Jakie mutacje nazywamy spontanicznymi? Jeśli przetłumaczymy ten termin na przystępny język, to są to naturalne błędy, które pojawiają się w procesie interakcji materiału genetycznego ze środowiskiem wewnętrznym i/lub zewnętrznym. Takie mutacje są zwykle losowe. Są obserwowane w narządach płciowych i innych komórkach ciała.
Egzogenne przyczyny mutacji
Spontaniczna mutacja może wystąpić pod wpływem chemikaliów, promieniowania, wysokich lub niskich temperatur, rozrzedzonego powietrza lub wysokiego ciśnienia.
Każdego roku, średnio, osoba pochłania około jednej dziesiątej radu promieniowania jonizującego, które stanowi naturalne tło promieniowania. Liczba ta obejmuje promieniowanie gamma z jądra Ziemi, wiatr słoneczny i radioaktywność pierwiastków znajdujących się w grubości skorupy ziemskiej i rozpuszczonych w atmosferze. Otrzymana dawka zależy również od tego, gdzie dana osoba się znajduje. Jedna czwarta wszystkich spontanicznych mutacji ma miejsce z powodu tego czynnika.
Promieniowanie UV, wbrew powszechnemu przekonaniu, odgrywa niewielką rolę wwystępowanie rozpadów DNA, ponieważ nie może ono wniknąć wystarczająco głęboko w ludzkie ciało. Ale skóra często cierpi z powodu nadmiernej ekspozycji na słońce (czerniak i inne nowotwory). Jednak organizmy jednokomórkowe i wirusy mutują pod wpływem światła słonecznego.
Zbyt wysokie lub niskie temperatury mogą również powodować zmiany w materiale genetycznym.
Endogenne przyczyny mutacji
Główne powody, dla których może wystąpić spontaniczna mutacja, pozostają czynnikami endogennymi. Należą do nich produkty uboczne metabolizmu, błędy w procesie replikacji, naprawy lub rekombinacji i inne.
-
Niepowodzenia replikacji:
- spontaniczne przejścia i inwersje zasad azotowych;
- nieprawidłowe wstawienie nukleotydów z powodu błędów w polimerazach DNA;- chemiczne zastępowanie nukleotydów, na przykład guanina-cytozyna do adenina-guanina.
- Błędy przywracania:-mutacje w genach odpowiedzialnych za naprawę poszczególnych odcinków łańcucha DNA po ich zerwaniu pod wpływem czynników zewnętrznych.
- Problemy z rekombinacją:- niepowodzenia w procesach przejścia podczas mejozy lub mitozy prowadzą do utraty i uzupełnienia zasad.
Są to główne czynniki, które powodują spontaniczne mutacje. Przyczyny niepowodzeń mogą leżeć w aktywacji genów mutatorowych, a także konwersji bezpiecznych związków chemicznych w bardziej aktywne metabolity, które wpływają na jądro komórkowe. Ponadto istnieją również czynniki strukturalne. Należą do nich powtórzenia sekwencji nukleotydowej w pobliżu miejscarearanżacje łańcuchów, obecność dodatkowych odcinków DNA o strukturze podobnej do genu, a także ruchomych elementów genomu.
Patogeneza mutacji
Spontaniczna mutacja występuje w wyniku działania wszystkich powyższych czynników działających razem lub osobno w pewnym okresie życia komórki. Istnieje takie zjawisko, jak przesuwające się naruszenie parowania nici DNA córki i matki. W rezultacie pętle są często tworzone z peptydów, które nie były w stanie odpowiednio dopasować się do sekwencji. Po usunięciu nadmiaru fragmentów DNA z nici potomnej pętle można zarówno wycinać (delecje), jak i wbudowywać (duplikacje, insercje). Zmiany, które się pojawiły, są utrwalane w kolejnych cyklach podziału komórek.
Częstotliwość i liczba występujących mutacji zależy od pierwotnej struktury DNA. Niektórzy naukowcy uważają, że absolutnie wszystkie sekwencje DNA są mutagenne, jeśli tworzą zgięcia.
Najczęstsze spontaniczne mutacje
Jaka jest najczęstsza manifestacja spontanicznych mutacji w materiale genetycznym? Przykładami takich warunków jest utrata zasad azotowych i usuwanie aminokwasów. Reszty cytozyny są uważane za szczególnie wrażliwe na nie.
Udowodniono, że obecnie ponad połowa kręgowców ma mutację reszt cytozyny. Po deaminacji metylocytozyna zamienia się w tyminę. Kolejne kopiowanie tej sekcji powtarza błąd lub go usuwa lub podwaja imutuje w nowy fragment.
Kolejnym powodem częstych spontanicznych mutacji jest duża liczba pseudogenów. Z tego powodu podczas mejozy mogą powstawać nierówne rekombinacje homologiczne. Powoduje to rearanżacje genów, zwroty i podwojenia poszczególnych sekwencji nukleotydowych.
Polimerazowy model mutagenezy
Zgodnie z tym modelem spontaniczne mutacje występują w wyniku przypadkowych błędów w molekułach, które syntetyzują DNA. Po raz pierwszy taki model zaprezentował Bresler. Zasugerował, że mutacje pojawiają się ze względu na fakt, że polimerazy w niektórych przypadkach wstawiają do sekwencji niekomplementarne nukleotydy.
Lata później, po długich testach i eksperymentach, ten punkt widzenia został zatwierdzony i zaakceptowany w świecie naukowym. Wydedukowano nawet pewne wzorce, które pozwalają naukowcom kontrolować i kierować mutacjami poprzez wystawianie pewnych odcinków DNA na działanie światła ultrafioletowego. Na przykład stwierdzono, że adenina jest najczęściej osadzona naprzeciw uszkodzonej trójki.
Tautomeryczny model mutagenezy
Inną teorię wyjaśniającą spontaniczne i sztuczne mutacje zaproponowali Watson i Crick (odkrywcy struktury DNA). Zasugerowali, że mutageneza opiera się na zdolności niektórych zasad DNA do przekształcania się w formy tautomeryczne, które zmieniają sposób połączenia zasad.
Po publikacji hipoteza została aktywnie rozwinięta. Nowe formy nukleotydów odkryto ponapromieniowanie ich światłem ultrafioletowym. Dało to naukowcom nowe możliwości badawcze. Współczesna nauka wciąż debatuje nad rolą form tautomerycznych w spontanicznej mutagenezie i jej wpływem na liczbę wykrywanych mutacji.
Inne modele
Możliwa jest samoistna mutacja z naruszeniem rozpoznawania kwasów nukleinowych przez polimerazy DNA. Połtajew i współautorzy wyjaśnili mechanizm zapewniający zgodność z zasadą komplementarności w syntezie potomnych cząsteczek DNA. Model ten umożliwił badanie prawidłowości pojawiania się spontanicznej mutagenezy. Naukowcy tłumaczyli swoje odkrycie faktem, że głównym powodem zmiany struktury DNA jest synteza niekanonicznych par nukleotydów.
Zasugerowali, że podstawienie zasad następuje z powodu deaminacji segmentów DNA. Prowadzi to do zmiany cytozyny na tyminę lub uracyl. Z powodu takich mutacji powstają pary niekompatybilnych nukleotydów. Dlatego podczas następnej replikacji następuje przejście (punktowa wymiana zasad nukleotydowych).
Klasyfikacja mutacji: spontaniczna
Istnieją różne klasyfikacje mutacji w zależności od tego, które kryterium jest ich podstawą. Istnieje podział według charakteru zmiany funkcji genu:
- hipomorficzny (zmutowane allele syntetyzują mniej białek, ale są one podobne do oryginalnych);
- amorficzny (gen całkowicie utracił swoje funkcje);
- antymorficzny (gen zmutowany gen całkowicie zmienia tę cechę, która reprezentuje);- neomorficzny (pojawiają się nowe znaki).
Ale bardziej powszechna klasyfikacja, która dzieli wszystkie mutacje proporcjonalnie do zmiennejStruktura. Podświetl:
1. Mutacje genomowe. Należą do nich poliploidia, czyli tworzenie genomu z potrójnym lub więcej zestawami chromosomów, oraz aneuploidia, czyli liczba chromosomów w genomie nie będąca wielokrotnością liczby haploidów.
2. Mutacje chromosomowe. Obserwuje się znaczne przegrupowania poszczególnych odcinków chromosomów. Następuje utrata informacji (delecja), jej podwojenie (duplikacja), zmiana kierunku sekwencji nukleotydowych (inwersja), a także przeniesienie fragmentów chromosomu w inne miejsce (translokacja).3. Mutacja genów. Najczęstsza mutacja. W łańcuchu DNA kilka przypadkowych zasad azotowych zostaje zastąpionych.
Konsekwencje mutacji
Spontaniczne mutacje są przyczyną nowotworów, chorób spichrzeniowych, dysfunkcji narządów i tkanek u ludzi i zwierząt. Jeśli zmutowana komórka znajduje się w dużym organizmie wielokomórkowym, to z dużym prawdopodobieństwem zostanie zniszczona przez wywołanie apoptozy (programowanej śmierci komórki). Organizm kontroluje proces zachowania materiału genetycznego i przy pomocy układu odpornościowego pozbywa się wszystkich możliwych uszkodzonych komórek.
W jednym przypadku na setki tysięcy limfocyty T nie mają czasu na rozpoznanie uszkodzonej struktury, co powoduje powstanie klonu komórek, które również zawierają zmutowany gen. Konglomerat komórek pełni już inne funkcje, wytwarza substancje toksyczne i negatywnie wpływa na ogólny stan organizmu.
Jeżeli mutacja wystąpiła nie w komórce somatycznej, ale w komórce zarodkowej, zmiany będą obserwowane u potomków. Oni sąobjawiają się wrodzonymi patologiami narządów, deformacjami, zaburzeniami metabolicznymi i chorobami spichrzania.
Spontaniczne mutacje: znaczenie
W niektórych przypadkach wcześniej pozornie bezużyteczne mutacje mogą być przydatne w adaptacji do nowych warunków życia. Przedstawia to mutację jako miarę doboru naturalnego. Zwierzęta, ptaki i owady są zakamuflowane zgodnie z ich obszarem zamieszkania, aby chronić się przed drapieżnikami. Ale jeśli zmieni się ich siedlisko, to za pomocą mutacji natura próbuje chronić gatunek przed wyginięciem. W nowych warunkach najsilniejsi przetrwają i przekazują tę umiejętność innym.
W nieaktywnych regionach genomu może wystąpić mutacja, w wyniku której nie obserwuje się żadnych widocznych zmian w fenotypie. Możliwe jest wykrycie „złamania” tylko za pomocą określonych badań. Jest to konieczne do zbadania pochodzenia pokrewnych gatunków zwierząt i sporządzenia ich map genetycznych.
Problem spontaniczności mutacji
W latach 40. ubiegłego wieku istniała teoria, że mutacje są spowodowane wyłącznie wpływem czynników zewnętrznych i pomagają przystosować się do nich. Aby przetestować tę teorię, opracowano specjalną metodę testowania i powtarzania.
Procedura polegała na tym, że niewielką ilość bakterii tego samego gatunku wysiano na probówki i po kilkukrotnym zaszczepieniu dodano do nich antybiotyki. Część drobnoustrojów przeżyła i została przeniesiona do nowej pożywki. Porównanie bakterii z różnych probówek wykazało, że pojawiła się opornośćspontanicznie, zarówno przed, jak i po ekspozycji na antybiotyki.
Metoda powtórzeń polegała na tym, że mikroorganizmy zostały przeniesione na wełnistą szmatkę, a następnie przeniesione jednocześnie na kilka czystych pożywek. Nowe kolonie hodowano i leczono antybiotykiem. W rezultacie bakterie znajdujące się w tych samych częściach podłoża przeżyły w różnych probówkach.
