Welke mutaties worden spontaan genoemd? Als we de term vertalen in een toegankelijke taal, dan zijn dit natuurlijke fouten die optreden in het proces van interactie van genetisch materiaal met de interne en/of externe omgeving. Dergelijke mutaties zijn meestal willekeurig. Ze worden waargenomen in de genitale en andere cellen van het lichaam.
Exogene oorzaken van mutaties
Spontane mutatie kan optreden onder invloed van chemicaliën, straling, hoge of lage temperaturen, ijle lucht of hoge druk.
Elk jaar absorbeert een persoon gemiddeld ongeveer een tiende van een rad ioniserende straling die de natuurlijke stralingsachtergrond vormt. Dit aantal omvat gammastraling van de kern van de aarde, de zonnewind en de radioactiviteit van elementen die in de dikte van de aardkorst worden aangetroffen en in de atmosfeer zijn opgelost. De ontvangen dosis hangt ook af van waar de persoon zich bevindt. Een kwart van alle spontane mutaties gebeurt door deze factor.
UV-straling speelt, in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, een ondergeschikte rol inhet optreden van DNA-afbraak, omdat het niet diep genoeg in het menselijk lichaam kan doordringen. Maar de huid lijdt vaak aan overmatige blootstelling aan de zon (melanoom en andere vormen van kanker). Eencellige organismen en virussen muteren echter wanneer ze worden blootgesteld aan zonlicht.
Te hoge of lage temperaturen kunnen ook veranderingen in het genetisch materiaal veroorzaken.
Endogene oorzaken van mutaties
De belangrijkste redenen waarom spontane mutatie kan optreden, blijven endogene factoren. Deze omvatten metabole bijproducten, fouten in het proces van replicatie, reparatie of recombinatie en andere.
-
Mislukte replicatie:
- spontane overgangen en inversies van stikstofbasen;
- onjuiste insertie van nucleotiden door fouten in DNA-polymerasen;- chemische vervanging van nucleotiden, bijvoorbeeld guanine-cytosine naar adenine-guanine.
- Herstelfouten:-mutaties in de genen die verantwoordelijk zijn voor het herstel van individuele delen van de DNA-keten nadat ze breken onder invloed van externe factoren.
- Problemen met recombinatie:- mislukkingen in de processen van oversteken tijdens meiose of mitose leiden tot verlies en voltooiing van basen.
Dit zijn de belangrijkste factoren die spontane mutaties veroorzaken. De redenen voor mislukkingen kunnen liggen in de activering van mutatorgenen, evenals de omzetting van veilige chemische verbindingen in actievere metabolieten die de celkern aantasten. Daarnaast zijn er ook structurele factoren. Deze omvatten herhalingen van de nucleotidesequentie in de buurt van de siteketenherschikkingen, de aanwezigheid van extra DNA-secties die qua structuur vergelijkbaar zijn met het gen, evenals mobiele elementen van het genoom.
Pathogenese van mutatie
Spontane mutatie treedt op als gevolg van de impact van alle bovengenoemde factoren die samen of afzonderlijk werken in een bepaalde periode van het leven van de cel. Er is zo'n fenomeen als een glijdende schending van de koppeling van de DNA-strengen van de dochter en de moeder. Dientengevolge worden vaak lussen gevormd uit peptiden die niet voldoende in de sequentie hebben kunnen passen. Na het verwijderen van overtollige DNA-fragmenten uit de dochterstreng, kunnen de lussen zowel worden weggesneden (deleties) als ingebouwd (duplicaties, inserties). De veranderingen die zijn opgetreden, worden opgelost in de volgende cycli van celdeling.
De snelheid en het aantal mutaties die optreden, hangt af van de primaire structuur van DNA. Sommige wetenschappers geloven dat absoluut alle DNA-sequenties mutageen zijn als ze bochten vormen.
Meest voorkomende spontane mutaties
Wat is de meest voorkomende manifestatie van spontane mutaties in het genetisch materiaal? Voorbeelden van dergelijke omstandigheden zijn het verlies van stikstofbasen en de verwijdering van aminozuren. Cytosineresiduen worden als bijzonder gevoelig voor hen beschouwd.
Het is bewezen dat tegenwoordig meer dan de helft van de gewervelde dieren een mutatie van cytosineresiduen heeft. Na deaminering verandert methylcytosine in thymine. Daaropvolgend kopiëren van deze sectie herha alt de fout of verwijdert deze, of verdubbelt enmuteert in een nieuw fragment.
Een andere reden voor frequente spontane mutaties is een groot aantal pseudogenen. Hierdoor kunnen zich tijdens meiose ongelijke homologe recombinaties vormen. Dit resulteert in herschikkingen in genen, bochten en verdubbelingen van individuele nucleotidesequenties.
Polymerasemodel van mutagenese
Volgens dit model treden spontane mutaties op als gevolg van willekeurige fouten in de moleculen die DNA synthetiseren. Voor het eerst werd een dergelijk model gepresenteerd door Bresler. Hij suggereerde dat mutaties optreden vanwege het feit dat polymerasen in sommige gevallen niet-complementaire nucleotiden in de sequentie invoegen.
Jaren later, na langdurige tests en experimenten, werd dit standpunt goedgekeurd en geaccepteerd in de wetenschappelijke wereld. Er zijn zelfs bepaalde patronen afgeleid waarmee wetenschappers mutaties kunnen controleren en sturen door bepaalde delen van het DNA aan ultraviolet licht bloot te stellen. Zo werd bijvoorbeeld gevonden dat adenine het vaakst is ingebed tegenover het beschadigde triplet.
Tautomeer model van mutagenese
Een andere theorie die spontane en kunstmatige mutaties verklaart, werd voorgesteld door Watson en Crick (de ontdekkers van de structuur van DNA). Ze suggereerden dat mutagenese gebaseerd is op het vermogen van sommige DNA-basen om te veranderen in tautomere vormen die de manier waarop de basen met elkaar zijn verbonden veranderen.
Na publicatie werd de hypothese actief ontwikkeld. Nieuwe vormen van nucleotiden werden later ontdektbestraling met ultraviolet licht. Dit gaf wetenschappers nieuwe mogelijkheden voor onderzoek. De moderne wetenschap debatteert nog steeds over de rol van tautomere vormen bij spontane mutagenese en de invloed ervan op het aantal gedetecteerde mutaties.
Andere modellen
Spontane mutatie is mogelijk in strijd met de herkenning van nucleïnezuren door DNA-polymerasen. Poltaev en co-auteurs lichtten het mechanisme toe dat zorgt voor naleving van het principe van complementariteit bij de synthese van dochter-DNA-moleculen. Dit model maakte het mogelijk om de regelmatigheden van het optreden van spontane mutagenese te bestuderen. Wetenschappers verklaarden hun ontdekking door het feit dat de belangrijkste reden voor de verandering in de structuur van DNA de synthese van niet-canonieke nucleotidenparen is.
Ze suggereerden dat basensubstitutie optreedt als gevolg van deaminering van DNA-segmenten. Dit leidt tot een verandering van cytosine naar thymine of uracil. Door dergelijke mutaties worden paren van incompatibele nucleotiden gevormd. Daarom vindt tijdens de volgende replicatie een overgang plaats (puntvervanging van nucleotidebasen).
Classificatie van mutaties: spontaan
Er zijn verschillende classificaties van mutaties, afhankelijk van het onderliggende criterium. Er is een indeling volgens de aard van de verandering in de functie van het gen:
- hypomorf (gemuteerde allelen synthetiseren minder eiwitten, maar ze zijn vergelijkbaar met de originele);
- amorf (het gen heeft zijn functies volledig verloren);
- antimorf (de gemuteerd gen verandert die eigenschap volledig, die staat voor);- neomorf (er verschijnen nieuwe tekens).
Maar een meer algemene classificatie die alle mutaties verdeelt in verhouding tot de variabelestructuur. Markeer:
1. Genomische mutaties. Deze omvatten polyploïdie, dat wil zeggen de vorming van een genoom met een drievoudige of meer reeks chromosomen, en aneuploïdie, het aantal chromosomen in het genoom is geen veelvoud van het haploïde aantal.
2. Chromosomale mutaties. Significante herschikkingen van individuele secties van chromosomen worden waargenomen. Er is een verlies van informatie (deletie), de verdubbeling ervan (duplicatie), een verandering in de richting van nucleotidesequenties (inversie), evenals de overdracht van chromosoomsecties naar een andere plaats (translocatie).3. Genmutatie. De meest voorkomende mutatie. In de DNA-keten worden verschillende willekeurige stikstofbasen vervangen.
Gevolgen van mutaties
Spontane mutaties zijn de oorzaken van tumoren, stapelingsziekten, disfuncties van organen en weefsels bij mens en dier. Als een gemuteerde cel zich in een groot meercellig organisme bevindt, zal deze met een hoge mate van waarschijnlijkheid worden vernietigd door apoptose (geprogrammeerde celdood) teweeg te brengen. Het lichaam regelt het proces van het behoud van het genetische materiaal en verwijdert met behulp van het immuunsysteem alle mogelijke beschadigde cellen.
In één van de honderdduizenden gevallen hebben T-lymfocyten geen tijd om de aangetaste structuur te herkennen en ontstaat er een kloon van cellen die ook het gemuteerde gen bevatten. Het conglomeraat van cellen heeft al andere functies, produceert giftige stoffen en heeft een negatieve invloed op de algemene toestand van het lichaam.
Als de mutatie niet in de somatische, maar in de geslachtscel is opgetreden, zullen de veranderingen worden waargenomen bij de nakomelingen. Zij zijnworden gemanifesteerd door aangeboren orgaanpathologieën, misvormingen, stofwisselingsstoornissen en stapelingsziekten.
Spontane mutaties: betekenis
In sommige gevallen kunnen voorheen schijnbaar nutteloze mutaties nuttig zijn om je aan te passen aan nieuwe levensomstandigheden. Dit vertegenwoordigt mutatie als een maat voor natuurlijke selectie. Dieren, vogels en insecten worden gecamoufleerd volgens hun leefgebied om zichzelf te beschermen tegen roofdieren. Maar als hun leefgebied verandert, probeert de natuur met behulp van mutaties de soort te beschermen tegen uitsterven. Onder nieuwe omstandigheden overleven de sterksten en geven ze dit vermogen door aan anderen.
Mutatie kan optreden in inactieve gebieden van het genoom, en dan worden er geen zichtbare veranderingen in het fenotype waargenomen. Het is alleen mogelijk om "breuk" te detecteren met behulp van specifieke onderzoeken. Dit is nodig om de herkomst van verwante diersoorten te bestuderen en hun genetische kaarten op te stellen.
Het probleem van de spontaniteit van mutaties
In de jaren 40 van de vorige eeuw was er een theorie dat mutaties uitsluitend worden veroorzaakt door de invloed van externe factoren en helpen om zich daaraan aan te passen. Om deze theorie te testen is een speciale test- en herhalingsmethode ontwikkeld.
De procedure bestond erin dat een kleine hoeveelheid bacteriën van dezelfde soort op reageerbuizen werd gezaaid en na verschillende inentingen werden er antibiotica aan toegevoegd. Sommige micro-organismen overleefden en werden overgebracht naar een nieuw medium. Vergelijking van bacteriën uit verschillende buisjes toonde aan dat er resistentie ontstondspontaan, zowel voor als na blootstelling aan antibiotica.
De methode van herhaling was dat micro-organismen werden overgebracht naar een wollige doek en vervolgens gelijktijdig werden overgebracht naar verschillende schone media. Nieuwe kolonies werden gekweekt en behandeld met een antibioticum. Als gevolg hiervan overleefden bacteriën die zich in dezelfde delen van het medium bevonden in verschillende reageerbuizen.
