Mutacje

Mutacja to nagła, losowa i trwała zmiana w materiale genetycznym komórki. Chociaż mutacje mogą zachodzić spontanicznie, częstotliwość ich powstawania zwiększają niektóre czynniki środowiskowe -  mutagenymutagenmutageny.

Istnieje wiele sposobów klasyfikacji mutacji. Najczęściej  bierze się po uwagę miejsce ich występowania, przyczynę powstania i wpływ na organizm.

Mutacje somatyczne i mutacje generatywne

Ze względu na rodzaj komórek, w których dochodzi do zmian wyróżnia się mutacje somatyczne i generatywne.

Mutacje somatyczne zachodzą w komórkach somatycznych, czyli takich, które budują ciało (np. komórki kości, płuc, jelit).  Ich efekty dotyczą wyłącznie osobnika, u którego mutacja zaszła, są więc niedziedziczne. Większość mutacji somatycznych nie ma negatywnych skutków dla organizmu. Wyjątkiem są zmiany zaburzające przebieg cyklu komórkowego. Wówczas mogą one doprowadzić do rozwoju nowotworu.

Mutacje generatywne zachodzą w komórkach linii płciowej – gametach oraz komórkach, z których one powstają. Sam organizm, u którego wystąpiła taka zmiana, zazwyczaj nie odczuwa jej skutków. Mutacje generatywne są przekazywane potomstwu w drodze rozmnażania płciowego, są więc dziedziczne. 

Mutacje spontaniczne i mutacje indukowane

Ze względu na przyczynę zachodzenia zmian mutacje dzieli się na spontaniczne i indukowane.

Mutacje spontaniczne zachodzą samorzutnie, głównie wskutek błędów w procesie replikacji DNA. Choć polimeraza DNA potrafi rozpoznawać i naprawiać większość takich pomyłek, niewielka ich część trwale pozostaje w genomie. Powstawanie tych zmian jest naturalnym następstwem złożoności procesów biologicznych i może nieść różnorodne skutki dla organizmu.

Mutacje indukowane to zmiany w informacji genetycznej zachodzące pod wpływem działania mutagenów. Do mutagenów należą niektóre: 

• czynniki fizyczne: promieniowanie jonizujące, promieniowanie ultrafioletowe, temperatura;

• czynniki chemiczne: kwas azotowy (III), nadtlenek wodoru, amoniak, analogi zasad azotowych, kolchicyna;

• czynniki biologiczne: wirus opryszczki, wirus brodawczaka ludzkiego, wirus zapalenia wątroby typu B i C.

Mechanizm działania mutagenów obejmuje m.in.:

• chemiczną modyfikację zasad azotowych;

• pęknięcia jednej lub obu nici DNA;

• wbudowanie obcego (np. wirusowego) DNA w strukturę genomu;

• zaburzenia podziału komórkowego.

Mutacje genowe i chromosomowe

Ze względu na poziom organizacji materiału genetycznego, w którym zaszła zamiana, mutacje dzieli się na genowe i chromosomowe. 

Mutacje genowe

Mutacje genowe (mutacje punktowe) dotyczą zmiany w kolejności lub liczbie nukleotydów w obrębie jednego genu. Są wynikiem błędów podczas replikacji lub rekombinacji DNA oraz działania niektórych mutagenów. W zależności od charakteru zmiany wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje mutacji genowych:

1. substytucje – mutacje polegające na zamianie jednej pary nukleotydów na inną. Wyróżnia się dwa rodzaje substytucji: tranzycje i transwersje.

2. delecje – mutacje polegające na utracie jednej lub kilku par nukleotydów;

3. insercje – mutacje polegające na wstawieniu jednej lub kilku par nukleotydów.

Skutki mutacji genowych

Skutek mutacji genowej zależy od tego, w jakim stopniu dana zmiana wpływa na treść informacji genetycznej. Ze względu na wywierany efekt mutacje genowe dzieli się na: mutacje zmiany sensu, mutacje milczące, mutacje nonsensowne oraz mutacje przesunięcia ramki odczytu.

Mutacje chromosomowe

Mutacje chromosomowe (aberracje chromosomowe) dotyczą zmian w strukturze chromosomu (mutacje chromosomowe strukturalne) lub w liczbie chromosomów (mutacje chromosomowe liczbowe).

Mutacje chromosomowe strukturalne

Polegają na zmianie budowy chromosomu w wyniku pękania chromatyd i ich błędnego połączenia. Dzieli się je na cztery rodzaje:

• delecje (deficjencja) – zmiany polegające na utracie fragmentu chromosomu;

• duplikacje – zmiany polegające na podwojeniu fragmentu chromosomu;

• inwersje – zmiany polegające na odwróceniu fragmentu chromosomu o 180 stopni;

• translokacje – zmiany polegające na przemieszczeniu fragmentu chromosomu na inny chromosom niehomologiczny. Wyróżnia się translokację wzajemną, polegająca na wymianie fragmentów między dwoma chromosomami niehomologicznymi oraz translokację robertsonowską, gdy fragment jednego chromosomu odrywa się i przyłącza do innego chromosomu, ale bez wymiany zwrotnej.

RtiC1h3GXTRly

Ilustracja przedstawia rodzaje mutacji chromosomowych strukturalnych. W tabeli jest typ mutacji oraz odpowiadająca mu zmiana w strukturze chromosomu. Prawidłowy chromosom. Obok są dwa długie owale, stykają się ze sobą. To dwie chromatydy. W pierwszej jest kolejność A B C D E F G H, w drugiej litery I J K L M N O P R. Kolejny typ mutacji to delecja (utrata B C D). Na ilustracji są dwa poziome stykające się ze sobą owale, to chromatydy - w pierwszej są litery A E F G H, w drugiej I J K L M N O P R. Kolejny typ mutacji to duplikacja (powtórzenie D E F). Na ilustracji jest następująca kolejność w dwóch stykających się długich poziomych owalach: A B C D E F D E F G H oraz I J K L M N O P R. Typ mutacji: inwersja, czyli odwrócenie D E F G H o 180 stopni: kolejność liter jest następująca - A B C H G F E D oraz I J K L M N O P R. Kolejny typ - translokacja wzajemna, czyli wymiana A B C D E i 1 między chromosomami niehomologicznymi. Na ilustracji są cztery części chromosomu równoległe do siebie. W pierwszym odcinku jest zapis: A B C D E 2 3, styka się z nim odcinek o sekwencji 4 5 6 7 8 9 10 11 12. Pod spodem równolegle są kolejne dwa odcinki. W pierwszym jest zapis: 1 F G H, w drugim I J K L M N O P R.

Głównymi przyczynami mutacji chromosomowych strukturalnych są: działanie czynników mutagennych (promieniowanie jonizujące, czynniki chemiczne, np. pestycydy), nierównomierny crossing‑over oraz błędy w systemach naprawczych DNA. 

Mutacje chromosomowe liczbowe

Polegają na zmianie liczby chromosomów w jadrze komórkowym. W przeciwieństwie do mutacji strukturalnych, budowa samych chromosomów pozostaje zazwyczaj prawidłowa, ale ich liczba w zestawie jest niewłaściwa. 

Mutacje liczbowe dzieli się na: 

1. aneuploidie – polegają na zmianie liczby chromosomów w obrębie jednej pary; w zależności od charakteru mutacji wyróżnia się następujące typy aneuploidii:

• monosomie (2n - 1) – mutacje polegające na braku jednego chromosomu z danej pary;

• trisomie (2n + 1) – mutacje polegające na obecności jednego dodatkowego chromosomu w danej parze;

• nullisomie (2n - 2) – mutacje polegające na braku dwóch chromosomów danej pary;

• tetrasomie (2n + 2) – mutacje polegające na obecności dwóch chromosomów tworzących dodatkową parę;

gallery‑without‑header

• Zakładka 1
• Zakładka 2
• Nowa zakładka

Zakładka 110

RAGN8PC8SC8UO

Ilustracja przedstawia 23 pary chromosomów autosomalnych w tym jedną parę chromosomów XY. Największe są chromosomy w pierwszej i drugiej parze, najmniejsze w parze 21. 23 para chromosomów to XY, X jest większe od Y.

Zakładka 240

R1866PCBA5XOZ

Ilustracja ukazuje 23 pary chromosomów. Trisomia 21. pary chromosomów oznacza, że przy 21. parze jest dodatkowy, trzeci chromosom lub jego fragment. Największa jest pierwsza i druga para chromosomów, najmniejsza 21. 23 para chromosomów to XY. X jest większe od Y.

Nowa zakładka40

R11UG95VT8632

Monosomia chromosomu 21. Na ilustracji są 23 pary chromosomów. Zamiast 21. pary chromosomów jest tylko jeden chromosom. Największa jest para pierwsza i druga, najmniejsza 21. 23 para chromosomów to XY.

2. euploidie – polegają na zmianie liczby kompletnych zestawów chromosomów. Wyróżniamy wśród nich: 

• monoploidie (1n - jeden zestaw chromosomów);

• poliploidie (3n - trzy zestawy,  tetraploidia (4n - cztery zestawy) itd.

Jeśli zwielokrotnione genomy są genetycznie jednakowe, mówimy o autopoliploidii, a w przypadku gdy są różne – o allopoliploidii.

gallery‑without‑header

• Zakładka 1
• Zakładka 2
• Nowa zakładka

Zakładka 110

R13sX9EOOTcEC

Zdjęcie przedstawia roślinę, to pierwiosnek z Kew. Kwiaty są żółte, pięciopłatkowe, płatki są rozłożyste.

Zakładka 240

R18Ehy9B9tre2

Zdjęcie przedstawia roślinę. To poziewnik szorstki. Liście są jajowate, zaostrzone, na brzegu karbowano‑piłkowane, ogonkowe, ustawione naprzeciwlegle. Kwiaty są niewielkie, różowe, kielichowate.

Nowa zakładka40

R1QGRgGqRt6ys

Ilustracja przedstawia zielone kłosy zbóż. To kłosy pszenicy.

Bezpośrednią przyczyną aneuploidii jest nondysjunkcja, czyli brak prawidłowego rozdziału chromosomów homologicznych w mejozie podczas tworzenia gamet. 
Skutkiem tego zaburzenia jest powstanie gamet zawierających nadmiar lub niedobór jednego chromosomu. 

Przyczyną autopoliploidii  jest najczęściej endomitoza - rodzaj cyklu komórkowego, w którym dochodzi do replikacji DNA, ale bez podziału komórki. Prowadzi to do zwielokrotnienia liczby zestawów chromosomów w obrębie jednej komórki. 

Przyczyną allopoliploidii jest krzyżowanie międzygatunkowe. Gdy krzyżują się osobniki dwóch różnych gatunków, ich chromosomy zazwyczaj nie są homologiczne, dlatego nie mogą prawidłowo parować podczas mejozy, co prowadzi do bezpłodności mieszańca. Jeśli jednak dojdzie do spontanicznego podwojenia liczby chromosomów, każdy chromosom uzyskuje homolog, co umożliwia prawidłowy przebieg mejozy i w efekcie powstanie płodnego mieszańca. 

Mutacje korzystne, neutralne i niekorzystne

Ze względu na konsekwencje dla organizmu, mutacje dzielimy na korzystne, neutralne i niekorzystne.

Mutacje korzystne związane są z pojawieniem się nowych, korzystnych cech. Dzięki nim organizm lepiej przystosowuje się do zmieniających się warunków środowiska. Wzrost możliwości adaptacyjnych zwiększa szansę na przeżycie i wydanie na świat potomstwa. Nowe pokolenie, dziedzicząc korzystne zmiany informacji genetycznej, może ewoluować.

Mutacje neutralne są dla organizmu zmianami obojętnymi. Oznacza to, że pomimo zmian w informacji genetycznej organizm nie ponosi skutków ich obecności. W zmieniających się warunkach środowiska początkowo neutralna dla organizmu mutacja może jednak okazać się korzystna, jeśli zwiększa możliwości adaptacyjne, lub niekorzystna, jeśli możliwości te są zmniejszone.

Mutacje niekorzystne są dla organizmu zmianami negatywnymi. Gdy obecność mutacji skutkuje śmiercią organizmu, wówczas nazywana jest mutacją letalną. W przypadku, gdy obecność mutacji zmniejsza możliwości adaptacyjne, ogranicza zdolności rozrodcze lub objawia się rozwojem choroby wówczas określana jest jako mutacja subletalna.

Podsumowanie

• Ze względu na rodzaj komórek, w których zachodzą, mutacje dzieli się na:
  - somatyczne - zachodzą w komórkach ciała, nie są dziedziczne, mogą prowadzić do nowotworów;
  - generatywne - zachodzą w komórkach rozrodczych, są dziedziczne, mogą ujawnić się u potomstwa.

• Ze względu na przyczynę mutacje dzieli się na: 

  - mutacje spontaniczne: powstają samoistnie podczas replikacji DNA, wynikają z błędów enzymów kopiujących DNA.

  - mutacje indukowane- są wywoływane przez mutageny (fizyczne, chemiczne, biologiczne).

• Ze względu na poziom organizacji materiału genetycznego, w którym doszło do zmian wyróżnia się mutacje genowe i chromosomowe.

• Mutacje genowe (punktowe) – dotyczą pojedynczych genów:
  - substytucje (zamiana nukleotydów),
  - delecje (utrata nukleotydów),
  - insercje (wstawienie nukleotydów).

• Mutacje genowe ze względu na skutek mogą być mutacjami: zmiany sensu, milczącymi, nonsensowymi, zmiany ramki odczytu.

• Mutacje chromosomowe dzieli się:

  - strukturalne: delecja, duplikacja, inwersja, translokacja,

  - liczbowe: aneuploidie (np. monosomia, trisomia), euploidie (np. monoploidie, poliploidie).

• Skutki mutacji:

  - mutacje korzystne - zwiększają zdolność przystosowania i przeżycia, są podstawą ewolucji.

  - mutacje neutralne - nie wpływają na fenotyp, mogą zmienić znaczenie w nowych warunkach.

  - mutacje niekorzystne - powodują choroby, obniżają płodność lub przeżywalność, mutacje letalne prowadzą do śmierci organizmu.

Ćwiczenia utrwalające