Aké mutácie sa nazývajú spontánne? Ak tento výraz preložíme do dostupného jazyka, ide o prirodzené chyby, ktoré sa vyskytujú v procese interakcie genetického materiálu s vnútorným a / alebo vonkajším prostredím. Takéto mutácie sú zvyčajne náhodné. Sú pozorované v pohlavných a iných bunkách tela.
Exogénne príčiny mutácií
Spontánna mutácia môže nastať pod vplyvom chemikálií, žiarenia, vysokých alebo nízkych teplôt, riedeného vzduchu alebo vysokého tlaku.
Každý rok človek absorbuje v priemere asi jednu desatinu radov ionizujúceho žiarenia, ktoré tvorí prirodzené pozadie žiarenia. Toto číslo zahŕňa gama žiarenie zo zemského jadra, slnečný vietor a rádioaktivitu prvkov nachádzajúcich sa v hrúbke zemskej kôry a rozpustených v atmosfére. Prijatá dávka závisí aj od toho, kde sa človek nachádza. Štvrtina všetkých spontánnych mutácií je spôsobená týmto faktorom.
UV žiarenie, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, hrá vedľajšiu úlohuvýskyt rozpadov DNA, pretože nemôže preniknúť dostatočne hlboko do ľudského tela. Koža však 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, prečo môže dôjsť k spontánnej mutácii, zostávajú endogénne faktory. Patria sem metabolické vedľajšie produkty, chyby v procese replikácie, opravy alebo rekombinácie a iné.
-
Zlyhania replikácie:
- spontánne prechody a inverzie dusíkatých báz;
- nesprávne vloženie nukleotidov v dôsledku chýb v DNA polymerázach;- chemické nahradenie nukleotidov, napríklad guanín-cytozín na adenín-guanín.
- Chyby obnovy:-mutácie v génoch zodpovedných za opravu jednotlivých úsekov reťazca DNA po ich porušení vplyvom vonkajších faktorov.
- Problémy s rekombináciou:- zlyhania v procesoch kríženia počas meiózy alebo mitózy vedú k strate a dobudovaniu báz.
Toto sú hlavné faktory, ktoré spôsobujú spontánne mutácie. Príčiny zlyhania môžu spočívať v aktivácii mutátorových génov, ako aj v premene bezpečných chemických zlúčenín na aktívnejšie metabolity, ktoré ovplyvňujú bunkové jadro. Okrem toho existujú aj štrukturálne faktory. Tieto zahŕňajú opakovania nukleotidovej sekvencie blízko miestapreskupenia reťazcov, prítomnosť ďalších úsekov DNA podobnej štruktúre ako gén, ako aj mobilné elementy genómu.
Patogenéza mutácie
Spontánna mutácia nastáva v dôsledku vplyvu všetkých vyššie uvedených faktorov pôsobiacich spoločne alebo oddelene v určitom období života bunky. Existuje taký jav ako posuvné porušenie párovania reťazcov dcérskej a materskej DNA. V dôsledku toho sa slučky často tvoria z peptidov, ktoré neboli schopné adekvátne zapadnúť do sekvencie. Po odstránení nadbytočných fragmentov DNA z dcérskeho vlákna môžu byť slučky resekované (delécie) a zabudované (duplikácie, inzercie). Zmeny, ktoré sa objavili, sú opravené v ďalších 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
Aký je najčastejší prejav spontánnych mutácií 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 mutáciu cytozínových zvyškov. Po deaminácii sa metylcytozín mení na tymín. Následným kopírovaním tejto časti sa chyba zopakuje alebo ju vymaže, prípadne zdvojnásobí azmutuje na nový fragment.
Ďalším dôvodom častých spontánnych mutácií je veľký počet pseudogénov. Z tohto dôvodu sa počas meiózy môžu vytvárať nerovnaké homológne rekombinácie. Výsledkom sú preskupenia v génoch, obraty a zdvojenia jednotlivých nukleotidových sekvencií.
Polymerázový model mutagenézy
Podľa tohto modelu dochádza k spontánnym mutáciám 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.
O niekoľko rokov neskôr, po dlhých testoch a experimentoch, bol tento názor schválený a prijatý vo vedeckom svete. Boli dokonca odvodené určité vzory, ktoré vedcom umožňujú kontrolovať a riadiť mutácie vystavením určitých úsekov DNA ultrafialovému svetlu. Tak sa napríklad zistilo, že adenín je najčastejšie uložený oproti poškodenému tripletu.
Tautomerický model mutagenézy
Ďalšiu teóriu vysvetľujúcu 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 sú bázy spojené.
Po zverejnení sa hypotéza aktívne rozvíjala. Nové formy nukleotidov boli objavené poožarovať ich ultrafialovým svetlom. Vedcom to poskytlo 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 v rozpore s rozpoznávaním nukleových kyselín DNA polymerázami. Poltaev a spoluautori objasnili mechanizmus, ktorý zabezpečuje súlad s princípom komplementarity pri syntéze dcérskych molekúl DNA. Tento model umožnil študovať zákonitosti výskytu spontánnej mutagenézy. Vedci svoj objav vysvetlili tým, že hlavným dôvodom zmeny štruktúry DNA je syntéza nekanonických párov nukleotidov.
Navrhli, že k substitúcii báz dochádza v dôsledku deaminácie segmentov DNA. To vedie k zmene 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: spontánna
Existujú rôzne klasifikácie mutácií v závislosti od toho, ktoré kritérium je ich základom. Existuje delenie podľa charakteru zmeny funkcie génu:
- hypomorfné (mutované alely syntetizujú menej bielkovín, ale sú podobné pôvodným);
- amorfné (gén úplne stratil svoje funkcie);
- antimorfné (mutovaný gén úplne zmení tú vlastnosť, ktorá predstavuje);- neomorfný (objavia sa nové znaky).
Ale bežnejšia klasifikácia, ktorá rozdeľuje všetky mutácie v pomere k premennejštruktúru. Zvýraznenie:
1. Genomické mutácie. Patria sem polyploidia, teda vytvorenie genómu s trojitou alebo viac sadou chromozómov, a aneuploidia, počet chromozómov v genóme nie je násobkom haploidného počtu.
2. Chromozomálne mutácie. Pozorujú sa výrazné prestavby jednotlivých úsekov chromozómov. Dochádza k strate informácie (vymazanie), jej zdvojeniu (duplikácii), zmene smeru nukleotidových sekvencií (inverzia), ako aj k presunu 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, akumulačných chorôb, dysfunkcií orgánov a tkanív u ľudí a zvierat. Ak sa zmutovaná bunka nachádza vo veľkom mnohobunkovom organizme, potom s vysokou mierou pravdepodobnosti dôjde k jej zničeniu spustením apoptózy (programovanej bunkovej smrti). Telo riadi proces uchovávania genetického materiálu a pomocou imunitného systému sa zbavuje všetkých možných poškodených buniek.
V jednom prípade zo stoviek tisíc T-lymfocyty nestihnú rozpoznať postihnutú štruktúru a vzniká tak klon buniek, ktoré obsahujú aj mutovaný gén. Bunkový konglomerát má už iné funkcie, produkuje toxické látky a negatívne ovplyvňuje celkový stav organizmu.
Ak sa mutácia nevyskytla v somatickej, ale v zárodočnej bunke, zmeny budú pozorované u potomkov. Oni súsa prejavujú vrodenými orgánovými patológiami, deformáciami, metabolickými poruchami a akumulačnými chorobami.
Spontánne mutácie: význam
V niektorých prípadoch môžu byť predtým zdanlivo zbytočné mutácie užitočné na prispôsobenie sa novým životným podmienkam. To predstavuje mutáciu ako mieru prirodzeného výberu. Zvieratá, vtáky a hmyz sú maskované podľa oblasti ich bydliska, 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 odovzdajú túto schopnosť ostatným.
Mutácia sa môže vyskytnúť v neaktívnych oblastiach genómu a potom nie sú pozorované žiadne viditeľné zmeny vo fenotype. Zistiť "zlomenie" je možné len pomocou špecifických štúdií. Je to potrebné na štúdium pôvodu príbuzných živočíšnych druhov a zostavenie ich genetických máp.
Problém spontánnosti mutácií
V 40-tych 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 spočíval v tom, že sa do skúmaviek vysialo malé množstvo baktérií rovnakého druhu a po niekoľkých naočkovaniach sa do nich pridali antibiotiká. Niektoré z mikroorganizmov prežili a boli prenesené do nového média. Porovnanie baktérií z rôznych skúmaviek ukázalo, že vznikla rezistenciaspontánne, pred aj po expozícii antibiotikám.
Metóda opakovania spočívala v tom, že mikroorganizmy boli prenesené na vlnenú handričku a potom prenesené súčasne na niekoľko čistých médií. Nové kolónie sa kultivovali a ošetrili antibiotikami. Výsledkom je, že baktérie nachádzajúce sa v rovnakých častiach média prežili v rôznych skúmavkách.
