Мутація

Мута́ції у біології — зміни генетичного матеріалу (зазвичай ДНК або РНК). Мутації можуть бути викликані помилками копіювання генетичного матеріалу на стадії поділу клітини, опроміненням жорсткою радіацією, хімічними речовинами (мутагенами), вірусами або можуть відбуватися свідомо під клітинним контролем протягом таких процесів як, наприклад, мейоз або гіпермутація. У багатоклітинних організмах мутації можуть бути підрозділені на генеративні мутації, які можуть бути передані нащадкам, і соматичні мутації. Соматичні мутації не можуть передаватися до нащадків у тварин. Рослини іноді можуть передавати соматичні мутації своїм нащадкам безстатево або статево (у випадку, коли брунька розвивається в соматично зміненій частині рослини).

Частина серії статей на тему:
Еволюційна біологія
Квітка тюльпана з частково жовтою пелюсткою внаслідок мутації генів
Процеси
Категорія • Портал

Мутації розглядаються як рушійна сила еволюції, де менш сприятливі (або шкідливі) мутації видаляються з генофонду природним добором, тоді як сприятливі (вигідні) прагнуть накопичуватися. Нейтральні мутації визначаються як мутації, чиї ефекти не впливають на виживання видів або індивідуумів, які складають види. Вони також можуть накопичуватися. Переважна більшість мутацій не мають ніякого ефекту, тому що механізми репарації ДНК (ремонту ДНК) можуть виправити більшість змін перед тим, як вони стануть постійними мутаціями, і багато організмів мають механізми для усунення інакше постійно видозмінених соматичних клітин.

Мутації відкрив де Фріз в 1900 р., спостерігаючи за мінливістю енотери (Oenothera).

Класифікація

За ефектом на структуру

Послідовність ДНК гена може бути змінена безліччю шляхів. Генетичні мутації мають різні ефекти на здоров'я залежно від того, де вони відбуваються і чи змінюють вони функцію важливих білків. Структурно, мутації можуть бути класифіковані, як:

  • Невеликі мутації, що охоплюють один або декілька нуклеотидів, зокрема:
    • Точкові мутації, часто викликані хімічними речовинами або помилками при реплікації ДНК, являють собою заміну одного нуклеотиду іншим. Найбільше загальні — заміна пурину на пурин (A↔G) або піримідину на піримідин (C↔T). Така заміна може бути викликана азотистою кислотою, помилкою спарювання основ або мутагенними аналогами основ, наприклад, 5-бромо-2-дезоксиуридином (BrdU). Менш загальний випадок — трансверсія, або заміна пурину на піримідин або піримідину на пурин (C/T↔A/G). Точкова мутація може бути нейтралізована іншою точковою мутацією, в якій нуклеотид змінюється назад до свого оригінального стану (дійсна реверсія) або додатковою мутацією де-небудь у іншому місці, яка приводить до відновлення функціональності гена (додаткова реверсія). Такі зміни класифікуються як переходи або трансверсії. Приклад трансверсії — аденін, що перетворюється на цитозин. Точкові мутації, які відбуваються в межах області гена що кодує білки, можуть бути класифіковані на три види, залежно від того, для чого використовуються помилкові кодони:
    • Вставки додають один або більше нуклеотидів до ДНК. Вони звичайно викликані мобільними генетичними елементами, або помилками протягом копіювання елементів, що повторюються (наприклад AT повторення). Вставки в кодуючі області гена можуть змінювати сплайсинг мРНК або викликати зсув рамки зчитування (англ. frameshift), обидва типи мутацій можуть значно змінити продукт гена. Вставки можуть бути звернені делецією мобільного генетичного елементу.
    • Делеції видаляють один або більше нуклеотидів із ДНК. Подібно до вставок, ці мутації можуть викликати зсув рамки зчитування гена. Вони незворотні.
  • Великі мутації в хромосомній структурі, зокрема:
    • Ампліфікації (або дублювання гена) приводять до створення багатьох копій хромосомних областей, збільшуючи дозування генів, розміщених в їхніх межах.
    • Делеції великих хромосомних областей приводять до втрати генів в межах цих областей.
    • Мутації, чий ефект — зіставити разом окремі шматки ДНК, що може привести до створення гібридних генів з новою функціональністю (наприклад bcr-abl). Вони включають:
      • Хромосомні транслокації: обмін частинами генів між негомологічними хромосомами.
      • Інтерстиціальні (проміжні) делеції: видалення областей ДНК з єдиної хромосоми, таким чином сполучаючи наперед віддалені гени.
      • Хромосомні інверсії: зміна орієнтації хромосомного сегменту.
    • Втрата гетерозиготності: втрата одного алелю, шляхом делеції або рекомбінації, в організмах які перед тим мали два.

За ефектом на функції
  • Мутації втрати функції приводять до вибору гена, що має зменшену або немає функції. Коли алель має повну втрату функції (нульовий алель), така мутація часто називається аморфною мутацією. Фенотипи, пов'язані з такими мутаціями, частіше всього рецесивні, але є винятки — коли організм гаплоїдний або коли зменшене дозування продукту гена мало для підтримання нормального фенотипу (гаплонедостатність).
  • Мутації отримання функції замінюють продукт гена таким чином що він набуває нової анормальної функції. Такі мутації звичайно мають домінантний фенотип.
  • Домінантні негативні мутації (також відомі як антиморфні мутації) мають змінений продукт гену, який діє антагонічно до алелю дикого типу. Такі мутації звичайно приводять до зміненої молекулярної функції (часто недіючої) і характеризуються домінантним або напів-домінантним фенотипом. Синдром Марфана у людини — приклад домінантної негативної мутації, яка проявляється як аутосомна домінантна хвороба. За цими умовами, дефектний глікопротеїн що кодується зміненим геном фібрілину (FBN1) протидіє продукту алелю.
  • Смертельні мутації — мутації, які приводять до фенотипу, нездібному до ефективного відтворення.

За аспектом зміненого фенотипу
  • Морфологічні мутації звичайно впливають на зовнішність індивідуума. Мутації можуть змінити висоту рослини або змінити вигляд її насіння від гладкого до грубого.
  • Біохімічні мутації приводять до пошкоджень, що зупиняють ферментний шлях. Часто, морфологічні мутанти — прямий результат мутації завдяки ферментному шляху.

Спеціальні категорії

Умовна мутація — мутація, яка має фенотип дикого типу за певними природними умовами і мутантом фенотип за певними умовами. Умовні мутації також можуть бути смертельними.

Причини мутацій: Два класи мутацій — спонтанні мутації (молекулярний розпад) і вимушені мутації, викликані мутагенами.

Спонтанні мутації на молекулярному рівні включають:

  • Таутомерія — В основі замінюється розташування водневого атома.
  • Депуринація — Втрата пурину (А або G).
  • Деамінація — Заміна нормальної основи на нетипову; C → U, (може бути виправлений механізмами ремонту ДНК), або спонтанна деамінація 5-метилцитозину (непоправна), або A → HX (гіпоксантин).
  • Транзиція — зміни пурину на інший пурин, або піримідину на пірімідін.
  • Трансверсія — пурин стає піримідином або навпаки.

Вимушені мутації на молекулярному рівні можуть бути викликані:

  • Хімічними речовинами
    • Нітрозогуанадін (Nitrosoguanidine, NTG)
    • Аналоги основ (наприклад BrdU)
    • Прості хімічні речовини (наприклад кислоти)
    • Алкілуючі агенти (наприклад, N-етил-N-нітрозосечовина, англ. N-ethyl-N-nitrosourea, ENU)). Ці агенти можуть діяти на ДНК як при реплікації, так і у інший час. На відміну, аналог основи може тільки видозмінити ДНК якщо він включається при реплікації ДНК. Кожний з цих класів хімічних мутагенів має певні ефекти, які приводять до транзицій, трансверсій або делецій.
    • Метилируючі агенти (наприклад етил-метансульфонат (EMS)))
    • Поліциклічні вуглеводні (наприклад бензопірен, знайдений у вихлопах двигунів внутрішнього згорання)
    • Інтеркаляційні агенти (наприклад, бромистий етідій, англ. ethidium bromide)
    • Крослінкери або агенти поперечного зшивання ДНК (наприклад, платина)
    • Окислювальне пошкодження, викликане кисневими радикалами
  • Радіація або випромінювання
    • Ультрафіолетове випромінювання (неіонізуюче випромінювання) — збуджує електрони до вищого рівня енергії та викликає хімічні реакції інакше неможливі. Дві нуклеотидні основи ДНК — цитозин та тимін — найуразливіші до збудження, яке може замінити властивості спаровування цих основ.
    • Іонізуюча радіація

У ДНК існують так звані гарячі точки, де мутації відбуваються до 100 разів частіше, ніж у решті ДНК. Гаряча точка може знаходитися в незвичайній основі, наприклад, 5-метилцитозині.

Частота мутацій також відрізняється для різних видів. Еволюційні біологи запропонували, що вищі частоти мутації вигідні в деяких ситуаціях, тому що вони дозволяють організмам еволюціонувати і тому пристосувати швидше до своїх навколишніх середовищ. Наприклад, багатократна дія антибіотиків на бактерій і відбір стійких мутантів може привести до відбору бактерій, які мають вищі частоти мутацій, ніж оригінальна популяція (мутаторна лінія).

Мутації і хвороби

Зміни в ДНК, викликані мутацією, можуть викликати помилки в послідовності білка, створюючи частково або цілком нефункціональні білки. Щоб функціонувати правильно, кожна клітина залежить від тисяч білків, що повинні функціонувати в правильному місці в правильний час. Коли мутація змінює білок, який грає критичну роль в тілі, може виникнути захворювання. Захворювання, викликане мутаціями в одному або більше генах називається генетичним захворюванням. Проте, тільки маленький відсоток мутацій викликають генетичні захворювання, більшість не мають ніякого впливу на здоров'я. Наприклад, деякі мутації змінюють послідовність основ ДНК гена, але не замінюють функцію білка, зробленого геном.

Якщо мутація присутня в зародковій клітині, вона може дати початок нащадку, який буде носити мутацію у всіх своїх клітинах. Це причина спадкових хвороб. З іншого боку, мутація може відбуватися в соматичній клітині організму. Такі мутації будуть присутні у всіх нащадках цієї клітини, і певні мутації можуть примусити осередок почати безконтрольно відтворюватися, що викликає рак.

Часто, мутації гена, які могли б створити генетичну хворобу, виправляються ремонтною системою клітини. Кожна клітина має цілий ряд шляхів, через які ферменти визнають і ремонтують помилки в ДНК. Оскільки ДНК може бути пошкоджена або видозмінюються у багатьох відношеннях, процес ремонту ДНК — важливий шлях, в якому тіло захищає себе від хвороби.

Дуже маленький відсоток всіх мутацій фактично має позитивний ефект. Ці мутації приводять до нових версій білків, які допомагають організму і його майбутнім поколінням краще пристосовують до змін в їхньому навколишньому середовищі. Наприклад, вигідна мутація могла б приводити до білка, який захищає організм від нової лінії бактерій.

Мутагенез

Мутагенез (штучне створення мутацій) може використовуватися як ефективний генетичний інструмент. Стимулюванням мутацій певним шляхом з наступним спостереженням фенотипу організму можуть бути визначені функції генів і навіть індивідуальних нуклеотидів. В наступний час є декілька моделей мутагенезу. У загально прийнятій полімеразній моделі полягає, що причиною мутацій є спорадичні помилки ДНК-полімераз[1]. Ватсон і Крік запропонували таутомерну модель спонтанного мутагенезу[2]. Одна модель припускає, що причиною мутагенезу є дезамінування цитозина або 5-метилцитозина[3]. Полімеразно-таутомерна модель опирається на гіпотезу Ватсона і Кріка[4][5].

Див. також

Примітки
  1. Pham P., Bertram J. G, O'Donnell M., Woodgate R., Goodman M. F. A model for SOS-lesion-targeted mutations in Escherichia coli // Nature. — 2001. — 408. — P. 366—370.
  2. Watson J. D., Crick F. H. C. The structure of DNA // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. — 1953.  — 18. — P. 123—131.
  3. D.-H. Lee, G. P. Pfeifer, «Deamination of 5-methylcytosines within cyclobutane pyrimidine dimers is an important component of UVB mutagenesis», The Journal of Biological Chemistry, vol. 278, no. 12, pp. 10314-10321, 2003.
  4. Grebneva H. A. A Polymerase-tautomeric model for targeted substitution mutations formation during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA, containing cis-syn cyclobutane cytosine dimers. Int. J. Molec. Biology: Open Access. 2016. Vol. I, no. 1, p. 1-16.
  5. Grebneva, Helen (2017). Polymerase-tautomeric model for ultraviolet mutagenesis. Targeted base substitution and frameshift mutations caused by cis-syn cyclobutane thymine dimers. (English). Lap Lambert Academic Press. с. 132. ISBN 978-3-330-03068-8.

Джерела
  • А. В. Сиволоб, С.Р. Рушковський, С.С. Кир'яченко та ін. (2008). Генетика. К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". с. 35-41, 125-142.

Посилання
  • Мутація // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 125.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.