1. Co to jest mutacja?

Mutacje są to nagłe skokowe, bezkierunkowe zmiany w DNA w wyniku, których pojawia się nowy organizm zwany mutantem. Są to zmiany w prawidłowej sekwencji DNA spowodowane działaniem różnych czynników.

  1. Co powoduje wystąpienie mutacji?

Mutacje mogą powstawać jako wynik błędu wprowadzonego podczas replikacji DNA. Ale jest to stosunkowo rzadkie zjawisko. U bakterii może zachodzić raz na 1010 wbudowanych zasad a u organizmów wyższych najprawdopodobniej zachodzi częściej. Szybkość mutacji wzrasta, gdy komórki są narażone na działanie czynników fizycznych lub chemicznych nazwanych mutagenami, czyli czynnikami wywołującymi mutację.

Do najsilniejszych czynników mutagennych zalicza się:

  • Czynniki fizyczne:
      • Promieniowanie jonizujące np. promienie Roentgena, które powoduje zmiany w strukturze zasad, rozrywanie mostków wodorowych między zasadami w DNA.
      • Promieniowanie nadfioletowe UV, które wywołuje zmiany w zasadach pirymidynowych np. ich dezaminację, rozrywanie podwójnej helisy DNA.
  • Czynniki chemiczne:
      • Kwas azotowy (III) HNO2, który powoduje dezaminację zasad w DNA i RNA.
      • Hydroksyamina NH2OH, która zmienia cytozynę na pochodna uracylu.
      • Związki alkilujące np. iperyt azotowy, sulfonian dietylowy, które powodują etylowanie lub etylowanie zasad w kwasach nukleinowych.
      • Analogi zasad azotowych np. 5 - bromouracyl, który może być wbudowywany w DNA.
      • Barwniki akrydynowe np. oranż akrydynowy, akryflawina, które wywołują deformację podwójnej helisy DNA przez rozsunięcie zasad azotowych, co jest przyczyną błędnej replikacji.
  1. Czy można naprawić mutacje?

Komórka stara się chronić cząsteczkę DNA przed działaniem czynników mutagennych. Mimo działania takich mechanizmów ilość powstających uszkodzeń jest stosunkowo duża. DNA każdej ludzkiej komórki traci dziennie blisko 5000 zasad azotowych, które odłączają się od podwójnej helisy. W taj samej komórce dochodzi do utraty w, około 100 cytozynach grup aminowych, które przekształcają się, w uracyl.

Mechanizmy naprawy DNA są złożone. Wyróżnia się trzy główne rodzaje tych mechanizmów:

  • Naprawa przez wycinanie znajduje zastosowanie w naprawie wielu różnych uszkodzeń. Naprawa ta rozpoczyna się od tego, że jeden z enzymów musi rozpoznać uszkodzone nukleotydy i wyznaczyć je do naprawy. Takie zaznaczenie polega na utworzeniu szczeliny w jednej z nici DNA blisko uszkodzonego fragmentu lub do wycięcia z uszkodzonego fragmentu nieprawidłowej zasady. Następnie usunięte nukleotydy zastępowane są innymi nukleotydami. Polimeraza DNA syntetyzuje nowe fragmenty i zastępuje nimi te usunięte a ligaza DNA włącza nowy odcinek przywracając DNA oryginalną strukturę.
  • Naprawa bezpośrednia polega na odwróceniu zmian strukturalnych, które zaszły w nukleotydach.
  • Naprawa źle sparowanych nukleotydów polega to na zidentyfikowaniu i usunięciu źle sparowanych nukleotydów. Odpowiednie enzymy oznaczają nieprawidłowo sparowane nukleotydy lub też od razu je naprawiają.
  1. Rodzaje mutacji.
  • Genowe (punktowe)
  • Chromosomowe (aberracje chromosomowe)
  • Genomowe
      • Euploidy
        • Monoploidy
        • Poliploidy
            • Autopoilploidy
            • Allopoliploidy
      • Aneuploidy
  1. Mutacje genowe nazwane inaczej punktowymi powodują zmiany w sekwencji nukleotydów genu:
  • Tranzycja - zamiana jednej zasady purynowej na drugą purynowa lub zamiana zasady pirymidynowej na inną pirymidynową,
  • Transwersją - zamiana zasady purynowej na pirymidynowa lub odwrotnie pirymidynowej na purynowa,
  • Addycja (inercja) - wstawienie jednej lub kilku par nukleotydów,
  • Delecja - utrata jednej lub kilku par nukleotydów.
  1. Mutacje chromosomowe zwane są aberracjami chromosomowymi i obejmują zmiany w dłuższych odcinkach DNA:
  • Delecja - utrata odcinaka chromosomu wraz zawartymi tam genami,
  • Duplikacja - podwojenie odcinka chromosomu wraz z zawartymi w nim genami,
  • Inwersja - odwrócenie odcinka chromosomu o 1800
  • Translokacja - wymiana odcinków pomiędzy chromosomami niehomologicznymi
  1. Mutacje genomowe są to zmiany w liczbie chromosomów:
  • Euploidy - są to organizmy o zwielokrotnionym całym garniturze chromosomów np. 3n, 4n, 5n itd. Przyczyna powstania tego rodzaju mutacji jest brak rozdzielenia chromosomów podczas podziałów komórkowych. Na skutek tego powstają osobniki o całkowicie poliploidalne lub posiadające tylko pewne tkanki poliploidalne.
    • Monoploidy
    • Poliploidy
        • Autopoilploidy - powstają w wyniku zwielokrotnienia liczby chromosomów w obrębie jednego gatunku, odmiany. Posiadają zwielokrotniony zespół chromosomów homologicznych.
        • Allopoliploidy - powstają w wyniku zwielokrotnienia liczby chromosomów homologicznych u mieszańców krzyżówek międzygatunkowych, których chromosomy nie są homologiczne.
  • Aneuploidy - są to organizmy, u których nastąpiła utrata pojedynczego chromosomu lub jest o jeden chromosom za dużo. Przyczyną wystąpienia takiej mutacji jest, nondysjunkcja czyli nie rozejście się chromosomów homologicznych w procesie mejozy podczas tworzenia się gamet. Skutkiem tego jest gamet gdzie jedna będzie mieć o jeden chromosom za dużo (n+1) a druga o jeden chromosom za mało (n-1). Jeśli w procesie zapłodnienia dojdzie do połączenia się takich gamet z gametami o prawidłowej liczbie chromosomów powstaną wówczas zygoty o liczbie 2n+1 lub 2n-1. Organizmy o garniturze 2n+1 nazywają się trisomikami zaś te o garniturze 2n-1 monosomikami.
  1. Choroby i mutacje
  • Beta - talasemia - spowodowana jest zmutowanymi genami lub zmianami strukturalnymi krótkich ramion chromosomu 11. Objawy: niedokrwistość związana z niezachodząca syntezą beta - globulin.
  • Zespół łamliwego chromosomu X - chromosom X posiada "ogonek", który nie musi występować we wszystkich komórkach. W jego obrębie pojawia się krótki trójnukleotydowy fragment CGG który jest powtarzany od 6 - 50 razy. Polimeraza może dodawać liczbę kopii powyżej 50. Jeśli liczba kopii przekroczy 50 - 230 to występuje stan przedmutacyjny. Im wystąpi więcej powtórzeń tym objawy upośledzenia są większe.
  • Hemofilia -spowodowana jest recesywnymi mutacjami genów zlokalizowanych na chromosomie X. Występują u potomków płci męskiej, których matki były nosicielkami tego genu. Jest to choroba objawiająca się brakiem białek osocza, które są niezbędne do prawidłowego krzepnięcia krwi. Objawy choroby: trudne do opanowania krwawienia. W zależności od rodzaju brakującego białka wyróżnia się hemofilię: A, B, C. Hemofilia A występuje najczęściej i związana jest z brakiem lub niedoborem globuliny antyhemofilowej.
  • Anemia sierpowata - jest to niedokrwistość spowodowana przez mutacje punktową genu zlokalizowanego na końcowym odcinku ramienia krótkiego chromosomu 1, który jest odpowiedzialny za budowę łańcucha beta - hemoglobiny. Mutacja ta powoduje zamianę kwasu glutaminowego w pozycji 6 łańcucha β - hemoglobiny A na walinę w hemoglobinie S. Objawy: niedokrwistość hemolityczna, częste zawały narządów wewnętrznych, owrzodzenia i bóle, erytrocyty o charakterystycznym sierpowatym kształcie.
  • Zespół CRI DU CHAT, zespół "miauczenia kota"- delecja krótkich ramion 5 chromosomu. Objawy: głębokie upośledzenie umysłowe, wady wrodzone serca, nerek, szkieletu, rozszczep podniebienia, płacz przypominający miauczenie kota.
  • Zespół Downa - trisomia 21 pary chromosomów lub trisomia 21 pary chromosomów połączona z translokacją. Objawy: niski wzrost, zaburzone proporcje ciała, powieka górna z tzw. fałdą nakątną, krótki nos, duży język utrudniający domkniecie ust, krótkie szerokie palce, dłonie z bruzdą poprzeczną, wady narządów wewnętrznych.
  • Zespół Edwardsa - trisomia 18 pary chromosomów. Objawy: niski wzrost, niedorozwój umysłowy, tzw. małpia bruzda, źle wykształcone serce i trzewioczaszka, wady nerek, niedorozwój żuchwy.
  • Zespół Klinefertera - trisomia chromosomów płci XXY. Objawy: sylwetka ciała typu eunuchoidalnego, cienka skóra, słabo rozwinięty zarost, upośledzenie funkcji jąder w wyniku niedorozwoju.
  • Zespół Pataua - trisomia 13 par chromosomów. Objawy: niski wzrost, niedorozwój umysłowy, tzw. małpia bruzda, mały mózg, szerokie rozstawienie gałek ocznych, wady w budowie macicy i nerek, serce umieszczone po prawej stronie.
  • Zespół "Superfemale XXX" - trisomia chromosomów X. Objawy: nie ma żadnych widocznych zmian somatycznych, brak lub zatrzymanie miesiączki.
  • Zespół "Mężczyźni XYY" - trisomia chromosomów płci. Objawy: wysoki wzrost, pobudliwość emocjonalna, zachowanie agresywne.
  • Zespół Turnera - monosomia chromosomów płci XO. Objawy: niedorozwój jajników, brak trzeciorzędowych cech płciowych, niski wzrost, tzw. płetwiastość szyi, wady układu moczowego, krwionośnego i kostnego.