Zwiększanie zmienności

Zwiększanie zmienności

genetycznej –

genetycznej –

indukowanie mutacji i

indukowanie mutacji i

transpozony

transpozony

Wykład VI

Wykład VI

Definicja mutacji.

Definicja mutacji.

Przyczyny występowania mutacji.

Przyczyny występowania mutacji.

Czynniki mutagenne.

Czynniki mutagenne.

Klasyfikacja mutacji, mechanizmy

Klasyfikacja mutacji, mechanizmy

powstawania, skutki dla organizmów.

powstawania, skutki dla organizmów.

Naprawa DNA.

Naprawa DNA.

Transpozony i retrotranspozony.

Transpozony i retrotranspozony.

1

1

Mutant

– organizm niosący zmutowany gen

lub g

eny

Mutacje spontaniczne

– główna przyczyna

powstawania naturalnej zmienności, powodują zmiany
ewolucyjne; rearanżacje DNA są konsekwencją błędów w
metaboliźmie DNA (replikacja, mitoza, mejoza, naprawa)
lub niestabilności genomów (często wywoływana przez
środowisko).

Indukowane mutacje

– zmiany w DNA

wywoływane czynnikami mutagennymi

Mutagen

– mutagenny czynnik,

dowolny związek który

powoduje zwiększenia częstotliwość mutacji powyżej
poziomu naturalnych zmian mutacyjnych

Zmienność mutacyjna –

Zmienność mutacyjna –

wszystkie procesy, które

wszystkie procesy, które

prowadzą do powstania nowych alleli genów, innych niż u

prowadzą do powstania nowych alleli genów, innych niż u

organizmów rodzicielskich (również zmiany w strukturze i ilości

organizmów rodzicielskich (również zmiany w strukturze i ilości

chromosomów)

chromosomów)

2

2

Mutacje



Mutacje mogą być spontaniczne albo sztuczne, czyli

indukowane



Mutacjom podlegają wszystkie geny ale z różną częstością



W niektórych miejscach zachodzą często „gorące miejsca”



Geny labilne – mutują częściej



Geny stabilne mutują rzadziej



Mutacje zachodzą z różną częstością 10

-3

(jedna gameta

na tysiąc) lub 10

-8

(jedna zmutowana gameta na sto

milionów)



Mutacja powodująca hemofilię zdarza się z częstością

3,2x10

-5

(czyli 32 zmutowane gamety na milion)



Np. gen niezwykle stabilny, to gen odpowiedzialny za

spiralizację chromosomów (identyczny u wszystkich

eukariotycznych organizmów)

3

3

Mutacje



Pewne geny determinujące tę samą cechę u

Pewne geny determinujące tę samą cechę u

blisko spokrewnionych organizmów mogą być

blisko spokrewnionych organizmów mogą być

różne np. gen krzepliwości krwi u konia jest

różne np. gen krzepliwości krwi u konia jest

inny niż u osła

inny niż u osła



Mutacje odwracalne

Mutacje odwracalne

– rewersje, zjawisko bardzo

– rewersje, zjawisko bardzo

rzadkie, tłumaczone reperacją uszkodzonej nici

rzadkie, tłumaczone reperacją uszkodzonej nici



Mutacje powtarzalne

Mutacje powtarzalne

, gdy raz wystąpi zmiana

, gdy raz wystąpi zmiana

dziedziczna

u

jakiegoś

gatunku

można

dziedziczna

u

jakiegoś

gatunku

można

oczekiwać pojawienia się tej samej mutacji

oczekiwać pojawienia się tej samej mutacji

ponownie np. platynowe lisy, jednonasienne

ponownie np. platynowe lisy, jednonasienne

buraki, zabarwienie futra u norki

buraki, zabarwienie futra u norki

4

4

Mutacje spontaniczne, somatyczne

często

są

nazywane

„mutacjami

pączkowymi”

bądź

„zmiennością

merystematyczną pąków”, „sportami”.

Już Darwin (1868) określił je jako
„zmienność pąków” – wszystkie zmiany w
strukturze

lub

w

wyglądzie,

które

pojawiają się sporadycznie w trakcie
pełnego wzrostu w pąkach kwiatowych
czy liściowych.

Odgrywają one dużą rolę w udomawianiu
drzew

i

krzewów

owocowych

oraz

otrzymywania wielu atrakcyjnych pod
względem zabarwienia kwiatów lub liści
roślin ozdobnych.

Mutacje spontaniczne, somatyczne

często

są

nazywane

„mutacjami

pączkowymi”

bądź

„zmiennością

merystematyczną pąków”, „sportami”.

Już Darwin (1868) określił je jako
„zmienność pąków” – wszystkie zmiany w
strukturze

lub

w

wyglądzie,

które

pojawiają się sporadycznie w trakcie
pełnego wzrostu w pąkach kwiatowych
czy liściowych.

Odgrywają one dużą rolę w udomawianiu
drzew

i

krzewów

owocowych

oraz

otrzymywania wielu atrakcyjnych pod
względem zabarwienia kwiatów lub liści
roślin ozdobnych.

5

5

Czarcie miotły to gęste, silnie rozgałęzione

(miotlaste) skupienia młodych pędów pojawiające się

na gałęziach drzew w wyniku patologicznego

zahamowania rozwoju pędu i przerwania spoczynku

przez wszystkie pączki boczne lub też mutacji (w

normalnych warunkach rozwijają się tylko niektóre z

nich).

Niekiedy wiek czarciej miotły przekracza 25 lat.

Hexenbesen-Witches

broom

-Cieroviennik-Boszorkany

sepro

Takie atrakcyjne, spontaniczne mutacje pąków u niektórych
roślin drzewiastych (szpilkowych) wśród szkółkarzy są określane
terminem:

6

6

W języku naukowym używamy też terminu -
chimera.
Chimera

to roślina lub jej organ zbudowany z komórek różniących się

genetycznie.
Bierze

początek

z

niejednorodnych

genetycznie

merystemów

wierzchołkowych.

Powstają wtedy różnej wielkości odbarwienia na liściach
czemu łatwo je można rozpoznać w dojrzałym pędzie.

7

7

Picea pungens

Chimera meryklinalna powstaje, gdy warstwy te różnią się, ale tylko na
pewnym odcinku obwodu. Pędy boczne wyrastające z pędu będącego
chimerą merylkinalną są albo jednolite albo chimerycznie peryklinalne,
zależnie

od

sektora

z

którego

wyrastają.

Formy o liściach białobrzegich to chimery peryklinalne z chlorotyczną drugą
warstwą tuniki, zaś formy z białymi sektorami są to zwykle chimery sektorialno-
meryklinalne z chlorotyczną warstwą powierzchniową.

Chimera sektorialna powstaje, kiedy tkanka genetycznie zmieniona
występuje wzdłuż osi podłużnej pędu (często u roślin nagozalążkowych) .

Chimera Picea pungens Bielsko-Biała

. Pojawia się jedno piętro inicjalne i

są w nim sektory genetycznie różne.

Różne typy chimer

Hodowla komórek i tkanek roślinnych. M. Zenkteler, wg. Hejnowicza 1980

8

8

Przykłady spontanicznych, somatycznych

mutantów u roślin uprawnych

Przykłady spontanicznych, somatycznych

mutantów u roślin uprawnych

• 25%

odmian jabłoni w Pn. Ameryce z lat 1942-52

pochodzi ze sportów.

•Ponad 10% u innych gatunków drzew owocowych
takich jak brzoskwinie, gruszki, śliwki i in.

• 3 - 35% powierzchni uprawy ziemniaka w Europie i
USA w latach 1920 - 1960 obsadzone było odmianami
pochodzącymi ze sportów.

•Odmiana jabłoni ‘Delicious’ wyprowadzona 1890
również pochodziła od pączkowego mutanta o
ładniejszym kolorze owocu i kształtu oraz o wyższym
plonowaniu.

• 25%

odmian jabłoni w Pn. Ameryce z lat 1942-52

pochodzi ze sportów.

•Ponad 10% u innych gatunków drzew owocowych
takich jak brzoskwinie, gruszki, śliwki i in.

• 3 - 35% powierzchni uprawy ziemniaka w Europie i
USA w latach 1920 - 1960 obsadzone było odmianami
pochodzącymi ze sportów.

•Odmiana jabłoni ‘Delicious’ wyprowadzona 1890
również pochodziła od pączkowego mutanta o
ładniejszym kolorze owocu i kształtu oraz o wyższym
plonowaniu.

9

9

Autorem pojęcia „mutacja” i twórcą

wiedzy o mutagenezie jest Hugo de

Vries

1886-95

–

De

Vries

wykrył

zjawisko

mutagenezy

spontanicznej.
Przewidywał

możliwość

uzyskania

dowolnych

zmian

mutacyjnych, a tym cech korzystnych z punktu widzenia
hodowli roślin i zwierząt

Na podstawie obserwacji zdefiniował zjawisko mutagenezy
sponatnicznej.

10

10

Zajmował się on analizą zmian morfologicznych w
naturalnej populacji wiesiołka



1887 – zapylenie wsobne 9 roślin wiesiołka, zbiór nasion



1888 – obserwował 15 000 roślin i znalazł 2 typów

mutantów

•

5 roślin karłowych

•

5 roślin o liściach wąskich z długimi ogonkami



1890 – obserwacja 10 000



3 rośliny karłowe



3 rośliny jednopłciowe - słupkowe



1 roślina z czerwonymi żyłkami



1895 – obserwacja 14 000 roślin – obserwowane

mutanty:

•

60 roślin - karłowe

•

73 – jednopłciowe – słupkowe

•

8 - roślin z czerwonymi żyłkami

•

1 roślina – o znacznie większych rozmiarach

•

176 roślin o liściach wąskich z długimi ogonkami

•

1 roślina – liście połyskliwe, rozszczepiające się

•

15 roślin – o liściach wąskich jasnozielonych

11

11

1927

–

Müller

stwierdził

możliwość

indukowania mutacji u zwierząt na przykładzie

muszki owocowej

1928

- Stadler uzyskał mutanty jęczmienia,

kukurydzy

1946

- Gustafsson – zaindukował mutanta jęczmienia, a

następnie w 1960 został on zarejestrowany jako

odmiana Pallas

Rozwój indukowanej mutagenezy przypada na wiek
XX, a oto istotne daty:

Otrzymanie krótkosłomych pszenic na drodze indukowania mutacji, o
bardzo wysokim potencjale plonowania odegrało istotną rolę w
„Zielonej rewolucji” link do strony internetowe

12

12

Zastosowanie indukowanych mutacji

Wykorzystanie

uzyskanych

mutantów w

hodowli roślin

Polepszenie cech

limitujących

uprawę

(np. wysokość roślin, tolerancja
na stresy biotyczne i abiotyczne,
jakość, cechy morfologiczne np.
wąsy czepne u grochu)

Mutanty – gromadzenie

zasobów genowych – dla

funkcjonalnej genomiki,

mapowania

13

13

Klasyfikacja mutacji

1. Mutacje

genowe

–

każda

zmiana

sekwencji

nukleotydowej w

DNA

genu uznanego za wzorcowy

1.1 TRANZYCJA (A/T-G/C)

1.2 TRANSWERSJA (A/T-C/G, T/A-G/C)

1.3 DELECJA

1.4 INSERCJA

KONSEKWENCJE

Są to mutacje kodu genetycznego, mogą być sensowne i

prowadzić do wbudowania innego aminokwasu w
polipeptydy lub nonsensowne – powstaje kodon
terminalny kończący translację

Wypadnięcie lub wstawienie pojedynczej lub większej
ilości par nukleotydów do DNA

14

14

Mutacje



Zmienność mutacyjna prowadzi do powstania nowych

albo zmienionych cech przekazywanych na potomstwo.



Molekularny mechanizm mutacji genowych polega na

zmianie informacji genetycznej zapisanej w trójkowym,

bezprzecinkowym kodzie na nici DNA



Tranzycja zmiana jednego nukleotydu purynowego ma

inny purynowy A na G, G na A; lub pirymidynowego w

inny T/U na C lub C na T/U.



Transwersja

zmiana

nukletydu

purynowego

na

pirymidynowy A lub G na T/U lub C i odwrotnie



Transwersje i tranzycje nie zawsze powodują zmianę zapisu

genetycznego



Kod genetyczny jest wieloznaczny czyl

i

i mutacja nie powoduje

błędnego podstawienia innego aminokwasu - inna trójka koduje ten

sam aminokwas

15

15

Mutacje

Mutacje



Wyjątkowo mutacja punktowa typu transwersji lub

tranzycji może doprowadzić do braku działania genu, np.

gdy powstanie kodon stop, przerywający proces translacji



Drugi typ mutacji – to zmiana liczby nukleotydów, zmiana

prawidłowej sekwencji kodonów. Zmiana może polegać

na utracie

jednego nukleotydu –

delecja

.



Duplikacja , powtórzenie, natomiast wstawienie innego

nukleotydu - to insercja

Tego typu zmiany zawsze niosą zmianę sensu, zmieniają

ramkę odczytu, bo kod genetyczny jest niezachodzący



Mutacje mogą dotyczyć zmiany:



1. Molekularnej budowy genu - zmiana na poziomie DNA

lub RNA (mutacje punktowe, mendlowskie)



2. Chromosomowej – zmiana struktury chromosomu a abberacje

chromosomowe



3. Genomowej – zmiana liczby chromosomów

16

16

–

2.1 TRANSLOKACJA

–

2.2 INWERSJA

–

2.3 DUPLIKACJA

–

2.4 DEFICJENCJA

2.

Mutacje

chromosomowe

strukturalne

(aberracje chromosomowe) - zmiany w strukturze całych
chromosomów, dotyczą cech morfologicznych chromosomów
oraz stałości liniowego układu genów

17

17

Mutacje chromosomowe –

aberracje

Chromosomy,

pomimo,

że

są

strukturami

bardzo

stabilnymi, mogą pękać i ponownie się łączyć – umożliwia
to wymianę odcinków chromatyd homologicznych –
podczas crossing-over (mejoza, gdy tworzą się gamety)

Niekiedy na skutek poprzecznego pęknięcia koniugujących
chromosomów powstające odcinki mogą ulec zagięciu lub
połączyć się w sposób nieprawidłowy, co może
doprowadzić do zmian – mutacji chromosomowych –
nazywanych aberracjami chromosomowymi
W

przypadku

translokacji

następuje

pęknięcie

chomosomów i może dojść do przemieszczenia się
odcinków chromatyd, ale nie między chomatydami
chromosmów homologicznych.

18

18

Mutacje chromosomowe -

Mutacje chromosomowe -

aberracje

aberracje

Odcinek chromosomu może ulec też odwróceniu o 180

o

i

mamy wtedy do czynienia z inwersją, występują (tworzą
się) pętle inwersyjne.
Czasami może dojść do podwojenia odcinka mamy wtedy
do czynienia z duplikacją.
W przypadku pęknięcia chromosomu w dwóch miejscach,
może

wystąpić

wypadnięcie

odcinka,

fragmentu

chromosomu. Możemy mieć do czynienia z:

•

Wypadnięciem odcinka między pęknięciami jest – delecja
interkalarna

•

Delecja dotycząca utraty niewielkiego odcinka lub nawet jednego
nukleotydu (mutacja punktowa)

•

Utrata dłuższego odcinka nazywana jest deficjencją

•

W przypadku pojedynczego pęknięcia chromosomu może zostać
utracony końcowy odcinek i wtedy mamy do czynienia z
delecją/deficjencją terminalną

19

19

20

Wyjątkowo może się zdarzyć podczas mejozy, że powstałe na
skutek pęknięcia odcinki chromatyd przemieszczą się do innej
pary chromosomów
Takie

przemieszczenie

dotyczące

chromosomów

niehomologicznych nosi nazwę translokacji
W wyniku translokacji podczas koniugacji w mejozie tworzą się
nie biwalenty a multiwalenty składające się z kilku par
chromosomów

20

20

Okazało się, że pomimo niezmienionej informacji genetycznej
występują zmiany w ekspresji genów zwane efektem położenia.
Genom jest nie tylko sumą genów, ale stanowi całość, w której
każdy element ma swoje określone miejsce i pełni określoną
funkcję

Odcinek chromosomu może ulec odwróceniu o 180

o

i

mamy wtedy do czynienia z inwersją

21

21

Aberracje chromosomowe widoczne w postaci tworzących się
mostów chromosomowych (a,b,c), chromosomów opóźnionych
(d), przyśpieszonych (a) oraz już całkowitych delecji (c,d)

a

b

c

d

J. Małuszyńska 2003 M.J.

22

22

23

deficjencją terminalna

deficjencją
interkalarna

a

)

Podczas koniugacji chromosomów -

deficjencja terminalna

deficjencja terminalna

jest widoczna w postaci biwalentu, w którym jedna chromatyda
będzie krótsza

b) Deficjencje interkalarne są przyczyną powstawania
wypukłości w chromosomie bez

deficjencji

deficjencji

23

23

3. Mutacje liczby chromosomów

Aneuploidy (brak lub nadmiar jednego chromosomu) (brak lub

nadmiar jednego chromosomu) 2n -+x

monosomiki (zespół Turnera brak 21 chromosomu w obrębie pary

chromosomów homologicznych)

- trisomiki (zespół Dawna dodatkowy chromosom 23 pary)

Euploidy - ( 4n, 5n, 6n ..) - zwielokrotnienie całego genomu

- autopoliploidy - (zwielokrotnienie genomu w obrębie gatunku,

np. ziemniak, burak)

jednakowe genomy:

AAAA

triploidy 2n=3x

tetraploidy 2n=4x

pentaploidy 2n=5x

heksaploidy 2n =6x itd

- allopoliploidy (organizmy zawierające różne genomy, np.

pszenżyto, pszenica)

2n+2n AA +BB

2n+2n+2n AA+BB+DD

24

24

25

25

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ab/21_trisomy_-
_Down_syndrome.png/220px-21_trisomy_-_Down_syndrome.png

26

26

http://www.genetyka-ginekolog.pl/upload/turner.jpg

Zaburzenia w fazie G1



Zaburzenia przebiegu prawidłowego cyklu

komórkowego mogą wystąpić spontanicznie,

lub są naturalnym procesem związanym z

rozwojem i różnicowaniem komórek.



Konsekwencją takich zaburzeń mogą być

zmiany liczby i struktury chromosomów lub

zmiany w liczbie jąder komórkowych



Zakłócenia

mogą

spowodować

nieprawidłowy przebieg fazy G1, może nie

dojść do replikacji DNA a komórka nie

wejdzie w nowy cykl podziałowy

Zaburzenia cyklu komórkowego

27

27

http://cakgenetyka2.republika.pl/ryciny/ryc%209-2.jpg

28

28

Zaburzenia w fazie S - Zaburzenia w

Zaburzenia w fazie S - Zaburzenia w

fazie podziału komórki

fazie podziału komórki

Prowadzą do mutacji liczby chromosomów.
Podczas replikacji DNA błędy mogą powstawać
spontanicznie. Zwykle są naprawiane. Błędna
reperacja lub brak naprawy prowadzi do
powstawania aberracji chromosomowych
Częstotliwość

aberracji

chromosomowych

wzrasta po działaniu czynnikami mutagennymi
Aberracje chromatydowe - poreplikacyjne mogą
powstać tylko na w jednej chromatydzie danego
chromosomu,

natomiast

aberracje

przedreplikacyjne

przejawiają

się

na

obu

chromatydach równocześnie

29

29

http://cakgenetyka2.republika.pl/ryciny/ryc%209-2.jpg

30

30