9.03.2004r.

Mutacje i rekombinacje - podstawowe procesy ewolucji genomów.

Genomy są strukturami dynamicznymi, które ewoluują w czasie na skutek skumulowanych efektów zmian sekwencji DNA.

Zmienność dziedziczna organizmów jest kształtowana w procesach:

• rekombinacji - wymiana między nićmi DNA lub fragmentami chromosomów w procesach podziału komórek, prowadzi do powstania różnych kombinacji genów oraz ich alleli;

• mutacji - odpowiedzialne za tworzenie się nowych alleli danego genu, czy też nowych genów.

Wszystkie rekombinacje i mutacje, które nie są letalne dla komórki mogą potencjalnie przyczynić się do ewolucji genomu.

Dziedziczenie zmian w genomie:

• u organizmów jednokomórkowych (bakterie, drożdże) wszystkie zmiany w genomie, które nie są letalne lub odwracalne są dziedziczone przez komórki potomne i stają się niezmiennymi cechami linii potomnej, wywodzącej się od komórki, w której zaszła zmiana;

• u organizmów wielokomórkowych jedynie zmiany w genomach komórek linii płciowej są dziedziczone i mają znaczenie w ewolucji genomu;

• zmiany w genomach komórek somatycznych nie są dziedziczone, nie są istotne z punktu widzenia ewolucji, mają jednak znaczenie biolo9giczne, jeśli powodowany przez nie fenotyp jest szkodliwy dla zdrowia organizmu.

Mutacja - zmiana sekwencji nukleotydowej genomu, spowodowana błędem w replikacji lub działaniem mutagenu.

Przyczyny mutacji:

• mutacje spontaniczne - błędy niedopasowania nukleotydów - błędy w replikacji, które wymykają się spod kontroli mechanizmów korekcyjnych polimeraz DNA, syntetyzujących nowe łańcuchy polinukleotydowe.

Jeśli brak komplementarności utrzyma się w potomnej podwójnej helisie wówczas jedne z cząsteczek drugiego pokolenia potomnego będzie zawierać w obu niciach wersję mutacji wprowadzoną na stałe.

• mutacje indukowane - powstałe na skutek działania mutagenu na DNA rodzicielskie, wywołującego zmianę struktury, która wpływa na właściwości komplementarnego wiązania zmienionego nukleotydu. Zmiana ta dotyczy jednej nici w rodzicielskiej helisie - tylko jedna cząsteczka potomna niesie mutacje, natomiast w 2 pokoleniach potomnych znajdzie się ona w 2 spośród utworzonych cząsteczek.

Błędy w replikacji jako źródło mutacji:

• mutacje punktowe - wbudowanie „niewłaściwego” nukleotydu

• tranzycja - puryna na purynę A↔G

- pirymidyna na pirymidynę T↔C

• transwersja - puryna na pirymidynę lub odwrotnie G↔C, A↔T, A↔C, G↔T

• mutacje typu insercji - wstawienie kilku dodatkowych nukleotydów do syntetyzowanego łańcucha polinukleotydowego

• mutacje typu delecji - pominięcie niektórych nukleotydów matrycy podczas kopiowania

Insercje i delecje nazywa się często zmianą fazy (frameshift mutation) - ich wystąpienie w obszarze kodującym może doprowadzić do przesunięcia fazy odczytu przy translacji białka kodowanego przez gen.

Insercje i delecje mogą też wystąpić w rejonach niekodujących. Nie wszystkie insercje czy delecje w obszarach kodujących powodują przesunięcie fazy odczytu - insercje czy delecje trzech lub wielokrotności trzech nukleotydów jedynie dodaje lub usuwa jeden lub kilka kodonów - nie wpływa na fazę odczytu.

Insercje i delecje zdarzają się szczególnie często, gdy matryca DNA zawiera krótkie powtórzone sekwencje (np. mikrosatelitarne) - sekwencje powtórzone mogą wywołać poślizg replikacji.

• nić matrycowa i jej kopia przesuwają się względem siebie i część matrycy jest powielana dwukrotnie lub opuszczona;

• nowy łańcuch polinukleotydowy zawiera odpowiednio większą lub mniejszą liczbę motywu powtórzonego;

• jest to główna przyczyna dużej zmienności sekwencji mikrosatelitarnych, każdy nowy wariant wzbogaca zestaw alleli znajdujących się w populacji;

Poślizg replikacji prawdopodobnie odpowiada za powstanie chorób trójnukleotydowych u ludzi (mutacje dynamiczne).

zwiększenie powtórzeń

(CAG)_{(36 - 121)} - choroba Huntingtona

(CGG)_{(60 - 1000)} - zespół kruchego X

Mutageny chemiczne i fizyczne

Sposoby wywoływania mutacji przez mutageny:

• działają jako analogi zasad - są mylnie wykorzystywane jako substraty podczas syntezy nowego DNA w widełkach replikacyjnych;

• reagują bezpośrednio z DNA, wywołując zmiany strukturalne, które prowadzą do błędnego kopiowania nici matrycowej podczas replikacji DNA;

• działają na DNA pośrednio - nie wpływają na strukturę DNA, lecz powodują wytwarzanie w komórce związków chemicznych takich, jak nadtlenki, które mają bezpośrednio działanie mutagenne.

Mutageny chemiczne

Analogi zasad (mutacje punktowe)

• zasady purynowe i pirymidynowe podobne do prawidłowych są włączane do nukleotydów podczas ich syntezy w komórce, np. 5-bromouracyl, analog tyminy (forma enol-5-bU tworzy parę z G zamiast A); 2-aminopuryna: analog adeniny (forma iminowa tworzy pary z C zamiast T).

Czynniki deaminujące (mutacje punktowe)

• np. kwas azotawy - deaminacja adeniny, cytozyny, guaniny;

• dwusiarczyn sodowy - deaminacja cytozyny

• deaminacja adeniny - powstaje hipoksantyna, która tworzy pary z C zamiast T;

• deaminacja cytozyny - powstaje uracyl, który tworzy pary z A zamiast G;

• deaminacja guaniny nie jest mutagenna - powstaje ksantyna, która blokuje replikację, gdy wystąpi w matrycy;

• tymina nie zawiera grupy aminowej - nie podlega deaminacji.

Czynniki alkilujące (mutacje punktowe):

• związki dodające grupy alkilowe do nukleotydów cząsteczkowych DNA - powstają zmodyfikowane nukleotydy o zmienionych zdolnościach tworzenia wiązań komplementarnych; blokują replikację, tworząc połączenie pomiędzy dwiema nićmi DNA lub dodając duże grupy alkilowe uniemożliwiające postęp kompleksu replikacyjnego.

Czynniki interkalujące (mutacje typu insercji)

np. bromek etydyny - płaskie cząsteczki, które mogą się wsunąć między pary zasad w podwójnej helisie, powodując niewielkie rozwinięcie się helisy i przez to zwiększenie odległości między sąsiednimi parami zasad, co wywołuje poślizg polimerazy DNA w czasie replikacji.

Mutageny fizyczne

Promieniowanie nadfioletowe (UV) (promieniowanie niejonizujące)

• UV o długości fali 260 nm indukuje np. dimeryzację (tworzą się wiązania kowalencyjne) sąsiadujących zasad pirymidynowych - zwykle powoduje to delecję podczas kopiowania zmodyfikowanej nici.

Promieniowanie jonizujące (np. X, γ powstaje podczas rozpadu pierwiastków radioaktywnych):

• powoduje mutacje punktowe, delecje, insercje, a także uszkodzenia DNA uniemożliwiające replikację genomu;

• może oddziaływać bezpośrednio na DNA lub wpływać pośrednio poprzez stymulację powstania w komórce aktywnych cząsteczek, takich jak nadtlenki.

Skutki mutacji

Efekt mutacji na poziomie genu:

• mutacje ciche - zmiany sekwencji nukleotydowej, które nie mają żadnego wpływu na funkcjonowanie genomu; wszystkie zmiany zachodzące w DNA pozagenowym oraz w niekodujących elementach genu i sekwencjach związanych z genami.

(ok. 97% ludzkiego genomu może ulec mutacji bez znaczącego efektu)

• mutacje punktowe zmieniające sekwencje trójnukleotydowego kodonu

• zmiana synonimiczna - nowy kodon odpowiada temu samemu aminokwasowi, co

kodon niezmutowany (mutacja cicha).

• zmiana niesynonimiczna - mutacja zmienia kodon tak, odpowiada on innemu

aminokwasowi; białko kodowane przez zmutowany gen będzie zawierało jeden zmutowany aminokwas, co często nie ma znaczącego wpływu na aktywność biologiczną białka, lecz w niektórych przypadkach może mieć poważniejsze skutki (mutacja zmiany sensu - missense mutation)

DNA G C C A T A A G C T A G T T C

(prawidłowe) C G G T A T T C G A T G A A G

↓

mRNA G C C A U A A G C U A C U U C

Ser

↓

Mutacje typu A dla G

zmiany sensu T C

↓

DNA G C C A T A A A C T A C T T C

T G

↓

mRNA G C C A U A A A C U A C U U C

Ala Ile Asn

• mutacja zmieniająca kodon kodujący aminokwas w kodon terminacyjny (mutacja nonsens - nonsense mutation) - w rezultacie powstaje skrócone białko; aktywność białka zależy od tego, jak duża część polipeptydu jest utracona - najczęściej białko nie jest zdolne do pełnienia swej funkcji.

DNA G C C A T A A G C T A C T T C

(prawidłowe) C G G T A T T C G A T G A A G

↓

mRNA G C C A U A A G C U A C U U C

(prawidłowe)

Tyr

↓

Mutacje typu A dla C

nonsens T G

↓

DNA G C C A T A A G C T A A T T C

C G G T A T T C G A T T A A G

↓

mRNA G C C A U A A G C U A A U U C

Polipeptyd Ala Ile Ser kodon

stop

• mutacja zmieniająca kodon terminacyjny na taki, który odpowiada jakiemuś aminokwasowi - powoduje to ominięcie kodonu terminacyjnego, a białko jest wydłużone; większość białek toleruje nieznaczne przedłużenie bez szkody dla funkcji, znaczniejsze wydłużenie może spowodować osłabienie aktywności białka.

• mutacje typu delecji i insercji

• jeśli liczba usuniętych lub wstawionych nukleotydów wynosi trzy albo wielokrotność trzech - dochodzi do usunięcia lub wstawienia jednego lub więcej kodonów - białko traci albo zyskuje aminokwasy, co może również wpływać na jego funkcje]

• jeśli liczba usuniętych lub wstawionych nukleotydów nie jest równa trzy lub wielokrotności trzech - dochodzi do przesunięcia ramki odczytu (frameshift mutation); wszystkie kodony poniżej mutacji będą odczytywane w innej fazie niż w genie niezmutowanym, część polipeptydu będzie miała zupełnie inną sekwencję niż prawidłowa, co będzie miało znaczący wpływ na funkcje białka.

Skutki mutacji zachodzących poza obszarami kodującymi genom:

• mutacje w obrębie promotora - zmiana powinowactwa polimerazy RNA do miejsca promotorowego, co może powodować zmniejszenie wytwarzania mRNA sekwencji regulatorowych;

• unieczynnienie miejsc startu replikacji;

• mutacje miejsca cięcia na styku ekson - intron - zmieniają sygnał niezbędny dla prawidłowego wycinania intronów - zaburzenia w wycinaniu intronu: np. wycięcie części eksonu, włączenie intronów do dojrzałego mRNA.

Większość mutacji nie zmienia w sposób znaczący fenotypu organizmu.

Niektóre mutacje wywierają skutek fenotypowy:

• utrata funkcji - zmniejszenie lub zniesienie aktywności białka; większość takich mutacji jest recesywna - w heterozygocie druga kopia chromosomu niesie niezmutowaną wersję genu, kodującą w pełni funkcjonalne białko, którego obecność może kompensować skutek mutacji;

• w niektórych przypadkach mutacja utraty funkcji jest dominująca, np. efekt ilościowy - organizm nie toleruje zmniejszenia aktywności białka o ok. 50% - pojawiają się choroby genetyczne (np. zespół Marfana - mutacja w genie kodującym białko tkanki łącznej);

• mutacja nabycia funkcji (rzadsze) - nadanie białku nietypowej aktywności: jeden lub kilka genów może ulegać ekspresji w niewłaściwych tkankach - tkanki uzyskują funkcje zwykle w nich nie występujące, nadekspresja genu lub genów zaangażowanych w regulację cyklu komórkowego - nie kontrolowane podziały komórki, prowadzące do rozwoju nowotworów. Mutacje nabycia funkcji są zwykle dominujące (np. choroba Huntingtona).

Nowe mutacja nie musi ujawniać się zawsze w momencie powstania, efekty działania mutacji uwidaczniają się, gdy zaistnieją warunki fenotypowej ekspresji zmutowanego genu (opóźnione działanie).

Niektóre mutacje wykazują brak penetracji - nie ujawniają się u niektórych osobników.

2

---