Mutace

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 16. února 2021; kontroly vyžadují 13 úprav .

Mutace ( lat.  mutatio  "změna") - trvalá (tj. taková, kterou mohou zdědit potomci dané buňky nebo organismu ) změna v genomu . Termín navrhl Hugh de Vries v roce 1901 .

Mutageneze je proces, při kterém dochází k mutacím.

Příčiny mutací

Mutace se dělí na spontánní a indukované .

Spontánní mutace se vyskytují spontánně po celý život organismu za normálních podmínek prostředí s frekvencí asi - na nukleotid na buněčnou generaci organismu.

Indukované mutace se nazývají dědičné změny v genomu , ke kterým dochází v důsledku určitých mutagenních účinků v umělých (experimentálních) podmínkách nebo za nepříznivých vlivů prostředí .

Mutace se objevují neustále v průběhu procesů probíhajících v živé buňce. Hlavními procesy vedoucími ke vzniku mutací jsou replikace DNA, poruchy opravy DNA , transkripce [1] [2] a genetická rekombinace .

Asociace mutací s replikací DNA

Mnoho spontánních chemických změn v nukleotidech vede k mutacím, ke kterým dochází během replikace . Například díky deaminaci cytosinu naproti guaninu může být uracil zahrnut do řetězce DNA (vytvoří se U-G pár místo kanonického C-G páru). Když DNA replikuje opačný uracil , adenin je zahrnut do nového řetězce , vytvoří se pár U-A a během další replikace je nahrazen párem T-A, to znamená, že dojde k přechodu (bodové nahrazení pyrimidinu jiným pyrimidinem nebo purinem s další purin).

Asociace mutací s rekombinací DNA

Z procesů spojených s rekombinací vede nestejné křížení nejčastěji k mutacím . Obvykle k němu dochází, když je na chromozomu několik duplikovaných kopií původního genu , které si zachovávají podobnou nukleotidovou sekvenci. V důsledku nestejného křížení dochází v jednom z rekombinantních chromozomů k duplikaci a ve druhém k ​​deleci .

Asociace mutací s opravou DNA

Spontánní poškození DNA je zcela běžné a k takovým událostem dochází v každé buňce. K odstranění následků takového poškození existují speciální opravné mechanismy (například se vyřízne chybný úsek DNA a v tomto místě se obnoví původní). K mutacím dochází pouze tehdy, když opravný mechanismus z nějakého důvodu nefunguje nebo si nedokáže poradit s odstraněním poškození. Mutace, které se vyskytují v genech kódujících proteiny odpovědné za opravu, mohou vést k mnohonásobnému zvýšení (mutátorový efekt) nebo snížení (antimutátorový efekt) v míře mutací jiných genů. Mutace v genech mnoha enzymů excizního reparačního systému tedy vedou k prudkému zvýšení frekvence somatických mutací u lidí, a to zase vede k rozvoji xeroderma pigmentosa a maligních nádorů kůže. Mutace se mohou objevit nejen během replikace, ale také během opravy - excizní opravy nebo post-replikace.

Modely mutageneze

V současné době existuje několik přístupů k vysvětlení povahy a mechanismů tvorby mutací. V současné době je obecně přijímán polymerázový model mutageneze. Vychází z myšlenky, že jediným důvodem vzniku mutací jsou náhodné chyby DNA polymerázy. V tautomerním modelu mutageneze navrženém Watsonem a Crickem byla poprvé vyjádřena myšlenka, že mutageneze je založena na schopnosti bází DNA být v různých tautomerních formách. Proces tvorby mutací je považován za čistě fyzikální a chemický jev. Polymerázový tautomerní model ultrafialové mutageneze je založen na myšlence, že tvorba cis-syn cyklobutan pyrimidinových dimerů může změnit tautomerní stav jejich základních bází. Studuje se syntéza DNA obsahující cis-syn cyklobutanpyrimidinové dimery náchylná k chybám a SOS [3] . Existují i ​​jiné modely.

Polymerázový model mutageneze

V polymerázovém modelu mutageneze se má za to, že sporadické chyby v DNA polymerázách jsou jediným důvodem pro tvorbu mutací . Poprvé byl polymerázový model ultrafialové mutageneze navržen Breslerem [4] . Navrhl, že mutace se objevují v důsledku skutečnosti, že DNA polymerázy, na rozdíl od fotodimerů, někdy vkládají nekomplementární nukleotidy. V současné době je toto hledisko obecně přijímáno [5] . Známé je A-pravidlo, podle kterého DNA polymeráza nejčastěji vkládá adeniny naproti poškozeným oblastem. Polymerázový model mutageneze vysvětluje povahu substitučních mutací cílové báze [6] .

Tautomerní model mutageneze

Watson a Crick navrhli, že spontánní mutageneze je založena na schopnosti bází DNA transformovat se za určitých podmínek na nekanonické tautomerní formy, které ovlivňují povahu párování bází. Tato hypotéza přitáhla pozornost a byla aktivně rozvíjena. Vzácné tautomerní formy cytosinu byly nalezeny v krystalech báze nukleových kyselin ozářených ultrafialovým světlem. Výsledky četných experimentálních a teoretických studií jednoznačně naznačují, že báze DNA mohou přecházet z kanonických tautomerních forem do vzácných tautomerních stavů. Studiu vzácných tautomerních forem bází DNA bylo věnováno mnoho studií. Pomocí kvantově mechanických výpočtů a metody Monte Carlo bylo ukázáno, že tautomerní rovnováha v dimerech obsahujících cytosin  a v hydrátu cytosinu je posunuta směrem k jejich imino formám jak v plynné fázi, tak ve vodném roztoku. Na tomto základě je vysvětlena ultrafialová mutageneze . [7] V páru guanin -cytosin  bude stabilní pouze jeden vzácný tautomerní stav, ve kterém atomy vodíku prvních dvou vodíkových vazeb odpovědných za párování bází mění své polohy současně. [8] A jelikož se tím mění pozice vodíkových atomů zapojených do Watson-Crickova párování bází, výsledkem může být vznik mutací substituce bází, přechody z cytosinu na thymin nebo vznik homologních transverzí z cytosinu na guanin. Účast vzácných tautomerních forem na mutagenezi byla opakovaně diskutována.

Jiné modely mutageneze

V pracích Polteva et al. byl navržen a zdůvodněn molekulární mechanismus pro rozpoznávání komplementárních párů bází nukleových kyselin pomocí polymeráz. Na základě tohoto modelu byly studovány některé zákonitosti spontánní a mutageneze indukované analogy bází. Vznik substitučních mutací bází je vysvětlen za předpokladu, že hlavní příčinou mutageneze je tvorba nekanonických párů bází, jako jsou Hoogsteenovy páry. [9] .

Předpokládá se, že jedním z důvodů vzniku substitučních mutací báze je deaminace 5-methylcytosinu [10] , která může způsobit přechody z cytosinu na thymin. Díky deaminaci cytosinu může být uracil zařazen do řetězce DNA naproti němu (namísto kanonického páru C-G vzniká U-G pár). Při replikaci DNA naproti uracilu se do nového řetězce zařadí adenin, vytvoří se pár U-A a při další replikaci se nahradí párem T-A, tedy dojde k přechodu (bodové nahrazení pyrimidinu jiným pyrimidinem nebo purinem s jiným purinem).

Klasifikace mutací

Existuje několik klasifikací mutací podle různých kritérií. Möller navrhl rozdělit mutace podle charakteru změny ve fungování genu na hypomorfní (změněné alely působí stejným směrem jako alely divokého typu; syntetizuje se pouze méně proteinového produktu), amorfní (mutace vypadá jako kompletní ztráta funkce genu, například bílá mutace u Drosophila ), antimorfní (mutovaná vlastnost se mění, například barva zrna kukuřice se změní z fialové na hnědou) a neomorfní .

V moderní naučné literatuře se také používá formálnější klasifikace, založená na povaze změn ve struktuře jednotlivých genů, chromozomů a genomu jako celku. V rámci této klasifikace se rozlišují následující typy mutací:

Genomická : - polyploidizace (vznik organismů nebo buněk, jejichž genom je reprezentován více než dvěma (3n, 4n, 6n atd.) sadami chromozomů) a aneuploidie (heteroploidie) - změna počtu chromozomů, která není násobek haploidní množiny (viz Inge-Vechtomov, 1989). Podle původu sad chromozomů se mezi polyploidy rozlišují allopolyploidy, které mají sady chromozomů získané hybridizací z různých druhů, a autopolyploidy, u kterých dochází k nárůstu počtu sad chromozomů vlastního genomu, mnohonásobné z n.

U chromozomálních mutací dochází k velkým přestavbám struktury jednotlivých chromozomů. V tomto případě dochází ke ztrátě ( deleci ) nebo zdvojení části ( duplikaci ) genetického materiálu jednoho nebo více chromozomů, ke změně orientace chromozomových segmentů v jednotlivých chromozomech ( inverze ), jakož i k přenosu část genetického materiálu z jednoho chromozomu na druhý ( translokace ) (extrémní případ - spojení celých chromozomů, tzv. Robertsonova translokace , což je přechodná možnost od chromozomální mutace ke genomové).

Na genové úrovni jsou změny v primární struktuře DNA genů pod vlivem mutací méně významné než u chromozomálních mutací, ale častější jsou genové mutace. V důsledku genových mutací, substitucí, delecí a inzercí jednoho nebo více nukleotidů dochází k translokacím, duplikacím a inverzím různých částí genu. V případě, že se vlivem mutace změní pouze jeden nukleotid, hovoří se o bodových mutacích .

Bodová mutace nebo substituce jedné báze je typ mutace v DNA nebo RNA, který je charakterizován nahrazením jedné dusíkaté báze jinou. Termín je také aplikován na párové nukleotidové substituce. Termín bodová mutace také zahrnuje inzerce a delece jednoho nebo více nukleotidů. Existuje několik typů bodových mutací.

Existují také komplexní mutace. Jde o takové změny v DNA, kdy je jeden z jejích úseků nahrazen úsekem jiné délky a jiného složení nukleotidů [15] .

Bodové mutace se mohou objevit naproti takovému poškození molekuly DNA, které může zastavit syntézu DNA. Například opačné cyklobutanpyrimidinové dimery. Takové mutace se nazývají cílové mutace (od slova „cíl“) [5] . Cyklobutanpyrimidinové dimery způsobují jak mutace substituce cílové báze [6 9], tak mutace posunu cílového rámce [16] .

Někdy se bodové mutace tvoří na tzv. intaktních oblastech DNA, často v malém okolí fotodimerů. Takové mutace se nazývají necílové mutace se substitucí báze nebo necílové mutace s posunem rámce [17] .

Bodové mutace nevznikají vždy ihned po expozici mutagenu. Někdy se objevují po desítkách replikačních cyklů. Tento jev se nazývá zpožděné mutace [18] . S nestabilitou genomu, hlavním důvodem vzniku maligních nádorů, prudce narůstá počet necílových a opožděných mutací [19] .

Jsou možné čtyři genetické důsledky bodových mutací: 1) zachování významu kodonu v důsledku degenerace genetického kódu (synonymní nukleotidová substituce), 2) změna významu kodonu, vedoucí k nahrazení kodonu. aminokyselina v odpovídajícím místě polypeptidového řetězce (missense mutace), 3) vznik nesmyslného kodonu s předčasným ukončením (nonsense mutace). V genetickém kódu jsou tři nesmyslné kodony: jantar - UAG, okr - UAA a opál - UGA (v souladu s tím jsou pojmenovány mutace vedoucí ke vzniku nesmyslných tripletů - např. mutace jantaru), 4) reverzní substituce (stop kodon ke snímání kodonu).

Podle účinku na genovou expresi se mutace dělí do dvou kategorií: mutace páru bází a mutace s posunem čtecího rámce . Posledně jmenované jsou delece nebo inzerce nukleotidů, jejichž počet není násobkem tří, což souvisí s tripletovou povahou genetického kódu.

Primární mutace se někdy nazývá dopředná mutace a mutace, která obnovuje původní strukturu genu, je zpětná mutace nebo reverze. K návratu k původnímu fenotypu u mutantního organismu v důsledku obnovení funkce mutantního genu často nedochází v důsledku skutečné reverze, ale v důsledku mutace v jiné části stejného genu nebo dokonce v jiném nealelickém genu. V tomto případě se zpětná mutace nazývá supresorová mutace. Genetické mechanismy, kterými je mutantní fenotyp potlačován, jsou velmi různorodé.

Mutace pupenů (sportovní) jsou perzistentní somatické mutace, které se vyskytují v buňkách růstových bodů rostlin. Vede ke klonální variabilitě [20] . Při vegetativním množení jsou zachovány. Mnoho odrůd pěstovaných rostlin je mutanty pupenů [21] .

Důsledky mutací pro buňku a organismus

Mutace, které narušují aktivitu buňky v mnohobuněčném organismu, často vedou k destrukci buňky (zejména k programované buněčné smrti, apoptóze ). Pokud intra- a extracelulární obranné mechanismy mutaci nerozpoznají a buňka podstoupí dělení, pak se mutantní gen předá všem potomkům buňky a nejčastěji to vede k tomu, že všechny tyto buňky začnou fungovat jinak.

Mutace v somatické buňce komplexního mnohobuněčného organismu může vést ke zhoubným nebo benigním novotvarům , mutace v zárodečné buňce může vést ke  změně vlastností celého organismu potomka.

Za stabilních (neměnných nebo mírně se měnících) podmínek existence má většina jedinců genotyp blízký optimálnímu a mutace způsobují poruchy funkcí organismu, snižují jeho zdatnost a mohou vést až ke smrti jedince. Ve velmi vzácných případech však může mutace vést k objevení se nových prospěšných vlastností v těle a pak jsou důsledky mutace pozitivní; v tomto případě jsou prostředkem adaptace organismu na prostředí, a proto se nazývají adaptivní .

Role mutací v evoluci

S významnou změnou podmínek existence se mohou ty mutace, které byly dříve škodlivé, ukázat jako prospěšné. Mutace jsou tedy věcí přirozeného výběru . Melanistické mutanty (tmavě zbarvené jedince) v populacích zavíječe březového v Anglii tak vědci poprvé objevili mezi typickými světlými jedinci v polovině 19. století. Tmavé zbarvení vzniká v důsledku mutace jednoho genu. Motýli tráví den na kmenech a větvích stromů, obvykle pokrytých lišejníky , proti nimž se světlé zbarvení maskuje. V důsledku průmyslové revoluce, doprovázené znečištěním ovzduší, uhynuly lišejníky a světlé kmeny bříz byly pokryty sazemi. Výsledkem bylo, že do poloviny 20. století (po 50-100 generací) v průmyslových oblastech tmavý morph téměř úplně nahradil světlý. Ukázalo se, že hlavním důvodem převládajícího přežívání černé formy je predace ptáků, kteří ve znečištěných oblastech selektivně požírají světle zbarvené motýly.

Pokud mutace postihne „tiché“ oblasti DNA nebo vede k nahrazení jednoho prvku genetického kódu synonymním, pak se ve fenotypu většinou nijak neprojeví (projev takového synonymního nahrazení může souviset s jinou frekvencí použití kodonů). Metody genové analýzy však mohou takové mutace detekovat. Protože k mutacím nejčastěji dochází v důsledku přirozených příčin, pak za předpokladu, že se základní vlastnosti vnějšího prostředí nezměnily, se ukazuje, že frekvence mutací by měla být přibližně konstantní. Tohoto faktu lze využít ke studiu fylogeneze  - studia původu a vztahů různých taxonů včetně člověka . Mutace v tichých genech tedy slouží výzkumníkům jako „molekulární hodiny“. Teorie „molekulárních hodin“ také vychází ze skutečnosti, že většina mutací je neutrálních a rychlost jejich akumulace v daném genu nezávisí nebo jen slabě závisí na působení přirozeného výběru a zůstává tedy po dlouhou dobu konstantní. U různých genů se však tato rychlost bude lišit.

Studium mutací v mitochondriální DNA (zděděné po mateřské linii) a v chromozomech Y (zděděné po otcovské linii) je široce používáno v evoluční biologii ke studiu původu ras a národností , rekonstrukci biologického vývoje lidstva.

Problém náhodných mutací

Ve 40. letech 20. století byl mezi mikrobiology populární názor , že mutace jsou způsobeny vystavením environmentálnímu faktoru (jako je antibiotikum ), kterému umožňují adaptaci. K ověření této hypotézy byl vyvinut test fluktuace a metoda repliky .

Fluktuační test Luria  - Delbrück spočívá v tom, že se malé části počáteční kultury bakterií rozptýlí do zkumavek s kapalným médiem a po několika cyklech dělení se do zkumavek přidá antibiotikum. Poté (bez následných dělení) se přežívající bakterie rezistentní na antibiotika naočkují na Petriho misku s pevným médiem. Test ukázal, že počet stabilních kolonií z různých zkumavek je velmi variabilní - ve většině případů je malý (nebo nulový) a v některých případech je velmi vysoký. To znamená, že mutace, které způsobily rezistenci na antibiotika, se vyskytly v náhodných časech před i po expozici antibiotiku.

Metoda replik spočívá v tom, že z původní Petriho misky, kde na pevném médiu rostou kolonie bakterií, se udělá otisk na vlnitou tkáň a následně se bakterie přenesou z tkáně do několika dalších misek, kde se vzor jejich umístění je stejný jako na originální misce. Po vystavení antibiotiku na všech plotnách přežívají kolonie umístěné na stejných místech. Nasazením takových kolonií na nové plotny lze prokázat, že všechny bakterie v kolonii jsou odolné.

Oběma metodami tedy bylo prokázáno, že „adaptivní“ mutace vznikají nezávisle na vlivu faktoru, kterému umožňují adaptaci, a v tomto smyslu jsou mutace náhodné. Není však pochyb o tom, že možnost určitých mutací závisí na genotypu a je usměrňována předchozím průběhem evoluce (viz Zákon homologních řad v dědičné variabilitě ).

Kromě toho se přirozeně liší frekvence mutací různých genů a různých oblastí ve stejném genu. Je také známo, že vyšší organismy používají „cílené“ (tj. vyskytující se v určitých oblastech DNA) mutace v mechanismech imunity. . S jejich pomocí se vytvářejí různé klony lymfocytů , mezi nimiž jsou vždy buňky schopné poskytnout imunitní odpověď na nové tělu neznámé onemocnění. Vhodné lymfocyty jsou pozitivně vybrány , což vede k imunologické paměti . ( Jurij Čajkovskij také mluví o jiných typech řízených mutací.)

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Banerjee SK, Borden A., Christensen RB, LeClerc JE, Lawrence CW SOS-dependentní replikace po jediném trans-syn TT cyklobutanovém dimeru poskytuje odlišné spektrum mutací a zvýšenou chybovost ve srovnání s replikací za touto lézí v unidukované buňce // J Bakteriol. - 1990. - 172. - S. 2105-2112. doi : 10.1128/jb.172.4.2105-2112.1990 .
  2. ↑ Jonchyk P., Fijalkowska I., Ciesla Z. Nadprodukce podjednotky DNA polymerázy III působí proti SOS-mutagenní odpovědi Esthetician coli // Proc. Nat. Akad. sci. USA. - 1988. - 85. - R. 2124-2127. doi : 10.1073/pnas.85.23.9124 .
  3. ↑ Grebneva HA Jeden z mechanismů tvorby cílených substitučních mutací při SOS-replikaci dvouvláknové DNA obsahující cis-syn cyklobutan thyminové dimery // Environ. Mol. Mutagen. - 2006. -47. - S. 733-745.
  4. ↑ Bresler SE Teorie chybné opravy mutageneze // Mutat. Res. - 1975. - 29. - S. 467-472. doi : 10.1016/0027-5107(75)90065-2 .
  5. ↑ 1 2 Pham P., Bertram J. G, O'Donnell M., Woodgate R., Goodman MF Model for SOS-lesion-targeted mutations in Escherichia coli // Nature. - 2001. - 408. - S. 366-370. doi : 10.1038/35053116 .
  6. ↑ Taylor J.-S. Nový strukturní a mechanistický pohled na A-pravidlo a instruktážní a neinstrukční chování DNA fotoproduktů a dalších lézí // Mutace. Res. - 2002. -510. - S. 55-70. doi : 10.1016/s0027-5107(02)00252-x .
  7. ↑ Danilov VI, Les A., Alderfer JL Teoretická studie cis-syn pyrimidinových dimerů v plynném a vodním klastru a tautomer — bypass mechanismus pro vznik UV-indukovaných mutací // J. Biomol. Struktura. Dyn. - 2001. - 19. - S. 179-191. doi : 10.1080/07391102.2001.10506730 .
  8. ↑ Gorb L., Podolyan Y., Dziekonski P., Sokalski WA, Leszczynski J. Přenos dvojitých protonů v párech bází adenin-thymin a guanin-cytosin. Post-Hartree-Fock ab initio studie // J. Am. Chem. soc. - 2004. - 126. - S. 10119-10129. doi : 10.1021/ja049155n .
  9. ↑ Poltev V.I., Shulyupina N.V., Bruskov V.I. Molekulární mechanismy správné biosyntézy nukleových kyselin. Počítačové studium úlohy polymeráz při tvorbě nepravidelných párů modifikovanými bázemi // Molek. biol. - 1996. - 30. - S. 1284-1298.
  10. ↑ Cannistraro VJ, Taylor JS Akcelerace deaminace 5-methylcytosinu v dimerech cyklobutanu působením G a její důsledky pro aktivní místa mutace C-to-T indukovaná UV zářením // J. Mol. Biol. - 2009. - 392. - S. 1145-1157.
  11. ↑ Tarasov V. A. Molekulární mechanismy opravy a mutageneze. — M.: Nauka, 1982. — 226 s.
  12. ↑ Friedberg EC, Walker GC, Siede W. Oprava a mutageneze DNA. — Washington: ASM Press, DC, 1995.
  13. ↑ Auerbach Sh. Problémy mutageneze. — M.: Mir, 1978. — 463 s.
  14. ↑ Friedberg EC, Walker GC, Siede W., Wood RD, Schultz RA, Ellenberger T. Oprava a mutageneze DNA. — část 3. Washington: ASM Press. — 2006. 2. vyd.
  15. ↑ Levine JG, Schaaper RM, De Marini DM Komplexní posunové mutace zprostředkované plazmidem pkm 101: Mutační mechanismy odvozené mutační spektra u Salmonella // Genetika. - 1994. - 136. - S. 731-746.
  16. ↑ Wang C.-I., Taylor J.-S. In vitro důkaz, že mutace posunu a substituce v T traktech vyvolané UV zářením jsou výsledkem replikace zprostředkované nesprávným zarovnáním za specifickým thyminovým dimerem // Biochemistry - 1992. - 31. - S. 3671-3681.
  17. ↑ Maor-Shoshani A., Reuven NB, Tomer G., Livneh Z. Vysoce mutagenní replikace pomocí DNA polymerázy V (UmuC) poskytuje mechanický základ pro SOS necílenou mutagenezi // Proc. Natl. Akad. sci. USA - 2000. - 97. - S. 565-570.
  18. ↑ Little JB, Gorgojo L., Vetrovs H. Opožděný výskyt letálních a specifických genových mutací v ozářených savčích buňkách // Int. J. Radiat. oncol. Biol. Phys. - 1990. - 19. - S. 1425-1429.
  19. ↑ Niwa O. Radiací indukované dynamické mutace a transgenerační efekty // J. Radiation Research. - 2006. - 47. - S. B25-B30.
  20. ↑ Samigullina N. S. Workshop o výběru a odrůdové vědě ovocných a bobulových plodin: Vzdělávací vydání. - Michurinsk: Michurinsk State Agrarian University, 2006. - 197 s.
  21. ↑ Troshin L.P., Frolova L.I. Metodický průvodce ampelografií. Slovníkové definice . — Krasnodar, 1996.

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích