Ce mutații se numesc spontane? Dacă traducem termenul într-un limbaj accesibil, atunci acestea sunt erori naturale care apar în procesul de interacțiune a materialului genetic cu mediul intern și/sau extern. Astfel de mutații sunt de obicei aleatorii. Ele sunt observate în celulele genitale și în alte celule ale corpului.
Cauze exogene ale mutațiilor
Mutația spontană poate apărea sub influența substanțelor chimice, a radiațiilor, a temperaturilor ridicate sau scăzute, a aerului rarefiat sau a presiunii ridicate.
În fiecare an, în medie, o persoană absoarbe aproximativ o zecime dintr-un rad de radiații ionizante care formează fondul natural de radiație. Acest număr include radiațiile gamma din nucleul Pământului, vântul solar și radioactivitatea elementelor găsite în grosimea scoarței terestre și dizolvate în atmosferă. Doza primită depinde și de locul în care se află persoana. Un sfert din toate mutațiile spontane apar din cauza acestui factor.
Radiațiile UV, contrar credinței populare, joacă un rol minor înapariția defalcării ADN-ului, deoarece acesta nu poate pătrunde suficient de adânc în corpul uman. Dar pielea suferă adesea de expunerea excesivă la soare (melanomul și alte tipuri de cancer). Cu toate acestea, organismele unicelulare și virușii suferă mutații atunci când sunt expuși la lumina soarelui.
Temperaturile prea ridicate sau scăzute pot provoca, de asemenea, modificări ale materialului genetic.
Cauze endogene ale mutațiilor
Principalele motive pentru care poate apărea mutația spontană rămân factorii endogeni. Acestea includ produse secundare metabolice, erori în procesul de replicare, reparare sau recombinare și altele.
-
Eșecuri în replicare:
- tranziții spontane și inversiuni ale bazelor azotate;
- inserarea incorectă a nucleotidelor din cauza erorilor la ADN polimeraze;- înlocuirea chimică a nucleotidelor, de exemplu, de la guanină-citozină la adenină-guanină.
- Erori de restaurare:-mutații ale genelor responsabile de repararea secțiunilor individuale ale lanțului ADN după ce acestea se sparg sub influența factorilor externi.
- Probleme cu recombinarea:- eșecurile în procesele de trecere în timpul meiozei sau mitozei duc la pierderea și completarea bazelor.
Aceștia sunt principalii factori care provoacă mutații spontane. Motivele eșecurilor pot sta în activarea genelor mutatoare, precum și în conversia compușilor chimici siguri în metaboliți mai activi care afectează nucleul celulei. În plus, există și factori structurali. Acestea includ repetări ale secvenței de nucleotide în apropierea loculuirearanjamente ale lanțului, prezența unor secțiuni suplimentare de ADN similare ca structură cu gena, precum și elemente mobile ale genomului.
Patogenia mutației
Mutația spontană apare datorită impactului tuturor factorilor de mai sus care acționează împreună sau separat într-o anumită perioadă a vieții celulei. Există un astfel de fenomen ca o încălcare glisante a împerecherii firelor de ADN fiice și materne. Ca rezultat, buclele sunt adesea formate din peptide care nu au fost capabile să se potrivească în mod adecvat în secvență. După îndepărtarea excesului de fragmente de ADN din catena fiică, buclele pot fi atât rezecate (deleții), cât și încorporate (duplicări, inserții). Modificările care au apărut sunt fixate în următoarele cicluri de diviziune celulară.
Rata și numărul de mutații care apar depind de structura primară a ADN-ului. Unii oameni de știință cred că absolut toate secvențele de ADN sunt mutagene dacă formează îndoituri.
Cele mai frecvente mutații spontane
Care este cea mai frecventă manifestare a mutațiilor spontane în materialul genetic? Exemple de astfel de condiții sunt pierderea bazelor azotate și îndepărtarea aminoacizilor. Reziduurile de citozină sunt considerate deosebit de sensibile la acestea.
S-a dovedit că astăzi mai mult de jumătate dintre vertebrate au o mutație a reziduurilor de citozină. După dezaminare, metilcitozina se transformă în timină. Copierea ulterioară a acestei secțiuni repetă eroarea sau o șterge, sau dublează șise transformă într-un fragment nou.
Un alt motiv pentru mutațiile spontane frecvente este un număr mare de pseudogene. Din această cauză, în timpul meiozei se pot forma recombinări omoloage inegale. Acest lucru are ca rezultat rearanjamente ale genelor, ture și dublari ale secvențelor individuale de nucleotide.
Model de mutageneză cu polimerază
Conform acestui model, mutațiile spontane apar ca urmare a unor erori aleatorii în moleculele care sintetizează ADN-ul. Pentru prima dată, un astfel de model a fost prezentat de Bresler. El a sugerat că mutațiile apar datorită faptului că, în unele cazuri, polimerazele inserează nucleotide necomplementare în secvență.
Ani mai târziu, după lungi teste și experimente, acest punct de vedere a fost aprobat și acceptat în lumea științifică. Au fost chiar deduse anumite modele care permit oamenilor de știință să controleze și să dirijeze mutațiile prin expunerea anumitor secțiuni de ADN la lumina ultravioletă. Deci, de exemplu, s-a descoperit că adenina este cel mai adesea încorporată opus tripletului deteriorat.
Model tautomeric de mutageneză
O altă teorie care explică mutațiile spontane și artificiale a fost propusă de Watson și Crick (descoperitorii structurii ADN-ului). Ei au sugerat că mutageneza se bazează pe capacitatea unor baze ADN de a se transforma în forme tautomerice care schimbă modul în care bazele sunt conectate.
După publicare, ipoteza a fost dezvoltată în mod activ. Au fost descoperite noi forme de nucleotide dupăiradiindu-le cu lumină ultravioletă. Acest lucru le-a oferit oamenilor de știință noi oportunități de cercetare. Știința modernă încă dezbate rolul formelor tautomerice în mutageneza spontană și influența acesteia asupra numărului de mutații detectate.
Alte modele
Mutația spontană este posibilă în încălcarea recunoașterii acizilor nucleici de către polimerazele ADN. Poltaev și coautorii au elucidat mecanismul care asigură respectarea principiului complementarității în sinteza moleculelor de ADN fiice. Acest model a făcut posibilă studierea regularităților apariției mutagenezei spontane. Oamenii de știință și-au explicat descoperirea prin faptul că principalul motiv pentru modificarea structurii ADN-ului este sinteza perechilor de nucleotide non-canonice.
Au sugerat că substituția bazelor are loc din cauza dezaminării segmentelor ADN. Acest lucru duce la o schimbare a citozinei în timină sau uracil. Datorită unor astfel de mutații, se formează perechi de nucleotide incompatibile. Prin urmare, în timpul următoarei replicări, are loc o tranziție (înlocuirea punctuală a bazelor nucleotidice).
Clasificarea mutațiilor: spontane
Există clasificări diferite ale mutațiilor, în funcție de criteriul care stă la baza acestora. Există o împărțire în funcție de natura modificării funcției genei:
- hipomorf (alelele mutante sintetizează mai puține proteine, dar sunt similare cu cele originale);
- amorf (gena și-a pierdut complet funcțiile);
- antimorfă (cel gena mutantă schimbă complet acea trăsătură, care reprezintă);- neomorfă (apar semne noi).
Dar o clasificare mai comună care împarte toate mutațiile proporțional cu variabilastructura. Evidențiați:
1. Mutații genomice. Acestea includ poliploidia, adică formarea unui genom cu un set triplu sau mai mare de cromozomi și aneuploidia, numărul de cromozomi din genom nu este un multiplu al numărului haploid.
2. Mutații cromozomiale. Se observă rearanjamente semnificative ale secțiunilor individuale ale cromozomilor. Există o pierdere de informații (ștergere), dublarea acesteia (duplicare), o schimbare a direcției secvențelor de nucleotide (inversare), precum și transferul secțiunilor de cromozom în alt loc (translocare).3. Mutație genetică. Cea mai frecventă mutație. În lanțul ADN, mai multe baze azotate aleatorii sunt înlocuite.
Consecințele mutațiilor
Mutațiile spontane sunt cauzele tumorilor, bolilor de depozitare, disfuncțiilor organelor și țesuturilor la oameni și animale. Dacă o celulă mutantă este localizată într-un organism multicelular mare, atunci cu un grad ridicat de probabilitate va fi distrusă prin declanșarea apoptozei (moartea celulară programată). Organismul controlează procesul de conservare a materialului genetic și, cu ajutorul sistemului imunitar, scapă de toate celulele posibile deteriorate.
Într-un caz din sute de mii, limfocitele T nu au timp să recunoască structura afectată și dă naștere unei clone de celule care conțin și gena mutantă. Conglomeratul de celule are deja alte funcții, produce substanțe toxice și afectează negativ starea generală a organismului.
Dacă mutația s-a produs nu în celula somatică, ci în celula germinativă, atunci modificările vor fi observate la descendenți. Suntse manifestă prin patologii congenitale ale organelor, deformări, tulburări metabolice și boli de depozitare.
Mutații spontane: semnificația
În unele cazuri, mutațiile aparent inutile pot fi utile pentru adaptarea la noile condiții de viață. Aceasta reprezintă mutația ca măsură a selecției naturale. Animalele, păsările și insectele sunt camuflate în funcție de zona lor de reședință pentru a se proteja de prădători. Dar dacă habitatul lor se schimbă, atunci, cu ajutorul mutațiilor, natura încearcă să protejeze specia de dispariție. În condiții noi, cei mai apți supraviețuiesc și transmit această abilitate altora.
Mutația poate apărea în regiunile inactive ale genomului și apoi nu se observă modificări vizibile ale fenotipului. Este posibil să se detecteze „ruperea” doar cu ajutorul unor studii specifice. Acest lucru este necesar pentru a studia originea speciilor de animale înrudite și pentru a întocmi hărțile genetice ale acestora.
Problema spontaneității mutațiilor
În anii 40 ai secolului trecut, a existat o teorie conform căreia mutațiile sunt cauzate exclusiv de influența factorilor externi și ajută la adaptarea la aceștia. Pentru a testa această teorie, a fost dezvoltată o metodă specială de testare și repetare.
Procedura a constat în faptul că pe eprubete s-a semănat o cantitate mică de bacterii din aceeași specie și după mai multe inoculare li s-au adăugat antibiotice. Unele dintre microorganisme au supraviețuit și au fost transferate într-un mediu nou. Compararea bacteriilor din diferite tuburi a arătat că a apărut rezistențaspontan, atât înainte, cât și după expunerea la antibiotice.
Metoda de repetiție a fost că microorganismele au fost transferate într-o cârpă lânoasă și apoi transferate simultan pe mai multe medii curate. Noile colonii au fost cultivate și tratate cu un antibiotic. Drept urmare, bacteriile situate în aceleași părți ale mediului au supraviețuit în diferite eprubete.
