Hvilke mutasjoner kalles spontane? Hvis vi oversetter begrepet til et tilgjengelig språk, er dette naturlige feil som oppstår i prosessen med interaksjon av genetisk materiale med det indre og/eller ytre miljøet. Slike mutasjoner er vanligvis tilfeldige. De observeres i kjønnsorganene og andre celler i kroppen.
Eksogene årsaker til mutasjoner
Spontan mutasjon kan oppstå under påvirkning av kjemikalier, stråling, høye eller lave temperaturer, foreldet luft eller høyt trykk.
Hvert år absorberer en person i gjennomsnitt omtrent en tiendedel av en rad ioniserende stråling som utgjør den naturlige strålingsbakgrunnen. Dette tallet inkluderer gammastråling fra jordens kjerne, solvinden og radioaktiviteten til grunnstoffer som finnes i tykkelsen på jordskorpen og er oppløst i atmosfæren. Dosen som mottas avhenger også av hvor personen befinner seg. En fjerdedel av alle spontane mutasjoner skjer på grunn av denne faktoren.
UV-stråling, i motsetning til hva mange tror, spiller en mindre rolle iforekomsten av DNA-nedbrytninger, da det ikke kan trenge dypt nok inn i menneskekroppen. Men huden lider ofte av overdreven soleksponering (melanom og andre kreftformer). Encellede organismer og virus muterer imidlertid når de utsettes for sollys.
For høye eller lave temperaturer kan også forårsake endringer i arvestoffet.
Endogene årsaker til mutasjoner
Hovedårsakene til at spontan mutasjon kan oppstå er fortsatt endogene faktorer. Disse inkluderer metabolske biprodukter, feil i prosessen med replikering, reparasjon eller rekombinasjon og andre.
-
Feil i replikering:
- spontane overganger og inversjoner av nitrogenholdige baser;
- feil innsetting av nukleotider på grunn av feil i DNA-polymeraser;- kjemisk erstatning av nukleotider, for eksempel guanin-cytosin til adenin-guanin.
- Restoration errors:-mutasjoner i genene som er ansvarlige for reparasjon av individuelle deler av DNA-kjeden etter at de brytes under påvirkning av eksterne faktorer.
- Problemer med rekombinasjon:- feil i prosessene med å krysse over under meiose eller mitose fører til tap og fullføring av baser.
Dette er hovedfaktorene som forårsaker spontane mutasjoner. Årsakene til feil kan ligge i aktivering av mutatorgener, samt konvertering av sikre kjemiske forbindelser til mer aktive metabolitter som påvirker cellekjernen. I tillegg kommer også strukturelle faktorer. Disse inkluderer repetisjoner av nukleotidsekvensen nær stedetkjedeomorganiseringer, tilstedeværelsen av ytterligere DNA-seksjoner som i struktur ligner genet, samt mobile elementer av genomet.
Mutasjonspatogenese
Spontan mutasjon oppstår på grunn av virkningen av alle de ovennevnte faktorene som virker sammen eller hver for seg i en viss periode av cellens liv. Det er et slikt fenomen som et glidende brudd på sammenkoblingen av datteren og mors DNA-tråder. Som et resultat dannes ofte løkker fra peptider som ikke har vært i stand til å passe inn i sekvensen tilstrekkelig. Etter fjerning av overflødige DNA-fragmenter fra datterstrengen, kan løkkene både reseksjoneres (delesjoner) og bygges inn (dupliseringer, innsettinger). Endringene som har dukket opp blir fikset i de neste celledelingssyklusene.
Hastigheten og antallet mutasjoner som oppstår avhenger av primærstrukturen til DNA. Noen forskere mener at absolutt alle DNA-sekvenser er mutagene hvis de danner bøyninger.
De vanligste spontane mutasjonene
Hva er den vanligste manifestasjonen av spontane mutasjoner i arvestoffet? Eksempler på slike forhold er tap av nitrogenholdige baser og fjerning av aminosyrer. Cytosinrester anses som spesielt følsomme for dem.
Det er bevist at i dag har mer enn halvparten av virveldyrene en mutasjon av cytosinrester. Etter deaminering endres metylcytosin til tymin. Etterfølgende kopiering av denne delen gjentar feilen eller sletter den, eller dobler ogmuterer til et nytt fragment.
En annen årsak til hyppige spontane mutasjoner er et stort antall pseudogener. På grunn av dette kan ulik homologe rekombinasjoner dannes under meiose. Dette resulterer i omorganiseringer i gener, vendinger og doblinger av individuelle nukleotidsekvenser.
Polymerasemodell for mutagenese
I følge denne modellen oppstår spontane mutasjoner som følge av tilfeldige feil i molekylene som syntetiserer DNA. For første gang ble en slik modell presentert av Bresler. Han foreslo at mutasjoner oppstår på grunn av at polymeraser i noen tilfeller setter inn ikke-komplementære nukleotider i sekvensen.
År senere, etter lange tester og eksperimenter, ble dette synspunktet godkjent og akseptert i den vitenskapelige verden. Visse mønstre har til og med blitt utledet som lar forskere kontrollere og styre mutasjoner ved å utsette visse deler av DNA for ultrafiolett lys. Så for eksempel ble det funnet at adenin oftest er innebygd på motsatt side av den skadede tripletten.
Tautomer modell for mutagenese
En annen teori som forklarer spontane og kunstige mutasjoner ble foreslått av Watson og Crick (oppdagerne av strukturen til DNA). De foreslo at mutagenese er basert på evnen til enkelte DNA-baser til å bli til tautomere former som endrer måten basene er koblet sammen på.
Etter publisering ble hypotesen aktivt utviklet. Nye former for nukleotider ble oppdaget etterbestråle dem med ultrafiolett lys. Dette ga forskerne nye muligheter for forskning. Moderne vitenskap diskuterer fortsatt rollen til tautomere former i spontan mutagenese og dens innflytelse på antall oppdagede mutasjoner.
Andre modeller
Spontan mutasjon er mulig i strid med gjenkjennelsen av nukleinsyrer av DNA-polymeraser. Poltaev og medforfattere belyste mekanismen som sikrer samsvar med prinsippet om komplementaritet i syntesen av datter-DNA-molekyler. Denne modellen gjorde det mulig å studere regelmessighetene av utseendet til spontan mutagenese. Forskere forklarte oppdagelsen med det faktum at hovedårsaken til endringen i strukturen til DNA er syntesen av ikke-kanoniske nukleotidpar.
De foreslo at basesubstitusjon skjer på grunn av deaminering av DNA-segmenter. Dette fører til en endring i cytosin til tymin eller uracil. På grunn av slike mutasjoner dannes par av inkompatible nukleotider. Derfor, under neste replikering, skjer en overgang (punktutskifting av nukleotidbaser).
Klassifisering av mutasjoner: spontan
Det finnes ulike klassifiseringer av mutasjoner avhengig av hvilket kriterium som ligger til grunn for dem. Det er en inndeling etter arten av endringen i funksjonen til genet:
- hypomorfe (muterte alleler syntetiserer færre proteiner, men de ligner på de opprinnelige);
- amorf (genet har fullstendig mistet funksjonene sine);
- antimorfe (den mutert gen endrer fullstendig denne egenskapen, som representerer);- neomorfisk (nye tegn vises).
Men en mer vanlig klassifisering som deler alle mutasjoner i forhold til variabelenstruktur. Høydepunkt:
1. Genomiske mutasjoner. Disse inkluderer polyploidi, det vil si dannelsen av et genom med et trippel eller flere sett med kromosomer, og aneuploidi, antall kromosomer i genomet er ikke et multiplum av det haploide tallet.
2. Kromosomale mutasjoner. Betydelige omorganiseringer av individuelle seksjoner av kromosomer er observert. Det er tap av informasjon (sletting), dets dobling (duplisering), en endring i retning av nukleotidsekvenser (inversjon), samt overføring av kromosomseksjoner til et annet sted (translokasjon).3. Genmutasjon. Den vanligste mutasjonen. I DNA-kjeden er flere tilfeldige nitrogenholdige baser erstattet.
Konsekvenser av mutasjoner
Spontane mutasjoner er årsakene til svulster, lagringssykdommer, funksjonssvikt i organer og vev hos mennesker og dyr. Hvis en mutert celle er lokalisert i en stor flercellet organisme, vil den med stor sannsynlighet bli ødelagt ved å utløse apoptose (programmert celledød). Kroppen styrer prosessen med å bevare arvestoffet og blir ved hjelp av immunsystemet kvitt alle mulige skadede celler.
I ett tilfelle av hundretusenvis har ikke T-lymfocytter tid til å gjenkjenne den berørte strukturen, og det gir opphav til en klon av celler som også inneholder det muterte genet. Cellekonglomeratet har allerede andre funksjoner, produserer giftige stoffer og påvirker kroppens generelle tilstand negativt.
Hvis mutasjonen ikke skjedde i den somatiske, men i kjønnscellen, vil endringene bli observert i etterkommerne. De ermanifesteres av medfødte organpatologier, deformiteter, metabolske forstyrrelser og lagringssykdommer.
Spontane mutasjoner: betydning
I noen tilfeller kan tidligere tilsynelatende ubrukelige mutasjoner være nyttige for å tilpasse seg nye levekår. Dette representerer mutasjon som et mål på naturlig utvalg. Dyr, fugler og insekter er kamuflert i henhold til deres oppholdsområde for å beskytte seg mot rovdyr. Men hvis habitatet deres endrer seg, prøver naturen ved hjelp av mutasjoner å beskytte arten mot utryddelse. Under nye forhold overlever de sterkeste og gir denne evnen videre til andre.
Mutasjon kan forekomme i inaktive områder av genomet, og da observeres ingen synlige endringer i fenotypen. Det er mulig å oppdage "brudd" kun ved hjelp av spesifikke studier. Dette er nødvendig for å studere opprinnelsen til beslektede dyrearter og lage deres genetiske kart.
Problemet med mutasjoners spontanitet
På 40-tallet av forrige århundre var det en teori om at mutasjoner utelukkende er forårsaket av påvirkning av ytre faktorer og bidrar til å tilpasse seg dem. For å teste denne teorien ble det utviklet en spesiell test- og repetisjonsmetode.
Prosedyren bestod i at en liten mengde bakterier av samme art ble sådd på reagensglass og etter flere inokulasjoner ble det tilsatt antibiotika. Noen av mikroorganismene overlevde og ble overført til et nytt medium. Sammenligning av bakterier fra forskjellige rør viste at det oppsto resistensspontant, både før og etter eksponering for antibiotika.
Repetisjonsmetoden var at mikroorganismer ble overført til en fleecy klut, og deretter overført til flere rene medier samtidig. Nye kolonier ble dyrket og behandlet med et antibiotikum. Som et resultat overlevde bakterier lokalisert i de samme delene av mediet i forskjellige prøverør.
