MUTACJA - zmiana dziedziczna powstająca nagle, skokowo wskutek:

• Zmiany genu w nowy jego allel (mutacja genowa lub punktowa)

• Zmiany struktury chromosomu (mutacja chromosomowa strukturalna)

• Zmiany ilości chromosomów ( mutacja liczby chromosomów)

Przyczyny mutacji:

• Błędy w replikacji DNA- są źródłem mutacji punktowych

• Mutageny

Jak powstają mutacje?

• W sposób spontaniczny - np. w wyniku niedopasowania nukleotydów podczas replikacji

• W wyniku indukcji mutagenem (mutagen oddziałuje z DNA rodzicielskim wywołując zmianę struktury, która wpływa na właściwości komplementarnego wiązania zmienionego nukleotydu)

Czynniki mutagenne

• Fizyczne

• Promieniowanie nadfioletowe (UV)- o długości 260 nm powoduje dimeryzację zasad pirymidynowych

• Promieniowanie jonizujące - może powodować insercje, delecje, mutacje punktowe

• Ciepło - stymuluje cięcie wiązania β-N-glikozydowego pomiędzy zasadą azotową a cukrowym składnikiem nukleotydu

• Chemiczne

• Analogi zasad- są to zasady purynowe i pirymidynowe na tyle podobne do normalnych, że są włączane do nukleotydów podczas ich syntezy. Powodują mutacje punktowe

• Czynniki alkilujące- powodują mutacje punktowe.

• Czynniki deaminujące- powodują mutacje punktowe.

• Czynniki interkalujące - powodują mutacje typu insercja (np. bromek etydyny). Cząsteczki wsuwają się pomiędzy pary zasad w podwójnej helisie, powodują rozsunięcie się helisy.

Jak działają mutageny?

• Jak analogi zasad - są mylnie wykorzystywane jako substraty podczas syntezy nowego DNA w widełkach replikacyjnych

• Reagują bezpośrednio z DNA wywołując zmiany strukturalne, które prowadzą do błędnego kopiowania nici matrycowej podczas replikacji DNA

• Mogą działać na DNA pośrednio powodując wytwarzanie w komórce związków chemicznych takich jak nadtlenki, które mają bezpośrednie działanie mutagenne

Mutacje spontaniczne

• Mutacja może powstać w dowolnym genie zarówno w komórce somatycznej jak i płciowej

• Mutacje powstające w komórce somatycznej mogą doprowadzić do powstania osobnika o strukturze genetycznej mozaikowej złożonego z komórek o różnym składzie genetycznym

• Większość mutacji somatycznych ginie wraz ze śmiercią osobnika i nie zostaje przekazana dalszym pokoleniom

• Prawdopodobienstwo wystąpienia mutacji w organizmie wielokomórkowym wzrasta wraz z iloscią podziałów komórkowych

• Podwyższona temperatura zwłaszcza gwałtowne jej zmiany zwiększają częstość mutacji

• Powstające w czasie mutacji alelle często są letalne lub obniżają żywotność albo zdolności rozrodcze

Rodzaje mutacji:

• Mutacje genowe (punktowe)

• Mutacje chromosomowe strukturalne

• Mutacje chromosomowe liczbowe

1). Mutacje genowe - zmiana sekwencji nukleotydowej genu odrębna od sekwencji nukleotydowej DNA genu uznanego za wzorcowy (standardowy)

• Tranzycja - zmiana jednej zasady purynowej na drugą zasadę purynową lub zamiana zasady pirymidynowej na inną pirymidynę

• Transwersja - zamiana zasady pirymidynowej na purynową lub purynowej na pirymidynową

• Delecja - wypadnięcie pojedynczej lub większej ilości par nukleotydów

• Insercja- wstawienie pojedynczej lub większej ilości par nukleotydów do DNA danego genu

2). Mutacje chromosomowe strukturalne:

• DEFICJENCJA - polega na ubytku części chromosomu wraz z zawartymi w nim genami. Powstające w wyniku pęknięcia nowe końce chromosomów wykazują tendencję do łączenia się ze sobą. W organizmach haploidalnych czy też w stanie homozygotycznym w organizmach diploidalnych mutacje tego typu są zwykle letalne. Jest przyczyną np. nowotworu oczu retinoblastoma.

• DUPLIKACJA - do chromosomu zostaje dołączony odcinek z homologicznego chromosomu. Ten sam odcinek w chromosomie występuje dwukrotnie.

• Do duplikacji dochodzi w niesymetrycznym crossing-over

• Duplikacje mogą występować zarówno w stanie homozygotycznym jak i heterozygotycznym nie wywołując efektów letalnych

• Może powstawać na skutek zaburzeń w podziałach mitotycznych lub mejotycznych

• Może występować jako powtórzenie tych samych genów obok siebie w tym samym chromosomie czy też w innym miejscu tego samego lub innego niehomologicznego chromosomu

• Stanowią główny czynnik ewolucyjny

• Przykładem jest mutacja typu Bar u muszki owocowej, której skutkiem jest zmniejszenie ilości ommatidiów w oczach.

• INWERSJA - powstaje gdy chromosom pęknie w dwóch miejscach i odcinek pomiędzy pęknięciami zostanie połączony na nowo, ale po odwróceniu o 180 stopni

• Inwersja pericentryczna - gdy inwersja obejmuje centromer

• Inwersja paracentryczna- nie obejmuje centromeru

• Genetycznym skutkiem inwersji w stanie heterozygotycznym jest znoszenie skutków crossing-over (supresja) w odcinku chromosomu objętym inwersją. Geny znajdujące się w odcinku inwertowanym nie wykazują w ogóle rekombinacji z alellami w drugim chromosomie homologicznym o standartowym układzie genów

• TRANSLOKACJE - do chromosomu zostaje dołączony odcinek z innego chromosomu niehomologicznego

• Translokacja wzajemna- wymiana odcinków między 2 chromosomami

• Translokacja niewzajemna (wewnątrzchromosomowa)

3). Mutacje chromosomowe liczbowe

• Aneuploidy - organizmy, które mają jeden chromosom za dużo lub za mało

• Monosomia (2n-1) - jeden z chromosomów występuje w ilości pojedynczej, inne w podwójnej. Mutacja tego typu występuje rzadko i jest letalna

• Jeśli pojedynczy chromosom ulegnie eliminacji w trakcie podziału mitotycznego wówczas powstają osobniki mozaikowe mające tkanki 2n oraz 2n-1 (zespół Turnera)

• Trisomia (2n+1) - jeden z chromosomów występuje w liczbie potrójnej, pozostałe w podwójnej

• Powstają najczęściej w wyniku nondysjunkcji jednego z biwalentów i połączenia się gamet mających n chromosomów i n+1 chromosomów

Nondysjunkcja - nierozejście się chromosomów 1 pary podczas pierwszego lub drugiego podziału mejotycznego

• Euploidy - mają zwielokrotniony cały podstawowy zespół chromosomów

Przyczyny powstawania euploidów

• Endomitoza - replikacja chromosomów bez podziału jądra i komórki

• Indukcja kolchicyną - dezorganizacja wrzeciona podziałowego prowadzi do tego, że niemożliwy staje się rozdział zreplikowanych chromosomów

• Zaburzenia w podziałach mejotycznych

Euploidy dzielimy na:

• Autopoliploidy - maja zwielokrotniony ten sam (swój) zestaw chromosomów

• Autotriploidy - mają 3 homologiczne zespoły chromosomów. Otrzymuje się je przez krzyżowanie diploidów z tetrapliodami. Są sterylne. Przykładem są buraki cukrowe z większą zawartością cukru.

• Autotetraploidy - powstają przez podwojenie liczby chromosomów u osobnika diploidalnego. Charakteryzują się zwiększonymi rozmiarami komórek i obniżoną płodnością.

• Allopoliploidy - poliploidy mające 2 lub więcej niehomologicznych, diploidalnych zespołów chromosomów. Powstają zwykle na skutek podwojenia liczby chromosomów w mieszańcach między gatunkami o niehomologicznych chromosomach.

• Amfiploid - osobnik powstały z połączenia diploidalnych zespołów dwóch, a nawet więcej gatunków

Efekty mutacji na poziomie genomu

• Powstanie zmiany synonimicznej - gdy nowy kodon odpowiada temu samemu aminokwasowi co kodon niezmutowany. Jest to mutacja cicha, ponieważ nie wpływa na funkcję genomu.

• Powstanie zmiany niesynonimicznej (mutacja zmiany sensu) - gdy w wyniku mutacji kodon zostanie zmieniony w taki sposób, że odpowiada on innemu aminokwasowi . Białko kodowane przez zmutowany gen będzie miało jeden aminokwas inny.

• Zamiana kodonu kodującego na terminacyjny (mutacja typu nonsens) - powstaje skrócone białko, które zwykle nie spełnia swojej funkcji

• Ominięcie kodonu terminacyjnego - białko jest wydłużone o następne aminokwasy na końcu C.

• Zmiany fazy odczytu (mutacja zmiany fazy odczytu) - na skutek delecji lub insercji pary lub większej ilości par nukleotydów następuje począwszy od miejsca mutacji niezgodne z pierwotną fazą odczytywanie kodonów w procesie translacji. Powstający polipeptyd posiada od miejsca mutacji do końca COOH niewłaściwie włączone aminokwasy

Naprawa DNA

Systemy naprawy DNA:

• Systemy naprawy bezpośredniej - wypełniają pęknięcia i korygują niektóre rodzaje modyfikacji nukleotydów

• Naprawa z wycinaniem zasad- obejmuje usuniecie uszkodzonej zasady azotowej, wycięcie krótkiego fragmentu wokół powstającego miejsca AP i ponowną syntezę z udziałem polimerazy DNA

• Naprawa z wycinaniem nukleotydów - przebiega podobnie jak poprzednia , lecz jest poprzedzona usunięciem uszkodzonej zasady i może działać na bardziej uszkodzone obszary

• Naprawa niedopasowanych nukleotydów- poprawia błędy replikacji, również przez wycięcie fragmentu jednoniciowego DNA zawierającego niewłaściwy nukleotyd i wypełnienie powstałej luki

• Naprawa rekombinacyjna- jest wykorzystywana do naprawy dwuniciowych przerw w DNA

2