Znaczenie biologiczne mutacji

Mutacje mogąpowstaćw komórkach

somatycznych i rozrodczych

•Nowotwory

• •Efekty teratogenne

• •Spontaniczne poronienia

•Przenoszone na potomstwo

• •Dominujące ujawniająsięnatychmiast (śmierć, choroby genetyczne, itd.)

• •Recesywne mogąujawnićsiępo wielu pokoleniach

•9/1000 noworodków cierpi na choroby wywołane mutacjami

• •Częstośćaberracji chromosomowych w:

• -poronieniach samoistnych w ciągu 12 tygodni -614/1000

-noworodków żywo urodzonych -6-7/1000

Podstawowe definicje

-Działanie genotoksyczne-zdolnośćdo indukowania zmian w sekwencji nukleotydów DNA bezpośrednio przez dany związek, albo jego reaktywny metabolit.

-Działanie epigenetyczne -zdolnośćdanego czynnika do wywoływania zmian struktury DNA bez zmiany sekwencji nukleotydów; może dojśćdo miejscowych zmian struktury chromatyny zaburzających prawidłowąaktywnośćtranskrypcyjnąwielu genów.

-Działanie mutagenne -zdolnośćdanego czynnika do wywołania trwałego zaburzenia genetycznego.

Przyczyny mutacji

-Błędy w replikacji/naprawie DNA

-Mutageny-Czynniki fizyczne (promieniowanie UV, jonizujące, gamma)

-Czynniki chemiczne

-Czynniki biologiczne (wirusy)

-Uszkodzenia spontaniczneDNA

-Insercjatranspozonów

Rodzaje mutacji

-Mutacje punktowe

-Aberracje chromosomowe strukturalne

-Aberracje chromosomowe liczbowe

Mutacja (łac. mutatio - zmiana), nagła, skokowa, bezkierunkowa, dziedzicząca się zmiana w materiale genetycznym organizmu. Termin po raz pierwszy wprowadzony przez biologa de Vriesa na przełomie XIX i XX wieku, oznaczający zmianę zapisu informacji genetycznej, pierwotne źródło zmienności genetycznej organizmów. Mutacja jest zjawiskiem losowym, podlegającym jednak wpływom środowiska (mutagenom - np. chemicznym, promieniowaniu). Częstość mutacji nie jest stała pomiędzy gatunkami (np. wirus HIV mutuje bardzo szybko) i zależy między innymi od doskonałości aparatu powielania DNA i jego naprawy. Odmienną klasą mutacji są zmiany spowodowane transpozycją (tzw. skaczące geny), gdzie odcinek DNA o długości kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów zmienia położenie w obrębie genomu. Tego typu mutacje są bardziej rozpowszechnione u niektórych roślin (np. kukurydza) i zwierząt (np. muszka owocowa).Współczesna genetyka umożliwia mutagenezę ukierunkowaną, realizowaną za pomocą inżynierii genetycznej.

Podział mutacji

Mutacje można podzielić ze względu na:

• miejsce występowania:

-somatyczne (są niedziedziczne, dotyczą komórek ciała)

-generatywne( są dziedziczne, dotyczą gamet)

• materiał genetyczny:

-mutacje genowe - obejmują krótki odcinek DNA i dotyczą zmian sekwencji nukleotydów o obrębie genu.

-mutacje chromosomowe - dotyczą zmian w strukturze chromosomów

-mutacje genomowe - dotyczą zmian liczby chromosomów

Ze względu na fenotypowy efekt (z punktu widzenia określonej cechy) wyróżnia się:

• niekorzystne - powodują obniżenie zdolności organizmu do przeżycia

• obojętne - nie wpływają na organizm

• korzystne - pojawia się względnie rzadko. Przykładowo - u owada wskutek takiej mutacji pojawia się inne zabarwienie ochronne, które okazuje się skuteczniejsze w jego miejscu życia

• letalne - prowadzą do śmierci

• subletalne - prowadzą do upośledzenia organizmu

Mutacja genowa to zmiana dziedziczna zachodząca w genie, na poziomie kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), gdzie następuje zamiana sekwencji zasad nukleinowych, w wyniku której powstaje nowy allel.

Konsekwencją mutacji genowych jest zmiana w układzie aminokwasów białka syntetyzowanego na bazie danego genu. Mutacje genowe zachodzą najczęściej samorzutnie.

Mutacja genowa może być mutacją punktową, może też polegać na zamianie, wstawieniu bądź wycięciu większego odcinka DNA.

Mutacja punktowa - zmiana pojedynczego nukleotydu w DNA lub RNA.

Może być to:

- tranzycja - zmiana zasady purynowej w purynową i pirymidynowej w pirymidynową

A w G i G w A

T w C i C w T

- transwersja - zmiana zasady purynowej w pirymidynową i odwrotnie

- delecja - wypadnięcie jednego nukleotydu

- insercja pojedynczego nukleotydu - wstawienie nowego nukleotydu w łańcuch DNA

Efekty mutacji punktowych w sekwencji kodującej można podzielić w następujący sposób:

- przesunięcie ramki odczytu poprzez insercję lub delecję pojednyczego nukleotydu.

- mutacja missens - zmiana pojedynczego nukleotydu w kodonie powoduje zmianę aminkwasu w kodowanym białku. W zależności od położenia aminokwasu mutacja taka może, ale nie musi wpływać na fenotyp.

- mutacja nonsens - zmiana pojedynczego nukleotydu w kodonie spowoduje, ze trojka kodujaca aminokwas zmieni sie w jeden z trzech kodonow stop, zatem prdukowane białko będzie krótsze, co zwykle wiąże się z jego niefunkcjonalnością.

- mutacja cicha - zmiana pojedynczego nukleoptydu nie powoduje zmiany aminokwasu w kodowanym białku ze względu na to, że kod genetyczny jest zdegenerowany, czyli jeden zminokwas może być kodowany przez kilka kodonów (np. zmiana CCC na CCU nie powoduje zmiany aminokwasu, gdyż obie trójki kodują prolinę). Wydaje się, że w niektórych przypadkach, jeśli zmiana następuje z kodonu preferowanego na rzadki, może to wpłynąć na szybkość syntezy białka, a to z kolei na szybkość jego zwijania, a zatem na jego strukturę przestrzenną, co może mieć wpływ na fenotyp

Mutacje punktowe mogą być przyczyną wielu chorób, m.in.:

Mutacje genowe wywołują następujące choroby:

• albinizm ( bielactwo wrodzone, mutacja recesywna )

• fenyloketonuria ( mutacja recesywna objawiająca się zaburzeniami w rozwoju umysłowym, zaburzeniami ruchu )

• alkaptomuria ( mutacja recesywna, pbjawiami są m.in. Czrne zabarwienie moczu i stany zapallne różnych narządów oraz ciemnienie skóry )

• anemia sierpowata ( hemoglobina ma słabe powinowactwo do tlenu a sierpowate krwinki łatwo ulegają zniszczeniu, mutacja recesywna )

• pląsawica Hunginktona ( mutacja dominująca, której objawem są m.in. Zaburzenia ruchowe i postępujące zmiany zwyrodnieniowe układu nerwowego w 25-45 roku życia, z upośledzeniem umysłowym )

W wielu badaniach z dziedziny biochemii, biologii molekulernej oraz genetyki badacz wprowadza mutacje punktowe w genie w celu np. sprawdzenia zmian w funkcji kodowanego przez ten gen białka.

Mutacja chromosomowa inaczej aberracja chromosomowa to zmiana liczby (aneuploidia) lub struktury chromosomów. Mutacje takie mogą zachodzić spontanicznie lub pod wpływem czynników mutagenicznych (np. promieniowanie jonizujące, promieniowanie ultrafioletowe, wysoka temperatura).

Spis treści

• 1 Mutacje liczby chromosomów

• 2 Mutacje struktury chromosomów

• 3 Aberracje popromienne

• 4 Znaczenie w ewolucji

Mutacje liczby chromosomów

Aneuploidia jest skutkiem wadliwej segregacji chromosomów podczas podziału komórki.

U człowieka na poziomie całego organizmu (tzn prawie każda jądrzasta komórka organizmu winna zawierać ową zmianę) zdecydowana większość mutacji liczby chromosomów autosomalnych jest letalna. Wyjątki to:

• zespół Downa - trisomia 21

• zespół Edwardsa - trisomia 18

• zespół Pataua - trisomia 13

Zmiany liczby chromosomów płciowych są lepiej tolerowane.

• zespół Turnera X0

• zespół Klinefeltera XXY

• Nadsamica XXX

• Nadsamiec XYY

Mutacje struktury chromosomów

Mutacje struktury chromosomów są to zmiany powstające na skutek pęknięć a następnie łączenia się odcinków w odmiennym już porządku. Mają one ogromne znaczenie dla ewolucji, ponieważ zmieniają położenie genów, a tym samym wpływają na szansę rekombinacji.

Mutacje chromosomowe dzieli się na:

• delecje - to utrata odcinka chromosomu (A-B-D-E)

• duplikacje - to powielenie odcinka chromosomu (A-B-C-B-C-D-E)

• inwersje - to odwrócenie fragmentu chromosomu o 180 stopni (A-B-D-C-E z odwróceniem orientacji odcinków C i D)

• translokacje -do chromomosomu homologicznego zostaje przyłączony inny chromosom (Przed translokacja: A-B-C-D-E oraz P-Q-R-S-T, po translokacji: A-B-C-S-T oraz P-Q-R-D-E)

Aberracje popromienne

Mutacje chromosomowe powstałe w ściśle określonym punkcie chromosomów na skutek bezpośredniego lub pośredniego działania promieniowania jonizującego. Zwykle są to zmiany nieodwracalne. Promieniowanie powoduje poprzeczne pęknięcie całego chromosomu. Oderwane fragmenty łączą się ponownie (często odwrotnymi końcami), albo łaczą się z fragmentami innych chromosomów. Mogą też nie połączyć się wcale. Struktura takich chromosomów zostaje zmieniona, następuje mutacja. Aberracje popromienne chromosomów mogą być potęgowane przez czynniki zewnętrzne, np. temperaturę.Znaczenie w ewolucji Podwojenie liczby chromosomów jest podstawą hipotezy Ohno, według której dostarcza ono materiału dla nowych funkcji genów. Zmiany liczby chromosomów umożliwiają także genetyczną izolacje nowych gatunków.

Mutacje genomowe, mutacje chromosomowe liczbowe polegają na:

• utracie lub występowaniu dodatkowych pojedynczych chromosomów — wskutek zaburzeń rozdziału chromosomów w mitozie bądź mejozie

• zwielokrotnieniu całego genomu — w wyniku zniesienia rozdziału wszystkich chromosomów (poliploidalność)

Istnieją również zmiany dziedziczne dotyczące liczby chromosomów. Można je podzielić na trzy rodzaje:

• aneuploidia - zwiększenie lub zminiejszenie liczby chromosomów

• euploidia

o monoploidia

o diploidia

o poliploidia

 autopoliploidia - zwiększenie liczby chromosomów tego samego gatunku

 allopoliploidia - zwiększenie liczby chromosomów należących do dwóch różnych gatunków

 amfiploidia

Choroby genetyczne u ludzi spowodowane mutacjami genomowymi:

• trisomia 21 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Downa lub idiotyzm mongoidalny - objawia się niedorozwojem umysłowym, niski wzrost, skośne szpary powiekowe, nieprawidłowości w rozwoju zębów, duży język, wąskie podniebienie, wady narządów wewnętrznych; pomimo upośledzenia chorzy osiągają pewien stopień rozwoju umysłowego; wykazują typowe cechy charakterologiczne - pogodne usposobienie, instynkt społeczny, upór; zespół Downa predysponuje do występowania białaczki (10x częściej)

• trisomia 13 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Pataua - objawy: niedorozwój umysłowy, wady oczu, deformacja uszu, rozczep wargi, polidaktylia, wady narządów

• trisomia 18 para tzw. zespół Edwardsa - objawy: głęboki niedorozwój umysłowy, wady rozwojowe, wczesna śmierć w okresie niemowlęcym

• zespół Klinefeltera 2n + XXY u mężczyzn (niedorozwój jąder, obniżona inteligencja) i 2n + 3X u kobiet (zaburzenia miesiączkowania lub wtórny brak miesiączki, niski stopień inteligencji)

• zespół Turnera 2n + X - (niski wzrost, infantylizm narządów płciowych, bezpłodność)

Czynniki wywołujące mutacje

Mutacje zachodzą spontanicznie we wszystkich żyjących komórkach. Ich częstość jest jednak niska. Częstość mutacji zwiększa się pod wpływem tzw. czynników mutagennych. Powodują uszkodzenia cząsteczki DNA przy replikacji. Zwiększenie częstości pojawienia się uszkodzeń prowadzi tym samym do zwiększenia się częstości mutacji.

Mutagenny jest:

• kwas azotowy III - HNO2, który powoduje dezaminację (usuwa grupy NH2) zasad azotowych co prowadzi do zmiany zasad cytozyny na uracyl, itp.

• związki alkilujące (związki mające grupy alkilowe) np. pochodne iperytu

• barwniki akrydynowe np. proflawina, akryflawina, oranż akrylowy, których działanie polega na deformacji helisy - powodując delecje lub insercje

• analogi zasad np. 5 bromouracyl analog tyminy czy aminopuryna, które mogą włączyć się do DNA w miejsce normalnych zasad azotowych

• promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie

• alkaloidy - kolchicyna prowadzące do poliploidalności

• czynniki metaboliczne np. deficyt jonów Ca i Mg

• sole metali ciężkich

• benzopiren, znajdujący się w dymie papierosowym

Takie związki wykorzystuje sę, na przykład w celu uzyskania mutantów ( czyli niosących mutacje ) bakterii czy drożdży do prac naukowych lub też hodowlanych roślin i zwierząt.

Efekty działania mutagenów Mutacje zachodzące w komórkach somatycznych prowadzą czasem do powstania nowotworu. W przypadku organizmów wielokomórkowych efekty mutacji będą przekazywane potomstwu tylko wtedy, gdy nastąpi ona w komórkach rozrodczych. Nowotwory są wynikiem nagromadzenia się mutacji w komórce. Aby z normalnej komórki powstała komórka nowotworowa musi zajść najczęściej kilka mutacji w genach związanych przede wszystkim z kontrolą jej podziałów. Promieniowanie słoneczne sprzyja powstawaniu nowotworów skóry a palenie papierosów powoduje często raka płuc. Nie oznacza to jednak, że każda osoba opalająca się będzie miała raka skóry a u każdego palacza wystąpi rak płuc, jednak możliwość zachorowań wyraźnie wzrasta. A efekty widoczne są dopiero po wielu latach.

Genotoksyczność rozumiemy jako zdolność do wywoływania przez określone czynniki względnie trwałych zmian w materiale genetycznym. Czynniki takie mogą mieć charakter chemiczny, na przykład wolne rodniki, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, metale ciężkie lub fizyczny - promieniowanie UV, promieniowanie X. Pęknięcia DNA mogą mieć charakter pierwotny lub wtórny. Pierwotne pęknięcia wywoływane są bezpośrednio działaniem czynników fragmentujących nici DNA (powodowane przez: promieniowanie jonizujące, ultrafioletowe czy tak zwane radiometryki), mogą zachodzić również na skutek działania reaktywnych form tlenu. Pęknięcia wtórne powstają w czasie trwania procesów naprawczych DNA prowadzonych przez enzymy naprawcze (szczególnie podczas naprawy uszkodzenia DNA polegającej na wycinaniu zasad azotowych - BER; base excision repair). Powoduje to powstawanie zmian w sekwencji i organizacji DNA, co z kolei może doprowadzić do zmian w strukturze i liczbie chromosomów i/albo sprzyjać transformacji komórek, której skutkiem jest najczęściej powstanie nowotworu.

Elektroforeza pojedynczych jąder komórkowych w żelu agarozowym (SCGE) Jedną z metod badania stopnia uszkodzenia DNA wywołanego działaniem czynnika

genotoksycznego jest elektroforeza pojedynczych jąder komórkowych w żelu agarozowym (SCGE - single cell gel electrophoresis), popularnie nazywana metodą kometową (Comet

Assay) z powodu charakterystycznego obrazu uzyskiwanego w mikroskopie fluorescencyjnym. Pierwszymi badaczami, którzy oceniali uszkodzenia DNA w pojedynczych komórkach byli Rydberg i Johanson (1978). Jednak właściwa metoda testu kometowego wprowadzona została w 1984 przez Östlinga i Johansona. Autorzy ci wykazali, że zawartość DNA w „ogonie” komety i jego długość są funkcją pochłoniętej przez komórkę dawki promieniowania; upraszczając, im większa dawka promieniowania tym dłuższy ogon komety. W metodzie kometowej bada się pojedyncze komórki; mogą to być komórki wątroby, krwi albo nabłonka, jedynym warunkiem jest by miały one jądra zawierające DNA. Wygodnym obiektem do badań tą metodą są erytrocyty ryb, ponieważ mają one jądrabkomórkowe, są bardzo liczne (stanowią nawet 97% wszystkich elementów morfotycznych krwi ryby) i co bardzo ważne, dokładnie poznane są ich cechy biochemiczne i fizjologiczne. Analiza komet jest metodą względnie prostą, łatwą do wykonania, a uzyskane wyniki są powtarzalne. Metoda ta jest obecnie ciągle udoskonalana; powstają modyfikacje z zastosowaniem przeciwciał albo hybrydyzacji z sondami molekularnymi (FISH), które pozwalają na szybkie i wybiórcze określenie charakteru zmian w obrębie jądrowego DNA.

Zadanie 1.1.1. Elektroforeza pojedynczych jąder komórkowych erytrocytów pstrąga tęczowego (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) poddanych działaniu H2O2 Nadtlenek wodoru (H2O2) jest źródłem tak zwanych wolnych rodników, które są bardzo reaktywne chemicznie i choć naturalnie występują w małych ilościach w każdej żywej komórce, to w sytuacjach patologicznych, jaką jest stres oksydatywny, są wysoce genotoksyczne. Komórki (erytrocyty) przeznaczone do badania (Rys.1A) poddaje się działaniu czynnika genotoksycznego (Rys.1B). Komórki zawiesza się następnie w roztworze agarowy (Rys.1C) i nanosi cienką warstwą na szkiełka mikroskopowe (Rys 1D), po czym poddaje się je działaniu pola elektrycznego prądu stałego (Rys.1E). Ponieważ kwas deoksyrybonukleinowy zawarty w jądrach komórkowych ma ładunek ujemny (-), wędruje w polu elektrycznym w kierunku bieguna dodatniego (+). Podczas elektroforezy w żelu agarozowym, DNA i jego fragmenty powstałe na skutek działania czynnika genotoksycznego są rozdzielane w postępie odwrotnie proporcjonalnym do ich mas cząsteczkowych; najbliżej wędruje wysokocząsteczkowy (nieuszkodzony) DNA, najdalej natomiast jego najkrótsze fragmenty (Rys.1F). Po przeprowadzeniu elektroforezy preparaty wybarwia się barwnikiem fluorescencyjnym i umieszcza pod mikroskopem wyposażonym w odpowiednie źródło światła i zestaw filtrów. Obraz otrzymywany spod mikroskopu przenosi się za pomocą kamery do komputera i korzystając z odpowiednich poszczególnych „komet”, szacuje rozmiary uszkodzeń DNA jądrowego

---