Katere mutacije se imenujejo spontane? Če izraz prevedemo v dostopen jezik, so to naravne napake, ki nastanejo v procesu interakcije genskega materiala z notranjim in/ali zunanjim okoljem. Takšne mutacije so običajno naključne. Opazimo jih v genitalnih in drugih celicah telesa.
Exogeni vzroki mutacij
Spontana mutacija se lahko pojavi pod vplivom kemikalij, sevanja, visokih ali nizkih temperatur, redkega zraka ali visokega tlaka.
Vsako leto v povprečju človek absorbira približno eno desetino rada ionizirajočega sevanja, ki sestavlja naravno ozadje sevanja. To število vključuje gama sevanje iz zemeljskega jedra, sončni veter in radioaktivnost elementov, ki se nahajajo v debelini zemeljske skorje in so raztopljeni v atmosferi. Prejeti odmerek je odvisen tudi od tega, kje se oseba nahaja. Četrtina vseh spontanih mutacij se zgodi zaradi tega dejavnika.
UV sevanje, v nasprotju s splošnim prepričanjem, igra manjšo vlogo pripojav razpada DNK, saj ne more prodreti dovolj globoko v človeško telo. Toda koža pogosto trpi zaradi prekomerne izpostavljenosti soncu (melanom in drugi raki). Vendar pa enocelični organizmi in virusi mutirajo, ko so izpostavljeni sončni svetlobi.
Previsoke ali nizke temperature lahko povzročijo tudi spremembe v genskem materialu.
Endogeni vzroki mutacij
Glavni razlogi, zakaj lahko pride do spontane mutacije, ostajajo endogeni dejavniki. Sem spadajo presnovni stranski produkti, napake v procesu replikacije, popravila ali rekombinacije in drugo.
-
Napake pri replikaciji:
- spontani prehodi in inverzije dušikovih baz;
- nepravilna vstavitev nukleotidov zaradi napak v DNK polimerazah;- kemična zamenjava nukleotidov, na primer, gvanin-citozin v adenin-gvanin.
- Napake pri obnovi:-mutacije v genih, odgovornih za popravilo posameznih delov verige DNK, potem ko se zlomijo pod vplivom zunanjih dejavnikov.
- Težave z rekombinacijo:- neuspehi v procesih prehoda med mejozo ali mitozo vodijo do izgube in dokončanja baz.
To so glavni dejavniki, ki povzročajo spontane mutacije. Razlogi za neuspehe so lahko v aktivaciji mutatorskih genov, pa tudi v pretvorbi varnih kemičnih spojin v bolj aktivne presnovke, ki vplivajo na celično jedro. Poleg tega obstajajo tudi strukturni dejavniki. Ti vključujejo ponovitve nukleotidnega zaporedja v bližini mestaverižne preureditve, prisotnost dodatnih delov DNK, podobnih po strukturi genu, pa tudi mobilnih elementov genoma.
Patogeneza mutacije
Spontana mutacija nastane zaradi vpliva vseh zgoraj navedenih dejavnikov, ki delujejo skupaj ali ločeno v določenem obdobju življenja celice. Obstaja takšen pojav, kot je drsna kršitev združevanja hčerinskih in materinih verig DNK. Posledično se pogosto tvorijo zanke iz peptidov, ki se niso mogli ustrezno prilegati v zaporedje. Po odstranitvi presežnih fragmentov DNK iz hčerinske verige lahko zanke tako reseciramo (delecije) kot vgradimo (podvojitve, vstavitve). Spremembe, ki so se pojavile, se popravijo v naslednjih ciklih delitve celic.
Stopnja in število mutacij, ki se pojavijo, sta odvisna od primarne strukture DNK. Nekateri znanstveniki verjamejo, da so absolutno vse sekvence DNK mutagene, če tvorijo zavoje.
Najpogostejše spontane mutacije
Kaj je najpogostejša manifestacija spontanih mutacij v genskem materialu? Primera takšnih stanj sta izguba dušikovih baz in odstranitev aminokislin. Ostanki citozina veljajo za posebej občutljive nanje.
Dokazano je, da ima danes več kot polovica vretenčarjev mutacijo ostankov citozina. Po deaminaciji se metilcitozin spremeni v timin. Naknadno kopiranje tega razdelka ponovi napako ali jo izbriše ali podvoji inmutira v nov fragment.
Drugi razlog za pogoste spontane mutacije je veliko število psevdogenov. Zaradi tega lahko med mejozo nastanejo neenake homologne rekombinacije. To ima za posledico preureditve genov, obrate in podvojitve posameznih nukleotidnih zaporedij.
polimerazni model mutageneze
Po tem modelu se spontane mutacije pojavijo kot posledica naključnih napak v molekulah, ki sintetizirajo DNK. Prvič je tak model predstavil Bresler. Predlagal je, da se mutacije pojavijo zaradi dejstva, da polimeraze v nekaterih primerih vstavijo nekomplementarne nukleotide v zaporedje.
Leta pozneje, po dolgotrajnih testiranjih in eksperimentih, je bilo to stališče odobreno in sprejeto v znanstvenem svetu. Določeni so bili celo nekateri vzorci, ki znanstvenikom omogočajo nadzor in usmerjanje mutacij z izpostavljanjem določenih delov DNK ultravijolični svetlobi. Tako je bilo na primer ugotovljeno, da je adenin najpogosteje vgrajen nasproti poškodovanemu trojčku.
Tavtomerni model mutageneze
Še eno teorijo, ki pojasnjuje spontane in umetne mutacije, sta predlagala Watson in Crick (odkritelja strukture DNK). Predlagali so, da mutageneza temelji na sposobnosti nekaterih baz DNK, da se spremenijo v tavtomerne oblike, ki spremenijo način povezovanja baz.
Po objavi se je hipoteza aktivno razvijala. Po tem so odkrili nove oblike nukleotidovjih obsevamo z ultravijolično svetlobo. To je znanstvenikom dalo nove možnosti za raziskave. Sodobna znanost še vedno razpravlja o vlogi tavtomernih oblik pri spontani mutagenezi in njenem vplivu na število odkritih mutacij.
Drugi modeli
Mogoča je spontana mutacija, ki krši prepoznavanje nukleinskih kislin z DNK polimerazami. Poltaev in soavtorji so razjasnili mehanizem, ki zagotavlja skladnost z načelom komplementarnosti pri sintezi hčerinskih molekul DNK. Ta model je omogočil preučevanje zakonitosti pojava spontane mutageneze. Znanstveniki so svoje odkritje pojasnili z dejstvom, da je glavni razlog za spremembo strukture DNK sinteza nekanonskih parov nukleotidov.
Predlagali so, da do zamenjave baze pride zaradi deaminacije segmentov DNK. To vodi do spremembe citozina v timin ali uracil. Zaradi takšnih mutacij nastanejo pari nezdružljivih nukleotidov. Zato med naslednjo replikacijo pride do prehoda (točkovna zamenjava nukleotidnih baz).
Razvrstitev mutacij: spontane
Obstajajo različne klasifikacije mutacij, odvisno od tega, kateri kriterij je podlaga zanje. Obstaja delitev glede na naravo spremembe v funkciji gena:
- hipomorfen (mutirani aleli sintetizirajo manj beljakovin, vendar so podobni originalnim);
- amorfni (gen je popolnoma izgubil svoje funkcije);
- antimorfni (mutiran gen popolnoma spremeni to lastnost, kar predstavlja);- neomorfna (pojavijo se novi znaki).
Toda bolj pogosta klasifikacija, ki deli vse mutacije sorazmerno s spremenljivkostrukturo. Označi:
1. Genomske mutacije. Sem spadata poliploidija, to je tvorba genoma s trojnim ali več naborom kromosomov, in aneuploidija, pri čemer število kromosomov v genomu ni večkratnik haploidnega števila.
2. Kromosomske mutacije. Opažene so pomembne preureditve posameznih odsekov kromosomov. Pojavi se izguba informacije (delecija), njeno podvojitev (podvajanje), sprememba smeri nukleotidnih zaporedij (inverzija), pa tudi prenos kromosomskih odsekov na drugo mesto (translokacija).3. Genska mutacija. Najpogostejša mutacija. V verigi DNK se zamenja več naključnih dušikovih baz.
Posledice mutacij
Spontane mutacije so vzroki za tumorje, bolezni shranjevanja, disfunkcije organov in tkiv pri ljudeh in živalih. Če se mutirana celica nahaja v velikem večceličnem organizmu, bo z veliko verjetnostjo uničena s sprožitvijo apoptoze (programirana celična smrt). Telo nadzoruje proces ohranjanja genskega materiala in se s pomočjo imunskega sistema znebi vseh možnih poškodovanih celic.
V enem primeru od sto tisoč T-limfociti nimajo časa, da bi prepoznali prizadeto strukturo, kar povzroči nastanek klona celic, ki vsebuje tudi mutiran gen. Konglomerat celic ima že druge funkcije, proizvaja strupene snovi in negativno vpliva na splošno stanje telesa.
Če se mutacija ni pojavila v somatski, ampak v zarodni celici, bodo spremembe opazovane pri potomcih. sose kažejo s prirojenimi patologijami organov, deformacijami, presnovnimi motnjami in boleznimi shranjevanja.
Spontane mutacije: pomen
V nekaterih primerih so lahko prej na videz neuporabne mutacije koristne za prilagajanje novim življenjskim razmeram. To predstavlja mutacijo kot merilo naravne selekcije. Živali, ptice in žuželke so zakamuflirane glede na območje bivanja, da se zaščitijo pred plenilci. Če pa se njihov habitat spremeni, potem narava s pomočjo mutacij poskuša zaščititi vrsto pred izumrtjem. V novih razmerah preživijo najsposobnejši in to sposobnost prenesejo na druge.
Mutacija se lahko pojavi v neaktivnih predelih genoma, nato pa ne opazimo vidnih sprememb v fenotipu. "Zlom" je mogoče odkriti le s pomočjo posebnih študij. To je potrebno za preučevanje izvora sorodnih živalskih vrst in sestavljanje njihovih genetskih kart.
Problem spontanosti mutacij
V 40-ih letih prejšnjega stoletja je obstajala teorija, da mutacije povzročajo izključno vplivi zunanjih dejavnikov in pomagajo pri prilagajanju nanje. Za preverjanje te teorije je bila razvita posebna metoda testiranja in ponavljanja.
Postopek je bil v tem, da so na epruvete posejali manjšo količino bakterij iste vrste in jim po več cepljenjih dodali antibiotike. Nekateri mikroorganizmi so preživeli in so bili preneseni v nov medij. Primerjava bakterij iz različnih epruvet je pokazala, da se je pojavila odpornostspontano, pred in po izpostavljenosti antibiotikom.
Metoda ponovitve je bila, da so mikroorganizme prenesli na dlakavo krpo in nato istočasno prenesli na več čistih medijev. Nove kolonije so bile gojene in zdravljene z antibiotikom. Posledično so bakterije, ki se nahajajo v istih delih medija, preživele v različnih epruvetah.
