Koje se mutacije nazivaju spontanim? Ako pojam prevedemo na pristupačan jezik, onda su to prirodne pogreške koje se javljaju u procesu interakcije genetskog materijala s unutarnjim i/ili vanjskim okruženjem. Takve su mutacije obično nasumične. Oni se promatraju u genitalnim i drugim stanicama tijela.
Egzogeni uzroci mutacija
Spontana mutacija može nastati pod utjecajem kemikalija, zračenja, visokih ili niskih temperatura, razrijeđenog zraka ili visokog tlaka.
Svake godine, u prosjeku, osoba apsorbira oko jedne desetine rada ionizirajućeg zračenja koje čini prirodnu pozadinu zračenja. Ovaj broj uključuje gama zračenje iz Zemljine jezgre, solarni vjetar i radioaktivnost elemenata koji se nalaze u debljini zemljine kore i otopljeni u atmosferi. Primljena doza također ovisi o tome gdje se osoba nalazi. Četvrtina svih spontanih mutacija događa se zbog ovog faktora.
UV zračenje, suprotno uvriježenom mišljenju, igra sporednu ulogu upojava raspada DNK, jer ne može prodrijeti dovoljno duboko u ljudsko tijelo. No, koža često pati od pretjeranog izlaganja suncu (melanom i drugi karcinomi). Međutim, jednostanični 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 čimbenici. To uključuje metaboličke nusproizvode, pogreške u procesu replikacije, popravka ili rekombinacije i ostalo.
-
Pogreške u replikaciji:
- spontani prijelazi i inverzije dušičnih baza;
- netočno umetanje nukleotida zbog pogrešaka u DNA polimerazama;- kemijska zamjena nukleotida, na primjer, guanin-citozin u adenin-guanin.
- Pogreške restauracije:-mutacije u genima odgovornim za popravak pojedinih dijelova DNK lanca nakon što se prekinu pod utjecajem vanjskih čimbenika.
- Problemi s rekombinacijom:- kvarovi u procesima križanja tijekom mejoze ili mitoze dovode do gubitka i kompletiranja baza.
Ovo su glavni čimbenici koji uzrokuju spontane mutacije. Razlozi neuspjeha mogu biti u aktivaciji mutatorskih gena, kao i pretvorbi sigurnih kemijskih spojeva u aktivnije metabolite koji utječu na staničnu jezgru. Osim toga, postoje i strukturni čimbenici. To uključuje ponavljanja nukleotidnog slijeda u blizini mjestapreustroja lanaca, prisutnost dodatnih dijelova DNK sličnih strukturi genu, kao i mobilnih elemenata genoma.
Patogeneza mutacije
Spontana mutacija nastaje zbog utjecaja svih gore navedenih čimbenika koji djeluju zajedno ili zasebno u određenom razdoblju života stanice. Postoji takav fenomen kao što je klizna povreda uparivanja lanaca DNK kćeri i majke. Kao rezultat toga, petlje se često formiraju od peptida koji se nisu mogli adekvatno uklopiti u slijed. Nakon uklanjanja viška fragmenata DNA iz lanca kćeri, petlje se mogu i resecirati (delecije) i ugraditi (duplikacije, insercije). Promjene koje su se pojavile fiksiraju se u sljedećim ciklusima stanične diobe.
Brzina i broj mutacija koje se javljaju ovise o primarnoj strukturi DNK. Neki znanstvenici 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 dušičnih baza i uklanjanje aminokiselina. Ostaci citozina smatraju se posebno osjetljivima na njih.
Dokazano je da danas više od polovice kralježnjaka ima mutaciju ostataka citozina. Nakon deaminacije, metilcitozin prelazi u timin. Naknadno kopiranje ovog odjeljka ponavlja pogrešku ili je briše, ili udvostručuje imutira u novi fragment.
Drugi razlog čestih spontanih mutacija je veliki broj pseudogena. Zbog toga se tijekom mejoze mogu formirati nejednake homologne rekombinacije. To rezultira preuređivanjem gena, okretima i udvostručavanjem pojedinačnih nukleotidnih sekvenci.
Polimerazni model mutageneze
Prema ovom modelu, spontane mutacije nastaju kao rezultat slučajnih pogrešaka u molekulama koje sintetiziraju DNK. Po prvi put takav model predstavio je Bresler. Predložio je da se mutacije pojavljuju zbog činjenice da polimeraze u nekim slučajevima ubacuju nekomplementarne nukleotide u sekvencu.
Godinama kasnije, nakon dugotrajnih ispitivanja i eksperimenata, ovo je stajalište odobreno i prihvaćeno u znanstvenom svijetu. Čak su zaključeni određeni obrasci koji omogućuju znanstvenicima da kontroliraju i usmjeravaju mutacije izlažući određene dijelove DNK ultraljubičastom svjetlu. Tako je, na primjer, ustanovljeno da je adenin najčešće ugrađen nasuprot oštećenom trojku.
Tautomerni model mutageneze
Još jednu teoriju koja objašnjava spontane i umjetne mutacije predložili su Watson i Crick (otkrivači strukture DNK). Predložili su da se mutageneza temelji na sposobnosti nekih DNK baza da se pretvore u tautomerne oblike koji mijenjaju način na koji su baze povezane.
Nakon objave, hipoteza se aktivno razvijala. Novi oblici nukleotida otkriveni su nakonzračeći ih ultraljubičastim svjetlom. To je znanstvenicima dalo nove mogućnosti za istraživanje. Moderna znanost još uvijek raspravlja o ulozi tautomernih oblika u spontanoj mutagenezi i njihovom utjecaju na broj otkrivenih mutacija.
Drugi modeli
Moguća je spontana mutacija u slučaju kršenja prepoznavanja nukleinskih kiselina od strane DNA polimeraze. Poltaev i suautori razjasnili su mehanizam koji osigurava poštivanje principa komplementarnosti u sintezi kćerinskih molekula DNA. Ovaj model omogućio je proučavanje zakonitosti pojave spontane mutageneze. Znanstvenici su svoje otkriće objasnili činjenicom da je glavni razlog promjene strukture DNK sinteza nekanonskih parova nukleotida.
Predložili su da do zamjene baza dolazi zbog deaminacije segmenata DNA. To dovodi do promjene citozina u timin ili uracil. Zbog takvih mutacija nastaju parovi nekompatibilnih nukleotida. Stoga, tijekom sljedeće replikacije, dolazi do prijelaza (točkaste zamjene nukleotidnih baza).
Klasifikacija mutacija: spontane
Postoje različite klasifikacije mutacija ovisno o tome na kojem kriteriju se nalaze. Postoji podjela prema prirodi promjene u funkciji gena:
- hipomorfni (mutirani aleli sintetiziraju manje proteina, ali su slični izvornim);
- amorfni (gen je potpuno izgubio svoje funkcije);
- antimorfni (mutirani gen potpuno mijenja tu osobinu, što predstavlja);- neomorf (pojavljuju se novi znakovi).
Ali češća klasifikacija koja sve mutacije dijeli proporcionalno varijablistruktura. Istaknite:
1. Genomske mutacije. To uključuje poliploidiju, to jest stvaranje genoma s trostrukim ili više skupa kromosoma, i aneuploidiju, broj kromosoma u genomu nije višekratnik haploidnog broja.
2. Kromosomske mutacije. Uočavaju se značajne promjene pojedinih dijelova kromosoma. Dolazi do gubitka informacije (delecija), njenog udvostručavanja (duplikacije), promjene smjera nukleotidnih sekvenci (inverzija), kao i prijenosa kromosomskih dijelova na drugo mjesto (translokacija).3. Genska mutacija. Najčešća mutacija. U lancu DNK zamjenjuje se nekoliko nasumičnih dušičnih baza.
Posljedice mutacija
Spontane mutacije su uzroci tumora, bolesti skladištenja, disfunkcije organa i tkiva kod ljudi i životinja. Ako se mutirana stanica nalazi u velikom višestaničnom organizmu, tada će s velikim stupnjem vjerojatnosti biti uništena pokretanjem apoptoze (programirana stanična smrt). Tijelo kontrolira proces očuvanja genetskog materijala te se uz pomoć imunološkog sustava rješava svih mogućih oštećenih stanica.
U jednom slučaju od stotina tisuća, T-limfociti nemaju vremena prepoznati zahvaćenu strukturu, pa nastaje klon stanica koji također sadrži mutirani gen. Konglomerat stanica već ima druge funkcije, proizvodi otrovne tvari i negativno utječe na opće stanje organizma.
Ako se mutacija nije dogodila u somatskoj, već u zametnoj stanici, tada će se promjene primijetiti 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 prilagodbu novim životnim uvjetima. Ovo predstavlja mutaciju kao mjeru prirodne selekcije. Životinje, ptice i kukci kamuflirani su u skladu s njihovim 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 uvjetima, najsposobniji preživljavaju i prenose ovu sposobnost na druge.
Mutacija se može dogoditi u neaktivnim regijama genoma i tada se ne uočavaju vidljive promjene u fenotipu. Moguće je otkriti "lom" samo uz pomoć specifičnih studija. To je potrebno za proučavanje porijekla srodnih životinjskih vrsta i izradu njihovih genetskih karata.
Problem spontanosti mutacija
40-ih godina prošlog stoljeća postojala je teorija da su mutacije uzrokovane isključivo utjecajem vanjskih čimbenika i pomažu pri prilagodbi na njih. Kako bi se testirala ova teorija, razvijena je posebna metoda ispitivanja 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. Usporedba bakterija iz različitih epruveta pokazala 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 medija. Nove kolonije su uzgajane i tretirane antibiotikom. Kao rezultat toga, bakterije smještene u istim dijelovima medija preživjele su u različitim epruvetama.
