Årsager til mutationer. Funktioner af mutationsvariabilitet

Mutation(fra latinske ord"mutatio" - forandring) er permanent ændring genotype, som opstod under påvirkning af interne eller eksterne faktorer. Der er kromosomale, gen- og genomiske mutationer.

Hvad er årsagerne til mutationer?

• Ugunstige forhold miljø, betingelser skabt eksperimentelt. Sådanne mutationer kaldes inducerede.
• Nogle processer, der forekommer i en levende celle i en organisme. For eksempel: DNA-reparationslidelse, DNA-replikation, genetisk rekombination.

Mutagener er faktorer, der forårsager mutationer. Er opdelt i:

• Fysisk - radioaktivt henfald og ultraviolet også varme eller for lavt.
• Kemisk - reducerende og oxiderende midler, alkaloider, alkyleringsmidler, urea nitroderivater, pesticider, organiske opløsningsmidler, nogle medikamenter.
• Biologisk - nogle vira, metaboliske produkter (metabolisme), antigener af forskellige mikroorganismer.

Grundlæggende egenskaber ved mutationer

• Overført ved arv.
• Forårsaget af en række interne og eksterne faktorer.
• De vises krampagtigt og pludseligt, nogle gange gentagne gange.
• Ethvert gen kan mutere.

Hvad er de?

• Genomiske mutationer er ændringer, der er karakteriseret ved tab eller tilføjelse af et kromosom (eller flere) eller det komplette haploide sæt. Der er to typer af sådanne mutationer - polyploidi og heteroploidi.

Polyploidi er en ændring i antallet af kromosomer, der er et multiplum af haploid sæt. Ekstremt sjælden hos dyr. Der er to mulige typer polyploidi hos mennesker: triploidi og tetraploidi. Børn født med sådanne mutationer lever normalt ikke mere end en måned og dør oftere i det embryonale udviklingsstadium.

Heteroploidi(eller aneuploidi) er en ændring i antallet af kromosomer, der ikke er et multiplum af halogensættet. Som et resultat af denne mutation bliver individer født med et unormalt antal kromosomer - polysomiske og monosomiske. Omkring 20-30 procent af monosomikere dør i de første dage intrauterin udvikling. Blandt fødslerne er der personer med Shereshevsky-Turners syndrom. Genomiske mutationer i plante- og dyreverdenen er også forskellige.

• - det er ændringer, der sker, når strukturen af ​​kromosomerne omarrangeres. I dette tilfælde er der en overførsel, tab eller fordobling af en del af arvematerialet af flere kromosomer eller et, samt en ændring i orienteringen af ​​kromosomale segmenter i individuelle kromosomer. I sjældne tilfælde er en forening af kromosomer mulig.

• Genmutationer. Som et resultat af sådanne mutationer forekommer insertioner, deletioner eller substitutioner af flere eller et nukleotid, såvel som inversion eller duplikation forskellige dele gen. Virkningerne af gentypemutationer er varierede. Mest af af dem er recessive, det vil sige, at de ikke manifesterer sig på nogen måde.

Mutationer er også opdelt i somatiske og generative

• - i alle celler i kroppen, undtagen kønsceller. For eksempel, når en plantecelle muterer, hvorfra en knop efterfølgende skulle udvikle sig, og derefter et skud, vil alle dens celler være mutante. Så på en rød ribsbusk kan der forekomme en gren med sorte eller hvide bær.

• Generative mutationer er ændringer i de primære kønsceller eller i de kønsceller, der blev dannet af dem. Deres egenskaber er givet videre til næste generation.

Ifølge arten af ​​effekten på mutationer er der:

• Dødelig - ejerne af sådanne ændringer dør enten i scenen eller efter tilstrækkelig kort tid efter fødslen. Disse er næsten alle genomiske mutationer.
• Semi-dødelig (for eksempel hæmofili) - karakteriseret ved kraftig forringelse drift af ethvert system i kroppen. I de fleste tilfælde fører semi-dødelige mutationer også til døden kort efter.
• Fordelagtige mutationer- dette er grundlaget for evolution, de fører til udseendet af egenskaber, kroppen har brug for. Når først disse egenskaber er etableret, kan de forårsage dannelsen af ​​en ny underart eller art.

Når ændringer sker spontant i DNA, forårsager i levende organismer forskellige patologier udvikling og vækst, de taler om mutationer. For at forstå deres essens er det nødvendigt at lære mere om årsagerne til dem.

Genetikere hævder, at mutationer er karakteristiske for alle organismer på planeten uden undtagelse (levende), og at de har eksisteret for evigt, og en organisme kan have flere hundrede af dem. Imidlertid adskiller de sig i graden af ​​sværhedsgrad og karakter af manifestation, som bestemmes af de faktorer, der provokerer dem, såvel som den berørte genkæde.

De kan være naturlige og kunstige, dvs. forårsaget i laboratorieforhold.

Mest fælles faktorer, der fører til sådanne ændringer fra genetikernes synspunkt, er som følger:

ioniserende stråling og Røntgenstråler. Påvirkning af kroppen radioaktiv stråling ledsaget af en ændring i elektronladningen i atomerne. Dette forårsager en forstyrrelse i det normale forløb af fysisk-kemiske og kemisk-biologiske processer;

meget høje temperaturer forårsager ofte ændringer, når følsomhedstærsklen for et bestemt individ overskrides;

når celler deler sig, kan der opstå forsinkelser, såvel som deres vækst for hurtigt, hvilket også bliver en impuls til negative ændringer;

"defekter", der opstår i DNA, hvor det ikke er muligt at returnere atomet til dets oprindelige tilstand selv efter restaurering.

Sorter

På dette øjeblik Der er mere end tredive typer afvigelser i genpuljen af ​​en levende organisme og genotype, der forårsager mutationer. Nogle er ret sikre og viser sig ikke på nogen måde udadtil, dvs. fører ikke til indre og ydre deformiteter, så den levende organisme føler ikke ubehag. Andre er tværtimod ledsaget af alvorligt ubehag.

For at forstå, hvad mutationer er, bør du gøre dig bekendt med den mutagene klassificering, grupperet efter årsagerne til defekter:

genetisk og somatisk, der adskiller sig i typologien af ​​celler, der har gennemgået ændringer. Somatisk er karakteristisk for pattedyrceller. De kan kun gives videre ved arv (for eksempel forskellige øjenfarver). Dens dannelse sker i moderens livmoder. Genetisk mutation karakteristisk for planter og hvirvelløse dyr. Ring til hende negative faktorer miljø. Et eksempel på en manifestation er svampe, der dukker op på træer osv.;

atomisk henvise til mutationer baseret på placeringen af ​​de celler, der har gennemgået ændringer. Sådanne muligheder kan ikke behandles, da selve DNA'et er direkte påvirket. Den anden type mutation er cytoplasmatisk (eller atavisme). Det påvirker enhver væske, der interagerer med cellekernen og selve cellerne. Sådanne mutationer kan behandles;

eksplicit (naturlig) og induceret (kunstig). Fremkomsten af ​​den første pludselig og uden synlige årsager. Sidstnævnte er forbundet med svigt af fysiske eller kemiske processer;

gen og genomisk, der adskiller sig i deres sværhedsgrad. I den første variant vedrører ændringerne lidelser, der ændrer rækkefølgen af ​​nukleotidkonstruktion i nydannede DNA-kæder (phenylketonuri kan betragtes som et eksempel).

I det andet tilfælde er der en ændring i det kvantitative kromosomsæt, og eksemplet er Downs sygdom, Konovalov-Wilsons sygdom osv.

Betyder

Mutationers skade på kroppen er ubestridelig, da den ikke kun påvirker dens normale udvikling, men ofte fører til fatalt udfald. Mutationer kan ikke være gavnlige. Dette gælder også tilfælde af tilsynekomsten af ​​supermagter. De er altid forudsætninger for naturlig udvælgelse, hvilket fører til fremkomsten af ​​nye arter af organismer (levende) eller til fuldstændig udryddelse.

Det er nu klart, at processer, der påvirker strukturen af ​​DNA, hvilket fører til mindre eller dødelige lidelser, påvirker normal udvikling og kroppens vitale aktivitet.

Mutationer er spontane ændringer i levende organismers DNA-struktur, hvilket fører til forskellige abnormiteter i vækst og udvikling. Så lad os se på, hvad en mutation er, årsagerne til dens forekomst og dens eksistens. Det er også værd at være opmærksom på virkningen af ​​genotypeændringer på naturen.

Forskere siger, at mutationer altid har eksisteret og er til stede i kroppen af ​​absolut alle levende væsener på planeten, desuden kan op til flere hundrede af dem observeres i en organisme. Deres manifestation og ekspressionsgrad afhænger af, hvilke årsager de blev fremkaldt, og hvilken genetisk kæde der var påvirket.

Årsager til mutationer

Årsagerne til mutationer kan være meget forskellige, og de kan ikke kun opstå naturligt, men også kunstigt under laboratorieforhold. Genetiske forskere identificerer følgende faktorer for forekomsten af ​​ændringer:

2) genmutationer - ændringer i sekvensen af ​​nukleotider under dannelsen af ​​nye DNA-kæder (phenylketonuri).

Betydningen af ​​mutationer

I de fleste tilfælde skader de hele kroppen, fordi de forstyrrer dens normal vækst og udvikling, og nogle gange fører til døden. Gavnlige mutationer forekommer aldrig, selvom de giver superkræfter. De bliver en forudsætning for aktiv handling og påvirke udvælgelsen af ​​levende organismer, hvilket fører til fremkomsten af ​​nye arter eller degeneration. Således besvarer spørgsmålet: "Hvad er en mutation?" - det er værd at bemærke, at det er de mindste ændringer i DNA-strukturen, der forstyrrer hele organismens udvikling og vitale funktioner.

Levende organismers genomer er relativt stabile, hvilket er nødvendigt for at bevare artsstrukturen og kontinuiteten i udviklingen. For at bevare stabiliteten i cellen arbejder de forskellige systemer reparationer, der korrigerer krænkelser i DNA-strukturen. Men hvis ændringer i DNA-struktur slet ikke blev opretholdt, ville arter ikke være i stand til at tilpasse sig ændrede forhold ydre miljø og udvikle sig. Ved at skabe evolutionært potentiale, dvs. det nødvendige niveau af arvelig variabilitet, hovedrollen tilhører mutationer.

Begrebet " mutation"G. de Vries skitserede i sit klassiske værk "Mutation Theory" (1901-1903) fænomenet krampagtige, intermitterende ændringer i en egenskab. Han noterede et nummer funktioner mutationel variabilitet :

• en mutation er en kvalitativt ny tilstand af en egenskab;
• mutantformer er konstante;
• de samme mutationer kan forekomme gentagne gange;
• mutationer kan være gavnlige eller skadelige;
• påvisning af mutationer afhænger af antallet af analyserede individer.

Grundlaget for forekomsten af ​​en mutation er en ændring i strukturen af ​​DNA eller kromosomer, så mutationer nedarves i efterfølgende generationer. Mutationsvariabilitet er universel; det forekommer i alle dyr, højere og lavere planter, bakterier og vira.

Konventionelt er mutationsprocessen opdelt i spontan og induceret. Den første opstår under påvirkning af naturlige faktorer (eksterne eller interne), den anden - med en målrettet effekt på cellen. Hyppigheden af ​​spontan mutagenese er meget lav. Hos mennesker ligger det i intervallet 10 -5 - 10 -3 pr. gen pr. generation. Med hensyn til genomet betyder det, at hver af os i gennemsnit har ét gen, som vores forældre ikke havde.

De fleste mutationer er recessive, hvilket er meget vigtigt, fordi... mutationer overtræder den etablerede norm (vildtype) og er derfor skadelige. Imidlertid tillader den recessive natur af mutante alleler dem lang tid vedvarer i en population i en heterozygot tilstand og manifesterer sig som et resultat af kombinativ variabilitet. Hvis den resulterende mutation har gavnlig indflydelse på organismens udvikling, vil den blive bevaret ved naturlig selektion og spredt blandt individer af befolkningen.

Ifølge arten af ​​virkningen af ​​mutantgenet mutationer er opdelt i 3 typer:

• morfologiske,
• fysiologiske,
• biokemisk.

Morfologiske mutationerændre dannelsen af ​​organer og vækstprocesser hos dyr og planter. Et eksempel på denne type forandring er mutationer i øjenfarve, vingeform, kropsfarve og form af børster i Drosophila; kortbenet hos får, dværgvækst hos planter, korttået (brachydactyly) hos mennesker osv.

Fysiologiske mutationer normalt reducere levedygtigheden af ​​individer, blandt dem er der mange dødelige og semi-dødelige mutationer. Eksempler på fysiologiske mutationer er respiratoriske mutationer i gær, klorofylmutationer i planter og hæmofili hos mennesker.

TIL biokemiske mutationer omfatte dem, der undertrykker eller forstyrrer syntesen af ​​visse kemiske stoffer, normalt som følge af fraværet af et nødvendigt enzym. Denne type inkluderer auxotrofe mutationer af bakterier, som bestemmer cellens manglende evne til at syntetisere ethvert stof (for eksempel en aminosyre). Sådanne organismer er kun i stand til at leve i nærvær af dette stof i miljøet. Hos mennesker er resultatet af en biokemisk mutation en alvorlig arvelig sygdom - phenylketonuri, forårsaget af fraværet af enzymet, der syntetiserer tyrosin fra phenylalanin, som et resultat af hvilket phenylalanin ophobes i blodet. Hvis tilstedeværelsen af ​​denne defekt ikke etableres i tide, og phenylalanin ikke udelukkes fra nyfødtes kost, står kroppen over for døden på grund af alvorlig svækkelse af hjernens udvikling.

Mutationer kan være generativ Og somatisk. Førstnævnte opstår i kønscellerne, sidstnævnte i kroppens celler. Deres evolutionære værdi er anderledes og er forbundet med reproduktionsmetoden.

Generative mutationer kan forekomme på forskellige stadier udvikling af kønsceller. Jo før de opstår, jo stor mængde kønscellerne vil bære dem, og derfor øge chancen for deres overførsel til afkom. En lignende situation opstår i tilfælde af en somatisk mutation. Jo tidligere det sker, jo flere celler vil bære det. Personer med ændrede områder af kroppen kaldes mosaikker eller kimærer. For eksempel i Drosophila observeres mosaicisme i øjenfarve: på baggrund af rød farve vises hvide pletter (facetter blottet for pigment) som følge af mutation.

Hos organismer, der kun formerer sig seksuelt, somatiske mutationer repræsenterer ikke nogen værdi hverken for evolution eller for selektion, fordi de er ikke arvet. Hos planter, der kan formere sig vegetativt, kan somatiske mutationer blive materiale til selektion. For eksempel knopmutationer, der producerer ændrede skud (sport). Fra sådan en sport I.V. Michurin opnåede ved hjælp af podemetoden en ny æbletræsort, Antonovka 600 gram.

Mutationer er forskellige ikke kun i deres fænotypiske manifestation, men også i de ændringer, der opstår i genotypen. Der er mutationer genetiske, kromosomalt Og genomisk.

Genmutationer

Genmutationerændre strukturen af ​​individuelle gener. Blandt dem er en væsentlig del punktmutationer, hvor ændringen påvirker ét nukleotidpar. Oftest involverer punktmutationer en substitution af nukleotider. Der er to typer af sådanne mutationer: overgange og transversioner. Under overgange i et nukleotidpar erstattes purin med purin eller pyrimidin med pyrimidin, dvs. den rumlige orientering af baserne ændres ikke. Ved transversioner erstattes en purin med en pyrimidin eller en pyrimidin med en purin, hvilket ændrer basernes rumlige orientering.

Af arten af ​​indflydelsen af ​​basesubstitution på strukturen af ​​proteinet kodet af genet Der er tre klasser af mutationer: missence mutationer, nonsence mutationer og samesence mutationer.

Misforståede mutationerændre betydningen af ​​kodonet, hvilket fører til fremkomsten af ​​én forkert aminosyre i proteinet. Dette kan være meget alvorlige konsekvenser. For eksempel er en alvorlig arvelig sygdom - seglcelleanæmi, en form for anæmi, forårsaget af udskiftning af en enkelt aminosyre i en af ​​hæmoglobinkæderne.

Nonsens mutation er udseendet (som et resultat af udskiftningen af ​​én base) af et terminatorkodon i et gen. Hvis translations-ambiguitetssystemet ikke er slået til (se ovenfor), vil processen med proteinsyntese blive afbrudt, og genet vil kun være i stand til at syntetisere et fragment af polypeptidet (abortive protein).

På samesense mutationer substitution af en base resulterer i fremkomsten af ​​et synonymkodon. I dette tilfælde er der ingen ændring i den genetiske kode, og normalt protein syntetiseres.

Ud over nukleotidsubstitutioner kan punktmutationer være forårsaget af insertion eller deletion af et enkelt nukleotidpar. Disse overtrædelser fører til en ændring i læserammen i overensstemmelse hermed, den genetiske kode ændres, og et ændret protein syntetiseres.

Genmutationer omfatter duplikering og tab af små dele af genet, samt indsættelser- indsættelser af yderligere genetisk materiale, hvis kilde oftest er mobile genetiske elementer. Genmutationer er årsagen til eksistensen pseudogener— inaktive kopier af fungerende gener, der mangler ekspression, dvs. der dannes ikke noget funktionelt protein. I pseudogener kan mutationer ophobes. Processen med tumorudvikling er forbundet med aktiveringen af ​​pseudogener.

Vises genmutationer Der er to hovedårsager: fejl under processerne med replikation, rekombination og DNA-reparation (fejl af de tre P'er) og virkningen af ​​mutagene faktorer. Et eksempel på fejl i driften af ​​enzymsystemer under ovenstående processer er ikke-kanonisk baseparring. Det observeres, når mindre baser, analoger af almindelige, er inkluderet i DNA-molekylet. For eksempel kan bromuracil inkluderes i stedet for thymin, som ganske let kan kombineres med guanin. På grund af dette er AT-parret erstattet af GC.

Under påvirkning af mutagener kan transformationen af ​​en base til en anden forekomme. For eksempel omdanner salpetersyre cytosin til uracil ved deaminering. I den næste replikationscyklus parres det med adenin, og det oprindelige GC-par erstattes af AT.

Kromosomale mutationer

Mere alvorlige ændringer i genetisk materiale opstår når kromosomale mutationer. De kaldes kromosomafvigelser eller kromosomale omlejringer. Omlejringer kan påvirke ét kromosom (intrakromosomalt) eller flere (interkromosomalt).

Intrakromosomale omlejringer kan være af tre typer: tab (manglende) af et kromosomsnit; fordobling af et kromosomsnit (duplikation); rotation af et kromosomsnit med 180° (inversion). Interkromosomale omlejringer omfatter translokationer- flytning af et udsnit af et kromosom til et andet, ikke-homologt kromosom.

Tabet af en indre del af et kromosom, der ikke påvirker telomerer, kaldes sletninger, og tabet af endeafsnittet er trodsighed. Den løsrevne del af kromosomet, hvis den mangler en centromer, går tabt. Begge typer af mangler kan identificeres ved arten af ​​konjugationen homologe kromosomer i meiose. I tilfælde af en terminal deletion er den ene homolog kortere end den anden. På intern mangel den normale homolog danner en løkke mod det tabte homologe område.

Mangler fører til tab af en del af den genetiske information, så de er skadelige for kroppen. Graden af ​​skade afhænger af størrelsen af ​​det tabte område og dets gensammensætning. Homozygoter for mangler er sjældent levedygtige. U lavere organismer effekten af ​​mangel er mindre mærkbar end af de højere. Bakteriofager kan miste en betydelig del af deres genom og erstatte den tabte del af fremmed DNA og samtidig bevare funktionel aktivitet. I de højere klasser har selv heterozygositet for mangler sine grænser. I Drosophila har tabet af en region, der omfatter mere end 50 skiver, ved en af ​​homologerne således en dødelig virkning, på trods af at den anden homolog er normal.

En person har en række mangler forbundet med arvelige sygdomme: svær form for leukæmi (21. kromosom), cry-the-cat syndrom hos nyfødte (5. kromosom) osv.

Mangler kan bruges til genetisk kortlægning ved at etablere en sammenhæng mellem tabet af en specifik kromosomregion og individets morfologiske karakteristika.

Duplikering kaldet fordobling af en hvilken som helst del af et kromosom af et normalt kromosomsæt. Som regel fører duplikationer til en stigning i en egenskab, der styres af et gen lokaliseret i denne region. For eksempel fordobling af genet i Drosophila Bar, der forårsager en reduktion i antallet af øjenfacetter, fører til et yderligere fald i deres antal.

Duplikationer kan let påvises cytologisk ved afbrydelse af det strukturelle mønster af kæmpekromosomer, og genetisk kan de identificeres ved fravær af en recessiv fænotype under krydsning.

Inversion- at dreje et snit 180° - ændre rækkefølgen af ​​gener i kromosomet. Dette er en meget almindelig type kromosomal mutation. Især mange af dem blev fundet i genomerne af Drosophila, Chironomus og Tradescantia. Der er to typer af inversioner: paracentrisk og pericentrisk. Førstnævnte påvirker kun den ene arm af kromosomet uden at røre det centromere område og uden at ændre kromosomernes form. Pericentriske inversioner involverer centromerregionen, som omfatter dele af begge kromosomarme, og kan derfor ændre kromosomets form væsentligt (hvis brudene sker i forskellige afstande fra centromeren).

I prophase of meiosis kan heterozygot inversion detekteres af en karakteristisk loop, ved hjælp af hvilken komplementariteten af ​​de normale og inverterede regioner af to homologer genoprettes. Hvis en enkelt crossover forekommer i inversionsområdet, fører det til dannelsen af ​​unormale kromosomer: dicentrisk(med to centromerer) og acentrisk(uden centromer). Hvis det omvendte område har en betydelig udstrækning, kan der forekomme dobbelt krydsning, som et resultat af, at der dannes levedygtige produkter. Ved tilstedeværelse af dobbelte inversioner i den ene del af kromosomet undertrykkes overkrydsning generelt, og derfor kaldes de "overkrydsningsundertrykkere" og betegnes med bogstavet C. Denne funktion ved inversioner bruges, når genetisk analyse når man tager højde for hyppigheden af ​​mutationer (metoder til kvantitativ opgørelse af mutationer af G. Möller).

Interkromosomale omlejringer - translokationer, hvis de har karakter af gensidig udveksling af sektioner mellem ikke-homologe kromosomer, kaldes gensidig. Hvis bruddet påvirker et kromosom, og det afrevne sektion er knyttet til et andet kromosom, så er dette - ikke-gensidig translokation. De resulterende kromosomer vil fungere normalt under celledeling, hvis hver af dem har en centromer. Heterozygositet for translokationer ændrer i høj grad processen med konjugation i meiose, fordi homolog tiltrækning opleves ikke af to kromosomer, men af ​​fire. I stedet for bivalente dannes quadrivalenter, som kan have forskellige konfigurationer i form af krydsninger, ringe osv. Deres forkerte divergens fører ofte til dannelsen af ​​ikke-levedygtige kønsceller.

Ved homozygote translokationer opfører kromosomerne sig som normalt, og der dannes nye koblingsgrupper. Hvis de bevares ved selektion, opstår der nye kromosomracer. Således kan translokationer være effektiv faktor arter, som forekommer hos nogle dyrearter (skorpioner, kakerlakker) og planter (datura, pæon, natlys). Hos arten Paeonia californica er alle kromosomer involveret i translokationsprocessen, og ved meiose dannes et enkelt konjugationskompleks: 5 par kromosomer danner en ring (ende-til-ende-konjugation).

Årsager til mutationer

Mutationer er opdelt i spontan Og induceret. Spontane mutationer opstår spontant gennem hele en organismes levetid under normale miljøforhold med en frekvens på omkring 10 til -9 - 10 til -12 pr. nukleotid pr. cellegenerering. Inducerede mutationer er arvelige ændringer i genomet, der opstår som følge af visse mutagene effekter under kunstige (eksperimentelle) forhold eller under ugunstige miljøpåvirkninger.

Mutationer opstår konstant under processer, der forekommer i en levende celle. De vigtigste processer, der fører til forekomsten af ​​mutationer, er DNA-replikation, DNA-reparationsforstyrrelser og genetisk rekombination.

Forholdet mellem mutationer og DNA-replikation

Mange spontane kemiske ændringer i nukleotider fører til mutationer, der opstår under replikation. For eksempel, på grund af deamineringen af ​​cytosin modsat det, kan uracil inkluderes i DNA-kæden (et U-G-par dannes i stedet for det kanoniske par C-G). Under DNA-replikation er adenin inkluderet i den nye kæde modsat uracil, der dannes par U-A, og under den næste replikering erstattes det af T-A-parret, det vil sige, at der sker en overgang.

Forholdet mellem mutationer og DNA-rekombination

Af de processer, der er forbundet med rekombination, fører ulige krydsning oftest til mutationer. Det forekommer normalt i tilfælde, hvor der er flere duplikerede kopier af det originale gen på kromosomet, som har bibeholdt en lignende nukleotidsekvens. Som et resultat af ulige overkrydsninger forekommer duplikation i et af de rekombinante kromosomer, og deletion sker i det andet.

Forholdet mellem mutationer og DNA-reparation

Spontan DNA-skade er ret almindelig og forekommer i hver celle. For at eliminere konsekvenserne af en sådan skade er der specielle reparationsmekanismer (for eksempel skæres en fejlagtig sektion af DNA ud, og den originale gendannes på dette sted). Mutationer opstår kun, når reparationsmekanismen af ​​en eller anden grund ikke fungerer eller ikke kan klare elimineringen af ​​skader. Mutationer, der forekommer i generne af proteiner, der er ansvarlige for reparation, kan føre til en multipel stigning (mutatoreffekt) eller reduktion (antimutatoreffekt) i hyppigheden af ​​mutation af andre gener. Således fører mutationer i generne af mange enzymer i excision reparationssystemet til kraftig stigning hyppigheden af ​​somatiske mutationer hos mennesker, og dette fører igen til udviklingen af ​​xeroderma pigmentosum og ondartede tumorer dækker.

Mutagener

Der er faktorer, der kan øge hyppigheden af ​​mutationer markant - mutagene faktorer. Disse omfatter:

• kemiske mutagener - stoffer, der forårsager mutationer,
• fysiske mutagener - ioniserende stråling, herunder naturlig baggrundsstråling, ultraviolet stråling høj temperatur osv.,
• biologiske mutagener - for eksempel retrovira, retrotransposoner.

Mutationsklassifikationer

Der er flere klassifikationer af mutationer iflg forskellige kriterier. Möller foreslog at opdele mutationer efter arten af ​​ændringen i genets funktion i hypomorf(ændrede alleler virker i samme retning som vildtype-alleler; kun mindre syntetiseres protein produkt), amorf(mutation ligner et fuldstændigt tab af genfunktion, f.eks. mutation hvid i Drosophila), antimorf(mutantegenskaben ændrer sig f.eks. farven på majskornet skifter fra lilla til brun) og neomorfisk.

Moderne undervisningslitteratur bruger også en mere formel klassifikation baseret på arten af ​​ændringer i strukturen af ​​individuelle gener, kromosomer og genomet som helhed. Inden for denne klassifikation er der følgende typer mutationer:

• genetiske
• kromosomalt
• genomisk.

Konsekvenser af mutationer for celler og organismer

Mutationer, der forringer celleaktiviteten i en flercellet organisme, fører ofte til celledestruktion (især programmeret celledød - apoptose). Hvis intra- og ekstracellulært forsvarsmekanismer ikke genkendte mutationen og cellen gik igennem deling, så vil mutantgenet blive givet videre til alle cellens efterkommere og fører som oftest til, at alle disse celler begynder at fungere forskelligt.

Mutationers rolle i evolutionen

Med en betydelig ændring i levevilkårene kan de mutationer, der tidligere var skadelige, vise sig at være nyttige. Mutationer er således materialet for naturlig udvælgelse. Melanistiske mutanter (mørkfarvede individer) i bestande af birkemøl (Biston betularia) i England blev således først opdaget af videnskabsmænd blandt typiske lyse individer i midten af ​​det 19. århundrede. Mørk farvning opstår som følge af en mutation i ét gen. Sommerfugle tilbringer dagen på træstammer og grene, som regel dækket med lav, mod hvilke den lyse farve fungerer som en camouflage. Som et resultat af den industrielle revolution, ledsaget af luftforurening, døde lavene, og de lyse stammer af birke blev dækket af sod. Som et resultat, i midten af ​​det 20. århundrede (over 50-100 generationer), i industriområder erstattede den mørke morf næsten fuldstændigt den lyse. Det har det vist sig hovedårsagen den dominerende overlevelse af den sorte form var prædation af fugle, som selektivt spiste lyse sommerfugle i forurenede områder.

Hvis en mutation påvirker "tavse" dele af DNA eller fører til udskiftning af et element i den genetiske kode med et synonymt, så manifesterer den sig normalt ikke i fænotypen (manifestationen af ​​en sådan synonym substitution kan være forbundet med forskellige frekvenser af kodonbrug). Sådanne mutationer kan dog påvises ved hjælp af genanalysemetoder. Da mutationer oftest opstår som følge heraf naturlige årsager, så, hvis det antages, at de grundlæggende egenskaber af det ydre miljø ikke har ændret sig, viser det sig, at mutationshastigheden bør være omtrent konstant. Denne kendsgerning kan bruges til at studere fylogeni - studere oprindelsen og forholdet mellem forskellige taxaer, herunder mennesker. Mutationer i tavse gener fungerer således som en slags "molekylært ur" for forskere. Teorien om "molekylært ur" går også ud fra, at de fleste mutationer er neutrale, og hastigheden af ​​deres akkumulering i et givet gen afhænger ikke eller svagt af virkningen af ​​naturlig selektion og forbliver derfor konstant i lang tid. Denne hastighed vil dog være forskellig for forskellige gener.

Studiet af mutationer i mitokondrielt DNA (nedarvet på moderlinjen) og i Y-kromosomer (nedarvet på faderlinjen) er meget brugt i evolutionsbiologien til at studere oprindelsen af ​​racer og nationaliteter og rekonstruere menneskehedens biologiske udvikling.

Problemet med tilfældige mutationer

I 40'erne var et populært synspunkt blandt mikrobiologer, at mutationer er forårsaget af eksponering for en miljøfaktor (for eksempel et antibiotikum), som de tillader tilpasning til. For at teste denne hypotese blev fluktuationstesten og replikametoden udviklet.
Luria-Delbrück fluktuationstesten består i at sprede små portioner af den originale bakteriekultur i reagensglas, der indeholder flydende medium, og efter flere cyklusser med delinger tilsættes et antibiotikum til reagensglassene. Derefter (uden efterfølgende opdelinger) sås de overlevende antibiotika-resistente bakterier på petriskåle med fast medium. Testen viste. at antallet af resistente kolonier fra forskellige rør er meget varierende - i de fleste tilfælde er det lille (eller nul), og i nogle tilfælde er det meget højt. Det betyder, at de mutationer, der forårsagede resistens over for antibiotika, opstod på tilfældige tidspunkter både før og efter eksponering for det.
Replikametoden (i mikrobiologi) er, at der fra den originale petriskål, hvor bakteriekolonier vokser på et fast medium, laves et aftryk på uldent stof, og derefter overføres bakterierne fra vævet til flere andre fade, hvor mønsteret af deres placering viser sig at være den samme som på den originale kop. Efter eksponering for antibiotikumet overlever kolonier placeret på de samme punkter på alle plader. Ved at udplade sådanne kolonier på nye plader kan det påvises, at alle bakterier i kolonien er resistente.
Således beviste begge metoder, at "adaptive" mutationer opstår uanset indflydelsen af ​​den faktor, som de tillader tilpasning, og i denne forstand er mutationer tilfældige. Der er dog ingen tvivl om, at muligheden for visse mutationer afhænger af genotypen og kanaliseres af det tidligere udviklingsforløb (se Loven om homologiske serier i arvelig variabilitet). Derudover varierer hyppigheden af ​​mutationer af forskellige gener og forskellige regioner inden for et gen naturligt. Det vides også højere organismer bruge "målrettede" (det vil sige forekommende i visse dele af DNA) mutationer i immunitetsmekanismer. Med deres hjælp skabes en række lymfocytkloner, blandt hvilke der som et resultat altid er celler, der er i stand til at give et immunrespons på en ny sygdom, der er ukendt for kroppen. Egnede lymfocytter er genstand for positiv selektion, hvilket resulterer i immunologisk hukommelse.

se også

Links

Inge-Vechtomov S.V. Genetik med det grundlæggende i udvælgelse. M., forskerskole, 1989.

Noter

Wikimedia Foundation. 2010.