Ce sunt mutațiile spontane? Procesul de mutație spontană și cauzele acestuia

Mutațiile sunt un obiect important de studiu pentru citogeneticieni și biochimiști. Mutațiile, gene sau cromozomiale, cauzează cel mai adesea boli ereditare. În condiții naturale, rearanjamentele cromozomiale apar foarte rar. Mutațiile cauzate de reactivi chimici, mutageni biologici sau factori fizici precum radiațiile ionizante sunt adesea cauza patologiilor congenitale de dezvoltare și a neoplasmelor maligne.

Informații generale despre mutații

Hugo de Vries a definit o mutație ca o schimbare bruscă a unei trăsături ereditare. Acest fenomen se găsește în genomul tuturor organismelor vii, de la bacterii la oameni. În condiții normale, mutațiile acizilor nucleici apar foarte rar, cu o frecvență de aproximativ 1·10 -4 - 1·10 -10.

În funcție de cantitatea de material genetic afectat de modificări, mutațiile sunt împărțite în mutații genomice, cromozomiale și genice. Genomicele sunt asociate cu modificări ale numărului de cromozomi (monozomie, trisomie, tetrasomie); cromozomiale sunt asociate cu modificări ale structurii cromozomilor individuali (deleții, dublări, translocații); mutațiile genelor afectează o singură genă. Dacă mutația a afectat doar o pereche de nucleotide, atunci este o mutație punctuală.

În funcție de motivele care le-au cauzat, se disting mutațiile spontane și induse.

Mutații spontane

Ele apar în organism sub influența factorilor interni. Mutațiile spontane sunt considerate normale; rareori duc la consecințe grave pentru organism. Cel mai adesea, astfel de rearanjamente apar în cadrul unei gene și sunt asociate cu înlocuirea bazelor - o purină cu o altă purină (tranziții) sau o purină cu o pirimidină (transversii).

Mutațiile spontane apar în cromozomi mult mai rar. De obicei, mutațiile cromozomiale spontane sunt reprezentate de translocații (tranziția uneia sau mai multor gene de la un cromozom la altul) și inversiuni (modificări ale secvenței genelor de pe un cromozom).

Rearanjamente induse

Mutațiile induse apar în celulele corpului sub influența substanțelor chimice, radiațiilor sau a materialului de replicare virală. Astfel de mutații apar mai des decât cele spontane și au consecințe mai grave. Ele afectează genele individuale și grupurile de gene, blocând sinteza proteinelor individuale. Mutațiile induse au adesea un efect global asupra genomului; sub influența mutagenilor apar cromozomi anormali în celulă: izocromozomi, cromozomi inel, dicentrici.

Mutagenii, pe lângă rearanjamentele cromozomiale, provoacă leziuni ale ADN-ului: rupturi duble catene, formarea de legături încrucișate ADN.

Exemple de mutageni chimici

Mutagenii chimici includ nitrați, nitriți, analogi ai bazelor azotate, acid azotat, pesticide, hidroxilamină și unii aditivi alimentari.

Acidul azot face ca gruparea amino să fie îndepărtată din bazele azotate și înlocuită cu o altă grupă. Acest lucru duce la mutații punctiforme. Mutațiile induse chimic sunt, de asemenea, cauzate de hidroxilamină.

Nitrații și nitriții în doze mari cresc riscul de cancer. Unii aditivi alimentari provoacă reacții de arilare a acizilor nucleici, ceea ce duce la întreruperea proceselor de transcripție și translație.

Mutagenii chimici sunt foarte diversi. Adesea, aceste substanțe provoacă mutații induse în cromozomi.

Mutagenii fizici includ radiațiile ionizante, în primul rând radiațiile cu unde scurte și radiațiile ultraviolete. Lumina ultravioletă declanșează un proces în membrane și provoacă formarea diferitelor defecte în ADN.

Radiațiile X și radiațiile gamma provoacă mutații la nivel de cromozom. Astfel de celule nu sunt capabile să se divizeze; ele mor în timpul apoptozei. Mutațiile induse pot afecta și genele individuale. De exemplu, blocarea genelor supresoare tumorale duce la apariția tumorilor.

Exemple de rearanjamente induse

Exemple de mutații induse includ diferite boli genetice, care apar adesea în zonele expuse factorilor mutageni fizici sau chimici. Se știe, în special, că în statul indian Kerala, unde doza anuală efectivă de radiații ionizante depășește norma de 10 ori, frecvența nașterilor copiilor cu sindrom Down (trisomia 21) este crescută. În districtul chinez Yangjiang, o cantitate mare de monazit radioactiv a fost detectată în sol. Elementele instabile din compoziția sa (ceriu, toriu, uraniu) se degradează odată cu eliberarea de raze gamma. Expunerea la radiații cu unde scurte în rândul locuitorilor din raion a dus la un număr mare de nașteri de copii cu sindromul „cry-the-cat” (ștergerea unei secțiuni mari a cromozomului 8), precum și la o incidență crescută a cancerului. Un alt exemplu: în ianuarie 1987, în Ucraina au fost înregistrate un număr record de nașteri de copii cu sindrom Down, asociat cu accidentul de la Cernobîl. În primul trimestru de sarcină, fătul este cel mai sensibil la efectele mutagenilor fizici și chimici, prin urmare o doză colosală de radiații a dus la o creștere a frecvenței anomaliilor cromozomiale.

Unul dintre cei mai notori mutageni chimici din istorie este sedativul Talidomida, produs în Germania în anii 50 ai secolului trecut. Luarea acestui medicament a dus la nașterea multor copii cu o varietate de anomalii genetice.

Metoda mutațiilor induse este folosită de obicei de oamenii de știință pentru a găsi modalități optime de combatere a bolilor autoimune și a tulburărilor genetice asociate cu hipersecreția de proteine.

Spontan- Sunt mutații care apar spontan, fără intervenția experimentatorului.

Induse– acestea sunt acele mutații care sunt cauzate artificial, folosind diverși factori mutageneza.

În general, procesul de formare a mutațiilor se numește mutageneza, iar factorii care cauzează mutaţii sunt mutageni.

Factori mutageni sunt împărțite în fizic, chimicȘi biologic.

Rata mutațiilor spontane o genă este , pentru fiecare genă a fiecărui organism este diferită.

Cauzele mutațiilor spontane nu complet clar. Anterior se credea că sunt cauzate de fundal natural al radiațiilor ionizante. Cu toate acestea, s-a dovedit că nu a fost cazul. De exemplu, în Drosophila, radiația naturală de fond provoacă nu mai mult de 0,1% din mutațiile spontane.

CU vârstă consecințele expunerii la radiațiile naturale de fond pot acumula, iar la om, 10 până la 25% din mutațiile spontane se datorează acestui fapt.

Al doilea motiv mutaţiile spontane sunt deteriorarea accidentală a cromozomilor și genelorîn timpul diviziunii celulare şi replicării ADN-ului datorită erori aleatoriiîn funcționarea mecanismelor moleculare.

Al treilea motiv mutaţiile spontane sunt in miscare prin genom elemente mobile, care poate invada orice genă și poate provoca o mutație în ea.

Geneticistul american M. Green a arătat că aproximativ 80% dintre mutațiile care au fost descoperite ca fiind spontane au apărut ca urmare a mișcării elementelor mobile.

Mutații induse descoperit pentru prima dată în 1925. G.A. NadsonȘi G.S. Filippovîn URSS. Au iradiat culturile de mucegai cu raze X. Mucor genevensisși a primit o scindare a culturii „în două forme sau rase, care diferă nu numai una de cealaltă, ci și de forma originală (normală). Mutanții s-au dovedit a fi stabili, deoarece după opt subculturi succesive și-au păstrat proprietățile dobândite. Articolul lor a fost publicat doar în limba rusă, iar lucrarea nu a folosit nicio metodă pentru evaluarea cantitativă a efectului razelor X, așa că a rămas puțin observată.

ÎN 1927 G. G. Möller a raportat efectul razelor X asupra procesului de mutație la Drosophila și a propus metoda cantitativăținând cont de mutațiile letale recesive ale cromozomului X ( ClB), care a devenit un clasic.

În 1946, Möller a primit Premiul Nobel pentru descoperirea mutagenezei radiațiilor. S-a stabilit acum că practic toate tipurile de radiații(inclusiv radiațiile ionizante de toate tipurile - a, b, g; raze UV, raze infraroșii) provoacă mutații. Ei sunt numiti, cunoscuti mutageni fizici.

De bază mecanisme acțiunile lor:

1) perturbarea structurii genelor și cromozomilor din cauza acțiune directă asupra moleculelor de ADN și proteine;

2) educație radicali liberi, care intră în interacțiune chimică cu ADN-ul;

3) ruperea firului fusuri;

4) educație dimeri(timină).

În anii 30 a fost deschis mutageneza chimicăîn Drosophila: V. V. Saharov (1932 ), M. E. LobaşevȘi F. A. Smirnov (1934 ) a arătat că unii compuși, cum ar fi iod, acid acetic, amoniac, sunt capabili să inducă mutații letale recesive pe cromozomul X.

ÎN 1939 G. Serghei Mihailovici Gershenzon(student al S.S. Chetverikov) a descoperit un puternic efect mutagen al ADN-ului exogenîn Drosophila. Sub influența ideilor lui N.K. Koltsov că cromozomul este o moleculă gigantică, S.M. Gershenzon a decis să-și testeze presupunerea că ADN-ul este o astfel de moleculă. A izolat ADN-ul din timus și l-a adăugat în hrana larvelor de Drosophila. Printre 15 mii de muște de control (adică fără ADN în hrană) nu a existat o singură mutație, iar în experiment, 13 mutanți au fost găsiți printre 13 mii de muște.

ÎN 1941 Charlotte AuerbachȘi J. Robson a aratat ca muştar cu azot induce mutații la Drosophila. Rezultatele muncii cu acest agent de război chimic au fost publicate abia în 1946, după sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial. În același 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovici) în URSS a prezentat activitate mutagenă formaldehidă.

În prezent la mutageni chimici include:

A) natural substanțe organice și anorganice;

b) produse industriale prelucrarea compușilor naturali- ulei de cărbune;

V) substanțe sintetice, negăsit anterior în natură (pesticide, insecticide etc.);

d) unele metaboliți corpuri umane si animale.

Mutageni chimici cauza în principal genetic mutații și acționează în timpul replicării ADN-ului.

Mecanismele acțiunii lor:

1) modificarea structurii bazei (hidroxilare, dezaminare, alchilare);

2) înlocuirea bazelor azotate cu analogii lor;

3) inhibarea sintezei precursorilor de acid nucleic.

În ultimii ani, așa-zis supermutagene:

1)analogi de bază;

2) conexiuni, alchilarea ADN-ului(metansulfonat de etil, metansulfonat de metil etc.);

3) conexiuni, intercalândîntre bazele ADN (acridine și derivații acestora).

Supermutagenii cresc frecvența mutațiilor cu 2-3 ordine de mărime.

LA mutageni biologici raporta:

A) virusuri(rubeola, rujeola etc.);

b) agenți infecțioși nevirali(bacterii, rickettsie, protozoare, helminți);

V) elemente genetice mobile.

Mecanismele acțiunii lor:

1) genomul virusurilor și elementelor mobile sunt integrate în ADN-ul celulelor gazdă;

Mutageneză indusă, începând de la sfârșitul anilor 20 ai secolului XX, au fost folosite pentru selecția de noi tulpini, rase și soiuri. Cel mai mare succes a fost obținut în selectarea tulpinilor de bacterii și ciuperci care produc antibiotice și alte substanțe biologic active.

Așadar, am reușit să creștem activitatea producători de antibiotice de 10-20 de ori, ceea ce a făcut posibilă creșterea semnificativă a producției de antibiotice adecvate și reducerea drastică a costului acestora. Activitatea ciupercii radiante - producător de vitamina B 12 a reușit să crească de 6 ori, iar activitatea bacteriilor - producător aminoacizii lizină- de 300-400 de ori.

Utilizarea mutațiilor nanism la grâu a permis în anii 60-70 să crească brusc randamentul culturilor de cereale, care a fost numit „ Revolutia verde" Soiurile de grâu pitic au o tulpină groasă scurtată, care este rezistentă la adăpost; poate rezista la o încărcare crescută de la un spic mai mare. Utilizarea acestor soiuri a făcut posibilă creșterea semnificativă a randamentelor (de câteva ori în unele țări).

Un crescător și genetician american este considerat autorul „revoluției verzi” N. Borlauga, care în 1944, la vârsta de 30 de ani, s-a stabilit și a început să lucreze în Mexic. Pentru succesul său în ameliorarea soiurilor de plante extrem de productive, el a fost distins cu Premiul Nobel pentru Pace în 1970.

11 . Mutații genetice

Mutații genice (punctuale). asociate cu modificări relativ minore ale secvenţelor de nucleotide. Mutații genetice sunt subdivizate pentru schimbari gene structurale si schimbari gene reglatoare.

Tipuri de mutații:

1. Inserare sau pierdere (ștergere) perechi sau mai multe perechi de nucleotide, acestea conduc la deplasarea cadrului de citire. În funcție de locația inserției sau ștergerii nucleotidelor, se schimbă mai puțini sau mai mulți codoni.

2. Tranziție– înlocuirea bazelor din purină în purină sau pirimidină în pirimidină, de exemplu: A „G, C” T.

3. Transversie –înlocuirea unei baze purinice cu o bază pirimidină sau a unei baze pirimidinice cu o bază purinică. De exemplu: A « C, G « T.

Modificările genelor structurale duc la:

a) la mutații missens– modificări ale semnificației codonilor și formarea altor proteine;

b) la mutații fără sens– formarea de codoni STOP (UAA, UAG, UGA).

Rezultatele modificărilor genelor reglatoare:

1. Proteina represoare nu se potrivește cu operatorul („ cheia nu intră în gaura cheii") - genele structurale lucrează constant (proteinele sunt sintetizate tot timpul).

2. Proteina represoare este strâns „atașată” de operator și nu este îndepărtată de inductor („ cheia nu iese din gaura cheii") - genele structurale nu funcționează în mod constant și proteinele codificate în acest operon nu sunt sintetizate.

3. Încălcarea alternanței represiunii și inducției– în absența unui inductor, se sintetizează o proteină specifică, dar în prezența acesteia, proteina nu este sintetizată. Acest lucru se datorează mutațiilor în gena reglatoare sau secvența operatorului.

Mutațiile genice sunt cauza principală boli ale genelor, a cărei frecvență de manifestare la populațiile umane ajunge la 1-2%.

Ce mutații se numesc spontane? Dacă traducem termenul într-un limbaj accesibil, atunci acestea sunt erori naturale care apar în timpul interacțiunii materialului genetic cu mediul intern și/sau extern. Astfel de mutații sunt de obicei aleatorii. Ele sunt observate în celulele reproductive și în alte celule ale corpului.

Cauzele exogene ale mutațiilor

Mutația spontană poate apărea sub influența substanțelor chimice, a radiațiilor, a temperaturilor ridicate sau scăzute, a aerului rarefiat sau a presiunii ridicate.

În fiecare an, în medie, o persoană absoarbe aproximativ o zecime din radiațiile ionizante care formează radiația naturală de fond. Acest număr include radiațiile gamma din nucleul Pământului, vântul solar și radioactivitatea elementelor situate adânc în scoarța terestră și dizolvate în atmosferă. Doza primită depinde și de locul exact în care se află persoana. Un sfert din toate mutațiile spontane apar tocmai datorită acestui factor.

Radiația ultravioletă, contrar credinței populare, joacă un rol minor în cauzarea deteriorării ADN-ului, deoarece nu poate pătrunde suficient de adânc în corpul uman. Dar pielea suferă adesea de expunerea excesivă la soare (melanomul și alte tipuri de cancer). Cu toate acestea, organismele unicelulare și virușii mută atunci când sunt expuse la lumina soarelui.

Temperaturile prea ridicate sau scăzute pot provoca, de asemenea, modificări ale materialului genetic.

Cauze endogene ale mutațiilor

Principalele motive pentru care poate apărea o mutație spontană rămân factorii endogeni. Acestea includ produse secundare metabolice, erori în procesul de replicare, reparare sau recombinare și altele.

1. Eșecuri de replicare:
   - tranzitii si inversiuni spontane ale bazelor azotate;
   - inserarea incorectă a nucleotidelor din cauza erorilor la ADN polimeraze;
   - înlocuirea chimică a nucleotidelor, de exemplu, guanină-citozină cu adenină-guanină.
2. Erori de recuperare:
   - mutații ale genelor responsabile de repararea secțiunilor individuale ale lanțului ADN după ce acestea sunt rupte sub influența factorilor externi.
3. Probleme de recombinare:
   - eșecurile în procesele de încrucișare în timpul meiozei sau mitozei duc la pierderea și completarea bazelor.

Aceștia sunt principalii factori care provoacă mutații spontane. Cauzele eșecurilor pot fi activarea genelor mutatoare, precum și conversia compușilor chimici siguri în metaboliți mai activi care afectează nucleul celulei. În plus, există și factori structurali. Acestea includ repetări ale secvenței de nucleotide în apropierea locului de rearanjare a lanțului, prezența unor secțiuni suplimentare de ADN similare ca structură cu gena, precum și elemente mobile ale genomului.

Patogenia mutației

Mutația spontană apare ca urmare a influenței tuturor factorilor de mai sus, acționând împreună sau separat într-o anumită perioadă a vieții celulei. Există un astfel de fenomen cum ar fi întreruperea de alunecare a împerecherii catenelor ADN fiice și mame. Acest lucru duce adesea la formarea de bucle de peptide care nu au fost capabile să se integreze în mod adecvat în secvență. După îndepărtarea secțiunilor de ADN în exces din catena fiică, buclele pot fi fie rezecate (deleții), fie inserate (duplicări, inserții). Modificările care apar se consolidează în ciclurile ulterioare de diviziune celulară.

Rata și numărul de mutații care apar depind de structura primară a ADN-ului. Unii oameni de știință cred că absolut toate secvențele de ADN sunt mutagene dacă formează îndoituri.

Cele mai frecvente mutații spontane

Cum se manifestă cel mai adesea mutațiile spontane în materialul genetic? Exemple de astfel de condiții sunt pierderea bazelor azotate și îndepărtarea aminoacizilor. Reziduurile de citozină sunt considerate deosebit de sensibile la acestea.

S-a dovedit că astăzi mai mult de jumătate dintre vertebrate au mutații la resturile de citozină. După dezaminare, metilcitozina se transformă în timină. Copierea ulterioară a acestei secțiuni repetă eroarea sau o șterge sau o dublează și o transformă într-un fragment nou.

Un alt motiv pentru mutațiile spontane frecvente este numărul mare de pseudogene. Din această cauză, în timpul procesului de meioză se pot forma recombinări omoloage inegale. Consecința acestui lucru este rearanjarea genelor, rotațiile și dublările secvențelor individuale de nucleotide.

Modelul polimerazei de mutageneză

Conform acestui model, mutațiile spontane apar ca urmare a erorilor aleatorii ale moleculelor care sintetizează ADN-ul. Pentru prima dată, un astfel de model a fost prezentat de Bresler. El a sugerat că mutațiile apar datorită faptului că polimerazele în unele cazuri inserează nucleotide non-complementare în secvență.

Ani mai târziu, după lungi teste și experimente, acest punct de vedere a fost aprobat și acceptat în lumea științifică. Au fost chiar deduse anumite modele care permit oamenilor de știință să controleze și să dirijeze mutațiile prin expunerea anumitor secțiuni de ADN la lumina ultravioletă. De exemplu, ei au descoperit că adenina este cel mai adesea introdusă vizavi de tripletul deteriorat.

Model tautomeric al mutagenezei

O altă teorie care explică mutațiile spontane și artificiale a fost propusă de Watson și Crick (descoperitorii structurii ADN-ului). Ei au sugerat că baza mutagenezei este capacitatea unor baze ADN de a se transforma în forme tautomerice, schimbând modul în care bazele se unesc.

După publicare, ipoteza a fost dezvoltată în mod activ. Au fost descoperite noi forme de nucleotide după iradierea cu lumină ultravioletă. Acest lucru le-a oferit oamenilor de știință noi oportunități de cercetare. Știința modernă încă dezbate rolul formelor tautomerice în mutageneza spontană și impactul acestuia asupra numărului de mutații detectate.

Alte modele

Mutația spontană este posibilă atunci când recunoașterea acizilor nucleici de către polimerazele ADN este afectată. Poltaev și coautorii au elucidat mecanismul care asigură respectarea principiului complementarității în timpul sintezei moleculelor de ADN fiice. Acest model a făcut posibilă studierea tiparelor de apariție a mutagenezei spontane. Oamenii de știință și-au explicat descoperirea spunând că principalul motiv al modificărilor în structura ADN-ului este sinteza perechilor de nucleotide non-canonice.

Ei au sugerat că măturarea bazelor are loc din cauza dezaminării secțiunilor ADN. Aceasta duce la o schimbare de la citozină la timină sau uracil. Datorită unor astfel de mutații, se formează perechi de nucleotide incompatibile. Prin urmare, în timpul replicării următoare, are loc o tranziție (înlocuirea punctuală a bazelor nucleotidice).

Clasificarea mutațiilor: spontane

Există diferite clasificări ale mutațiilor în funcție de criteriul specific care le stă la baza. Există o împărțire în funcție de natura modificărilor funcției genelor:

Hipomorfe (alelele mutante sintetizează mai puține proteine, dar sunt asemănătoare cu cele originale);
- amorf (gena și-a pierdut complet funcțiile);
- antimorfă (gena mutată schimbă complet trăsătura pe care o reprezintă);
- neomorf (apar semne noi).

Dar o clasificare mai comună este cea care împarte toate mutațiile în funcție de structura care se modifică. A evidentia:

1. Mutații genomice. Acestea includ poliploidia, adică formarea unui genom cu un set triplu sau mai mare de cromozomi și aneuploidia - numărul de cromozomi din genom nu este un multiplu al celui haploid.
2. Mutații cromozomiale. Se observă rearanjamente semnificative ale secțiunilor individuale de cromozomi. Se face o distincție între pierderea de informații (ștergere), dublarea acesteia (duplicarea), o schimbare a direcției secvențelor de nucleotide (inversie) și transferul secțiunilor de cromozom într-o altă locație (translocare).
3. Mutație genetică. Cea mai frecventă mutație. Mai multe baze azotate aleatorii sunt înlocuite în lanțul ADN.

Consecințele mutațiilor

Mutațiile spontane sunt cauzele tumorilor, disfuncțiilor organelor și țesuturilor oamenilor și animalelor. Dacă o celulă mutantă este localizată într-un organism multicelular mare, atunci cu un grad ridicat de probabilitate va fi distrusă prin declanșarea apoptozei (moartea celulară programată). Organismul controlează procesul de menținere a materialului genetic și, cu ajutorul sistemului imunitar, scapă de eventualele celule deteriorate.

Într-un caz din sute de mii, limfocitele T nu au timp să recunoască structura afectată și dă naștere unei clone de celule care conțin și gena mutantă. Conglomeratul de celule are alte funcții, produce substanțe toxice și afectează negativ starea generală a organismului.

Dacă mutația a avut loc nu în celula somatică, ci în celula reproductivă, atunci se vor observa schimbări la descendenți. Ele se manifestă ca patologii congenitale ale organelor, deformări, tulburări metabolice și boli de depozitare.

Mutații spontane: sens

În unele cazuri, mutațiile care anterior păreau inutile pot fi utile pentru adaptarea la noile condiții de viață. Aceasta introduce mutația ca măsură a selecției naturale. Animalele, păsările și insectele poartă culori de camuflaj care se potrivesc cu locația lor pentru a se proteja de prădători. Dar dacă habitatul lor se schimbă, atunci, cu ajutorul mutațiilor, natura încearcă să protejeze specia de dispariție. În condiții noi, cei mai apți supraviețuiesc și transmit această abilitate altora.

Mutația poate apărea în regiunile inactive ale genomului și apoi nu se observă modificări vizibile ale fenotipului. O „defecțiune” poate fi detectată doar prin cercetări specifice. Acest lucru este necesar pentru a studia originea speciilor de animale înrudite și pentru a compila hărțile genetice ale acestora.

Problema spontaneității mutațiilor

În anii patruzeci ai secolului trecut, a existat o teorie conform căreia mutațiile sunt cauzate exclusiv de expunere și ajută la adaptarea la ele. Pentru a testa această teorie, a fost dezvoltată o metodă specială de testare și repetare.

Procedura a constat în însămânțarea unui număr mic de bacterii de un singur tip pe eprubete și, după mai multe inoculări, adăugarea lor de antibiotice. Unele microorganisme au supraviețuit și au fost transferate într-un mediu nou. O comparație a bacteriilor din diferite eprubete a arătat că rezistența a apărut spontan, atât înainte, cât și după contactul cu antibioticul.

Metoda de repetiție a implicat transferul microorganismelor pe țesătură lânoasă și apoi transferul lor simultan pe mai multe medii curate. Noile colonii au fost cultivate și tratate cu antibiotic. Ca urmare, bacteriile situate în zone identice ale mediului au supraviețuit în diferite eprubete.

Ce mutații se numesc spontane? Dacă traducem termenul într-un limbaj accesibil, atunci acestea sunt erori naturale care apar în timpul interacțiunii materialului genetic cu mediul intern și/sau extern. Astfel de mutații sunt de obicei aleatorii. Ele sunt observate în celulele reproductive și în alte celule ale corpului.

Cauzele exogene ale mutațiilor

Mutația spontană poate apărea sub influența substanțelor chimice, a radiațiilor, a temperaturilor ridicate sau scăzute, a aerului rarefiat sau a presiunii ridicate. În fiecare an, în medie, o persoană absoarbe aproximativ o zecime dintr-un rad de radiații ionizante, care constituie radiația naturală de fond. Acest număr include radiațiile gamma din nucleul Pământului, vântul solar și radioactivitatea elementelor situate adânc în scoarța terestră și dizolvate în atmosferă. Doza primită depinde și de locul exact în care se află persoana. Un sfert din toate mutațiile spontane apar tocmai datorită acestui factor.
Radiațiile ultraviolete, contrar credinței populare, joacă un rol minor în cauzarea deteriorării ADN-ului, deoarece nu poate pătrunde adânc în corpul uman. Dar pielea suferă adesea de expunerea excesivă la soare (melanomul și alte tipuri de cancer). Cu toate acestea, organismele unicelulare și virușii mută atunci când sunt expuse la lumina soarelui. Temperaturile prea ridicate sau scăzute pot provoca, de asemenea, modificări ale materialului genetic.

Cauze endogene ale mutațiilor

Principalele motive pentru care poate apărea o mutație spontană rămân factori endogeni. Acestea includ produse secundare metabolice, erori în procesul de replicare, reparare sau recombinare și altele.

Eșecuri de replicare:
- tranzitii si inversiuni spontane ale bazelor azotate;
- dispunerea incorectă a nucleotidelor din cauza erorilor la ADN polimeraze;
- înlocuirea chimică a nucleotidelor, de exemplu, guanină-citozină cu adenină-guanină.

Erori de recuperare:
- mutații ale genelor responsabile de repararea secțiunilor individuale ale lanțului ADN după ce acestea sunt rupte sub influența factorilor externi.

Probleme de recombinare:
- eșecurile în procesele de încrucișare în timpul meiozei sau mitozei duc la pierderea și completarea bazelor.

Aceștia sunt principalii factori care provoacă mutații spontane. Cauzele eșecurilor pot include activarea genelor mutatoare, precum și conversia compușilor chimici siguri în metaboliți mai activi care afectează nucleul celulei. În plus, există factori structurali. Acestea includ repetări ale secvenței de nucleotide în apropierea locului de rearanjare a lanțului, prezența unor secțiuni suplimentare de ADN similare ca structură cu gena, precum și elemente mobile ale genomului.

Patogenia mutației

Mutația spontană apare ca urmare a influenței tuturor factorilor enumerați mai sus, acționând împreună sau separat într-o anumită perioadă a vieții celulei. Există un astfel de fenomen cum ar fi întreruperea de alunecare a împerecherii catenelor ADN fiice și mame. Acest lucru duce adesea la formarea de bucle de peptide care nu au fost capabile să se integreze în mod adecvat în secvență. După îndepărtarea secțiunilor de ADN în exces din catena fiică, buclele pot fi fie rezecate (deleții), fie inserate (duplicări, inserții). Modificările care apar se consolidează în ciclurile ulterioare de diviziune celulară.
Rata și numărul de mutații care apar depind de structura primară a ADN-ului. Unii oameni de știință cred că absolut toate secvențele de ADN sunt mutagene dacă formează îndoituri.

Cele mai frecvente mutații spontane

De ce mutațiile spontane apar cel mai adesea în materialul genetic? Exemple de astfel de condiții sunt pierderea bazelor azotate și îndepărtarea aminoacizilor. Reziduurile de citozină sunt considerate deosebit de sensibile la acestea. S-a dovedit că astăzi mai mult de jumătate dintre vertebrate au mutații la resturile de citozină. După dezaminare, metilcitozina se transformă în timină. Copierea ulterioară a acestei secțiuni repetă eroarea sau o șterge sau o dublează și o transformă într-un fragment nou. Un alt motiv pentru mutațiile spontane frecvente este considerat a fi un număr mare de pseudogene. Din această cauză, în timpul procesului de meioză se pot forma recombinări omoloage neuniforme. Consecința acestui lucru este rearanjarea genelor, rotațiile și duplicarea secvențelor individuale de nucleotide.

Modelul polimerazei de mutageneză

Conform acestui model, mutațiile spontane apar ca urmare a erorilor aleatorii ale moleculelor care sintetizează ADN. Pentru prima dată, un astfel de model a fost prezentat de Bresler. El a sugerat că mutațiile apar ca urmare a faptului că polimerazele, în unele cazuri, inserează nucleotide non-complementare în secvență. Ani mai târziu, după lungi teste și experimente, acest punct de vedere a fost aprobat și acceptat în lumea științifică. Au fost chiar deduse anumite modele care permit oamenilor de știință să controleze și să dirijeze mutațiile prin expunerea anumitor secțiuni de ADN la lumina ultravioletă. De exemplu, ei au descoperit că adenina este cel mai adesea introdusă vizavi de tripletul deteriorat.

Model tautomeric al mutagenezei

O altă teorie care explică mutațiile spontane și artificiale a fost propusă de Watson și Crick (descoperitorii structurii ADN-ului). Ei au propus că mutageneza se bazează pe capacitatea unor baze ADN de a se transforma în forme tautomerice, care schimbă modul în care bazele se unesc.
După publicare, ipoteza a fost dezvoltată în mod activ. Au fost descoperite noi forme de nucleotide după iradierea ultravioletă. Acest lucru le-a oferit oamenilor de știință noi oportunități de cercetare. Știința modernă încă dezbate rolul formelor tautomerice în mutageneza spontană și impactul acestuia asupra numărului de mutații identificate.

Alte modele

Mutația spontană este posibilă atunci când recunoașterea acizilor nucleici de către polimerazele ADN este afectată. Poltaev și coautorii au elucidat mecanismul care asigură respectarea principiului complementarității în timpul sintezei moleculelor de ADN fiice. Acest model a făcut posibilă studierea tiparelor mutagenezei spontane. Oamenii de știință și-au explicat descoperirea spunând că principalul motiv al modificărilor în structura ADN-ului este sinteza perechilor de nucleotide non-canonice. Ei au sugerat că măturarea bazelor are loc prin dezaminarea secțiunilor ADN. Aceasta duce la o schimbare de la citozină la timină sau uracil. Datorită unor astfel de mutații, se formează perechi de nucleotide incompatibile. Prin urmare, în timpul replicării următoare, are loc o tranziție (înlocuirea punctuală a bazelor nucleotidice).

Clasificarea mutațiilor: spontane

Există diferite clasificări ale mutațiilor în funcție de criteriul specific care le stă la baza. Există o diviziune bazată pe natura modificării funcției genelor: - hipomorfe (alelele mutante sintetizează mai puține proteine, dar sunt asemănătoare cu originalul);
- amorf (gena și-a pierdut complet funcțiile);
- antimorfă (gena mutantă schimbă complet trăsătura pe care o reprezintă);
- neomorf (apar semne noi). Dar o clasificare mai comună este cea care împarte toate mutațiile proporțional după structura variabilă. Există: 1. Mutații genomice. Acestea includ poliploidia, adică formarea unui genom cu un set triplu sau mai mare de cromozomi și aneuploidia - numărul de cromozomi din genom nu este un multiplu al celui haploid.
2. Mutații cromozomiale. Se observă rearanjamente semnificative ale secțiunilor individuale de cromozomi. Există pierderi de informații (ștergere), dublare (duplicare), schimbare în direcția secvențelor de nucleotide (inversie), precum și inversarea secțiunilor cromozomilor în altă locație (translocare).
3. Mutație genetică. Cea mai frecventă mutație. Mai multe baze azotate aleatorii sunt înlocuite în lanțul ADN.

Consecințele mutațiilor

Mutațiile spontane sunt cauzele tumorilor, bolilor de depozitare, disfuncțiilor organelor și țesuturilor oamenilor și animalelor. Dacă o celulă mutantă este localizată într-un organism multicelular mare, atunci cu un grad ridicat de probabilitate va fi distrusă prin declanșarea apoptozei (moartea celulară programată). Organismul controlează procesul de conservare a materialului genetic și, cu ajutorul sistemului imunitar, scapă de eventualele celule deteriorate. Într-un caz din sute de mii, limfocitele T nu au timp să recunoască structura afectată și dă naștere unei clone de celule care conțin și gena mutantă. Conglomeratul de celule are alte funcții, produce substanțe toxice și afectează negativ starea generală a organismului. Dacă mutația a avut loc nu în celula somatică, ci în celula reproductivă, atunci se vor observa schimbări la descendenți. Se dovedesc a fi patologii congenitale ale organelor, deformări, tulburări metabolice și boli de depozitare.

Mutații spontane:

În unele cazuri, mutațiile care anterior păreau inutile pot fi utile pentru adaptarea la noile condiții de viață. Aceasta introduce mutația ca măsură a selecției naturale. Animalele, păsările și insectele poartă culori de camuflaj care se potrivesc cu locația lor pentru a se proteja de prădători. Dar dacă habitatul lor se schimbă, atunci, cu ajutorul mutațiilor, natura încearcă să protejeze specia de dispariție. În condiții noi, cei mai apți supraviețuiesc și transmit această abilitate altora. Mutația poate apărea în regiunile inactive ale genomului și apoi nu se observă modificări vizibile ale fenotipului. O „defalcare” poate fi identificată doar cu ajutorul unor studii specifice. Acest lucru este necesar pentru a studia originea și speciile înrudite de animale și pentru a compila hărțile genetice ale acestora.

Problema spontaneității mutațiilor

În anii patruzeci ai secolului trecut, a existat o teorie conform căreia mutațiile sunt cauzate exclusiv de influența factorilor externi și ajută la adaptarea la aceștia. Pentru a testa această teorie, a fost dezvoltată o metodă specială de testare și repetare. Procedura a fost că o cantitate mică de bacterii de un tip a fost semănată în eprubete și, după mai multe inoculări, li s-au adăugat antibiotice. Unele microorganisme au supraviețuit și au fost transferate într-un mediu nou. O comparație a bacteriilor din diferite eprubete a arătat că rezistența a apărut spontan, atât înainte, cât și după contactul cu antibioticul. Metoda de repetare a fost transferarea microorganismelor pe țesătură lânoasă și apoi transferarea lor pe mai multe medii curate. Noile colonii au fost cultivate și tratate cu antibiotic. Ca urmare, bacteriile situate în zone identice ale mediului au supraviețuit în diferite eprubete.

Data publicării: 22/05/17

Pentru prima dată, o creștere a frecvenței variabilității ereditare sub influența agenților externi a fost descoperită în 1925 de microbiologii sovietici G.A. Nadson și G.S. Filippov. Ei au observat o creștere a diversității formelor ereditare - salypants- după expunerea la „razele de radiu” asupra ciupercilor inferioare.

În 1927, G. Möller a raportat efectul razelor X asupra procesului de mutație la Drosophila. Unii compuși (iod, acid acetic, amoniac) sunt capabili să inducă letale recesive în cromozomul L. În 1939, S.M. Gershenzon a descoperit efectul mutagen puternic al ADN-ului exogen la Drosophila. Mutageni chimici puternici au fost descoperiți în 1946. I.A. Rapoport (Etileni Rapoport) în URSS și S. Auerbach și J. Robson (muștar cu azot) în Anglia.

De atunci, arsenalul de factori mutageni a inclus o varietate de compuși chimici: analogi ai bazelor care sunt încorporate direct în ADN, agenți precum acidul azot sau hidroxilamina, baze modificatoare, compuși care alchilează ADN-ul (metansulfonat de etil, metansulfonat de metil etc.). ), compuși care se intercalează între bazele ADN (acridine și derivații acestora), etc.

Alături de mutageni, s-au găsit substanțe antimutagene.

Capacitatea de a schimba rata procesului de mutație a servit ca un stimulent decisiv pentru elucidarea cauzelor mutațiilor spontane. Una dintre primele încercări de a explica cauzele mutațiilor spontane s-a rezumat la presupunerea că acestea au fost de fapt induse de un fond natural de radioactivitate. Cu toate acestea, s-a dovedit că acest mod poate explica apariția a doar aproximativ 0,1% din toate mutațiile spontane la Drosophila. De asemenea, nu a fost confirmată ipoteza despre mișcarea termică a atomilor ca principală cauză a mutațiilor spontane. Au existat încercări de a explica mutațiile spontane ca urmare a acțiunii produselor metabolice ale celulei și organismului.

Punctul de vedere modern asupra cauzelor mutațiilor spontane s-a format în anii 1960. datorită studiului mecanismelor de reproducere, reparare și recombinare a genelor și descoperirii sistemelor enzimatice responsabile de aceste procese. A existat o tendință de a explica mutațiile genelor ca erori în funcționarea enzimelor șablon ADN. Această ipoteză este acum general acceptată. Atractivitatea ipotezei constă și în faptul că ne permite să luăm în considerare procesul de mutație indusă ca urmare a intervenției factorilor externi în reproducerea normală a purtătorilor de informații genetice, adică oferă o explicație unificată a cauzelor spontane. și mutații induse. Dezvoltarea teoriei procesului de mutație a fost foarte influențată de studiul controlului său genetic. Au fost descoperite gene ale căror mutații pot crește sau scădea frecvența atât a mutațiilor spontane, cât și a celor induse. Astfel, se confirmă existența unor cauze comune ale proceselor de mutație induse și spontane.

Prima explicație a mecanismului modificărilor mutaționale (mutații genetice și aberații cromozomiale) a fost propusă în 1935 de către N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer și M. Delbrück pe baza unei analize a mutagenezei radiațiilor în organisme superioare, în principal în Drosophila. Mutația a fost considerată ca rezultat al unei rearanjamente instantanee a atomilor într-o moleculă de genă complexă. Motivul unei astfel de restructurari a fost considerat a fi intrarea directă a unei particule cuantice sau ionizante în genă (principiul intrării) sau vibrațiile aleatorii ale atomilor. Descoperirea ulterioară a efectului consecințelor radiațiilor ionizante a arătat că mutațiile apar ca urmare a unui proces care durează în timp și nu direct în momentul trecerii unui cuantum de energie sau a unei particule ionizante printr-o genă.