznie w wyniku ekspozycji i pomagają się do nich przystosować. Aby przetestować tę teorię, opracowano specjalną metodę testowania i powtarzania.

Procedura polegała na wysianiu do probówek niewielkiej liczby bakterii jednego rodzaju i po kilku zaszczepieniach dodaniu do nich antybiotyków. Część mikroorganizmów przeżyła i została przeniesiona na nową pożywkę. Porównanie bakterii z różnych probówek wykazało, że oporność narastała samoistnie, zarówno przed, jak i po kontakcie z antybiotykiem.

Metoda powtarzalna polegała na przeniesieniu mikroorganizmów na wełnianą tkaninę, a następnie przeniesieniu ich jednocześnie na kilka czystych mediów. Hodowano nowe kolonie i leczono antybiotykiem. W rezultacie bakterie znajdujące się w identycznych obszarach pożywki przeżyły w różnych probówkach.

Jakie mutacje nazywamy spontanicznymi? Jeśli przełożymy to określenie na przystępny język, to są to naturalne błędy powstające podczas interakcji materiału genetycznego ze środowiskiem wewnętrznym i/lub zewnętrznym. Takie mutacje są zwykle losowe. Obserwuje się je w komórkach rozrodczych i innych komórkach organizmu.

Egzogenne przyczyny mutacji

Do mutacji spontanicznej może dojść pod wpływem środków chemicznych, promieniowania, wysokich lub niskich temperatur, rozrzedzonego powietrza lub wysokiego ciśnienia. Każdego roku człowiek pochłania średnio około jednej dziesiątej radu promieniowania jonizującego, które stanowi naturalne promieniowanie tła. Liczba ta obejmuje promieniowanie gamma z jądra Ziemi, wiatr słoneczny i radioaktywność pierwiastków znajdujących się głęboko w skorupie ziemskiej i rozpuszczonych w atmosferze. Otrzymana dawka zależy również od tego, gdzie dokładnie znajduje się dana osoba. Jedna czwarta wszystkich spontanicznych mutacji następuje właśnie z powodu tego czynnika.
Promieniowanie ultrafioletowe, wbrew powszechnemu przekonaniu, odgrywa niewielką rolę w powodowaniu uszkodzeń DNA, ponieważ nie może wniknąć głęboko w organizm człowieka. Ale skóra często cierpi z powodu nadmiernej ekspozycji na słońce (czerniak i inne rodzaje nowotworów). Jednakże organizmy jednokomórkowe i wirusy mutują pod wpływem światła słonecznego. Zbyt wysokie lub niskie temperatury mogą również powodować zmiany w materiale genetycznym.

Endogenne przyczyny mutacji

Głównymi przyczynami, dla których może wystąpić spontaniczna mutacja, pozostają czynniki endogenne. Należą do nich produkty uboczne metabolizmu, błędy w procesie replikacji, naprawy czy rekombinacji i inne.

Błędy replikacji:
- spontaniczne przejścia i inwersje zasad azotowych;
- nieprawidłowe ułożenie nukleotydów na skutek błędów w polimerazach DNA;
- chemiczne zastąpienie nukleotydów, na przykład guaniny-cytozyny, adeniną-guaniną.

Błędy odzyskiwania:
- mutacje w genach odpowiedzialnych za naprawę poszczególnych odcinków łańcucha DNA po ich uszkodzeniu pod wpływem czynników zewnętrznych.

Problemy z rekombinacją:
- niepowodzenia w procesach krzyżowania podczas mejozy lub mitozy prowadzą do utraty i uzupełnienia zasad.

Są to główne czynniki powodujące spontaniczne mutacje. Przyczyną niepowodzeń może być aktywacja genów mutatorów, a także konwersja bezpiecznych związków chemicznych w bardziej aktywne metabolity oddziałujące na jądro komórkowe. Ponadto istnieją czynniki strukturalne. Należą do nich powtórzenia sekwencji nukleotydowej w pobliżu miejsca przegrupowania łańcucha, obecność dodatkowych odcinków DNA o strukturze podobnej do genu, a także ruchome elementy genomu.

Patogeneza mutacji

Do mutacji spontanicznej dochodzi w wyniku działania wszystkich wymienionych powyżej czynników, działających wspólnie lub osobno w pewnym okresie życia komórki. Istnieje takie zjawisko, jak przesuwające się zaburzenie parowania nici DNA córki i matki. Często skutkuje to utworzeniem pętli peptydów, które nie były w stanie odpowiednio zintegrować się z sekwencją. Po usunięciu nadmiaru odcinków DNA z nici potomnej pętle można wyciąć (delecje) lub wstawić (duplikacje, insercje). Pojawiające się zmiany utrwalają się w kolejnych cyklach podziału komórki.
Szybkość i liczba występujących mutacji zależy od pierwotnej struktury DNA. Niektórzy naukowcy uważają, że absolutnie wszystkie sekwencje DNA są mutagenne, jeśli tworzą zakręty.

Najczęstsze mutacje spontaniczne

Dlaczego spontaniczne mutacje najczęściej pojawiają się w materiale genetycznym? Przykładami takich warunków są utrata zasad azotowych i usunięcie aminokwasów. Reszty cytozyny są uważane za szczególnie wrażliwe na nie. Udowodniono, że obecnie ponad połowa kręgowców ma mutacje w resztach cytozyny. Po deaminacji metylocytozyna zmienia się w tyminę. Dalsze kopiowanie tej sekcji powtarza błąd lub usuwa go, lub podwaja i mutuje w nowy fragment. Za inną przyczynę częstych spontanicznych mutacji uważa się dużą liczbę pseudogenów. Z tego powodu w procesie mejozy mogą powstawać nierówne rekombinacje homologiczne. Konsekwencją tego są rearanżacje w genach, rotacje i duplikacje poszczególnych sekwencji nukleotydowych.

Model polimerazy mutagenezy

Według tego modelu spontaniczne mutacje powstają w wyniku przypadkowych błędów w cząsteczkach syntetyzujących DNA. Po raz pierwszy taki model zaprezentował Bresler. Zasugerował, że mutacje powstają na skutek tego, że polimerazy w niektórych przypadkach wstawiają do sekwencji niekomplementarne nukleotydy. Wiele lat później, po długich testach i eksperymentach, ten punkt widzenia został zatwierdzony i zaakceptowany w świecie naukowym. Wydedukowano nawet pewne wzorce, które pozwalają naukowcom kontrolować mutacje i kierować nimi poprzez wystawienie pewnych odcinków DNA na działanie światła ultrafioletowego. Odkryli na przykład, że adenina jest najczęściej wstawiana naprzeciwko uszkodzonej trójki.

Tautomeryczny model mutagenezy

Inną teorię wyjaśniającą spontaniczne i sztuczne mutacje zaproponowali Watson i Crick (odkrywcy struktury DNA). Zaproponowali, że mutageneza opiera się na zdolności niektórych zasad DNA do przekształcania się w formy tautomeryczne, które zmieniają sposób łączenia zasad.
Po publikacji hipoteza była aktywnie rozwijana. Po napromieniowaniu ultrafioletem odkryto nowe formy nukleotydów. Dało to naukowcom nowe możliwości badawcze. Współczesna nauka wciąż debatuje nad rolą form tautomerycznych w spontanicznej mutagenezie i jej wpływem na liczbę zidentyfikowanych mutacji.

Inne modele

Mutacja spontaniczna jest możliwa, gdy rozpoznawanie kwasów nukleinowych przez polimerazy DNA jest zaburzone. Poltaev i współautorzy wyjaśnili mechanizm zapewniający zgodność z zasadą komplementarności podczas syntezy cząsteczek potomnego DNA. Model ten umożliwił badanie wzorców spontanicznej mutagenezy. Naukowcy wyjaśnili swoje odkrycie stwierdzeniem, że główną przyczyną zmian w strukturze DNA jest synteza niekanonicznych par nukleotydów. Zasugerowali, że wymiatanie zasad następuje poprzez deaminację skrawków DNA. Powoduje to zmianę cytozyny na tyminę lub uracyl. W wyniku takich mutacji powstają pary niezgodnych nukleotydów. Dlatego podczas kolejnej replikacji następuje przejście (punktowa wymiana zasad nukleotydowych).

Klasyfikacja mutacji: spontaniczne

Istnieją różne klasyfikacje mutacji w zależności od konkretnego kryterium leżącego u ich podstaw. Istnieje podział ze względu na charakter zmiany funkcji genu: - hipomorficzny (zmutowane allele syntetyzują mniej białek, ale są podobne do oryginalnych);
- amorficzny (gen całkowicie utracił swoje funkcje);
- antymorficzny (zmutowany gen całkowicie zmienia reprezentowaną cechę);
- neomorficzny (pojawiają się nowe znaki). Jednak bardziej powszechną klasyfikacją jest ta, która dzieli wszystkie mutacje proporcjonalnie według zmiennej struktury. Wyróżnia się: 1. Mutacje genomowe. Należą do nich poliploidia, czyli tworzenie genomu z potrójnym lub większą liczbą zestawów chromosomów oraz aneuploidia – liczba chromosomów w genomie nie jest wielokrotnością liczby haploidalnej.
2. Mutacje chromosomowe. Obserwuje się istotne rearanżacje poszczególnych odcinków chromosomów. Rozróżnia się utratę informacji (delecja), podwojenie (duplikacja), zmianę kierunku sekwencji nukleotydowej (inwersja), a także odwrócenie odcinków chromosomów w inne miejsce (translokacja).
3. Mutacja genowa. Najczęstsza mutacja. W łańcuchu DNA zostaje zastąpionych kilka losowych zasad azotowych.

Konsekwencje mutacji

Mutacje spontaniczne są przyczyną nowotworów, chorób spichrzeniowych, dysfunkcji narządów i tkanek ludzi i zwierząt. Jeśli zmutowana komórka zlokalizowana jest w dużym organizmie wielokomórkowym, to z dużym prawdopodobieństwem zostanie zniszczona poprzez wywołanie apoptozy (programowanej śmierci komórki). Organizm kontroluje proces zachowywania materiału genetycznego i przy pomocy układu odpornościowego pozbywa się ewentualnych uszkodzonych komórek. W jednym przypadku na setki tysięcy limfocyty T nie mają czasu na rozpoznanie uszkodzonej struktury i powstaje klon komórek, który również zawiera zmutowany gen. Konglomerat komórek pełni inne funkcje, wytwarza substancje toksyczne i negatywnie wpływa na ogólną kondycję organizmu. Jeśli mutacja nie wystąpiła w komórce somatycznej, ale w komórce rozrodczej, wówczas zmiany zostaną zaobserwowane u potomków. Okazują się być wrodzonymi patologiami narządów, deformacjami, zaburzeniami metabolicznymi i chorobami spichrzeniowymi.

Spontaniczne mutacje:

W niektórych przypadkach mutacje, które wcześniej wydawały się bezużyteczne, mogą okazać się przydatne w przystosowaniu się do nowych warunków życia. To wprowadza mutację jako miarę doboru naturalnego. Zwierzęta, ptaki i owady noszą kolory kamuflażu odpowiadające ich lokalizacji, aby chronić się przed drapieżnikami. Ale jeśli zmieni się ich siedlisko, wówczas przy pomocy mutacji natura stara się chronić gatunek przed wyginięciem. W nowych warunkach przetrwają najsilniejsi i przekazują tę umiejętność innym. Mutacja może wystąpić w nieaktywnych obszarach genomu i wówczas nie obserwuje się żadnych widocznych zmian w fenotypie. „Załamanie” można zidentyfikować jedynie na podstawie konkretnych badań. Jest to konieczne do badania pochodzenia i pokrewnych gatunków zwierząt oraz tworzenia ich map genetycznych.

Problem spontaniczności mutacji

W latach czterdziestych ubiegłego wieku istniała teoria, że ​​mutacje powstają wyłącznie pod wpływem czynników zewnętrznych i pomagają przystosować się do nich. Aby przetestować tę teorię, opracowano specjalną metodę testowania i powtarzania. Procedura polegała na tym, że do probówek wysiewano niewielką ilość bakterii jednego rodzaju i po kilku zaszczepieniach dodawano do nich antybiotyki. Część mikroorganizmów przeżyła i została przeniesiona na nową pożywkę. Porównanie bakterii z różnych probówek wykazało, że oporność narastała samoistnie, zarówno przed, jak i po kontakcie z antybiotykiem. Metoda powtarzania polegała na przeniesieniu mikroorganizmów na wełnianą tkaninę, a następnie przeniesieniu ich na kilka czystych pożywek. Hodowano nowe kolonie i leczono antybiotykiem. W rezultacie bakterie znajdujące się w tych samych obszarach pożywki przeżyły w różnych probówkach.

Data publikacji: 22.05.17

Po raz pierwszy wzrost częstotliwości dziedzicznej zmienności pod wpływem czynników zewnętrznych odkryli w 1925 roku radzieccy mikrobiolodzy G.A. Nadson i G.S. Filippow. Zaobserwowali wzrost różnorodności form dziedzicznych - salipanowie- po ekspozycji na „promienie radu” na grzyby niższe.

W 1927 r. G. Möller opisał wpływ promieni rentgenowskich na proces mutacji u Drosophila. Niektóre związki (jod, kwas octowy, amoniak) są zdolne do wywoływania recesywnych zgonów w chromosomie L. W 1939 r. S.M. Gershenzon odkrył silne działanie mutagenne egzogennego DNA u Drosophila. W 1946 r. odkryto silne mutageny chemiczne. I.A ) w ZSRR oraz S. Auerbach i J. Robson (iperyt azotowy) w Anglii.

Od tego czasu arsenał czynników mutagennych obejmuje różnorodne związki chemiczne: analogi zasad włączane bezpośrednio do DNA, środki takie jak kwas azotawy czy hydroksyloamina, zasady modyfikujące, związki alkilujące DNA (metanosulfonian etylu, metanosulfonian metylu itp.). ), związki interkalujące między zasadami DNA (akrydyny i ich pochodne) itp.

Oprócz mutagenów wykryto substancje antymutagenne.

Możliwość zmiany tempa procesu mutacji stanowiła decydującą zachętę do wyjaśnienia przyczyn spontanicznych mutacji. Jedna z pierwszych prób wyjaśnienia przyczyn mutacji spontanicznych sprowadzała się do założenia, że ​​w rzeczywistości są one wywołane naturalnym tłem promieniotwórczym. Okazało się jednak, że w ten sposób można wyjaśnić występowanie jedynie około 0,1% wszystkich spontanicznych mutacji u Drosophila. Nie potwierdziła się także hipoteza o termicznym ruchu atomów jako głównej przyczynie mutacji spontanicznych. Podejmowano próby wyjaśnienia mutacji spontanicznych w wyniku działania produktów przemiany materii komórki i organizmu.

Współczesne spojrzenie na przyczyny mutacji spontanicznych ukształtowało się w latach sześćdziesiątych XX wieku. dzięki badaniu mechanizmów reprodukcji, naprawy i rekombinacji genów oraz odkryciu układów enzymatycznych odpowiedzialnych za te procesy. Istnieje tendencja do wyjaśniania mutacji genów jako błędów w funkcjonowaniu enzymów matrycowych DNA. Hipoteza ta jest obecnie powszechnie akceptowana. Atrakcyjność hipotezy polega również na tym, że pozwala ona uwzględnić proces mutacji indukowanej w wyniku interwencji czynników zewnętrznych w normalną reprodukcję nośników informacji genetycznej, tj. zapewnia jednolite wyjaśnienie przyczyn samoistnych i indukowane mutacje. Na rozwój teorii procesu mutacji duży wpływ miały badania nad jego genetyczną kontrolą. Odkryto geny, których mutacje mogą zwiększać lub zmniejszać częstotliwość mutacji zarówno spontanicznych, jak i indukowanych. Tym samym potwierdza się istnienie wspólnych przyczyn procesów mutacji indukowanych i spontanicznych.

Pierwsze wyjaśnienie mechanizmu zmian mutacyjnych (mutacje genów i aberracje chromosomowe) zaproponował w 1935 r. N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer i M. Delbrück na podstawie analizy mutagenezy popromiennej w organizmach wyższych, głównie u Drosophila. Mutację uznawano za wynik natychmiastowej zmiany układu atomów w złożonej cząsteczce genu. Za przyczynę takiej restrukturyzacji uznano bezpośrednie wprowadzenie cząstki kwantowej lub jonizującej do genu (zasada wejścia) lub przypadkowe drgania atomów. Późniejsze odkrycie wpływu skutków promieniowania jonizującego pokazało, że mutacje powstają w wyniku procesu trwającego w czasie, a nie bezpośrednio w momencie przejścia kwantu energii lub cząstki jonizującej przez gen.