Spontánne mutácie, mechanizmy ich vzniku. Indukované mutácie Príklady spontánnych mutácií
Spontánna mutácia
Mutácie.
Vírusy, ako všetky živé organizmy, sa vyznačujú dedičnosťou a variabilitou. Skorý výskum genetiky živočíšnych vírusov zahŕňal predovšetkým zber a následnú genetickú a fyziologickú charakterizáciu vírusových mutantov. Vírusové mutanty sa nedávno používali ako špecifické nástroje na štúdium genetických a biochemických udalostí vyskytujúcich sa v infikovanej bunke. Práca tohto druhu so zvieracími vírusmi vo všeobecnosti zaostávala za podobnou prácou na prokaryotických systémoch.
Niektoré vírusy produkujú významný podiel mutantov, keď sú pasážované v neprítomnosti akýchkoľvek známych mutagénov. Tieto spontánne mutácie sa hromadia vo vírusových genómoch a vedú k fenotypovej variácii, ktorá je počas vírusovej evolúcie vystavená selektívnemu tlaku.
Rýchlosť spontánnej mutagenézy v DNA genómoch je výrazne nižšia (10-8 - 10-11 pre každý zahrnutý nukleotid) ako v RNA genómoch (10-3 - 10-4 pre každý zahrnutý nukleotid). Vyššia frekvencia spontánnych mutácií je spojená s nízkou presnosťou replikácie RNA genómov, čo je pravdepodobne spôsobené nedostatkom korekčnej aktivity v RNA replikázach, charakteristických pre enzýmy, ktoré replikujú DNA. Najčastejšie sa u retrovírusov pozorujú spontánne mutácie, čo je spojené s vyššou frekvenciou porúch reverznej transkripcie, ktoré nie sú schopné samokorekcie.
Zatiaľ čo genómy DNA vírusov sú relatívne stabilné, to isté sa nedá povedať o RNA vírusoch, bohužiaľ pre genetikov množstvo faktorov stimuluje nerovnováhu v populácii genómov a tieto faktory často prispievajú k hromadeniu mutantov v populácii . V dôsledku spontánnej mutagenézy je ťažké udržať homogenitu vírusovej populácie. Aby sa tento problém obišiel, vírusy sa periodicky reklonujú, ale mutanty často vznikajú tak počas tvorby plakov, ako aj počas rastu vírusu, takže môže byť ťažké získať geneticky homogénne vírusové prípravky s vysokým titrom.
Indukované mutácie vo vírusoch sa získavajú pôsobením rôznych chemických a fyzikálnych mutagénov, ktoré sa delia na tie, ktoré pôsobia in vivo a in vitro.
Väčšina mutantov izolovaných vo výskume zvieracích vírusov pochádza z populácií divokého typu ošetrených mutagénmi. Mutagény sa zvyčajne používajú na zvýšenie frekvencie mutácií v populácii, potom sa mutanty skrínujú pomocou vhodného selektívneho tlaku. Hlavným problémom spojeným s použitím mutagénov je výber vhodnej dávky. Vo všeobecnosti je žiaduce získať mutanty, ktoré sa líšia od divokého typu iba jednou mutáciou. Na tento účel sa uskutočňuje selekcia pri najnižšej dávke mutagénu, ktorá poskytuje dostatočnú frekvenciu mutácií s požadovaným fenotypom.
Vo zvieracích vírusových systémoch bolo použitých veľa rôznych mutagénov, ale všetky spadajú do malého počtu tried definovaných mechanizmom mutagenézy.
Jedna trieda mutagénov, zvyčajne nazývaná in vitro mutagény, pôsobí chemickou modifikáciou nukleovej kyseliny obsiahnutej vo vírusovej častici. Kyselina dusitá deaminuje zásady, predovšetkým adenín, za vzniku hypoxantínu, ktorý sa pri následnej replikácii páruje s cytozínom. V dôsledku pôsobenia kyseliny dusnej na adenín dochádza k prechodu z páru AT na pár GC. Kyselina dusitá tiež deaminuje cytozín, čo vedie k prechodu CG->-TA. Ďalším in vitro mutagénom je hydroxylamín; špecificky reaguje len s cytozínom a spôsobuje prechod CG->-TA. Veľkú triedu mutagénov in vitro predstavujú alkylačné činidlá, ktoré pôsobia na mnohých pozíciách báz. Alkylačné činidlá - nitrózoguanidín, etánmetánsulfonát a metylmetánsulfonát - sú silné mutagény.
Druhá trieda zahŕňa in vivo mutagény, ktoré na svoj účinok vyžadujú metabolicky aktívnu nukleovú kyselinu.
Jedna skupina in vivo mutagénov obsahuje analógy báz, ktoré sú inkorporované do nukleovej kyseliny počas syntézy podľa pravidiel normálneho párovania. Po zapnutí sú tieto analógy schopné podstúpiť tautomérne prechody, ktoré ich vedú k párovaniu s rôznymi bázami, čo spôsobuje prechody a transverzie. Analógy, ktoré sa často používajú, sú 2-aminopurín, 5-brómdeoxyuridín a 5-azacytidín.
Ďalšia skupina in vivo mutagénov zahŕňa interkalačné činidlá, ktoré sa vkladajú do základnej vrstvy, čo vedie k inzerciám alebo deléciám počas následnej replikácie nukleovej kyseliny.
Príkladmi interkalačných činidiel sú akridínové farbivá, ako je proflavín.
Ultrafialové svetlo sa tiež niekedy používa ako mutagén. Hlavnými produktmi ultrafialového pôsobenia sú pyrimidínové diméry. V DNA sú pyrimidínové diméry vyrezané. Pre RNA nie je známy mechanizmus ultrafialovej mutagenézy.
Väčšina mutácií má vlastnosť návratu (reverzie) k divokému typu. Každá mutácia má charakteristickú reverznú frekvenciu, ktorú možno presne zmerať.
Klasifikácia vírusových mutácií.
Vírusové mutácie sú klasifikované podľa zmien fenotypu a genotypu. Na základe fenotypových prejavov sú vírusové mutácie rozdelené do štyroch skupín:
· Mutácie, ktoré nemajú fenotypové prejavy.
· Smrteľné mutácie, t.j. úplne narúša syntézu alebo funkciu životne dôležitých bielkovín a vedie k strate reprodukčnej schopnosti. Mutácia je smrteľná, ak napríklad naruší syntézu alebo funkciu životne dôležitého proteínu špecifického pre vírus, ako je vírusová polymeráza.
· Podmienečne letálne mutácie, t.j. mutácie, ktoré spôsobujú stratu schopnosti syntetizovať konkrétny proteín alebo narušujú jeho funkciu len za určitých podmienok. V niektorých prípadoch sú mutácie podmienečne smrteľné, pretože proteín špecifický pre vírus si zachováva svoje funkcie za určitých optimálnych podmienok a stráca túto schopnosť za nepermisívnych podmienok. Typickým príkladom takýchto mutácií sú mutácie citlivé na teplotu (ts), pri ktorých vírus stráca schopnosť reprodukovať sa pri zvýšených teplotách (39-42 °C), pričom si túto schopnosť zachováva pri normálnych teplotách rastu (36-37 °C).
· Mutácie, ktoré majú fenotypový prejav, napríklad zmeny veľkosti plakov pod agarovým povlakom alebo termostabilitu, zmeny v spektre hostiteľa, rezistenciu na inhibítory a chemoterapiu.
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.
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 tvorí jeden gén, 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. Mucorgenevensis 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 - , , ; UV lúče, infračervené lúče) spôsobujú mutácie. Nazývajú sa fyzikálne mutagény.
Základnémechanizmov 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 metabolitovľudské 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) mobilná genetikaprvkov.
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 B 12 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.
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. Vedcom to poskytlo 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.
Mutačný proces je charakterizovaný frekvenciou mutácií a smerom génovej mutácie.
Frekvencia mutácií je jedným z určujúcich znakov každého druhu zvierat, rastlín a mikroorganizmov: niektoré druhy majú vyššiu mutačnú variabilitu ako iné. Tieto rozdiely sú spôsobené vplyvom mnohých faktorov všeobecného a osobitného významu: genotypová štruktúra druhu, stupeň jeho prispôsobenia sa podmienkam prostredia, miesto jeho rozšírenia, sila prírodných faktorov atď. organizmus je od vplyvu vonkajšieho prostredia, procesy v ňom prebiehajúce chemické procesy spojené s metabolizmom môžu byť príčinou spontánnej mutačnej variability. Pod týmto pojmom skrývame neznalosť konkrétnych príčin mutácií.
V súčasnosti stále neexistuje úplné pochopenie frekvencie mutácií na generáciu. Vysvetľuje to skutočnosť, že mutácie sú extrémne rôznorodé vo fenotypovom prejave aj genetickej determinácii a metódy na ich zaznamenávanie sú nedokonalé; Len vo vzťahu k premenlivosti jednotlivých lokusov možno urobiť viac či menej presné posúdenie. Spravidla súčasne mutuje len jeden z členov alelického páru, čo sa vysvetľuje vzácnosťou samotnej mutácie; súčasná mutácia oboch členov je nepravdepodobná udalosť.
Stanovené všeobecné vzorce frekvencie spontánnych mutácií sa zmenšujú na tieto body:
- rôzne gény v rovnakom genotype mutujú v rôznych frekvenciách;
- Podobné gény v rôznych genotypoch mutujú rôznou rýchlosťou.
Tieto dve ustanovenia sú znázornené v tabuľkách.
Prvý z nich ukazuje frekvenciu mutácií rôznych génov na príklade kukurice, druhý porovnáva mutáciu génov u rôznych druhov zvierat, rastlín a ľudí a v kukurici - mutáciu rovnakých génov v rôznych líniách s rôznymi genotypmi.
Takže rôzne gény mutujú na rôznych frekvenciách, to znamená, že existujú premenlivé a stabilné gény. Každý gén mutuje pomerne zriedkavo, ale keďže počet génov v genotype môže byť obrovský, celková frekvencia mutácií rôznych génov sa ukazuje ako dosť vysoká. Pre Drosophila tento výpočet ukazuje jednu mutáciu na približne 100 gamét na generáciu. Takéto výpočty však ešte nie sú veľmi presné, pretože v skutočnosti nie je možné rozlíšiť jedinú zmenu v lokuse od zložitých malých reorganizácií v chromozómoch; Okrem toho je veľmi ťažké vytvoriť simultánne mutácie v rôznych chromozómoch v tej istej bunke.
Na základe vzácnosti samotnej udalosti – génovej mutácie, je potrebné vysvetliť aj fakt, že mutácia býva pozorovaná len v jednom z lokusov. Genetika nepozná jediný spoľahlivý fakt o súčasnej mutácii dvoch alel v homológnych chromozómoch. Ale je možné, že sa to vysvetľuje samotným mechanizmom mutácie.
Dôvody spontánnych génových mutácií nie sú ani zďaleka jasné. Jedným z hlavných dôvodov spôsobujúcich rôznu mieru mutácií je samotný genotyp. Rovnaký gén R r v dvoch líniách kukurice mutuje na r r rôznymi spôsobmi: v jednom - s frekvenciou 6,2 a v druhom - 18,2 na 10 000 gamét. Zistilo sa tiež, že frekvencia letálnych mutácií v rôznych líniách Drosophila je odlišná.
Prostredníctvom selekcie je možné vytvárať línie, ktoré budú mať rôzne spontánne premenlivosti. Podporuje to aj fakt, že existujú špeciálne gény – mutátory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť mutácie iných génov. Napríklad v kukurici sa v blízkosti ľavého konca krátkeho ramena chromozómu IX nachádza lokus Dt, ktorý ovplyvňuje mutabilitu lokusu A, ktorý sa nachádza v dlhom ramene chromozómu III. Stále však nie je celkom jasné, čo je lokus Dt. Možno je to nejaký druh chromozomálneho preskupenia.
Vplyv genotypu na spontánnu mutabilitu jednotlivého génu sa prejavuje aj pri hybridizácii. Existujú náznaky, že frekvencia mutácií na rovnakom lokuse je vyššia v hybridných organizmoch ako v pôvodných formách.
Proces spontánnej mutácie je tiež spôsobený fyziologickým stavom a biochemickými zmenami v bunkách.
Napríklad M. S. Navashin a G. Stubbe ukázali, že počas procesu starnutia semien pri niekoľkoročnom skladovaní sa výrazne zvyšuje frekvencia mutácií, najmä takých, ako sú chromozomálne prestavby. Podobný jav sa pozoruje vo vzťahu k frekvencii letálnych mutácií u Drosophila počas skladovania spermií v semenných nádobách samíc. Tieto druhy faktov naznačujú, že spontánna génová mutácia závisí od fyziologických a biochemických zmien v bunke spojených s vonkajšími podmienkami.
Jednou z možných príčin spontánnej mutácie môže byť nahromadenie v genotype mutácií blokujúcich biosyntézu určitých látok, v dôsledku čoho dôjde k nadmernej akumulácii prekurzorov takých látok, ktoré môžu ovplyvniť zmeny génov. Táto hypotéza je prístupná experimentálnemu testovaniu.
Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.
