WYKŁAD XIV

Mutacje i

mutageneza

• Mutacja - nagła, skokowa,

bezkierunkowa zmiana w materiale
genetycznym organizmu.

• Termin po raz pierwszy wprowadzony

przez biologa de Vriesa w 1909 r.

• Mutacje mogą być:
- dziedziczne (w komórkach

generatywnych)

- niedziedziczne (w komórkach

somatycznych).

Rodzaje mutacji

• Mutacje genowe – punktowe
• Mutacje chromosomowe

(strukturalne)

• Mutacje genomowe (liczbowe)

I. Mutacje genowe -

punktowe

• Jest to zmiana sekwencji

nukleotydów w obrębie genu:

1. Transwersja
2. Tranzycja
3. Insercja
4. Duplikacja
5. Delecja

Typy mutacji punktowych

będących efektem zmian w

sekwencji kodującej nukleotydu:

1. mutacje bez zmiany sensu
2. mutacje zmiany sensu – na skutek

tranzycji lub transwersji powstają
nowe kodony co doprowadza do:

- zmian we właściwościach białek
- zmian w funkcjach białek

3. mutacje nonsensowne – w

wyniku tranzycji lub transwersji
kodon sensowny zostanie
zamieniony na nonsensowny co
doprowadza zwykle do całkowitej
nieaktywności białka

4. mutacje zmiany fazy odczytu –

w wyniku insercji lub delecji
błędne odczytywanie kodonów.

Mutacje zmiany sensu u

człowieka

1.

Jako wynik transwersji i tranzycji

• alkaptonuria
• galaktozemia
• beta-talasemia
• mukowiscydoza
• zespół Taya-Sachsa
2.

Jako wynik delecji

• alfa-talasemia
• rodzinna hipercholesterolemia

(wywołana delecją lub duplikacją)

3.

Jako wynik insercji

• hemofilia

Choroby człowieka wywołane

mutacjami punktowymi

• TALASEMIA – niedokrwistość spowodowana

nieprawidłową budową α lub β globiny na
skutek delecji genów w czasie
niesymetrycznego crossing-over lub
nieprawidłowej koniugacji.

• RODZINNA HIPERCHOLESTEROLEMIA –

delecja fragmentu genu kodującego białko
receptora dla cholesterolu – nie jest on
usuwany z układu krwionośnego – miażdżyca.

• HEMOFILIA

–

insercja nukleotydów w

genie determinującym czynnik VII

krzepliwości krwi.

• FENYLOKETONURIA – mutacja genu

kodującego enzym (hydroksylaza

fenyloalaninowa) przekształcający

fenyloalaninę do tyrozyny; gromadzona

fenyloalanina powoduje uszkodzenia w OUN.

• ANEMIA SIERPOWATA – mutacja

polegająca na zamianie kw. glutaminowego

na walinę w cząsteczce hemoglobiny.

• MUKOWISCYDOZA – polega na mutacji

genu kodującego czynnik transportujący sód

i chlorki przez błony komórkowe. Dochodzi

do zaburzeń elektrolitowych, w wydzielinie

płuc oraz w pocie jest duża zawartość Na i

Cl, hamowany jest ruch rzęsek w drogach

oddechowych co prowadzi do ciągłych

infekcji i zaburzeń rozwojowych.

• CHOROBA TAYA-SACHSA - polega na

gromadzeniu się substancji tłuszczowej -

gangliozydu GM2 w komórkach mózgu

(neuronach). Choroba występuje częściej u

Żydów aszkenazyjskich. Upośledzenie

umysłowe oraz motoryki.

• ALKAPTONURIA – różne mutacje w genie

kodującym oksydazę kw.

homogentyzynowego. Kwas ten wydalany

jest z moczem oraz gromadzi się w

chrząstkach stawowych co prowadzi do

zapalenia stawów i ścięgien.

• GALAKTOZEMIA - mutacja punktowa

blokująca aktywność enzymu

rozkładającego galaktozę (pochodzącą

najczęściej z rozpadu laktozy) do glukozy i

w następstwie nadmierne jej gromadzenie

się w organizmie, co powoduje niedorozwój

fizyczny i umysłowy oraz utratę wzroku.

• ZESPÓŁ LESCHA-NYHANA (LNS) –

recesywna mutacja na chromosomie X,

kobiety są bezobjawowymi nosicielkami,

choruje 50% ich męskiego potomstwa.

Pacjenci mają poważne psychiczne i fizyczne

problemy przez całe życie. Uderzającą cechą

zespołu Lescha-Nyhana są zachowania

związane z samookaleczeniem,

charakteryzujące się gryzieniem warg i

palców.

• CHOROBA GAUCHERA – defekt

glukocerebrozydazy, gromadzenie w

komórkach glukocerebrozydów (w wątrobie,

śledzionie, węzłach chłonnych, szpiku oraz w

OUN).

II. Mutacje chromosomowe

(aberracje strukturalne)

1. Delecje
2. Duplikacje
3. Inwersje
- paracentryczne
- pericentryczne
- ze zmainą typu morfologicznego

chromosomu

4. Translokacje
- między ramionami górnymi
- między ramionami dolnymi
- fuzje Robertsona
- dysocjacja

Zespoły chorobowe spowodowane

aberracjami strukturalnymi

autosomów człowieka:

•

Delecja krótkich ramion chromosomu 4 pary

46,XX,4p-; 46,XY,4p-

•

Delecja krótkich ramion chromosomu 5 pary

= zespół cri du chat = miauczenia kota

46,XX,5p-; 46,XY,5p-

•

Delecja długich ramion chromosomu 13 pary

46,XX,13q-; 46,XY,13q-

•

Delecja długich ramion chromosomu 15 pary

= zespół Pradera i Williego

46,XX,15q-; 46,XY,15q-

• ZESPÓŁ CRI DU CHAT - Objawy:

niepełnosprawność intelektualna (od lekkiej
do głębokiej), jasna karnacja, płaczliwość, po
porodzie specyficzny płacz dziecka
przypominający miauczenie kota.

• ZESPÓŁ PRADERA-WILLIEGO - Objawy są

zróżnicowane w zależności od osoby i wieku.
Rozwój umysłowy często jest prawidłowy i
nie odbiega od normy intelektualnej. Rozwój
ruchowy opóźniony, często występuje
cukrzyca II typu, nadwaga, problemy z
wymową.

III. Mutacje genomowe

(aberracje chromosomowe

liczbowe)

• POLIPLOIDY
- autopoliploidy
- allopoliploidy
• ANEUPLOIDY
- monosomie
- trisomie

POLIPLOIDY = EUPLOIDY

• Organizmy posiadające zwielokrotniony

garnitur chromosomów (3n, 4n, 6n).

•

U zwierząt zjawisko poliploidyzacji jest
rzadkie (zwykle ma charakter letalny).

•

U roślin może być korzystne – wyższe plony
ale większość obumiera. Największe
zaburzenie dotyczy płci (sterylność).

•

W przypadku człowieka, zygota lub zarodek
obumiera zwykle przed 8 tyg. życia
płodowego

• Zjawisko poliploidyzacji występuje

w naturze (bielmo – 3n u roślin,
makronucleus u orzęsków).

• Euploidy powstają samorzutnie lub

na skutek indukcji (kolchicyną).

• Przyczyną jest brak rozdziału

chromosomów w mitozie lub w
mejozie (gamety – 2n).

• Autopoliplody
- zwielokrotniona w stosunku do

normalnej liczba chromosomów
pochodzi z tego samego gatunku

- zwykle bezpłodne

• Allopoliploidy
- pochodzenie mieszańcowe z połączenia

gamet spokrewnionych gatunków

ANEUPLOIDY

• organizmy, u których prawidłowy zestaw

chromosomów został wzbogacony lub
zubożony o jeden lub więcej
chromosomów

- monosomia (2n-1)
- trisomia (2n+1)
• Przyczyną tej mutacji jest non-dysjunkcja

polegająca na niewłaściwym rozejściu się
(braku rozejścia) chromosomów w czasie
mejozy.

Non-dysjunkcja

• chromosomów płciowych
• autosomów

Non-dysjunkcja - nierozdzielenie się pary

chromosomów homologicznych w czasie I

lub II podziału

• Non-dysjunkcja
chromosomów płciowych
w czasie spermatogenezy

Non-dysjunkcja chromosomów

płciowych:

• ZESPÓŁ TURNERA
- monosomia 23 pary chromosomów (45,X0 lub

44+X0)

- przeważa fenotyp żeński
- niski wzrost 130 cm
- niedorozwój gonad
- infantylne narządy płciowe
- płetwistość szyi
- koślawość łokci
- wady układu moczowego
- wad układu krążenia
- obniżony iloraz inteligencji

• ZESPÓŁ 47,XXX
- fenotyp żeński
- obniżona płodność
- obniżony iloraz inteligencji

Występują również kariotypy z 4 lub więcej

chromosomem X, który zwiększa nasilenie
upośledzenia umysłowego oraz anomalii
fizycznych

• ZESPÓŁ KLINEFELTERA
- trisomia 23 pary chromosomów

(47,XXY)

- fenotyp męski
- eunuchoidalne proporcje ciała
- dysgenezja jąder
- bezpłodność
- owłosienie typu żeńskiego
- obecność ciałek Barra
- gynomastia
- obniżony iloraz inteligencji

• ZESPÓŁ XYY
- mężczyźni bardzo wysocy, bardzo

emocjonalni i infantylni

- skłonność do zachowań

agresywnych.

Non-dysjunkcja autosomów

• ZESPÓŁ DOWNA
- trisomia 13, 18 lub 21 pary chromosomów
- najczęstsza aneuploidia u człowieka (1/700

urodzeń)

- 60% płodów ulega samoistnemu poronieniu
- 20% płodów rodzi się martwych

Główne objawy kliniczne:

- niski wzrost
- szeroka i płaska twarz
- skośne oczy
- krótki nos
- zniekształcenia uszu
- płaska potylica
- wiele „pętlic” na opuszkach palców
- małpia bruzda
- małe i łukowate podniebienie
- duży, pobrużdżony język
- zmarszczka nakątna

- nieprawidłowość uzębienia

- krótkie i szerokie dłonie
- jednostronny lub obustronny brak jednego

żebra

- zwężenia przewodu pokarmowego
- przepuklina pępkowa
- wady wrodzone macicy
- wady wrodzone serca
- hipotonia mięśniowa
- duże palce, duży odstęp pomiędzy I i II palcem

Wpływ wieku matek na częstość

urodzenia dziecka z zespołem

Downa

• Trisomia 13 pary chromosomów –

ZESPÓŁ PATAUA:

- 1/12tys urodzeń

-

niski wzrost

- niedorozwój umysłowy
- szczelina w tęczówce
- nisko osadzone i zniekształcone uszy
- głuchota
- małpia bruzda
- otwór międzyprzedsionkowy
- otwór międzykomorowy
- serce po prawej stronie

- rozszczep wargi i podniebienia

- małomózgowie
- polidaktylia
- zniekształcenie paznokci
- torbielowatość nerek
- podwójny moczowód
- wodonercze
- przepuklina pępkowa
- wrodzone wady macicy
- wnętrostwo – brak jednego lub obu jąder

• Trisomia 18 pary chromosomów –

ZESPÓŁ EDWARDSA:

- 1/7,5 tys. urodzeń

- zdeformowana czaszka
- nisko osadzone i zdeformowane uszy
- niedorozwój żuchwy
- niski wzrost
- zachodzenie palców na siebie
- małpia bruzda
- skrzywienie dużych palców
- wystające kolana
- wysokie łuki brwiowe

Co jest przyczyną mutacji?

• Mutacje spontaniczne =

samorzutne

• Mutacje indukowane

mutagenami

Mutacje samorzutne- są

najczęściej punktowe

• Błędy w replikacji DNA
- poślizg polimerazy w tzw. „gorących
miejscach mutacji genu”
- pomyłki polimerazy na nici

syntetyzowanej w sposób ciągły są
5x częstsze niż na składanej ligazami

• Zmiany chemiczne w

nukleotydach

Mutacje samorzutne powstałe w

wyniku modyfikacji chemicznych

zasad purynowych i pirymidynowych

• Cytozyna może samorzutnie podlegać

dezaminacji i powstaje z niej uracyl, który
jest rozpoznawany przez system naprawczy
jako obcy i jest wycinany, powstaje AP, które
jest wypełniane przez polimerazę DNA.

• Cytozyna zmetylowana (w poz. 5’) staje

się metylocytozyyną samorzutnie
dezaminujacą, powstaje tymina, nie
rozpoznawana jako obca, zamiast pary C-G
powstanie T-A.

Mutageny

• Czynniki fizyczne: promieniowanie

– prowadzi do zmian w strukturze

DNA

1) promieniowanie jonizujące
- powstające jony inicjują różne reakcje

chemiczne w komórkach, m.in. powstawanie

wolnych rodników, peroksydację lipidów.

Tym reakcjom towarzyszy wydzielanie energii

cieplnej, która wywołuje zmiany chemiczne

w DNA (m. punktowe i chromosomowe,

transf. nowowtworowe)

Promieniowanie słoneczne jest

promieniowaniem elektromagnetycznym.

• Obejmuje ono promieniowanie

podczerwone, światło widzialne oraz
promieniowanie ultrafioletowe (UV).

• Do powierzchni Ziemi dociera

promieniowanie ultrafioletowe z
zakresu 200-400 nm

• .

Dzieli się na trzy główne

zakresy:

• UVA (320-400nm)-jest słabo

absorbowane przez DNA,

mutagenne działanie tych promieni

polega na produkcji reaktywnych

form tlenu

• UVB (280-320nm) – silne działanie

mutagenne

• UVC (200-280nm) – silne działanie

mutagenne

2) promieniowanie ultrafioletowe UVB
- o dł. fali 280 nm
- zdolność przenikania przez tkanki,

silnie wchłaniane przez DNA

- powstawanie fotodimerów

pirymidynowych C-C, C-T, T-T

Fotodimery zaburzają proces replikacji i

mogą spowodować przerwanie

ciągłości cząsteczki DNA – xeroderma

pigmentosum – nadwrażliwośc skóry na

promieniowanie UV – zwiększa ryzyko

raka skóry i czerniaka złośliwego

UVB

- powstawanie tzw. fotoproduktów 6-

4 (powstają pomiędzy
sąsiadującymi ze sobą zasadami
pirymidynowymi)

3) promienie alfa, beta, gamma i

X.

4) szok termiczny

• Chemiczne:
1)

Kw. azotowy

- dezaminuje A, G i C w DNA skutkiem

czego powstają pary A-G, T-C, C-A

(tranzycje, m. zmiany sensu)

2)

Akrydyna – wnika pomiędzy zasady w

DNA i wypycha je, w efekcie - poślizg

polimerazy DNA co prowadzi do

delecji i inwersji

3)

Antybiotyki

4)

Cytostatyki

5)

Leki psychotropowe

6)

Alkohol

7)

Środki konserwujące żywność

(azotyny)

Środki konserwujące żywność –azotyny

mają właściwości nitrozujące amin,
powstają nitrozoaminy – maja wł.
mutagenne

Gotowanie b. długie, smażenie w temp.

pow. 150 C

- piroliza aminokwasów
- połączenie kreatyniny + cukier +

aminokwas -

powstają heterocykliczne aminy

aromatyczne - zw. mutagenne,
kancerogenne i teratogenne

Teratogeny

• Powodują uszkodzenia płodu,

zaburzając rozwój embrionalny

• Pierwsze 2 tyg. – zarodek jest

najmniej podatny na uszkodzenia

• 2-10 tydzień – jest najbardziej

podatny na uszkodzenia

• 10 tydzię – uszkodzenia oun

Alkoholowy zespół płodowy

(Fetal Alcohol Syndrome - FAS)

• charakterystyczne rysy twarzy:dzieci z FAS
często mają mniejszy obwód głowy,

prawdopodobnie w związku z zahamowanym
rozwojem mózgu

• niski wzrost i waga ciała zarówno po

urodzeniu, jak i w późniejszych okresach
rozwoju

• uszkodzenia obwodowego układu nerwowego -

przejawiające się opóźnionym rozwojem,
zaburzeniami emocjonalnymi i obniżonym
poziomem

intelektu.

• Biologiczne:

1) Mykotoksyny
- Aspergillus, Penicillum, Fusarium
2) Wirusy
- różyczka, wirus cytomegalii
3) Bakterie
4) Pierwotniaki
- Toxoplasma