Mutacje – charakterystyka zjawiska i jego rodzaje
Rodzaj zadania: Rozprawka
Dodane: godzinę temu
Streszczenie:
Poznaj charakterystykę mutacji, ich przyczyny i rodzaje. Dowiedz się, czym różnią się mutacje genowe i chromosomowe oraz jak wpływają na organizmy i ewolucję.
Scharakteryzuj zjawisko mutacji i opisz, jakie są jej rodzaje
Zmienność materiału genetycznego jest jednym z podstawowych warunków ewolucji organizmów. Chociaż informacja genetyczna jest przekazywana z dużą dokładnością, jej zapis nie pozostaje całkowicie niezmienny. Może ulegać trwałym zmianom, określanym jako mutacje. Zjawisko to często kojarzy się przede wszystkim z chorobami dziedzicznymi i nowotworami, jednak jego znaczenie jest znacznie szersze. Mutacje stanowią źródło nowych wariantów genetycznych, a ich następstwa mogą być szkodliwe, obojętne lub korzystne. Pełna charakterystyka tego zjawiska wymaga zatem uwzględnienia zarówno mechanizmów powstawania zmian, jak i ich zakresu, miejsca występowania oraz wpływu na funkcjonowanie organizmu.Istota mutacji i mechanizmy ich powstawania
Mutacja jest trwałą zmianą w materiale genetycznym. W organizmach komórkowych dotyczy DNA i może obejmować sekwencję nukleotydów, strukturę chromosomów lub ich liczbę. U wirusów, których materiałem genetycznym jest RNA, mutacje zachodzą w RNA. Należy przy tym odróżnić mutację od samego uszkodzenia DNA. Uszkodzenie, na przykład chemiczna modyfikacja zasady azotowej, może zostać prawidłowo naprawione i nie doprowadzić do trwałej zmiany zapisu genetycznego. Dopiero utrwalenie zmiany sprawia, że może ona być przekazywana komórkom potomnym.Ze względu na pochodzenie wyróżnia się mutacje spontaniczne i indukowane. Mutacje spontaniczne powstają bez udziału rozpoznanego zewnętrznego czynnika mutagennego. Ich przyczyną mogą być błędy podczas replikacji DNA, samorzutne przemiany chemiczne jego składników oraz procesy zachodzące w komórce. Przykładem jest deaminacja cytozyny, prowadząca do powstania uracylu. Jeżeli taka zmiana nie zostanie naprawiona przed kolejną replikacją, może skutkować zastąpieniem jednej pary zasad inną.
Mutacje indukowane są związane z działaniem mutagenów, czyli czynników zwiększających częstość powstawania mutacji. Wśród mutagenów fizycznych wymienia się promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie jonizujące. Promieniowanie UV powoduje między innymi powstawanie nieprawidłowych połączeń między sąsiednimi pirymidynami w DNA, natomiast promieniowanie jonizujące może prowadzić do pęknięć jego nici. Mutagenami chemicznymi są między innymi niektóre związki alkilujące oraz substancje, których metabolity tworzą addukty z DNA. Przykładem tych ostatnich jest benzo[a]piren obecny w dymie tytoniowym. Zmiany genetyczne mogą również powstawać wskutek przemieszczania się elementów transpozycyjnych, które wbudowują się w nowe miejsca genomu.
Komórki dysponują mechanizmami ograniczającymi liczbę mutacji. Należą do nich korekta błędów podczas replikacji, naprawa błędnie sparowanych zasad oraz systemy usuwania uszkodzonych fragmentów DNA. Mechanizmy te nie są jednak bezbłędne. Co więcej, nieprawidłowości w genach kodujących białka naprawcze mogą zwiększać niestabilność genomu i sprzyjać rozwojowi nowotworów.
Mutacje genowe
Jednym z podstawowych kryteriów klasyfikacji mutacji jest rozmiar zmiany. Mutacje genowe dotyczą sekwencji DNA w obrębie genu lub jego obszarów regulacyjnych. Mogą obejmować pojedynczy nukleotyd albo większą liczbę nukleotydów. Ich skutki zależą nie tylko od wielkości zmiany, ale także od jej położenia i funkcji danego fragmentu DNA.Substytucja polega na zastąpieniu jednego nukleotydu innym. Wśród substytucji wyróżnia się tranzycje, czyli zamiany puryny na inną purynę lub pirymidyny na inną pirymidynę, oraz transwersje, polegające na zamianie puryny na pirymidynę albo odwrotnie. Purynami w DNA są adenina i guanina, natomiast pirymidynami — cytozyna i tymina.
Jeżeli substytucja występuje w sekwencji kodującej białko, jej następstwa można opisać przez wpływ na odczyt kodu genetycznego. Mutacja synonimiczna nie zmienia kodowanego aminokwasu, ponieważ różne kodony mogą oznaczać ten sam aminokwas. Nie oznacza to jednak, że zawsze pozostaje biologicznie obojętna: w określonych sytuacjach może wpływać na składanie RNA, stabilność mRNA lub przebieg translacji. Mutacja zmiany sensu powoduje zastąpienie jednego aminokwasu innym. Klasycznym przykładem jest wariant genu HBB prowadzący do powstania hemoglobiny S, w której reszta kwasu glutaminowego zostaje zastąpiona waliną. Z kolei mutacja nonsensowna przekształca kodon oznaczający aminokwas w kodon stop. Może to prowadzić do przedwczesnego zakończenia translacji lub degradacji nieprawidłowego mRNA.
Inne rodzaje zmian to insercje, czyli wstawienia nukleotydów, oraz delecje, czyli ich utrata. Jeśli w części kodującej liczba dodanych lub usuniętych nukleotydów nie jest wielokrotnością trzech, dochodzi do przesunięcia ramki odczytu. Zmienia się wówczas sposób odczytywania kolejnych kodonów, co zazwyczaj poważnie zaburza strukturę białka. Wstawienie lub usunięcie liczby nukleotydów podzielnej przez trzy nie przesuwa ramki odczytu, ale może zmienić właściwości produktu genu. Przykładem jest delecja trzech nukleotydów w genie CFTR, skutkująca utratą fenyloalaniny w pozycji 508 białka. Jest to częsty wariant powodujący mukowiscydozę.
Osobną grupę stanowią ekspansje powtórzeń, polegające na zwiększeniu liczby powtarzających się sekwencji DNA. W chorobie Huntingtona występuje nadmierna liczba powtórzeń CAG w genie HTT. Mutacje mogą też dotyczyć miejsc składania RNA albo sekwencji regulacyjnych. Nie muszą więc zmieniać samej sekwencji aminokwasów, aby zakłócić ilość lub postać powstającego produktu genu.
Mutacje chromosomowe strukturalne i liczbowe
Zmiany obejmujące większe fragmenty materiału genetycznego zalicza się do mutacji chromosomowych strukturalnych. Należą do nich delecje, duplikacje, inwersje oraz translokacje. Delecja oznacza utratę fragmentu chromosomu, natomiast duplikacja — jego powielenie. Zmiany te mogą zaburzać funkcjonowanie organizmu przez zmniejszenie lub zwiększenie liczby kopii określonych genów. Inwersja polega na odwróceniu orientacji fragmentu chromosomu. Translokacja oznacza natomiast przemieszczenie materiału chromosomowego, często między chromosomami niehomologicznymi.Rearanżacje strukturalne mogą być zrównoważone albo niezrównoważone. W zmianach zrównoważonych nie występuje istotny ubytek ani nadmiar materiału genetycznego, ale mimo to możliwe jest przerwanie genu lub zmiana jego regulacji. Nosiciel takiej rearanżacji może również wytwarzać gamety z niezrównoważonym zestawem materiału chromosomowego. Znaczenie translokacji dobrze ilustruje chromosom Philadelphia, powstający w wyniku wymiany fragmentów chromosomów 9 i 22. Prowadzi ona do utworzenia genu fuzyjnego BCR::ABL1, charakterystycznego dla większości przypadków przewlekłej białaczki szpikowej.
Mutacje liczbowe, tradycyjnie nazywane także genomowymi, dotyczą liczby chromosomów. Aneuploidia oznacza brak lub nadmiar pojedynczych chromosomów. Przykładami są monosomia, czyli obecność tylko jednego chromosomu zamiast pary, oraz trisomia, czyli obecność trzech kopii danego chromosomu. Zespół Downa najczęściej wynika z trisomii chromosomu 21. Przyczyną aneuploidii może być nieprawidłowy rozdział chromosomów podczas mejozy lub mitozy.
Poliploidia polega natomiast na obecności więcej niż dwóch pełnych zestawów chromosomów. Jest szczególnie istotna w ewolucji roślin i znajduje zastosowanie w ich hodowli. U człowieka poliploidia całego organizmu prowadzi zazwyczaj do obumarcia zarodka lub płodu.
Miejsce występowania i znaczenie biologiczne mutacji
Ze względu na rodzaj komórek wyróżnia się mutacje somatyczne oraz mutacje linii płciowej. Pierwsze powstają w komórkach ciała i mogą być przekazywane ich komórkom potomnym. U człowieka zasadniczo nie przechodzą jednak na potomstwo drogą rozmnażania płciowego. Mogą natomiast uczestniczyć w rozwoju nowotworów. Mutacje linii płciowej mogą trafić do gamet i zostać przekazane kolejnemu pokoleniu. Mutacja pojawiająca się po zapłodnieniu może prowadzić do mozaikowatości, czyli współistnienia w organizmie populacji komórek różniących się genetycznie.Ze względu na konsekwencje wyróżnia się mutacje szkodliwe, neutralne i korzystne. Ich ocena zależy jednak od środowiska oraz tła genetycznego. Wariant niekorzystny w jednych warunkach może zwiększać szanse przeżycia w innych. Przykładowo heterozygotyczne nosicielstwo wariantu hemoglobiny S zapewnia częściową ochronę przed ciężką malarią wywoływaną przez *Plasmodium falciparum*. Mutacje nie powstają przy tym dlatego, że organizm ich potrzebuje. Dobór naturalny działa dopiero na istniejącą zmienność.
Mutacje są zatem jednocześnie źródłem zagrożeń zdrowotnych i podstawą powstawania różnorodności biologicznej. Ich następstw nie można przewidzieć wyłącznie na podstawie wielkości zmienionego fragmentu DNA: pojedyncza substytucja może wywołać ciężką chorobę, podczas gdy rozleglejsza zmiana czasem nie powoduje wyraźnych objawów. Zrozumienie mutacji wymaga połączenia wiedzy o budowie genomu, mechanizmach jego ochrony i funkcjonowaniu organizmu. Pozwala to wyjaśniać zarówno dziedziczenie chorób, jak i rozwój nowotworów oraz procesy ewolucyjne.
Oceń:
Zaloguj się aby ocenić pracę.
Zaloguj się