Mutacje:
- termin wprowadzony w 1908r. przez Hugo de Vriesa. Prowadził badania na chwaście (Wiesiołek Lamarck) zauważył że w każdym pokoleniu pojawił się pewien procent osobników innych (10 - 20%).
- nagłe skokowe zmiany jakiegoś genu w nieprawidłowy (dotychczas nieznany allel), który powoduje powstanie nowej nieznanej dotąd cechy lub zmiany dotyczące liczby dla struktury chromosomów.
- prowadzą do występowania nowej cechy (liczba chromosomów, zmiany w budowie)
- są motorem napędowym ewolucji
Mutacje:
a) somatyczne (dotyczą zmian w komórkach ciała, nie dziedziczą się) np. jedna tęczówka niebieska a druga brązowa, dodatkowy palec u ręki lub nogi, pazur zamiast paznokcia, pomidory bez nasion.
b) genetyczne (zachodzą w komórkach rozrodczych, dziedziczą się)
- na poziomie nukleotydów i aminokwasów (genowe)
- strukturalne chromosomowe (zmiany w budowie lub liczbie chromosomów)
- liczbowe (dotyczą zmian w liczbie chromosomów w komórce)
Mutacje mogą zachodzić samorzutnie (spontanicznie) - gdy nie wiadomo jaki czynnik tę mutację wywołał.
Mutacje indukowane (wymuszone) - znany czynnik, człowiek wywołuje mutację, człowiek wywołuje mutację czynnikiem mutagennym.
Mutacje mogą być:
- letalne (śmiercionośne) - osobnik umiera od razu albo po jakimś czasie
- subletalne - o określonej żywotności
- korzystne - hodowla roślin i zwierząt
- neutralne - obojętne nic się nie dzieje
Czynniki mutagenne:
- promieniowanie kosmiczne, rentgenowskie (alfa, beta, UV)
- pochodne kwasu azotowego
- gazy bojowe (iperyt)
- analogi zasad azotowych (analog tyminy to 5 bromouracyl)
- barwniki akrydynowe
- temperatura
- związki alkilujące
- dym papierosowy
- dioksyny -> spalanie plastików
- pestycydy -> środki ochrony roślin
- deficyt jonów (wapń magnez)
Mutacje genowe
a) na poziomie sekwencji nukleotydów w DNA
- tranzycja - zamiana jednej puryny(A, G) w drugą lub jednej pirymidyny(T, C) w drugą
- transwersja - zamiana puryny w pirymidynę i odwrotnie
POWYŻSZE MUTACJE TO SYBSTYTUCJE (ZAMIANA)
- delecja - wypadnięcie jakichś nukleotydów z prawidłowej nici
- inwersja - wstawienie dodatkowych nukleotydów (zmieniają ramkę odczytu)
b) na poziomie aminokwasów
- zmiana sensu - 1 trójka sensowna zostaje zastąpiona inną trójką
- zmiana typu nonsens - trójka sensowna zostaje zastąpiona trójką terminalną
TEGO TYPU MUTACJE MAJĄ CHARAKTER PRZEWAŻNIE RECESYWNY CZYLI FENOTYPOWO UJAWNIA SIĘ TYLKO W HOMOZYGOCIE RECESYWNEJ
Mutacja zmiana genu w jego inny allel.
Mutacje chromosomowe:
a) strukturalne (zmiana budowy chromosomów)
- deficjencja - ubytek jakiegoś kawałka chromosomów wraz z znajdującymi się tam gametami
- duplikacja - podwojenie pewnego odcinka chromosomu homologicznego
- translacja - podwojenie jakiegoś odcinka chromosomu niehomologicznego
- inwersja - chromosom pęka w dwóch miejscach, odcinek odwraca się o 180 stopni i zostaje wbudowany w to
samo miejsce
Przyczyny mutacji strukturalnej:
- pękanie chromosomów na wskutek zaburzeń mechanicznych w mitozie lub mejozie
- deficyt jonów wapnia
- promieniowanie
- gazy bojowe
b) liczbowe (zmiana liczby chromosomów u danego organizmu)
* komórki somatyczne 2n
* komórki rozrodcze 1n
- mutacje anemploidalne - 2n +- 1, 2, ...
* trisomie:
-> zespół downa
-> zespół Pataua
-> zespół Klinefeltera
* monosomie (przeważnie są letalne, w jakiejś parze będzie fragment chromosomów)
-> zespół kociego krzyku
-> zespół Turnera
Przyczyny:
- aberacje te spowodowane są nondysjunkcjami czyli nieprawidłowym rozchodzeniem się chromosomów w
mejozie
- mutacje poliploidalne (euploialne) - polegają na zwielokrotnieniu garnituru homologicznego (2n, 3n, 5n)
* autopoliploidy - zwielokrotniony garnitur homologiczny w obrębie tego samego gatunku np. pszenica,
kukurydza.
* alloploidalny - zwielokrotniony garnitur niehomologiczny który powstaje z wyniku krzyżówki między
gatunkowej np. pszenżyto, czereśniowiśnia
Mutacje poliploidalne powstają w wyniku braku rozdziału chromosomów w mitozie powstaje jądro o
podwojonej liczbie chromosomów.
- endomitoza - replikacja chromosomów bez udziału jądra
W celu wywołania poliploidyzacji stosuje się alkaloid kolchicynę (wyciąg z Zimowita Jesiennego albo z owoców ziemniaka), nie zahamowuje podziałów chromosomów lecz niszczy wrzeciono podziałowe co uniemożliwia prawidłowe rozchodzenie się chromosomów do biegunów komórki.
Znaczenie poliploidów - u roślin mutacje te są korzystne, gdyż powodują zwiększenie plonów i większą żywotność (pszenica, buraki, kukurydza), twierdzi się że ponad 50% roślin dziko rosnących to poliploidy, u zwierząt takie mutacje mają charakter letalny lub subletalny.
Mutacje milczące - mutacje które nie dają efektu w fenotypie (nie ujawniają się, będą zmiany trójek ale wyznaczony zostaje taki sam aminokwas)
Aberacje - mutacje dotyczące liczby chromosomów, przejawiają się w postaci chorób genetycznych, dotyczą 22 pary chromosomów, które są w komórce ciała. Aberacje to mutacje anemploidalne (trisomie i monosomie).
Aberacje:
- jednoczynnikowe (jednogenowe) - jeden czynnik wywołał tą aberacje dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla, dotyczą anomalii recesywnych (homozygocie 25%), dominujących (heterozygocie 50%), anomalii sprzężonych z płcią (X)
- wielogenowe - wiele genów uczestniczy w ich powstawaniu, ujawnia się pod wpływem czynników środowiska (wieloczynnikowe).
Aberacje autosomalne:
- zespół Downa - trisomia pary 21 w każdej komórce, każda aberacja daje upośledzenie umysłowe, charakterystyczny wygląd twarzy (płaska szeroka), skośne szpary oczne, fałd mongolski na powiece, stosunkowo niski wzrost, bardziej otyli, duży nie mieszczący się w buzi język, charakterystyczne pętlice linii papilarnych, nieprawidłowości zębów, brak 1 żebra wiotkie mięsnie (hipotermia), krótki nos, szerokie dłonie. Charakter - bardzo podobne usposobienie, potrzeba miłości i obściskiwania, pogodne nie mają zahamowań w kontaktach z innymi, uparci, chętnie się bawią, mają 10-krotnie większe predyspozycje do występowania białaczki. Wraz z wzrostem wieku matki zwiększa się procent urodzeń dzieci z zespołem downa (po 45 roku 1 na 30 ).
- zespół Pataua - trisomia chromosomu 13, duże upośledzenie, umysłowe, niski wzrost, szczelina w tęczówce, małogłowie, głuchota, bardzo nisko osadzone i zniekształcone małżowiny uszne, chore serce (otwór między przedsionkami i komorami), szeroko rozstawione oczy, rozczep wargi i podniebienia, polidaktylia (większa liczba palców), wnętrostwo (jądra pozostają w brzuchu), wodonercze, nerki z torbielami serce po prawej stronie, umierają w wieku dziecięcym lub niemowlęcym.
- zespół Edwardsa - trisomia pary 18, upośledzenia masłowe, niski wzrost, wystająca potylica, w jedną stronę skręcona głowa, nerki w kształcie podkowy, palce pokrzywione i zachodzące na siebie, nogi w kształcie litery X, hipertonia (sztywność mięśni), nie zrasta im się ciemiączko, dziury w sercu.
- zespół kociego krzyku - monosomia pary 5, niedorozwój umysłowy, dziecko ma płacz jak miauczenie kota, małomózgowie, nisko osadzone uszy, rozczep warg i podniebienia, liczne wady narządów wewnętrznych, umieralność w młodym wieku.
Aberacje heterochromosomalnych (dotyczą nieprawidłowości w liczbie chromosomów płci):
- zespół Turnera - monosomia 45 chromosomów u osób 22 pary Autosomów + X0, zespół ten dotyczy płci żeńskiej, nie mają jednego chromosomu płci, dziewczynki niskiego wzrostu, nie objawiają się drugorzędowe cechy płciowe, nie miesiączkują, umysłowo w miarę normalne, narządy wewnętrzne płciowe są szczątkowe (jajniki, macica), bezpłodne, minimalizacja skutków poprzez podawanie hormonu wzrostu, i hormony płciowe żeńskie (estrogeny).
- zespół metakobiety - trisomia, 22 pary Autosomów + XXX, stosunkowo średni lub niski wzrost, szeroka miednica, bardzo duże piersi, ociężałość umysłowa, występuje wtórny zanik miesiączki lub w ogóle nie miesiączkuje, bezpłodne.
- zespół Klinefeltera - trisomia 22 pary Autosomów + XXY, dotyczy mężczyzn, wysoki wzrost, psychicznie normalny, pozbawiony zarostu, sylwetka kobieca, nie wykształca się jabłko Adama, tendencja do ginekomastii (powiększenie gruczołów piersiowych), bardzo małe jądra, atrofia (zanik kanalików nasiennych, brak normalnej spermatogenezy, bezpłodność) wysoki głos.
- zespół Supermężczyzny - trisomia 22 pary Autosomów + XYY, nadmiar testosteronu, silny zarost, muskulatura, wysoki wzrost, zachowania niezgodne z normami społecznymi, niedostosowany o życia w grupie, damski bokser, brak zainteresowania dziećmi, wredny charakter, skłonności kryminogenne, niedbalstwo i bałaganiarstwo.
Szlaki metaboliczne - ciągi reakcji chemicznych w naszym organiźmie, produkty jednych reakcji są substratami w kolejnej.
Aberacje szlaków metabolicznych polegają na defekcie genu, które odpowiedzialnego za produkcję enzymu potrzebnego do przeprowadzenia danej reakcji biochemicznej.
Aberacje szlaków metabolicznych:
- albinizm (bielactwo) - defekt genu, który jest odpowiada za wytworzenie enzymu tyrozynazy potrzebnego do wytworzenia melaniny (ciemnego barwnika ochronnego w skórze, włosach i tęczówce oka), charakterystyczna jasna karnacja jasne włosy, rzęsy, brwi, tęczówka oka, defekt kosmetyczny - pozbawieni naturalnej bariery ochronnej przed promieniowaniem UV, narażeni na nowotwory skóry (czerniak) dziedziczy się w sposób recesywny (tylko u homozygoty recesywnej) 25% szans na otrzymanie wady genetycznej, 1/20000 urodzeń z albinizmem, co 70 człowiek jest nosicielem genu.
- fenyloketonuria - aberacja spowodowana defektem genu odpowiedzialnego za produkcję enzymu, który przeprowadza aminokwas fenyloalaninę w inny aminokwas tyrozynę, kiedy nie ma enzymu fenyloalanina i jej pochodne gromadzą się w tkance nerwowej powodując zaburzenia układu nerwowego skutkujące kretynizmem (najgorszy stopień upośledzenia umysłowego), po urodzeniu dziecka do 72 godzin test krwi na fenyloketonurię (jak jest wynik pozytywny to zmienia się dieta dziecka), dziedziczy się recesywnie, 1/7000 urodzeń z fenyloketonurią
- choroba Wilsona - defekt genu, który jest odpowiada za produkcję enzymu odpowiadającego za gospodarkę miedzią w organiźmie, nieprzetworzona odłoży się w wątrobie i tkance nerwowej (choroba wątroby i zaburzenia w układzie nerwowym)
- alkaptonuria - dziedziczy się recesywnie, spowodowana mutacją genu, który nie wytwarza enzymu potrzebnego do przeprowadzenia kwasu homogentyzynowego do CO2 i H2O. Kwas homogentyzynowy jest produktem pośrednim w przemianie fenyloalaniny w tyrozynę, odkłada się w tkance nerwowej, stawach, chrząstkach, namiar wydalany z moczem. Mocz chorych ma barwę szarą, u dzieci granatowo-niebieską(„choroba niebieskich pieluch”). Efekty: w stawach i chrząstkach pojawiają się zwyrodnienia prowadzące do kalectwa (niesprawności ruchowej).
- galaktozenia - aberacja, dziedziczy się w sposób recesywny, spowodowana mutacją genu który wytwarza enzym potrzebnego do przeprowadzenia galaktozy do glukozy. Galaktoza odkłada się w różnych organach i powoduje np. uszkodzenie nerek, wątroby, innych narządów, zaćma, u dzieci stałe biegunki, wymioty (nie mogą być karmione mlekiem)
- tyrozynoza - niedobór enzymu, który jest potrzebny do wytworzenia hormonów tarczycy (tyrozyny). Występuje znaczne upośledzenie umysłowe i problemy z tarczycą.
- cukrzyca młodzieńcza - defekt genu, który jest odpowiada za wytworzenie insuliny, objawy: w moczu cukier i białka ketonowe.
- mukowiscydoza - aberacja, dziedziczy się recesywnie, powoduje ją efekt genu odpowiedzialnego za produkcję enzymów do prawidłowego przekaźnictwa jonów Cl- przez błony komórkowe, w efekcie zmiany w śluzówce w płucach, częste zakażenia, bywają zaburzenia w działaniu trzustki. 1/2500 urodzeń, leczenie przez antybiotyki, preparaty z enzymami trzustkowymi, związki upłynniające śluz w płucach.
- choroba Parkinsona - dziedziczy się w sposób dominujący, występuje w starszym wieku, spowolnienie ruchu, osoba przygarbiona, drżenie rąk, głowy, uszkadza mięśnie Narwy, narządy wewnętrzne, mowę, przy wczesnym wykryci można spowolnić jej skutki.
- choroba Huntingtona - dziedziczy się w sposób dominujący, spowodowana mutacją w genie białka występującego w mózgu, zburzenia ruchu, otępienie, 1/24000 urodzeń, na ogół u osób dorosłych (35-45 lat), średni czas przeżycia od momentu rozpoznania to ok. 16 lat, nie ma leczenia.
Inżynieria genetyczna - dział genetyki, zaczął rozwijać się w latach 70 XX w. Zajmuje się tworzeniem układów genetycznych poprzez ingerencję człowieka (tworzenie nowych genów).
Techniki inżynierii genetycznej polegają na wycinaniu określonych genów z genomu dawcy i wprowadzenie tych genów do genomu biorcy a następnie bada się jak ten gen się zachowuje (czy ulega replikacji i ekspresji (ujawnieniu)). W latach 70 odkryto dwa podstawowe enzymy do inżynierii genetycznej(restryktazy (obcinają gen, działają powtarzalnie, obcinają rozpoznane sekwencje) i ligazy (klejące)).
Wprowadzone za pomocą wektorów (posłańców) od biorcy do dawcy
Wektory - cząsteczki które zawierają DNA:
- plazmidy bakterii (koliste cząsteczki DNA)
- bakteriofagi (fagi) - wirusy które pasożytują na bakteriach
Etapy:
- wycinanie
- izolowanie (niszczenie komórki, kwasy RNA, cukry) zostaje tylko co nas interesuje
- połączenie genu dawcy z genem biorcy (za pomocą wektorów)
- wprowadzenie do komórki biorcy DNA (transformacja)
- połączenie DNA bakterii z nowym DNA
- replikacja i ekspresja
- namnarzanie bakterii
- karmienie ich pożywkami z antybiotykiem (umierają te nie zmienione)
Dzięki inżynierii genetycznej udało się wyhodować bakterie:
- produkują hormon wzrostu
- dla ludzi chorych na cukrzycę bakterie produkujące ludzką insulinę
- produkujące czynnik krzepliwości krwi (dla chorych na hemofilię)
- próby - na WZW (wirusowe zapalenie wątroby) w sałacie
Inne osiągnięcia:
- organizmy modyfikowane genetycznie (GMO), żywność (soja, kukurydza, pomidory). Mają większą odporność na szkodniki, oporne na gnicie większe plony. Myszą wprowadzono gen wzrostu szczura (myszy urosły większe), złoty ryż - ryż z zwiększoną dawką witaminy A (potrzebna o prawidłowego widzenia).
Klonowanie - otrzymywanie komórek lub organizmów o cechach wyznaczonych przez człowieka.
Klony - organizmy identyczne po względem genetycznym.
Z komórki jajowej organizmu usuwa się jądro komórkowe, aby usunąć materiał genetyczny, następnie wprowadza się jądro komórkowe organizm który ma być sklonowany. Taką komórkę wprowadza się o macicy tego samego gatunku i czeka aż otrzyma się nowy, zmieniony genetycznie organizm.
1997r - owieczka Dolly (udana 1 próba na 227, u myszy 1/100 prób)
Farmakogenetyka - dziedzina farmacji, która jest w stanie wyprodukować lek przeciwko mutacji genu odpowiedzialnego za nowotwór (lek pomagający leczyć rozwój raka piersi wywołanego mutacją genu HER-2).
Zamierzenia:
- terapia genowa, jej wprowadzenie w medycynie:
* odszukanie zmutowanych genów
* wycięcie ich przez restryktazy
* wklejanie przez ligazy genów prawidłowych w jak najwcześniejszym etapie rozwoju zarodkowe.
- zastosowanie w medycynie sądowej, identyfikacja ofiar i sprawców
Paszport genetyczny - pozwoli diagnozować według struktury białek pewne skłonności organizmu do zachowań (np. nowotwory). Przed pojawieniem choroby będzie można przeciwdziałać jej i skutecznie zacząć leczyć. Nieuleczalne choroby (np. AIDS) mogą stać się uleczalnymi przez specjalną terapię genową.