Мутація

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

У біології, мута́ції — зміни генетичного матеріалу (звичайно ДНК або РНК). Мутації можуть бути викликані копіюванням помилок в генетичному матеріалі протягом поділу клітини, опроміненням жорсткою радіацією, хімічними речовинами (мутагенами), вірусами або можуть відбуватися свідомо під клітинним контролем протягом таких процесів як, наприклад, мейоз або гіпермутація. У багатоклітинних організмах мутації можуть бути підрозділені на зародкові мутації, які можуть бути передані нащадкам, і соматичні мутації. Соматичні мутації не можуть передаватися до нащадків у тварин. Рослини іноді можуть передавати соматичні мутації своїм нащадкам безстатево або статево (у випадку, коли брунька розвивається в соматично зміненій частині рослини).

Мутації розглядаються як рушійна сила еволюції, де менш сприятливі (або шкідливі) мутації видаляються з генофонду природним відбором, тоді як сприятливі (вигідні) прагнуть накопичуватися. Нейтральні мутації визначаються як мутації, чиї ефекти не впливають на виживання видів або індивідуумів, які складають види. Вони також можуть накопичуватися. Переважна більшість мутацій не мають ніякого ефекту, тому що механізми ремонту ДНК можуть виправити більшість змін перед тим, як вони стануть постійними мутаціями, і багато організмів мають механізми для усунення інакше постійно видозмінених соматичних клітин.

Зміст 1 Класифікація 1.1 За ефектом на структуру 1.2 За ефектом на функції 1.3 За аспектом зміненого фенотипу 1.4 Спеціальні категорії 2 Мутації і хвороби 3 Мутагенез 4 Дивіться також

[ред.] Класифікація

[ред.] За ефектом на структуру

Послідовність ДНК гена може бути змінена безліччю шляхів. Генетичні мутації мають різні ефекти на здоров'я залежно від того, де вони відбуваються і чи змінюють вони функцію важливих білків. Структурно, мутації можуть бути класифіковані, як:

• Невеликі мутації, що охоплюють один або декілька нуклеотидів, зокрема:
  • Точкові мутації, часто викликані хімічними речовинами або помилками при реплікації ДНК, представляють собою заміну одного нуклеотиду іншим. Найбільше загальні – заміна пурину на пурин (A↔G) або піримідіну на піримідін (C↔T). Така заміна може бути викликана азотистою кислотою, помилкою спарювання основ або мутагенними аналогами основ, наприклад, 5-бромо-2-дезоксиуридином (BrdU). Менш загальний випадок – трансверсія, або заміна пурину на піримідін або піримідіну на пурин (C/T↔A/G). Точкова мутація може бути нейтралізована іншою точковою мутацією, в якій нуклеотид змінюється назад до свого оригінального стану (дійсна реверсія) або додатковою мутацією де-небудь у іншому місці, яка приводить до відновлення функціональності гена (додаткова реверсія). Такі зміни класифікуються як переходи або трансверсії. Приклад трансверсії - аденін, що перетворюється на цитозин. Точкові мутації, які відбуваються в межах області гена що кодує білки, можуть бути класифіковані на три види, залежно від того, для чого використовуються помилкові кодони:
    • Безмовні мутації: які кодують ту ж саму амінокислоту.
    • Міссенс-мутації: які кодують іншу амінокислоту.
    • Нонсенс-мутації: які кодують код зупинки (стоп-кодон) трансляції білку.
  • Вставки додають один або більше нуклеотидів до ДНК. Вони звичайно викликані мобільними генетичними елементами, або помилками протягом копіювання елементів, що повторюються (наприклад AT повторення). Вставки в кодуючі області гена можуть змінювати сплайсинг мРНК або викликати “зміщення рамки” (англ. frameshift ), обидва типи мутацій можуть значно змінити продукт гена. Вставки можуть бути звернені делецією мобільного генетичного елементу.
  • Делеції видаляють один або більше нуклеотидів із ДНК. Подібно до вставок, ці мутації можуть викликати “зміщення рамки” гена. Вони незворотні.

• Великі мутації в хромосомній структурі, зокрема:
  • Ампліфікації (або дублювання гена) приводять до створення багатьох копій хромосомних областей, збільшуючи дозування генів, розміщених в їх межах.
  • Делеції великих хромосомних областей приводять до втрати генів в межах цих областей.
  • Мутації, чий ефект - зіставити разом окремі шматки ДНК, що може привести до створення гібридних генів з новою функціональністю (наприклад bcr-abl). Вони включають:
    • Хромосомні транслокації: обмін частинами генів між негомологічними хромосомами.
    • Інтерстиціальні (проміжниі) делеції: видалення областей ДНК з єдиної хромосоми, таким чином сполучаючи наперед віддалені гени.
    • Хромосомні інверсії: зміна орієнтації хромосомного сегменту.
  • Втрата гетерозиготності: втрата одного аллелю, шляхом делеції або рекомбінації, в організмах які перед тим мали два.

[ред.] За ефектом на функції

• Мутації втрати функції приводять до виробу гена, що має зменшену або немає функції. Коли аллель має повну втрату функції (нульовий аллель), така мутація часто називається аморфною мутацією. Фенотипи, пов'язані з такими мутаціями, частіше всього рецесивні, але є виключення - коли організм гаплоїдний або коли зменшене дозування продукту гена мало для підтримання нормального фенотипу (гаплонедостатність).
• Мутації отримання функції замінюють продукт гена таким чином що він набуває нової анормальної функції. Такі мутації звичайно мають домінантний фенотип.
• Домінантні негативні мутації (також відомі як антиморфні мутації) мають змінений продукт гену, який діє антагонічно до аллелю дикого типу. Такі мутації звичайно приводять до зміненої молекулярної функції (часто недіючої) і характеризуються домінантним або напів-домінантним фенотипом. Синдром Марфана у людини - приклад домінантної негативної мутації, яка проявляється як автозомна домінантна хвороба. За цими умовами, дефектний глікопротеїн що кодується зміненим геном фібрілину (FBN1) протидіє продукту аллелю.
• Смертельні мутації - мутації, які приводять до фенотипу, нездібному до ефективного відтворення.

[ред.] За аспектом зміненого фенотипу

• Морфологічні мутації звичайно впливають на зовнішність індивідуума. Мутації можуть замінити висоту рослини або замінити вигляд її насіння від гладкого до грубого.
• Біохімічні мутації приводять до пошкоджень, що зупиняють ферментний шлях. Часто, морфологічні мутанти - прямий результат мутації завдяки ферментному шляху.

[ред.] Спеціальні категорії

Умовна мутація - мутація, яка має фенотип дикого типу за певними природними умовами і мутантом фенотип за певними умовами. Умовні мутації також можуть бути смертельними.

Причини мутацій: Два класи мутацій - спонтанні мутації (молекулярний розпад) і вимушені мутації, викликані мутагенами.

Спонтанні мутації на молекулярному рівні включають:

• Таутомерізм — В основі замінюється розташування водневого атома.
• Депуринація — Втрата пурину (А або G).
• Деамінація — Заміна нормальної основи на нетипову; C → U, (може бути виправлений механізмами ремонту ДНК), або спонтанна деамінація 5-метилцитозину (непоправна), або A → HX (гіпоксантин).
• Транзиція — зміни пурину на інший пурин, або пірімідіну на пірімідін.
• Трансверсія — пурин стає пірімідіном або навпаки.

Вимушені мутації на молекулярному рівні можуть бути викликані:

• Хімічними речовинами
  • Нітрозогуанадін (Nitrosoguanidine, NTG)
  • Аналоги основ (наприклад BrdU)
  • Прості хімічні речовини (наприклад кислоти)
  • Алкілуючі агенти (наприклад, N-етил-N-нітрозосечовина, англ. N-ethyl-N-nitrosourea, ENU)). Ці агенти можуть діяти на ДНК як при реплікації, так і у інший час. На відміну, аналог основи може тільки видозмінити ДНК якщо він включається при реплікації ДНК. Кожний з цих класів хімічних мутагенів має певні ефекти, які приводять до транзицій, трансверсій або делецій.
  • Метилируючі агенти (наприклад етан-метил-сульфонат, англ. ethane methyl sulfonate, EMS))
  • Поліциклічні вуглеводні (наприклад бензопірен, знайдений у вихлопах двигунів внутрішнього згорання)
  • Інтеркаляційні агенти (наприклад, бромистий етідій, англ. ethidium bromide)
  • Крослінкери або агенти поперечного зшивання ДНК (наприклад, платина)
  • Окислювальне пошкодження, викликане кисневими радикалами

• Радіація або випромінювання
  • Ультрафіолетове випромінювання (неіонізуюче випромінювання) – збуджує електрони до вищого рівня енергії та визиває хімічні реакції інакше неможливі. Дві нуклеотидні основи ДНК – цитозин та тимін – найбільш уразливі до збудження, яке може замінити властивості спаровування цих основ.
  • Іонізуюча радіація

У ДНК існують так звані гарячі точки, де мутації відбуваються до 100 разів частіше, ніж у решті ДНК. Гаряча точка може знаходитися в незвичайній основі, наприклад, 5-метилцитозині.

Частота мутацій також відрізняється для різних видів. Еволюційні біологи запропонували, що вищі частоти мутації вигідні в деяких ситуаціях, тому що вони дозволяють організмам еволюціонувати і тому пристосувати швидше до своїх навколишніх середовищ. Наприклад, багатократна дія антибіотиків на бактерій і відбір стійких мутантів може привести до відбору бактерій, які мають вищі частоти мутацій, ніж оригінальна популяція (мутаторна лінія).

[ред.] Мутації і хвороби

Зміни в ДНК, викликані мутацією, можуть викликати помилки в послідовності білка, створюючи частково або цілком нефункціональні білки. Щоб функціонувати правильно, кожна клітина залежить від тисяч білків, що повинні функціонувати в правильних місцях в правильні часи. Коли мутація змінює білок, який грає критичну роль в тілі, може виникнути захворювання. Захворювання, викликане мутаціями в одном або більше генах називається генетичним захворюванням. Проте, тільки маленький відсоток мутацій визивають генетичні захворювання, більшість не мають ніякого впливу на здоров'я. Наприклад, деякі мутації змінюють послідовність основ ДНК гена, але не замінюють функцію білка, зробленого геном.

Якщо мутація присутня в зародковій клітині, вона може дати початок нащадку, який буле носити мутацію у всіх своїх клітинах. Це причина спадкових хвороб. З другого боку, мутація може відбуватися в соматичній клітині організму. Такі мутації будуть присутні у всіх нащадках цієї клітини, і певні мутації можуть примусити осередок почати безконтрольно відтворюватися, і тому викликати рак.

Часто, мутації гена, які могли б створити генетичну хворобу, виправляються ремонтною системою клітини. Кожна клітина має цілий ряд шляхів, через які ферменти визнають і ремонтують помилки в ДНК. Оскільки ДНК може бути пошкоджена або видозмінюються у багатьох відношеннях, процес ремонту ДНК - важливий шлях, в якому тіло захищає себе від хвороби.

Дуже маленький відсоток всіх мутацій фактично має позитивний ефект. Ці мутації приводять до нових версій білків, які допомагають організму і його майбутнім поколінням краще пристосовують до змін в їх навколишньому середовищі. Наприклад, вигідна мутація могла б приводити до білка, який захищає організм від нової лінії бактерій.

[ред.] Мутагенез

Мутагенез (штучне створення мутацій) може використовуватися як ефективний генетичний інструмент. Стимулюванням мутацій певним шляхом а потім спостереженням фенотипу організму можуть бути визначені функції генів і навіть індивідуальних нуклеотидів.

[ред.] Дивіться також

• Макромутація
• Мутант