Mutacje materiału genetycznego i czynniki mutagenne

1. Prawa Grzegorza Mendla

I Prawo (czystości gamet) : Komórka posiada zawsze dwie kopie (pary alleli) każdego genu (zawiązka cechy), jedną ojcowską, drugą matczyną, które mogą się różnić. Do gamety wchodzi tylko jeden allel (wersje genu w gametach wykluczają się)

II Prawo niezależnego dziedziczenia cech: Allele różnych genów dziedziczą się niezależnie od siebie. Jak zobaczymy dalej, sprzężenia pomiędzy genami i warunkowanie jednej cechy przez większą liczbę genów może powodować pozorne odchylenia od II prawa Mendla.

2. Chromosomowo-genowa teoria dziedziczności Tomasza Morgana

Morgan prowadził swoje prace na muszkach owocowych (Drosophila) w pierwszej połowie XX wieku. Jego obserwacje uzupełniły obraz zjawisk dziedziczności zakreślony przez Grzegorza Mendla. Muszka jest dogodnym obiektem badań genetycznych, ponieważ szybko się rozmnaża, jest łatwa w hodowli, posiada małą liczbę łatwych do obserwacji chromosomów i wyraźnie dostrzegalne cechy podlegające dziedzicznej zmienności (np. białe lub czerwone oczy, skrzydła normalne lub skarłowaciałe). Somatyczna liczba chromosomów wynosi 8, w tym 3 pary są autosomami, a jedna chromosomami płci XX lub XY. Morgan pierwszy wykazał, że gamety posiadają o połowę mniejszą od komórek somatycznych liczbę chromosomów, wysuwając ideę, że te pałeczkowate struktury obecne w jądrze komórkowym są materialnymi nośnikami zawiązków cech, których istnienie postulował Mendel.

3. Założenia teorii Morgana

1. Gen, czyli czynnik dziedziczności, odpowiedzialny jest za wykształcenie określonej cechy.

2. Geny umieszczone są w chromosomach, pałeczkowatych tworach uwidaczniających się podczas podziału komórki.

3. Ułożenie genów w chromosomach jest liniowe.

4. Komórki różnych organizmów różnią się od siebie liczbą i kształtem chromosomów, czyli kariotypem.

5. Każdy gen może być "zaadresowany" do konkretnego chromosomu, w którym zajmuje stałe i określone miejsce (loci).

6. Każdy chromosom w komórce somatycznej występuje w dwóch kopiach, zwanych chromosomami homologicznymi.

7. Chromosomy homologiczne zawierają te same geny w identycznych lokalizacjach, lecz nieraz różne ich allele (warianty).

8. Wymiana alleli genów pomiędzy chromosomami może zajść podczas profazy I podziału mejotycznego, a proces ten nosi nazwę crossing-over lub crossover. Ma wtedy miejsce przetasowanie alleli różnych genów. Uczestniczą w nim cztery chromatydy (połówki chromosomu, który uległ replikacji), para chromatyd potomnych chromosomu ojcowskiego i para matczynego.

9. Geny podlegają crossing-over z częstością losową i tym rzadszą, im leżą bliżej siebie.

10. Geny sąsiadujące ze sobą dziedziczą się w praktyce zawsze razem i zwane są genami sprzężonymi.

11. Odległość genów mierzy się procentem oddzielnego dziedziczenia (jeżeli skojarzymy 100 par muszek, to w ilu krzyżówkach dana cecha spełnia założenia II prawa Mendla). Geny położone na przeciwnych końcach chromosomów lub na oddzielnych chromosomach podporządkowują się II p. M. w 100%.

12. Jeden procent przypadków rozłącznego dziedziczenia dwóch genów jest jednostką ich odległości równą 1 centymorgan. Geny na dwóch końcach chromosomu oddziela dystans 100 centymorganów niezależnie od fizycznej długości chromosomu.

13. Chromosom pęka przynajmniej raz podczas jednego crossing-over w przypadkowym miejscu. Crossing-over podlegają wszystkie chromosomy.

14. Mapa genetyczna jest to określenie odległości, czyli względnych pozycji w chromosomie pomiędzy poszczególnymi genami, których efekty fenotypowe można zaobserwować. Jednostką mapową jest centymorgan.

4. Rodzaje zmienności

Najbardziej rzucającą się w oczy cechą przyrody żywej jest jej różnorodność (ang. biodiversity), uderzająca tak podczas obserwacji lasu lub łąki w pełni lata, jak pary rodzeństwa lub stada lwów. Zmienność można powiązać z przyczynami dwojakiego rodzaju: tkwiącymi w materiale genetycznym lub w środowisku życia osobnika.

5. Zmienność modyfikacyjna

Zwana inaczej zmiennością środowiskową lub fluktuacyjną. Przykładem jest waga nasion zbóż i wielkość plonów oceniana dla poletek założonych na piasku i czarnoziemie. Znamy z doświadczenia rozmaitość pokrojów drzew zależnie od tego, czy rosną wewnątrz czy na skraju lasu, na nizinach czy w piętrze subalpejskim Tatr. Najłatwiej zaobserwować zmienność modyfikacyjną pomiędzy bliźniętami jednojajowymi lub klonami, np. rozwielitki.

6. Zmienność rekombinacyjna

Rekombinacja związana jest z procesem crossing-over oraz losowym łączeniem się nośników informacji genetycznej w okresie poprzedzającym powstanie nowego osobnika. Ślepy traf decyduje o tym, która z czterech chromatyd trafi do dowolnej z czterech gamet powstających w wyniku mejozy. Traf decyduje także o tym, które gamety dadzą początek życiu nowego osobnika. Efektem zmienności rekombinacyjnej jest zmienność cech u potomstwa tych samych rodziców. Rekombinacja znana jest też u bakterii, gdzie płeć ani mejoza nie występuje, a chromosom jest tylko jeden. Głównym owocem rekombinacji u komórek eukariotycznych jest powstawanie nowych skojarzeń genów i takich cech osobniczych, które nie są prostą sumą cech osobników rodzicielskich. Efektem zmienności rekombinacyjnej są lepiej i gorzej przystosowane osobniki i jest ona jednym z warunków działania doboru naturalnego. Mogą też wyjść na jaw nowe możliwości współpracy genów ze sobą.

7. Zmienność mutacyjna

Wynika z powstawania nowych alleli genów wskutek zmiany sekwencji par zasad w DNA, lub też z zaburzeń strukturalnych pojedynczych chromosomów i całego genotypu. Mutacją nazywamy jakiegokolwiek bądź rodzaju zmianę w materiale genetycznym (RNA lub DNA, tylko zmiana w DNA się dziedziczy). Mutacje zazwyczaj są zmianami nagłymi, to znaczy pojawiają się jednorazowo i są utrwalane bądź nie. Termin mutacji wprowadził do badań genetycznych w roku 1909 de Vries, badający skokową zmienność u ciesiołka. Wyróżniamy następujące kategorie mutacji: genowe, chromosomowe i genomowe.

8. Mutacje genowe (punktowe)

Polegają na zmianie zapisu genetycznego, jaki stanowi sekwencja nukleotydów w DNA. Może to być wstawienie (insercja) lub wypadnięcie (delecja) jednej lub większej liczby par nukleotydów, lub zamiana nukleotydów na inne (tranzycja i transwersja). Tranzycją nazywamy zamianę puryny na purynę (np. pary AT na GC) albo pirymidyny na pirymidynę, natomiast transwersja to zamiana puryny na pirymidynę lub pirymidyny na purynę (np. CG na AT lub GC). Można rozpatrywać mutacje pod względem doniosłości wpływu, jaki mutacja w DNA wywiera na kodowane białka. Mutacja neutralna to taka zmiana kodonu, że nadal kodowany jest przezeń ten sam aminokwas. Mutacja zmiany sensu to zamiana danego aminokwasu na inny. Mutacja nonsensowna jest to zamiana dowolnego sensownego kodonu na kodon "stop". Mutacja zmiany ramki odczytu polega na wypadnięciu/wstawieniu do sekwencji DNA nukleotydów w liczbie, która nie jest wielokrotnością trzech. Zmienia się cały zapis genetyczny poniżej zmutowanego rejonu.

9. Mutacje strukturalne chromosomów

Chromosomy to wielkie cząsteczki DNA nawinięte na rdzeń białkowy. Zmiana strukturalna chromosomu może polegać na wypadnięciu (deficjencji), wstawieniu (insercji), obrocie o 180º (inwersji) lub wypadnięciu, a następnie wstawieniu w innym miejscu całego fragmentu chromosomu.

10. Mechanizm mutacji chromosomowych

Mutacje chromosomowe albo rearanżacje mogą powstać poprzez fizyczne pęknięcie nici DNA tworzącej chromosom i następnie odzyskanie łączności ze sobą przez pęknięte końce. Proces taki może wystąpić spontanicznie lub być indukowany przez wysokoenergetyczną radiację, jak np. promieniami X lub γ. Inny mechanizm to "nieuprawniony" crossing-over pomiędzy powtarzalnymi elementami w genomie. Ten typ crossover ma miejsce w komórkach somatycznych po tym, jak dojdzie do nieuprawnionego parowania pomiędzy powtórzonymi fragmentami. Pęknięcie oddziela fragment chromosomu zawierający centromer od fragmentu acentrycznego. Jeżeli fragment acentryczny nie połączy się z zawierającym centromer, jest eliminowany, co doprowadza do mutacji zwanej deficjencją. Geny zawarte w wyeliminowanym fragmencie są tracone. Jeśli wskutek fuzji powstanie kompletny nowy chromosom z centromerem, może zostać restytuowany układ wyjściowy, lub też chromosom będący hybrydą. Jeżeli pęknięcie nastąpiło w dwóch miejscach chromosomu, uwolniony fragment może ulec rotacji o 180º, a powstała mutacja to inwersja. Włączenie odcinka pochodzącego z homologicznego chromosomu prowadzi do duplikacji lub wielokrotnego nawet powtórzenia fragmentu chromosomu i zawartych w nim genów.

11. Mutacje genomowe (liczby chromosomów)

Preparat mikroskopowy z uwidocznionymi w czasie profazy chromosomami można sfotografować, a następnie poszczególne chromosomy uszeregować w malejącej wielkości, nadając im kolejne numery. Tak uzyskany obraz chromosomów jest charakterystyczny dla gatunku i nosi nazwę kariotypu. Kariotyp wykazuje dużą stałość, a zarazem zmienność między gatunkami, tak że można go uznać za marker gatunku. Zarazem kariotyp odstający od typowego świadczy o defekcie genetycznym, zazwyczaj śmiertelnym. Każdy gen można "zaadresować" do konkretnego chromosomu i konkretnego umiejscowienia, a kolejność genów w chromosomie nie zmienia się. Większość wysoko rozwiniętych żyjących dziś organizmów ma podwójny komplet genów (tzw. 2n), chociaż wiele gatunków grzybów, glonów i jednokomórkowych organizmów eukariotycznych radzi sobie z jednym (n). Drugi komplet jest "rezerwuarem", na wypadek, gdyby jedna z kopii genu uległa uszkodzeniu. Odchylenie od normalnej liczby może dotyczyć całego genomu (2n × N, gdzie N jest liczbą naturalną), lub tylko wybranych chromosomów. Tą drugą sytuację ilustruje zespół Downa, gdzie potrojony jest 21 chromosom, albo Klinefeltera (zwielokrotniony jeden z chromosomów płci). Rzadko dochodzi do utraty jednego chromosomu z pary. Mutacje liczby chromosomów są jednymi z najgroźniejszych w skutkach, gros z nich kończy się śmiercią zarodka. Dzieje się tak zarówno wtedy, gdy materiału genetycznego ubywa, jak i wówczas gdy go przybywa. Niedorozwój umysłowy i fizyczny i bezpłodność wynika z zaburzeń liczbowych tylko najmniejszych chromosomów. Wszystkie monosomie są letalne poza monosomią chromosomu X (oczywiście obecność Y przy braku X jest letalna). Eliminacja obydwu chromosomów homologicznych (nullisomia) u człowieka jest zawsze letalna. Zwielokrotnienie całego genomu nazywamy poliploidią (tri-, tetra-, penta-, heksa-, hepta-, oktaploidią itd.), natomiast pojedynczych chromosomów aneuploidią.

12. Czynniki mutagenne

Wszelkiego typu mutacje można prowokować wystawiając organizm na działanie określonych czynników. Mutacje spontaniczne zdarzają się w przyrodzie ze stałą częstością, zależną od wielkości genomu, tempa podziałów komórkowych, okresu życia jednego pokolenia i doskonałości mechanizmów naprawczych. Wyróżniamy chemiczne i fizyczne mutageny. Do pierwszych należy znaczna liczba związków organicznych i nieorganicznych, spośród których wiele używanych jest codziennie w gospodarstwie domowym. Na przykład rozpuszczalniki ftalowe, benzen lub ksylen mają duży potencjał mutagenny, działając poprzez destabilizację podwójnej helisy DNA. Wszystko, co uważamy za rakotwórcze, jest w pierwszym rzędzie mutagenne. Na liście tych środków umieścimy kwas azotawy HNO2, hydroksylaminę NH2OH, związki alkilujące (iperyt azotowy), analogi zasad azotowych, np analog tyminy 5-bromouracyl (5-BU), analog adeniny 2-aminopuryna (2-AP), barwniki akrydynowe. Analogi zasad podstawiają się do nukleotydów, powodując delecje lub substytucje. Z mutagenów fizycznych należy wymienić promieniowanie RTG, promieniowanie gamma i beta, UV oraz produkty rozpadu pierwiastków promieniotwórczych i promieniowanie termiczne. Mutagenna rola promieniowania o wysokich energiach polega na niszczeniu struktury podwójnej helisy DNA, a podwyższona temperatura (taka jak w gorączce lub na plaży) obniża aktywność większości enzymów, także tych czuwających nad prawidłowym parowaniem nukleotydów w DNA.

13. Dziedziczenie płci

Płeć jest jedną z najważniejszych cech charakteryzujących organizm. Rozróżniamy dwa zasadnicze typy determinacji płci osobnika: genetyczny i środowiskowy. Ten drugi spotykany jest m.in. u wielu ryb i gadów. Pomimo że płeć potomstwa zależy od zewnętrznych czynników takich jak temperatura rozwoju jaj, proporcje płci w populacjach utrzymywane są na podobnym poziomie i oscylują wokół 1:1. Płeć determinowana genetycznie opiera się na obecności lub braku pewnych genów, które w toku ewolucji skupiają się w konkretnym chromosomie, zwanym chromosomem płci. U wielu ryb przebadanych pod tym względem chromosomy płci nie różnią się mikroskopowo od siebie, ale np. u ptaków i ssaków osiągnęły morfologiczną odrębność i utraciły homologię sekwencji DNA. Jeden z chromosomów płci określa się zwyczajowo jako Y, drugi jako X. Geny znajdujące się na chromosomach płci sterują ekspresją innych genów swoistych dla płci. Chromosomy X i Y nazywamy heterochromosomami, zaś wszystkie chromosomy poza ch. płci autosomami. Kariotyp człowieka można przedstawić w formie 2n = 44 + XY (mężczyzna), 44 + XX (kobieta). Płeć męska jest płcią heterogametyczną, bo mężczyzna produkuje dwa rodzaje gamet, około 50% niosących chromosom X, 50% Y. U ptaków heterogametyczna jest płeć żeńska. Charakterystyczne cechy anatomii i behawioru modelowane są działaniem hormonów płciowych. Mianem dymorfizmu płciowego określamy odmienny wygląd zewnętrzny samic i samców, który może zaznaczać się silniej (człowiek, słonie, pawie) lub słabiej (gołębie, łabędzie, koty domowe). Wyróżniamy I-rzędowe cechy płciowe (dymorfizm narządów rozrodczych) i II-rzędowe cechy płciowe (różnice w uformowaniu ciała, wielkości, uwłosieniu, zachowaniu). Płeć muszek owocowych zdeterminowana jest proporcją autosomów do chromosomów X, toteż w razie jakichkolwiek zaburzeń liczbowych chromosomów powstają interseksy, nadsamce i nadsamice. Chromosom Y zawiera geny niezbędne do rozwoju męskich gamet. Jego brak powoduje rozwój genotypowego samca (z proporcji), jednak bezpłodnego (przez brak genów). Ludzki chromosom X zawiera ponad 1400 genów. Na chromosomie Y jest ich 45 i nie są homologiczne z żadnymi genami na X. Odpowiadają za cechy męskie, zaś główny gen "włączający" to SRY. Chromosom Y posiada fragmenty homologiczne z X, jednak nie są one genami i nie ulegają rekombinacji, oraz takie, które również nie są genami, ale łączą się z X w profazie mejozy I w tym celu, by potomne komórki zostały równomiernie obdzielone chromosomami płci.

14. Cechy sprzężone z płcią i cechy zależne od płci.

Wszystkie geny umiejscowione na chromosomie X nazywamy genami sprzężonymi z płcią, ponieważ wobec braku chromosomu homologicznego u mężczyzn efekty recesywne nie mogą być maskowane, co ma miejsce u kobiet. Hemofilia i daltonizm mogą nie ujawniać się u kobiet, podczas gdy u mężczyzn zawsze się ujawniają. Kobieta może być nosicielem alleli recesywnych zlokalizowanych na chromosomie X. Cechy zależne od płci to takie cechy, których ekspresja uzależniona jest od płci i związanych z nią hormonów, tak więc termin ten nie dotyczy umiejscowienia chromosomowego genów cechy. Geny zlokalizowane na Y powodują "włączenie się" u osobnika cech męskich, np. intensywnej produkcji testosteronu przez jądra, a testosteron wpływa na szereg cech budowy mózgu i całego ciała, których geny rozsiane są po całym genomie.