1. Podział zmienności

Występowanie różnic (dziedzicznych bądź nie ) między komórkami danego organizmu
(zmienność wewnątrzosobnicza), osobnikamie tej samej populacji (osobnicza) lub
pomiędzy populacjami (grupowa).
Zmienność może miec charakter:

 Ciągły (zmienność fluktuacyjna), dająca się określić w jednostkach miary, np.

wzrost, masa ciała IQ (można przedstawićna krzywej Queteleta),

 Nieciągły (zmienność alternatywna), np. grupa krwi Rh.

Czynniki środowiskowe maja duży wpływ na przejawianie się niektórych cech
dzidzicznych, głównie poligenicznych – ten sam zespół genowy w różnych warunkach
daje różne efekty fenotypowe.
Choroby w zależności od udziału czynników genowych i środowiskowych podzielono
na 3 grupy:

 Uwaronkowane tylko genotypem (np. hemofiliaA, albinizm, zespół Downa)
 W których dużą role odgrywają oba te czynniki – choroby wieloczynnikowe (np.

cukrzyca, choroba wieńcowa)

 Uwarunkowane głównie czynnikami środowiskowymi (np. dur brzuszny,

pełzakowica, rzęsistkowica)

2. Rekombinacje

Rekombinacją nzywamy każdy proces wymiany fragmentów DNA między
chromosomami homologicznymi lub dwuniciowymi helisami DNA. Rekombinaty
mogą pojawiać się po mejozie, mitozie lub koniugacji. Wyróżnia się rekombinację
HOMOLOGICZNĄ, ZLOKALIZOWANĄ i TRANSPOZYCYJNĄ.
Nie prowadzą do powstawania nowych alleli, ale do ich przetasowywania i
powstawania nowych kombinacji genów.
U prokaryota rekombinacje mogą nastąpic w wyniku:

 Losowego doboru koniugatów,
 Wyżej wymienionych typów rekombinacji podczas koniugacji.

U eukaryota rekombinacje mogą nastąpić w wyniku:

 Losowej segregacji chromosomów spermatogenezie i oogenezie,
 Losowego doboru rodziców
 Losowego łączenia gamet
 Rekombinacji homologicznej (crossing over), zlokalizowanej oraz

transpozycyjnej.



Rekombinacja homologiczna (crossing over)

o

U eukaryota zachodzi w wyniku symetrycznych pęknięc i ponownego
połączenia się odcinków chromatyd chromosomów homologicznychpo ich
wzajemnej wymianie w pachytenie i/lub diplotenie mejozy.

o

Prowadzi do wymiany odcinków homologicznych między dwona
chromosomami.

o

Rekombinacja homologiczna w komórkach E.Coli:

 Katalizowana przez białka kodowane w genach rec.
 Kompleks białkowy RecBCD przygotowuje do rekombinacji niezbędny

ssDNA (single stranded DNA – jednoniciowy DNA). Wykazuje aktywność
helikazy i nukleazy – rozplata i nacina dsDNA (double stranded DNA -
dwuniciowy DNA). Proces rozplatania dzięki hydrolizie ATP jest szybszy
niż ponowne parowanie się zasad. Po napotkaniu miejsca „chi”
zawierającego sekwencję 5’-GCTGGTGG-3’ dochodzi do nacięcia nici i
powstaje ssDNA.

 Stabilizacja jednoniciowego Dna przez białko SSB (zabezpieczna przed

tworzeniem przez ssDNA struktur typu spinki do włosów)

 Związanie z ssDNA białka RecA i wytworzenie przez ssDNA filamentu –

spiralnie zwiniętej formy.

 Kompleks ssDNA-RecA ma zdolność parowania się z dwuniciowym DNA.

Przeszukuje dsDNA w poszukiwaniu miejsc homologicznych, znajduje
komplemetarne sekwencje. Nić dokonująca inwazji (przemieszczenia)
wypiera starą nić i powstaje pętla D. Do tego procesu potrzebna jest
energia ATP.

 Podczas owijania się jednej nici wokół drugiej powstają napięcia torsyjne

znoszone przez topoizomerazę I.

 Proces wzajemnego przemieszczania nici katalizują niałka RuvA i RuvB

wykorzystujące ATP.

 Połączenia typu Hollidaya rozcina nukleaza RuvC, a następnie ligaza DNA

odpowiednio łączy wolne końce.

 Rekombinacja homologiczna u prokaryota odgrywa dużą rolę w

naprawie DNA.

o

Rekombinacja homologiczna u eukaryota – model Szostoka

 Pęknięcie obydwu nici DNA

o

Crossing over prawdopodobnie zachodzi na kilka różnych sposobów, nie znamy
wszystkich

o

Crossing over występuje w mejozie, sporadycznie w mitozie (mitotyczny
crossing over – ma znaczenie w procesach naprawy DNA)

o

Konsekwencje mitotycznego crossing over zależą od lokalizacji odcinka
wymiany, położenia i rozdziału centromerów chromosomów, w których
zachodzi. Pojedyncza wymiana między sprzężonymi heterozygotycznymi loci
(A/a i B/b) oraz rozdział centromerów do różnych biegunów komórki w czasie
anafazy prowadzi do utraty heterozygotyczności w obrębie dystalnych

odcinków w stosunku do centromeru i punktu wymiany. Utrata
heterozygotyczności prowadzi do procesu nowotworowego.

o

Na podstawie częstości crossing over można ustalic lokalizację genów nici DNA
u prokaryota i na chromosomach eukaryota oraz określić ich wzajemne
położenie.



Rekombinacja zlokalizowana

o

Dotyczy wymiany niehomologicznych, ale specyficznych fragmentów.

o

Katalizowana przez białka rozpoznające specyficzne sekwencje zasad.

o

Przykładem jest tworzenie przeciwciał i receptorów limfocytów T.

o

Zmienne rejony genów łańcucha lekkiego przeciwciał powstają w wyniku
połączenia genów V i J, a łańcuch ciężki w wyniku złożenia genów V, D i J.
Geny te posiadają różnego typu sekwencje oskrzydlające ( specyficzny układ
zasad w DNA składający się z: niezmiennego heptameru palindromowego,
sekwencji rozdzielającej i nonameru bogatego w pary A-T). Łączą się tylko typy
genów różniących się sekwencją rozdzielającą, dzikęki czemu niemożliwa jest
rekombinacja pomiędzy tymi samymi typami i zawsze pwostaje układ VDJ.

o

Plazmidy – koliste cząsteczki DNA, nośniki genów warunkujących odporność na
antybiotyki i produkcję toksyn. Są replikonami i mogą podlegać replikacji
niezależnie od replikacji DNA gospodarza.

o

U prkaryota zachodzi podczas wbudowywania plazmidów do genomu bakterii.
Zachodzi tylko w określonych miejscach, zawierających sekwencje
umożliwiające połączenie DNA plazmidowego i gospodarza. Wymagane są do
tego białka kodowane przez oba podmioty.



Rekombinacja transpozycyjna

o

Zachodzi podczas wbudowywania transpozonów w nowe miejsce genomu.

o

Transpozon – ruchomy element genomu zawierający gen kodujący
transpozynę, np sekwencje insercyjne – IS

o

Gen transpozazy otoczony jest 20-nukleotydowymi odwróconymi
powtórzeniami końcowymi.

o

Wymagane jest istnienie specyficznej sekwencji w miejscu akceptorowym IS.
Przy wbudowaniu ulega ona podwojeniu (IS wbudowywana jest pomiędzy).
Powowduje to zwiększenie homologicznego materiału genetycznego. Taka
rekombinacja może doporwadzic do delecji, inwersji bądz duplikacji genów.
Wbudowanie może naruszysć ciągłość i powodowąć unieczynnienie genu.

o

Gen transpozazy posiada własny promotor mogący wzmacniac ekspresję
sąsiednich genów.

o

Geny złożone transpozazy – zawieraja inne geny np. oporności na antybiotyki.

o

U Eukaryota transpozony mają budowę podobną do retrowirusów.

3. Mutacje

Zmiana dziedziczna powstająca w skutek zmiany genu w jego nowy allel ( genowa),
zmiany struktury chromosomu (chromosomowa strukturalna), zmiany liczby
chromosomów (chromosomowa liczbowa), zwielokrotnienia haploidalnego zestawu
chromosomów (genomowa).



Mutacje genowe

o

Mutacją genomową nazywamy zmianę sekwencji nukleotydów w obrębie
genu.

o

Najprostszą mutacją genową jest mutacja punktowa.
Występują:

 Tranzycje (substytucja) – zamiana jednej zasady purynowej lub

pirymidynowej na drugą.

 Transwersj (substytucja) – zamiana zasady purynowej na pirymidynową

lub odwrotnie.

 Delecje – wypadnięcie pojedynczej lub większej liczby par nukleotydów.
 Insercje – wsatwienie pojedynczej lub wiekszej liczby par nukleotydow.

o

Mutacje genowe mogą prowadzić do:

 Zmiany sekwencji aminokwasów w polipeptydzie kodowanym przez gen

(mutacja zmiany sensu),

 Przerwania syntezy polipeptydu przedwcześnie w wyniku powstania

kodonu STOP (mutacja nonsensowna),

 Mutacji niemej jeżeli powstanie triplet synonimiczny (kodon kodujący

ten sam aminokwas)

o

W wyniku delecji bądż insercji ilości par nukleotydów nie bedącej trójką bądź
jej wielokrotnościa następuje zmiana ramki odczytu, a co za tym idzie zmienia
się sekwencja aminokwasów kodowanego białka.

o

Choroby powodowane mutacjami genowymi: mukowiscydoza,
fenyloketonuria, alkaptonuria, retinoblastoma, achondroplazja,
neurofibromatosis, hemoglobinopatie i talasemie.

4. Mutacje chromosomowe – aberracje

Wszelkie zmiany w liczbie bądź strukturze chromosomów, w komórkach
somatycznych lub gametach, dziedziczne lub powstające de novo.



Aberracje chromosomowe strukturalne

Dotycza pojedynczej lub obydwu chromatyd.
Spowodowane są przerwaniem chromatydy lub chromosomu.
Występują:

o

Inwersje – odwrócenie fragmentu chromosomu o 180 stopni. Inwersja
zwierająca centromer nazywana jest EUCENTRYCZNĄ, a nie zawierająca
centromeru – ACENTRYCZNĄ.

o

Translokacje – przemieszczenia fragmentó chromosomó w obrebie
chromosomu lub innych.

 Translokacje wzajemne – polegają na wzajemnej wymieniae odcinków

chromosomów niehomologicznych. Całkowita liczba chromosomów
pozostaje niezmieniona, ale zmienia sie ich budowa.

 Translokacje robertsonowskie (typu fuzji) – u człowieka dotyczą

chromosomów akrocentrycznych. Dochodzi do połączenia ramion
długich dwóch różnych chromosomów w rejonie centromeru (nieistotny
funkcjinalnie material genetyczny na ramionach krótkich ulega
utraceniu)
Występują:

 Translokacje robertsonowskie zrównoważone – nie zmienia

się ilość materiału genetycznego , a jego lokalizacja w
genomie. W konsekwencji liczba chromosomów
metafazowych wynosi 45. Osoba taka jest nosicielem i może
przekazać je potomstwu.

 Translokacje robertsonowskie niezrównoważone –

ilośćmateriału genetycznego jest powiększona o dodtkową
kopie translokowanego chromosomu -> liczba
chromosomów 46. Zawsze dochodzi do ujawnienia się
choroby.

 Zespół Downa – wynika z translokacji robertsonowskiej

niezrównoważonej

o

Duplikacje

 Polegają na podwojeniu tych samych odcinków chromosomów.
 Podwojone fragmenty genów mogą występować jako bezpośrednie

powtórzenia (proste powtórzenia tandemowe) lub jakos odwrócone
względem siebie .

 Odegrały istotną rolę w procesach ewolucyjnych (kodowanie białek

hemoglobiny)

o

Delecje

 Utrata odcinka chromosomu
 Utrata części dystalnej – delecje terminalna, utrata fragmentu

środkowego – delecja interstycjalna.

 Odcinki niektórych chromosomów wykazują szczególną łamliwość –

kruche miejsca genomu (np. odcinek 13q chromosomu 2 – 2q13 i
odcinek 27q chromosomu X). Są szczególnie wrażliwe na działanie
mutagenów. Inne łamliwe miejsca – w chromosomach 6, 9, 12, 20.

 Łamliwy chromosom X – upośledzenie umysłowe meżczyzn,

bezobjawowe nosicielstwo u kobiet.

 2 grupy miejsc łamliwych: dziedziczne (rzadkie) i konstytutywne

(powszechne).

 Delecje dużych fragmentów sąz reguły letalne.

o

Chromosom kolisty

 Powstaje w wyniku pęknięcia i połączenia końców chromosomu.
 U człowieka powstaja najczęściej z 4, 13, 18 i X.
 Powodują występowanie licznych zaburzeń, jednak nie określonych

zespołów.

o

Izochromosom

 Powstaje w wyniku nieprawidłowego podziału poprzecznego

centromeru chromosomu metafazowego. Składa się on tylko z
połączonych ramion krótkich lub długich.

 Powoduje ubyt genów w utraconych ramionach i podwojenie w

ramionach, które chromosom utworzyły.



Aberracje chromosomowe liczbowe

Najczęściej powstają w wyniku nierozdzielenia się par chromosomów
homologicznych w czasie podziałów.
Występują:

o

Aneuploidie

 Powstają w wyniku zwiększenia bądż zmniejszenia diploidalnej liczby

chromosomów o pojedyńcze chromosomy.

 Poprzez nondysjunkcję, utratę chromosomów w anafazie komórki

posiadają za mało bądź za dużo chromosomów.

 W wyniku nondysjunkcji powstaja gamety nullisomiczne i disomiczne
 Nondysjunkcja mitotyczna prowadzi do powstania mozaikowatości.
 Zalicza się aberracje autosomów i chromosomów płci.’
 Powstawanie uniparentalnej disomii (UPD) – polega na opbecności u

diploidalnego potomka pary chromosomów pochądzącej tylko od
jednego rodzica.

o

Euploidie (poliploidie)

 Zwielokrotnienie całego haploidalnego zestawu chromosomów
 Wysątpują:

 Autoploidie – garnitur chromosomów jest zwielokrotniony o ten

sam zestaw chromosomów. U człowieka z reguły są letalne.
Wświecie roślin sprzyjają wytworzeniu okazałych kwiatów, liści,
owoców.

 Alloploidie – 2 lub więcej niehomologicznych zespołów

chromosomów. Powstająna skutek podwojenia liczby
chromosomów u mieszańców międzygatunkowych. Nie
występuje u czlowieka.

5. Czynniki mutagenne

Mutageny – czynniki indukujące mutacje ponad poziom mutacji spontanicznych.
Mutacje mogą powodować kancerogenezę, teratogenezę lub smierć komórek całęgo
organizmu.
Występują:

 Czynniki fizyczne:

- promienie X,
- promienie alfa, beta, gamma,
- promieniowanie kosmiczne,
- protony i neutrony emitowane przy promieniotwórczym rozpadzie
pierswiastków
- promieniowanie niejonizujące (UVB i UVA)

 Czynniki chemiczne:

- kwas azotowy III
- hydroksylamina
- związki alkilujące (sulfonian dietylowe, etylometylowe, iperyt azotowy,
diepoksybutan)
- analogi zasad azotowych (2-aminopuryna, 5-bromouracyl)
- barwniki akrydynowe (oranż akrydynowy, proflawina, akryflawina)
- wolne rodniki tlenowe
- nadtlenki
- policykliczne węglowodory aromatyczne
- cytostatyki i antybiotyki o właściowościach cytostatycznych
- produkty pirolizy aminokwasów
- mykotoksyny (np. alfatoksyny)
- środki konserwujące (azotyn sodowy)

 Czynniki biologiczne:

-wirusy DNA (HHV, HPV) i RNA (retorowirusy)



Mutagenne działanie związków chemicznych

o

Zmiana w chemicznej budowie zasady azotowej prowadzi do zmiany par zasad
w łancuchu DNA, np. dezaminacja adeniny prowadzi do wytworzenia
hipoksantyny, która łączy się z cytozyną. Po 2 replikacjach para A-T zmienia się
na parę C-G. Dezaminacja cytozyny prowadzi do powstania uracylu (zamiana
pary C-G na A-T). Uracyl podlega naprawie w DNA skutkniem czego w jego
miejsce może zostać wbudowana kompletnie inna para zasad.

o

Hydroskylamina powoduje zmiane cytozyny w uracyl (konsekwencja: C->T)

o

Związki alkilujące wprowadzają grupy alkoliowe w różne pozycje zasad
azotowych (Głównie puryn). Najczęściej guaniny i adeniny. Alkilacja pozycji N7
guaniny osłabia jej wiązanie z pentoza i oddziela zasade od łańcucha
(depurynacja). W tym miejscu może dojść do tranzycji bądź transwersji.

o

Analogi zasad wprowadzane do DNA podczas replikacji powodują tranzycje i
prowadzą do innych zmian w strukturze DNA.

o

Barwniki akrydynowe interkalują między pary zasad powodując ich rozsunięcie,
co powoduje błędy w replikacji prowadzące do delecji i insercji -> zmiany ramki
odczytu.

o

Wolne rodniki tlenowe uszkadzają zasady azotowe, reszty cukrowe, rozrywaja
wiązania fosfodiestrowe, powodują tworzenie wiązań poprzecznych miedzy
DNA i białkami chromatyny. Taki DNA indukuje powstawanie przeciwciał –
znaczenie w chorobach autoimmunologicznych. Pod ich wpływem dochodzi do
pęknięć DNA -> aberracji strukturalnych.

o

Produkty pirolizy aminokwasów – powstają w wyniku długotrwałego smażenia
lub gotowania mięs w temperaturze powyżej 150 stopni Celsjusza. Powstają
heterocykliczne aminy aromatyczne o działaniu mutagennym, kancerogennym
i teratogennym. Powstają w połączeniu kreatyniny, cukru i aminokwasu.
Najczęściej reagują glicyna, kwas glutaminowy, tryptofan i fenyloalanina.

o

Nitrozoaminy – powstają w żywności w rekacjach drugo- i trzeciorzędowych
amin z azotynami. Reakcje są hamowane przez kwas askorbinowy. Czynnik
nitrozujący – N-nitrozodimetyloamina i jej pochodne powstające w procesie
wędzenia mięs i serów. Nitrozoaminy wymagajaą aktywatorów w procesie
mutagenezy m. in. Cytochromów P-450 (nitrozyamidy nie potrzebują).

o

Mykotoksyny – do najczęstszych i najbardziej kancerogennych zaliczamy
alfatoksyny. Ich rozwój wiąże się z niewłaściwym przechowywaniem żywności.

o

Środki konserwujące – niektóre z nich są czynnikiem nitrozującym, podczas
gotowania i pasteryzowania azotyny wchodzą w reakcję z aminami i powstają
nitrozoaminy.

o

Inhibitory mutagenów: kwas askorbinowy, alfa-tokoferol, beta-karoteny,
flawonoidy (niktóree sa antyoksydantami)



Mutagenne działanie czynników fizycznych

o

Promieniowanie jonizujące

 Promienie jonizujące zwiększają częstośc mutacji we wszytkich

komórkach. Wybijają elektrony z atomów i cząsteczek, powodując ich
jonizację. Jony i wolne rodniki mogą inicjować różne reakcje chemiczne.
Wolne rodniki łatwo wchodzą w reakcję z DNA powodując mutacje.

 Efekt mutagenny promieniowania jonizującego zależy od ciśnienia tlenu

cząsteczkowego w środowisku – więcej = częstsze mutacje.
Długotrwałe naświetlanie małymi dawkami promieniowania
jonizującego powoduje mniej mutacji niż jednorazowa duża dawka
(większe możliwości naprawy DNA).

 Uszkodzenia promieniami jonizującymi: uszkodzenia wiązań

fosfodiestrowych (prowadzi do peknięcia nici), modyfikacja zasad
azotowych, uszkodzenia pentozy, powstanie wiązań krzyżowych DNA
(sieciowanie DNA) powstanie wiązań między białkami i białkami a DNA.
Prowadzą do nowotworów.

 Szczególnie wrażliwe są na nie komórki szybko dzielące się.

o

Promieniowanie ultrafioletowe

 Promieniowanie ultrafioletowe ma mniejszą zdolność przenikania przez

tkanki, ale jest bardzo intensywnie pochlaniane przez DNA.

 Głównym efektem jest wytwarzanie dimerów pirymidynowych (C-C, C-T

a zwłąszcza dimerów tyminowych T-T)

 Dimery te powstajaą przez tworzenie wiązań kowalencyjnych pomiędzy

leżącymi obok siebie pirymidynami i powodują zaburzenia w replikacji (
najczęściej tranzycje i transwersje, rzadko zmiany ramki odczytu)

6. Mechanizmy naprawy DNA

W każdej komórce po zadziałaniu czynnika genotoksycznego następuje uruchomienie
mechanizmów naprawczych. Uszkodzenia DNA przed ich naprawą są rozpoznawane
przez enzymy reperacyjne. Do najważniejszych enzmów biorących udział w naprawie
DNA należą:

 Polimerazy DNA jądrowe (α, β, δ, ε) i mitochondrialna (γ),
 Ligazy DNA,
 Glikozylazy DNA,
 Endonukloeazy apurynowe/ apirymidynowe – 5’ – AP i 3’ – AP,
 Białka pomocnicze
 Fotoliazy DNA
 Metylotransferaza – O

6

– metyloguanina – DNA (MGMT).

Naprawa w komórce może być:

 Niekompletna – dochodzi do powstania mutacji genowych lub aberracji

chromosomowych,

 Kompletna

Jeżeli enzymy nie zdołają naprawić uszkodzeńDNA , to komórka może przejść na szlak
zaprogramowanej śmierci – apoptozy
Procesy naprawy zachodza przed replikacją, w trakcie i po replikacji. Nić DNA łącząca
nukleosomy (DNA łącznikowy) jest naprawiana szybciej niż ta nawinięta na nie (DNA

rdzeniowy). Szybkość naprawy chromatyny aktywnej transkrypcyjnie jest wieksza niż
nieaktywnej heterochromatyny.



Naprawa DNA przez bezpośrednią rewersję uszkodzenia
Procesy naprawy DNA obserwuje się w genoforowym, jądrowym i mitochondrialnym
DNA. Mogą przebiegać jednoetapowo lub dwuetapowo.
Proces jednoetapowy polega na bezpośredniej rewersji uszkodzenia i/lub systemie
naprawy przez rekombinację. Proces dwuetapowy polega na wycięciu uszkodzenia, a
następnie syntezie naprawczej.

o

Metylotransferaza MGMT

 Katalizuje przeniesienie grupy alkilowej z atomu O

6

guaniny DNA na

cysteinę znajdującą się w białku, w wyniku czego ulega nieodwracalnej
dezaktywacji.

 U ludzi największy poziom aktywacji enzymu występuje w wątrobie,

najniższy w komórkach prekursorowych szpiku kostnego.

 Ekspresja genu MGMT w ludzkich nowotworach jest zmniejszona o 20 –

30%.

 Występuje u wyższych żywych organizmów

o

Fotoliaza

 Występuje u bakterii, grzybó, roślin, zwierząt i człowieka.
 Odpowiedzialny za fotoreaktywację ( naprawa w świetle, jasna naprawa)

– rozłączanie dimerów pirymidynowych przy udziale swiatłą o długości
fal 300 – 600 nm.

 Każda fotoliaza zawiera dwa chromofory, odpowiedzialne za absorbcję

fotonów – metynylo-tetrahydrofolian (MTHF), albo 8-hydroxy-
deazoflawina (8-HDF) i FADH

-

. MTHF lub 8-HDF absorbują en. Świetlną i

przekazują na FADH

-

a z niej wykorzystywana jest ona do rozdzielania

dimerów.

o

Ligaza

 Łączy pęknięcia w łancuchu DNA
 Działą tylko na przerwy, które powstają na skutek przerwania wiązania

pomiędzy grupą 5’ – fosforanową i 3’ – hydroksylową.



Usuwanie błędnie sparowanej zasady (MMR – miss-match repair)

o

Dotyczy usuwania błędów replikcyjnych, nie naprawionych przez polimerazy
DNA, oraz błędów w parowaniu zasad powstających podczas rekombinacji
DNA, a także w wyniku działania niektórych związkó chemicznych.

o

Ważne jest ropoznanie, która z nici jest nicią prawidłową, a która nowo
zsyntezowaną z błędem:

 U E. Coli w rozpoznawaniu uszkodzeń ważną rolę odgrywa stopień

metylacji DNA. W sekwencjach GATC metylowana jest adenina ale NIE

BEZPOŚREDNIO po replikacji dzieki czemu możliwe jest ustalenie, która z
nici zaweira błąd.

 U Eukaryota rozpoznanie błędnie zsyntezowanej nici możłiwe jest dzięki

przerwom w ciągłości nici potomnej. Są to przerwy między fragmentami
okazaki w nici opóźnionej i miedzy miejscami starterowymi na nici
prowadzącej.

o

Białka uczestniczące w tym procesie kodowane są przez geny MUTATOROWE.

o

Przebieg tego procesu został najlepiej poznany w komórkach E. Coli:

 Rozpoznanie miejsca pomyłki przez białko MutS ( jest ono zdolne także

do wykrycia insercji i delecji obejmujących do 4 nukleotydów)

 Połączenie MutS z DNA w miejscu pomyłki i stabilizacja tego kompleksu

przez białko MutL. Białko MutL 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 dosyntezowania prawidłowej

przeprowadzają:

 UvrD – helikaza II; rozkręca nić DNA w kierunku od miejsca

nacięcia do miejsca do miejsca pomyłki,

 Egzonukleaza wycina błędnie sparowany fragment,
 Polimeraza DNA III dosyntezowuje odpowidnią sekwencję zasad,
 Ligaza DNA łączy nowo powstały fragment nici z niciąmacierzystą.

o

U Eukaryota mechanizm nie został całkowicie poznany, przypuszcza się, że jest
podobny do szlaku opisanego powyżej (brakuje homologów MutH i UvrD, wiele
homologów MutL i MutS.

o

Zaburzenia funkcji genów mutatorowych są przyczyną powstawania wielu
nowotworów.



Naprawa przez wycinanie zasad azotowych (BER – Base Excision Repair)

o

Mechanizm wykorzystywany głównie do usuwania uracylu lub alkilowanych
zasad np. 3-metyloadeniny.

o

Grupa mechanizów o podobnym przebiegu, specyficznych dla każdej zasady.

o

Wyróżniamy 3 etapy:

 Usunięcienieprawidłowej zasady przez specyficzną N-glikozylazę i

wytworzenie miejsca apurynowego/apirymidynowego – miejsca AP.

 Nacięcie przez endonukleazę AP wiązania fosfodiestrowego powyżej

miejsca AP i wytworzenie wolnego końca 3’ – OH.

 Wypełnienie miejśca AP przez polimerazę DNA.

o

Róznice pomiędzy poszczególnymi typami mepchanizmu dotyczą glikozylazy
specyficznej do typu nieprawidłowej zasady.

o

Powstające miejsca AP są identyczne z powstałymi po spontanicznej
depurynacji lub depirymidynacji. Zjawisko takie ma miejsce w wypadku 1 na
700 tysiecy zasad.

o

Wycięcie miejsca AP przebiega w dwóch etapach:

 Pierwszy etap – hydroliza wiązania fosfodiestrowego po stronie 5’

miejsca AP.

 Drugi etap – wbudowanie nowej zasady, wyciannie końca 2’–

deoksyrybozo-5’-fosforanowego i łączenie łancucha cukrowo –
fosforanowego. Istnieją 2 drogi:

 Krótsza – wbudowanie jednej zasady z wykorzystaniem polimerazy

DNA beta, usuwanie końca 2’ – deoksyrybozo – 5’ fosforanowego
z wykorzystaniem deoksyrybozofosfodiestrazy DNA (dRPaza) i
łączenie końców 5’ i 3’ przy pomocy ligazy. Prawdopowdobnie ta
droga jest dominująca w komórkach ludzkich.

 Dłuższa – wbudowanie kilku zasad z wykorzystaniem polimerazy

DNA delta albo epsilion (wymagają kofaktora PCNA – Proliferating
Cell Nuclear Antigen), odcinanie zbędnego fragmentu łańcucha z
wykorzystaniem DNazy IV, łączenie końców 5’ i 3’ przy pomocy
ligazy.



Naprawa przez wyciananie nukleotydów (NER – Nucleotide Excision Repair)

o

Bierze on udział w usuwaniu większości uszkodzeń DNA.

o

U wszystkich organizmów przebiega wg tego samego schematu:

 Rozpoznanie uszkodzenia na podstawie nieprawidłowej struktury

przestrzennej cząsteczki DNA,

 Przyłączenie 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 ogligonukleotydu zawierającego uszkodzenie pomiędzy

nacięciami,

 Wypełnienie luki przez polimeraze DNA,
 Połąćzenie wolnych końców przy udziale ligazy.

o

Przebieg procesu u E. Coli:

 Białka UvrA, UvrB i UvrC rozpoznają uszkodzenie i nacinają nić DNA.

 Dwie cząsteczki UvrA łączą się (przy udziale ATP) z UvrB tworząc

kompleks UvrA

2

B, który nacina nić DNA po obu stronach. Związki

tego kompleksu powodują wygięcie DNA.

 Białka UvrA oddzielają się, białko UvrB silniej wiąże się z miejscem

uszkodzenia., co powoduje większe odkształcenie DNA.

 Białko UvrC przyłącza się w efekcie czego dochodzi do nacięcia

przez UvrB uszkodzonej nici w miejscu oddalonym ok. 4
nukleotydy w stronę 3’ od miejsca uszkodzenia. Powstająca w ten
sposób zmiana konformacji helisy aktywuje UvrC do nacięcia
uszkodzonej nici w miejscu oddalonym o ok. 7 nukleotydów w
kierunku 5’ od uszkodzenia.

 UvrD przy zużyciu energii z ATP usuwa oligonukleotyd zawierający

uszkodzenie. Jednocześnie odłączane jest białko UvrC.

 UvrB odłącza się w momencie, w którym polimeraza DNA I lub II

wypełnia lukę po odłączonym polinukleotydzie.

 Na koniec ligaza łączy nacięcia.

o

U Eukaryota schemat procesu jest ogólnie taki sam, natomiast liczba białek
biorących udział w usunięciu nukleotydu – znacznie większa. Dokładny
przebieg nie jest znany. Wiemy, że:

 Białko XPA przyłącza się w miejsce uszkodzenia DNA. Zawiera domenę

dobrze łączącą sięz nieprawidłowym DNA oraz inna, dzięki której może
powstać połąćzenie z białkiem replikacyjnym A – RPA (Replication
Protein A). RPA jest trimerem białkowym specyficznie wiążącym się z
jednoniciowym DNA, niezbędnym w procesie replikacji

 Połączenie w kompleks RPA i XPA powoduje zwiększenie ich do

uszkodzonego DNA. Kompleks łączy się z czynnikiem transkrypcyjnym
TFIIH ( Transcription Factor II).

 Białko TFIIH i XPA wspólnie oddziałują i przyciągają XPC i HHR23B co

pomaga ustabilizować DNA i interakcje międzybiałkowe z kompleksie. W
podjednostkach TFIIH występują XPB i XPD – helikazy o przeciwnych
polarnościach. Rozwijają one helisę w kierunkach 5’ i 3’ od miejsca
przyłączenia XPA, umożliwiając przyłączenie nukleaz XPF/ERCC1 i XPG.

 XPF/ERCC1 bacina uszkodzonąnic DNA w pobliżu rozejścia

siędwuniciowego DNA na 2 nici pojedyncze. Białko XPG rozpoznaje
drugie rozejście i również nacina uszkodzony łańcuch.

 Powstały oligonukleotyd w niewiadomy sposób zostaje usunięty.
 Polimeraza delta lub epsilion w obecnosci kofaktora PCNA wypełnia lukę

a ligaza łączy wolne końce.



Naprawa rekombinacyjna

o

System ten bierze udział w naprawie pęknięć dwuniciowych.

o

Dokładnie poznany u bakterii. U Eukaryota wyróżnia się trzy szlaki naprawy
pęknięć dwuniciowych:

 Rekombinacja homologiczna

 Do odtworzenia struktury chromosomu wykorzystywany jest jego

nieuszkodzony homolog

 Trawienie jednej nici w miejscu pęknięcia przez egzonukleazy aż

do wytworzenia jednoniciowego odcinka z wolnym końcem 3’.

 Połączenie odcinka z nieuszkodzonym chromosomem

homologicznym.

 Odtworzenie przebiegu naprawionej cząsteczki na podstawie

informacji z chromosomu homologicznego.

 Dopasowanie pojedynczych nici DNA

 Białka naprawcze wykorzystują krótkie sekwencje powtórzone,

znajdujące się w najbliższym sąsiedztwie pęknięcia do
wzajemnego dopasowania jednoniciowych końców dwóch
fragmentów DNA, a następnie ich połączenia.

 Rekombinacja niehomologiczna

 Nici niehomologicznych odcinków DNA pomiędzy pęknięciami i

sekwencjami powtórzonymi, mające w obrębie pęknięcia koniec
3’, sa przemieszczane poza helisęi niszczone przez kompleks
ERCC1/XPF.

 Największy udział ma kinaza zależna od DNA (DNA – PK)

o

W zależności od pozycji w cyklu komórkowym dominują różne mechanizmy
naprawy. Podczas faz G1 i wczesnej S przeważa rekombinacja
niehomologiczna, podczas późnej S i G2 większą rolę odgrywa homologiczna.



Odpowiedż SOS

o

Uruchamiany gdy w komórce bakteryjnej powstały zbyt liczne mutacje lub
zatrzymana zostałą replikacja.

o

Polega na ocaleniu komórki za cenę mutacji.

o

W odpowiedzi na SOS aktywuje się ok. 20 różnych genów.

o

Po jego uruchomieniu komórka wstrzymuje podział co daje dodatkowy czas na
na usunięcie uszkodzeń.

o

Przbieg:

 Uszkodzenie DNA indukuje aktywność proteazową białka RecA.
 RecA rozkłada białka lambda i LexA blokujące geny regulonu kodującego

enzymy naprawy DNA, dzieki czemu częstośc transkrypcji genów wzrasta
2 do 10 razy.

 Produkty genu UmuDC umożliwiają elongację DNA pomimo błędnego

wbudowania zasady lub tuż za miejscem uszkodzenia (inaczej replikacja
nie zostałąby zakończona) – naprawa ze skłonnością do błędu.

 Po naprawieniu spada poziom białka RecA -> zwiększa się poziom białęk

lambda i LexA -> ponowne wyłączenie regulonu SOS.

Naprawianie mutacji w DNA jest procesem ważnym dla zachowania prawidłowej
informacji genetycznej. Do zespołów chorobowych zechujących się brakiem lub
obniżeniem aktywności enzymów naprawczych należą:

 Xeroderma pigmentosum
 Zespół Blooma
 Anemia Fanconiego
 Ataxia teleangiectasia

Obniżenie zdolności naprawy zwiększa ryzykow nowotworu i przyspiesza starzenie.
Do substancji i czynników spowalniających naprawę należą: hipertermia, spadek
poziomu ATP, palenie tytoniu, picie alkoholu, teofilina.

7. Mutacje dynamiczne (niestabilne) – ekspansja tripletów

Mutacje wg klasycznych założeń genetycznych mają charakter stabilny, tzn. Że
mutacja pojawiająca się w danym pokoleniu przekazywana jest pokoleniom kolejnym
komórek. Większosć mutacji taka jest.
Mytacje dynamiczne to takie, których ekspresja zmienia się w kolejnych pokoleniach
Chroby:

 Zespół łamliwego chromosomu X,
 Dystrofia miotoniczna
 Pląsawica Huntingtona.

Powstają w wyniku wydłużania się lub skracaniasekwencji DNA,
prawdopodobieństwo wystąpienia mutacji zależy od długości niestabilnej sekwencji.
Niesabilne sekwencje należą do tzw. sekwencji repetytywnych.
W zależności od liczby powtórzonych trujek wyróżnia sięnosicieli bezobjawowych
(premutacje) i chorych (pełna mutacja). Najczęściej są to powtórzenia
zwielokrotnionch sekwencji trinukleotydowych. U chorych ta liczba potórzeń wzrasta
– tzw. ekspansja tripletów. W przypadku pląsawicy Huntingtona liczba potórzeń
sekwncji CAG w ramieniu krótkim chromosomu4 u osób zdrowych waha się między 4
– 35 a u chorych od 36 do 50 i więcej. Efekt może być wzmacniany z pokolenia na
pokolenie.
W chorobie huntingtona liczba powtórzeń zwiększa się tylko gdy mutacja zostanie
przekazana przez ojca.
Antycypacja – zjawisko nasilania się choroby i występowania w coraz młodszym
wieku w następujących po sobie pokoleniach.
Paradoks Shermana (łamliwy chromosom X) – prawdopodobieństwo wystąpienia
choroby wśród rodzenstwa wystąpienia bezobjawowego nosiciela jest zdecydowanie
mniejsze , niż wśród jego wnuków i prawnuków.

8. Mutacje spontaniczne i indukowane

Spontaniczne – powstające samoistnie w normalnych warunkach bytowania.
Najczęściej są wynikiem błędu w replikacji DNA lub zamorzutnych modyfkiacji zasad

azotowych. Nie są przekazywane następnemu pokoleniu ( przy rozmnażaniu
płciowym)
Mutacje indukowane są powodowane wpływem czynników mutagennych.
Liczba mutacji wzrasta wraz z wiekiem organizmu.

9. Mutacje letalne

Geny letalne w stanie homozygotycznym powodują najczęściej śmierć. W stanie
heterozygotycznym mogą się one utrzymywać wiele pokoleń.