WYKŁAD XIV

Mutacje i mutageneza

0. Mutacja - nagła, skokowa, bezkierunkowa zmiana w materiale genetycznym organizmu.

1. Termin po raz pierwszy wprowadzony przez biologa de Vriesa w 1909 r.

2. Mutacje mogą być:

- dziedziczne (w komórkach generatywnych)

- niedziedziczne (w komórkach somatycznych).

Rodzaje mutacji

0. Mutacje genowe – punktowe

1. Mutacje chromosomowe (strukturalne)

2. Mutacje genomowe (liczbowe)

I. Mutacje genowe - punktowe

0. Jest to zmiana sekwencji nukleotydów w obrębie genu:

1. Transwersja

2. Tranzycja

3. Insercja

4. Duplikacja

5. Delecja

Typy mutacji punktowych będących efektem zmian w sekwencji kodującej nukleotydu:

0. mutacje bez zmiany sensu

1. mutacje zmiany sensu – na skutek tranzycji lub transwersji powstają nowe kodony co doprowadza do:

- zmian we właściwościach białek

- zmian w funkcjach białek

0. mutacje nonsensowne – w wyniku tranzycji lub transwersji kodon sensowny zostanie zamieniony na nonsensowny co doprowadza zwykle do całkowitej nieaktywności białka

1. mutacje zmiany fazy odczytu – w wyniku insercji lub delecji błędne odczytywanie kodonów.

Mutacje zmiany sensu u człowieka

0. Jako wynik transwersji i tranzycji

1. alkaptonuria

2. galaktozemia

3. beta-talasemia

4. mukowiscydoza

5. zespół Taya-Sachsa

6. Jako wynik delecji

7. alfa-talasemia

8. rodzinna hipercholesterolemia (wywołana delecją lub duplikacją)

9. Jako wynik insercji

10. hemofilia

Choroby człowieka wywołane mutacjami punktowymi

0. TALASEMIA – niedokrwistość spowodowana nieprawidłową budową α lub β globiny na skutek delecji genów w czasie niesymetrycznego crossing-over lub nieprawidłowej koniugacji.

0. RODZINNA HIPERCHOLESTEROLEMIA – delecja fragmentu genu kodującego białko receptora dla cholesterolu – nie jest on usuwany z układu krwionośnego – miażdżyca.

0. HEMOFILIA – insercja nukleotydów w genie determinującym czynnik VII krzepliwości krwi.

0. FENYLOKETONURIA – mutacja genu kodującego enzym (hydroksylaza fenyloalaninowa) przekształcający fenyloalaninę do tyrozyny; gromadzona fenyloalanina powoduje uszkodzenia w OUN.

0. ANEMIA SIERPOWATA – mutacja polegająca na zamianie kw. glutaminowego na walinę w cząsteczce hemoglobiny.

0. MUKOWISCYDOZA – polega na mutacji genu kodującego czynnik transportujący sód i chlorki przez błony komórkowe. Dochodzi do zaburzeń elektrolitowych, w wydzielinie płuc oraz w pocie jest duża zawartość Na i Cl, hamowany jest ruch rzęsek w drogach oddechowych co prowadzi do ciągłych infekcji i zaburzeń rozwojowych.

0. CHOROBA TAYA-SACHSA - polega na gromadzeniu się substancji tłuszczowej - gangliozydu GM2 w komórkach mózgu (neuronach). Choroba występuje częściej u Żydów aszkenazyjskich. Upośledzenie umysłowe oraz motoryki.

0. ALKAPTONURIA – różne mutacje w genie kodującym oksydazę kw. homogentyzynowego. Kwas ten wydalany jest z moczem oraz gromadzi się w chrząstkach stawowych co prowadzi do zapalenia stawów i ścięgien.

0. GALAKTOZEMIA - mutacja punktowa blokująca aktywność enzymu rozkładającego galaktozę (pochodzącą najczęściej z rozpadu laktozy) do glukozy i w następstwie nadmierne jej gromadzenie się w organizmie, co powoduje niedorozwój fizyczny i umysłowy oraz utratę wzroku.
   
   
   

0. ZESPÓŁ LESCHA-NYHANA (LNS) – recesywna mutacja na chromosomie X, kobiety są bezobjawowymi nosicielkami, choruje 50% ich męskiego potomstwa. Pacjenci mają poważne psychiczne i fizyczne problemy przez całe życie. Uderzającą cechą zespołu Lescha-Nyhana są zachowania związane z samookaleczeniem, charakteryzujące się gryzieniem warg i palców.

0. CHOROBA GAUCHERA – defekt glukocerebrozydazy, gromadzenie w komórkach glukocerebrozydów (w wątrobie, śledzionie, węzłach chłonnych, szpiku oraz w OUN).

II. Mutacje chromosomowe (aberracje strukturalne)

0. Delecje

1. Duplikacje

2. Inwersje

- paracentryczne

- pericentryczne

- ze zmainą typu morfologicznego chromosomu

0. Translokacje

- między ramionami górnymi

- między ramionami dolnymi

- fuzje Robertsona

- dysocjacja

Zespoły chorobowe spowodowane aberracjami strukturalnymi autosomów człowieka:

0. Delecja krótkich ramion chromosomu 4 pary

46,XX,4p-; 46,XY,4p-

0. Delecja krótkich ramion chromosomu 5 pary = zespół cri du chat = miauczenia kota

46,XX,5p-; 46,XY,5p-

0. Delecja długich ramion chromosomu 13 pary

46,XX,13q-; 46,XY,13q-

0. Delecja długich ramion chromosomu 15 pary = zespół Pradera i Williego

46,XX,15q-; 46,XY,15q-

0. ZESPÓŁ CRI DU CHAT - Objawy: niepełnosprawność intelektualna (od lekkiej do głębokiej), jasna karnacja, płaczliwość, po porodzie specyficzny płacz dziecka przypominający miauczenie kota.

0. ZESPÓŁ PRADERA-WILLIEGO - Objawy są zróżnicowane w zależności od osoby i wieku.
   Rozwój umysłowy często jest prawidłowy i nie odbiega od normy intelektualnej. Rozwój ruchowy opóźniony, często występuje cukrzyca II typu, nadwaga, problemy z wymową.

III. Mutacje genomowe (aberracje chromosomowe liczbowe)

0. POLIPLOIDY

- autopoliploidy

- allopoliploidy

0. ANEUPLOIDY

- monosomie

- trisomie

POLIPLOIDY = EUPLOIDY

0. Organizmy posiadające zwielokrotniony garnitur chromosomów (3n, 4n, 6n).

1. U zwierząt zjawisko poliploidyzacji jest rzadkie (zwykle ma charakter letalny).

2. U roślin może być korzystne – wyższe plony ale większość obumiera. Największe zaburzenie dotyczy płci (sterylność).

3. W przypadku człowieka, zygota lub zarodek obumiera zwykle przed 8 tyg. życia płodowego

0. Zjawisko poliploidyzacji występuje w naturze (bielmo – 3n u roślin, makronucleus u orzęsków).

1. Euploidy powstają samorzutnie lub na skutek indukcji (kolchicyną).

2. Przyczyną jest brak rozdziału chromosomów w mitozie lub w mejozie (gamety – 2n).

0. Autopoliplody

- zwielokrotniona w stosunku do normalnej liczba chromosomów pochodzi z tego samego gatunku

- zwykle bezpłodne

0. Allopoliploidy

- pochodzenie mieszańcowe z połączenia gamet spokrewnionych gatunków

ANEUPLOIDY

0. organizmy, u których prawidłowy zestaw chromosomów został wzbogacony lub zubożony o jeden lub więcej chromosomów

- monosomia (2n-1)

- trisomia (2n+1)

0. Przyczyną tej mutacji jest non-dysjunkcja polegająca na niewłaściwym rozejściu się (braku rozejścia) chromosomów w czasie mejozy.

Non-dysjunkcja

0. chromosomów płciowych

1. autosomów

Non-dysjunkcja - nierozdzielenie się pary chromosomów homologicznych w czasie I lub II podziału

0. Non-dysjunkcja

chromosomów płciowych

w czasie spermatogenezy

Non-dysjunkcja chromosomów płciowych:

0. ZESPÓŁ TURNERA

- monosomia 23 pary chromosomów (45,X0 lub 44+X0)

- przeważa fenotyp żeński

- niski wzrost 130 cm

- niedorozwój gonad

- infantylne narządy płciowe

- płetwistość szyi

- koślawość łokci

- wady układu moczowego

- wad układu krążenia

- obniżony iloraz inteligencji

0. ZESPÓŁ 47,XXX

- fenotyp żeński

- obniżona płodność

- obniżony iloraz inteligencji

Występują również kariotypy z 4 lub więcej chromosomem X, który zwiększa nasilenie upośledzenia umysłowego oraz anomalii fizycznych

0. ZESPÓŁ KLINEFELTERA

- trisomia 23 pary chromosomów (47,XXY)

- fenotyp męski

- eunuchoidalne proporcje ciała

- dysgenezja jąder

- bezpłodność

- owłosienie typu żeńskiego

- obecność ciałek Barra

- gynomastia

- obniżony iloraz inteligencji

0. ZESPÓŁ XYY

- mężczyźni bardzo wysocy, bardzo emocjonalni i infantylni

- skłonność do zachowań agresywnych.

Non-dysjunkcja autosomów

0. ZESPÓŁ DOWNA

- trisomia 13, 18 lub 21 pary chromosomów

- najczęstsza aneuploidia u człowieka (1/700 urodzeń)

- 60% płodów ulega samoistnemu poronieniu

- 20% płodów rodzi się martwych

Główne objawy kliniczne:

- niski wzrost

- szeroka i płaska twarz

- skośne oczy

- krótki nos

- zniekształcenia uszu

- płaska potylica

- wiele „pętlic” na opuszkach palców

- małpia bruzda

- małe i łukowate podniebienie

- duży, pobrużdżony język

- zmarszczka nakątna

- nieprawidłowość uzębienia

- krótkie i szerokie dłonie

- jednostronny lub obustronny brak jednego żebra

- zwężenia przewodu pokarmowego

- przepuklina pępkowa

- wady wrodzone macicy

- wady wrodzone serca

- hipotonia mięśniowa

- duże palce, duży odstęp pomiędzy I i II palcem

Wpływ wieku matek na częstość urodzenia dziecka z zespołem Downa

0. Trisomia 13 pary chromosomów – ZESPÓŁ PATAUA:

- 1/12tys urodzeń

- niski wzrost

- niedorozwój umysłowy

- szczelina w tęczówce

- nisko osadzone i zniekształcone uszy

- głuchota

- małpia bruzda

- otwór międzyprzedsionkowy

- otwór międzykomorowy

- serce po prawej stronie

- rozszczep wargi i podniebienia

- małomózgowie

- polidaktylia

- zniekształcenie paznokci

- torbielowatość nerek

- podwójny moczowód

- wodonercze

- przepuklina pępkowa

- wrodzone wady macicy

- wnętrostwo – brak jednego lub obu jąder

0. Trisomia 18 pary chromosomów – ZESPÓŁ EDWARDSA:

- 1/7,5 tys. urodzeń

- zdeformowana czaszka

- nisko osadzone i zdeformowane uszy

- niedorozwój żuchwy

- niski wzrost

- zachodzenie palców na siebie

- małpia bruzda

- skrzywienie dużych palców

- wystające kolana

- wysokie łuki brwiowe

Co jest przyczyną mutacji?

0. Mutacje spontaniczne = samorzutne

1. Mutacje indukowane mutagenami

Mutacje samorzutne- są najczęściej punktowe

0. Błędy w replikacji DNA

- poślizg polimerazy w tzw. „gorących

miejscach mutacji genu”

- pomyłki polimerazy na nici syntetyzowanej w sposób ciągły są 5x częstsze niż na składanej ligazami

0. Zmiany chemiczne w nukleotydach

Mutacje samorzutne powstałe w wyniku modyfikacji chemicznych zasad purynowych i pirymidynowych

0. Cytozyna może samorzutnie podlegać dezaminacji i powstaje z niej uracyl, który jest rozpoznawany przez system naprawczy jako obcy i jest wycinany, powstaje AP, które jest wypełniane przez polimerazę DNA.

1. Cytozyna zmetylowana (w poz. 5’) staje się metylocytozyyną samorzutnie dezaminujacą, powstaje tymina, nie rozpoznawana jako obca, zamiast pary C-G powstanie T-A.

Mutageny

0. Czynniki fizyczne: promieniowanie – prowadzi do zmian w strukturze DNA

1. promieniowanie jonizujące

- powstające jony inicjują różne reakcje chemiczne w komórkach, m.in. powstawanie wolnych rodników, peroksydację lipidów.

Tym reakcjom towarzyszy wydzielanie energii cieplnej, która wywołuje zmiany chemiczne w DNA (m. punktowe i chromosomowe, transf. nowowtworowe)

Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym.

0. Obejmuje ono promieniowanie podczerwone, światło widzialne oraz promieniowanie ultrafioletowe (UV).

1. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie ultrafioletowe z zakresu 200-400 nm

2. .

Dzieli się na trzy główne zakresy:

0. UVA (320-400nm)-jest słabo absorbowane przez DNA, mutagenne działanie tych promieni polega na produkcji reaktywnych form tlenu

1. UVB (280-320nm) – silne działanie mutagenne

2. UVC (200-280nm) – silne działanie mutagenne

0. promieniowanie ultrafioletowe UVB

- o dł. fali 280 nm

- zdolność przenikania przez tkanki, silnie wchłaniane przez DNA

- powstawanie fotodimerów pirymidynowych C-C, C-T, T-T

Fotodimery zaburzają proces replikacji i mogą spowodować przerwanie ciągłości cząsteczki DNA – xeroderma pigmentosum – nadwrażliwośc skóry na promieniowanie UV – zwiększa ryzyko raka skóry i czerniaka złośliwego

UVB

- powstawanie tzw. fotoproduktów 6-4 (powstają pomiędzy sąsiadującymi ze sobą zasadami pirymidynowymi)

0. promienie alfa, beta, gamma i X.

1. szok termiczny

0. Chemiczne:

1. Kw. azotowy

- dezaminuje A, G i C w DNA skutkiem czego powstają pary A-G, T-C, C-A (tranzycje, m. zmiany sensu)

0. Akrydyna – wnika pomiędzy zasady w DNA i wypycha je, w efekcie - poślizg polimerazy DNA co prowadzi do delecji i inwersji

1. Antybiotyki

2. Cytostatyki

3. Leki psychotropowe

4. Alkohol

5. Środki konserwujące żywność (azotyny)

Środki konserwujące żywność –azotyny mają właściwości nitrozujące amin, powstają nitrozoaminy – maja wł. mutagenne

Gotowanie b. długie, smażenie w temp. pow. 150 C

- piroliza aminokwasów

- połączenie kreatyniny + cukier + aminokwas -

powstają heterocykliczne aminy aromatyczne - zw. mutagenne, kancerogenne i teratogenne

Teratogeny

0. Powodują uszkodzenia płodu, zaburzając rozwój embrionalny

1. Pierwsze 2 tyg. – zarodek jest najmniej podatny na uszkodzenia

2. 2-10 tydzień – jest najbardziej podatny na uszkodzenia

3. 10 tydzię – uszkodzenia oun

Alkoholowy zespół płodowy (Fetal Alcohol Syndrome - FAS)

0. charakterystyczne rysy twarzy:dzieci z FAS

często mają mniejszy obwód głowy, prawdopodobnie w związku z zahamowanym rozwojem mózgu

0. niski wzrost i waga ciała zarówno po urodzeniu, jak i w późniejszych okresach rozwoju

1. uszkodzenia obwodowego układu nerwowego - przejawiające się opóźnionym rozwojem, zaburzeniami emocjonalnymi i obniżonym poziomem

intelektu.

0. Biologiczne:

1. Mykotoksyny

- Aspergillus, Penicillum, Fusarium

0. Wirusy

- różyczka, wirus cytomegalii

0. Bakterie

1. Pierwotniaki

- Toxoplasma