Певна послідовність ДНК зберігає спадкову інформацію, яка може змінюватися (спотворюватись) протягом життя. Такі зміни називаються мутаціями. Існує кілька видів мутацій, що зачіпають різні ділянки генетичного матеріалу.
Визначення
Мутації – стійкі зміни геному, що передаються у спадок. Геном – це сукупність хромосом у гаплоїдній клітині, властива цьому виду. Процес виникнення та закріплення мутацій називається мутагенезом. Термін «мутація» запроваджено Гуго де Фрізом на початку ХХ століття.
Мутації можуть бути під впливом чинників довкілля.
Вони можуть бути двох типів:
Корисні мутації піддаються природному відбору і призводять до вироблення пристосувань до умов навколишнього середовища, що змінюються, і, як наслідок, виникнення нових видів. Трапляються рідко. Найчастіше в генотипі накопичуються шкідливі мутації, які вибраковуються під час природного відбору.
Через виникнення виділяють два види мутацій:
- спонтанні– виникають мимоволі протягом усього життя, часто мають нейтральний характер – не впливають життя індивіда та її потомства;
- індуковані– виникають за несприятливих умов середовища – радіоактивного випромінювання, хімічного впливу, впливу вірусів.
Нервові клітини людського мозку за життя накопичують близько 2,4 тисячі мутацій. Однак мутації рідко торкаються життєво важливих ділянок ДНК.
Види
Зміни відбуваються на певних ділянках ДНК. Залежно від обширності мутацій виділяють кілька видів. Їх опис наведено у таблиці видів мутацій.
які читають разом з цією
Характеристика
Приклади
Зміни одного гена.Нуклеотиди, що становлять ген, можуть «випадати», змінюватися місцями, замінюватись. Причинами стають помилки при реплікації ДНК
Серпоподібна анемія, фенілкетонурія
Торкаються ділянки хромосом або цілі хромосоми, змінюють їхню структуру, форму. Існує кілька видів хромосомних мутацій:
– делеція – втрата ділянки хромосоми;
– дуплікація – подвоєння хромосомної ділянки;
– дефішенсі – втрата кінцевої ділянки хромосоми;
– інверсія – поворот хромосомної ділянки на 180° (якщо містить центроміру – перицентричну інверсію, не містить – парацентричну);
– інсерція – вставка зайвої хромосомної ділянки;
– транслокація – переміщення ділянки хромосоми інше місце.
Види можуть поєднуватися
Синдром котячого крику, хвороба Прадера-Віллі, хвороба Вольфа-Хіршхорна – спостерігається затримка фізичного та розумового розвитку
Пов'язані зі зміною числа хромосом усередині геному. Часто відбуваються при помилковому розбіжності гомологічних хромосом у першому розподілі мейозу. В результаті хромосоми неправильно розподіляються по дочірнім клітинам. Залежно від кількості хромосом у клітині розрізняють:
– поліплоїдію – кратне збільшення кількості хромосом (наприклад, 24 замість 12);
– анеуплоїдія – неразова зміна числа хромосом (одна зайва або недостатня)
Поліплоїдія у рослин призводить до збільшення врожайності, поява махровості у квіток.
Анеуплоїдія у людини: синдром Дауна – одна зайва, 47 хромосома
У таблиці наведено приклади ядерних мутацій, Що зачіпають у еукаріотів спадковий матеріал ядра. Позаядерні мутації відбуваються в ДНК мітохондрій та пластид. Такі мутації є причиною цитоплазматичної (позахромосомної) мінливості. Небезпечними для людини є мутації в мітохондріях яйцеклітини. Такі порушення призводять до виникнення мітохондріального цукрового діабету, синдрому Лея (ураження ЦНС), порушення зору.
За місцем виникнення виділяють два види мутацій:
- соматичні– мутації в нестатевих клітинах, передаються у спадок тільки при безстатевому розмноженні (вегетативному або брунькування). Наприклад, поява темної плями на шерсті вівці, частково забарвлені очі дрозофіли;
- генеративні– виникають у гаметах (статевих клітинах), передаються нащадкам при статевому розмноженні. Мал. 2. Серповидна анемія – приклад генної мутації.
Головне джерело накопичення мутацій у клітині – неправильна, подекуди хибна реплікація ДНК. При наступному подвоєнні ДНК помилка може бути виправлена. Якщо помилка зберігається і торкається важливих ділянок ДНК, то мутація передається у спадок.
Що ми дізналися?
З уроку 10 класу довідалися, які бувають мутації. Зміни ДНК можуть зачіпати як окремі гени та хромосоми, так і весь геном. Мутації можуть виникати як у соматичних клітинах, так і у статевих, пластидах або мітохондріях клітини. Мутації накопичуються протягом життя і можуть передаватися у спадок. Більшість мутацій нейтральні – не відбивається на фенотипі. Рідко зустрічаються корисні мутації, що допомагають пристосовуватися до довкілля. Найчастіше виявляються шкідливі мутації, які спричиняють захворювання та порушення розвитку.
Г ей характеризується певною структурою та проявом. Тому мутації загалом можна класифікувати як у фенотипу, і характером змін у хромосомах.Кожен організм характеризується певною структурою генотипу, яка сформована у процесі відбору. Алелі генів, типові диких (вихідних) форм виду, називають генами дикого типу, а змінені — мутантними. Принципової різниці немає, оскільки гени дикого типу створені у процесі еволюції і спочатку були мутантними. Більшість мутацій, що виникають, — рецесивно, і їх поява призводить до гетерозиготності організмів, яку можна виявити за допомогою генетичного аналізу. Це важливо для існування виду, так як у своїй більшості мутації шкідливі для організму в умовах. Рецесивний характер мутантних алелів дозволяє їм тривалий час зберігатися у особин виду в гетерозиготному стані, а їх прояв можливий у результаті комбінативної мінливості.
- • залежно від характеру змін геному виділяють геномні (пов'язані зі зміною набору, кратного гаплоїдному числу хромосом у клітині), хромосомні (пов'язані зі зміною окремих хромосом), генні мутації;
- • за проявом у гетерозиготі – домінантні та рецесивні;
- • за ухиленням від норми (дикого типу) – прямі та зворотні;
- • залежно від причини виникнення – спонтанні та індуковані;
- • по локалізації в клітині – ядерні та цитоплазматичні;
- • стосовно можливості успадкування – соматичні та генеративні;
• за фенотиповим проявом – летальні, морфологічні, біохімічні, поведінкові, за стійкістю до фактора (наприклад, у мікроорганізмів – до антибіотика). Незалежно від обраної класифікації слід пам'ятати про те, що мутації — це зміни генетичного матеріалу, що успадковуються.
Етимологія: походження терміна «мутація» походить від латинського mutationem, mūtō, що означає «я рухаюся» або «я змінююся». У біології мутація відноситься до будь-якої зміни в послідовності нуклеотидів в результаті нездатності системи повернути зміну. Визначення
Мутації – Це зміни в генетичній послідовності, і вони є основною причиною різноманітності організмів. Ці зміни відбуваються на різних рівнях і можуть мати різні наслідки.
- статися у клітинах, які виробляють наступне покоління;
- вплинути на спадковий матеріал.
Зрештою взаємодія між спадковими мутаціями та тиском навколишнього середовища породжує різноманітність видів.
Хоча існують різні типи молекулярних змін, слово «мутація» зазвичай відноситься до змін, що стосуються нуклеїнових кислот. У клітинних організмах ці нуклеїнові кислоти є будівельними блоками ДНК, а вірусах є будівельними блоками або ДНК, або РНК. ДНК і РНК – це речовини, які несуть у собі довготривалу пам'ять про інформацію, необхідну відтворення організму.
Якщо мутації відбуваються у клітинах, які не належать до зародкової лінії, то ці зміни можна класифікувати як соматичні мутації. Слово "соматичний" походить від грецького слова soma, що означає "тіло", а соматичні мутації впливають лише на справжнє тіло організму.
З погляду еволюції, соматичні мутації не становлять інтересу, якщо вони не відбуваються систематично і змінюють деякі фундаментальні властивості індивідуума — наприклад, здатність до виживання.
Наприклад, рак – це потужна соматична мутація, яка впливає на виживання окремого організму. З іншого боку, еволюційна теорія переважно цікавиться змінами ДНК у клітинах, які виробляють наступне покоління.
Таким чином, мутація — це постійна зміна послідовності нуклеотидів, що успадковується, або процес, в результаті якого відбувається така зміна в гені або хромосомі. Існує два основних типи мутацій: дрібномасштабні та великомасштабні.
- Дрібномасштабні мутації – це генетичні мутації, часто у вигляді замін, делецій та вставок одного або кількох нуклеотидів.
- Мутації, які у певних регіонах хромосом, є великомасштабними мутаціями. Така форма мутації може бути смертельною або призводити до серйозних захворювань чи синдромів.
Чи випадкові мутації? Наскільки відомо, наслідки мутації ніяк не впливають на можливість того, що ця мутація відбудеться або не відбудеться. Іншими словами, мутації відбуваються випадково з точки зору того, чи будуть їх наслідки корисними.
Таким чином, корисні зміни ДНК не відбуваються частіше лише тому, що організм може отримати з них користь. Більше того, навіть якщо організм придбав корисну мутацію протягом свого життя, відповідна інформація не повернеться до ДНК у зародковій лінії організму. Це фундаментальна ідея, яку неправильно зрозумів Жан-Батіст Ламарк та правильно зрозумів Чарльз Дарвін.
Однак ідея про те, що мутації випадкові, може бути визнана невірною, якщо взяти до уваги той факт, що не всі типи мутацій відбуваються з однаковою ймовірністю.
Деякі з них відбуваються частіше за інших, тому що їм сприяють низькорівневі біохімічні реакції. Ці реакції також є основною причиною того, що мутації — неминуча властивість будь-якої системи, здатної до відтворення в реальному світі, чи то бактерії чи складніші організми.
Частота мутацій зазвичай дуже низька, і біологічні системи докладають усіх зусиль, щоб підтримувати її на якомога нижчому рівні, в основному тому, що багато мутаційних ефектів шкідливі.
Проте рівень мутацій ніколи не досягає нуля, навіть незважаючи на захисні механізми низького рівня (такі як репарація ДНК або коректура під час реплікації ДНК) та механізми високого рівня (такі, як відкладення меланіну в клітинах шкіри для зменшення радіаційного пошкодження).
Після певного моменту уникнення мутацій просто стає надто дорогим для клітин. Таким чином, мутація завжди буде присутня як потужна сила в еволюції.
Класифікація, причини та наслідки мутацій
Мутація – це зміна нуклеотидної послідовності гена чи хромосоми. Виходячи з впливу мутації на структуру гена, мутації можуть бути: дрібномасштабними або великомасштабними.
Дрібномасштабні
Дрібномасштабні мутації – це тип мутації, при якому торкається один або кілька генів нуклеотидів. Вони поділяються на
Замісна мутація – Це коли нуклеотид замінюється іншим нуклеотидом. Приклади замін (за парами основ) такі:
- Пурин замінюється іншим пурином (A → G).
- Піримидин замінюється іншим піримідином (C → T).
- Пурин замінюється піримідином.
- Піримидин замінюється пурином.
Перші два приклади – це типи переходу (мутації).Останні два приклади – це приклади трансверсії. Мутацію заміщення іноді називають точковою мутацією, тобто коли генна мутація зачіпає лише один нуклеотид. Точкові мутації можна далі класифікувати залежно від впливу на результуючий білок:
- мутація із зсувом рамки;
- нонсенс-мутація;
- міссенс-мутація;
- нейтральні мутації;
- мовчазна мутація.
Мутація із зсувом рамки – це тип генної мутації, при якій додавання або видалення (ряду) нуклеотидів викликає зсув рамки зчитування кодонів мРНК (Матрична рибонуклеїнова кислота). Це призводить до зміни послідовності амінокислот під час трансляції білка.
Нонсенс-мутація – Це форма мутації, що призводить до виникнення нонсенс-кодону.
Нонсенс-кодонЯк випливає з назви, не кодує амінокислоту і призводить до утворення білкового продукту, який рано усікається.
Міссенс-мутація призводить до появи кодону, що означає іншу амінокислоту, і таким чином викликає синтез білка зі зміненою послідовністю амінокислот під час трансляції.
Нейтральна мутація не має селективної переваги чи нестачі.
Німа мутація — це коли кодон кодує ту саму амінокислоту і тому не викликає ні структурних, ні фізіологічних змін у білковому продукті.
Великомасштабний
Великомасштабні мутації призводять до зміни хромосоми. Вони поділяються на ампліфікації (також звані дуплікаціями генів), делеції великих хромосомних областей та хромосомні інверсії.
Як відбуваються мутації? Відповідь це питання тісно пов'язані з молекулярними деталями того, як влаштована ДНК і весь геном. Найменші мутації – це точкові мутації, При яких тільки одна пара основ змінюється на іншу пару основ.
Ще один тип мутацій – несинонімічні мутації, При яких змінюється послідовність амінокислот Такі мутації призводять або до виробництва іншого білка, або передчасної зупинки синтезу білка.
На відміну від несинонімічних мутацій, синонімічні мутації не змінюють послідовність амінокислот, хоча вони відбуваються, за визначенням, лише у послідовностях, що кодують амінокислоти. Синонімічні мутації існують тому, що багато амінокислот кодуються кількома кодонами.
Пари основ також можуть мати різні регулюючі властивості, якщо вони розташовані в інтронах, міжгенних областях або навіть усередині кодуючої послідовності генів. З деяких історичних причин усі ці групи часто поєднують із синонімічними мутаціями під назвою «мовчазні» мутації.
Залежно від своєї функції, такі «мовчазні» мутації можуть бути як «мовчазними», так і надзвичайно важливими, причому останнє має на увазі, що робочі послідовності підтримуються постійними за допомогою очищувального відбору.
Це найбільш вірогідне пояснення існування ультраконсервативних елементів, що не кодують, які збереглися понад 100 мільйонів років без істотних змін, що було виявлено при порівнянні геномів декількох хребетних.
Мутації можуть також набувати форми вставок або делецій, які разом відомі як індели. Індели мають різну довжину.На короткому кінці спектру найбільший ефект мають індели довжиною в одну або дві пари основ кодуючих послідовностей, оскільки вони неминуче викликають зсув рамки (тільки додавання одного або декількох кодонів з трьох пар основ зберігає білок приблизно в незмінному вигляді).
На проміжному рівні індели можуть торкатися частин гена або цілі групи генів.
На найвищому рівні вставки чи делеції можуть зачіпати цілі хромосоми і навіть цілі копії геному, хоча такі мутації зазвичай не розглядаються під ярликом «индел». На цьому високому рівні також можлива інверсія або транслокація цілих ділянок хромосоми, а хромосоми можуть зливатися або розриватися.
Якщо в результаті одного з цих процесів втрачається велика кількість генів, то наслідки зазвичай дуже шкідливі. Звісно, різні генетичні системи по-різному реагують такі події.
Нарешті, ще одним джерелом мутацій є різні типи елементів, що транспозуються, які являють собою невеликі ділянки ДНК, що володіють механізмом, що дозволяє їм переміщатися всередині геному. Деякі з цих елементів копіюють та вставляють себе в нові місця, тоді як інші використовують метод «вирізати та вставити».
Такі переміщення можуть порушувати існуючі функції генів (вставка в середину іншого гена), активувати сплячі функції генів (досконала ексцизія з гена, який був вимкнений попередньою вставкою) або іноді спричиняти утворення нових генів (вставка матеріалу з різних генів разом).
Одна мутація може мати великий ефект, але у багатьох випадках еволюційні зміни ґрунтуються на накопиченні безлічі мутацій з невеликими ефектами.Мутаційні ефекти можуть бути корисними, шкідливими або нейтральними залежно від їхнього контексту або розташування. Більшість ненейтральних мутацій є згубними. Загалом, що більше пар підстав порушено мутацією, то більше вписувалося ефект мутації і більше ймовірність те, що мутація виявиться згубною.
Щоб краще зрозуміти вплив мутацій, дослідники почали оцінювати розподіл мутаційних ефектів (DME), які кількісно визначають, скільки мутацій відбувається з тим чи іншим ефектом на дану властивість біологічної системи. В еволюційних дослідженнях цікавою властивістю є пристосованість, але в біології молекулярних систем інтерес можуть представляти й інші властивості, що виникають.
Отримати достовірну інформацію про МЕ надзвичайно складно, оскільки відповідні ефекти охоплюють багато порядків величини, від летальних до нейтральних та сприятливих; крім того, багато факторів, що збивають, зазвичай ускладнюють цей аналіз. Що ще більше ускладнює ситуацію – багато мутацій також взаємодіють один з одним, змінюючи свої ефекти; це явище називається епістазом.
Однак, незважаючи на всі ці невизначеності, останні роботи неодноразово показували, що переважна більшість мутацій мають дуже незначні ефекти. Звичайно, для отримання більш детальної інформації про DME, які є фундаментальною властивістю, що визначає еволюцію кожної біологічної системи, необхідно зробити ще багато роботи.
Оцінка швидкості мутацій
Основна труднощі в оцінці швидкості мутацій пов'язана з тим, що зміни ДНК є надзвичайно рідкісними подіями і можуть бути виявлені тільки на тлі ідентичної ДНК. Оскільки біологічні системи зазвичай впливає безліч чинників, бажані прямі оцінки швидкості мутацій.
- Прямі оцінки зазвичай припускають використання відомого родоводу, в якому всі нащадки успадкували чітко визначену послідовність ДНК.
- Щоб виміряти швидкість мутацій за допомогою цього методу, спочатку необхідно провести послідовність багатьох пар основ у цьому регіоні ДНК у багатьох особин у родоводі, підраховуючи всі мутації, що спостерігаються.
- Потім ці спостереження поєднуються з кількістю поколінь, що пов'язують цих особин, для розрахунку загальної швидкості мутацій. Такі прямі оцінки не слід плутати зі швидкостями заміщення, розрахованими за період філогенезу.
Причини мутацій
Мутації можуть виникати внаслідок помилкових делецій, вставок або обмінів нуклеотидів у генетичному матеріалі. Вони, у свою чергу, можуть бути викликані впливом мутагенів, таких як ультрафіолетове або іонізуюче випромінювання, деякі хімічні речовини та віруси.
Коли в послідовності ДНК відбувається, наприклад, точкова мутація, помилка виправляється або репарується шляхом прямої реверсії або заміни пошкоджених основ азоту. Коли ці механізми не можуть відновити цілісність послідовності, результатом стає мутація, яка є постійною та успадкованою. Помилка поширюється шляхом реплікації ДНК. е. біологічного процесу копіювання нитки ДНК
Наслідки мутацій
Мутація призводить до формування чи створення нового характеру чи ознаки. Ця нова ознака може бути корисною або згубною. З точки зору еволюції, мутації життєво важливі, оскільки вони привносять нові ознаки в популяцію, змінюють частоту алелів та включають зміни до послідовності ДНК.ДНК у генах несе генетичний код, який визначає пари основ.
Це, своєю чергою, визначає послідовність амінокислот у поліпептиді чи білку під час трансляції транскрипта мРНК. Білки є одними з основних біомолекул, що виконують різноманітні функції. Деякі їх служать структурними компонентами, інші діють як ферменти. Коли їхня структура змінюється, вони не можуть функціонувати належним чином, і це може призвести до серйозних наслідків, таких як генетичні порушення та синдроми.
Організм, ген чи хромосома, від дикого типу внаслідок мутації (мутацій), називаються мутантами. Носій мутації організм може передавати нову ознаку через покоління.
Приклади
Прикладами мутацій у тварин є дитинчата, народжені з додатковими частинами тіла, наприклад: двоголова змія, чотиринога качка, кошеня-циклоп. Часто такі мутації призводять до смерті тварини невдовзі або за кілька днів після її народження.
У людей генетичні захворювання часто обумовлені мутацією, пов'язаною із зміною гена чи хромосомною аберацією. Серповидно-клітинна хвороба, наприклад, виникає, коли 20 нуклеотид гена бета-ланцюга гемоглобіну на хромосомі 11 змінюється з кодону GAG на GTG, так що при перекладі 6-а амінокислота стає валіном замість глутамінової кислоти.
Інші поширені приклади мутацій у людей – синдром Ангельмана, хвороба Канавана, дальтонізм, синдром Крі-дю-Шата, муковісцидоз, синдром Дауна, м'язова дистрофія Дюшенна, гемохроматоз, гемофілія, синдром Клайнфельтера, фенілкетонурія, синдром Прадера-Віллі, хвороба синдром Тернера.
У рослин можуть виявлятися мутації, що несуть химеру, спорти чи розриви. Вони відбуваються природним чином і можуть викликати зміни у зовнішньому вигляді листя, квітів, плодів чи стебел будь-якої рослини.
Швидкість мутацій може варіювати як усередині геному, і між геномами. Потрібно ще багато роботи, перш ніж дослідники зможуть отримати точніші оцінки частот різних мутацій.
Розвиток високопродуктивних методів секвенування геному дає надію, що ми зможемо отримати більш детальне і точне розуміння частоти мутацій. Оскільки мутація є однією з фундаментальних сил еволюції, така робота матиме першорядне значення.
Схема успадкування хвороби: