Hvilke mutationer kaldes spontane? Hvis vi oversætter udtrykket til et tilgængeligt sprog, så er disse naturlige fejl, der opstår i processen med interaktion af genetisk materiale med det indre og/eller ydre miljø. Sådanne mutationer er norm alt tilfældige. De observeres i kønsorganerne og andre celler i kroppen.
Eksogene årsager til mutationer
Spontan mutation kan forekomme under påvirkning af kemikalier, stråling, høje eller lave temperaturer, fortyndet luft eller højt tryk.
Hvert år absorberer en person i gennemsnit omkring en tiendedel af en rad ioniserende stråling, der udgør den naturlige strålingsbaggrund. Dette tal inkluderer gammastråling fra Jordens kerne, solvinden og radioaktiviteten af grundstoffer, der findes i tykkelsen af jordskorpen og er opløst i atmosfæren. Den modtagne dosis afhænger også af, hvor personen befinder sig. En fjerdedel af alle spontane mutationer sker på grund af denne faktor.
UV-stråling spiller, i modsætning til hvad mange tror, en mindre rolle iforekomsten af DNA-nedbrydninger, da det ikke kan trænge dybt nok ind i menneskekroppen. Men huden lider ofte af overdreven soleksponering (melanom og andre kræftformer). Encellede organismer og vira muterer dog, når de udsættes for sollys.
For høje eller lave temperaturer kan også forårsage ændringer i det genetiske materiale.
Endogene årsager til mutationer
De vigtigste årsager til, at spontan mutation kan forekomme, forbliver endogene faktorer. Disse omfatter metaboliske biprodukter, fejl i processen med replikering, reparation eller rekombination og andre.
-
Fejl i replikation:
- spontane overgange og inversioner af nitrogenholdige baser;
- forkert insertion af nukleotider på grund af fejl i DNA-polymeraser;- kemisk erstatning af nukleotider, for eksempel guanin-cytosin til adenin-guanin.
- Gendannelsesfejl:-mutationer i generne, der er ansvarlige for reparationen af individuelle sektioner af DNA-kæden, efter at de går i stykker under påvirkning af eksterne faktorer.
- Problemer med rekombination:- fejl i processerne med at krydse over under meiose eller mitose fører til tab og færdiggørelse af baser.
Dette er de vigtigste faktorer, der forårsager spontane mutationer. Årsagerne til fejl kan ligge i aktiveringen af mutatorgener, samt omdannelsen af sikre kemiske forbindelser til mere aktive metabolitter, der påvirker cellekernen. Derudover er der også strukturelle faktorer. Disse omfatter gentagelser af nukleotidsekvensen nær stedetkædeomlejringer, tilstedeværelsen af yderligere DNA-sektioner, der ligner genets struktur, såvel som mobile elementer af genomet.
mutationspatogenese
Spontan mutation opstår på grund af virkningen af alle de ovennævnte faktorer, der virker sammen eller hver for sig i en bestemt periode af cellens liv. Der er et sådant fænomen som en glidende krænkelse af parringen af datteren og moderens DNA-strenge. Som et resultat dannes der ofte loops af peptider, der ikke har været i stand til at passe tilstrækkeligt ind i sekvensen. Efter fjernelse af overskydende DNA-fragmenter fra datterstrengen kan løkkerne både resekeres (deletioner) og indbygges (duplikationer, insertioner). De ændringer, der er opstået, er rettet i de næste celledelingscyklusser.
Hastigheden og antallet af mutationer, der forekommer, afhænger af den primære struktur af DNA. Nogle videnskabsmænd mener, at absolut alle DNA-sekvenser er mutagene, hvis de danner bøjninger.
De mest almindelige spontane mutationer
Hvad er den mest almindelige manifestation af spontane mutationer i arvematerialet? Eksempler på sådanne tilstande er tab af nitrogenholdige baser og fjernelse af aminosyrer. Cytosinrester anses for at være særligt følsomme over for dem.
Det er blevet bevist, at mere end halvdelen af hvirveldyr i dag har en mutation af cytosinrester. Efter deaminering ændres methylcytosin til thymin. Efterfølgende kopiering af dette afsnit gentager fejlen eller sletter den, eller fordobler ogmuterer til et nyt fragment.
En anden grund til hyppige spontane mutationer er et stort antal pseudogener. På grund af dette kan der dannes ulige homologe rekombinationer under meiose. Dette resulterer i omlejringer i gener, vendinger og fordoblinger af individuelle nukleotidsekvenser.
Polymerase-model for mutagenese
Ifølge denne model opstår spontane mutationer som følge af tilfældige fejl i de molekyler, der syntetiserer DNA. For første gang blev en sådan model præsenteret af Bresler. Han foreslog, at mutationer opstår på grund af det faktum, at polymeraser i nogle tilfælde indsætter ikke-komplementære nukleotider i sekvensen.
År senere, efter lange tests og eksperimenter, blev dette synspunkt godkendt og accepteret i den videnskabelige verden. Visse mønstre er endda blevet udledt, der gør det muligt for forskere at kontrollere og styre mutationer ved at udsætte visse dele af DNA for ultraviolet lys. Så for eksempel blev det fundet, at adenin oftest er indlejret overfor den beskadigede triplet.
Tautomer model for mutagenese
En anden teori, der forklarer spontane og kunstige mutationer, blev foreslået af Watson og Crick (opdagerne af DNA-strukturen). De foreslog, at mutagenese er baseret på nogle DNA-basers evne til at blive til tautomere former, der ændrer den måde, baserne er forbundet på.
Efter offentliggørelsen blev hypotesen aktivt udviklet. Nye former for nukleotider blev opdaget efterbestråle dem med ultraviolet lys. Dette gav forskerne nye muligheder for forskning. Moderne videnskab diskuterer stadig tautomere formers rolle i spontan mutagenese og dens indflydelse på antallet af påviste mutationer.
Andre modeller
Spontan mutation er mulig i strid med genkendelsen af nukleinsyrer af DNA-polymeraser. Poltaev og medforfattere belyst mekanismen, der sikrer overholdelse af princippet om komplementaritet i syntesen af datter-DNA-molekyler. Denne model gjorde det muligt at studere regelmæssighederne af forekomsten af spontan mutagenese. Forskere forklarede deres opdagelse med, at hovedårsagen til ændringen i DNA-strukturen er syntesen af ikke-kanoniske nukleotidpar.
De foreslog, at basesubstitution opstår på grund af deaminering af DNA-segmenter. Dette fører til en ændring i cytosin til thymin eller uracil. På grund af sådanne mutationer dannes par af inkompatible nukleotider. Derfor sker der under den næste replikation en overgang (punktudskiftning af nukleotidbaser).
Klassificering af mutationer: spontan
Der er forskellige klassifikationer af mutationer afhængigt af hvilket kriterium der ligger til grund for dem. Der er en opdeling efter arten af ændringen i genets funktion:
- hypomorfe (muterede alleler syntetiserer færre proteiner, men de ligner de oprindelige);
- amorf (genet har fuldstændig mistet sine funktioner);
- antimorfe (den muteret gen ændrer fuldstændig denne egenskab, som repræsenterer);- neomorfisk (nye tegn vises).
Men en mere almindelig klassifikation, der deler alle mutationer i forhold til variablenstruktur. Fremhæv:
1. Genomiske mutationer. Disse omfatter polyploidi, det vil sige dannelsen af et genom med et tredobbelt eller flere sæt kromosomer, og aneuploidi, antallet af kromosomer i genomet er ikke et multiplum af det haploide antal.
2. Kromosomale mutationer. Signifikante omlejringer af individuelle sektioner af kromosomer observeres. Der er et tab af information (deletion), dets fordobling (duplikation), en ændring i retningen af nukleotidsekvenser (inversion), samt overførsel af kromosomsektioner til et andet sted (translokation).3. Genmutation. Den mest almindelige mutation. I DNA-kæden udskiftes flere tilfældige nitrogenbaser.
Konsekvenser af mutationer
Spontane mutationer er årsagerne til tumorer, opbevaringssygdomme, dysfunktioner i organer og væv hos mennesker og dyr. Hvis en muteret celle er lokaliseret i en stor multicellulær organisme, så vil den med en høj grad af sandsynlighed blive ødelagt ved at udløse apoptose (programmeret celledød). Kroppen styrer processen med at bevare arvematerialet og slipper ved hjælp af immunsystemet af med alle mulige beskadigede celler.
I ét tilfælde ud af hundredtusindvis har T-lymfocytter ikke tid til at genkende den berørte struktur, og det giver anledning til en klon af celler, der også indeholder det muterede gen. Cellekonglomeratet har allerede andre funktioner, producerer giftige stoffer og påvirker kroppens generelle tilstand negativt.
Hvis mutationen ikke forekom i den somatiske, men i kønscellen, så vil ændringerne blive observeret i efterkommerne. De ermanifesteres af medfødte organpatologier, deformiteter, stofskifteforstyrrelser og opbevaringssygdomme.
Spontane mutationer: betydning
I nogle tilfælde kan tidligere tilsyneladende ubrugelige mutationer være nyttige til at tilpasse sig nye livsbetingelser. Dette repræsenterer mutation som et mål for naturlig udvælgelse. Dyr, fugle og insekter camoufleres i henhold til deres opholdsområde for at beskytte sig mod rovdyr. Men hvis deres habitat ændrer sig, så forsøger naturen ved hjælp af mutationer at beskytte arten mod udryddelse. Under nye forhold overlever de stærkeste og giver denne evne videre til andre.
Mutation kan forekomme i inaktive områder af genomet, og derefter observeres ingen synlige ændringer i fænotypen. Det er kun muligt at opdage "brud" ved hjælp af specifikke undersøgelser. Dette er nødvendigt for at studere oprindelsen af beslægtede dyrearter og udarbejde deres genetiske kort.
Problemet med mutationers spontanitet
I 40'erne af forrige århundrede var der en teori om, at mutationer udelukkende er forårsaget af påvirkning af eksterne faktorer og hjælper med at tilpasse sig dem. For at teste denne teori blev der udviklet en speciel test- og gentagelsesmetode.
Fremgangsmåden bestod i, at en lille mængde bakterier af samme art blev sået på reagensglas, og efter flere podninger blev der tilsat antibiotika til dem. Nogle af mikroorganismerne overlevede og blev overført til et nyt medium. Sammenligning af bakterier fra forskellige rør viste, at der opstod resistensspontant, både før og efter eksponering for antibiotika.
Gentagelsesmetoden var, at mikroorganismer blev overført til en blød klud og derefter overført til flere rene medier samtidigt. Nye kolonier blev dyrket og behandlet med et antibiotikum. Som følge heraf overlevede bakterier i de samme dele af mediet i forskellige reagensglas.
