Čo sú spontánne mutácie? Proces spontánnej mutácie a jeho príčiny
Mutácie sú dôležitým predmetom štúdia cytogenetikov a biochemikov. Práve mutácie, génové alebo chromozomálne, najčastejšie spôsobujú dedičné ochorenia. V prirodzených podmienkach sa chromozomálne prestavby vyskytujú veľmi zriedkavo. Mutácie spôsobené chemickými činidlami, biologickými mutagénmi alebo fyzikálnymi faktormi, ako je ionizujúce žiarenie, sú často príčinou vrodených vývojových patológií a malígnych novotvarov.
Všeobecné informácie o mutáciách
Hugo de Vries definoval mutáciu ako náhlu zmenu dedičného znaku. Tento jav sa nachádza v genóme všetkých živých organizmov, od baktérií až po ľudí. Za normálnych podmienok sa mutácie v nukleových kyselinách vyskytujú veľmi zriedkavo, s frekvenciou približne 1·10 -4 - 1·10 -10.
Podľa množstva genetického materiálu ovplyvneného zmenami sa mutácie delia na genómové, chromozomálne a génové mutácie. Genomické sú spojené so zmenami v počte chromozómov (monozómia, trizómia, tetrazómia); chromozomálne sú spojené so zmenami v štruktúre jednotlivých chromozómov (delécie, duplikácie, translokácie); génové mutácie ovplyvňujú jeden gén. Ak mutácia postihla iba jeden pár nukleotidov, ide o bodovú mutáciu.
V závislosti od dôvodov, ktoré ich spôsobili, sa rozlišujú spontánne a indukované mutácie.
Spontánne mutácie
Vyskytujú sa v tele pod vplyvom vnútorných faktorov. Spontánne mutácie sa považujú za normálne, zriedka vedú k vážnym následkom pre telo. Najčastejšie sa takéto preskupenia vyskytujú v rámci jedného génu a sú spojené s nahradením báz – purínu iným purínom (prechody), alebo purínu pyrimidínom (transverzie).
Spontánne mutácie sa vyskytujú v chromozómoch oveľa menej často. Typicky sú chromozomálne spontánne mutácie reprezentované translokáciami (prechod jedného alebo viacerých génov z jedného chromozómu na druhý) a inverziami (zmeny v sekvencii génov na chromozóme).
Vyvolané preskupenia
Indukované mutácie sa vyskytujú v bunkách tela pod vplyvom chemikálií, žiarenia alebo vírusového replikačného materiálu. Takéto mutácie sa objavujú častejšie ako spontánne a majú vážnejšie následky. Ovplyvňujú jednotlivé gény a skupiny génov, blokujú syntézu jednotlivých bielkovín. Indukované mutácie majú často globálny vplyv na genóm, práve pod vplyvom mutagénov sa v bunke objavujú abnormálne chromozómy: izochromozómy, kruhové chromozómy, dicentriká.
Mutagény okrem chromozomálnych prestavieb spôsobujú poškodenie DNA: dvojvláknové zlomy, tvorbu krížových väzieb DNA.
Príklady chemických mutagénov
Medzi chemické mutagény patria dusičnany, dusitany, analógy dusíkatých zásad, kyselina dusitá, pesticídy, hydroxylamín a niektoré potravinárske prísady.
Kyselina dusitá spôsobuje odstránenie aminoskupiny z dusíkatých zásad a jej nahradenie inou skupinou. To vedie k bodovým mutáciám. Chemicky indukované mutácie sú tiež spôsobené hydroxylamínom.
Dusičnany a dusitany vo veľkých dávkach zvyšujú riziko rakoviny. Niektoré potravinárske prídavné látky spôsobujú arylačné reakcie nukleových kyselín, čo vedie k narušeniu procesov transkripcie a translácie.
Chemické mutagény sú veľmi rôznorodé. Tieto látky často spôsobujú indukované mutácie v chromozómoch.
Fyzikálne mutagény zahŕňajú ionizujúce žiarenie, predovšetkým krátkovlnné žiarenie a ultrafialové žiarenie. Ultrafialové svetlo spúšťa proces v membránach a vyvoláva tvorbu rôznych defektov v DNA.
Röntgenové a gama žiarenie vyvolávajú mutácie na úrovni chromozómov. Takéto bunky nie sú schopné deliť sa, odumierajú počas apoptózy. Indukované mutácie môžu ovplyvniť aj jednotlivé gény. Napríklad blokovanie nádorových supresorových génov vedie k vzniku nádorov.
Príklady indukovaných preskupení
Príklady indukovaných mutácií zahŕňajú rôzne genetické ochorenia, ktoré sa často objavujú v oblastiach vystavených fyzikálnym alebo chemickým mutagénnym faktorom. Je známe najmä to, že v indickom štáte Kerala, kde ročná efektívna dávka ionizujúceho žiarenia 10-krát prekračuje normu, je zvýšená frekvencia pôrodov detí s Downovým syndrómom (trizómia 21). V čínskom okrese Yangjiang bolo v pôde zistené veľké množstvo rádioaktívneho monazitu. Nestabilné prvky vo svojom zložení (cér, tórium, urán) sa rozpadajú s uvoľňovaním gama lúčov. Vystavenie krátkovlnnému žiareniu medzi obyvateľmi okresu viedlo k veľkému počtu pôrodov detí so syndrómom plačúcej mačky (vymazanie veľkej časti chromozómu 8), ako aj k zvýšenému výskytu rakoviny. Ďalší príklad: v januári 1987 bol na Ukrajine zaregistrovaný rekordný počet pôrodov detí s Downovým syndrómom v súvislosti s haváriou v Černobyle. V prvom trimestri tehotenstva je plod najcitlivejší na účinky fyzikálnych a chemických mutagénov, preto kolosálna dávka žiarenia viedla k zvýšeniu frekvencie chromozomálnych abnormalít.
Jedným z najznámejších chemických mutagénov v histórii je sedatívum Thalidomid, vyrábané v Nemecku v 50. rokoch minulého storočia. Užívanie tohto lieku viedlo k narodeniu mnohých detí s rôznymi genetickými abnormalitami.
Metódu indukovaných mutácií zvyčajne používajú vedci na nájdenie optimálnych spôsobov boja proti autoimunitným ochoreniam a genetickým poruchám spojeným s nadmernou sekréciou proteínov.
Spontánna- Ide o mutácie, ktoré sa vyskytujú spontánne, bez zásahu experimentátora.
Vyvolaný– to sú tie mutácie, ktoré sú spôsobené umelo s použitím rôznych faktorov mutagenéza.
Vo všeobecnosti sa proces tvorby mutácií nazýva tzv mutagenéza, a faktory spôsobujúce mutácie sú mutagény.
Mutagénne faktory sa delia na fyzické, chemický A biologické.
Rýchlosť spontánnych mutácií jeden gén je , pre každý gén každého organizmu je iný.
Príčiny spontánnych mutácií nie celkom jasné. Predtým sa predpokladalo, že sú spôsobené prirodzené pozadie ionizujúceho žiarenia. Ukázalo sa však, že to tak nie je. Napríklad u Drosophila prirodzené žiarenie na pozadí nespôsobuje viac ako 0,1 % spontánnych mutácií.
S Vek následky vystavenia prirodzenému žiareniu pozadia môžu hromadiť, a u ľudí je 10 až 25 % spontánnych mutácií spôsobených týmto.
Druhý dôvod spontánne mutácie sú náhodné poškodenie chromozómov a génov počas bunkového delenia a replikácie DNA v dôsledku náhodné chyby vo fungovaní molekulárnych mechanizmov.
Tretí dôvod spontánne mutácie sú sťahovanie podľa genómu mobilné prvky, ktorý môže napadnúť akýkoľvek gén a spôsobiť v ňom mutáciu.
Americký genetik M. Green ukázal, že asi 80 % mutácií, ktoré boli objavené ako spontánne, vzniklo v dôsledku pohybu mobilných prvkov.
Indukované mutácie prvý objavený v roku 1925. G.A. Nadson A G.S. Filippov v ZSSR. Kultúry plesní ožarovali röntgenovým žiarením. Mucor genevensis a dostali rozdelenie kultúry „na dve formy alebo rasy, ktoré sa líšia nielen od seba, ale aj od pôvodnej (normálnej) formy“. Ukázalo sa, že mutanty sú stabilné, pretože po ôsmich po sebe nasledujúcich subkultúrach si zachovali svoje získané vlastnosti. Ich článok bol publikovaný iba v ruštine a práca nepoužívala žiadne metódy na kvantitatívne hodnotenie účinku röntgenového žiarenia, takže zostala málo povšimnutá.
IN 1927 G. G. Möller opísali účinok röntgenových lúčov na proces mutácie v Drosophila a navrhli kvantitatívna metóda zodpovedný za recesívne letálne mutácie na X chromozóme ( ClB), ktorý sa stal klasikou.
V roku 1946 získal Möller Nobelovu cenu za objav radiačnej mutagenézy. Teraz sa zistilo, že prakticky všetky druhy žiarenia(vrátane ionizujúceho žiarenia všetkých typov - a, b, g; UV lúče, infračervené lúče) spôsobujú mutácie. Nazývajú sa fyzikálne mutagény.
Základné mechanizmov ich činy:
1) narušenie štruktúry génov a chromozómov v dôsledku priama akcia na molekulách DNA a proteínov;
2) vzdelanie voľné radikály, ktoré vstupujú do chemickej interakcie s DNA;
3) niť sa pretrhne vretená;
4) vzdelávanie diméry(tymín).
V 30-tych rokoch bol otvorený chemická mutagenéza v Drosophila: V. V. Sacharov (1932 ), M. E. Lobašev A F. A. Smirnov (1934 ) ukázali, že niektoré zlúčeniny ako napr jód, octová kyselina, amoniak, sú schopné vyvolať recesívne letálne mutácie na X chromozóme.
IN 1939 G. Sergej Michajlovič Gershenzon(študent S.S. Chetverikov) objavil silný mutagénny účinok exogénnej DNA v Drosophila. Pod vplyvom myšlienok N.K. Koltsov, že chromozóm je obrovská molekula, S.M. Gershenzon sa rozhodol otestovať svoj predpoklad, že DNA je takouto molekulou. Izoloval DNA z týmusu a pridal ju do potravy lariev Drosophila. Medzi 15 tisícmi kontrolnými muchami (t. j. bez DNA v potrave) nebola ani jedna mutácia a v experimente sa medzi 13 tisíc muchami našlo 13 mutantov.
IN 1941 Charlotte Auerbach A J. Robson to ukázal dusíkatý horčičný indukuje mutácie v Drosophila. Výsledky práce s touto chemickou bojovou látkou boli publikované až v roku 1946, po skončení 2. svetovej vojny. V rovnakom 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovich) v ZSSR vykazoval mutagénnu aktivitu formaldehyd.
Aktuálne do chemické mutagény zahŕňajú:
A) prirodzené organické a anorganické látky;
b) priemyselné výrobky spracovanie prírodných zlúčenín- uhlie, ropa;
V) syntetické látky, ktoré sa predtým v prírode nenachádzali (pesticídy, insekticídy atď.);
d) niektoré metabolityľudské a zvieracie telá.
Chemické mutagény spôsobiť hlavne genetický mutácie a pôsobia počas replikácie DNA.
Mechanizmy ich pôsobenia:
1) modifikácia základnej štruktúry (hydroxylácia, deaminácia, alkylácia);
2) nahradenie dusíkatých zásad ich analógmi;
3) inhibícia syntézy prekurzorov nukleových kyselín.
V posledných rokoch tzv supermutagény:
1)analógy báz;
2) pripojenia, alkylácia DNA(etylmetánsulfonát, metylmetánsulfonát atď.);
3) pripojenia, interkalačné medzi bázami DNA (akridíny a ich deriváty).
Supermutagény zvyšujú frekvenciu mutácií o 2-3 rády.
TO biologické mutagény týkať sa:
A) vírusy(rubeola, osýpky atď.);
b) nevírusové infekčné agens(baktérie, rickettsie, prvoky, helminty);
V) mobilné genetické prvky.
Mechanizmy ich pôsobenia:
1) genómy vírusov a mobilné elementy sú integrované do DNA hostiteľských buniek;
Indukovaná mutagenéza, počnúc koncom 20. rokov 20. storočia, sa používali na selekciu nových kmeňov, plemien a odrôd. Najväčší úspech sa dosiahol pri selekcii kmeňov baktérií a húb, ktoré produkujú antibiotiká a iné biologicky aktívne látky.
Podarilo sa nám teda zvýšiť aktivitu výrobcovia antibiotík o 10-20 krát, čo umožnilo výrazne zvýšiť produkciu vhodných antibiotík a výrazne znížiť ich cenu. Aktivita žiarivej huby - producent vitamínu B12 podarilo zvýšiť 6 krát, a aktivita baktérie - producenta aminokyseliny lyzín- 300-400 krát.
Použitie mutácií trpaslík u pšenice umožnilo v 60-70 rokoch prudko zvýšiť výnos obilnín, ktorý sa nazýval „ zelená revolúcia" Odrody trpasličej pšenice majú skrátenú hrubú stonku, ktorá je odolná proti poliehaniu, znesie zvýšenú záťaž z väčšieho klasu. Použitie týchto odrôd umožnilo výrazne zvýšiť výnosy (v niektorých krajinách niekoľkonásobne).
Americký chovateľ a genetik je považovaný za autora „zelenej revolúcie“ N. Borlauga, ktorý sa v roku 1944 ako 30-ročný usadil a začal pracovať v Mexiku. Za úspechy v šľachtení vysoko produktívnych odrôd rastlín mu bola v roku 1970 udelená Nobelova cena za mier.
11
.
Génové mutácie
Génové (bodové) mutácie spojené s relatívne malými zmenami v nukleotidových sekvenciách. Génové mutácie sú rozdelené pre zmeny štruktúrne gény a zmeny regulačných génov.
Typy mutácií:
1. Vkladanie alebo strata (vymazanie) páry alebo niekoľko párov nukleotidov, vedú k posun čítacieho rámca. V závislosti od miesta inzercie alebo delécie nukleotidu sa mení menej alebo viac kodónov.
2. Prechod– nahradenie zásad z purínu na purín alebo pyrimidínu na pyrimidín, napríklad: A „G, C“ T.
3. Premena – nahradenie purínovej zásady pyrimidínovou zásadou alebo pyrimidínovej zásady purínovou zásadou. Napríklad: A « C, G « T.
Zmeny v štrukturálnych génoch vedú k:
a) do missense mutácie– zmeny významu kodónov a tvorba iných proteínov;
b) do nezmyselné mutácie– tvorba STOP kodónov (UAA, UAG, UGA).
Výsledky zmien regulačných génov:
1. Represorový proteín sa nezhoduje s operátorom („ kľúč nezapadá do kľúčovej dierky") - štrukturálne gény pracujú neustále (proteíny sa neustále syntetizujú).
2. Represorový proteín je pevne „pripojený“ k operátorovi a induktor ho neodstráni („ kľúč nevychádza z kľúčovej dierky") - štrukturálne gény neustále nefungujú a proteíny kódované v tomto operóne nie sú syntetizované.
3. Porušenie striedania represie a indukcie– v neprítomnosti induktora sa syntetizuje špecifický proteín, ale v jeho prítomnosti sa proteín nesyntetizuje. Je to spôsobené mutáciami v regulačnom géne alebo sekvencii operátora.
Hlavnou príčinou sú génové mutácie génové choroby, ktorej frekvencia prejavu v ľudských populáciách dosahuje 1-2%.
Aké mutácie sa nazývajú spontánne? Ak tento termín preložíme do prístupnej reči, tak ide o prirodzené chyby, ktoré vznikajú pri interakcii genetického materiálu s vnútorným a/alebo vonkajším prostredím. Takéto mutácie sú zvyčajne náhodné. Sú pozorované v reprodukčných a iných bunkách tela.
Exogénne príčiny mutácií
Spontánna mutácia môže nastať pod vplyvom chemikálií, žiarenia, vysokých alebo nízkych teplôt, riedkeho vzduchu alebo vysokého tlaku.
Každý rok človek v priemere absorbuje asi desatinu ionizujúceho žiarenia, ktoré tvorí prirodzené žiarenie pozadia. Toto číslo zahŕňa gama žiarenie zo zemského jadra, slnečný vietor a rádioaktivitu prvkov nachádzajúcich sa hlboko v zemskej kôre a rozpustených v atmosfére. Prijatá dávka závisí aj od toho, kde presne sa človek nachádza. Štvrtina všetkých spontánnych mutácií vzniká práve vďaka tomuto faktoru.
Ultrafialové žiarenie, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, hrá pri spôsobovaní poškodenia DNA menšiu úlohu, pretože nemôže preniknúť dostatočne hlboko do ľudského tela. Koža ale často trpí nadmerným slnením (melanóm a iné druhy rakoviny). Jednobunkové organizmy a vírusy však pri vystavení slnečnému žiareniu mutujú.
Príliš vysoké alebo nízke teploty môžu tiež spôsobiť zmeny v genetickom materiáli.
Endogénne príčiny mutácií
Hlavnými dôvodmi, pre ktoré môže dôjsť k spontánnej mutácii, zostávajú endogénne faktory. Patria sem vedľajšie produkty metabolizmu, chyby v procese replikácie, opravy alebo rekombinácie a iné.
- Zlyhania replikácie:
- spontánne prechody a inverzie dusíkatých zásad;
- nesprávne vloženie nukleotidov v dôsledku chýb v DNA polymerázach;
- chemické nahradenie nukleotidov, napríklad guanín-cytozín adenín-guanínom. - Chyby obnovy:
- mutácie v génoch zodpovedné za opravu jednotlivých úsekov reťazca DNA po ich porušení vplyvom vonkajších faktorov. - Problémy s rekombináciou:
- poruchy v procesoch kríženia počas meiózy alebo mitózy vedú k strate a dokončeniu báz.
Toto sú hlavné faktory spôsobujúce spontánne mutácie. Príčinou porúch môže byť aktivácia mutátorových génov, ako aj premena bezpečných chemických zlúčenín na aktívnejšie metabolity, ktoré ovplyvňujú bunkové jadro. Okrem toho existujú aj štrukturálne faktory. Patria sem opakovania nukleotidovej sekvencie blízko miesta preskupenia reťazca, prítomnosť ďalších úsekov DNA podobnej štruktúre ako gén, ako aj mobilné elementy genómu.
Patogenéza mutácie
K spontánnej mutácii dochádza v dôsledku vplyvu všetkých vyššie uvedených faktorov, pôsobiacich spoločne alebo oddelene počas určitého obdobia života bunky. Existuje taký jav ako posuvné narušenie párovania reťazcov dcérskej a materskej DNA. To často vedie k vytvoreniu slučiek peptidov, ktoré sa nedokázali adekvátne integrovať do sekvencie. Po odstránení nadbytočných úsekov DNA z dcérskeho vlákna môžu byť slučky buď resekované (delécie) alebo vložené (duplikácie, inzercie). Zmeny, ktoré sa objavia, sa konsolidujú v nasledujúcich cykloch bunkového delenia.
Rýchlosť a počet mutácií, ktoré sa vyskytujú, závisí od primárnej štruktúry DNA. Niektorí vedci sa domnievajú, že úplne všetky sekvencie DNA sú mutagénne, ak tvoria ohyby.
Najčastejšie spontánne mutácie
Ako sa spontánne mutácie najčastejšie prejavujú v genetickom materiáli? Príkladmi takýchto stavov sú strata dusíkatých zásad a odstránenie aminokyselín. Cytozínové zvyšky sa považujú za obzvlášť citlivé na ne.
Je dokázané, že dnes má viac ako polovica stavovcov mutácie na zvyškoch cytozínu. Po deaminácii sa metylcytozín mení na tymín. Následné kopírovanie tejto časti chybu zopakuje alebo ju vymaže, prípadne zdvojnásobí a zmutuje na nový fragment.
Ďalším dôvodom častých spontánnych mutácií je veľký počet pseudogénov. Z tohto dôvodu sa počas procesu meiózy môžu vytvárať nerovnaké homológne rekombinácie. Dôsledkom toho sú prestavby v génoch, rotácie a duplikácie jednotlivých nukleotidových sekvencií.
Polymerázový model mutagenézy
Podľa tohto modelu spontánne mutácie vznikajú v dôsledku náhodných chýb v molekulách, ktoré syntetizujú DNA. Prvýkrát takýto model predstavil Bresler. Navrhol, že mutácie sa objavujú v dôsledku skutočnosti, že polymerázy v niektorých prípadoch vkladajú do sekvencie nekomplementárne nukleotidy.
Po rokoch, po dlhých testoch a experimentoch, bol tento názor schválený a prijatý vo vedeckom svete. Boli dokonca odvodené určité vzorce, ktoré vedcom umožňujú kontrolovať a riadiť mutácie vystavením určitých úsekov DNA ultrafialovému svetlu. Zistili napríklad, že adenín sa najčastejšie zavádza oproti poškodenej trojke.
Tautomerický model mutagenézy
Ďalšiu teóriu vysvetľujúcu spontánne a umelé mutácie navrhli Watson a Crick (objavitelia štruktúry DNA). Navrhli, že základom mutagenézy je schopnosť niektorých báz DNA transformovať sa na tautomérne formy, čím sa mení spôsob, akým sa bázy spájajú.
Po zverejnení sa hypotéza aktívne rozvíjala. Po ožiarení ultrafialovým svetlom boli objavené nové formy nukleotidov. Vedci tak získali nové možnosti výskumu. Moderná veda stále diskutuje o úlohe tautomérnych foriem pri spontánnej mutagenéze a jej vplyve na počet zistených mutácií.
Iné modely
Spontánna mutácia je možná, keď je narušené rozpoznávanie nukleových kyselín DNA polymerázami. Poltaev a spoluautori objasnili mechanizmus, ktorý zabezpečuje súlad s princípom komplementarity počas syntézy dcérskych molekúl DNA. Tento model umožnil študovať vzorce výskytu spontánnej mutagenézy. Vedci svoj objav vysvetlili tým, že hlavným dôvodom zmien v štruktúre DNA je syntéza nekanonických nukleotidových párov.
Predpokladali, že k zametaniu báz dochádza v dôsledku deaminácie úsekov DNA. To má za následok zmenu z cytozínu na tymín alebo uracil. V dôsledku takýchto mutácií sa vytvárajú páry nekompatibilných nukleotidov. Preto pri ďalšej replikácii nastáva prechod (bodové nahradenie nukleotidových báz).
Klasifikácia mutácií: spontánne
Existujú rôzne klasifikácie mutácií v závislosti od toho, aké konkrétne kritérium je ich základom. Existuje rozdelenie podľa povahy zmien vo funkcii génu:
Hypomorfné (mutované alely syntetizujú menej proteínov, ale sú podobné pôvodným);
- amorfný (gén úplne stratil svoje funkcie);
- antimorfný (mutovaný gén úplne zmení vlastnosť, ktorú predstavuje);
- neomorfné (objavujú sa nové znaky).
Ale bežnejšia klasifikácia je taká, ktorá rozdeľuje všetky mutácie podľa štruktúry, ktorá sa mení. Zlatý klinec:
1. Genomické mutácie. Patria sem polyploidia, teda vytvorenie genómu s trojitou alebo viac sadou chromozómov, a aneuploidia – počet chromozómov v genóme nie je násobkom toho haploidného.
2. Chromozomálne mutácie. Pozorujú sa významné prestavby jednotlivých chromozómových úsekov. Rozlišuje sa strata informácie (delecia), jej zdvojenie (duplikácia), zmena smeru nukleotidových sekvencií (inverzia) a presun chromozómových úsekov na iné miesto (translokácia).
3. Génová mutácia. Najbežnejšia mutácia. V reťazci DNA je nahradených niekoľko náhodných dusíkatých báz.
Dôsledky mutácií
Spontánne mutácie sú príčinou nádorov, dysfunkcií orgánov a tkanív ľudí a zvierat. Ak sa zmutovaná bunka nachádza vo veľkom mnohobunkovom organizme, potom s vysokou pravdepodobnosťou dôjde k jej zničeniu spustením apoptózy (programovanej bunkovej smrti). Telo riadi proces udržiavania genetického materiálu a pomocou imunitného systému sa zbavuje prípadných poškodených buniek.
V jednom prípade zo stoviek tisíc T lymfocyty nestihnú rozpoznať postihnutú štruktúru a tak vznikne klon buniek, ktoré obsahujú aj mutovaný gén. Konglomerát buniek má iné funkcie, produkuje toxické látky a negatívne ovplyvňuje celkový stav tela.
Ak sa mutácia nevyskytla v somatickej bunke, ale v reprodukčnej bunke, potom sa budú pozorovať zmeny u potomkov. Prejavujú sa ako vrodené orgánové patológie, deformity, poruchy látkovej premeny a akumulačné choroby.
Spontánne mutácie: význam
V niektorých prípadoch môžu byť mutácie, ktoré sa predtým zdali zbytočné, užitočné na prispôsobenie sa novým životným podmienkam. Toto zavádza mutáciu ako mieru prirodzeného výberu. Zvieratá, vtáky a hmyz nosia maskovacie farby, ktoré zodpovedajú ich miestu, aby sa chránili pred predátormi. Ak sa však zmení ich biotop, potom sa pomocou mutácií príroda snaží druhy chrániť pred vyhynutím. V nových podmienkach prežijú tí najschopnejší a odovzdávajú túto schopnosť iným.
Mutácia sa môže vyskytnúť v neaktívnych oblastiach genómu a potom nie sú pozorované žiadne viditeľné zmeny vo fenotype. „Porucha“ sa dá zistiť iba špecifickým výskumom. To je potrebné na štúdium pôvodu príbuzných živočíšnych druhov a zostavenie ich genetických máp.
Problém spontánnosti mutácií
V štyridsiatych rokoch minulého storočia existovala teória, že mutácie sú spôsobené výlučne expozíciou a pomáhajú sa im prispôsobiť. Na overenie tejto teórie bola vyvinutá špeciálna metóda testovania a opakovania.
Postup spočíval v tom, že sa do skúmaviek zasialo malé množstvo baktérií jedného druhu a po niekoľkých očkovaniach sa do nich pridali antibiotiká. Niektoré mikroorganizmy prežili a boli prenesené do nového média. Porovnanie baktérií z rôznych skúmaviek ukázalo, že rezistencia vznikla spontánne, pred aj po kontakte s antibiotikom.
Metóda opakovania zahŕňala prenos mikroorganizmov na vlnenú tkaninu a potom ich súčasné prenesenie na niekoľko čistých médií. Nové kolónie sa kultivovali a ošetrili antibiotikami. Výsledkom bolo, že baktérie nachádzajúce sa v rovnakých oblastiach média prežili v rôznych skúmavkách.
Aké mutácie sa nazývajú spontánne? Ak tento termín preložíme do prístupnej reči, tak ide o prirodzené chyby, ktoré vznikajú pri interakcii genetického materiálu s vnútorným a/alebo vonkajším prostredím. Takéto mutácie sú zvyčajne náhodné. Sú pozorované v reprodukčných a iných bunkách tela.
Exogénne príčiny mutácií
Spontánna mutácia môže nastať pod vplyvom chemikálií, žiarenia, vysokých alebo nízkych teplôt, riedkeho vzduchu alebo vysokého tlaku. Každý rok absorbuje človek v priemere asi jednu desatinu radov ionizujúceho žiarenia, ktoré tvorí prirodzené žiarenie pozadia. Toto číslo zahŕňa gama žiarenie zo zemského jadra, slnečný vietor a rádioaktivitu prvkov nachádzajúcich sa hlboko v zemskej kôre a rozpustených v atmosfére. Prijatá dávka závisí aj od toho, kde presne sa človek nachádza. Štvrtina všetkých spontánnych mutácií vzniká práve vďaka tomuto faktoru.
Ultrafialové žiarenie, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, hrá pri spôsobovaní poškodenia DNA menšiu úlohu, pretože nemôže preniknúť hlboko do ľudského tela. Koža ale často trpí nadmerným slnením (melanóm a iné druhy rakoviny). Jednobunkové organizmy a vírusy však pri vystavení slnečnému žiareniu mutujú. Príliš vysoké alebo nízke teploty môžu tiež spôsobiť zmeny v genetickom materiáli.
Endogénne príčiny mutácií
Hlavnými dôvodmi, pre ktoré môže dôjsť k spontánnej mutácii, zostávajú endogénne faktory. Patria sem vedľajšie produkty metabolizmu, chyby v procese replikácie, opravy alebo rekombinácie a iné.
- spontánne prechody a inverzie dusíkatých zásad;
- nesprávne usporiadanie nukleotidov v dôsledku chýb v DNA polymerázach;
- chemické nahradenie nukleotidov, napríklad guanín-cytozín adenín-guanínom.
- mutácie v génoch zodpovedné za opravu jednotlivých úsekov reťazca DNA po ich porušení vplyvom vonkajších faktorov.
- poruchy v procesoch kríženia počas meiózy alebo mitózy vedú k strate a dokončeniu báz.
Toto sú hlavné faktory spôsobujúce spontánne mutácie. Medzi príčiny porúch môže patriť aktivácia mutátorových génov, ako aj premena bezpečných chemických zlúčenín na aktívnejšie metabolity, ktoré ovplyvňujú bunkové jadro. Okrem toho existujú štrukturálne faktory. Patria sem opakovania nukleotidovej sekvencie blízko miesta preskupenia reťazca, prítomnosť ďalších úsekov DNA podobnej štruktúre ako gén, ako aj mobilné elementy genómu.
Patogenéza mutácie
K spontánnej mutácii dochádza v dôsledku vplyvu všetkých vyššie uvedených faktorov, ktoré pôsobia spoločne alebo oddelene počas určitého obdobia života bunky. Existuje taký jav ako posuvné narušenie párovania reťazcov dcérskej a materskej DNA. To často vedie k vytvoreniu slučiek peptidov, ktoré sa nedokázali adekvátne integrovať do sekvencie. Po odstránení nadbytočných úsekov DNA z dcérskeho vlákna môžu byť slučky buď resekované (delécie) alebo vložené (duplikácie, inzercie). Zmeny, ktoré sa objavia, sa konsolidujú v nasledujúcich cykloch bunkového delenia.
Rýchlosť a počet mutácií, ktoré sa vyskytujú, závisí od primárnej štruktúry DNA. Niektorí vedci sa domnievajú, že úplne všetky sekvencie DNA sú mutagénne, ak tvoria ohyby.
Najčastejšie spontánne mutácie
Prečo sa v genetickom materiáli najčastejšie objavujú spontánne mutácie? Príkladmi takýchto stavov sú strata dusíkatých zásad a odstránenie aminokyselín. Cytozínové zvyšky sa považujú za obzvlášť citlivé na ne. Je dokázané, že dnes má viac ako polovica stavovcov mutácie na zvyškoch cytozínu. Po deaminácii sa metylcytozín mení na tymín. Ďalšie kopírovanie tejto časti chybu zopakuje alebo ju vymaže, prípadne zdvojnásobí a zmutuje na nový fragment. Za ďalší dôvod častých spontánnych mutácií sa považuje veľký počet pseudogénov. Z tohto dôvodu sa počas procesu meiózy môžu vytvárať nerovnomerné homológne rekombinácie. Dôsledkom toho sú prestavby v génoch, rotácie a duplikácia jednotlivých nukleotidových sekvencií.
Polymerázový model mutagenézy
Podľa tohto modelu spontánne mutácie vznikajú v dôsledku náhodných chýb v molekulách, ktoré syntetizujú DNA. Prvýkrát takýto model predstavil Bresler. Navrhol, že mutácie sa objavujú v dôsledku skutočnosti, že polymerázy v niektorých prípadoch vkladajú do sekvencie nekomplementárne nukleotidy. Po rokoch, po dlhých testoch a experimentoch, bol tento názor schválený a prijatý vo vedeckom svete. Boli dokonca odvodené určité vzorce, ktoré vedcom umožňujú kontrolovať a riadiť mutácie vystavením určitých úsekov DNA ultrafialovému svetlu. Zistili napríklad, že adenín sa najčastejšie zavádza oproti poškodenej trojke.
Tautomerický model mutagenézy
Ďalšiu teóriu, ktorá vysvetľuje spontánne a umelé mutácie, navrhli Watson a Crick (objavitelia štruktúry DNA). Navrhli, že mutagenéza je založená na schopnosti niektorých báz DNA premeniť sa na tautomérne formy, ktoré menia spôsob, akým sa bázy spájajú.
Po zverejnení sa hypotéza aktívne rozvíjala. Po ultrafialovom ožiarení boli objavené nové formy nukleotidov. Vedci tak získali nové možnosti výskumu. Moderná veda stále diskutuje o úlohe tautomérnych foriem v spontánnej mutagenéze a jej vplyve na počet identifikovaných mutácií.
Iné modely
Spontánna mutácia je možná, keď je narušené rozpoznávanie nukleových kyselín DNA polymerázami. Poltaev a spoluautori objasnili mechanizmus, ktorý zabezpečuje súlad s princípom komplementarity počas syntézy dcérskych molekúl DNA. Tento model umožnil študovať vzorce spontánnej mutagenézy. Vedci svoj objav vysvetlili tým, že hlavným dôvodom zmien v štruktúre DNA je syntéza nekanonických nukleotidových párov. Predpokladali, že k zametaniu báz dochádza prostredníctvom deaminácie úsekov DNA. To má za následok zmenu z cytozínu na tymín alebo uracil. V dôsledku takýchto mutácií sa vytvárajú páry nekompatibilných nukleotidov. Preto pri ďalšej replikácii nastáva prechod (bodové nahradenie nukleotidových báz).
Klasifikácia mutácií: spontánne
Existujú rôzne klasifikácie mutácií v závislosti od toho, aké konkrétne kritérium je ich základom. Existuje delenie na základe charakteru zmeny funkcie génu: - hypomorfné (mutované alely syntetizujú menej proteínov, ale sú podobné pôvodným);
- amorfný (gén úplne stratil svoje funkcie);
- antimorfný (zmutovaný gén úplne zmení znak, ktorý predstavuje);
- neomorfné (objavujú sa nové znaky). Ale bežnejšia klasifikácia je taká, ktorá rozdeľuje všetky mutácie proporcionálne podľa variabilnej štruktúry. Existujú: 1. Genomické mutácie. Patria sem polyploidia, teda vytvorenie genómu s trojitou alebo viac sadou chromozómov, a aneuploidia – počet chromozómov v genóme nie je násobkom toho haploidného.
2. Chromozomálne mutácie. Pozorujú sa významné prestavby jednotlivých chromozómových úsekov. Dochádza k strate informácie (delecia), zdvojeniu (duplikácii), zmene smeru nukleotidových sekvencií (inverzia), ako aj k obráteniu chromozómových úsekov na iné miesto (translokácia).
3. Génová mutácia. Najbežnejšia mutácia. V reťazci DNA je nahradených niekoľko náhodných dusíkatých báz.
Dôsledky mutácií
Spontánne mutácie sú príčinou nádorov, úložísk, dysfunkcií orgánov a tkanív ľudí a zvierat. Ak sa zmutovaná bunka nachádza vo veľkom mnohobunkovom organizme, potom s vysokou pravdepodobnosťou dôjde k jej zničeniu spustením apoptózy (programovanej bunkovej smrti). Telo riadi proces uchovávania genetického materiálu a pomocou imunitného systému sa zbavuje prípadných poškodených buniek. V jednom prípade zo stoviek tisíc T lymfocyty nestihnú rozpoznať postihnutú štruktúru a tak vznikne klon buniek, ktoré obsahujú aj mutovaný gén. Konglomerát buniek má iné funkcie, produkuje toxické látky a negatívne ovplyvňuje celkový stav tela. Ak sa mutácia nevyskytla v somatickej bunke, ale v reprodukčnej bunke, potom sa budú pozorovať zmeny u potomkov. Ukázalo sa, že ide o vrodené orgánové patológie, deformácie, metabolické poruchy a choroby skladovania.
Spontánne mutácie:
V niektorých prípadoch môžu byť mutácie, ktoré sa predtým zdali zbytočné, užitočné na prispôsobenie sa novým životným podmienkam. Toto zavádza mutáciu ako mieru prirodzeného výberu. Zvieratá, vtáky a hmyz nosia maskovacie farby, ktoré zodpovedajú ich miestu, aby sa chránili pred predátormi. Ak sa však zmení ich biotop, potom sa pomocou mutácií príroda snaží druhy chrániť pred vyhynutím. V nových podmienkach prežijú tí najschopnejší a odovzdávajú túto schopnosť iným. Mutácia sa môže vyskytnúť v neaktívnych oblastiach genómu a potom nie sú pozorované žiadne viditeľné zmeny vo fenotype. „Rozpad“ možno identifikovať iba pomocou špecifických štúdií. Je to nevyhnutné pre štúdium pôvodu a príbuzných druhov zvierat a zostavovanie ich genetických máp.
Problém spontánnosti mutácií
V štyridsiatych rokoch minulého storočia existovala teória, že mutácie sú spôsobené výlučne vplyvom vonkajších faktorov a pomáhajú sa im prispôsobiť. Na overenie tejto teórie bola vyvinutá špeciálna metóda testovania a opakovania. Postup bol taký, že sa do skúmaviek zasialo malé množstvo baktérií jedného druhu a po niekoľkých naočkovaniach sa do nich pridali antibiotiká. Niektoré mikroorganizmy prežili a boli prenesené do nového média. Porovnanie baktérií z rôznych skúmaviek ukázalo, že rezistencia vznikla spontánne, pred aj po kontakte s antibiotikom. Metódou opakovania bolo prenesenie mikroorganizmov na vlnenú tkaninu a ich následné prenesenie do niekoľkých čistých médií. Nové kolónie sa kultivovali a ošetrili antibiotikami. Výsledkom bolo, že baktérie nachádzajúce sa v rovnakých oblastiach média prežili v rôznych skúmavkách.
Prvýkrát zvýšenie frekvencie dedičnej variability pod vplyvom vonkajších činiteľov objavili v roku 1925 sovietski mikrobiológovia G.A. Nadson a G.S. Filippov. Pozorovali nárast rozmanitosti dedičných foriem - salypants- po vystavení „rádiovým lúčom“ na nižších hubách.
V roku 1927 informoval G. Möller o vplyve röntgenových lúčov na proces mutácie u Drosophila. Niektoré zlúčeniny (jód, kyselina octová, amoniak) sú schopné vyvolať recesívne letály v chromozóme L. V roku 1939 S.M. Gershenzon objavil silný mutagénny účinok exogénnej DNA u Drosophila. Silné chemické mutagény boli objavené v roku 1946. I.A. Rapoport (etylénimín) v ZSSR a S. Auerbach a J. Robson (dusík horčica) v Anglicku.
Odvtedy arzenál mutagénnych faktorov zahŕňa množstvo chemických zlúčenín: analógy báz, ktoré sú začlenené priamo do DNA, činidlá ako kyselina dusitá alebo hydroxylamín, modifikujúce bázy, zlúčeniny, ktoré alkylujú DNA (etylmetánsulfonát, metylmetánsulfonát atď. ), zlúčeniny, ktoré interkalujú medzi bázami DNA (akridíny a ich deriváty) atď.
Spolu s mutagénmi sa našli aj antimutagénne látky.
Schopnosť zmeniť rýchlosť mutačného procesu slúžila ako rozhodujúci stimul na objasnenie príčin spontánnych mutácií. Jeden z prvých pokusov o vysvetlenie príčin spontánnych mutácií vychádzal z predpokladu, že boli skutočne vyvolané prirodzeným pozadím rádioaktivity. Ukázalo sa však, že týmto spôsobom možno vysvetliť výskyt len asi 0,1 % všetkých spontánnych mutácií u Drosophila. Nepotvrdila sa ani hypotéza o tepelnom pohybe atómov ako hlavnej príčine spontánnych mutácií. Boli pokusy vysvetliť spontánne mutácie ako výsledok pôsobenia metabolických produktov bunky a organizmu.
Moderný pohľad na príčiny spontánnych mutácií sa vytvoril v 60. rokoch 20. storočia. vďaka štúdiu mechanizmov reprodukcie, opravy a rekombinácie génov a objavu enzýmových systémov zodpovedných za tieto procesy. Existuje tendencia vysvetľovať génové mutácie ako chyby vo fungovaní templátových enzýmov DNA. Táto hypotéza je v súčasnosti všeobecne akceptovaná. Atraktívnosť hypotézy spočíva aj v tom, že umožňuje uvažovať o indukovanom mutačnom procese ako výsledku zásahu vonkajších faktorov do normálnej reprodukcie nositeľov genetickej informácie, teda poskytuje jednotné vysvetlenie príčin spontánnych a indukované mutácie. Rozvoj teórie mutačného procesu výrazne ovplyvnilo štúdium jeho genetickej kontroly. Boli objavené gény, ktorých mutácie môžu zvýšiť alebo znížiť frekvenciu spontánnych aj indukovaných mutácií. Potvrdzuje sa tak existencia spoločných príčin indukovaných a spontánnych mutačných procesov.
Prvé vysvetlenie mechanizmu mutačných zmien (génových mutácií a chromozomálnych aberácií) navrhol v roku 1935 N.V. Timofeev-Resovsky, K. Zimmer a M. Delbrück na základe analýzy radiačnej mutagenézy u vyšších organizmov, predovšetkým u Drosophila. Mutácia bola považovaná za výsledok okamžitého preskupenia atómov v komplexnej génovej molekule. Za dôvod takejto reštrukturalizácie sa považoval priamy vstup kvantovej alebo ionizujúcej častice do génu (princíp vstupu) alebo náhodné vibrácie atómov. Následné zistenie vplyvu dôsledkov ionizujúceho žiarenia ukázalo, že mutácie vznikajú ako výsledok procesu, ktorý trvá v čase, a nie priamo v momente prechodu energetického kvanta alebo ionizujúcej častice cez gén.
