Co to są spontaniczne mutacje. Spontaniczny proces mutacji i jego przyczyny

Mutacje są ważnym przedmiotem badań cytogenetyków i biochemików. To mutacje, genowe lub chromosomalne, są najczęściej przyczyną chorób dziedzicznych. W warunkach naturalnych rearanżacje chromosomalne występują bardzo rzadko. Mutacje spowodowane chemikaliami, mutagenami biologicznymi lub czynnikami fizycznymi, takimi jak promieniowanie jonizujące, są często przyczyną wrodzonych wad rozwojowych i nowotworów złośliwych.

Ogólne informacje o mutacjach

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

W zależności od ilości materiału genetycznego dotkniętego zmianami, mutacje dzielą się na genomowe, chromosomalne i genowe. Genomowe są związane ze zmianą liczby chromosomów (monosomia, trisomia, tetrasomia); chromosomalne są związane ze zmianami w strukturze poszczególnych chromosomów (delecje, duplikacje, translokacje); mutacje genów wpływają na pojedynczy gen. Jeśli mutacja dotyczyła tylko jednej pary nukleotydów, jest to mutacja punktowa.

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, rzadko prowadzą do poważnych konsekwencji dla organizmu. Najczęściej takie przegrupowania zachodzą w obrębie tego samego genu, związane z zamianą zasad – puryny na inną purynę (przejście) lub puryny na pirymidynę (transwersja).

Spontaniczne mutacje występują znacznie rzadziej w chromosomach. Zwykle spontaniczne mutacje chromosomalne są reprezentowane przez translokacje (przeniesienie jednego lub więcej genów z jednego chromosomu do drugiego) i inwersje (zmiany w sekwencji genów w chromosomie).

Indukowane przegrupowania

Mutacje indukowane zachodzą w komórkach organizmu pod wpływem chemikaliów, promieniowania lub materiału do replikacji wirusa. Mutacje takie pojawiają się częściej niż spontaniczne i mają poważniejsze konsekwencje. Oddziałują na poszczególne geny i grupy genów, blokując syntezę poszczególnych białek. Wywołane mutacje często wpływają globalnie na genom, to pod wpływem mutagenów w komórce pojawiają się nieprawidłowe chromosomy: izochromosomy, chromosomy pierścieniowe, dicentryki.

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

Przykłady mutagenów chemicznych

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

Kwas azotawy powoduje odszczepienie grupy aminowej od 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 indukują reakcje arylacji kwasów nukleinowych, co prowadzi do zakłócenia procesów transkrypcji i translacji.

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

Fizyczne mutageny obejmują promieniowanie jonizujące, głównie krótkofalowe i ultrafioletowe. Ultrafiolet rozpoczyna proces w błonach, prowokuje powstawanie różnych defektów w DNA.

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

Przykłady przegrupowań indukowanych

Przykładem mutacji indukowanych są różne choroby genetyczne, które częściej manifestują się na obszarach narażonych na fizyczny lub chemiczny czynnik mutagenny. Wiadomo w szczególności, że w indyjskim stanie Kerala, gdzie roczna skuteczna dawka promieniowania jonizującego przekracza 10-krotnie normę, wzrasta częstość urodzeń dzieci z zespołem Downa (trisomia na chromosomie 21). W chińskiej dzielnicy Yangjiang w glebie znaleziono dużą ilość radioaktywnego monacytu. Niestabilne pierwiastki w jego składzie (cer, tor, uran) rozpadają się wraz z uwolnieniem kwantów gamma. Oddziaływanie promieniowania krótkofalowego na mieszkańców dzielnicy doprowadziło do dużej liczby urodzeń dzieci z syndromem płaczącego kota (delecja dużego odcinka chromosomu 8), a także zwiększonej zachorowalności na nowotwory. Inny przykład: w styczniu 1987 roku zarejestrowano na Ukrainie 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 anomalii chromosomowych.

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

Metoda mutacji indukowanych jest powszechnie stosowana przez naukowców w poszukiwaniu najlepszych sposobów walki z chorobami autoimmunologicznymi i nieprawidłowościami genetycznymi związanymi z nadmiernym wydzielaniem białek.

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 I 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 I GS Filippow w ZSRR. Napromieniowali kultury pleśni promieniami rentgenowskimi Mucor genevensis 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 - a, b, g; promienie UV, promienie podczerwone) powodują mutacje. Nazywają się fizyczne mutageny.

Główny mechanizmy 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 Sacharow (1932 ), ME Łobaszew I 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 I 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;

V) 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 odnieść się:

A) wirusy(różyczka, odra itp.);

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

V) ruchome elementy genetyczne.

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.

11 . Mutacje genów

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

Typy mutacji:

1. Wstaw (wstaw) Lub strata (skreślenie) parę lub kilka par nukleotydów, do których prowadzą przesunięcie ramki. W zależności od miejsca insercji lub utraty nukleotydów, zmienia się mniejsza lub większa liczba kodonów.

2. Przemiana- zamiana zasad purynowych na zasady purynowe lub zasad pirymidynowych na zasady pirymidynowe, np.: A "G, C" T.

3. Transwersja - podstawienie zasady purynowej na zasadę pirymidynową lub zasady pirymidynowej na zasadę purynową. Na przykład: A „C, G” T.

Zmiany w genach strukturalnych prowadzą do:

a) do mutacje zmiany sensu- zmiana znaczenia kodonów i powstawanie innych białek;

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

Skutki 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 ściśle „przyczepia się” do operatora i nie jest usuwane przez induktor („ klucz nie wychodzi z dziurki od klucza”) – geny strukturalne nie działają w sposób ciągły, a białka zakodowane w tym operonie nie są syntetyzowane.

3. Naruszenie naprzemienności represji i indukcji- w przypadku braku induktora syntetyzowane jest określone białko, aw jego obecności białko nie jest syntetyzowane. Wynika to z mutacji w genie regulatorowym lub sekwencji operatora.

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

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 rad promieniowania jonizującego, które stanowi naturalne tło promieniowania. Liczba ta obejmuje promieniowanie gamma z jądra Ziemi, wiatr słoneczny oraz radioaktywność pierwiastków znajdujących się 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 niewielką rolę w powstawaniu rozpadów DNA, ponieważ nie może wniknąć wystarczająco głęboko w organizm 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, z powodu których może wystąpić spontaniczna mutacja, pozostają czynniki endogenne. Należą do nich produkty uboczne metabolizmu, błędy w procesie replikacji, naprawy lub rekombinacji i inne.

1. Błędy replikacji:
   - przemiany spontaniczne i inwersje zasad azotowych;
   - nieprawidłowa insercja nukleotydów z powodu błędów w polimerazach DNA;
   - chemiczna zamiana nukleotydów, np. guanina-cytozyna na adeninę-guaninę.
2. Błędy odzyskiwania:
   - mutacje w genach odpowiedzialnych za naprawę poszczególnych odcinków łańcucha DNA po ich przerwaniu pod wpływem czynników zewnętrznych.
3. 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 również 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

Spontaniczna mutacja zachodzi w wyniku oddziaływania wszystkich powyższych czynników działających razem 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). Powstałe 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 spontaniczne mutacje

Jaka jest najczęstsza manifestacja spontanicznych mutacji 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. Kolejne kopiowanie tej sekcji powtarza błąd lub go kasuje, albo 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. Powoduje to rearanżacje w genach, skręty i podwojenia poszczególnych sekwencji nukleotydowych.

Polimerazowy model mutagenezy

Zgodnie z tym modelem spontaniczne mutacje powstają w wyniku przypadkowych błędów w cząsteczkach syntetyzujących DNA. Po raz pierwszy taki model zaprezentował Bresler. Zasugerował, że mutacje pojawiają się z powodu faktu, 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 światłem ultrafioletowym odkryto nowe formy nukleotydów. Dało to naukowcom nowe możliwości badań. Współczesna nauka wciąż dyskutuje o roli form tautomerycznych w spontanicznej mutagenezie i jej wpływie na liczbę wykrywanych 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 z powodu deaminacji regionów 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 kryterium, które leży u ich podstaw. Istnieje podział ze względu na charakter zmiany funkcji genu:

Hipomorficzne (zmutowane allele syntetyzują mniej białek, ale są podobne do oryginalnych);
- 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 zmienianej struktury. Przeznaczyć:

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), jej podwojenie (duplikacja), zmiana kierunku sekwencji nukleotydów (inwersja), a także przeniesienie 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, 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. Objawiają się one wrodzonymi patologiami narządów, deformacjami, zaburzeniami przemiany materii i chorobami akumulacyjnymi.

Spontaniczne mutacje: znaczenie

W niektórych przypadkach pozornie bezużyteczne wcześniej mutacje 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 wykrycie „pęknięcia” tylko za pomocą określonych badań. Jest to konieczne do badania pochodzenia spokrewnionych gatunków zwierząt i tworzenia ich map genetycznych.

Problem spontaniczności mutacji

W latach czterdziestych ubiegłego wieku istniała teoria, że ​​mutacje są spowodowane wyłącznie ekspozycją i pomagają się do nich przystosować. 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 pojawia się samoistnie, zarówno przed, jak i po kontakcie z antybiotykiem.

Metoda powtarzania polegała na tym, że mikroorganizmy przenoszono na bibułkę włóknistą, a następnie przenoszono jednocześnie na kilka czystych podłoży. Hodowano nowe kolonie i leczono antybiotykiem. W efekcie bakterie znajdujące się w tych samych częściach pożywki przeżyły w różnych probówkach.

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

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 zarówno spontanicznych, jak i indukowanych mutacji. 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 r. 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.