Zakres wymaganych zagadnień do egzaminu

Pojęcia: gen, genom, genomika, genotyp, fenotyp, allel (recesywny, dominujący, letalny, subletalny), locus genu, homozygotyczność, heterozygotyczność, geny konstytutywne (geny metabolizmu podstawowego, housekeeping genes), pseudogeny, poligeny (geny kumulatywne, wielokrotne), geny sprzężone.

Zasady dziedziczenia: prawa Mendla, chromosomowa teoria dziedziczności Morgana.

Współdziałanie alleli: dominacja kompletna (całkowita, zupełna), dominacja niepełna (połowiczna), ko-dominacja (współdominacja).

Współdziałanie genów: plejotropia, poligenia, epistaza, komplementacja genetyczna.

Organizacja genomów: rodzaje i wielkość genomów; genom jądrowy; genomy organellowe; struktura chromosomów (centromer, telomery, nukleosomy, histony); struktura genów organizmów eukariotycznyh: geny nieciągłe (eksony i introny); podział DNA jądrowego człowieka: DNA intergenowy (pozagenowy): sekwecje unikatowe i sekwencje powtórzone (repetetywne); powtórzenia tandemowe (zespolone): DNA satelitarny, minisatelitarny i mikrosatelitarny; powtórzenia rozproszone: elementy LTR, sekwencje SINE, sekwencje LINE i transpozony.

Regulacja ekspresji genów: transkrypcja, translacja, kod genetyczny; proces dojrzewania pre-mRNA: capping, poliadenylacja, splicing; wpływ hormonów; regiony regulatorowe w DNA: promotory, sekwencje wzmacniające (enhancers), sekwencje wyciszające (silencers); czynniki transkrypcyjne: podstawowe, aktywa-tory, represory; domeny wiążące DNA (palce cynkowe, helisa-zwrot-helisa) i domeny odpowiedzialne za dime-ryzację (suwak leucynowy, helisa-pętla-helisa); regulacja potranslacyjna: skracanie białek, ubikwitynyzacja.

Genetyka rozwoju: genetyczne aspekty procesu różnicowania komórek, geny homeotyczne (homeoboks, homeodomena, transformacje homeotyczne) i ich mutacje; geny Pax i ich mutacje.

Zmienność organizmów: rodzaje zmienności organizmów: modyfikacyjna - fluktuacyjna, rekombinacyjna i mutacyjna; przyczyny zmienności: warunki środowiska zewnętrznego, rekombinacja genetyczna, crossing-over, niezależna segregacja chromosomów podczas mejozy, mutacje.

Mutacje: genowe (punktowe): substytucje (tranzycje i transwersje) i mutacje fazy w ramce odczytu (delecje i insercje); mutacje chromosomowe: strukturalne (translokacje, deficjencje, duplikacje, inwersje) i liczbowe (aneuploidie i poliploidie: autopoliploidie i allopoliploidie); nondysjunkcje; mutacje milczące (ciche, synoni-miczne, polimorficzne), mutacje zmiany sensu (missensowne), mutacje nonsensowne; przyczyny mutacji: błędy replikacyjne, działanie mutagenów; skutki mutacji; mutacje w mitochondrialnym DNA człowieka; mutacje dynamiczne (powtórzeń trypletowych): dystrofia miotoniczna i choroba (pląsawica) Huntingtona jako przykład antycypacji.

Mutageny: fizyczne (promieniowanie jonizujące i nie jonizujące UV) i chemiczne: czynniki alkilujące, czyn-niki deaminujące (kwas azotawy), czynniki hydroksylujące (hydroksylamina), czynniki interkalujące (barwniki akrydynowe), analogi zasad azotowych (tautomeryzacja).

Genetyka człowieka: determinacja płci u ludzi: chromosomy X i Y, gen SRY, lionizacja chromosomu X; choroby genetyczne człowieka sprzężone z płcią (z chromosomem X): daltonizm, hemofilia, dystrofia mię-śniowa Duchenne'a; chromosomowe mutacje strukturalne u ludzi: chromosom Filadelfia, zespół kociego krzyku - cri-du-chat; chromosomowe mutacje liczbowe u ludzi: zaburzenia w liczbie chromosomów płci - zespół Turnera i zespół Klinefeltera oraz zaburzenia w liczbie chromosomów autosomowych u ludzi - zespół Downa, zespół Edwardsa, zespół Pataua).

Jednogenowe choroby genetyczne człowieka: mukowiscydoza, anemia sierpowata, fenyloketonuria, albinizm, alkaptonuria.

WSPÓŁDZIAŁANIE GENÓW - wykład 1

Allel to jeden z dwóch (lub kilku) alternatywnych wariantów genu leżącego w danym locus. Jest to odmiana (wersja, forma) tego samego genu. Allele są odpowiedzialne za różne wersje danej cechy i zajmują ten sam locus w chromosomach homologicznych. Każda diploidalna komórka ma dwa allele określonego genu: identyczne u homozygoty, różne u heterozygoty. Jeden allel dziedziczymy po matce, drugi po ojcu.

WSPÓŁDZIAŁANIE ALLELI

1.

Dominacja kompletna (całkowita, zupełna)

Sytuacja, w której w heterozygocie jeden z alleli danego genu (allel dominujący) wykazuje pełną dominację nad allelem recesywnym: allel dominujący całkowicie hamuje ujawnienie się allelu recesywnego.

2.

Dominacja niepełna (połowiczna)

Sytuacja, w której żaden z pary odmiennych alleli określonego genu nie dominuje całkowicie w heterozygocie: fenotyp takiej heterozygoty jest pośredni w stosunku do fenotypu rodziców. Przykładem jest allel warunkujący czerwoną barwę kwiatów u wyżlinu (lwiej paszczy, Antirrhinum) w stosunku do allelu odpowiedzialnego za ich biały kolor (w F1 powstaje kolor różowy). Innym przykładem jest dziedziczenie barwy piór kury domowej (Gallus gallus domesticus): allel warunkujący czarny kolor piór w stosunku do allelu odpowiedzialnego za białe upierzenie (w F1 powstaje barwa jednolicie szaroniebieska).

3.

Kodominacja (wspóldominacja)

Sytuacja, w której występuje ekspresja obu alleli danego genu w heterozygocie: produkty obu alleli są wytwarzane jednocześnie i niezależnie, każdy z nich znajduje odbicie w fenotypie. Fenotyp takiej heterozygoty stanowi zupełnie nową jakość i jest wynikiem obecności w komórkach produktów obu alleli w identycznej ilości - oba allele są równocenne. Przykładem jest dereszowata maść koni: obecność włosów białych (siwych) wśród włosów gniadych, kasztanowatych lub karych.

4.

Allele letalne - w układzie homozygotycznym powodują śmierć organizmu w czasie rozwoju embrionalnego lub przed osiągnięciem dojrzałości płciowej. Są to zazwyczaj zmutowane warianty genów wpływających na ważne procesy rozwojowe (np. na przebieg embriogenezy). Przykłady: allel odpowiedzialny za żółtą barwę sierści u myszy, allel odpowiedzialny za brak ogona kotów manx, allel warunkujący brak owłosienia psa meksykańskiego.

Allele subletalne - w układzie homozygotycznym nie wywołują śmierci organizmu, ale znacznie ograniczają jego przeżywalność z powodu licznych dolegliwości i chorób.

WSPÓŁDZIAŁANIE GENÓW NIEALLELICZNYCH

Współdziałanie między genami w obrębie danego genomu (genotypu) prowadzi do wytworzenia określonej cechy fenotypowej.

1.

Plejotropia

Polega na wywoływaniu przez jeden gen wielu różnorodnych efektów: efekt fenotypowy jednego genu warunkuje zjawisko powstawania kilku pozornie odrębnych (nie związanych ze sobą) cech organizmu - pojedynczy gen warunkuje jednocześnie kilka cech fenotypowych. Oznacza to, że produkt jednego genu może w organizmie pełnić różne funkcje. Geny wykazują efekt plejotropii, gdy wpływają jednocześnie na różne cechy organizmu, czyli są odpowiedzialne za kształtowanie się kilku cech fenotypowych. Plejotropia polega na wielorakich efektach fenotypowych, które są wywołane zmianami (mutacjami) w pojedynczym genie. Przykładem plejotropii jest albinizm (bielactwo), w którym efekt mutacji w pojedynczym genie (brak barwnika) przejawia się w postaci kilku różnych cech fenotypowych: w barwie skóry, włosów, rzęs, brwi i tęczówki oka. Innym przykładem plejotropii jest mukowiscydoza.

2.

Poligenia

Jest to wspólne determinowanie cechy ilościowej o zmienności ciągłej przez geny kumulatywne (poligeny, geny wielokrotne). Jest to dziedziczenie wielogenowe (poligenowe, wieloczynnikowe). Poligeny są genami należącymi do różnych par alleli i wpływają na wytworzenie jednej, określonej cechy organizmu o zmienności ciągłej (np. wzrost, barwa skóry i oczu). Każdy z poligenów wywołuje mały, ale sumujący się efekt fenotypowy: wspólnie dają silniej wyrażoną cechę. Sumowanie się efektów ich działania określa stopień rozwoju cechy ilościowej: każdy gen z osobna wywiera niewielki skutek, dopiero skumulowane działanie wielu genów powoduje widoczny efekt fenotypowy. Istnienie bardzo wielu kombinacji alleli w poligenach decyduje o występowaniu wśród organizmów wszystkich możliwych ilościowych wariantów danej cechy. Dziedziczenie wielogenowe (wieloczynnikowe) dotyczy złożonych cech genetycznych o charakterze ilościowym, które nie podlegają ściśle prawom Mendla. Wzór dziedziczenia tych cech przez potomstwo jest bardzo złożony, dlatego też cechy ilościowe muszą być definiowane i oceniane na podstawie całych populacji, a nie poszczególnych osobników. Do najważniejszych cech poligenowych człowieka należą: wzrost, barwa skóry i oczu, inteligencja (dziedziczymy zdolność rozwinięcia wysokiego IQ w pewnych okolicznościach środowiskowych), a także masa ciała (otyłość), ciśnienie krwi, temperament, zdolności muzyczne, skłonność do wielu chorób (m.in. cukrzycy, chorób serca, nadciśnienia, alergii, astmy, nowotworów, depresji, schizofrenii) oraz podatność na nałogi. W kształtowaniu cech poligenicznych, powstałych w wyniku interakcji wielu genów, zwykle pośredniczy środowisko: ilościowe cechy wieloczynnikowe (u ludzi wzrost, masa ciała, barwa skóry i oczu, inteligencja, ciśnienie krwi, wielkość erytrocytów) wynikają z wzajemnego oddziaływania kilku genów z czynnikami środowiskowymi. Cechy te najczęściej wykazują rozkład zgodny z krzywą Gaussa i regresję do średniej.

3.

Epistaza

Jest to maskowanie przejawiania się cechy warunkowanej przez jeden gen na skutek działania innego genu, znajdującego się w odmiennym locus lub w innym chromosomie. To zjawisko tłumiącego działania genu na cechę uwarunkowaną inną parą alleli, czyli zapobieganie ekspresji genu przez inny gen. Gen maskujący (hamujący) nazywamy epistatycznym, a gen maskowany - hipostatycznym. Na skutek epistazy ekspresja allelu dominującego może być tłumiona działaniem produktu innego genu. W wyniku epistazy dochodzi do zmiany frekwencji fenotypów (czyli do odstępstw od spodziewanych proporcji fenotypowych 9:3:3:1 w pokoleniu F2 w krzyżówkach dwugenowych), ponieważ zwykle dochodzi do zmniejszenia się liczby klas obserwowanych fenotypów. Przykładem epistazy jest dziedziczenie barwy owoców dyni Cucurbita: hamowanie barwy żółtej (allelu dominującego) i zielonej (allelu recesywnego) daje w efekcie barwę białą. Innym przykładem epistazy jest umaszczenie psów labradorów: allel warunkujący barwę żółtą jest allelem epistatycznym w stosunku do alleli innego genu odpowiadających za czarny (allel dominujący) i brązowy (allel recesywny) kolor sierści psów tej rasy. Kolejnym przykładem epistazy jest fenotyp bombajski: nietypowe dziedziczenie grup krwi u osób z grupą O, posiadających gen dla antygenów grupowych krwi A lub B.

4.

Komplementacja genetyczna

Jest to zjawisko uzupełniania się efektów fenotypowych warunkowanych przez różne geny. Polega na dopełniającym działaniu produktów różnych genów przy wykształceniu jednej cechy (np. barwy kwiatu): produkt jednego genu ma wpływ na produkt drugiego genu. Przykładem komplementacji jest dziedziczenie barwy kwiatów u groszku pachnącego Lathyrus odoratus: wytworzenie barwy czerwonej (związanej z obecnością antocyjanu) jest efektem działania dwóch genów - gen A determinuje obecność chromogenu, a gen B koduje oksydazę utleniającą chromogen do antocyjanu. Rośliny o genotypach AABB, AABb, AaBB oraz AaBb mają kwiaty czerwone, natomiast kwiaty białe wytwarzają rośliny o genotypach AAbb, aaBB, Aabb, aaBb oraz aabb. Innym przykładem komplementacji jest dziedziczenie barwy kwiatów u dzwonka karpackiego Campanula carpatica, a także dziedziczenie ubarwienia (koloru plam na skórze) węża zbożowego (Elaphe guttata, połozowate), które jest kontrolowane przez dwa geny. Gen Oo kontroluje pomarańczowy kolor plam, a gen Bb - czarną barwę obwódek plam. Homozygoty OOBB oraz heterozygoty OoBB, OOBb i OoBb mają ubarwienie typu dzikiego: liczne pomarańczowe plamy z czarnymi obwódkami; węże o genotypach Oobb i Oobb mają pomarańczowe plamy, ale bez czarnych obwódek; węże o genotypach ooBb i ooBB mają jedynie czarne obwódki plam, ale bez ich pomarańczowego wypełnienia; natomiast podwójne homozygoty recesywne o genotypie oobb są formami albinotycznymi. Kolejnym przykładem komplementacji jest dziedziczenie kształtu grzebienia u samców kury domowej Gallus gallus domesticus: typ grzebienia (pojedynczy u genotypu pprr, groszkowy u genotypów PPrr i Pprr, orzeszkowy u genotypów PPRR, PPRr, PpRr i PpRR, oraz różyczkowy u genotypów ppRR i ppRr) zależy od współdziałania dwóch genów.

ORGANIZCJA GENOMÓW wykład 2

Genom to całość informacji genetycznej (materiału genetycznego) danego organizmu lub komórki: to zbiór (suma) wszystkich genów oraz wszystkich sekwencji niekodujących DNA. Termin ten wprowadził w 1920 r. niemiecki botanik Hans Winkler. Genom to kompletny zapis wszystkich informacji zawartych w DNA, specyficzny dla każdego organizmu: to biologiczna instrukcja organizmu (ściślej informacje o danym organizmie zapisane w DNA każdej komórki tego organizmu). Genom to genetyczna struktura określonego organizmu lub komórki. Badaniem genomów zajmuje się genomika, która analizuje ich strukturę oraz funkcję.

I. Rodzaje genomów

U Prokaryota występuje brak jądra komórkowego, a genom stanowi pojedyncza kolista cząsteczka DNA tworząca pierścieniowy chromosom bakteryjny. Genomy Prokaryota zawierają od kilkuset do kilku tysięcy genów: ich wielkość najczęściej nie przekracza 5 milionów par zasad (Mz). Genom Eukaryota tworzą genom jądrowy zawierający większość informacji genetycznej oraz genomy organellowe, w których znajduje się niewielka część całkowitego DNA komórki: dlatego też często używa się pojęcia „genom” tylko w odniesieniu do genomu jądrowego. Genomy organellowe (mitochondrialne i chloroplastowe) mają formę kolistych cząsteczek DNA i swoją budową przypominają genomy organizmów prokariotycznych: jednak mitochondria i chloroplasty, w odróżnieniu od bakterii, mają po kilka cząsteczek DNA. Organellowy DNA ma zdolność samodzielnej replikacji, niezależnej od replikacji DNA chromosomalnego.

W mitochondrialnym DNA występują geny kodujące mt tRNA, mt rRNA oraz niektóre podjednostki białek łańcucha oddechowego. Mitochondrialny DNA wykazuje wyższą częstotliwość mutacji (nawet 10-krotnie) niż DNA jądrowy, bo nie jest połączony z histonami i w mitochondriach brak enzymów systemów naprawczych DNA. To zjawisko jest przydatne w badaniach ewolucyjnych różnicujących populacje.

Charakterystyka mt DNA człowieka: jest dziedziczony w linii matczynej (żeńskiej); składa się z 2 do 10 kolistych cząsteczek DNA; zawiera około 17 kpz oraz około 40 genów; geny są ułożone w sposób ciągły (brak intronów); jest transkrybowany i wykorzystywany przez mitochondrium w całości; jego kod genetyczny wykazuje pewne odstępstwa od kodu standardowego; nie jest połączony z histonami, w wyniku czego jest bardziej narażony na działanie mutagenów; jest także narażony na powstające in situ wolne rodniki pochodzenia tlenowego.

Genomy chloroplastowe u roślin zawierają więcej genów niż genomy mitochondrialne. Chloroplastowy DNA zawiera geny kodujące ct tRNA, ct rRNA oraz geny około 50 białek.

Nie wszystkie białka obecne w mitochondriach i chloroplastach są kodowane przez organellowy DNA: znaczna część tych białek jest bowiem syntetyzowana w cytoplazmie i jest kodowana przez jądrowy DNA.

II. Wielkość genomów

Wielkość genomu zależy od gatunku i wyraża się liczbą zasad, które wchodzą w jego skład.

GATUNEK

WIELKOŚĆ GENOMU

[Mz = mln par zasad]

Escherichia coli

drożdże

traszka

Caenorhabditis elegans

muszka owocowa

pies

człowiek

mysz

groch

kukurydza

pszenica

szachownica

około 5

12

84

90

140

2 400

3 000

3 300

4 800

5 000

17 000

120 000

Wielkość genomów eukariotycznych jest zróżnicowana i jest cechą gatunkową. Często jest zupełnie nie skorelowana z poziomem rozwoju ewolucyjnego danego gatunku - jest to tzw. paradoks zawartości DNA. Nie można więc oceniać stopnia skomplikowania organizmu tylko na podstawie wielkości jego genomu.

III. Genom jądrowy - chromosomy

Genom jądrowy składa się z wielu liniowych cząsteczek DNA, które w połączeniu z białkami tworzą odrębne chromosomy. Są to stałe i samoodtwarzające się składniki jądra komórkowego, złożone z DNA ściśle połączonego z dużą ilością białek. Termin „chromosom” wprowadził w 1884 roku niemiecki anatom H. W. Waldeyer. Liczba chromosomów w komórce, ich kształt i wielkość są stałe i charakterystyczne dla danego gatunku. Chromosom eukariotyczny ma postać liniową. W każdym chromosomie eukariotycznym znajdują się trzy wyspecjalizowane sekwencje DNA: miejsca inicjacji replikacji; centromer - przewężony obszar chromosomu mitotycznego będący miejscem połączenia dwóch siostrzanych chromatyd oraz tworzenia kinetochorów oraz telomery, które występują na obu końcach chromosomu wyznaczając regiony końcowe każdej chromatydy. Telomery zabezpieczają chromosomy przed skracaniem podczas kolejnych cykli podziałowych, a replikują się z udziałem telomerazy (odwrotnej transkryptazy). Położenie centromeru jest stałe dla danego chromosomu i stanowi podstawę podziału chromosomów na 4 typy morfologiczne: chromosomy metacentryczne, submetacentryczne, akrocentryczne (z redukcją krótkiego ramienia) i telocentryczne (pozbawione krótkiego ramienia). Prawidłowy kariotyp człowieka nie zawiera chromosomów telocentrycznych. Liczba chromosomów jest cechą charakterystyczną danego gatunku.

GATUNEK LICZBA CHROMOSOMÓW

muszka owocowa 2 x 4

Caenorhabditis elegant 2 x 6

Żaba 2 x 13

Drożdże 2 x 16

Mysz 2 x 20

Człowiek 2 x 23

Szympans 2 x 24

Pies 2 x 39

Kura 2 x 39

Langusta 2 x 50

skrzyp polny 2 x 54

Morfologię chromosomów (ich liczbę i kształt) opisuje kariotyp. Jest to kompletny zestaw ułożonych w pary chromosomów homologicznych, charakterystyczny dla danej komórki, organizmu lub gatunku. Kariotyp jest cechą gatunkową, ale także osobniczą. Podstawę uporządkowania chromosomów w kariotypie stanowią: ich wielkość, położenie centromerów oraz specyficzny wzór prążkowy. Graficzną formą kariotypu jest kariogram.

Liczba chromosomów w komórkach danego organizmu nie jest skorelowana ani ze stopniem skomplikowania, ani z wielkością genomu tego organizmu: o cechach gatunku i jego zawansowaniu ewolucyjnym nie świadczy liczba chromosomów, ale zawarta w nich informacja.

IV. Genom jądrowy - stopnie upakowania chromatyny

Chromatyna to interfazowa (międzypodziałowa) postać chromosomów. Stanowi wysoko zorganizowany kompleks DNA i białek (głównie histonów) oraz niewielkich ilości RNA: ma postać sieci włókien nukleoproteidowych. Struktura i skład białkowy chromatyny ulegają znacznym zmianom w czasie cyklu komórkowego. Euchromatyna to tzw. chromatyna funkcjonalna, czyli aktywna transkrypcyjnie część chromatyny ulegająca despiralizacji (dekondensacji). Genom komórki eukariotycznej, ze względu na swoją wielkość, musi być ściśle upakowany w jądrze komórkowym. Ścisłe upakowanie DNA w chromosomach umożliwiają histony, które wraz z owiniętą wokół nich nicią DNA (o długości około 150 pz) tworzą nukleosomy. Histony są białkami jądrowymi (stanowiącymi 40-50 % składu chromatyny) o charakterze silnie zasadowym (lizyna i arginina stanowią do 30% wszystkich aminokwasów), które działają jako polikationy. Histony są białkami tkankowo i gatunkowo niespecyficznymi: cechuje je ogromna zachowawczość struktury - są to najbardziej konserwatywne białka u Eukaryota. Histony tworzą pięć klas: H1 (łącznik nukleosomowy), H2a i H2b (histony brzegowe), H3 i H4 (histony dzeniowe). Dwa tetramery histonów brzegowych i rdzeniowych tworzą globularny rdzeń każdego nukleosomu. Owinięcie DNA wokół rdzenia nukleosomów stanowi pierwszy stopień upakowania chromatyny. Struktura nukleosomów jest najprostszym i najlepiej poznanym poziomem upakowania DNA.

V. Liczba genów w genomie

Liczba genów w genomie danego organizmu nie decyduje o jego złożoności. Istota „złożoności” organizmu tkwi nie tylko w liczbie posiadanych genów, lecz przede wszystkim w precyzyjnej regulacji działania genów.

GATUNEK LICZBA GENÓW

Escherichia coli 4 300

Drożdże 6 500

muszka owocowa 14 000

Caenorhabditis elegant 19 000

pies i kot 19 000

rzodkiewnik 25 000

mysz 30 000

człowiek „tylko” 25 000 - 30 000

ryż 40 000

U kręgowców nowe możliwości rozwoju organizmy zdobywają zazwyczaj poprzez doskonalenie mechanizmów regulacyjnych. Jeśli nawet pojawiają się nowe geny, są one jedynie wariantami już istniejących. Kluczowe znaczenie dla konstrukcji złożonych organizmów ma hierarchiczne (kaskadowe) włączanie poszczególnych genów, czyli złożoność i zawiłość koordynacji ekspresji genów. Złożoność naszego gatunku wynika nie tyle z liczby genów, co z bardzo skomplikowanej regulacji ich działania.

VI. Struktura genów organizmów eukariotycznych

Geny organizmów eukariotycznych są genami nieciągłymi: informacja o sekwencji aminokwasów nie jest ciągła, lecz jest poprzerywana odcinkami niekodującymi. Nieciągłą strukturę genów i ich mozaikową budowę odkryli w 1977 roku R. Roberts i P. Sharp, którzy za to odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla w 1993 roku. Sekwencje kodujące w naszych genach to eksony, sekwencje niekodujące w obrębie genu to introny. Geny mają różną długość i różnią się liczbą oraz wielkością intronów. W naszych genach względnie krótkie eksony występują naprzemiennie z długimi intronami: eksony są oddzielone od siebie intronami. Tylko niewielką część jądrowego DNA stanowią geny. W genomie człowieka tylko 3-5 % DNA (około 90 Mz) stanowią sekwencje kodujące (eksony), czyli geny. Większość DNA jądrowego stanowią sekwencje niekodujące: wyjaśnienie ich dokładnej roli wciąż jest przedmiotem badań. Geny w genomie są rozproszone i nie są rozłożone równomiernie w poszczególnych chromosomach. W niektórych regionach genomu geny występują częściej, a w innych znacznie rzadziej: pewne fragmenty genomu wcale nie zawierają genów - np. sekwencje DNA w centromerach i telomerach.

VII. Podział DNA jądrowego człowieka

Szacuje się, że w genomie człowieka geny i sekwencje związane z genami stanowią około 30% jądrowego DNA. Do sekwencji niekodujących związanych z genami należą: introny, sekwencje początkowe (liderowe) i sekwencje końcowe (ogonowe) genów; pseudogeny i fragmenty genów. Pseudogeny to niefunkcjonalne (nie kodujące białka) kopie genów funkcjonalnych, które wykazują znaczną homologię z genami, lecz są nieaktywne (najczęściej z powodu mutacji). Pseudogeny nie podlegają transkrypcji i dalszej translacji.

W genomie człowieka DNA intergenowy (międzygenowy, pozagenowy) stanowi aż 70% jądrowego DNA. DNA intergenowy dzieli się na sekwencje unikatowe i o małej liczbie kopii (DNA unikalny i niskokopiowy) oraz na sekwencje powtórzone (repetetywne), które występują w genomie w wielu kopiach.

Typy DNA repetetywnego w genomie człowieka:

• powtórzenia tandemowe (zespolone): zblokowane, seryjne powtórzenia (kopie) krótkich sekwencji, położonych bezpośrednio jedna za drugą; większość tych powtórzeń znajduje się w centromerach i telomerach

Typy DNA powtórzonego tandemowo w genomie człowieka:

> DNA satelitarny: motywy zawierające od 100 do 6500 nukleotydów

> DNA minisatelitarny: motywy zawierające 10-100 nukleotydów; VNTR (variable number of tandem repeats - zmienna liczba tandemowych powtórzeń) to polimorfizm sekwencji minisatelitarnych

> DNA mikrosatelitarny: proste powtórzenia tandemowe wielkości 2-10 nukleotydów; STR (short tandem repeats - krótkie powtórzenia tandemowe) to polimorfizm sekwencji mikrosatelitarnych.

Długości i liczba różnych sekwencji mini- i mikrosatelitarnych w genomie człowieka stanowią charakterystyczną cechę osobniczą: wykazują one bowiem u ludzi niezwykle dużą zmienność i dlatego różnią się znacznie między poszczególnymi osobnikami. Porównywanie sekwencji mini- i mikrosatelitarnych u różnych osób pozwala np. na ustalenie ojcostwa lub na identyfikację zwłok. U osób nie spokrewnionych te sekwencje występują w różnych loci i w różnej liczbie powtórzeń. Dlatego też minisatelity i mikrosatelity stanowią doskonałe markery genetyczne i są używane jako unikatowe sondy w technice genetycznego odcisku palca (genetic fingerprinting), zastosowanej po raz pierwszy w 1985 roku w Anglii przez Aleca Jeffreysa. Sekwencje mini- i mikrosatelitarne są sekwencjami o bardzo wysokim stopniu zmienności, które - podobnie jak odciski palców (linie papilarne) w tradycyjnej daktyloskopii - są w stanie niezawodnie rozróżnić wszystkich osobników w populacji ludzkiej, dając możliwości identyfikacji ludzi. Duża zmienność sekwencji (różnice w liczbie tandemowych powtórzeń) mini- i mikrosatelitarnych w genomie poszczególnych osób to przykład genetycznego polimorfizmu populacji ludzkiej. Analiza sekwencji mini- i mikrosatelitarnych stała się powszechnie stosowanym narzędziem w medycynie sądowej i w genetyce populacyjnej, a DNA wydaje się najlepszym z dostępnych nam narzędzi identyfikacji ludzi.

• powtórzenia rozproszone rozmieszczone nie równomiernie w całym genomie.

Typy powtórzeń rozproszonych w genomie człowieka:

> elementy LTR (long terminal repeats): to długie, końcowe powtórzenia

> sekwencje SINE (short interspersed nuclear elements): to krótkie rozproszone elementy jądrowe o wielkości 100-500 nukleotydów, m.in. sekwencje Alu

> sekwencje LINE (long interspersed nuclear elements): to długie rozproszone elementy jądrowe o wielkości rzędu tysięcy nukleotydów

• transpozony: to krótkie fragmenty DNA wykazujące zdolność przemieszczania się (transpozycji) w obrębie całego genomu danej komórki; ruchome elementy genomu (mobile genetic elements); ważne źródło zmienności genetycznej; odkryte w latach 40. XX w. przez amerykańską genetyczkę Barbarę McClintock, która prowadziła badania nad dziedziczeniem barwy nasion kukurydzy.

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW 3 wykład

Złożoność naszego gatunku wynika nie tylko z liczby posiadanych genów (około 25 000), lecz z bardzo skomplikowanej i precyzyjnej regulacji ich działania. Nadal pozostaje tajemnicą to, według jakiego programu działają nasze geny, jaki jest szczegółowy schemat ich ekspresji i jakie uruchamiają je sygnały. W 1961 roku francuscy biolodzy Francois Jacobs i Jacques Monod odkryli istnienie mRNA i przedstawili model regulacji działania genów, w którym RNA wiąże świat DNA ze światem białek, przekładając alfabet DNA na alfabet białek.

I. Pojęcie ekspresji genów

Ekspresja genu to sposób realizacji informacji genetycznej: to sposób ujawniania się genu w postaci fenotypu. Ekspresja genu to wytwarzanie produktu genu (białka - polipeptydu lub funkcjonalnego RNA) zakodowanego w określonej sekwencji nukleotydów, czyli ekspresja genu to biosynteza białka kodowanego przez ten gen. Ekspresja genu to proces odczytywania tego genu, wyrażony stopniem jego aktywności, dlatego ekspresję genu określa się na poziomie mRNA lub białka. Geny są przepisami na określone białka: ich ekspresja prowadzi do powstania odpowiednich cech komórek i organizmu jako całości. Biosynteza białka odbywa się wewnątrz komórek w sposób nieciągły i z niejednakową intensywnością, bowiem białka są syntetyzowane w komórkach w miarę potrzeb. W każdej komórce ujawnia się tylko nieznaczna część wszystkich genów - różna w poszczególnych typach komórek dlatego, że żadna komórka nigdy nie potrzebuje całej informacji genetycznej naraz. W różnych typach komórek danego organizmu są aktywowane różne geny: geny aktywne w określonym typie komórek mogą być nieaktywne w komórkach innego typu. Jednak istnieją geny konstytutywne (geny metabolizmu podstawowego, housekeeping genes) o nieregulowanej ekspresji, które są czynne - przynajmniej okresowo - we wszystkich lub w większości komórkach, bo są niezbędne w każdej typowej komórce. Geny konstytutywne warunkują podstawowe funkcje komórki: kodują enzymy metabolizmu podstawowego, polimerazy RNA, enzymy naprawiające DNA, histony, rRNA, tRNA oraz elementy cytoszkieletu (mikrotubule i mikrofilamenty).

II. Ogólny schemat procesu biosyntezy białka

Biosynteza białka jest podstawowym procesem warunkującym istnienie wszystkich żywych organizmów. Ogólny schemat tego procesu jest taki sam dla każdej formy żywej i składa się z dwóch głównych etapów: transkrypcji i translacji.

Transkrypcja to proces przepisania (skopiowania na zasadzie komplementarności) informacji zawartej w sekwencji zasad w DNA na sekwencję zasad mRNA. W komórkach eukariotycznych transkrypcję przeprowadzają trzy polimerazy RNA: polimeraza I, która przepisuje w jąderku geny większości rRNA; polimeraza II, która przepisuje w nukleoplazmie geny białek oraz geny niektórych snRNA i jest bardzo wrażliwa na α-amanitynę (toksynę występującą w muchomorze sromotnikowym) oraz polimeraza III, która przepisuje w nukleoplazmie geny tRNA, geny 5S rRNA i geny snRNA.

Translacja to proces przełożenia (przetworzenia, przetłumaczenia) informacji zawartej w sekwencji zasad mRNA na uszeregowanie aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym: to proces syntezy polipeptydu. Translacja przekłada informację genetyczną z języka kwasów nukleinowych na język białek (łańcuchów polipeptydowych zbudowanych z aminokwasów).

W komórkach eukariotycznych występuje przestrzenny i czasowy rozdział transkrypcji od translacji.

Przełożenie informacji genetycznej z języka kwasów nukleinowych na język białek jest możliwe dzięki kodowi genetycznemu. Za rozszyfrowanie („złamanie”) kodu genetycznego amerykańscy biolodzy Har Gobind Khorana, Marshall Nirenberg i Robert Holley otrzymali w 1968 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Kod genetyczny to zestaw reguł określających współzależność kodonów (tripletów nukleotydów w DNA lub RNA) z sekwencją aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym: kod genetyczny dyktuje relacje między kodonami a aminokwasami. Kod genetyczny jest: trójkowy (trójka jest najmniejszą liczbą nukleotydów, których kombinacje umożliwiają kodowanie wszystkich aminokwasów występujących w białkach: 4³ daje 64 kombinacji); uniwersalny (prawie, bo występują pewne odstępstwa np. w mitochondrialnym DNA); zdegenerowany (występuje redundacja - nadmiar informacji: większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon); bezprzecinkowy; niezachodzący (nienakładający się) i kolinearny (kolejność kodonów w mRNA odpowiada dokładnie kolejności AA w polipeptydzie). W komórkach eukariotycznych kodon START (AUG) koduje metioninę, od której zawsze rozpoczyna się synteza polipeptydu. Trzy specjalne kodony STOP przerywają proces translacji: UAA, UAG i UGA. Są to kodony „nonsensowne”, bo nie kodują żadnego aminokwasu.

III. Proces dojrzewania pre-mRNA

Dojrzewanie pierwotnych transkryptów (pre-mRNA) - RNA processing obejmuje następujące procesy:

• Capping: to modyfikacja końca 5' - proces przyłączenia do końca 5' transkryptu tzw. „czapeczki” (7-metyl-guanozyny). Proces ten, odkryty w 1974 roku, chroni transkrypt przed degradacją i jest niezbędny dla związania mRNA z rybosomem. „Czapeczka” nie jest kodowana przez gen, ale jest dołączana po transkrypcji.

• Poliadenylacja: to modyfikacja końca 3' - proces dołączenia do końca 3' transkryptu od 150 do 200 nukleotydów adeninowych (ogona poliA). Oznacza wybór miejsca terminacji transkrypcji.

Modyfikacje obu końców transkryptu służą ich stabilizacji i umożliwiają ich transport z jądra do cytoplazmy.

• Składanie pre-mRNA (splicing RNA): to modyfikacja struktury pierwszorzędowej pierwotnego transkryptu obejmująca proces precyzyjnego usuwania (wycinania) sekwencji niekodujących (intronów) oraz równoczesnego łączenia fragmentów kodujących (eksonów). Zachodzi w spliceosomach (kompleksach rybonukleoproteinowych) przy udziale snRNA (małych jądrowych RNA bogatych w urydyny). Proces odkryty w 1977 roku. Długość dojrzałych cząsteczek mRNA stanowi często tylko jedną dziesiątą długości ich prekursorów (pre-mRNA). Prekursorowy mRNA, powstały w wyniku transkrypcji genu nieciągłego, nie może służyć od razu jako matryca do syntezy polipeptydu: musi ulec procesowi składania, by powstał dojrzały, gotowy do translacji mRNA.

• Redagowanie RNA (RNA editing).

IV. Poziomy regulacji ekspresji genów u Eukaryota

Biosynteza białka w komórkach eukariotycznych jest procesem wieloetapowym. Kontrola ekspresji genów może odbywać się na wszystkich etapach biosyntezy białka: działający w komórce system kontroli obejmuje wszystkie etapy ekspresji genów. Jednak najważniejszym i najskuteczniej (najwnikliwiej) kontrolowanym poziomem regulacji ekspresji naszych genów jest inicjacja transkrypcji, bowiem regulacja inicjacji transkrypcji jest najefektywniejsza dla komórki - zapobiega syntezie zbytecznych produktów pośrednich.

V. Regulacja funkcji genów na poziomie struktury chromatyny

Geny, które potencjalnie mogą ulec ekspresji, muszą być do niej pobudzone przez sygnał lub całą grupę sygnałów. Wstępnym procesem umożliwiającym ekspresję genu jest lokalna zmiana stopnia kondensacji chromatyny, która musi ulec dekondensacji (lokalnemu rozluźnieniu). Dobrym przykładem wpływu struktury chromatyny na funkcję genów jest lionizacja, czyli inaktywacja jednego z chromosomów X u samic ssaków. W ich wszystkich komórkach somatycznych jeden z chromosomów X ulega silnej kondensacji w tzw. ciałko Barra i dochodzi do wyciszenia ekspresji genów znajdujących się na tym chromosomie.

VI. Regulacja transkrypcji u Eukaryota

U Eukaryota dominuje pozytywna regulacja transkrypcji, polegająca na aktywacji tego procesu. Kluczową rolę w tym procesie odgrywają białka pełniące funkcje aktywatorów. Regulacja inicjacji transkrypcji polega na interakcji swoistych białek z określonymi regionami DNA. Do regionów regulatorowych genu przyłączają się odpowiednie białkowe czynniki transkrypcyjne, czyli „włączniki genów” („genowe włączniki”). Regulacja transkrypcji wymaga zatem obecności regionów regulatorowych w DNA oraz białkowych czynników transkrypcyjnych, które rozpoznają sekwencje regulatorowe DNA i wiążą się z nimi, kontrolując gdzie, kiedy i jakie geny ulegną ekspresji.

Regiony regulatorowe genów u Eukaryota to:

● promotory: wyznaczają początek transkrypcji. Są to regiony regulatorowe genów przylegające bezpośrednio do miejsca startu transkrypcji (końca 5' genu). Po związaniu z podstawowymi czynnikami transkrypcyjnymi promotor specyficznie wiąże polimerazę RNA, określając miejsce startu transkrypcji. Każdy nasz gen jest pod kontrolą swojego własnego promotora (geny eukariotyczne podlegają niezależnej kontroli tworząc własne jednostki transkrypcyjne - geny u Eukaryota są regulowane w sposób indywidualny). Promotory naszych genów mają wiele miejsc wiążących czynniki transkrypcyjne, z których każdy może wpłynąć na wydajność transkrypcji. To właśnie czynniki transkrypcyjne pomagają polimerazie RNA rozpoznać początek genu.

● sekwencje wzmacniające transkrypcję - wzmacniacze (enhancers): regulują wydajność transkrypcji, modulując jej tempo, niezależnie od swojego położenia i orientacji względem danego genu. Kontrolują ekspresję oddalonych genów: są to sekwencje „dalekiego zasięgu”.

● sekwencje wyciszające transkrypcję (silencers): ograniczają transkrypcję w określonych typach komórek.

Klasy czynników transkrypcyjnych (czyli „genowych włączników”):

● Czynniki podstawowe: wiążą się z promotorami, są niezbędne do inicjacji transkrypcji wszystkich naszych genów.

● Aktywatory: wiążą się z sekwencjami wzmacniającymi transkrypcję, modulują tempo transkrypcji stymulując ten proces. Ten mechanizm wmacniania tempa transkrypcji występuje w naszych komórkach znacznie częściej niż spowalnianie tempa transkrypcji.

● Represory: wiążą się z sekwencjami wyciszającymi transkrypcję, spowalniając (hamując) tempo transkrypcji.

Czynniki transkrypcyjne mają budowę modułową i składają się z trzech typów domen białkowych pełniących określone funkcje:

- domen wiążących DNA posiadających charakterystyczne motywy strukturalne typu palców cynkowych (zinc fingers) lub typu helisa-zwrot-helisa (helix-turn-helix),

- domen odpowiedzialnych za dimeryzację posiadająch charakterystyczne motywy strukturalne typu suwaka leucytowego (leucine zipper) lub typu helisa-pętla-helisa (helix-loop-helix),

- domen trans-aktywujących wchodzących w interakcje z innymi czynnikami transkrypcyjnymi.

Oddziaływania DNA-białko należą do najsilniejszych i najbardziej swoistych interakcji cząsteczkowych poznanych w biologii.

Funkcję regulatorów transkrypcji u Eukaryota pełnią także hormony steroidowe, które odgrywają znaczącą rolę w regulacji ekspresji specyficznej grupy genów. Steroidy działają swoiście na dany narząd lub tkankę, których komórki wytwarzają określone receptory. Steroidy działają jako aktywatory transkrypcji określonych genów w pewnych typach komórek. Nie wszystkie komórki mają w cytoplazmie cały komplet receptorów hormonów steroidowych: na pojawienie się we krwi określonego hormonu odpowiedzą tylko te komórki, które mają odpowiedni receptor zdolny do wiązania danego hormonu.

VII. Regulacja potranslacyjna u Eukaryota

Ustalenie ostatecznej struktury i funkcji białka nie kończy się w procesie translacji, bowiem większość produktów translacji (łańcuchów polipeptydowych) nie jest gotowa do podjęcia swojej biologicznej funkcji. Regulacja potranslacyjna polega przede wszystkim na wytworzeniu odpowiedniej struktury przestrzennej białka (III lub IV-rzędowej), czyli jego trójwymiarowego stanu konformacyjnego.

Główną modyfikacją potranslacyjną jest skracanie białek, polegające na specyficznej proteolizie: np. preinsulina (złożona z 104 aminokwasów) ulega skróceniu do proinsuliny (zbudowanej z 81 aminokwasów), a następnie do insuliny (składającej się z 51 aminokwasów). Innym przykładem skracania białek jest synteza różnych hormonów oligopeptydowych (w tym endorfin i ACTH) z jednego prekursorowego polipeptydu złożonego z 91 aminokwasów.

Regulacja potranslacyjna polega także na chemicznych modyfikacjach białka wpływających na jego stabilność. Najważniejsze modyfikacje potranslacyjne to: N-glikozylacja, czyli przyłączanie łańcuchów węglowodanowych (np. do antygenów powierzchniowych HLA); fosforylacja, czyli przyłączanie grupy fosforanowej (np. do histonów, czynników transkrypcyjnych, polimerazy RNA II) oraz hydroksylacja, metylacja, S-nitrozylacja, kompleksowanie z atomami metali (np. hemoglobiny z żelazem) i dołączanie lipidów.

Do ważnych modyfikacji potranslacyjnych należy także ubikwitynyzacja polegająca na przyłączeniu kompleksu ubikwityn (małych, konserwatywnych białek zbudowanych z 76 aminkwasów), umożliwiających degradację uszkodzonych białek, czyli białek o nieprawidłowej budowie. Ubikwitynyzacja naznacza białka (uszkodzone lub niepotrzebne) przeznaczone do zniszczenia: rozłożenia przez proteasomy. Niepotrzebne białka w komórce są degradowane i jest to ostatni możliwy poziom regulacji ekspresji naszych genów.

GENETYKA ROZWOJU - 4 wykład

Jednym z podstawowych problemów biologii jest wyjaśnienie mechanizmów, które powodują, że z pojedynczej zapłodnionej komórki jajowej powstaje skomplikowany organizm, złożony z wyspecjalizowanych narządów i tkanek, uporządkowanych i funkcjonujących według odziedziczonego planu. Mechanizmy sterujące rozwojem są pod kontrolą genetyczną, a rozwój jest wynikiem określonego ciągu ekspresji genomu. To DNA nadzoruje proces, w wyniku którego z zygoty powstaje kompletny, dorosły organizm określonego gatunku. Wszystkie procesy istotne dla rozwoju zależą bezpośrednio lub pośrednio od funkcji białek. A więc to geny regulują rozwój, określając gdzie i kiedy są syntetyzowane określone białka w zarodku i tym samym kontrolując właściwości każdej komórki w organizmie. To w genach jest zakodowana informacja o kształcie, funkcjach i zachowaniu każdej komórki w organizmie. Rozwój organizmu można rozpatrywać jako niezwykle złożony proces włączania i wyłączania we właściwym czasie odpowiednich genów. W miarę powstawania poszczególnych tkanek, wszystkie potrzebne geny w każdej z komórek rozwijającego się organizmu muszą zostać bądź aktywowane, bądź unieczynnione. Stabilne wzorce ekspresji genów mogą być przekazywane do komórek potomnych, ale niektóre wysoce wyspecjalizowane komórki (np. neurony, komórki mięśni szkieletowych, komórki soczewki oka) po zróżnicowaniu już nigdy nie ulegają podziałom. W organizmach wielokomórkowych odmienne typy komórek powstają w wyniku uruchamiania różnych grup genów w trakcie różnicowania.

I. Rozwój zarodkowy (embrionalny)

Rozwój zarodka jest rozwojem regulacyjnym kontrolowanym przez genom: jest ciągiem złożonych procesów regulacyjnych dokonujących się w różnorodnych komórkach tworzącego się organizmu. Rozwój zarodkowy (embrionalny) jest okresem rozwoju osobniczego (ontogenezy) od zapłodnienia do wyklucia się z jaja lub opuszczenia organizmu matki. Embriogeneza przebiega w określonych etapach: zapłodnienie, bruzdkowanie, gastrulacja i organogeneza. Obejmuje następujące stadia: zygotę, morulę, blastulę (u ssaków blastocystę) i gastrulę.

II. Różnicowanie komórkowe

Zapłodniona komórka jajowa (zygota) jest totipotencjalna, tzn. ma nieograniczone (w ramach właściwych dla danego gatunku) możliwości rozwojowe. Zygota daje początek wszystkim komórkom organizmu (w organizmie człowieka powstaje ponad 200 typów komórek) i zawiera wszystkie informacje niezbędne do powstania organizmu.. Jak wiadomo, podstawową jednostką rozwoju organizmu jest komórka. W trakcie kolejnych podziałów zygoty wyodrębniają się grupy komórek, z których powstają tkanki o różnych właściwościach. Zjawisko to nosi nazwę różnicowania komórkowego. Różnicowanie komórkowe to proces morfologicznej i fizjologicznej specjalizacji komórek prowadzący do ustalenia ich ostatecznej budowy i funkcji. Różnicowanie komórkowe zabezpiecza podział funkcji komórek w obrębie danego organizmu i gwarantuje powstanie specjalizacji pomiędzy poszczególnymi zespołami komórek w organizmie. Zjawisku różnicowania się komórek towarzyszy stopniowe zmniejszanie się ich dalszych możliwości rozwojowych. Podstawowe procesy różnicowania komórkowego zachodzą w rozwoju zarodkowym podczas tworzenia tkanek i ich przebudowy: jest to różnicowanie pierwotne. Różnicowanie wtórne występuje w okresie pozazarodkowym i jest ograniczone do totipotencjalnych komórek macierzystych oraz do procesów regeneracyjnych. Zróżnicowanie komórek zwierzęcych, w odróżnieniu od komórek roślinnych, jest zazwyczaj nieodwracalne: komórki potomne albo zachowują ten sam poziom zróżnicowania, co komórki wyjściowe, albo ulegają jeszcze dalej posuniętej specjalizacji. Tylko w wyjątkowych warunkach (np. w wyniku uszkodzeń tkanki lub w hodowli in vitro) może dojść do częściowego odróżnicowania komórek zwierzęcych.

III. Zmiany ekspresji genów w rozwoju zarodkowym

Zróżnicowane komórki mają charakterystyczną strukturę, kształt i sposób funkcjonowania. Zróżnicowane komórki syntetyzują specyficzne dla siebie białka strukturalne, a także białka enzymatyczne, warunkujące określony dla danego typu różnicowania ciąg przemian metabolicznych. Wszystkie zróżnicowane komórki danego organizmu są genetycznie identyczne, ale różnią się niezmiernie ekspresją genów - różnicowanie obejmuje zatem kontrolę i utrzymywanie zróżnicowanej ekspresji genów. To właśnie różnice w ekspresji genów powodują tak wielką zmienność wśród komórek. U podstaw procesów różnicowania leżą więc zmiany w stanie aktywności odpowiednich genów: zmiany te decydują o skierowaniu komórek na określoną drogę rozwojową, a więc decydują o determinacji rozwojowej danej linii komórkowej. To zestaw genów ulegających ekspresji w komórce określa cechy tej komórki oraz jej rolę w organizmie, bo aktywność określonych genów w komórce decyduje o składzie białek obecnych w tej komórce. A więc w różnych komórkach powstają zupełnie odmienne zestawy białek. Białka wykazują wszechstronność funkcji i odgrywają decydującą rolę prawie we wszystkich procesach biologicznych (ang. protein pochodzi z grec. „proteios” i znaczy „pierwszy, najważniejszy”). To właśnie białka jako produkty genów odpowiadają za strukturę i funkcję danej komórki, decydują o jej charakterystycznych cechach i roli pełnionej w organizmie. Białka stanowią dla komórki budulec, jednocześnie są jej narzędziami umożliwiającymi funkcjonowanie.

Przykłady różnorodności funkcji białek: białka strukturalne (np. kolagen, elastyna, tubulina, aktyna, keratyna) - stanowią mechaniczną podporę komórek i tkanek; enzymy - katalizują określone reakcje metaboliczne; białka transportujące (np. hemoglobina, albumina, transferyna) - przenoszą małe cząsteczki lub jony; białka sygnałowe (np. hormony, czynniki wzrostu) - przenoszą sygnały z komórki do komórki; białka receptorowe (np. rodopsyna, receptory) - wykrywają sygnały; białka motoryczne (np. miozyna, kinezyna, dyneina) - generują ruch w komórkach i tkankach; białka zapasowe (np. ferrytyna, owoalbumina, kazeina) - magazynują małe cząsteczki lub jony; białka regulujące geny (np. czynniki transkrypcyjne, homeodomeny); przeciwciała (immunoglobuliny) - biorą udział w reakcjach odpornościowych, czyli w odpowiedzi immunologicznej.

Zróżnicowana komórka zachowuje pełną informację genetyczną - nie traci zestawu genów potrzebnych do wytworzenia różnych tkanek, mimo że w normalnych warunkach geny te nie ulegną nigdy ekspresji w tej komórce. Na podstawie tej samej informacji genetycznej komórka potrafi wyprodukować różne białka w zależności od jej potrzeb. Zróżnicowanie komórek nie wynika ze zmian zawartości materiału genetycznego, lecz jest konsekwencją selektywnej ekspresji genów. Komórki danego organizmu różnią się radykalnie między sobą pod względem fenotypu - wykazują odmienną strukturę i funkcję, mimo że mają takie same genotypy (np. różnice między neuronem a limfocytem ssaka są tak wielkie, że trudno sobie wyobrazić, że te dwie komórki zawierają ten sam DNA). Różnicowanie komórkowe polega więc na wytwarzaniu różnych fenotypów komórkowych w obrębie tego samego genotypu. Różnice między np. erytrocytem, komórką trzustki i limfocytem zależą zatem od precyzyjnej kontroli ekspresji genów. W każdym z tych przypadków komórka używa jedynie niektórych genów spośród całego ich zestawu. W danej komórce ujawnia się tylko nieznaczna część wszystkich genów - różna w poszczególnych typach komórek, bowiem żadna komórka nigdy nie potrzebuje całej informacji genetycznej naraz. Komórki nie produkują więc wszystkich, a tylko niektóre białka, specyficzne dla danego typu komórek i potrzebne im w odpowiednim momencie (w szczególnych okresach ich cyklu życiowego). W różnych typach komórek danego organizmu są aktywowane różne geny: geny aktywne w określonym typie komórek mogą być nieaktywne w komórkach innego typu. Jednak geny konstytutywne (housekeeping genes) o nieregulowanej ekspresji są czynne (przynajmniej okresowo) we wszystkich lub w większości komórkach, bo są niezbędne w każdej typowej komórce. Geny konstytutywne (geny metabolizmu podstawowego) warunkują podstawowe funkcje komórki:

kodują enzymy metabolizmu podstawowego, polimerazy RNA, enzymy naprawiające DNA, histony, rRNA, tRNA oraz elementy cytoszkieletu (mikrotubule i mikrofilamenty).

Czynniki wpływające na regulację funkcji genów są równocześnie odpowiedzialne za różnicowanie komórek i zmiany morfologiczne zachodzące w trakcie rozwoju embrionalnego, a więc za odrębności morfologiczne i fizjologiczne pomiędzy zróżnicowanymi komórkami są odpowiedzialne czynniki regulujące ekspresję informacji genetycznej. Ostateczny fenotyp komórki wynika z selektywnej ekspresji jej genów, a istota różnicowania dotyczy zmian w jakości i ilości produkowanych białek.

Występuje czasowa i komórkowa specyficzność syntezy białek w ontogenezie, bo wzorzec ekspresji genów zmienia się w czasie rozwoju i jest specyficzny tkankowo. Przykładem są białka wpływające na ekspresję genów odpowiedzialnych za hemoglobiny funkcjonują wyłącznie we wczesnych stadiach życia erytrocytów (w retikulocytach) i nie ujawniają się w innych komórkach. Innym przykładem komórkowej specyficzności syntezy białek jest synteza insuliny w komórkach β trzustki, a także synteza glukagonu w komórkach α trzustki oraz synteza przeciwciał przez limfocyty B. Niektóre białka pojawiają się tylko we wczesnych stadiach ontogenezy, a następnie prawie zupełnie przestają być produkowane. Do takich białek należą m.in.: hemoglobina płodowa HbF, antygen karcynogenny CEA i α-fetoproteina AFP. Niski poziom AFP w surowicy ciężarnej kobiety oznacza na ogół zwiększone prawdopodobieństwo wystąpienia u płodu zespołu Downa, natomiast jej poziom podwyższony występuje zazwyczaj w przypadku wad wrodzonych (takich jak bezmózgowie, otwarta wada cewy nerwowej - rozszczep kręgosłupa, wada ściany przedniej brzucha, wrodzony zespół nerczycowy, naczyniak łożyskowy).

IV. Geny homeotyczne i ich mutacje

Pojęcie homeotyczny pochodzi z języka greckiego - „homei” znaczy „podobny”, także „możliwość upodobniania jednych segmentów zarodka do innych”. Grupę genów kontrolujących rozwój osobniczy i biorących udział w wyznaczaniu zasadniczego planu budowy zarodka nazwano genami homeotycznymi. HOM oznacza grupę genów homeotycznych u bezkręgowców, Hox oznacza grupę genów homeotycznych u kręgowców, a HOX - u człowieka. Geny homeotyczne pierwotnie wykryto u mutantów muszki owocowej wykazujących zaburzenia segmentacji ciała. W roku 1995 Nagrodę Nobla przyznano za badania nad rolą tych genów w rozwoju muszki owocowej Drosophila melanogaster (E. Lewis, E. Wieschaus i C. Nuesslein-Volhard).

Geny homeotyczne kontrolują rozwój morfologiczny poszczególnych części zarodka; regulują kształtowanie się segmentów zarodka; określają rodzaj segmentu, który powstanie z danych komórek; są odpowiedzialne za poprawne rozmieszczenie części ciała i ulegają ekspresji wyłącznie we wczesnej fazie rozwoju zarodkowego. Są to działające hierarchicznie geny „polaryzacji segmentów”. Wszystkie geny homeotyczne są odpowiedzialne za włączanie i wyłączanie innych genów. W każdym genie homeotycznym wykryto konserwatywną kasetę homeo - tzw. homeoboks, tworzący swoistą sekwencję 180 nukleotydów i kodujący odcinki białka złożone z 60 aminokwasów (homeodomeny). Homeoboks po raz pierwszy odkryto w 1984 roku u muszki owocowej. Homeodomeny należą do grupy czynników transkrypcyjnych, czyli są regulatorami genów i posiadają domenę wiążącą DNA typu helisa-zwrot-helisa. Homeoboksy genów homeotycznych różnych gatunków są identyczne lub bardzo podobne, świadczy to o wysokim konserwatyzmie ewolucyjnym tych genów i przemawia za ich istotną rolą w życiu osobniczym, jak i w rozwoju ewolucyjnym. Zachowawczość zarówno funkcji, jak i organizacji zespołu genów homeotycznych od muszki do ssaków sugeruje, że kodowane przez nie białka odgrywają jednakowo ważne funkcje w procesach rozwoju różnych organizmów. Geny homeotyczne warunkują mechanizm przednio-tylnej polaryzacji zarodka wzdłuż ośrodkowego układu nerwowego. Mimo różnic w ostatecznym wyglądzie organizmów wielokomórkowych, działanie tych genów w określaniu przednio-tylnej osi ciała jest podobne. Kolejność ekspresji tych genów jest zgodna z kolejnością ich ułożenia wzdłuż przednio-tylnej osi zarodka. Ekspresja współliniowa tych genów (ulegają ekspresji wg wzorca przednio-tylnego w takiej samej kolejności, w jakiej są położone na chromosomie) odpowiada sekwencji czasowej. Geny homeotyczne są zgrupowane w kompleksach - zespołach (clusters) i tworzą hierarchiczny system funkcjonalny, w którym aktywacja lub inaktywacja jednego genu wpływa na funkcje innych genów, oddziałujących z kolei na aktywność kolejnych genów itd. - działają więc w sposób kaskadowy. Geny zajmujące tą samą pozycję w różnych kompleksach są bardziej do siebie podobne niż geny sąsiadujące w jednym kompleksie.

Ich mutacje, zwane transformacjami homeotycznymi, prowadzą do zaburzeń w organogenezie podczas rozwoju zarodkowego, czyli do zmian w budowie i położeniu narządów. Mutacje w tych genach powodują powstanie wad rozwojowych i zaburzają plan budowy osobnika np. prawidłowo wykształcone narządy pojawiają się w nietypowym miejscu, liczbie czy stadium rozwoju, albo też nie wykształcają się wcale. Może dojść nawet do utraty części organizmu. U muszki owocowej mutacje genu w kompleksie ANT-C (antennapedia) prowadzą do przekształcenia czułków w odnóża kroczne i w rezultacie mutant ma na głowie odnóża zamiast czułków. Inna mutacja (w kompleksie genów BX-C odpowiedzialnych za rozwój tułowia) wywołuje rozwój dodatkowego segmentu tułowiowego i w efekcie podwójne skrzydła.

W genomie człowieka wykryto 39 genów homeotycznych tworzących cztery - jak u wszystkich kręgowców - kompleksy HOX. Loci tych genów znajdują się na odrębnych chromosomach: na 2., 7., 12. i 17. Mutacja w genie 13. w kompleksie HOX D u ludzi wywołuje wadę kończyn - synpolidaktylię (syndaktylia - zrost palców, polidaktylia - dodatkowy(e) palec(e).

V. Geny Pax i ich mutacje u ludzi

Geny Pax (paired box - sparowany boks) mają właściwości podobne do genów homeotycznych: uczestniczą w formowaniu systemu segmentacji zarodka oraz kodują specyficzne tkankowo czynniki transkrypcyjne posiadające domeny wiążące DNA typu helisa-zwrot-helisa.

W ludzkim genomie znajduje się 9 genów Pax tworzących cztery grupy (jak u wszystkich ssaków). Natomiast u Drosophila występuje 5 genów Pax.

Wykazano już, że geny Pax uczestniczą m.in. w rozwoju kręgosłupa, nerek, nerwów, uszu, oczu, trzustki, mięśni, tarczycy i zębów.

U ludzi mutacje w genach Pax powodują poważne wady wrodzone:

• aniridię: jest to wada oczu wywołana mutacją w genie PAX 6 (zasadniczym dla wytworzenia narządu wzroku) doprowadzającą do całkowitego braku tęczówki oraz zaburzeń ostrości widzenia, światłowstrętu, suchości gałki ocznej oraz bólu oczu

• zespół Waardenburga: jest wynikiem mutacji w genie PAX 3 prowadzącej do głuchoty, zaburzeń barwnikowych włosów, szeroko osadzonych gałek ocznych oraz do różnobarwności tęczówek.

ZMIENNOŚĆ ORGANIZMÓW. PODZIAŁ MUTACJI 5 wykład

I. Zjawisko zmienności organizmów

Zmienność to zjawisko występowania różnic (np. w masie ciała, wzroście, kształcie poszczególnych części ciała, barwie skóry, włosów, sierści lub piór) między osobnikami należącymi do tego samego gatunku, pomimo ich ogólnego podobieństwa. Zmienność przejawia się w zwiększaniu różnorodności organizmów, co pozwala na ich przetrwanie w warunkach zmieniającego się środowiska - nie ulega więc wątpliwości, że zmienność osobników w obrębie gatunku ma głęboki, biologiczny sens. Obserwowana na co dzień zmienność i różnorodność świata żywego ma podłoże zarówno dziedziczne, jak i jest uwarunkowana czynnikami środowiskowymi, bowiem w zależności od warunków zewnętrznych organizmy o identycznym genotypie mogą znacznie się różnić między sobą fenotypowo. Każdy osobnik danego gatunku ma swój własny „osobisty” genotyp różniący się sekwencją zasad w DNA od genotypów pozostałych przedstawicieli tego gatunku. Fenotyp osobnika, w tym jego wygląd, zależy jednak nie tylko od jego genotypu, ale także od warunków środowiskowych: środowisko, w którym żyjemy, niewątpliwie wpływa na nasz materiał genetyczny (np. poprzez efekt działania różnych mutagenów). Różnorodne czynniki środowiskowe (np. sposób odżywiania, styl życia: m.in. aktywność fizyczna) mogą wyraźnie wpływać na fenotyp osobnika, doprowadzając do zmian właściwości danego osobnika, czyli do jego modyfikacji. Modyfikatory rozwoju to takie czynniki środowiskowe (np. zasoby pokarmowe i wodne, skład powietrza, zanieczyszczenia wody i żywności), które stabilizują bądź modyfikują rozwój organizmu. Większość genów jest w pewnym stopniu modyfikowana przez środowisko: np. geny decydujące o wzroście ludzi są regulowane przez sposób odżywiania, ćwiczenia fizyczne zmieniają budowę ciała, a opalanie się przyciemnia skórę. Środowisko może decydować również o tym, na jaką chorobę zapadniemy: np. dieta i aktywność fizyczna w znacznym stopniu wpływają na to, czy ktoś z predyspozycją do choroby serca zapadnie na nią, czy też nie; to samo dotyczy palenia tytoniu i nowotworu płuc. Niektóre cechy człowieka są silnie uzależnione od środowiska, inne natomiast w znacznie mniejszym stopniu. Udział zarówno genów, jak i środowiska wykazano już w powstawaniu wielu cech, łącznie z chorobami, takimi jak schizofrenia, cukrzyca, astma i nowotwory.

Ostateczna postać danego osobnika jest zawsze wypadkową genotypu (programu zakodowanego w genach) oraz środowiska, w którym ten organizm się rozwinął i funkcjonuje. Geny, które otrzymujemy od rodziców podczas zapłodnienia, kształtują nasz fenotyp, ale nie określają go ostatecznie: każdy z nas jest bowiem wytworem jedynego w swoim rodzaju genomu oraz niepowtarzalnych doświadczeń życiowych. Współdziałanie czynników genetycznych i środowiska powoduje, że każdy z nas jest wyjątkowy i musimy docenić wkład obu tych czynników, jeśli mamy zrozumieć znaczenie naszego dziedzictwa genetycznego.

II. Przyczyny zmienności organizmów

Istnieją dwie główne przyczyny (źródła) zmienności organizmów: - podłoże genetyczne, odpowiedzialne za zmienność dziedziczną kształtowaną w procesach rekombinacji DNA i mutacji, oraz - podłoże środowiskowe, odpowiedzialne za zmienność modyfikacyjną (fluktuacyjną, niedziedziczną).

III. Rodzaje zmienności organizmów

—Zmienność modyfikacyjna (fluktuacyjna).

—Zmienność rekombinacyjna.

—Zmienność mutacyjna.

—Zmienność alternatywna (skokowa, nieciągła np. grupy krwi u ludzi).

IV. Zmienność modyfikacyjna (fluktuacyjna)

Jest wywołana warunkami środowiska zewnętrznego, które modyfikują rozwój organizmu doprowadzając do zmiany jego właściwości (czynniki środowiskowe mogą spowodować zmianę kierunku rozwoju organizmu lub jego intensywności). Zmienność modyfikacyjna jest zmiennością ciągłą świadczącą o plastyczności genotypu. Ma bardzo wyraźne, ściśle określone granice, wyznaczone przez informację zawartą w genomie - jest tylko modyfikacją cech zapisanych w genomie. Ten rodzaj zmienności dotyczy głównie cech poligenicznych. Zmienność fluktuacyjna jest zmiennością niedziedziczną: składa się na nią wiele cech, które organizmy nabywają w trakcie życia osobniczego, nie są to jednak cechy przekazywane potomstwu. Klasycznym przykładem tej zmienności jest wzrost i pokrój sosny zwyczajnej Pinus silvestris: drzewa rosnące na wydmach są niskie i rozłożyste, a rosnące w borach - wysokie i strzeliste. Innym przykładem zmienności modyfikacyjnej jest kształt liści strzałki wodnej Sagittaria sagittifolia zależny od warunków, w jakich rozwijał się ich zawiązek: liście taśmowate (wstęgowate) rozwijają się pod wodą, liście sercowate na powierzchni wody, a liście strzałkowate nad wodą. Wszystkie trzy typy liści strzałki wodnej mogą występować jednocześnie na jednej roślinie.

V. Zmienność rekombinacyjna

Zmienność genetyczna, spowodowana przez zmiany zakodowane w genomie, wynika z procesów rekombinacyjnych oraz z pojawiających się w genomie mutacji. To właśnie zmienność genetyczna stanowi podstawę zmian ewolucyjnych, bo wszystkie mutacje i rekombinacje, które nie są letalne i są dziedziczone (a więc zachodzą w komórkach linii płciowej), mogą potencjalnie przyczynić się do ewolucji genomu.

Zmienność rekombinacyjna jest rodzajem zmienności genetycznej, która jest cechą charakterystyczną rozmnażania płciowego i jest ewolucyjnym osiągnięciem organizmów rozmnażających się płciowo. Podział mejotyczny nie tylko redukuje liczbę chromosomów w komórkach potomnych, ale jest również istotnym źródłem zmienności rekombinacyjnej: kluczowymi wydarzeniami w czasie mejozy są bowiem crossing-over (czyli rekombinacja wewnątrzchromosomowa) oraz niezależna segregacja chromosomów homologicznych (czyli rekombinacja międzychromosomowa). Rekombinacja wewnątrzchromosomowa, czyli przetasowanie genów w chromosomach homologicznych na skutek crossing-over, oraz rekombinacja międzychromosomowa, czyli przypadkowa i niezależna segregacja chromosomów homologicznych w mejozie, są ważnymi - choć wtórnymi w stosunku do mutacji - mechanizmami wytwarzania zmienności.

Zmienność rekombinacyjna jest zmiennością dziedziczną, której podstawowym źródłem jest crossing-over. Crossing-over prowadzi do powstania różnych nowych kombinacji genów oraz ich alleli, umożliwiając przekazanie potomstwu innej kombinacji genów niż ta, która występowała w chromosomach każdego z rodziców. Crossing-over to wymiana odcinków (fragmentów) chromatyd pomiędzy chromosomami homologicznymi zachodząca w chiazmach podczas profazy każdego I podziału mejotycznego - polega na symetrycznym pękaniu niesiostrzanych chromatyd chromosomów homologicznych i ich ponownym połączeniu się w nowym układzie. Crossing-over prowadzi do rekombinacji sprzężonych loci genowych. Podczas crossing-over ligaza tworzy strukturę krzyżową Hollidaya (chiazmę), która jest najistotniejszym produktem pośrednim rekombinacji (wszystkie cztery nici w tej strukturze muszą być przecięte i wymienione). Crossing-over zwiększa zróżnicowanie genetyczne na skutek wymiany informacji genetycznej między chromosomami homologicznymi.

Drugim - poza crossing-over - źródłem zmienności rekombinacyjnej jest niezależna segregacja (rozdział) chromosomów homologicznych w czasie tworzenia się gamet, podczas anafazy I podziału mejotycznego: następuje wtedy rozdzielenie chromosomów homologicznych do biegunów wrzeciona podziałowego. Chromosomy homologiczne każdej pary są rozdzielane niezależnie, a zatem zestaw chromosomów przy każdym biegunie zawiera ich „mieszaninę”: niektóre pochodzą od matki, a inne od ojca. W czasie tworzenia się gamet chromosomy pochodzące od ojca i matki rozdzielają się do nich przypadkowo; a zatem każda gameta zawiera haploidalny zestaw chromosomów i jest on losową kombinacją chromosomów matczynych i ojcowskich. Ponieważ segregacja chromosomów homologicznych z każdej pary zachodzi losowo, to jeden osobnik może wytwarzać wiele różnych gamet. Po zakończeniu mejozy powstałe haploidalne gamety zawierają informację pochodzącą od obu matczynych i ojcowskich chromosomów, co powoduje, że dany osobnik odziedziczy geny pochodzące od wszystkich czterech dziadków.

W wyniku zmienności rekombinacyjnej dochodzi jedynie do powstania nowych, nie istniejących u rodziców, układów poszczególnych wariantów genów (alleli), a nie do utworzenia nowych wersji genów, bowiem poszczególne allele nie ulegają zmianie. Rekombinacje nie prowadzą do wytworzenia nowych alleli genów, ale do ciągłego ich przetasowywania i do powstawania różnych nowych kombinacji (układów) genotypów. Gdyby nie było rekombinacji, genomy byłyby stosunkowo stabilnymi strukturami, podlegającymi bardzo niewielkim zmianom. Po upływie dłuższego czasu stopniowa akumulacja mutacji prowadziłaby do niewielkich zmian w sekwencji genomu, jednak większe rearanżacje, za które odpowiada rekombinacja, nie zachodziłyby. Potencjał ewolucyjny genomu byłby poważnie ograniczony.

VI. Zmienność mutacyjna

Za tworzenie się zupełnie nowych alleli danego genu, czy też nowych genów, są odpowiedzialne mutacje. Pierwotną przyczyną zmienności genetycznej są bowiem drobne różnice między allelami wynikające właśnie z pojawiających się losowo mutacji. Mutacje to wszystkie trwałe zmiany w strukturze genomu, nie wynikające z procesów rekombinacyjnych. Termin „mutacja” wprowadził w 1901 roku holenderski botanik i genetyk Hugo de Vries - to właśnie on w 1900 roku ponownie odkrył i potwierdził prawa Mendla (niezależnie od niemieckiego botanika i genetyka Carla Corrensa oraz austriackiego agronoma Ericha Tschermaka).

Mutacje są źródłem zmienności mutacyjnej, która jest podstawą procesów ewolucyjnych. Jednak nie wszystkie mutacje są dziedziczne: mutacje w komórkach somatycznych nie są dziedziczone przez potomstwo, ale mogą wywierać szkodliwy wpływ na funkcjonowanie danego organizmu (np. przyśpieszać pojawienie się nowotworów, bowiem większość mutagenów jest jednocześnie kancerogenami odgrywającymi ważną rolę w rozwoju nowotworów).

VII. Podział mutacji

Mutacje dzielimy na mutacje genowe (punktowe) oraz mutacje chromosomowe.

Podział mutacji genowych (punktowych):

— Substytucje - to podstawienie (zamiana, zastąpienie) jednej zasady azotowej w łańcuchu DNA inną zasadą. Dzielą się na tranzycje, w których jedna puryna zostaje zastąpiona przez inną purynę lub pirymidyna - przez pirymidynę, oraz transwersje, w których puryna zostaje zastąpiona przez pirymidynę lub na odwrót. W wyniku tranzycji adenina zastępuje guaninę lub guanina - adeninę, a tymina zastępuje cytozynę lub cytozyna - tyminę. W wyniku transwersji adenina zastępuje cytozynę lub tyminę, guanina zastępuje cytozynę lub tyminę, cytozyna zastępuje adeninę lub guaninę, a tymina zastępuje adeninę lub guaninę. Do tranzycji dochodzi znacznie częściej i łatwiej niż do transwersji.

— Mutacje fazy w ramce odczytu (frameshift) - to zmiana fazy, w jakiej jest czytany układ kodonów w mRNA. Dzielą się na delecje, w których dochodzi do wypadnięcia (utraty) jednej lub kilku par nukleotydów w łańcuchu DNA, oraz insercje (addycje), w których następuje wstawienie (dodanie) pojedynczej pary nukleotydów bądź kilku par w DNA. Mutacje fazy w ramce odczytu zakłócają dotychczasowy porządek odczytu sekwencji zasad w DNA i powodują całkowitą zmianę aminokwasów kodowanych od miejsca ich wystąpienia, a w konsekwencji zmianę właściwości kodowanego białka. Najczęstszą ich konsekwencją jest przedwczesne pojawienie się kodonu STOP. Ich skutkiem jest częściowy lub całkowity brak kodowanego białka.

Podział mutacji chromosomowych:

— Mutacje chromosomowe strukturalne (aberracje chromosomowe).

— Chromosomowe mutacje liczbowe.

Podział mutacji chromosomowych strukturalnych:

C Translokacja - to wymiana (przegrupowanie, przemieszczenie, przeniesienie) fragmentu chromosomu pomiędzy chromosomami niehomologicznymi. Może zachodzić translokacja wzajemna (gdy dochodzi do wzajemnej wymiany odcinków chromosomów), translokacja robertsonowska (fuzja centryczna) oraz translokacja insercyjna. Translokacje należą do najczęściej występujących zaburzeń struktury chromosomów.

C Delecja (deficjencja) - to utrata (brak, wypadnięcie) fragmentu chromosomu. Występują delecje terminalne (gdy utrata obejmuje część dystalną chromosomu) lub interstycjalne (gdy utrata obejmuje fragment środkowy chromosomu). Delecje są najgroźniejszymi aberracjami chromosomowymi i często są mutacjami letalnymi.

C Duplikacja - to podwojenie (powtórzenie, zwielokrotnienie) określonego fragmentu chromosomu.

C Inwersja - to odwrócenie (zmiana orientacji) fragmentu chromosomu o 180°. Może być pericentryczna (gdy odwrócony odcinek chromosomu zawiera centromer) lub paracentryczna (gdy odwrócenie fragmentu następuje w obrębie jednego ramienia chromosomu).

C Utworzenie chromosomu kolistego (pierścieniowego).

C Utworzenie chromosomu dwucentromerowego (dicentrycznego).

C Utworzenie izochromosomu.

Mutacje chromosomowe strukturalne wywołują zmiany w strukturze pojedynczych chromosomów. Powstają w wyniku złamań chromosomów: ich przyczyną jest nieprawidłowy przebieg crossing-over i przerwanie ciągłości (pęknięcie) chromosomu lub chromatydy. Są zrównoważone gdy nie dochodzi do zmniejszenia lub zwiększenia ilości materiału chromosomowego. Częstotliwość tych mutacji wyraźnie zwiększa się pod wpływem promieniowania jonizującego (rentgenowskiego) oraz pod wpływem czynników alkilujących.

Podział chromosomowych mutacji liczbowych:

— Aneuploidie - powstają w wyniku zwiększenia lub zmniejszenia diploidalnej liczby chromosomów o pojedyncze chromosomy. Ich efektem jest brak lub nadmiar chromosomów: wzbogacają lub zubożają prawidłowy zestaw chromosomów o jeden lub więcej chromosomów (np. kariotypy 2n+1, 2n-1, 2n+2 itp.). Należą do najczęściej występujących mutacji chromosomowych. Najczęściej występującymi aneuploidiami są monosomie (mutacje polegające na utracie jednego chromosomu; kariotyp mutanta 2n-1) oraz trisomie (mutacje polegające na wzbogaceniu o pojedynczy dodatkowy chromosom; kariotyp mutanta 2n+1). Tetrasomik to mutant z dwoma dodatkowymi chromosomami homologicznymi o kariotypie 2n+2. Podwójny trisomik to mutant z dwoma dodatkowymi, ale różnymi chromosomami, o kariotypie 2n+1+1. Nullisomik to mutant, w którego kariotypie (2n-2) brakuje pary chromosomów homologicznych. U zwierząt aneuploidie są najczęściej letalne - prowadzą do śmierci mutanta.

— Poliploidie (euploidie) - są mutacjami prowadzącymi do powielenia normalnej liczby chromosomów składających się na kariotyp: zwielokrotniają cały podstawowy, haploidalny zestaw chromosomów w kariotypie mutanta (np. 3n, 4n, 5n itd.). Występują u większości roślin uprawnych (zbóż i kwiatów ogrodowych), stanowiąc jeden z mechanizmów powstawania nowych odmian i gatunków. Poliploidalność jest ważnym czynnikiem ewolucji roślin. Poliploidy wśród roślin powstają samoistnie - w sposób naturalny, lub w sposób sztuczny - w wyniku hodowli. Rośliny poliploidalne dają większy plon, mają większe (bardziej okazałe) kwiaty, owoce bądź liście, oraz wykazują mniejsze wymagania glebowe i klimatyczne.

Poliploidie dzielą się na autopoliploidie oraz allopoliploidie (amfidiploidie).

C Autopoliploidie powstają w wyniku zwielokrotnienia tego samego haploidalnego zestawu chromosomów: triploid to mutant o kariotypie 3n (np. burak cukrowy Beta vulgaris, banan Musa), tetraploid to mutant o kariotypie 4n (np. ziemniak Solanum tuberosum, kukurydza Zea mays), pentaploid to mutant o kariotypie 5n, a heksaploid to mutant o kariotypie 6n (np. chryzantema). U człowieka autopoloploidie są mutacjami letalnymi, z reguły prowadzącymi do poronień.

C Allopoliploidie (amfidiploidie) występują u mieszańców międzygatunkowych, u których doszło do zwielokrotnienia całego kariotypu (n+n'). U allopoliploidów poliploidyzacja jest poprzedzona krzyżowaniem osobników należących do dwóch różnych gatunków. Genomy jądrowe tych organizmów są zbudowane z chromosomów pochodzących z różnych gatunków. Do allopoliploidów otrzymanych w sposób sztuczny należy m.in. współczesna pszenica Triticum aestivum oraz pszenżyto Triticale (2n = 56), natomiast do naturalnych allopoliploidów zalicza się tytoń Nicotiana tabacum (2n = 48) i rzepak Brassica napus (2n = 38). Allopoliploidie u człowieka z przyczyn oczywistych nie występują.

Chromosomowe mutacje liczbowe wprowadzają największe i najbardziej drastyczne zmiany w genomie - zmieniają bowiem liczbę chromosomów znajdujących się w jądrze komórkowym. Ich najczęstszą przyczyną są zaburzenia w przebiegu podziałów komórkowych - nieprawidłowe rozchodzenie się chromosomów w anafazie, czyli nondysjunkcje.

Nondysjunkcja to nieprawidłowe rozejście się (nierozdzielenie się) pary chromosomów homologicznych w czasie podziału komórki. To właśnie nondysjunkcje są najczęstszą przyczyną aneuploidii. Nondysjunkcja może wystąpić zarówno w oogenezie (częściej), jak i w spermatogenezie (rzadziej). W wyniku tego procesu powstają gamety o nieprawidłowej liczbie chromosomów.

Podsumowanie

1. Istnieją dwa źródła zmienności organizmów: podłoże genetyczne (odpowiedzialne za zmienność dziedziczną) oraz podłoże środowiskowe (odpowiedzialne za zmienność modyfikacyjną - fluktuacyjną).

2. Zmienność genetyczna stanowi podstawę zmian ewolucyjnych.

3. Zmienność dziedziczna jest kształtowana zarówno w procesach rekombinacji DNA,

jak i w procesach mutacji.

4. Źródłem zmienności rekombinacyjnej jest crossing-over oraz niezależna segregacja chromosomów homologicznych zachodzące podczas mejozy.

5. Rekombinacje nie prowadzą do wytworzenia nowych alleli genów, ale do ciągłego ich przetasowywania i do powstawania różnych nowych kombinacji (układów) genotypów.

6. Za tworzenie się zupełnie nowych genów, bądź nowych alleli danego genu, są odpowiedzialne mutacje.

7. Nowe geny mogą być tworzone przez duplikację tego samego eksonu. Mogą być także tworzone poprzez tasowanie dwóch początkowo odrębnych eksonów.

8. Duplikacje genów są jednym z najważniejszych źródeł zmienności genetycznej.

MUTACJE I MUTAGENY 6 wykład

I. Podział mutacji genowych ze względu na ich skutki

Mutacje genowe można podzielić na mutacje milczące (ciche), mutacje zmiany sensu (missensowne) i mutacje nonsensowne.

Mutacje milczące (ciche, synonimiczne, polimorficzne) występują, gdy substytucja (zmiana zasady) dotyczy trzeciej pozycji kodonu, który nadal koduje ten sam aminokwas, co kodon pierwotny. Nie wywołują zmian w kodowanym białku i w fenotypie mutanta, ale przyczyniają się do zmienności w sekwencji zasad w DNA poszczególnych osobników w danym gatunku, czyli do polimorfizmu genetycznego.

Mutacje zmiany sensu (missensowne) występują, gdy substytucja zmienia znaczenie kodonu - zmutowany kodon koduje inny aminokwas, odmienny od wyjściowego. Mogą mieć (ale nie zawsze mają) znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania białka. Mogą prowadzić do powstania wadliwego białka, a ich skutkiem może być zmiana lub utrata funkcji kodowanego białka. Delecja lub insercja pary lub dwóch par zasad w DNA przesuwa ramkę odczytu, wywołując zaburzenie struktury kodowanego białka. Natomiast delecja trzech par zasad (czyli utrata jednego aminokwasu) nie zawsze musi skutkować zaburzeniem biologicznej aktywności zsyntetyzowanego białka.

Mutacje nonsensowne występują, gdy substytucja powoduje przekształcenie kodonu kodującego określony aminokwas w jeden z kodonów STOP: UAA, UAG lub UGA. Prowadzą do przedwczesnej terminacji translacji, co oznacza powstanie wadliwego białka o nieprawidłowej wielkości - ich skutkiem jest zmiana lub całkowita utrata funkcji kodowanego białka.

II. Przyczyny mutacji genowych

Źródłem mutacji genowych są błędy replikacyjne oraz działanie mutagenów fizycznych i chemicznych.

Błędy replikacyjne to pomyłki popełniane dość rzadko i przypadkowo (losowo) w dowolnym miejscu genomu przez polimerazę DNA lub przez enzymy systemów naprawczych DNA. Są źródłem mutacji spontanicznych - ich poziom jest bardzo niski dzięki właściwościom samokorygującym tych enzymów.

Mutageny fizyczne i chemiczne to specyficzne czynniki wywołujące wzrost częstości mutacji, zwiększające ich ryzyko oraz ich szybkość. Indukując mutacje są przyczyną mutacji indukowanych.

III. Mutageny fizyczne

Do najważniejszych mutagenów fizycznych należą: promieniowanie jonizujące, promieniowanie nie jonizujące oraz promieniowanie termiczne.

Promieniowanie jonizujące (rentgenowskie X i promienie gamma) powodując utratę elektronów wywiera różny wpływ na DNA, zależnie od rodzaju i natężenia: wywołuje zwiększenie częstości mutacji genowych oraz pękanie nici DNA na skutek rozrywania wiązań wodorowych, czyli zwiększa częstotliwość strukturalnych mutacji chromosomowych. Po raz pierwszy efekt mutagenny promieniowania rtg wykazał amerykański genetyk Hermann J. Muller w 1927 r. W roku 1946 za odkrycie indukcji mutacji za pomocą promieni X otrzymał Nagrodę Nobla.

Promieniowanie nie jonizujące (nadfioletowe UV o długości. fali 260-280 nm) indukuje dimeryzację pirymidyn (tyminy i cytozyny), co powoduje powstanie dimerów cyklobutylowych.

Promieniowanie termiczne (podwyższona temperatura) stymuluje hydrolizę wiązań b-N-glikozydowych łączących zasadę z cukrem, co powoduje powstanie w DNA miejsc pozbawionych zasady (czyli luk).

IV. Mutageny chemiczne

Do najważniejszych mutagenów chemicznych należą: czynniki alkilujące, czynniki deaminujące (kwas azotawy), reaktywne formy tlenu ROS (nadtlenki i wolne rodniki uszkadzające zasady azotowe), czynniki hydroksylujące (hydroksylamina), analogi zasad azotowych oraz czynniki interkalujące (barwniki akrydynowe).

Czynniki alkilujące wywołują wszystkie rodzaje mutacji genowych (tranzycje, transwersje, delecje) oraz pękanie nici DNA (aberracje chromosomowe). Do czynników alkilujących należy m.in. gaz musztardowy - iperyt, uszkadzający guaninę oraz wywołujący pękanie nici DNA. Ten bojowy środek trujący po raz pierwszy został użyty w 1917 roku przez Niemców w Ypres w Belgii, a jego właściwości mutagenne zostały odkryte w 1941 roku przez C. Auerbach i J. M. Robsona. Czynniki alkilujące indukują substytucje poprzez przenoszenie grup alkilowych (metylowych CH3-, etylowych CH3CH2-) do grup aminowych albo ketonowych w zasadach azotowych w DNA, np. poprzez etylację guaniny i tyminy w pozycji O6. Mogą także wywoływać depurynację, czyli wypadnięcie adeniny lub guaniny z nukleotydu w DNA. Do depurynacji prowadzą alkilacje guaniny w pozycji N7 oraz adeniny w pozycji N3.

Kwas azotawy HNO2 to najsilniejszy mutagen chemiczny. Wywołuje oksydacyjną deaminację cytozyny i adeniny, czyli przekształcenie ich grupy aminowej w grupę ketonową. Deaminacja cytozyny w uracyl (który przyłącza adeninę zamiast guaniny) indukuje tranzycję GC w AT. Z kolei deaminacja adeniny w hipoksantynę (która przyłącza cytozynę w miejsce tyminy) wywołuje tranzycję AT w GC. Kwas azotawy wywołuje więc tranzycję w obu kierunkach. Natomiast deaminacja guaniny w ksantynę nie jest mutagenna, bo ksantyna przyłącza cytozynę tak samo, jak guanina.

Hydroksylamina NH2OH to najbardziej specyficzny mutagen chemiczny. Specyficznie hydroksyluje grupę aminową cytozyny przekształcając ją w hydroksylaminocytozynę, która przyłącza adeninę w miejsce guaniny. Hydroksylamina indukuje więc tranzycję w jednym kierunku: CG w AT.

Analogi zasad azotowych działają wyłącznie na DNA replikujący. Należy do nich analog tyminy 5-bromouracyl oraz analog adeniny 2-aminopuryna. Te analogi łatwo ulegają tautomeryzacji, wywołując tranzycję w obu kierunkach. Tautomeryzacja to przejście jednego izomeru strukturalnego w drugi izomer, np. przejście formy ketonowej guaniny i tyminy w formę enolową, lub aminowej adeniny i cytozyny w iminową. Formy tautomeryczne zasad to ich izomery strukturalne: ketonowe (stabilniejsze i częściej występujące) oraz enolowe w przypadku tyminy i guaniny, lub aminowe (stabilniejsze i częściej występujące) oraz iminowe w przypadku adeniny i cytozyny. Formy tautomeryczne zasady azotowej różnią się zdolnością tworzenia par komplementarnych (z wyjątkiem cytozyny), bo zmieniają się właściwości wiązań wodorowych występujących w tej zasadzie. Efekt mutagenny 5-bromouracylu występuje, ponieważ równowaga między jego dwoma tautomerami jest, w porównaniu z tyminą, bardziej przesunięta w stronę formy enolowej, która łączy się z guaniną zamiast z adeniną. Podobnie działa 2-aminopuryna: jej forma iminowa jest częstsza niż w przypadku adeniny i łączy się z cytozyną zamiast z tyminą.

Czynniki interkalujące (barwniki akrydynowe: np. bromek etydyny, proflawina, akryflawina, oranż akrydynowy) działają wyłącznie na DNA replikujący. Interkalują, czyli wnikają do wnętrza nici DNA pomiędzy sąsiednie pary zasad. Interkalacja zwiększa odległości między parami zasad wywołując insercje lub delecje.

V. Skutki mutacji genowych

Mutacje pojawiają się losowo, a ich wpływ na działanie genomu może być różny. Mutacje mogą wykazywać charakter neutralny (obojętny), negatywny (szkodliwy, niekorzystny), letalny (śmiertelny) lub korzystny (pożyteczny). Większość mutacji genowych ma charakter neutralny, bowiem nie powodują żadnych zmian fenotypowych - drobne zmiany w DNA zwykle nie przekładają się na zmiany w wyglądzie i funkcjonowaniu organizmu. Do mutacji neutralnych należą mutacje ciche lub mutacje w niekodujących fragmentach genomu. Mutacje neutralne dominują liczebnie. Charakter negatywny mają wszystkie mutacje odpowiedzialne za określone jednostki chorobowe. Mutacje letalne są przyczyną śmierci organizmu - czasami nawet jeszcze przed jego urodzeniem. Mutacje korzystne zwiększają zdolności adaptacyjne organizmu szczególnie wtedy, gdy w sposób istotny i trwały zmieniają się warunki środowiska, w którym żyje dany organizm. O tym, czy mutacja jest „dobra” (korzystna), czy „zła” (szkodliwa), decyduje zazwyczaj środowisko: ta sama cecha w jednych warunkach może być bowiem korzystna, a w innych - szkodliwa. Białe ubarwienie zwierząt - albinizm - jest przydatne w śnieżnych warunkach polarnych, a pogarsza dostosowanie w innym środowisku, gdzie zdradza obecność wśród ciemnego tła. Anemia sierpowata u ludzi na pierwszy rzut oka jest niekorzystna. Jednak chroni przed malarią, a to już w niektórych regionach wartość nie do przecenienia.

Mutacje w genomie komórek rozrodczych mają zazwyczaj ogromne znaczenie dla funkcjonowania organizmów - są bowiem przekazywane potomstwu.

Większość mutacji genowych jest dziedziczona recesywnie.

Cechy dziedziczenia autosomalnego recesywnego: objawy choroby występują tylko u homozygot, a heterozygoty są nosicielami mutacji; występuje jednakowa częstość i ciężkość objawów choroby u obu płci; istnieje małe ryzyko dla potomstwa; występuje stała ekspresja objawów choroby w rodzinie oraz jest ważne pokrewieństwo rodziców.

Mechanizmy naprawy DNA odwracają większość mutacji punktowych i minimalizują częstość ich pojawiania się. Można zatem powiedzieć, że mutacja genowa to nieskuteczna naprawa DNA, bo większość mutacji genowych ulega naprawie i powraca do stanu prawidłowego (może być odwrócona przez mechanizmy naprawy DNA).

VI. Mutacje w mitochondrialnym DNA człowieka

Choroby związane z mutacjami w mitochondrialnym genomie człowieka: - są dziedziczone w linii żeńskiej („po matce”), - wynikają z zaburzeń w strukturze i funkcjonowaniu mitochondriów, - ich objawy zwykle dotyczą tkanek o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym: mózgu i/lub mięśni szkieletowych, - obejmują neuropatie, encefalopatie i miopatie. Do takich chorób należą: zespół Lebera, zespół Leigha oraz miopatie mitochondrialne.

Zespół Lebera LHON (wrodzona ślepota Lebera - Leber's hereditary optic neuropathy) to dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego polegająca na stopniowym zaniku nerwów wzrokowych. Doprowadza do zwyrodnienia siatkówki i do szybko postępującej obustronnej utraty widzenia, ujawniającej się najczęściej w drugiej lub trzeciej dekadzie życia. Choroba została opisana po raz pierwszy w 1871 roku przez niemieckiego okulistę Theodora Lebera. Dopiero w 1988 roku wykazano, że przyczyną tej choroby są mutacje w mtDNA.

Zespół (syndrom) Leigha (encefalopatia wieku dziecięcego - Leigh's disease) obejmuje zmiany w centralnym układzie nerwowym. Jest encefalopatią wieku dziecięcego wywołującą utratę zdolności ruchowych (zaburzenia motoryczne) i prowadzącą do opóźnienie rozwoju, a także do niewydolności mięśni oddechowych i nerek. Doprowadza do zgonu w wieku dziecięcym.

Miopatie mitochondrialne (mitochondrial myopathy) charakteryzują się uszkodzeniem i osłabieniem mięśni szkieletowych, w których pojawiły się mitochondria o nienormalnym kształcie i wielkości. Komórki mięśniowe przybierają postać „nierównych, poszarpanych, kosmatych” włókien czerwonych (ragged red fibres). Przykłady miopatii mitochondrialnych: - zespół Kearnsa-Sayre'a KSS (Kearns-Sayre syndrome) z oftalmoplegią (porażeniem mięśni oka), retinopatią pigmentową (barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki prowadzącym do nocnej ślepoty), blokiem serca i ataksją móżdżkową (niezbornością ruchów); - padaczka mioklonalna MERRF (myoclonic epilepsy); - encefalopatia mitochondrialna MELAS z kwasicą mleczanowa, napadami udaropodobnymi i osłabieniem kończyn.

VII. Mutacje dynamiczne

Antycypacja (wyprzedzenie, przedwczesna realizacja) to tendencja do coraz wcześniejszego pojawiania się i nasilania objawów choroby genetycznej w kolejnych, następujących po sobie pokoleniach. Antycypacja to występowanie w kolejnych pokoleniach coraz cięższego (ostrzejszego) przebiegu i/lub wcześniejszego początku choroby uwarunkowanej genetycznie. Przyczyną antycypacji są mutacje dynamiczne (niestabilne) - tzw. mutacje powtórzeń tripletowych (trójnukleotydowych). Jest to nowy typ mutacji odkryty u ludzi w 1995 roku. Ten rodzaj mutacji powstaje wskutek wydłużania serii powtórzeń CAG, CTG, CGG, CCG, GCC lub GAA, co zwiększa długość kodonów glutaminowych. Mutacje dynamiczne są wywołane przez wzrost liczby (czyli nadmiar, ekspansję) sekwencji trójnukleotydowych powtórzonych w tzw. „jąkającym się” genie - zmutowany gen zawiera „jąkający się” kawałek DNA. Rosnąca liczba powtórzeń tripletu jest bezpośrednio powiązana z nasileniem się objawów choroby: obserwuje się dodatnią korelację między wzrostem liczby powtórzeń trójnukleotydowych a przebiegiem choroby i/lub wiekiem, w którym pojawiają się jej pierwsze objawy. Dotychczas rozpoznano około 20 chorób wywoływanych przez te mutacje.

Przykłady chorób wywołanych mutacjami dynamicznymi: dystrofia miotoniczna, choroba (pląsawica) Huntingtona i zespół łamliwego chromosomu X.

C Dystrofia miotoniczna DM (myotonic dystrophy) to choroba wieloukładowa opisana po raz pierwszy w 1909 roku przez niemieckich lekarzy: Hansa Steinerta i Hansa Curschmanna. Dystrofia mięśniowa to postępujące osłabienie i zanik mięśni szkieletowych (zmiany zanikowe mięśni szkieletowych). Miotonia to zmniejszony (upośledzony) rozkurcz mięśni po długotrwałym skurczu. DM jest efektem mutacji dynamicznej w części niekodującej genu DMPK kodującym miotoninową kinazę białek. W wyniku mutacji dochodzi do nieprawidłowej fosforylacji białek kurczliwych. Lokalizacja genu: chromosom 19. (19q13). Częstość występowania choroby: 0.1-0.2 / 1000 urodzeń. Zwielokrotnionym tripletem jest CTG: u osób zdrowych liczba powtórzeń nigdy nie przekracza 40, u chorych - wzrasta nawet do 1000. Liczba powtórzeń tripletu jest bezpośrednio powiązana z nasileniem się objawów choroby. DM dziedziczy się autosomalnie dominująco.

Cechy dziedziczenia autosomalnego dominującego: ujawnianie się choroby u heterozygot; występowanie u homozygot bardzo ciężkiej lub śmiertelnej postaci choroby; istnieje duże ryzyko przekazania choroby (przeciętnie 50% potomstwa jest chore); występuje jednakowa częstość i ciężkość objawów choroby u obu płci oraz zmienna ekspresja objawów choroby w rodzinie.

Dystrofia miotoniczna jest najczęstszą przyczyną dystrofii mięśniowej u dorosłych. Po 15-20 latach doprowadza do ciężkiego kalectwa fizycznego. Dodatkowe objawy: zaćma, zmiany hormonalne (zanik gruczołów płciowych u mężczyzn), zaburzenia pracy serca. Znieczulenie ogólne wiąże się z wysokim ryzykiem dla chorego.

C Choroba (pląsawica) Huntingtona HD (Huntington disease) to choroba zwyrodnieniowa ośrodkowego układu nerwowego opisana po raz pierwszy w 1872 roku przez amerykańskiego lekarza George'a Huntingtona. Jest pierwszą odkrytą chorobą genetyczną u ludzi dziedziczoną autosomalnie dominująco. HD jest efektem mutacji dynamicznej na końcu 5' genu huntingtyny IT-15 - nieprawidłowa huntingtyna wywołuje degenerację (zanik) neuronów w mózgu. Lokalizacja genu w 1983 r. - chromosom 4. (4p16.3). Częstość występowania choroby: 0.1 / 1000 urodzeń. Zwielokrotnionym tripletem jest CAG: u osób zdrowych liczba powtórzeń wynosi 10-30, u chorych - 40 do 120. HD dziedziczy się z penetracją zależną od wieku (odsetek chorych wzrasta z wiekiem). Objawy ujawniają się dopiero u osób dorosłych - między 35. a 50. rokiem życia (nie ma więc nacisku selekcyjnego na jej naturalne wygaśnięcie). Kończy się śmiercią średnio 15 lat od momentu wystąpienia jej pierwszych objawów. Objawy kliniczne HD: mimowolne ruchy pląsawicze i grymasy twarzy (pląsawica - tzw. taniec św. Wita - chorea, to krótkie, mimowolne ruchy tułowia i drgawki kończyn); postępująca degradacja intelektualna (otępienie - utrata zdolności poznawczych); rozwój zaburzeń psychicznych (najczęściej depresji). HD jest chorobą neurodegeneracyjną - chorzy wykazują objawy neurologiczne i psychiatryczne. Prowadzi do wybiórczego zaniku neuronów w określonych rejonach mózgu - w kresomózgowiu (głównie w jądrze ogoniastym i soczewkowatym ciała prążkowanego). Następuje glejoza - komórki glejowe częściowo zastępują zniszczone neurony. U chorych obserwuje się spadek poziomu pewnych neurotransmiterów (GABA i acetylocholiny) i neuropeptydu P oraz wzrost stężenia dopaminy, noradrenaliny, somatostatyny i neurotensyny.

C Zespół łamliwego chromosomu X - FRA X (fragile X syndrome) to choroba wieloukładowa (zespół Martina-Bella). Stanowi drugą co do częstości, po zespole Downa, przyczynę niedorozwoju umysłowego. Dziedziczy się recesywnie w sprzężeniu z płcią (z chromosomem X). Jest efektem mutacji dynamicznej w części niekodującej genu FMR-1. Lokalizacja genu: chromosom X (Xq27.3). Częstość występowania choroby: 0.5-0.8 / 1000 urodzeń chłopców i 0.3-0.4 / 1000 urodzeń dziewczynek. U kobiet objawy choroby zwykle są łagodniejsze i rzadziej występują. Zwielokrotnionym tripletem jest CGG: u osób zdrowych liczba powtórzeń wynosi 6-54, u chorych - przekracza 200. Objawy kliniczne FRA X: łagodne lub umiarkowane upośledzenie umysłowe; cechy dysmorfii twarzy: prognatyzm (nadmierne wysunięcie ku przodowi kości szczęk), duże uszy, długa twarz; makroorchidyzm (powiększenie jąder).

Podsumowanie

1. Źródłem mutacji genowych spontanicznych są błędy replikacyjne.

2. Przyczyną mutacji indukowanych są mutageny fizyczne oraz chemiczne.

3. Promieniowanie jonizujące wywołuje zwiększenie częstości mutacji genowych oraz pękanie nici DNA na skutek rozrywania wiązań wodorowych.

4. Promieniowanie UV indukuje dimeryzację pirymidyn: tyminy i cytozyny.

5. Czynniki alkilujące wywołują wszystkie rodzaje mutacji genowych oraz pękanie nici DNA (aberracje chromosomowe).

6. Kwas azotawy wywołuje tranzycję w obu kierunkach.

7. Hydroksylamina indukuje tranzycję w jednym kierunku: CG w AT.

8. Czynniki interkalujące (barwniki akrydynowe) wywołują insercje lub delecje, czyli mutacje fazy w ramce odczytu.

9. Analogi zasad azotowych, łatwo ulegając tautomeryzacji, wywołują tranzycję w obu kierunkach.

10. Większość mutacji genowych (punktowych) ma charakter neutralny.

11. Większość mutacji genowych jest dziedziczona recesywnie.

12. Do najważniejszych chorób związanych z mutacjami w mitochondrialnym genomie człowieka należą: zespół Lebera, zespół Leigha oraz miopatie mitochondrialne.

13. Przyczyną antycypacji są mutacje dynamiczne (mutacje powtórzeń tripletowych).

14. Do najważniejszych chorób człowieka uwarunkowanych mutacjami dynamicznymi należy dystrofia miotoniczna, choroba (pląsawica) Huntingtona oraz zespół łamliwego chromosomu X.

---