Mutacje samoistne, mechanizmy ich powstawania. Mutacje indukowane Przykłady mutacji spontanicznych

Spontaniczna mutacja

Mutacje.

Wirusy, podobnie jak wszystkie żywe organizmy, charakteryzują się dziedzicznością i zmiennością. Wczesne badania genetyki wirusów zwierzęcych polegały głównie na zbieraniu i późniejszej charakterystyce genetycznej i fizjologicznej mutantów wirusowych. Ostatnio mutanty wirusowe zostały wykorzystane jako specyficzne narzędzia do badania zdarzeń genetycznych i biochemicznych zachodzących w zakażonej komórce. Prace tego rodzaju nad wirusami zwierzęcymi były generalnie opóźnione w porównaniu z podobnymi pracami nad systemami prokariotycznymi.

Niektóre wirusy wytwarzają znaczną część mutantów, gdy pasażowane są pod nieobecność jakichkolwiek znanych mutagenów. Te spontaniczne mutacje gromadzą się w genomach wirusów i prowadzą do zmienności fenotypowej, która podlega presji selekcyjnej podczas ewolucji wirusa.

Szybkość spontanicznej mutagenezy w genomach DNA jest znacznie niższa (10 -8 - 10 -11 na włączony nukleotyd) niż w genomach RNA (10 -3 - 10 -4 na włączony nukleotyd). Większa częstość spontanicznych mutacji związana jest z niską wiernością replikacji genomu RNA, co prawdopodobnie wynika z braku aktywności naprawczej w replikazach RNA, charakterystycznej dla enzymów replikujących DNA. Najczęściej spontaniczne mutacje obserwuje się u retrowirusów, co wiąże się z większą częstością niepowodzeń w odwrotnej transkrypcji, które nie są zdolne do samokorekty.

Tak więc, podczas gdy genomy wirusów DNA są stosunkowo stabilne, nie można tego samego powiedzieć o wirusach RNA.Niestety dla genetyków wiele czynników napędza nierównowagę w populacji genomów, a te czynniki często przyczyniają się do akumulacji mutantów w populacji . Ze względu na spontaniczną mutagenezę trudno jest utrzymać jednorodność populacji wirusa. Wirusy okresowo powracają, aby ominąć tę trudność, ale mutanty często pojawiają się zarówno podczas tworzenia łysinek, jak i wzrostu wirusa, co utrudnia uzyskanie genetycznie jednorodnych preparatów wirusa o wysokim mianie.

Mutacje indukowane w wirusach uzyskuje się poprzez działanie różnych mutagenów chemicznych i fizycznych, które dzielą się na aktywne in vivo i in vitro.

Większość mutantów wyizolowanych podczas badania wirusów zwierzęcych pochodzi z populacji typu dzikiego poddanych działaniu mutagenów. Mutageny są zwykle stosowane w celu zwiększenia częstości mutacji w populacji, po czym mutanty są przeszukiwane z odpowiednią presją selekcyjną. Głównym problemem związanym ze stosowaniem mutagenów jest dobór odpowiedniej dawki. Z reguły pożądane jest uzyskanie mutantów różniących się od typu dzikiego tylko jedną mutacją. W tym celu selekcję przeprowadza się przy najniższej dawce mutagenu, która zapewnia wystarczającą częstość mutacji z pożądanym fenotypem.

W systemach wirusów zwierzęcych zastosowano wiele różnych mutagenów, ale wszystkie należą do niewielkiej liczby klas określonych przez mechanizm mutagenezy.

Jedna klasa mutagenów, powszechnie nazywana mutagenami in vitro, działa poprzez chemiczną modyfikację kwasu nukleinowego zawartego w cząstce wirusowej. Kwas azotawy deaminuje zasady, głównie adeninę, tworząc hipoksantynę, która łączy się w pary z cytozyną podczas późniejszej replikacji. W wyniku działania kwasu azotawego na adeninę następuje przejście z pary AT do pary GC. Kwas azotawy również deaminuje cytozynę, prowadząc do przejścia CG->-TA. Innym mutagenem in vitro jest hydroksyloamina; reaguje specyficznie tylko z cytozyną i indukuje przejście CG->-TA. Duża klasa mutagenów in vitro to środki alkilujące, które działają na wielu pozycjach zasad. Czynniki alkilujące - nitrozoguanidyna, etanometanosulfonian i metylometanosulfonian - są silnymi mutagenami.

Druga klasa obejmuje mutageny in vivo, które do swojego działania wymagają aktywnego metabolicznie kwasu nukleinowego.

Jedna grupa mutagenów in vivo zawiera analogi zasad, które są włączane do kwasu nukleinowego podczas normalnej syntezy parowania. Po włączeniu te analogi mogą przechodzić przejścia tautomeryczne, które prowadzą je do parowania z różnymi zasadami, powodując w ten sposób przejścia i transwersje. Często stosuje się analogi: 2-aminopurynę, 5-bromodeoksyurydynę i 5-azacytydynę.

Inna grupa mutagenów in vivo obejmuje czynniki interkalujące, które wstawiają się do stosu zasad, powodując insercje lub delecje podczas późniejszej replikacji kwasu nukleinowego.

Przykładami środków interkalujących są barwniki akrydynowe, takie jak proflawina.

Ultrafiolet jest czasami używany jako mutagen. Dimery pirymidynowe są głównymi produktami promieniowania ultrafioletowego. W DNA dimery pirymidynowe są wycinane. W przypadku RNA mechanizm mutagenezy w ultrafiolecie jest nieznany.

Większość mutacji ma właściwość powrotu (rewersji) do typu dzikiego. Każda mutacja ma charakterystyczny współczynnik rewersji, który można dokładnie zmierzyć.

Klasyfikacja mutacji wirusowych.

Mutacje wirusowe są klasyfikowane według zmian w fenotypie i genotypie. Zgodnie z objawami fenotypowymi mutacje wirusów dzielą się na cztery grupy:

Mutacje, które nie mają manifestacji fenotypowej.

Mutacje letalne, tj. całkowicie zaburzając syntezę lub funkcję ważnych dla życia białek i prowadząc do utraty zdolności do reprodukcji. Mutacja jest śmiertelna, jeśli zaburza na przykład syntezę lub funkcję istotnego białka specyficznego dla wirusa, takiego jak polimeraza wirusowa.

Warunkowo letalne mutacje, tj. mutacje z utratą zdolności do syntezy określonego białka lub z naruszeniem jego funkcji tylko w określonych warunkach. W niektórych przypadkach mutacje są warunkowo śmiertelne, ponieważ białko specyficzne dla wirusa zachowuje swoje funkcje w pewnych optymalnych dla niego warunkach i traci tę zdolność w warunkach niedopuszczalnych (niedopuszczalnych). Typowym przykładem takich mutacji są mutacje temperaturowrażliwe (temperature wrażliwe) – mutacje ts, w których wirus traci zdolność rozmnażania się w podwyższonych temperaturach (39-42°C), zachowując tę ​​zdolność w normalnych temperaturach wzrostu (36-42°C). 37°C).

· Mutacje, które mają ekspresję fenotypową, takie jak zmiany wielkości łysinek pod powłoką agarową lub stabilnością termiczną, zmiany w spektrum żywicieli, oporność na inhibitory i leki stosowane w chemioterapii.

Po raz pierwszy wzrost częstości zmienności dziedzicznej pod wpływem czynników zewnętrznych odkryli w 1925 r. Radzieccy mikrobiolodzy G.A. Nadsona i G.S. Filippow. Zaobserwowali wzrost różnorodności form dziedzicznych - salipanty- po ekspozycji na "promienie radu" na dolne grzyby.

W 1927 r. G. Meller opisał wpływ promieni rentgenowskich na proces mutacji u Drosophila. Niektóre związki (jod, kwas octowy, amoniak) są zdolne do indukowania recesywnych letali w chromosomie L ". W 1939 r. S.M. Gershenzon odkrył silne działanie mutagenne egzogennego DNA u Drosophila. Silne mutageny chemiczne odkrył w 1946 r. IA Rapoport (etylenoimina ) w ZSRR oraz S. Auerbach i J. Robson (iperyt azotowy) w Anglii.

Od tego czasu arsenał czynników mutagennych obejmował różnorodne związki chemiczne: analogi zasad wbudowane bezpośrednio w DNA, środki modyfikujące zasady, takie jak kwas azotawy lub hydroksyloamina, związki alkilujące DNA (metanosulfonian etylu, metanosulfonian metylu itp.), związki, które interkalować między zasadami DNA (akrydynami i ich pochodnymi) itp.

Wraz z mutagenami znaleziono antymutageny.

Zdolność do zmiany tempa procesu mutacji posłużyła jako decydujący bodziec do wyjaśnienia przyczyn spontanicznych mutacji. Jedna z pierwszych prób wyjaśnienia przyczyn spontanicznych mutacji została sprowadzona do założenia, że ​​w rzeczywistości są one indukowane naturalnym tłem radioaktywności. Okazało się jednak, że tylko około 0,1% wszystkich spontanicznych mutacji u muszki owocowej można w ten sposób wyjaśnić. Nie została również potwierdzona hipoteza ruchu termicznego atomów jako głównej przyczyny spontanicznych mutacji. Podejmowano próby wyjaśnienia samoistnych mutacji w wyniku działania produktów przemiany materii komórki i organizmu.

Współczesny pogląd na przyczyny spontanicznych mutacji ukształtował się w latach 60. XX wieku. dzięki badaniu mechanizmów reprodukcji, naprawy i rekombinacji genów oraz odkryciu układów enzymatycznych odpowiedzialnych za te procesy. Istniała tendencja do wyjaśniania mutacji genowych jako błędów w pracy enzymów syntezy matrycowego DNA. Hipoteza ta jest obecnie powszechnie akceptowana. Atrakcyjność hipotezy polega również na tym, że pozwala ona rozpatrywać indukowany proces mutacyjny w wyniku ingerencji czynników zewnętrznych w normalną reprodukcję nosicieli informacji genetycznej, tj. dostarcza jednolitego wyjaśnienia przyczyn mutacje spontaniczne i indukowane. Na rozwój teorii procesu mutacji ogromny wpływ miało badanie jego kontroli genetycznej. Odkryto geny, których mutacje mogą zwiększać lub zmniejszać częstotliwość mutacji zarówno spontanicznych, jak i indukowanych. Tym samym potwierdza się istnienie wspólnych przyczyn indukowanego i spontanicznego procesu mutacji.

Pierwsze wyjaśnienie mechanizmu zmian mutacyjnych (mutacji genowych i aberracji chromosomowych) zaproponował w 1935 roku N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer i M. Delbrück na podstawie analizy mutagenezy radiacyjnej organizmów wyższych, przede wszystkim Drosophila. Mutację uważano za wynik natychmiastowego przegrupowania atomów w złożonej cząsteczce genu. Za przyczynę takiego przegrupowania uznano bezpośrednie trafienie w gen kwantowej lub jonizującej cząstki (zasada zderzenia) lub przypadkowe drgania atomów. Odkrycie skutków następstw promieniowania jonizującego wykazało później, że mutacje powstają w wyniku procesu trwającego w czasie, a nie bezpośrednio w momencie, gdy kwant energii lub cząstka jonizująca przechodzi przez gen.

Spontaniczny- są to mutacje, które zachodzą spontanicznie, bez udziału eksperymentatora.

wywołany- są to mutacje, które są wywoływane sztucznie, przy użyciu różnych czynników mutageneza.

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

Czynniki mutagenne podzielone na fizyczny,chemiczny oraz biologiczny.

Częstotliwość spontanicznych mutacji jeden gen jest, dla każdego genu każdego organizmu ma swój własny.

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

Z wiek konsekwencje narażenia na naturalne promieniowanie tła gromadzić a u ludzi jest z nim związanych od 10 do 25% spontanicznych mutacji.

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

Trzeci powód spontaniczne mutacje poruszający przez genom ruchome elementy, które można wprowadzić do dowolnego genu i wywołać w nim mutację.

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

indukowane mutacje pierwszy odkryty w 1925 roku. GA Nadsona oraz GS Filippow w ZSRR. Napromieniowali kultury pleśni promieniami rentgenowskimi Mukorgenewska i otrzymał podział kultury „na dwie formy lub rasy, różniące się nie tylko od siebie, ale także od pierwotnej (normalnej) formy”. Mutanty okazały się stabilne, gdyż po ośmiu kolejnych pasażach zachowały nabyte właściwości. Ich artykuł został opublikowany tylko w języku rosyjskim, a poza tym w pracy nie zastosowano żadnych metod ilościowego określania działania promieni rentgenowskich, więc pozostał mało zauważony.

W 1927 G. G. Möllera opisali wpływ promieni rentgenowskich na proces mutacji u Drosophila i zaproponowali Metoda ilościowa dodatek do recesywnych mutacji letalnych na chromosomie X ( ClB), który stał się klasykiem.

W 1946 Möller otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie mutagenezy radiacyjnej. Obecnie stwierdzono, że praktycznie wszystkie rodzaje promieniowania(w tym promieniowanie jonizujące wszelkiego rodzaju - , , ; promienie UV, promienie podczerwone) powodują mutacje. Nazywają się fizyczne mutageny.

Głównymechanizmy ich akcje:

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

2) edukacja wolne rodniki, które wchodzą w interakcje chemiczne z DNA;

3) zerwanie nici wrzeciono rozszczepienia;

4) edukacja dimery(tymina).

w latach 30. było otwarte mutageneza chemiczna w Drosophila: VV Sacharowa (1932 ), ME Łobaszew oraz FA Smirnow (1934 ) wykazały, że niektóre związki, takie jak jod, kwas octowy, amoniak są zdolne do indukowania recesywnych letalnych mutacji na chromosomie X.

W 1939 G. Siergiej Michajłowicz Gerszenzon(uczeń SS Chetverikov) odkrył silny mutagenne działanie egzogennego DNA w Drosophila. Pod wpływem idei N.K. Koltsov, że chromosom jest gigantyczną cząsteczką, S.M. Gershenzon postanowił sprawdzić swoje założenie, że DNA jest taką cząsteczką. Wyizolował DNA z grasicy i dodał je do pokarmu larw Drosophila. Wśród 15 000 much kontrolnych (tj. bez DNA w paszy) nie było ani jednej mutacji, aw eksperymencie znaleziono 13 mutantów wśród 13 000 much.

W 1941 Charlotte Auerbach oraz J. Robson pokazał, że musztarda azotowa indukuje mutacje u Drosophila. Wyniki prac nad tym chemicznym środkiem bojowym opublikowano dopiero w 1946 roku, już po zakończeniu II wojny światowej. W tym samym 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovich) w ZSRR wykazywały działanie mutagenne formaldehyd.

Obecnie do mutageny chemiczne włączać:

a) naturalny substancje organiczne i nieorganiczne;

b) wyroby przemysłowe przetwarzanie związków naturalnych- olej opałowy;

w) substancje syntetyczne, niespotykane wcześniej w przyrodzie (pestycydy, insektycydy itp.);

d) niektóre metabolity organizmy ludzkie i zwierzęce.

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

Mechanizmy ich działania:

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

2) zastąpienie zasad azotowych ich analogami;

3) hamowanie syntezy prekursorów kwasów nukleinowych.

W ostatnich latach tzw supermutageny:

1)analogi zasad;

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

3) połączenia, interkalacja między zasadami DNA (akrydynami i ich pochodnymi).

Supermutageny zwiększają częstotliwość mutacji o 2-3 rzędy wielkości.

Do biologiczne mutageny odnosić się:

a) wirusy(różyczka, odra itp.);

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

w) mobilna genetykaelementy.

Mechanizmy ich działania:

1) genomy wirusów i elementów ruchomych są zintegrowane z DNA komórek gospodarza;

indukowana mutageneza , od końca lat 20. XX wieku wykorzystywane są do hodowli nowych odmian, ras i odmian. Największy sukces osiągnięto w selekcji szczepów bakterii i grzybów - producentów antybiotyków i innych substancji biologicznie czynnych.

Tak, udało nam się zwiększyć aktywność producenci antybiotyków 10-20 razy, co umożliwiło znaczne zwiększenie produkcji odpowiednich antybiotyków i znaczne obniżenie ich kosztów. Aktywność promienistego grzyba - producent witaminy B 12 udało się zwiększyć 6-krotnie, a aktywność bakterii - producenta aminokwasy lizyny- 300-400 razy.

Korzystanie z mutacji karłowatość pszenicy pozwolił w latach 60-70 radykalnie zwiększyć plony zbóż, co nazwano „ Zielona rewolucja". Odmiany pszenicy karłowatej mają krótką, grubą łodygę, która jest odporna na wyleganie, wytrzymuje zwiększone obciążenie większym kłosem. Zastosowanie tych odmian umożliwiło znaczne zwiększenie plonów (w niektórych krajach kilkukrotne).

Autor „zielonej rewolucji” uważany jest za amerykańskiego hodowcę i genetyka N. Borlauga, który w 1944 roku, mając 30 lat, osiedlił się i rozpoczął pracę w Meksyku. Za sukces w hodowli wysoce produktywnych odmian roślin otrzymał w 1970 roku Pokojową Nagrodę Nobla.

Jakie mutacje nazywamy spontanicznymi? Jeśli przełożymy to pojęcie na przystępny język, to są to naturalne błędy, które występują w procesie interakcji materiału genetycznego ze środowiskiem wewnętrznym i/lub zewnętrznym. Takie mutacje są zwykle losowe. Obserwuje się je w płci i innych komórkach ciała.

Egzogenne przyczyny mutacji

Spontaniczna mutacja może wystąpić pod wpływem chemikaliów, promieniowania, wysokich lub niskich temperatur, rozrzedzonego powietrza lub wysokiego ciśnienia. Każdego roku człowiek pochłania średnio około jednej dziesiątej radu promieniowania jonizującego, które jest naturalnym tłem promieniowania. Liczba ta obejmuje promieniowanie gamma z jądra Ziemi, wiatr słoneczny, radioaktywność pierwiastków występujących w grubości skorupy ziemskiej i rozpuszczonych w atmosferze. Otrzymana dawka zależy również od tego, gdzie dana osoba się znajduje. Jedna czwarta wszystkich spontanicznych mutacji zachodzi właśnie z powodu tego czynnika.
Promieniowanie ultrafioletowe, wbrew powszechnemu przekonaniu, odgrywa znikomą rolę w powstawaniu rozpadów DNA, ponieważ nie może wnikać w głąb organizmu człowieka. Ale skóra często cierpi z powodu nadmiernej ekspozycji na słońce (czerniak i inne nowotwory). Jednak 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 wystąpienia spontanicznej mutacji pozostają czynniki endogenne. Należą do nich produkty uboczne metabolizmu, błędy w procesie replikacji, naprawy lub rekombinacji i inne.

Błędy replikacji:
- przemiany spontaniczne i inwersje zasad azotowych;
- nieprawidłowe ułożenie nukleotydów z powodu błędów w polimerazach DNA;
- chemiczna zamiana nukleotydów, np. guanina-cytozyna na adeninę-guaninę.

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

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

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

Patogeneza mutacji

Mutacja samoistna zachodzi w wyniku oddziaływania wszystkich wymienionych powyżej czynników, oddziałujących łącznie lub osobno w określonym okresie życia komórki. Istnieje takie zjawisko, jak przesuwające się naruszenie parowania nici DNA córki i matki. W rezultacie pętle są często tworzone z peptydów, które nie były w stanie odpowiednio dopasować się do sekwencji. Po usunięciu nadmiaru fragmentów DNA z nici potomnej, pętle można zarówno wyciąć (delecje), jak i wbudować (duplikacje, insercje). Zmiany pojawiają się i utrwalają 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 spontaniczne mutacje

Dlaczego spontaniczne mutacje najczęściej manifestują się w materiale genetycznym? Przykładami takich warunków są utrata zasad azotowych i usuwanie aminokwasów. Reszty cytozyny są uważane za szczególnie wrażliwe na nie. Udowodniono, że obecnie ponad połowa kręgowców ma mutację reszt cytozyny. Po deaminacji metylocytozyna zmienia się w tyminę. Dalsze kopiowanie tej sekcji powtarza błąd lub usuwa go lub podwaja i mutuje w nowy fragment. Innym powodem częstych spontanicznych mutacji jest duża liczba pseudogenów. Z tego powodu podczas mejozy mogą powstawać nierówne rekombinacje homologiczne. Konsekwencją tego są rearanżacje w genach, skręty i podwojenie poszczególnych sekwencji nukleotydowych.

Polimerazowy model mutagenezy

Zgodnie z tym modelem spontaniczne mutacje powstają w wyniku przypadkowych błędów cząsteczek syntetyzujących DNA. Po raz pierwszy taki model zaprezentował Bresler. Zasugerował, że mutacje pojawiają się w wyniku tego, że polimerazy w niektórych przypadkach wstawiają do sekwencji niekomplementarne nukleotydy. Po latach, po długich testach i eksperymentach, ten punkt widzenia został zatwierdzony i zaakceptowany w świecie naukowym. Wydedukowano nawet pewne wzorce, które pozwalają naukowcom kontrolować i kierować mutacjami poprzez wystawianie pewnych odcinków DNA na działanie światła ultrafioletowego. Stwierdzono więc np., że adenina jest najczęściej osadzona naprzeciw uszkodzonej trójki.

Tautomeryczny model mutagenezy

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

Inne modele

Spontaniczna mutacja jest możliwa, gdy rozpoznawanie kwasów nukleinowych przez polimerazy DNA jest upośledzone. Poltaev i współautorzy wyjaśnili mechanizm zapewniający zgodność z zasadą komplementarności w syntezie potomnych cząsteczek DNA. Model ten umożliwił badanie prawidłowości pojawiania się spontanicznej mutagenezy. Naukowcy wyjaśnili swoje odkrycie faktem, że główną przyczyną zmiany struktury DNA jest synteza niekanonicznych par nukleotydów. Zasugerowali, że podstawienie zasad następuje poprzez deaminację segmentów DNA. Prowadzi to do zmiany cytozyny na tyminę lub uracyl. Z powodu takich mutacji powstają pary niekompatybilnych nukleotydów. Dlatego podczas kolejnej replikacji następuje przejście (punktowa zamiana zasad nukleotydowych).

Klasyfikacja mutacji: spontaniczna

Istnieją różne klasyfikacje mutacji, w zależności od tego, jakie kryterium leży u ich podstaw. Istnieje podział ze względu na charakter zmiany funkcji genu: - hipomorficzny (zmutowane allele syntetyzują mniej białek, ale są podobne do pierwotnych);
- amorficzny (gen całkowicie utracił swoje funkcje);
- antymorficzny (zmutowany gen całkowicie zmienia cechę, którą reprezentuje);
- neomorficzny (pojawiają się nowe znaki). Bardziej powszechna jest jednak klasyfikacja, która dzieli wszystkie mutacje proporcjonalnie do zmiennej struktury. Przydziel: 1. Mutacje genomowe. Należą do nich poliploidalność, czyli tworzenie genomu z potrójnym lub więcej zestawem chromosomów, oraz aneuploidia, czyli liczba chromosomów w genomie nie jest wielokrotnością liczby haploidalnej.
2. Mutacje chromosomalne. Obserwuje się znaczące rearanżacje poszczególnych odcinków chromosomów. Następuje utrata informacji (delecja), podwojenie (duplikacja), zmiana kierunku sekwencji nukleotydów (inwersja), a także przesunięcie fragmentów chromosomu w inne miejsce (translokacja).
3. Mutacja genu. Najczęstsza mutacja W łańcuchu DNA zastępowanych jest kilka przypadkowych zasad azotowych.

Konsekwencje mutacji

Spontaniczne mutacje są przyczyną nowotworów, chorób spichrzeniowych, dysfunkcji narządów i tkanek u ludzi i zwierząt. Jeśli zmutowana komórka znajduje się w dużym organizmie wielokomórkowym, to z dużym prawdopodobieństwem zostanie zniszczona poprzez wywołanie apoptozy (zaprogramowanej śmierci komórki). Organizm kontroluje proces zachowania materiału genetycznego i przy pomocy układu immunologicznego pozbywa się wszystkich możliwych uszkodzonych komórek. W jednym przypadku na setki tysięcy limfocyty T nie mają czasu na rozpoznanie uszkodzonej struktury i powstaje klon komórek, które również zawierają zmutowany gen. Zlepek komórek pełni już inne funkcje, wytwarza substancje toksyczne i negatywnie wpływa na ogólny stan organizmu. Jeśli mutacja wystąpiła nie w komórce somatycznej, ale w komórce zarodkowej, wówczas zmiany będą obserwowane u potomków. Okazuje się, że są to wrodzone patologie narządowe, deformacje, zaburzenia metaboliczne i choroby spichrzeniowe.

Spontaniczne mutacje:

W niektórych przypadkach mutacje, które wcześniej wydawały się bezużyteczne, mogą być przydatne do przystosowania się do nowych warunków życia. Reprezentuje to mutację jako miarę doboru naturalnego. Zwierzęta, ptaki i owady są zakamuflowane zgodnie z obszarem ich zamieszkania, aby chronić się przed drapieżnikami. Ale jeśli zmieni się ich siedlisko, to za pomocą mutacji natura próbuje chronić gatunek przed wyginięciem. W nowych warunkach przeżywają najsilniejsi i przekazują tę umiejętność innym. Mutacja może wystąpić w nieaktywnych regionach genomu, a wtedy nie obserwuje się widocznych zmian w fenotypie. Możliwe jest zidentyfikowanie „pęknięcia” tylko za pomocą określonych badań. Konieczne jest badanie pochodzenia i spokrewnionych gatunków zwierząt oraz ich map genetycznych.

Problem spontaniczności mutacji

W latach czterdziestych ubiegłego wieku istniała teoria, że ​​mutacje są spowodowane wyłącznie wpływem czynników zewnętrznych i pomagają przystosować się do nich. Aby przetestować tę teorię, opracowano specjalną metodę testów i powtórzeń. Procedura polegała na tym, że do probówek wysiano niewielką ilość bakterii tego samego gatunku i po kilku inokulacjach dodano do nich antybiotyki. Niektóre mikroorganizmy przeżyły i zostały przeniesione na nową pożywkę. Porównanie bakterii z różnych probówek wykazało, że oporność pojawiała się samoistnie, zarówno przed, jak i po kontakcie z antybiotykiem. Metoda iteracyjna polegała na przeniesieniu mikroorganizmów na wełnistą ściereczkę, a następnie na kilku czystych podłożach. Hodowano nowe kolonie i leczono antybiotykiem. W rezultacie bakterie znajdujące się w tych samych częściach pożywki przeżyły w różnych probówkach.

Data publikacji: 22.05.17

Proces mutacji charakteryzuje się częstością występowania mutacji oraz kierunkiem mutacji genu.

Częstotliwość mutacji jest jedną z charakterystycznych cech każdego gatunku zwierząt, roślin i mikroorganizmów: niektóre gatunki mają większą zmienność mutacyjną niż inne. Różnice te wynikają z wpływu wielu czynników o znaczeniu ogólnym i szczególnym: budowy genotypowej gatunku, stopnia jego przystosowania do warunków środowiskowych, miejsca występowania, siły działania czynników naturalnych itp. chemicznych procesy związane z metabolizmem mogą być przyczyną spontanicznej zmienności mutacyjnej. Pod tym pojęciem ukrywamy naszą nieznajomość konkretnych przyczyn mutacji.

Obecnie nadal nie ma pełnego zrozumienia częstości mutacji w jednym pokoleniu. Wyjaśnia to fakt, że mutacje są niezwykle zróżnicowane zarówno pod względem manifestacji fenotypowej, jak i uwarunkowań genetycznych, a metody ich wyjaśniania są niedoskonałe; tylko w odniesieniu do zmienności poszczególnych loci można dokonać mniej lub bardziej dokładnej oceny. Z reguły tylko jeden z członków pary allelicznej mutuje w tym samym czasie, co tłumaczy się rzadkością samej mutacji; mutacja obu członków w tym samym czasie jest mało prawdopodobnym zdarzeniem.

Ustalone ogólne wzorce częstości spontanicznych mutacji sprowadzają się do następujących postanowień:

1. różne geny tego samego genotypu mutują w różnym tempie;
2. podobne geny w różnych genotypach mutują w różnym tempie.

Te dwie pozycje ilustrują tabele.

Pierwszy z nich pokazuje częstość mutacji różnych genów na przykładzie kukurydzy, drugi porównuje mutacje genów u różnych gatunków zwierząt, roślin i ludzi, a u kukurydzy mutacje tych samych genów w różnych liniach o różnych genotypy.

Tak więc różne geny mutują z różnymi częstotliwościami, tj. istnieją geny zmienne i stabilne. Każdy gen mutuje stosunkowo rzadko, ale ponieważ liczba genów w genotypie może być ogromna, całkowity wskaźnik mutacji różnych genów jest dość wysoki. W przypadku Drosophila to obliczenie pokazuje jedną mutację na 100 gamet na pokolenie. Jednak takie obliczenia nie są jeszcze bardzo dokładne, ponieważ w rzeczywistości nie można odróżnić pojedynczej zmiany w locus od złożonych małych reorganizacji w chromosomach; ponadto bardzo trudno jest ustalić jednoczesną mutację w różnych chromosomach w tej samej komórce.

Opierając się na rzadkości samego zdarzenia - mutacji genu, należy również wyjaśnić fakt, że mutacje obserwuje się zwykle tylko w jednym z loci. Genetyka nie zna ani jednego wiarygodnego faktu jednoczesnej mutacji dwóch alleli w homologicznych chromosomach. Ale możliwe, że wynika to z samego mechanizmu występowania mutacji.

Przyczyny spontanicznych mutacji genów są nadal dalekie od wyjaśnienia. Jednym z głównych powodów różnych wskaźników mutacji jest sam genotyp. Ten sam gen R r w dwóch liniach kukurydzy mutuje do r r na różne sposoby: w jednej z częstością 6,2, aw drugiej z częstością 18,2 na 10 000 gamet. Ustalono również, że częstość mutacji letalnych w różnych liniach Drosophila jest różna.

Za pomocą selekcji możliwe jest tworzenie linii, które będą miały różną spontaniczną zmienność. Potwierdza to fakt, że istnieją specjalne geny - mutatory, które wpływają na tempo mutacji innych genów. Na przykład u kukurydzy w pobliżu lewego końca krótkiego ramienia chromosomu IX znajduje się locus Dt, które wpływa na zmienność locus A, które znajduje się na długim ramieniu chromosomu III. Jednak nadal nie jest do końca jasne, co reprezentuje locus Dt. Być może jest to jakiś rodzaj przegrupowania chromosomów.

Wpływ genotypu na spontaniczną mutację pojedynczego genu przejawia się również podczas hybrydyzacji. Istnieją przesłanki, że częstość mutacji tego samego locus jest wyższa w organizmach hybrydowych niż w formach pierwotnych.

O przebiegu spontanicznej mutacji decyduje również stan fizjologiczny i zmiany biochemiczne w komórkach.

I tak na przykład M. S. Navashin i G. Stubbe wykazali, że w procesie starzenia się nasion podczas kilkuletniego przechowywania znacznie wzrasta częstość mutacji, zwłaszcza typu przegrupowań chromosomalnych. Podobne zjawisko obserwuje się w odniesieniu do częstości mutacji letalnych u Drosophila podczas przechowywania plemników w naczyniach nasiennych samic. Fakty tego rodzaju wskazują, że spontaniczna mutacja genu zależy od zmian fizjologicznych i biochemicznych w komórce związanych z warunkami zewnętrznymi.

Jedną z możliwych przyczyn spontanicznej mutacji może być nagromadzenie w genotypie mutacji blokujących biosyntezę niektórych substancji, w wyniku czego nastąpi nadmierne nagromadzenie prekursorów tych substancji mogących wpływać na zmiany genów. Hipoteza ta nadaje się do eksperymentalnej weryfikacji.

Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.