Jaké mutace se nazývají spontánní? Pokud tento termín přeložíme do dostupného jazyka, pak se jedná o přirozené chyby, ke kterým dochází v procesu interakce genetického materiálu s vnitřním a / nebo vnějším prostředím. Takové mutace jsou obvykle náhodné. Jsou pozorovány v pohlavních a jiných buňkách těla.
Exogenní příčiny mutací
Spontánní mutace může nastat pod vlivem chemikálií, záření, vysokých nebo nízkých teplot, zředěného vzduchu nebo vysokého tlaku.
Každý rok v průměru člověk pohltí asi jednu desetinu rad ionizujícího záření, které tvoří přirozené radiační pozadí. Toto číslo zahrnuje gama záření ze zemského jádra, sluneční vítr a radioaktivitu prvků nacházejících se v tloušťce zemské kůry a rozpuštěných v atmosféře. Přijatá dávka závisí také na tom, kde se osoba nachází. Čtvrtina všech spontánních mutací vzniká kvůli tomuto faktoru.
UV záření hraje na rozdíl od všeobecného přesvědčení vedlejší rolivýskyt poruch DNA, protože nemůže proniknout dostatečně hluboko do lidského těla. Kůže ale často trpí nadměrným sluněním (melanom a další nádorová onemocnění). Jednobuněčné organismy a viry však mutují, když jsou vystaveny slunečnímu záření.
Příliš vysoké nebo nízké teploty mohou také způsobit změny v genetickém materiálu.
Endogenní příčiny mutací
Hlavními důvody, proč může dojít ke spontánní mutaci, zůstávají endogenní faktory. Patří mezi ně vedlejší produkty metabolismu, chyby v procesu replikace, opravy nebo rekombinace a další.
-
Selhání replikace:
- spontánní přechody a inverze dusíkatých bází;
- nesprávné vložení nukleotidů kvůli chybám v DNA polymerázách;- chemické nahrazení nukleotidů, například guanin-cytosin na adenin-guanin.
- Chyby obnovy:-mutace v genech odpovědných za opravu jednotlivých úseků řetězce DNA poté, co se vlivem vnějších faktorů rozbijí.
- Problémy s rekombinací:- selhání v procesech přechodu během meiózy nebo mitózy vedou ke ztrátě a dokončení bází.
Toto jsou hlavní faktory, které způsobují spontánní mutace. Důvody neúspěchů mohou spočívat v aktivaci mutátorových genů a také v přeměně bezpečných chemických sloučenin na aktivnější metabolity, které ovlivňují buněčné jádro. Kromě toho existují také strukturální faktory. Ty zahrnují repetice nukleotidové sekvence blízko místapřestavby řetězců, přítomnost dalších úseků DNA strukturou podobných genu a také mobilní elementy genomu.
Patogeneze mutace
Spontánní mutace nastává v důsledku dopadu všech výše uvedených faktorů působících společně nebo samostatně v určitém období života buňky. Existuje takový jev, jako je klouzavé porušení párování řetězců dceřiné a mateřské DNA. V důsledku toho se smyčky často tvoří z peptidů, které nebyly schopny adekvátně zapadnout do sekvence. Po odstranění přebytečných fragmentů DNA z dceřiného řetězce mohou být smyčky jak resekovány (delece), tak zabudovány (duplikace, inzerce). Změny, které se objevily, jsou opraveny v dalších cyklech buněčného dělení.
Rychlost a počet mutací, ke kterým dochází, závisí na primární struktuře DNA. Někteří vědci se domnívají, že absolutně všechny sekvence DNA jsou mutagenní, pokud tvoří ohyby.
Nejčastější spontánní mutace
Jaký je nejčastější projev spontánních mutací v genetickém materiálu? Příklady takových podmínek jsou ztráta dusíkatých bází a odstranění aminokyselin. Cytosinové zbytky jsou na ně považovány za zvláště citlivé.
Bylo prokázáno, že dnes má více než polovina obratlovců mutaci cytosinových zbytků. Po deaminaci se methylcytosin mění na thymin. Při následném kopírování této části se chyba zopakuje nebo ji smaže, případně zdvojnásobí azmutuje do nového fragmentu.
Dalším důvodem častých spontánních mutací je velký počet pseudogenů. Z tohoto důvodu se mohou během meiózy tvořit nestejné homologní rekombinace. To má za následek přeuspořádání v genech, obraty a zdvojení jednotlivých nukleotidových sekvencí.
Polymerázový model mutageneze
Podle tohoto modelu dochází ke spontánním mutacím v důsledku náhodných chyb v molekulách, které syntetizují DNA. Poprvé takový model představil Bresler. Navrhl, že mutace se objevují kvůli skutečnosti, že polymerázy v některých případech vkládají do sekvence nekomplementární nukleotidy.
O několik let později, po dlouhých testech a experimentech, byl tento pohled schválen a přijat ve vědeckém světě. Byly dokonce vyvozeny určité vzorce, které vědcům umožňují kontrolovat a řídit mutace vystavením určitých úseků DNA ultrafialovému světlu. Tak například bylo zjištěno, že adenin je nejčastěji uložen naproti poškozenému tripletu.
Tautomerní model mutageneze
Další teorii vysvětlující spontánní a umělé mutace navrhli Watson a Crick (objevitelé struktury DNA). Navrhli, že mutageneze je založena na schopnosti některých bází DNA přeměnit se na tautomerní formy, které mění způsob, jakým jsou báze spojeny.
Po zveřejnění byla hypotéza aktivně rozvíjena. Nové formy nukleotidů byly objeveny poozařovat je ultrafialovým světlem. To poskytlo vědcům nové možnosti pro výzkum. Moderní věda stále diskutuje o roli tautomerních forem ve spontánní mutagenezi a jejím vlivu na počet detekovaných mutací.
Další modely
Spontánní mutace je možná v rozporu s rozpoznáváním nukleových kyselin DNA polymerázami. Poltaev a spoluautoři objasnili mechanismus, který zajišťuje soulad s principem komplementarity při syntéze dceřiných molekul DNA. Tento model umožnil studovat zákonitosti výskytu spontánní mutageneze. Vědci svůj objev vysvětlili tím, že hlavním důvodem změny struktury DNA je syntéza nekanonických párů nukleotidů.
Navrhli, že k substituci bází dochází v důsledku deaminace segmentů DNA. To vede ke změně cytosinu na thymin nebo uracil. Díky takovým mutacím se tvoří páry nekompatibilních nukleotidů. Proto během další replikace dojde k přechodu (bodové nahrazení nukleotidových bází).
Klasifikace mutací: spontánní
Existují různé klasifikace mutací podle toho, na jakém kritériu jsou založeny. Existuje rozdělení podle povahy změny funkce genu:
- hypomorfní (mutované alely syntetizují méně proteinů, ale jsou podobné původním);
- amorfní (gen zcela ztratil své funkce);
- antimorfní (např. mutovaný gen zcela změní tento rys, který představuje);- neomorfní (objevují se nové znaky).
Ale běžnější klasifikace, která rozděluje všechny mutace v poměru k proměnnéstruktura. Zvýraznění:
1. Genomické mutace. Patří mezi ně polyploidie, tedy vytvoření genomu s trojitou nebo více sadou chromozomů, a aneuploidie, počet chromozomů v genomu není násobkem haploidního počtu.
2. Chromozomální mutace. Jsou pozorovány výrazné přestavby jednotlivých úseků chromozomů. Dochází ke ztrátě informace (delece), jejímu zdvojení (duplikaci), změně směru nukleotidových sekvencí (inverze) a také k přesunu úseků chromozomů na jiné místo (translokace).3. Genová mutace. Nejběžnější mutace. V řetězci DNA je nahrazeno několik náhodných dusíkatých bází.
Důsledky mutací
Spontánní mutace jsou příčinou nádorů, střádavých chorob, dysfunkcí orgánů a tkání u lidí a zvířat. Pokud se mutovaná buňka nachází ve velkém mnohobuněčném organismu, pak bude s vysokou mírou pravděpodobnosti zničena spuštěním apoptózy (programované buněčné smrti). Tělo řídí proces uchování genetického materiálu a pomocí imunitního systému se zbavuje všech možných poškozených buněk.
V jednom případě ze stovek tisíc T-lymfocyty nestihnou rozpoznat postiženou strukturu a tak vznikne klon buněk, které také obsahují mutovaný gen. Slepenec buněk má již jiné funkce, produkuje toxické látky a negativně ovlivňuje celkový stav organismu.
Pokud k mutaci nedošlo v somatické, ale v zárodečné buňce, pak budou změny pozorovány u potomků. Oni jsouse projevují vrozenými orgánovými patologiemi, deformitami, metabolickými poruchami a střádacími chorobami.
Spontánní mutace: význam
V některých případech mohou být dříve zdánlivě zbytečné mutace užitečné pro přizpůsobení se novým životním podmínkám. To představuje mutaci jako měřítko přirozeného výběru. Zvířata, ptáci a hmyz jsou maskováni podle oblasti svého bydliště, aby se chránili před predátory. Pokud se ale jejich stanoviště změní, pak se pomocí mutací příroda snaží druhy ochránit před vyhynutím. V nových podmínkách přežijí ti nejschopnější a předají tuto schopnost ostatním.
Mutace může nastat v neaktivních oblastech genomu a pak nejsou pozorovány žádné viditelné změny ve fenotypu. Odhalit "zlomení" je možné pouze pomocí konkrétních studií. To je nezbytné pro studium původu příbuzných živočišných druhů a sestavení jejich genetických map.
Problém spontaneity mutací
Ve 40. letech minulého století existovala teorie, že mutace jsou způsobeny výhradně vlivem vnějších faktorů a pomáhají se jim přizpůsobit. Za účelem otestování této teorie byla vyvinuta speciální metoda testování a opakování.
Postup spočíval v tom, že se do zkumavek vysévalo malé množství bakterií stejného druhu a po několika naočkování do nich byla přidána antibiotika. Některé z mikroorganismů přežily a byly přeneseny do nového média. Porovnání bakterií z různých zkumavek ukázalo, že vznikla rezistencespontánně, před i po expozici antibiotikům.
Metoda opakování spočívala v tom, že mikroorganismy byly přeneseny na vlněný hadřík a poté přeneseny současně na několik čistých médií. Nové kolonie byly kultivovány a ošetřeny antibiotiky. V důsledku toho bakterie umístěné ve stejných částech média přežily v různých zkumavkách.
