Typy mutacji, genetyka populacyjna
Anna Wawrocka
Katedra i Zakład Genetyki Medycznej UM w Poznaniu
Zmiany normalnej sekwencji DNA organizmu, spowodowane błędami w
replikacji DNA (mutacje spontaniczne) lub działaniem czynników chemicznych
i fizycznych (mutacje indukowane).
Zachodzą w zygocie, płodzie, komórkach somatycznych i rozrodczych w ciągu
całego życia.
Mutacje w komórkach somatycznych nie są przekazywane potomstwu, w
odróżnieniu od mutacji w komórkach rozrodczych, które mogą zostać
potomstwu przekazane.
Mutacje somatyczne odgrywają dużą role w rozwoju nowotworów u ludzi
Mutacje w komórkach rozrodczych mogą być odziedziczone lub powstać de
novo w procesie oogenezy lub spermatogenezy.
Istnieją systemy naprawy DNA:
- naprawa bezpośrednia
- naprawa z wycinaniem zasad
- naprawa z wycinaniem nukleotydów
- naprawa rekombinacyjna
Mutacje spontaniczne:
- błędy replikacyjne
- poślizg replikacyjny
- powstawanie struktur trzecio- i czwartorzędowych
Mutacje indukowane:
mutageny chemiczne:
- wprowadzenie analogu zasady w miejscu występowania prawidłowej
zasady w DNA
- czynniki deaminujące zasady w helisie DNA
- czynniki alkilujące  wprowadzają dodatkowe grupy alkilowe lub
arylowe w nukleotydach
- czynniki interkalujące  płaskie cząsteczki wnikające pomiędzy pary
zasad w podwójnej helisie; najczęściej mutacje typu insercji.
Mutageny fizyczne:
- promieniowanie jonizujace
- promieniowanie ultrafioletowe(UV)
- ciepło
Rodzaje mutacji:
- duże rearanżacje genowe
- mutacje punktowe
- mutacje transkrypcyjne
- mutacje translacyjne
- mutacje RNA
- mutacje dynamiczne
- negatywne mutacje dominujące
1. Duże rearanżacje genowe:
- delecje  utrata części sekwencji DNA (alfa-talasemia, niedobór
hormonu wzrostu, rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa
Duchenne a)
- duplikacje  powielenie sekwencji DNA (rodzinna hipercholesterolemia,
dystrofia mięśniowa Duchenne a)
- insercje  wbudowanie dodatkowej sekwencji DNA (hemofilia,
neurofibromatoza)
Dystrofia mięśniowa Duchenne a
Dystrofia mięśniowa Duchenne a
objawy:
- początek choroby w wieku 3-8 lat
- utrata siły mięśniowej
- pseudo-hipertrofia mięśni łydek (łydki gnoma)
- hiperlordoza lędz
wiowa
- objaw Gowera  problem ze zmianą pozycji siedzącej na stojącą
Gen dystrofiny:
- znajduje się na ramieniu chromosomu X (chorują chłopcy, którzy
otrzymują zmutowany gen od zdrowych matek nosicielek)
- gen posiada 79 egzonów
- transkrypt ma długość 14 kpz
- mutacje: w 60% delecja zmieniająca ramkę odczytu, w rezultacie jest
brak białka o prawidłowej funkcji, natomiast w 5% jest duplikacja
jednego lub kilku egzonów. Mogą również występować mutacje
punktowe.
2. Mutacje punktowe:
Najczęstsze mutacje w genomie ludzkim
Typy: insercje, delecje, tranzycje (zastąpienie zasady purynowej inną zasadą
purynową lub pirymidynowej inną pirymidynową), transwersje (zastąpienie puryny
pirymidyną lub odwrotnie)
Efekt:
- mutacje missens (zmiany sensu)  zmiana nukleotydu w pierwszej lub
drugiej pozycji kodonu powoduje zmianę kodowanego przez triplet
aminokwasu. Zmienia się aminokwas w białku
- mutacje neutralne (ciche)  nie powodują zmiany kodowanego
aminokwasu, ponieważ zmiana nukleotydu następuje w trzeciej pozycji
tripletu lub też mutacja nie dotyczy sekwencji kodujących lub z nimi
związanych.
- typu stop kodon (nonsense), powodujące przesunięcie ramki odczytu
(frameshift mutation)
Rodzinna Hipercholesterolemia
- Defekt w genie receptora dla lipoprotein o niskiej gęstości (LDL)
- Typy: delecje, duplikacje, mutacje punktowe modyfikujące strukturę i funkcję
receptora
- Dziedziczenie autosomalne dominujące
- Efekt- hipercholesterolemia
- Częstość 1/500 osób
Objawy: BJAWY:
-Kępki żółte na skórze powiek, łokci, kolan, dłoni,
-A
ukowate zmatowienie obrzeży tęczówki (arcus lipoides),
-Wczesna miażdżyca i powikłania sercowo- naczyniowe.
3. Mutacje transkrypcyjne  występują w obszarze od 5 do początku kodonu
inicjacyjnego w sekwencji DNA (np. sekwencje TATA). Jest to miejsce
krytyczne dla inicjacji transkrypcji . Efektem tych mutacji jest spadek produkcji
białka.
4. Mutacje RNA
- zmieniają prawidłowe miejsca łączące w regionie połączenia intronu i
eksonu
- tworzą nowe miejsca łączenia wewnątrz intronów lub eksonów
- w wyniku takiej mutacji może powstać niestabilne szybko degradujące
się RNA
5. Mutacje translacyjne:
- mutacje nonsens (stop)  w wyniku mutacji powstaje przedwcześnie
kodon terminacyjny stop, czego efektem jest białko skrócone
- mutacje zmiany ramki odczytu - delecja lub insercja w rejonie
kodującym (nie będąca wielokrotnością trzech) genu zmienia wszystkie
występujące za mutacja kodony; następuje zmiana sekwencji
aminokwasowej  zmienia się kodowane białko
Mutacja nonsensowa
Mutacja zmiany ramki odczytu (frameshift mutation)
6. Mutacje dynamiczne  mutacje występujące tylko u człowieka, wykazujące
dużą zmienność populacyjną:
- mutacja polegająca na wzroście liczby powtórzeń (3-, 4-, 12-
nukleotydowych)
- korelacja miedzy ciężkością choroby oraz wiekiem pojawienia się
objawów, a ilością powtórzeń
- ilość powtórzeń może wzrastać w kolejnych pokoleniach
- objawy mogą nasilać się lub występować wcześniej w kolejnych
pokoleniach (antycypacja)
- premutacja  wzrost ilości powtórzeń poniżej wartości granicznej  nie
powoduje wystąpienia choroby  bezobjawowi nosiciele
Mutacje dynamiczne stanowią podłoże molekularne 14 jednostek chorobowych i
można je podzielić na dwie grupy:
-Typ I  choroby neurodegradacyjne: ch. Huntingtona, rdzeniowo-opuszkowy zanik
mięśni, ataksje móżdżkowo-rdzeniowe,
-Typ II  dystrofia miotoniczna, zespół kruchego chromosomu X, upośledzenie
umysłowe związane z kruchym miejscem FRAXE, ataksja Friedreicha.
Inkluzję neuronalne  struktury widoczne pod mikroskopem świetlnym, powstałe w
wyniku tworzenia makroagregatów białkowych.
Skutki tworzenia inkluzji białkowych:
-blokowanie transportu aksonalnego,
-zaburzenie funkcji mitochondriów
-zaburzenia transkrypcji
-zaburzenia apoptozy
Zespół łamliwego chromosomu X (FraX)
-Mutacje dynamiczna w genie FMR1 na długim ramieniu chromosomu X
-Wzrost ilości powtórzeń sekwencji CGG powyżej 200
-Osoby zdrowe - do 54 powtórzeń, nosiciele bezobjawowi - do 200 powtórzeń (tzw.
premutacja)
7. Negatywne mutacje dominujące:
- zmutowany allel wytwarza produkt, który interferuje z produktem allelu
niezmutowanego
- geny kodujące białka strukturalne  geny kolagenu, elastyny
- choroby: osteogenesis imperfecta, zespół Marfana
Zespół Marfana
-Dziedziczenie autosomalne dominujące
-Mutacje w genie fibryliny (15q21), składnika matrix pozakomórkowej
-Opisano 366 mutacji
-Typy:
" Nonsensowne
" Mutacje składania RNA
" Negatywne mutacje dominujące
Objawy:
" Nadmierny wzrost
" Długie,  pająkowate kończyny i palce
" Nadmierna wiotkość stawów
" Krótkowzroczność, podwichnięcie soczewki
" Wypadanie płatka zastawki dwudzielnej, poszerzenie aorty, prowadzące do tętniaka
rozwarstwiającego aorty
-
GENETYKA POPULACYJNA
Zajmuje się badaniem alleli genów w populacji oraz siłami, które utrzymują lub
zmieniają częstość poszczególnych alleli i genotypów w populacji.
Pula genowa  wszystkie geny występujące u osobników jednej populacji
Dem  lokalna krzyżująca się populacja
Prawo Hardy ego-Weinberga
Częstości poszczególnych genotypów w populacji
rozmnażającego się płciowo, diploidalnego gatunku osiągają
równowagę po jednym pokoleniu losowego kojarzenia i zapłodnienia
oraz pozostają stałe, chyba, że cos zmienia częstość populacji.
p2 :2pq: q2
 Jeśli częstość q allelu jest niska, to częstość występowania homozygot q2
będzie bardzo niska.
Rzadkie allele zwykle występują w heterozygotach; jeśli są recesywne,
wówczas nie ulęgają ekspresji i dlatego nie mogą być wykryte
Głównym z
ródłem homozygot w przyrodzie są heterozygoty
Czynniki odpowiedzialne za odchylenia od równowagi w populacji:
Dobór (selekcja), migracja, kojarzenie nielosowe (selektywne), subpopulacje
(spokrewnienie), mutacje, dryf.
- Testowanie zgodności
Zgodność obserwowanej częstości genotypów z częstością spodziewaną z
równowagi Hardy ego-Weinberga można sprawdzić za pomocą
(obserwowana - spodziewana)2
testu chi-kwadrat c2c2 =[
]spodziewanaCała zmienność genetyczna wywodzi się od mutacji, ale tylko około
30% mutacji punktowych zachodzących na poziomie DNA uwidacznia się zmianą
struktury syntetyzowanego białka. Dlatego większość ocen częstości mutacji z reguły
zaniża częstość tego procesu. W genetyce populacyjnej stosuje się dwie metody
oceny częstości mutacji:
 metodę bezpośrednią
 metodę pośrednią
Ocena częstości mutacji-Metoda bezpośrednia - stosowana wyłącznie do cech
autosomalnych dominujących o wysokim stopniu penetracji, a polegająca na
obserwowaniu w populacji wszystkich przypadków pojawienia się cechy dominującej,
w których rodzice nie przejawiają tej cechy. Klasycznym przykładem takich badań
jest ocena częstości mutacji achondroplazji .
-Metoda pośrednia - zakłada, że w populacji zachodzi równowaga pomiędzy
przyrostem częstości genów spowodowanym mutacją, a ubytkiem tej częstości
spowodowanym selekcją. Dla oceny częstości mutacji niezbędna jest również
znajomość współczynnika przystosowania biologicznego mutantów, tzn. stosunek
liczby potomstwa mutantów do liczby osób z cechą dziką.
m - częstość mutacji na gametę
a - częstość występowania cechy
f - współczynnik przystosowania biologicznego
n cechy dominujące m = 1/2(1-f)a
n cechy recesywne m = (1-f)a
n cechy sprzężone z chromosomem X
m = 1/3 (1-f)a**częstość
występowania cechy u mężczyznSpokrewnienie - wzrost częstości małżeństw
między krewnymi nie wpływa bezpośrednio na częstość genów, ale wpływa na
częstość genotypów, zwiększa bowiem częstość homozygot w populacji.
Miarą spokrewnienia jest
współczynnik wsobności - F
W warunkach częstego występowania małżeństw spokrewnionych przeciętne
F w populacji będzie wyższe od zera.
częstość AA p2 + Fpq częstość aa q2 + Fpq częstość Aa 2pq-
2Fpq
POLIMORFIZM GENETYCZNY
Zróżnicowanie genetyczne warunkujące zmienność
wewnątrzgatunkową
Oznacza występowanie w populacji dwóch lub więcej alleli w danym
locus z częstością większą niż wynikająca z ogólnej częstości mutacji,
co oznacza występowanie najczęstszego allelu w danym locus z
częstością mniejsza niż 99%
Rodzaje polimorfizmów genetycznych:
- polimorfizm typu VNTR (ang. Variable Number Tandem Repeats) 
odcinki wysokopowtarzalnego DNA występującego głównie w okolicach
centromerów
- polimorfizm typu STR (ang. Short Tandem Repeats)  powtarzające się
sekwencje 2-5 nukleotydowe, znajdujące się w intronach
- polimorfizm typu SNP (ang. Single Nucleotide Polymorphism)  mutacje
punktowe w obrębie sekwencji kodujących; jednonukleotydowe mutacje
często powodują powstawanie nowych alleli