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, sunt cel mai adesea cauza bolilor ereditare. În condiții naturale, rearanjamentele cromozomiale apar foarte rar. Mutațiile cauzate de substanțe chimice, mutageni biologici sau factori fizici, cum ar fi radiațiile ionizante, sunt adesea cauza malformațiilor congenitale și a afecțiunilor maligne.

Informații generale despre mutații

Hugh de Vries a definit o mutație ca o schimbare bruscă a unei trăsături moștenite. 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 genomice, cromozomiale și genice. Cele genomice sunt asociate cu o modificare a 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 cauzele care le-au cauzat, se disting mutațiile spontane și cele induse.

Mutații spontane

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 aceleiași gene, asociate cu înlocuirea bazelor - purină pentru o altă purină (tranziție), sau purină pentru pirimidină (transversie).

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

Rearanjamente induse

Mutațiile induse apar în celulele corpului sub influența substanțelor chimice, radiațiilor sau a materialului de replicare a virusului. 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 afectează adesea la nivel global genomul, 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 scindată 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 induc reacții de arilare a acizilor nucleici, ceea ce duce la întreruperea proceselor de transcripție și translație.

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

Mutagenii fizici includ radiațiile ionizante, în primul rând undele scurte și ultravioletele. Ultravioletul începe procesul în membrane, provoacă formarea diferitelor defecte în ADN.

Radiațiile X și radiațiile gamma provoacă mutații la nivelul cromozomilor. Astfel de celule nu sunt capabile de diviziune, 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 sunt diverse boli genetice, care se manifestă mai des în zonele expuse unui factor mutagen fizic sau chimic. Se știe, în special, că în statul indian Kerala, unde doza anuală efectivă de radiații ionizante depășește norma de 10 ori, frecvența de naștere a copiilor cu sindrom Down (trisomie pe cromozomul 21) este crescută. În districtul chinez Yangjiang, în sol a fost găsită o mare cantitate de monazit radioactiv. Elementele instabile din compoziția sa (ceriu, toriu, uraniu) se degradează odată cu eliberarea de cuante gamma. Impactul radiațiilor cu unde scurte asupra locuitorilor din raion a dus la un număr mare de nașteri de copii cu sindromul pisicii care plânge (ștergerea unei secțiuni mari a cromozomului 8), precum și la o incidență crescută a cancerului. Un alt exemplu: în ianuarie 1987, în Ucraina a fost înregistrat 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, așa că o doză colosală de radiații a dus la creșterea frecvenței anomaliilor cromozomiale.

Unul dintre cei mai infami mutageni chimici din istorie este sedativul Thalidomida, produs în Germania în anii 1950. Luarea acestui medicament a dus la nașterea multor copii cu o mare varietate de anomalii genetice.

Metoda mutațiilor induse este folosită în mod obișnuit de oamenii de știință pentru a găsi cele mai bune modalități de combatere a bolilor autoimune și a anomaliilor genetice asociate cu hipersecreția de proteine.

Spontan- acestea sunt mutații care apar spontan, fără participarea experimentatorului.

induse- acestea sunt mutații care sunt cauzate artificial, folosind diverși factori mutageneza.

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

Factori mutageni subdivizat în fizic, chimicși biologic.

Frecvența mutațiilor spontane o genă este , pentru fiecare genă a fiecărui organism are propria sa.

Cauzele mutațiilor spontane nu sunt complet clare. Se credea că au fost cauzate fundal natural al radiațiilor ionizante. Cu toate acestea, s-a dovedit că nu a fost cazul. De exemplu, în Drosophila, radiațiile naturale de fond nu cauzează mai mult de 0,1% din mutațiile spontane.

DIN vârstă consecințele expunerii la radiațiile naturale de fond pot acumula iar la om, 10 până la 25% din mutațiile spontane sunt asociate cu aceasta.

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 este in miscare prin genom elemente mobile, care poate fi introdus în 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 treceri succesive și-au păstrat proprietățile dobândite. Articolul lor a fost publicat doar în limba rusă și, în plus, lucrarea nu a folosit nicio metodă de cuantificare a acțiunii razelor X, așa că a rămas puțin observată.

LA 1927 G. G. Möller a raportat asupra efectului razelor X asupra procesului de mutație la Drosophila și a propus metoda cantitativă toleranță pentru mutații letale recesive pe cromozomul X ( ClB), care a devenit un clasic.

În 1946, Möller a primit Premiul Nobel pentru descoperirea mutagenezei radiațiilor. S-a constatat 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.

Principal mecanisme acțiunile lor:

1) încălcarea 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 fus de fisiune;

4) educație dimeri(timină).

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

LA 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 15.000 de muște de control (adică, fără ADN în furaj), nu a existat o singură mutație, iar în experiment, 13 mutanți au fost găsiți printre 13.000 de muște.

LA 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;

în) substanțe sintetice, care nu se găsesc anterior în natură (pesticide, insecticide etc.);

d) unele metaboliți organisme umane și animale.

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

Mecanismele de acțiune a acestora:

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, rickettsiae, protozoare, helminți);

în) elemente genetice mobile.

Mecanismele de acțiune a acestora:

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

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

Da, am reușit să creștem activitatea producători de antibiotice de 10-20 de ori, ceea ce a făcut posibilă creșterea semnificativă a producției de antibiotice corespunzătoare 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 aminoacizi de lizină- de 300-400 de ori.

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

Autorul „revoluției verzi” este considerat un crescător și genetician american 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 foarte productive în 1970, a primit Premiul Nobel pentru Pace.

11 . Mutații genetice

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

Tipuri de mutații:

1. Inserare (inserare) sau pierdere (ștergere) pereche sau mai multe perechi de nucleotide, acestea conduc la deplasarea cadrului. În funcție de locul de inserție sau pierdere a nucleotidelor, se modifică un număr mai mic sau mai mare de codoni.

2. Tranziție- înlocuirea bazelor purinice cu baze purinice sau a bazelor pirimidinice cu baze pirimidinice, 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- modificarea semnificației codonilor și formarea altor proteine;

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

Rezultatele modificărilor genelor reglatoare:

1. Proteina represoare nu se potrivește operatorului („ cheia nu intră în gaura cheii”) - genele structurale funcționează constant (proteinele sunt sintetizate tot timpul).

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

3. Încălcarea alternanței represiunii și inducției- in lipsa unui inductor se sintetizeaza o proteina specifica, iar in prezenta ei proteina nu este sintetizata. Acest lucru se datorează mutațiilor în gena regulatoare sau secvența operatorului.

Mutațiile genice sunt cauza principală boli ale genelor, a cărui frecvență în 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 procesul de interacțiune a materialului genetic cu mediul intern și/sau extern. Astfel de mutații sunt de obicei aleatorii. Ele sunt observate în sex 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 fondul natural de radiație. Acest număr include radiațiile gamma din nucleul Pământului, vântul solar și radioactivitatea elementelor găsite în grosimea scoarței terestre și dizolvate în atmosferă. Doza primită depinde și de locul în care se află persoana. Un sfert din toate mutațiile spontane au loc tocmai din cauza acestui factor.

Radiația ultravioletă, contrar credinței populare, joacă un rol minor în apariția defalcării 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 din cauza cărora poate apărea mutația spontană rămân factori endogeni. Acestea includ produse secundare ale metabolismului, 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 ruperea acestora 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. Motivele 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 segmente de ADN suplimentare similare ca structură cu gena, precum și elemente mobile ale genomului.

Patogeneza mutației

Mutația spontană apare ca urmare a influenței tuturor factorilor de mai sus care acționează împreună sau separat într-o anumită perioadă a vieții celulei. Există un astfel de fenomen ca o încălcare glisante a împerecherii firelor de ADN fiice și materne. Ca rezultat, buclele sunt adesea formate din peptide care nu au fost capabile să se potrivească în mod adecvat în secvență. După îndepărtarea fragmentelor de ADN în exces din catena fiică, buclele pot fi atât rezecate (deleții), cât și încorporate (duplicări, inserții). Modificările rezultate sunt fixate în următoarele cicluri 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

Care este cea mai frecventă manifestare a mutațiilor 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 o mutație a reziduurilor de citozină. După dezaminare, metilcitozina se transformă în timină. Copierea ulterioară a acestei secțiuni repetă eroarea sau o șterge, sau se dublează și se 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 meiozei se pot forma recombinări omoloage inegale. Acest lucru are ca rezultat rearanjamente ale genelor, ture și dublari ale 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. Deci, de exemplu, s-a constatat că adenina este cel mai adesea încorporată opus tripletului 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 mutageneza se bazează pe capacitatea unor baze ADN de a se transforma în forme tautomerice care schimbă modul în care bazele sunt conectate.

De la publicarea sa, ipoteza a fost dezvoltată activ. Au fost descoperite noi forme de nucleotide după iradierea cu lumină ultravioletă. Acest lucru a oferit oamenilor de știință noi oportunități de cercetare. Știința modernă încă discută despre rolul formelor tautomerice în mutageneza spontană și efectul acesteia 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 sinteza moleculelor de ADN fiice. Acest model a făcut posibilă studierea regularităților apariției mutagenezei spontane. Oamenii de știință și-au explicat descoperirea prin faptul că principalul motiv pentru modificarea structurii ADN-ului este sinteza perechilor de nucleotide non-canonice.

Ei au sugerat că substituția bazelor are loc din cauza dezaminării regiunilor ADN. Aceasta duce la o schimbare a citozinei în 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: spontană

Există diferite clasificări ale mutațiilor în funcție de criteriul care le stă la baza. Există o divizare în funcție de natura modificării funcției genei:

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

Dar o clasificare care împarte toate mutațiile proporțional cu structura care este schimbată este mai comună. Aloca:

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 ale cromozomilor. Există o pierdere de informații (ștergere), dublarea acesteia (duplicare), o schimbare a direcției secvențelor de nucleotide (inversare), precum și transferul secțiunilor de cromozom în alt loc (translocare).
3. Mutație genetică. Cea mai frecventă mutație. În lanțul ADN, mai multe baze azotate aleatorii sunt înlocuite.

Consecințele mutațiilor

Mutațiile spontane sunt cauzele tumorilor, disfuncțiilor organelor și țesuturilor la oameni și animale. 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 toate celulele posibile 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 deja alte funcții, produce substanțe toxice și afectează negativ starea generală a organismului.

Dacă mutația s-a produs nu în celula somatică, ci în celula germinativă, atunci modificările vor fi observate la descendenți. Se manifestă prin patologii congenitale ale organelor, deformări, tulburări metabolice și boli de acumulare.

Mutații spontane: sens

În unele cazuri, mutațiile aparent inutile pot fi utile pentru adaptarea la noile condiții de viață. Aceasta reprezintă mutația ca măsură a selecției naturale. Animalele, păsările și insectele sunt camuflate în funcție de zona lor de reședință 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. Este posibil să se detecteze „ruperea” doar cu ajutorul unor studii specifice. Acest lucru este necesar pentru studierea originii speciilor de animale înrudite și pentru compilarea hărților 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 faptul că pe eprubete s-a semănat o cantitate mică de bacterii din aceeași specie și, după mai multe inoculări, li s-au adăugat antibiotice. Unele dintre 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 constat în faptul că microorganismele au fost transferate într-un țesut lânos și apoi transferate simultan pe mai multe medii curate. Noile colonii au fost cultivate și tratate cu un antibiotic. Ca rezultat, bacteriile situate în aceleași părți ale mediului au supraviețuit în eprubete diferite.

Ce mutații se numesc spontane? Dacă traducem termenul într-un limbaj accesibil, atunci acestea sunt erori naturale care apar în procesul de interacțiune a materialului genetic cu mediul intern și/sau extern. Astfel de mutații sunt de obicei aleatorii. Ele sunt observate în sex 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 este fondul natural de radiație. Acest număr include radiațiile gamma din nucleul Pământului, vântul solar, radioactivitatea elementelor care apar în grosimea scoarței terestre și dizolvate în atmosferă. Doza primită depinde și de locul în care se află persoana. Un sfert din toate mutațiile spontane au loc tocmai din cauza acestui factor.
Radiația ultravioletă, contrar credinței populare, joacă un rol nesemnificativ în apariția defalcării 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 apare mutația spontană rămân factorii endogeni. Acestea includ produse secundare ale metabolismului, 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 ruperea acestora sub influența factorilor externi.

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

Aceștia sunt principalii factori care provoacă mutații spontane. Motivele eșecurilor pot fi 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 segmente de ADN suplimentare similare ca structură cu gena, precum și elemente mobile ale genomului.

Patogeneza mutației

Mutația spontană apare ca urmare a influenței tuturor factorilor enumerați mai sus, afectând împreună sau separat într-o anumită perioadă a vieții celulei. Există un astfel de fenomen ca o încălcare glisante a împerecherii firelor de ADN fiice și materne. Ca rezultat, buclele sunt adesea formate din peptide care nu au fost capabile să se potrivească în mod adecvat în secvență. După îndepărtarea fragmentelor de ADN în exces din catena fiică, buclele pot fi atât rezecate (deleții), cât și încorporate (duplicări, inserții). Modificările apar și sunt fixate 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 se manifestă 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 o mutație a reziduurilor de citozină. După dezaminare, metilcitozina se transformă în timină. Copierea ulterioară a acestei secțiuni repetă eroarea sau o șterge sau se dublează și se transformă într-un fragment nou. Un alt motiv pentru mutațiile spontane frecvente este un număr mare de pseudogene. Din această cauză, în timpul meiozei se pot forma recombinări omoloage inegale. Consecința acestui fapt sunt rearanjamente în gene, ture și dublarea 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 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. Deci, de exemplu, s-a constatat că adenina este cel mai adesea încorporată opus tripletului deteriorat.

Model tautomeric al mutagenezei

O altă teorie care explică mutațiile spontane și artificiale a fost propusă de Watson și Crick (descoperitorul structurii ADN-ului). Ei au sugerat că mutageneza se bazează pe capacitatea unor baze ADN de a se transforma în forme tautomerice care schimbă modul în care bazele sunt conectate.
De la publicarea sa, ipoteza a fost dezvoltată activ. Au fost descoperite noi forme de nucleotide după iradierea ultravioletă. Acest lucru a oferit oamenilor de știință noi oportunități de cercetare. Știința modernă încă dezbate rolul formelor tautomerice în mutageneza spontană și efectul 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 sinteza moleculelor de ADN fiice. Acest model a făcut posibilă studierea regularităților în apariția mutagenezei spontane. Oamenii de știință și-au explicat descoperirea prin faptul că principalul motiv pentru modificarea structurii ADN-ului este sinteza perechilor de nucleotide non-canonice. Ei au sugerat că substituția bazelor are loc prin dezaminarea segmentelor de ADN. Aceasta duce la o schimbare a citozinei în 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: spontană

Există diferite clasificări ale mutațiilor, în funcție de criteriul care stă la baza acestora. Există o divizare în funcţie de natura modificării funcţiei genei: - hipomorfe (alelele mutante sintetizează mai puţine proteine, dar sunt asemănătoare cu cele originale);
- amorf (gena și-a pierdut complet funcțiile);
- antimorfă (o genă mutată schimbă complet trăsătura pe care o reprezintă);
- neomorf (apar semne noi). Dar o clasificare care împarte toate mutațiile proporțional cu o structură variabilă este mai comună. Alocați: 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 ale cromozomilor. Există o pierdere de informații (ștergere), dublare (duplicare), o schimbare a direcției secvențelor de nucleotide (inversie), precum și răsturnarea secțiunilor de cromozom în alt loc (translocare).
3. Mutație genetică. Cea mai frecventă mutație În lanțul ADN, mai multe baze azotate aleatorii sunt înlocuite.

Consecințele mutațiilor

Mutațiile spontane sunt cauzele tumorilor, bolilor de depozitare, disfuncțiilor organelor și țesuturilor la oameni și animale. 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 toate celulele posibile 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 deja alte funcții, produce substanțe toxice și afectează negativ starea generală a organismului. Dacă mutația s-a produs nu în celula somatică, ci în celula germinativă, atunci modificările vor fi observate 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 reprezintă mutația ca măsură a selecției naturale. Animalele, păsările și insectele sunt camuflate în funcție de zona lor de reședință 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. Este posibil să se identifice „ruperea” doar cu ajutorul unor studii specifice. Este necesar să se studieze originea și speciile înrudite de animale și hărțile lor genetice.

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 constat în faptul că în eprubete s-a semănat o cantitate mică de bacterii din aceeași specie și, după mai multe inoculări, li s-au adăugat antibiotice. Unele dintre 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 iterație a implicat transferul microorganismelor pe o cârpă lânoasă și apoi transferul lor pe mai multe medii curate. Noile colonii au fost cultivate și tratate cu un antibiotic. Ca rezultat, bacteriile situate în aceleași părți ale mediului au supraviețuit în eprubete diferite.

Data publicarii: 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 - salipanti- după expunerea la „razele de radiu” pe ciupercile inferioare.

În 1927 G. Meller 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 un puternic efect mutagen al ADN-ului exogen la Drosophila. Mutageni chimici puternici au fost descoperiți în 1946 de către I.A. Rapoport (etilenei 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 de bază încorporați direct în ADN, agenți de modificare a bazelor precum acidul azot sau hidroxilamina, compuși de alchilare ADN (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 și antimutageni.

Capacitatea de a modifica rata procesului de mutație a servit ca un stimul decisiv pentru elucidarea cauzelor mutațiilor spontane. Una dintre primele încercări de a explica cauzele mutațiilor spontane a fost redusă la presupunerea că, în realitate, acestea sunt induse de un fond natural de radioactivitate. Cu toate acestea, s-a dovedit că doar aproximativ 0,1% din toate mutațiile spontane la Drosophila pot fi explicate în acest fel. Nici ipoteza mișcării termice a atomilor ca principală cauză a mutațiilor spontane nu a fost confirmată. 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 activitatea enzimelor de sinteză a ADN-ului șablon. Această ipoteză este acum general acceptată. Atractivitatea ipotezei constă și în faptul că ne permite să luăm în considerare procesul mutațional indus ca urmare a intervenției factorilor externi în reproducerea normală a purtătorilor de informații genetice, adică oferă o explicație unificată pentru cauzele mutații spontane și 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 procesului de mutație indusă și spontană.

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 analizei 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 pentru o astfel de rearanjare a fost considerat a fi o lovire directă în gena unui cuantic sau a unei particule ionizante (principiul lovirii) sau vibrațiile aleatorii ale atomilor. Descoperirea efectului consecințelor radiațiilor ionizante a arătat ulterior că mutațiile apar ca urmare a unui proces care durează în timp și nu direct în momentul în care o cuantum de energie sau o particulă ionizantă trece printr-o genă.