1

Wykład 8

Zmienność DNA, mutacje

Mutacje

Mutacja

(de Vries, 1909)

– nagła, skokowa

zmiana w materiale genetycznym organizmu,

mutacje mogą być dziedziczone (zachodzące w
gametach, germinalne) lub nie dziedziczone
(somatyczne).

Fenotypowe skutki mutacji somatycznych:
- autosomalnych, recesywnych
-

autosomalnych dominujących

-

sprzężonych z chromosomem X

Mutacje – podział

1

mutacja genowa

– powstająca wskutek zmiany

genu w jego nowy allel

mutacja chromosomowa strukturalna

– zmiana

struktury chromosomu

mutacja liczbowa

– powstająca wskutek zmiany

liczby chromosomów

mutacja genomowa

– zwielokrotnienie

haploidalnego zestawu chromosomów

Mutacje – podział

2

Mutacja spontaniczna

– nie posiada żadnej

znanej przyczyny, nie jest z nią związane

działanie żadnych czynników, zachodzi

przypadkowo. Stosunkowo mała częstość

występowania (u E. coli od 10

-5

do 10

-10

na

replikację).

Mutacja indukowana

– powstająca wskutek

działania naturalnego lub sztucznego czynnika.

Mutacja adaptacyjna

– doświadczenie Luria-

Delbr

ück: obecność bakteriofaga T1 nie indukuje

mutacji adaptacyjnych w hodowli E. coli (1943).

Mutacje – podział

3

Mutacja utraty funkcji

– niezależnie od zakresu

zmiany prowadzi do utraty funkcji genu.
Całkowita utrata funkcji – mutacja zerowa (null).

Mutacja uzyskania funkcji

– produkt genu

uzyskuje nowe funkcje lub zwiększa
dotychczasową.

Mutacja neutralna

– nie zmienia funkcji genu.

Mutacje genowe

Mutacja punktowa

– zmiana sekwencji DNA obejmująca jedną (lub

kilka) pz.

Substytucja

– zastąpienie starego nukleotydu nowym, tranzycja

(puryna

– puryna, pirymidyna – pirymidyna), transwersja (puryna –

pirymidyna, pirymidyna

– puryna).

Delecja

– wypadnięcie jednej (lub więcej) pary nukleotydów z

sekwencji DNA.

Insercja

– wstawienie jednej (lub więcej) pary nukleotydów do

sekwencji DNA.
Delecja i insercja zmieniają ramkę odczytu i mogą prowadzić do

poważnych zmian w kodowanych białkach.
Skutkiem mutacji genowej może być zmiana sensu kodonu (zmiana

sekwencji aminokwasów), mutacja niema (tryplet synonimiczny) lub

powstanie kodonu nonsensownego (przerwanie syntezy białka).

2

Mutacje genowe – przykład

TAK JAN PIŁ TEN SOK

Delecja

utrata J

TAK ANP IŁT ENS OK

Insercja

wstawienie M

TAK J A NPI ŁTE NSO K

M

Substytucja

TAK AN PIŁ TEN SOK

P

TAK JAN PIŁ TEN S K

A

TAK JA PIŁ TEN SOK

Ś

Mutacje punktowe

1

Substytucja może zmienić sens kodonu lub nie.
Mutacje nieme nie zmieniają sekwencji
aminokwasów w produkowanym białku.

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

transwersja

tranzycja

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

A

T

Leu

Leu

Leu

Leu

Ile

Ile

Ile

Asn

Pro

Pro

Pro

Pro

A

T

A

T

A

T

A

T

T

A

T

A

Mutacje punktowe

2

Zmiana ramki odczytu przez insercję lub delecję może
znacząco zmienić sekwencję produkowanego białka.

Wynikiem mutacji genowych u człowieka są choroby
monogenowe: mukowiscydoza, fenyloketonuria,
alkaptonuria, albinizm, retinoblastoma, achondroplazja,
hemoglobinopatie.

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

C

G

insercja

delecja

T

A

T

A

T

A

STOP

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

A

T

Leu

Leu

Leu

Leu

Ile

Ile

Ser

Pro

Pro

A

T

A

T

A

T

T

A

T

A

T

A

C

G

C

G

T

A

Leu

Czynniki uszkadzające DNA

Czynniki endogenne:
•

depurynacja, depirymidynacja

•

formy tautomeryczne

•

wolne rodniki

•

metylacja nieenzymatyczna

•

błędy replikacji

•

transpozony

Czynniki egzogenne:
•

biologiczne (wirusy)

•

chemiczne (produkty pirolizy, leki, kwas azotawy, pestycydy, dym

tytoniowy, mykotoksyny, aminy aromatyczne, węglowodory
policykliczne)

•

fizyczne (promieniowanie kosmiczne, jonizujące, UV)

Chemiczne czynniki mutagenne

•

kwas azotawy (HNO

2

)

•

hydroksylamina

•

związki alkilujące (sulfonian
dietylowy, sulfonian
etylometylowy, iperyt
azotowy)

•

analogi zasad azotowych (2-
aminopuryna, 5-bromouracyl)

•

wolne rodniki tlenowe

•

nadtlenki

•

policykliczne węglowodory
aromatyczne

Leki:
• busulfan
• cyklofosamid
• aminopteryna
• azatioperyna (Imuran)
• ametopteryna

(Methotrexat)

• winkrystyna (Oncovin)
• aktynomycyna
• daunomycyna

Występujące w produktach spożywczych: produkty pirolizy
aminokwasów, mykotoksyny, środki konserwujące (np. azotyn
sodowy).

Modyfikacje zasad – mutacje

1

Deaminacja

– usunięcie grupy aminowej z cytozyny, adeniny lub

guaniny daje zasadę o odmiennej możliwości parowania (działanie
np. kwasu azotawego, nitrozamidu).

N

C

N

C

C

C

O

NH

2

H

H

H

N

C

N

C

C

C

O

O

H

H

H

H

deaminacja
nitrozamid

N

C

N

C

C

C

O

O

CH

3

H

H

H

cytozyna

uracyl

tymina

N

C

N

C

C

C

O

NH

2

CH

3

H

H

5-metoksycytozyna

metylacja

deaminacja

1

4

3

2

C
G

U

G

C
G

T
A

1

2

3

4

T
A

3

Modyfikacje zasad – mutacje

2

Przesunięcie tautomeryczne

– formy tautomeryczne zasad

azotowych mogą tworzyć nietypowe (niehomologiczne) połączenia z
innymi zasadami: A=

C

lub

T



G

N

N

C

H

3

O

O

H

H

N

N

N

N

H

N

O

H

H

H

Tymina (enol)

Guanina (keto)

N

N

C

H

3

O

H

O

H

N

N

N

N

H

H

N

H

H

Tymina (keto)

Adenina (amino)

N

N

H

N

O

H

H

H

N

N

N

N

H

H

N

H

H

Cytozyna (imino)

Adenina (amino)

N

N

H

N

O

H

H

H

N

N

N

N

H

N

O

H

H

H

Cytozyna (amino)

Guanina (keto)

Modyfikacje zasad – mutacje

3

Depurynacja

– usunięcie grupy purynowej z adeniny lub guaniny

może zajść na skutek zmian temperatury.

Przy replikacji

depurynacja prowadzi do delecji.

G
C

G
C

C

delecja

N

N

N

N

O

C

C

H

OH

H

P

H

H

CH

2

P

NH

2

O

OH

O

C

C

H

OH

H

P

H

H

CH

2

P

depurynacja

Modyfikacje zasad – mutacje

4

Alkilacja

– przyłączenie do grup aminowych lub ketonowych danej

cząsteczki grupy metylowej lub etylowej. Czynnikami alkilującymi są

między innymi: etylonitrozomocznik, sulfonian etylometanowy,
dimetylonitrozamina.

G
C

G
C

CH

3

G
C

alkilacja

C

C

N

C

N

N

C N

C

H

O

N

H

2

H

H

C

C

N

C

N

N

C N

C

H

O

N

H

2

H

H

CH

3

CH

3

G
T

Modyfikacje zasad – mutacje

5

Analogi zasad nukleotydowych

– cząsteczki puryn lub pirymidyn o

własnościach zbliżonych do zasad azotowych DNA. 5-bromouracyl
(BrU) jest analogiem tyminy ale obecność bromu umożliwia wiązanie
BrU również z guaniną.

N

C

N

C

C

C

O

O

CH

3

H

H

H

C

C

N

C

N

N

C

N

C

N

H

H

H

H

H

N

C

N

C

C

C

O

O

Br

H

H

H

C

C

N

C

N

N

C

N

C

H

O

N

H

H

H

H

tymina

adenina

BrU

guanina

Modyfikacje zasad – mutacje

6

Dimery cyklobutylowe

– działanie promieniowania UV może

powodować powstawanie kowalencyjnych wiązań pomiędzy
sąsiadującymi cząsteczkami np. tyminy. Zmniejszenie odległości
pomiędzy nukleotydami prowadzić może do delecji przy replikacji.

tymina

N

C

N

C

C

C

O

O

CH

3

H

H

H

N

C

N

C

C

C

O

O

C

H

3

H

H

H

N

C

N

C

C

C

O

O

CH

3

H

H

H

N

C

N

C

C

C

O

O

H

H

tymina

UV

Modyfikacje zasad – mutacje

7

Działanie promieniowania jonizującego (np. promieni Roentgena)
powoduje mutacje, których częstotliwość zależy od dawki
promieniowania.

dawka promieniowania X [R]

1000

2000

3000

4000

5000

%

s

p

rz

ęż

o

n

y

c

h

z

X

m

u

ta

c

ji

le

ta

ln

y

c

h

10

5

15

wg. Concepts of genetics, Pearson Int.Edition, 2009

4

Transpozycja DNA

1

Transpozycja

– przemieszczenie fragmentów DNA (transpozonów)

pomiędzy różnymi pozycjami wewnątrz genomu.
Transpozycja zachodzi rzadko

– raz na około 10

3

– 10

4

podziałów

komórkowych.

miejsce docelowe

T

A

T

A

C

G

G

C

T

A

5’

3’

3’

5’

sekwencja insercyjna

T

A

T

A

C

G

G

C

T

A

T

A

T

A

C

G

G

C

T

A

Transpozycja DNA

2

Transpozycja replikacyjna i niereplikacyjna.

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’

5’

transpozycja replikacyjna

dawca

biorca

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’

5’

transpozycja niereplikacyjna

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 1

Inwersja

– odwrócenie fragmentu chromosomu o 180°.

Inwersja obejmująca centromer –

pericentryczna

(eucentryczna).
Inwersja nie obejmująca centromeru –

paracentryczna

(acentryczna).
Zapis: inv(9)(p11q12)

a

a

a

a

b

b

b

b

c

c

c

c

o

180

o

180

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 2

Translokacja

– przemieszczenie fragmentu chromosomu

w obrębie tego samego lub innego chromosomu.

Translokacja wzajemna

– wymiana pomiędzy

chromosomami niehomologicznymi.
Zapis: t(1;11)(q42.1;q14.3)

translokacja

wzajemna

5p

5q

15p

15q

chromosomy

5 pary

chromosomy

15 pary

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 3

Translokacja zrównoważona

– całkowita wymiana

pomiędzy chromosomami, nie ma dodatkowych lub

brakujących genów.

Translokacja niezrównoważona

– wymiana niecałkowita,

pojawiają się dodatkowe lub brakujące geny.

5q

1 5q

1 5q

15p

15p

ro zdział

naprzem ienny

rozdział

przyległy 2

rozdział

przyl egł y 1

prawidło wa zrównoważona

niezrównoważona

5q

5 p

5p

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 4

Translokacja robertsonowska (fuzja centryczna)

–

łączenie się całych (lub prawie całych) ramion długich

chromosomów akrocentrycznych lub telocentrycznych i

utrata ramion krótkich. W fuzjach najczęściej uczestniczą
chromosomy 14 i 21.

tra nslokacja

robe rtsono wska

14

14

t(14q21q)

2 1

21

nosiciel

t(14q21q)

mutacje

letalne

gamety nosiciela

zespół

Downa

5

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 5

Duplikacja

– podwojenie tych samych odcinków

chromosomów.

a
b

a

b

a
b

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 6

Delecja

– utrata odcinka chromosomu (terminalna i

interstycjalna). Miejsca łamliwe występują w
chromosomach 2 (2q13), X (Xq27), 6, 9, 12, 20.
Zapis: del(6p15.2)

a

a

b
c

c

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 7

Insercja

– włączenie fragmentu innego

chromosomu.

Zapis: ins(12;6)(q24.2;q23q25)

ins(12;6)(q20;q35)

12

6

Mutacje chromosomowe

(strukturalne) 5

Chromosom kolisty

– powstaje w wyniku pęknięcia i

połączenia końców chromosomu (u człowieka 4, 13, 18
oraz X).

Izochromosom

– powstaje wskutek nieprawidłowego,

poprzecznego podziału centromeru chromosomu

metafazowego. Mogą powstawać z autosomów oraz
chromosomu X.

p

p

p

q

q

q

po replikacji

Mutacje chromosomowe

(liczbowe) 1

Mutacje ilościowe w większości przypadków powstają na skutek

nierozdzielenia się (nondysjunkcji) par chromosomów

homologicznych w czasie podziałów. Mutacje ilościowe dzieli się na
dwie klasy:
•

aneuploidie

(zmiana ilości chromosomów danego rodzaju)

•

poliplidie

(zmiana ilości całych zestawów chromosomów)

Przyczyny powstawania aneuploidii:
• utrata centromeru
• nondysjunkcja
• translokacja Robersonowska

Przykłady:
Nullisomia (2n-2), monosomia (2n-1) z. Turnera (45,X), trisomia
(2n+1) z. Downa (47,XX+21)(47,XY+21), z. Patau (47,XX+13),
(47,XY+13), z. Klinefeltera (47,XXY), tetrasomia (2n+2)
Mozaikowatość: np. (46, XX/47,XX+21).

Mutacje chromosomowe

(ilościowe) 2

Euploidie

(poliploidie)

– zwiększenie haploidalnego

zestawu chromosomów (3n, 4n, 5n itd).
Np. triploidia

– 69,XXX lub 69,XXY etc.

Autopoliploidie

– garnitur chromosomów zwiększony jest

o ten sam zestaw chromosomów (AABB + AABB =

AAAABBBB). Autopoliploidie u człowieka są letalne i

prowadzą do poronień.

Allopoliploidie

– występowanie dwóch lub więcej

niehomologicznych zespołów chromosomów. Występują u

mieszańców międzygatunkowych (nie możliwych u

człowieka) AABB + CCDD = ABBCCDD (np. pszen-żyto)

6

Naprawa DNA

Mechanizmy naprawy przeciwdziałają zmianom DNA.
Zmiany DNA:
• jednoniciowe
• dwuniciowe

Naprawa zmian jednoniciowych:
• kontrola poprawności replikacji
• naprawa braku sparowania
• naprawa fotoreaktywacyjna
• naprawa przez wycięcie (zasady lub nukleotydu)

Naprawa zmian dwuniciowych :
• rekombinacja homologiczna
• rekombinacja niehomologiczna

Naprawa braku sparowania

Błędy pozostające po replikacji powodują brak sparowania.
Stara i nowa nić odróżniane są poprzez różne wzory metylacji.
Wykrywanie i wycinanie - hMSH1, hMLH1, hMSH2 (MutH, MutL,
MutS u E. coli).
Zastąpienie wyciętego fragmentu – polimeraza i ligaza.

5’

5’

3’

3’

T

G

T

G

G

C

G

Fotoreaktywacja

T

T

A A

T

T

A A

T

T

A A

PRE

T

T

A A

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

UV

niebieskie

Poreplikacyjna naprawa DNA

Podczas replikacji zniszczony fragment jest pomijany. Po
replikacji ten fragment ulega rekombinacji a ubytek w

drugiej nici jest uzupełniany przez polimerazę i ligazę.

nić wiodąca

nić opóźniona

uszkodzenie

Naprawa – wycięcie zasady

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

glikozylaza DNA

AP site

endonukleaza AP

polimeraza DNA

+

ligaza DNA

Naprawa – wycięcie nukleotydu

Naprawa przez wycięcie nukleotydów

– zniszczenia DNA jest

wykrywane dzięki zmianom w konfiguracji trójwymiarowej. Nici są

rozdzielane i stabilizowane. Wielkość wycinanego fragmentu jest

różna u Prokaryota (3’-5-D-8-5’) i Eukaryota (3’-5-D-21(3)-5’).

czynnik uszkadzający (np. UV)

5’

5’

3’

3’

wykrycie uszkodzenia

wycięcie

polimeryzacja

ligacja (zszycie)

7

Rekombinacja homologiczna

1

Rekombinacja homologiczna

–

proces zachodzący podczas
crossing-

over jest również

używany do naprawy

dwuniciowych uszkodzeń DNA.

Naprawa odbywa się w późnej
fazie S/G2.
W

modelu Holliday’a

rekombinacja odbywa się

pomiędzy dwoma przerwami w
pojedynczych niciach dupleksu
DNA.
Migracja rozgałęzienia
wytwarza heterodupleks DNA.

5’

3’

5’

3’

czynnik uszkadzający (np. UV)

rozpoznanie uszkodzenia,
wycięcie końców 5’

5’

3’

5’

3’

koniec 3’ łączy się z homologicznym
regionem chromatydy siostrzanej

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

synteza brakującego odcinka DNA

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

rozkład heterodupleksu,
odtworzenie drugiej nici DNA

5’

3’

5’

3’

Rekombinacja homologiczna

2

Alternatywny model naprawy
dwuniciowego uszkodzenia
DNA.

W tym przypadku formowane
są dwa połączenia Holliday’a.

połączenie Holliday’a

połączenie Holliday’a

Scalanie niehomologicznych

końców DNA

Mechanizm naprawy DNA
wykorzystywany głównie
przez wielokomórkowe
organizmy eukariotyczne.

5’

3’

5’

3’

czynnik uszkadzający (np. UV)

przyłączenie heterodimerów
Ku70/80

5’

3’

5’

3’

rekrutacja DNA-PKcs

5’

3’

5’

3’

utworzenie kompleksu
naprawczego

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

naprawa DNA

Odpowiedź SOS

Odpowiedź SOS uruchamiana jest u bakterii (np. E. coli)
w przypadku wystąpienia rozległych uszkodzeń DNA
uniemożliwiających replikację.
Komórki indukują ekspresję ponad 20 genów, które
wymuszają replikację pomimo uszkodzeń.
Włączenie mechanizmu SOS zatrzymuje podział komórki.
Podstawowymi genami biorącymi udział w odpowiedzi
SOS są: LexA, RecA,

l

.