Koje se mutacije nazivaju spontanim? Ako pojam prevedemo na pristupačan jezik, onda su to prirodne greške koje se javljaju u procesu interakcije genetskog materijala s unutarnjim i/ili vanjskim okruženjem. Takve mutacije su obično nasumične. Oni se opažaju u genitalnim i drugim ćelijama tela.
Egzogeni uzroci mutacija
Spontana mutacija može nastati pod uticajem hemikalija, radijacije, visokih ili niskih temperatura, razrijeđenog zraka ili visokog pritiska.
Svake godine, u prosjeku, osoba apsorbira oko jedne desetine rada jonizujućeg zračenja koje čini prirodnu radijacijsku pozadinu. Ovaj broj uključuje gama zračenje iz Zemljinog jezgra, solarni vjetar i radioaktivnost elemenata koji se nalaze u debljini zemljine kore i otopljeni u atmosferi. Primljena doza takođe zavisi od toga gde se osoba nalazi. Četvrtina svih spontanih mutacija dešava se zbog ovog faktora.
UV zračenje, suprotno uvriježenom mišljenju, igra manju ulogu upojava raspada DNK, jer ne može prodreti dovoljno duboko u ljudski organizam. Ali koža često pati od prekomjernog izlaganja suncu (melanom i drugi karcinomi). Međutim, jednoćelijski organizmi i virusi mutiraju kada su izloženi sunčevoj svjetlosti.
Previsoke ili niske temperature također mogu uzrokovati promjene u genetskom materijalu.
Endogeni uzroci mutacija
Glavni razlozi zbog kojih može doći do spontane mutacije ostaju endogeni faktori. To uključuje metaboličke nusproizvode, greške u procesu replikacije, popravke ili rekombinacije i ostalo.
-
Neuspesi u replikaciji:
- spontane tranzicije i inverzije azotnih baza;
- netačno umetanje nukleotida zbog grešaka u DNK polimerazama;- hemijska zamena nukleotida, na primjer, gvanin-citozin u adenin-guanin.
- Greške restauracije:-mutacije u genima odgovornim za popravak pojedinačnih dijelova DNK lanca nakon što se pokidaju pod utjecajem vanjskih faktora.
- Problemi sa rekombinacijom:- kvarovi u procesima prelaska tokom mejoze ili mitoze dovode do gubitka i kompletiranja baza.
Ovo su glavni faktori koji uzrokuju spontane mutacije. Razlozi neuspjeha mogu biti u aktivaciji mutatorskih gena, kao i u pretvaranju sigurnih kemijskih spojeva u aktivnije metabolite koji utječu na jezgro ćelije. Osim toga, postoje i strukturni faktori. To uključuje ponavljanje nukleotidne sekvence u blizini mjestarearanžiranja lanaca, prisustvo dodatnih dijelova DNK sličnih po strukturi genu, kao i mobilnih elemenata genoma.
Patogeneza mutacije
Spontana mutacija nastaje usled uticaja svih gore navedenih faktora koji deluju zajedno ili odvojeno u određenom periodu života ćelije. Postoji takav fenomen kao što je klizna povreda uparivanja lanaca DNK kćeri i majke. Kao rezultat toga, petlje se često formiraju od peptida koji nisu bili u stanju da se adekvatno uklope u sekvencu. Nakon uklanjanja viška fragmenata DNK iz lanca kćeri, petlje se mogu i resecirati (delecije) i ugraditi (duplikacije, insercije). Promjene koje su se pojavile se fiksiraju u narednim ciklusima diobe ćelija.
Brzina i broj mutacija koje se javljaju zavise od primarne strukture DNK. Neki naučnici vjeruju da su apsolutno sve sekvence DNK mutagene ako formiraju zavoje.
Najčešće spontane mutacije
Koja je najčešća manifestacija spontanih mutacija u genetskom materijalu? Primjeri takvih stanja su gubitak azotnih baza i uklanjanje aminokiselina. Ostaci citozina smatraju se posebno osjetljivima na njih.
Dokazano je da danas više od polovine kralježnjaka ima mutaciju ostataka citozina. Nakon deaminacije, metilcitozin prelazi u timin. Naknadno kopiranje ovog odjeljka ponavlja grešku ili je briše, ili udvostručuje imutira u novi fragment.
Još jedan razlog za česte spontane mutacije je veliki broj pseudogena. Zbog toga se tokom mejoze mogu formirati nejednake homologne rekombinacije. Ovo rezultira preuređivanjem gena, okretima i udvostručavanjem pojedinačnih nukleotidnih sekvenci.
Polimerazni model mutageneze
Prema ovom modelu, spontane mutacije nastaju kao rezultat slučajnih grešaka u molekulima koji sintetišu DNK. Po prvi put takav model je predstavio Bresler. On je sugerirao da se mutacije pojavljuju zbog činjenice da polimeraze u nekim slučajevima ubacuju nekomplementarne nukleotide u sekvencu.
Godinama kasnije, nakon dugih ispitivanja i eksperimenata, ovo gledište je odobreno i prihvaćeno u naučnom svijetu. Čak su zaključeni određeni obrasci koji omogućavaju naučnicima da kontrolišu i usmjeravaju mutacije izlažući određene dijelove DNK ultraljubičastom svjetlu. Tako je, na primjer, ustanovljeno da je adenin najčešće ugrađen nasuprot oštećenom tripletu.
Tautomerni model mutageneze
Još jednu teoriju koja objašnjava spontane i vještačke mutacije predložili su Watson i Crick (otkrivači strukture DNK). Oni su sugerirali da se mutageneza zasniva na sposobnosti nekih DNK baza da se pretvore u tautomerne forme koje mijenjaju način na koji su baze povezane.
Nakon objavljivanja, hipoteza se aktivno razvijala. Nakon toga su otkriveni novi oblici nukleotidazračenjem ih ultraljubičastim svjetlom. To je naučnicima dalo nove mogućnosti za istraživanje. Moderna nauka još uvijek raspravlja o ulozi tautomernih oblika u spontanoj mutagenezi i njihovom utjecaju na broj otkrivenih mutacija.
Drugi modeli
Moguća je spontana mutacija uz kršenje prepoznavanja nukleinskih kiselina od strane DNK polimeraze. Poltaev i koautori su razjasnili mehanizam koji obezbeđuje poštovanje principa komplementarnosti u sintezi ćerki DNK molekula. Ovaj model je omogućio proučavanje zakonitosti pojave spontane mutageneze. Naučnici su svoje otkriće objasnili činjenicom da je glavni razlog za promjenu strukture DNK sinteza nekanonskih parova nukleotida.
Predložili su da do zamjene baze dolazi zbog deaminacije DNK segmenata. To dovodi do promjene citozina u timin ili uracil. Zbog takvih mutacija nastaju parovi nekompatibilnih nukleotida. Stoga, tokom sljedeće replikacije, dolazi do tranzicije (tačkaste zamjene nukleotidnih baza).
Klasifikacija mutacija: spontana
Postoje različite klasifikacije mutacija u zavisnosti od toga koji je kriterijum u njihovoj osnovi. Postoji podjela prema prirodi promjene u funkciji gena:
- hipomorfni (mutirani aleli sintetiziraju manje proteina, ali su slični originalnim);
- amorfni (gen je potpuno izgubio svoje funkcije);
- antimorfni (mutirani gen potpuno mijenja tu osobinu, što predstavlja);- neomorfno (pojavljuju se novi znakovi).
Ali češća klasifikacija koja dijeli sve mutacije proporcionalno varijablistruktura. Istaknite:
1. Genomske mutacije. To uključuje poliploidiju, odnosno formiranje genoma sa trostrukim ili više seta hromozoma, i aneuploidiju, broj hromozoma u genomu nije višekratnik haploidnog broja.
2. Hromozomske mutacije. Zapažene su značajne promjene pojedinih dijelova hromozoma. Dolazi do gubitka informacija (delecija), do njenog udvostručavanja (duplikacije), promene smera nukleotidnih sekvenci (inverzija), kao i do prenošenja hromozomskih delova na drugo mesto (translokacija).3. Genska mutacija. Najčešća mutacija. U lancu DNK, nekoliko nasumičnih azotnih baza je zamijenjeno.
Posljedice mutacija
Spontane mutacije su uzroci tumora, bolesti skladištenja, disfunkcija organa i tkiva kod ljudi i životinja. Ako se mutirana ćelija nalazi u velikom višećelijskom organizmu, tada će sa velikom vjerovatnoćom biti uništena pokretanjem apoptoze (programirana ćelijska smrt). Tijelo kontroliše proces očuvanja genetskog materijala i uz pomoć imunološkog sistema oslobađa se svih mogućih oštećenih ćelija.
U jednom slučaju od stotina hiljada, T-limfociti nemaju vremena da prepoznaju zahvaćenu strukturu i to stvara klon ćelija koji takođe sadrži mutirani gen. Konglomerat ćelija već ima druge funkcije, proizvodi toksične supstance i negativno utiče na opšte stanje organizma.
Ako se mutacija nije dogodila u somatskoj, već u zametnoj ćeliji, tada će se promjene uočiti kod potomaka. Oni sumanifestiraju se urođenim patologijama organa, deformitetima, metaboličkim poremećajima i bolestima skladištenja.
Spontane mutacije: značenje
U nekim slučajevima, ranije naizgled beskorisne mutacije mogu biti korisne za prilagođavanje novim životnim uslovima. Ovo predstavlja mutaciju kao mjeru prirodne selekcije. Životinje, ptice i insekti su kamuflirani u skladu sa svojim područjem stanovanja kako bi se zaštitili od grabežljivaca. Ali ako se njihovo stanište promijeni, onda uz pomoć mutacija priroda pokušava zaštititi vrstu od izumiranja. U novim uslovima, najsposobniji preživljavaju i prenose ovu sposobnost na druge.
Mutacija se može desiti u neaktivnim regionima genoma i tada se ne primećuju vidljive promene u fenotipu. Moguće je otkriti "lom" samo uz pomoć specifičnih studija. Ovo je neophodno za proučavanje porijekla srodnih životinjskih vrsta i izradu njihovih genetskih mapa.
Problem spontanosti mutacija
40-tih godina prošlog veka postojala je teorija da su mutacije uzrokovane isključivo uticajem spoljašnjih faktora i pomažu pri prilagođavanju na njih. Da bi se testirala ova teorija, razvijena je posebna metoda testiranja i ponavljanja.
Procedura se sastojala u tome da je mala količina bakterija iste vrste posijana na epruvete i nakon nekoliko inokulacija u njih su dodani antibiotici. Neki od mikroorganizama su preživjeli i prebačeni su u novi medij. Poređenje bakterija iz različitih epruveta pokazalo je da se javlja otporspontano, i prije i nakon izlaganja antibioticima.
Metoda ponavljanja je bila da su mikroorganizmi prebačeni na vunenu tkaninu, a zatim prebačeni istovremeno na nekoliko čistih podloga. Nove kolonije su uzgajane i tretirane antibiotikom. Kao rezultat toga, bakterije smještene u istim dijelovima podloge preživjele su u različitim epruvetama.
