Mutáció ( lat. mutio "változás") - perzisztens (vagyis olyan, amelyet egy adott sejt vagy szervezet leszármazottai örökölhetnek ) a genomban . A kifejezést Hugh de Vries javasolta 1901 - ben .
A mutagenezis az a folyamat, amelynek során mutációk lépnek fel.
A mutációkat spontán és indukált mutációkra osztják .
A spontán mutációk spontán módon fordulnak elő a szervezet élete során, normál környezeti körülmények között, körülbelül - nukleotidonként a szervezet sejtgenerációjánként .
Az indukált mutációkat a genom örökletes változásainak nevezzük , amelyek bizonyos mutagén hatások eredményeként mesterséges (kísérleti) körülmények között vagy kedvezőtlen környezeti hatások hatására következnek be .
Az élő sejtben végbemenő folyamatok során a mutációk folyamatosan jelennek meg. A mutációk előfordulásához vezető fő folyamatok a DNS-replikáció, a DNS- javítási zavarok , a transzkripció [1] [2] és a genetikai rekombináció .
A nukleotidokban bekövetkező sok spontán kémiai változás a replikáció során fellépő mutációkat eredményez . Például a citozin guaninnal ellentétes dezaminációja miatt az uracil bekerülhet a DNS-láncba (a kanonikus C-G pár helyett U-G pár jön létre). Amikor a DNS az uracillal szemben replikálódik , az adenin bekerül az új láncba , egy U-A pár képződik, és a következő replikáció során T-A párral helyettesíti, azaz átmenet következik be (a pirimidin pont helyettesítése egy másik pirimidinnel vagy purinnal másik purin).
A rekombinációval kapcsolatos folyamatok közül az egyenlőtlen keresztezés leggyakrabban mutációkhoz vezet . Általában akkor fordul elő, ha az eredeti gén több megkettőzött kópiája van a kromoszómán , amelyek hasonló nukleotidszekvenciát őriznek. Az egyenlőtlen keresztezés eredményeként az egyik rekombináns kromoszómában duplikáció , a másikban pedig deléció következik be .
A spontán DNS-károsodás meglehetősen gyakori, és minden sejtben előfordulnak ilyen események. Az ilyen károsodások következményeinek kiküszöbölésére speciális javítómechanizmusok vannak (például kivágnak egy hibás DNS-szakaszt, és ezen a helyen visszaállítják az eredetit). A mutációk csak akkor fordulnak elő, ha a javító mechanizmus valamilyen okból nem működik, vagy nem tud megbirkózni a sérülések megszüntetésével. A javításért felelős fehérjéket kódoló génekben előforduló mutációk más gének mutációs rátájának többszörös növekedéséhez (mutátor hatás) vagy csökkenéséhez (antimutátor hatás) vezethetnek. Így a kimetsző javítórendszer számos enzimének génjeinek mutációi a szomatikus mutációk gyakoriságának meredek növekedéséhez vezetnek az emberben, és ez viszont a xeroderma pigmentosa és a bőr rosszindulatú daganatainak kialakulásához vezet. A mutációk nem csak a replikáció során, hanem a javítás során is megjelenhetnek - excisional repair vagy utóreplikáció.
Jelenleg számos megközelítés létezik a mutációk kialakulásának természetének és mechanizmusainak magyarázatára. Jelenleg a mutagenezis polimeráz modellje általánosan elfogadott. Azon az elgondoláson alapul, hogy a mutációk kialakulásának egyetlen oka a DNS-polimeráz véletlenszerű hibája. A Watson és Crick által javasolt tautomer mutagenezis modellben először fogalmazódott meg az az elképzelés, hogy a mutagenezis a DNS-bázisok azon képességén alapul, hogy különböző tautomer formákban lehetnek. A mutációk kialakulásának folyamatát tisztán fizikai és kémiai jelenségnek tekintik. Az ultraibolya mutagenezis polimeráz-tautomer modellje azon az elgondoláson alapul, hogy a cisz-szin ciklobután pirimidin dimerek képződése megváltoztathatja az alkotó bázisaik tautomer állapotát. Vizsgálják a cisz-syn ciklobután pirimidin dimereket tartalmazó DNS hibaveszélyes és SOS szintézisét [3] . Vannak más modellek is.
A mutagenezis polimerázmodelljében úgy gondolják, hogy a DNS-polimerázok szórványos hibái az egyetlen oka a mutációk kialakulásának . Az ultraibolya mutagenezis polimeráz modelljét először Bresler javasolta [4] . Azt javasolta, hogy a mutációk annak eredményeként jelennek meg, hogy a DNS-polimerázok a fotodimerekkel ellentétben néha nem komplementer nukleotidokat inszertálnak. Jelenleg ez a nézőpont általánosan elfogadott [5] . Ismert az A-szabály, amely szerint a DNS-polimeráz leggyakrabban adenineket inszertál a sérült területekkel szemben. A mutagenezis polimerázmodellje megmagyarázza a célbázis szubsztitúciós mutációk természetét [6] .
Watson és Crick azt javasolta, hogy a spontán mutagenezis a DNS-bázisok azon képességén alapul, hogy bizonyos körülmények között nem kanonikus tautomer formákká alakulnak át, amelyek befolyásolják a bázispárosodás természetét. Ez a hipotézis felkeltette a figyelmet, és aktívan fejlesztették. A citozin ritka tautomer formáit találták ultraibolya fénnyel besugárzott nukleinsavbázis kristályokban. Számos kísérleti és elméleti vizsgálat eredménye egyértelműen azt mutatja, hogy a DNS-bázisok a kanonikus tautomer formákból ritka tautomer állapotokba léphetnek át. Számos tanulmányt szenteltek a DNS-bázisok ritka tautomer formáinak tanulmányozásának. Kvantummechanikai számításokkal és Monte Carlo módszerrel kimutatták, hogy a citozin tartalmú dimerekben és a citozin -hidrátban a tautomer egyensúly eltolódik iminoformáik felé mind gázfázisban, mind vizes oldatban. Ezen az alapon az ultraibolya mutagenezist magyarázzák . [7] A guanin -citozin párban csak egy ritka tautomer állapot lesz stabil, amelyben a bázispárosodásért felelős első két hidrogénkötés hidrogénatomja egyidejűleg változtatja helyzetét. [8] És mivel ez megváltoztatja a Watson-Crick bázispárosításban részt vevő hidrogénatomok helyzetét, az eredmény bázisszubsztitúciós mutációk kialakulása, citozinból timinbe való átmenet, vagy homológ transzverziók kialakulása citozinból guaninba lehet. A ritka tautomer formák mutagenezisben való részvételét többször tárgyalták.
Poltev és munkatársai munkáiban egy molekuláris mechanizmust javasoltak és alátámasztottak a komplementer bázispárok nukleinsavak polimerázok általi felismerésére. E modell alapján a spontán és a bázisanalógok által kiváltott mutagenezis szabályszerűségeit tanulmányoztuk. A bázisszubsztitúciós mutációk kialakulását azzal a feltételezéssel magyarázzák, hogy a mutagenezis fő oka a nem kanonikus bázispárok, például a Hoogsteen-párok kialakulása. [9] .
Feltételezik, hogy a bázisszubsztitúciós mutációk kialakulásának egyik oka az 5-metilcitozin dezaminációja [10] , amely átmenetet okozhat citozinról timinre. A citozin dezaminációja miatt az uracil bekerülhet a vele szemben lévő DNS-láncba (a kanonikus C-G pár helyett U-G pár jön létre). Az uracillal szembeni DNS-replikáció során az adenin bekerül az új láncba, egy U-A pár képződik, majd a következő replikáció során T-A párra cserélődik, azaz átmenet történik (a pirimidin pontszerű helyettesítése egy másik pirimidinre vagy purinra). másik purinnal).
A mutációk többféle osztályozása létezik különböző kritériumok szerint. Möller azt javasolta, hogy a mutációkat a gén működésében bekövetkezett változás természete szerint ossza fel hipomorf (a módosult allélek a vad típusú allélekkel azonos irányba hatnak; csak kevesebb fehérjetermék szintetizálódik), amorf (a mutáció teljesnek tűnik génfunkció elvesztése, például a Drosophila fehér mutációja , antimorf (a mutáns tulajdonság megváltozik, például a kukoricaszem színe liláról barnára változik) és neomorf .
A modern oktatási irodalomban formálisabb osztályozást is alkalmaznak, amely az egyes gének, kromoszómák és a genom egészének szerkezetében bekövetkezett változások természete alapján történik. Ezen az osztályozáson belül a következő típusú mutációkat különböztetjük meg:
Genomiális : - poliploidizáció (olyan organizmusok vagy sejtek kialakulása, amelyek genomját kettőnél több (3n, 4n, 6n stb.) kromoszómakészlet képviseli) és aneuploidia (heteroploidia) - a kromoszómák számának olyan változása, amely nem a haploid halmaz többszöröse (lásd Inge-Vechtomov, 1989). A kromoszómakészletek eredetétől függően a poliploidok között megkülönböztetik az allopoliploidokat, amelyekben különböző fajokból hibridizációval nyert kromoszómakészletek vannak, és az autopoliploidokat, amelyekben megnő a saját genomjuk kromoszómakészleteinek száma, ami többszöröse. n.
A kromoszómamutációk során az egyes kromoszómák szerkezetében jelentős átrendeződések következnek be. Ebben az esetben egy vagy több kromoszóma genetikai anyagának egy részének elvesztése ( törlés ) vagy megkettőződése ( duplikáció ), az egyes kromoszómák kromoszómaszegmenseinek orientációja megváltozik ( inverzió ), valamint a kromoszóma átvitele. a genetikai anyag egy része az egyik kromoszómából a másikba ( transzlokáció ) (szélsőséges eset - teljes kromoszómák egyesülése, az úgynevezett Robertson-transzlokáció , amely egy átmeneti lehetőség a kromoszómális mutációból a genomikus mutációba).
Génszinten a gének elsődleges DNS-szerkezetében a mutációk hatására bekövetkező változások kevésbé jelentősek, mint a kromoszómális mutációknál, de a génmutációk gyakoribbak. A génmutációk, egy vagy több nukleotid szubsztitúciói, deléciói és inszerciói következtében a gén különböző részeinek transzlokációja, megkettőződése és inverziója következik be. Abban az esetben, ha egy mutáció hatására csak egy nukleotid változik, pontmutációról beszélnek .
A pontmutáció vagy egybázisú szubsztitúció a DNS vagy RNS mutációjának egy fajtája, amelyet az egyik nitrogénbázis másikkal való helyettesítése jellemez. A kifejezést a páros nukleotidszubsztitúciókra is alkalmazzák. A pontmutáció kifejezés magában foglalja egy vagy több nukleotid inszercióit és delécióit is. Többféle pontmutáció létezik.
Vannak összetett mutációk is. Ezek olyan változások a DNS-ben, amikor annak egyik szakaszát egy eltérő hosszúságú és eltérő nukleotid-összetételű szakasz helyettesíti [15] .
Pontmutációk jelenhetnek meg a DNS-molekula olyan károsodásával szemben, amely leállíthatja a DNS-szintézist. Például az ellentétes ciklobután pirimidin dimerek. Az ilyen mutációkat célmutációknak nevezik (a "target" szóból) [5] . A ciklobután pirimidin dimerek célbázis szubsztitúciós mutációkat [69] és célkereteltolódásos mutációkat is okoznak [16] .
Néha pontmutációk jönnek létre az úgynevezett intakt DNS-régiókon, gyakran a fotodimerek kis közelében. Az ilyen mutációkat nem célbázis-helyettesítő mutációknak vagy nem célkereteltolásos mutációknak nevezik [17] .
A pontmutációk nem mindig jönnek létre közvetlenül a mutagénnel való érintkezés után. Néha több tucat replikációs ciklus után jelennek meg. Ezt a jelenséget késleltetett mutációnak nevezik [18] . A genom instabilitása miatt, amely a rosszindulatú daganatok kialakulásának fő oka, a nem célpont és a késleltetett mutációk száma meredeken növekszik [19] .
A pontmutációk négy genetikai következménye lehetséges: 1) a kodon jelentésének megőrzése a genetikai kód degenerációja miatt (szinonim nukleotid szubsztitúció), 2) a kodon jelentésének megváltozása, ami a kodon cseréjéhez vezet. aminosav a polipeptid lánc megfelelő helyén (missense mutáció), 3) értelmetlen kodon kialakulása idő előtti terminációval (nonszensz mutáció). A genetikai kódban három értelmetlen kodon található: borostyán - UAG, okker - UAA és opál - UGA (ennek megfelelően az értelmetlen hármasok kialakulásához vezető mutációkat nevezik el - például borostyán mutáció), 4) fordított szubsztitúció (stop kodon a kodon érzékeléséhez).
A génexpresszióra gyakorolt hatás szerint a mutációkat két kategóriába sorolják: bázispár mutációk és kereteltolásos mutációk . Ez utóbbiak olyan nukleotidok deléciói vagy inszerciói, amelyek száma nem háromszoros, ami a genetikai kód triplett jellegéhez kapcsolódik.
Az elsődleges mutációt néha előremutató mutációnak nevezik , a gén eredeti szerkezetét visszaállító mutációt pedig visszamutációnak vagy reverziónak nevezik. A mutáns szervezetben az eredeti fenotípushoz való visszatérés a mutáns gén funkciójának helyreállítása miatt gyakran nem a valódi reverzió miatt következik be, hanem ugyanazon gén egy másik részének vagy akár egy másik nem allélikus gén mutációja miatt. Ebben az esetben a hátsó mutációt szupresszor mutációnak nevezzük. A mutáns fenotípus elnyomásának genetikai mechanizmusai nagyon változatosak.
A rügymutációk (sport) olyan tartós szomatikus mutációk, amelyek a növényi növekedési pontok sejtjeiben fordulnak elő. Klonális variabilitáshoz vezet [20] . A vegetatív szaporítás során konzerválják. A kultúrnövények számos fajtája rügymutáns [21] .
A többsejtű szervezetben egy sejt aktivitását rontó mutációk gyakran a sejt pusztulásához vezetnek (különösen programozott sejthalálhoz, apoptózishoz ). Ha az intra- és extracelluláris védekező mechanizmusok nem ismerik fel a mutációt, és a sejt osztódáson megy keresztül, akkor a mutáns gén átkerül a sejt összes leszármazottjához, és leggyakrabban ahhoz a tényhez vezet, hogy ezek a sejtek elkezdenek működni. eltérően.
Egy összetett többsejtű szervezet szomatikus sejtjében bekövetkező mutáció rosszindulatú vagy jóindulatú daganatokhoz , a csírasejtben bekövetkező mutáció pedig az egész leszármazott szervezet tulajdonságainak megváltozásához vezethet.
Stabil (változatlan vagy enyhén változó) létfeltételek mellett az egyedek többsége az optimálishoz közeli genotípussal rendelkezik, a mutációk zavarokat okoznak a szervezet működésében, csökkentik alkalmasságát, és az egyed halálához is vezethetnek. Azonban nagyon ritka esetekben egy mutáció új jótékony tulajdonságok megjelenéséhez vezethet a szervezetben, és akkor a mutáció következményei pozitívak; ebben az esetben a szervezet környezethez való alkalmazkodásának eszközei, és ennek megfelelően adaptívnak nevezik őket .
A létfeltételek jelentős változásával azok a mutációk bizonyulhatnak előnyösnek, amelyek korábban károsak voltak. Így a mutációk a természetes szelekció részei . Így az angliai nyírmoly populációiban található melanisztikus mutánsokat (sötét színű egyedeket) a tudósok először a 19. század közepén fedezték fel tipikus világos egyedek körében. A sötét elszíneződés az egyik gén mutációjának eredményeként jön létre. A lepkék a fák törzsén és ágain töltik a napot, általában zuzmóval borítva , amelyek ellen a világos szín álcázás. Az ipari forradalom következtében a légkörszennyezéssel együtt a zuzmók elpusztultak, a nyírfák világos törzseit korom borította. Ennek eredményeként a 20. század közepére (50-100 generációra) az ipari területeken a sötét morfium szinte teljesen felváltotta a világosat. Kimutatták, hogy a fekete forma túlnyomó többségében a madarak ragadozása a fő oka, amelyek a szennyezett területeken szelektíven esznek világos színű pillangókat.
Ha egy mutáció „csendes” DNS-régiókat érint, vagy a genetikai kód egyik elemének szinonimával való helyettesítéséhez vezet , akkor általában semmilyen módon nem jelenik meg a fenotípusban (egy ilyen szinonim helyettesítés megnyilvánulása összefüggésbe hozható eltérő kodonhasználati gyakorisággal). A génelemző módszerekkel azonban kimutathatók az ilyen mutációk. Mivel a mutációk leggyakrabban természetes okok miatt következnek be, ezért, feltételezve, hogy a külső környezet alapvető tulajdonságai nem változtak, kiderül, hogy a mutációs gyakoriságnak megközelítőleg állandónak kell lennie. Ez a tény felhasználható a filogenetika – a különféle taxonok , köztük az ember eredetének és kapcsolatainak tanulmányozására . Így a néma gének mutációi "molekuláris óraként" szolgálnak a kutatók számára. A "molekuláris óra" elmélete is abból indul ki, hogy a legtöbb mutáció semleges, és felhalmozódásuk sebessége egy adott génben nem, vagy csak gyengén függ a természetes szelekció hatásától, ezért hosszú ideig állandó marad. A különböző gének esetében azonban ez az arány eltérő lehet.
A mitokondriális DNS -ben (az anyai vonalon öröklődő) és az Y-kromoszómákban (apai vonalon öröklődő) mutációk vizsgálatát széles körben használják az evolúcióbiológiában a fajok és nemzetiségek eredetének , az emberiség biológiai fejlődésének rekonstrukciójának tanulmányozására.
Az 1940-es években a mikrobiológusok körében az volt a népszerű nézet , hogy a mutációkat egy környezeti tényezőnek (például egy antibiotikumnak ) való kitettség okozza, amelyhez lehetővé teszik az alkalmazkodást. Ennek a hipotézisnek a tesztelésére egy fluktuációs tesztet és a replika módszert fejlesztettek ki .
A Luria - Delbrück fluktuációs teszt abból áll, hogy a kezdeti baktériumtenyészet kis részeit folyékony tápközeggel kémcsövekbe diszpergálják, és több osztási ciklus után antibiotikumot adnak a kémcsövekbe. Ezután (utólagos osztódás nélkül) a túlélő antibiotikum-rezisztens baktériumokat szilárd táptalajjal Petri-csészére oltják . A teszt kimutatta, hogy a különböző csövekből származó stabil telepek száma nagyon változó - a legtöbb esetben kicsi (vagy nulla), és néhány esetben nagyon magas. Ez azt jelenti, hogy az antibiotikum-rezisztenciát okozó mutációk véletlenszerű időpontokban fordultak elő mind az antibiotikummal való érintkezés előtt, mind az után.
A replikák módszere abból áll, hogy az eredeti Petri-csészéből, ahol szilárd táptalajon baktériumkolóniák nőnek, egy gyapjas szövetre lenyomatot készítenek, majd a baktériumokat a szövetből több más edénybe továbbítják, ahol a helyük mintázata ugyanaz, mint az eredeti edényen. Miután minden lemezen antibiotikumot kaptak, az azonos pontokon elhelyezkedő telepek életben maradnak. Az ilyen telepek új lemezekre oltásával kimutatható, hogy a telepen belül minden baktérium rezisztens.
Így mindkét módszerrel bebizonyosodott, hogy az „adaptív” mutációk annak a faktornak a hatásától függetlenül keletkeznek, amelyhez alkalmazkodni engedik, és ebben az értelemben a mutációk véletlenszerűek. Kétségtelen azonban, hogy bizonyos mutációk lehetősége a genotípustól függ, és az evolúció korábbi folyamata irányítja (lásd : Homológ sorozatok törvénye az örökletes variabilitásban ).
Ezenkívül a különböző gének és ugyanazon génen belüli különböző régiók mutációinak gyakorisága természetesen eltérő. Az is ismert, hogy a magasabb rendű organizmusok „célzott” (vagyis bizonyos DNS-régiókban előforduló) mutációkat alkalmaznak az immunitás mechanizmusaiban. . Segítségükkel a limfociták különféle klónjai jönnek létre , amelyek között ennek eredményeként mindig vannak olyan sejtek, amelyek képesek immunválaszt adni egy új, a szervezet számára ismeretlen betegségre. A megfelelő limfociták pozitívan szelektálódnak , ami immunológiai memóriát eredményez . ( Jurij Csajkovszkij más típusú irányított mutációkról is beszél.)
Szótárak és enciklopédiák |
|
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
evolúcióbiológia | |
---|---|
evolúciós folyamatok | |
Az evolúció tényezői | |
Populációgenetika | |
Az élet eredete | |
Történelmi fogalmak | |
Modern elméletek | |
A taxonok evolúciója | |