ZMIENNOŚĆ I MUTACJE

Katedra i Zakład Biologii

Medycznej

AM w Bydgoszczy

ZMIENNOŚĆ

Zmienność-występowanie dziedzicznych
lub niedziedzicznych różnic:
▪ zmienność wewnątrzosobnicza -
pomiędzy komórkami danego organizmu
▪ zmienność osobnicza - pomiędzy
osobnikami należącymi do tej samej
populacji ,
▪ zmienność grupowa - pomiędzy
populacjami .

ZMIENNOŚĆ

1. MUTACYJNA

-

mutacje genowe

(tranzycje, transwersje,

delecje, insercje, inwersje)

-

mutacje chromosomowe

:

- strukturalne (inwersje, translokacje,

duplikacje,

delecje, izochromosomy, chromosomy

koliste)

- liczbowe-aneuploidie (monosomie,

nullisomie,

trisomie)
- euploidie (poliploidie) :
> autopoliploidie (triploidie, tetraploidie,

itd.)

> allopoloploidie (amfiploidie)

2. REKOMBINACYJNA

(rekombinacja

homologiczna,

rekombinacja zlokalizowana, rekombinacja

transpozycyjna)

3. FLUKTUACYJNA

(ciągła)

4. ALTERNATYWNA

(skokowa)

ZMIENNOŚĆ

• Zmienność fluktuacyjna (ciągła) – daje się

określić w jednostkach miary (wzrost, masa
ciała, IQ, liczba krwinek, pigmentacja włosów i
skóry)

• Zmienność alternatywna (skokowa, nieciągła) –

np. układ grupowy Rh

ZMIENNOŚĆ FENOTYPOWA

REKOMBINACJE

– procesy wymiany

fragmentów DNA między chromosomami

homologicznymi lub dwuniciowymi

helisami DNA. Rekombinacje nie prowadzą do

wytworzenia nowych alleli genów, ale do

ciągłego ich przetasowywania i powstawania

różnych kombinacji genotypów. Rekombinacje

mogą pojawiać się po mejozie, mitozie lub

koniugacji.

ZMIENNOŚĆ DZIEDZICZNA

(REKOMBINACJE I MUTACJE)

• U organizmów prokariotycznych rekombinacja

może wystąpić w wyniku :

- losowego doboru koniugantów
- rekombinacji zlokalizowanej,

transpozycyjnej,

homologicznej w czasie koniugacji
• U organizmów eukariotycznych :
- losowej segregacji chromosomów w
spermatogenezie i oogenezie
- losowego doboru rodziców
- losowego łączenia się gamet
- rekombinacji homologicznej (crossing over),
zlokalizowanej lub transpozycyjnej

• Zjawisko prowadzące do rekombinacji

genetycznej sprzężonych genów polegające na
wymianie odpowiadających sobie położeniem
odcinków między homologicznymi grupami
sprzężeń (chromosomami)

• Zachodzi w wyniku symetrycznych pęknięć i

ponownego połączenia się odcinków chromatyd
chromosomów homologicznych po ich wzajemnej
wymianie w pachytenie i/lub diplotenie mejozy

• Występuje również somatyczny , czyli mitotyczny

crossing over , który ma znaczenie w procesach
naprawy DNA. Występuje rzadko i z różną
częstością w chromosomach .

REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA

(crossing over)

REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA

(crossing over)

• Dotyczy wymiany niehomologicznych, ale

specyficznych fragmentów

• Jest katalizowana przez białka rozpoznające

specyficzne sekwencje zasad

• Przykładem tego typu rekombinacji jest tworzenie

przeciwciał i receptorów limfocytów T

• W komórkach bakteryjnych rekombinacja

zlokalizowana zachodzi podczas wbudowywania
plazmidów do genomu bakterii. Do przebiegu tego
procesu potrzebne są białka kodowane przez
plazmid i DNA bakterii.

REKOMBINACJA ZLOKALIZOWANA

• Zachodzi podczas wbudowywania

transpozonów w nowe miejsce genomu

• Transpozony są to ruchome elementy

genomu zawierające geny kodujące

transpozazę (enzym o aktywności nukleazy)

• Najprostszym przykładem transpozonów są

sekwencje insercyjne (IS)

• W rekombinacji transpozycyjnej wymagane

jest istnienie specyficznej sekwencji DNA w

miejscu akceptorowym dla IS. Sekwencja ta

ulega duplikacji, a IS wbudowywana jest

między podwojony fragment (podwojona

sekwencja).

REKOMBINACJA TRANSPOZYCYJNA

• Takie podwojenie sekwencji zasad

powoduje zwiększenie ilości
homologicznego materiału
genetycznego w komórce

• Rekombinacja pomiędzy podwojonymi

sekwencjami może prowadzić do
delecji, inwersji lub duplikacji genów

• Oprócz genów transpozazy transpozon

może zawierać inne geny – jest to tzw.
transpozon złożony

• U Eukaryota transpozony mają

budowę podobną do retrowirusów

• Termin „

mutacja

” wprowadził H. De Vries w

1909r

• Mutacja

jest to zmiana dziedziczna powstająca

na skutek zmiany genu w jego nowy allel
(mutacja genowa), zmiany struktury
chromosomu (mutacja chromosomowa),
zmiany liczby chromosomów (mutacja
liczbowa), bądź zwielokrotnienie haploidalnego
zestawu chromosomów (mutacja genomowa)

MUTACJE

• każda zmiana sekwencji nukleotydów w

obrębie genu , inna od sekwencji genu
wyjściowego (powstaje nowy allel genu)

• dotyczy genów kodujących białka

strukturalne i enzymatyczne

• zmiana sekwencji nukleotydów w DNA może

powstać w wyniku : tranzycji, transwersji,
delecji, insercji

MUTACJE GENOWE

• Tranzycja

– zamiana jednej zasady purynowej

na drugą purynową , lub pirymidynowej na
inną pirymidynową.

• Traswersja

– zamiana zasady purynowej na

pirymidynową lub odwrotnie.

• Delecja

– wypadnięcie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów z danego genu.

• Insercja

– wstawienie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów do danego genu .

MUTACJE GENOWE

• Następstwa mutacji genowych :
- zmiana sekwencji aminokwasów w

polipeptydzie kodowanym przez zmutowany

gen

- przerwanie syntezy łańcucha

polipeptydowego

• Mutacja typu zmiany sensu – na skutek

tranzycji lub transwersji dojdzie do zmiany

kodonów

• Mutacja niema – kodony będą synonimiczne –

kodujące ten sam aminokwas

• Mutacja „missens” – kodony będą różne – do

łańcucha polipeptydowego dołączony zostanie

nowy aminokwas

MUTACJE GENOWE

• Mutacje nonsensowne - powodują

powstanie nowych kodonów „stop” i
prowadzą do przerwania syntezy
białka

Wynikiem mutacji genowych u

człowieka są choroby monogenowe,
m.in.: mukowiscydoza,
fenyloketonuria, alkaptonuria,
albinizm, retinoblastoma
achondroplazja i inne

1. Aberracje chromosomowe strukturalne

• Mogą dotyczyć pojedynczej lub obu chromatyd

• Przyczyną jest przerwanie ciągłości

chromatydy lub chromosomu

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Inwersja

– (odwrócenie fragmentu chromosomu o

180

o

) na skutek pęknięć jednego chromosomu i

połączenia wolnych jego końców w odwrotnym
kierunku .w następstwie zmiany pozycji genów w
chromosomie może dojść do zmiany ich ekspresji.

→ paracentryczna obejmuje odcinek

chromosomu bez

centromeru
→ perycentryczna obejmuje fragment z

centromerem

• Translokacja

– przemieszczenie się fragmentu

chromosomu w inne miejsce tego samego lub innego
chromosomu.

→ T. intrachromosomalna (wewnętrzna) między

homologicznymi

chromosomami
→ T. interchromosomalna (zewnętrzna) między chromosomami
niehomologicznymi
→ T. wymienna (wzajemna) wzajemna wymiana odcinków

między

chromosomami niehomologicznymi, całkowita liczba
chromosomów pozostaje nie zmieniona, a dwa spośród

nich mają

nieprawidłowe kształty .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

TRANSLOKACJA WYMIENNA

(WZAJEMNA)

TRANSLOKACJA ROBERTSONOWSKA (typu fuzji):

 

Łączą się całe lub prawie całe ramiona długie

dwóch różnych chromosomów (połączenia

centryczne). Miejscem połączenia jest rejon

centromeru. Dochodzi do utraty funkcjonalnie

nieistotnej części materiału genetycznego ( ramiona

krótkie ) .U człowieka dotyczą tylko chromosomów

akrocentrycznych.

Translokacja robertsonowska zrównoważona

-nie

zmienia się ilość materiału genetycznego, ale następuje

zmiana jego lokalizacji w genomie. Brak objawów

fenotypowych.

Translokacja robertsonowska niezrównoważona

-ilość

materiału genetycznego powiększa się o dodatkową

kopię translokowanego chromosomu. Fenotypowe

ujawnienie choroby

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Duplikacja

– podwojenie

tych samych odcinków
chromosomów (podwojenie
kopii genów). Podwojone
fragmenty mogą występować
jako bezpośrednie
powtórzenia (proste
powtórzenia tandemowe) lub
jako odwrócone względem
siebie powtórzenia
fragmentów chromosomów.

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Delecja (deficjencja)

–

utrata odcinka
chromosomu.

→ d. terminalna obejmuje

część

dystalną chromosomu

→ d. interstycjalna obejmuje

fragment środkowy

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Chromosom kolisty

– powstaje w wyniku

pęknięcia, a następnie połączenia końców
chromosomu.

U człowieka chromosomy koliste powstają

najczęściej z chromosomów 4 , 13 , 18 pary
oraz chromosomu X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Izochromosom

– powstaje w

wyniku nieprawidłowego ,
poprzecznego podziału
centromeru chromosomu
metafazowego. Składa się on
tylko z połączonych ramion
długich lub krótkich. Powstanie
izochromosomów powoduje
ubytek genów zawartych w
utraconych ramionach i
podwojenie ich liczby w
ramionach , które utworzyły
chromosom. Powstają zarówno z
autosomów jak i chromosomu X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

2. Aberracje liczbowe
• Aneuploidie

– powstają w wyniku zwiększenia

lub zmniejszenia diploidalnej liczby

chromosomów o pojedyncze chromosomy .

Powstawanie uniparentalnej disomii

(UPD)

- polega na obecności u diploidalnego

potomka pary

chromosomów pochodzących tylko od

jednego

rodzica .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

TRISOMIA 21 PARY CHROMOSOMÓW

47,XX,+21 (ZESPÓŁ DOWNA)

• Euploidie

– zwielokrotnienie całego podstawowego zespołu

chromosomów. Zapis 3n, 4n, 5n, itd.

→

autopoliploidie

- garnitur chromosomów jest

zwielokrotniony

o ten sam zestaw chromosomów.
Autopoliploidie są u człowieka letalne i prowadzą do

poronień.

np. AABB(2n) + AABB(2n) = AAAABBBB(4n)

→

allopoliploidie (amfiploidie)

zwielokrotnienie

niehomologicznych

zespołów chromosomów . Powstają najczęściej na skutek
podwojenia liczby chromosomów u mieszańców
międzygatunkowych. Ten typ aberracji nie występuje u
człowieka .
np. AABB(2n) + CCDD(2n) = AABBCCDD(4n)

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

Mutageny

to czynniki indukujące powstawanie

mutacji znacznie ponad poziom mutacji

spontanicznych.

Mutageny mogą powodować:
• Transformację nowotworową (kancerogeneza)
• Wady rozwojowe (teratogeneza)
• Śmierć komórek (całego organizmu)

Czynniki mutagenne podzielono na:
• Fizyczne (np. UVA, UVB, promieniowanie X)
• Chemiczne (np. niektóre leki, środki konserwujące i

inne)

• Biologiczne (wirusy brodawczaka ludzkiego i inne)

CZYNNIKI MUTAGENNE

• uszkodzenia DNA, przed ich naprawą, są

rozpoznawane przez enzymy reparacyjne:

- polimerazy DNA: jądrowe (α, β, δ, ε) i

mitochondrialna (γ)

- ligazy DNA
- glikozylazy DNA
- endonukleazy apurynowe/apirymidynowe (5’-

AP i 3’-AP)

- białka pomocnicze
- fotoliazy DNA
- metyotransferaza O

6

-metyloguanina-DNA

(MGMT)

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

• Naprawa DNA może być kompletna i niekompletna

(efektem są mutacje punktowe, aberracje
chromosomowe)

• W przypadku braku możliwości naprawy DNA komórka

powinna ulec programowanej śmierci komórki-apoptozie

• Procesy naprawy zachodzą w okresie

przedreplikacyjnym, podczas replikacji lub w okresie
poreplikacyjnym

• Szybkość naprawy chromatyny aktywnej transkrypcyjnie

jest większa niż nieaktywnej chromatyny

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

-

usuwanie błędnie sparowanej zasady

- naprawa przez wycinanie zasad

azotowych

- naprawa przez wycinanie

nukleotydów

- naprawa rekombinacyjna
- odpowiedź SOS

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

USUWANIE BŁĘDNIE

SPAROWANEJ ZASADY

• Dotyczy usuwania błędów replikacyjnych, nie

naprawionych przez polimerazę DNA, podczas

replikacji oraz błędów w parowaniu zasad

podczas rekombinacji DNA, a także w wyniku

działania niektórych związków chemicznych

• Etapy naprawy u E.coli :

- rozpoznanie miejsca pomyłki przez białko MutS

- połączenie białka MutS z DNA stabilizowane

przez białko MutL, które odpowiada za

połączenie z białkiem MutH

- białko MutH przyłącza się naprzeciw najbliżej

zmetylowanej adeniny w nici „rodzicielskiej” i

nacina nić potomną

- Procesy wycięcia nieprawidłowej nici i

dosyntetyzowanie prawidłowej
przebiega z udziałem : helikazy II,
egzonukleazy, polimerazy DNA III,
ligazy DNA

U Eukaryota mechanizm naprawy nie

został dostatecznie poznany.

NAPRAWA PRZEZ WYCINANIE

ZASAD AZOTOWYCH

• Mechanizm wykorzystywany głownie do usuwania

uracylu lub alkilowanych zasad np. 3-
metyloadeniny

• Etapy :
1. Usunięcie nieprawidłowej zasady przez

specyficzną N-glikozylazę i wytworzenie miejsca
apurynowego /apirymidynowego (miejsce AP).
Alkilowane zasady azotowe mogą również
oddysocjować od reszt dezoksyrybozy
samorzutnie.

2. Nacięcie przez endonukleazę AP wiązania

fosfodiestrowego powyżej miejsca AP i
wytworzenie wolnego końca 3’-OH

3. Wypełnienie miejsca AP przez polimerazę

DNA

Różnice pomiędzy poszczególnymi typami tego

mechanizmu dotyczą pierwszego etapu, w
którym występują różne glikozylazy,
specyficznie wycinające dany typ
nieprawidłowej zasady.

Powstające po wycięciu zasady miejsce AP jest

identyczne do powstającego po spontanicznej
depurynacji lub depirymidynacji.

NAPRAWA PRZEZ WYCINANIE

NUKLEOTYDÓW

• Rozpoznanie uszkodzenia
• Przyłaczenie kompleksu białkowego w miejscu

uszkodzenia

• Podwójne nacięcie uszkodzonej nici w miejscu

oddalonym o kilka nukleotydów od miejsca
uszkodzenia zarówno po stronie 3’, jak i 5’

• Usunięcie oligonukleotydu zawierającego

uszkodzenie pomiędzy nacięciami

• Wypełnienie powstałej luki przez polimerazę

DNA

• Połączenie wolnych końców przy udziale ligazy

DNA

NAPRAWA REKOMBINACYJNA

• Naprawa pęknięć dwuniciowych
• U Eukaryota wyróżnia się trzy szlaki

naprawy (rekombinacja
homologiczna, dopasowywanie
pojedynczych nici DNA, rekombinacja
niehomologiczna)

• U ssaków w zależności od pozycji w

cyklu komórkowym dominują różne
mechanizmy

ODPOWIEDŹ SOS

• W komórkach bakteryjnych uruchamiany w

przypadku powstania licznych mutacji lub została
zatrzymana replikacja

• W odpowiedzi bierze udział ok..20 różnych genów

(liczne z nich kodują syntezę enzymów naprawy
DNA)

• System SOS może po naprawie pozostawiać błędy

(system mutagenny)

• System ten jest uruchamiany, gdy wcześniejsze

procesy nie wystarczyły do usunięcia uszkodzeń

• Uruchomienie systemu zatrzymuje podział

komórki

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ