Мутация

В биологии, мутации - изменения генетического материала (обычно ДНК или РНК). Мутации могут быть вызваны ошибками копирования генетического материала в течение деления клетки, облучением жесткой радиацией, химическими веществами ( мутагенами), вирусами или могут совершаться сознательно под клеточным контролем в течение таких процессов как, например, мейоз или гипермутация. В многоклеточных организмах мутации могут быть подразделены на генеративные мутации, которые могут быть переданы потомкам, и соматические мутации. Соматические мутации не могут передаваться к потомкам в животных. Растения иногда могут передавать соматические мутации своим потомкам бесполым или поло (в случае, когда почка развивается в соматически измененной части растения).

Мутации рассматриваются как движущая сила эволюции, где менее благоприятные (или вредные) мутации удаляются из генофонда естественным отбором, тогда как благоприятные (выгодные) стремятся накапливаться. Нейтральные мутации определяются как мутации, чьи эффекты не влияют на выживание видов или индивидуумов, которые составляют виды. Они могут накапливаться. Подавляющее большинство мутаций не имеют никакого эффекта, так как механизмы репарации ДНК ( ремонта ДНК) могут исправить большинство изменений перед тем, как они станут постоянными мутациями, и многие организмы имеют механизмы для устранения иначе постоянно видоизмененных соматических клеток.

Мутации были открыты де Фриза в 1900 г., наблюдая за изменчивостью энотеры (Oenothera).


1. Классификация

1.1. По эффекту на структуру

Последовательность ДНК гена может быть изменена множеством путей. Генетические мутации имеют различные эффекты на здоровье в зависимости от того, где они происходят и изменяют они функцию важных белков. Структурно, мутации могут быть классифицированы, как:

  • Небольшие мутации, возникающие один или несколько нуклеотидов, в частности:
    • Точечные мутации, часто вызванные химическими веществами или ошибками при репликации ДНК, представляют собой замену одного нуклеотида другим. Наиболее общие - замена пурина на пурин ( A ↔ G) или пиримидину на пиримидин ( CT). Такая замена может быть вызвана азотистой кислотой, ошибкой спаривания оснований или мутагенными аналогами оснований, например, 5-бромо-2-дезоксиуридином (BrdU). Менее общий случай - трансверсии, или замена пурина на пиримидин или пиримидину на пурин (C / T ↔ A / G). Точечная мутация может быть нейтрализована другой точечной мутацией, в которой нуклеотид меняется обратно в оригинального состояния (действительно реверсия) или дополнительной мутацией где-нибудь в другом месте, которая приводит к восстановлению функциональности гена (дополнительная реверсия). Такие изменения классифицируются как переходы или трансверсии. Пример трансверсии - аденин, превращающаяся в цитозин. Точечные мутации, которые происходят в пределах области гена кодирующего белки, могут быть классифицированы на три вида, в зависимости от того, для чего используются ложные кодоны:
    • Вставки добавляют один или более нуклеотидов в ДНК. Они обычно вызваны мобильными генетическими элементами, или ошибками в течение копирования повторяющихся элементов (например AT повторения). Вставки в кодирующие области гена могут изменять сплайсинг мРНК или вызвать "смещение рамки" ( англ. frameshift ), Оба типа мутаций могут значительно изменить продукт гена. Вставки могут быть обращены делецией мобильного генетического элемента.
    • Делеции удаляют один или более нуклеотидов из ДНК. Подобно вставок, эти мутации могут вызвать "смещение рамки" гена. Они необратимы.
  • Большие мутации в хромосомной структуре, в частности:
    • Амплификации (или дублирования гена) приводят к созданию многих копий хромосомных областей, увеличивая дозировку генов, расположенных в их пределах.
    • Делеции крупных хромосомных областей приводят к потере генов в пределах этих областей.
    • Мутации, чей эффект - сопоставить вместе отдельные куски ДНК, что может привести к созданию гибридных генов с новой функциональностью (например bcr-abl). Они включают:
      • Хромосомные транслокации : обмен частями генов между негомологичных хромосомах.
      • Интерстициальные (промижнии) делеции: удаление областей ДНК из единой хромосомы, таким образом соединяя заранее удалены гены.
      • Хромосомные инверсии: смена ориентации хромосомного сегмента.
    • Потеря гетерозиготности: потеря одного аллелю, путем делеции или рекомбинации, в организмах которые перед тем имели два.

1.2. По эффекту на функции

  • Мутации потери функции приводят к изделию гена, имеет уменьшенную или нет функции. Когда аллель имеет полную потерю функции (нулевой аллель), такая мутация часто называется аморфной мутацией. Фенотипы, связанные с такими мутациями, чаще всего рецессивные, но есть исключения - когда организм гаплоидный или когда уменьшено дозирования продукта гена мало для поддержания нормального фенотипа (гаплонедостатнисть).
  • Мутации получения функции заменяют продукт гена таким образом, что он приобретает новую анормальные функции. Такие мутации обычно имеют доминантный фенотип.
  • Доминантные негативные мутации (также известные как антиморфни мутации) имеют измененный продукт гена, который действует антагонично к аллелю дикого типа. Такие мутации обычно приводят к измененной молекулярной функции (часто недействующей) и характеризуются доминантным или полу-доминантным фенотипом. Синдром Марфана у человека - пример доминантного негативного мутации, которая проявляется как аутосомальный доминантный болезнь. По этим условиям, дефектный гликопротеин кодируемый измененным геном фибрилину (FBN1) противодействует продукта аллелю.
  • Смертельные мутации - мутации, которые приводят к фенотипу, неспособных к эффективному воспроизведения.

1.3. По аспектом измененного фенотипа

  • Морфологические мутации обычно влияют на внешность индивидуума. Мутации могут изменить высоту растения или изменить вид ее семена от гладкого до грубого.
  • Биохимические мутации приводят к повреждениям, останавливающие ферментный путь. Часто, морфологические мутанты - прямой результат мутации благодаря ферментном пути.

1.4. Специальные категории

Условная мутация - мутация, которая имеет фенотип дикого типа за определенными природными условиями и мутантом фенотип по определенным условиям. Условные мутации также могут быть смертельными.

Причины мутаций: Два класса мутаций - спонтанные мутации (молекулярный распад) и вынуждены мутации, вызванные мутагенами.

Спонтанные мутации на молекулярном уровне включают:

  • Таутомеризм - В основе заменяется расположение водородного атома.
  • Депуринация - Потеря пурина (А или G).
  • Деаминация - Замена нормальной основы на нетипичную; C → U, (может быть исправлен механизмами ремонта ДНК), или спонтанная деаминация 5-метилцитозину (непоправимая), или A → HX (гипоксантин).
  • Транзиции - изменения пурина на другой пурин, или пиримидину на пиримидин.
  • Трансверсии - пурин становится пиримидином или наоборот.

Вынуждены мутации на молекулярном уровне могут быть вызваны:

  • Химическими веществами
    • Нитрозогуанадин (Nitrosoguanidine, NTG)
    • Аналоги оснований (например BrdU)
    • Простые химические вещества (например кислоты)
    • Алкилирующие агенты (например, N-этил-N-нитрозомочевины, англ. N-ethyl-N-nitrosourea , ENU)). Эти агенты могут действовать на ДНК как при репликации, так и в другое время. В отличие, аналог основы может только видоизменить ДНК если он включается при репликации ДНК. Каждый из этих классов химических мутагенов имеет определенные эффекты, которые приводят к транзиций, трансверсий или делеций.
    • Метилируючи агенты (например этан-метил-сульфонат, англ. ethane methyl sulfonate , EMS))
    • Полициклические углеводороды (например бензопирен, найденный в выхлопах двигателей внутреннего сгорания)
    • Интеркаляционных агенты (например, бромистый етидий, англ. ethidium bromide )
    • Крослинкеры или агенты поперечного сшивания ДНК (например, платина)
    • Окислительное повреждение, вызванное кислородными радикалами
  • Радиация или излучения
    • Ультрафиолетовое излучение (неионизирующее излучения) - возбуждает электроны до высшей степени энергии и вызывает химические реакции иначе невозможны. Две нуклеотидные основания ДНК - цитозин и тимин - уязвимые к возбуждению, которое может заменить свойства спаривания этих основ.
    • Ионизирующая радиация

В ДНК существуют так называемые горячие точки, где мутации происходят в 100 раз чаще, чем в остальных ДНК. Горячая точка может находиться в необычной основе, например, 5-метилцитозини.

Частота мутаций также отличается для разных видов. Эволюционные биологи предложили, что высокие частоты мутации выгодны в некоторых ситуациях, так как они позволяют организмам эволюционировать и поэтому приспособить скорее к своим окружающих сред. Например, многократная действие антибиотиков на бактерий и отбор устойчивых мутантов может привести к отбору бактерий, которые имеют более высокие частоты мутаций, чем оригинальная популяция (мутаторна линия).


2. Мутации и болезни

Изменения в ДНК, вызванные мутацией, могут вызвать ошибки в последовательности белка, создавая частично или полностью нефункциональные белки. Чтобы функционировать правильно, каждая клетка зависит от тысяч белков, которые должны функционировать в правильных местах в правильные времена. Когда мутация изменяет белок, который играет критическую роль в теле, может возникнуть заболевание. Заболевание, вызванное мутациями в одном или более генах называется генетическим заболеванием. Однако, только маленький процент мутаций вызывают генетические заболевания, большинство не имеют никакого влияния на здоровье. Например, некоторые мутации меняют последовательность оснований ДНК гена, но не заменяют функцию белка, произведенного геном.

Если мутация присутствует в зачаточной клетке, она может дать начало потомству, который будет носить мутацию во всех своих клетках. Это причина наследственных болезней. С другой стороны, мутация может происходить в соматической клетке организма. Такие мутации будут присутствовать во всех потомках этой клетки, и определенные мутации могут заставить ячейку начать бесконтрольно воспроизводиться, и поэтому вызывать рак.

Часто, мутации гена, которые могли бы создать генетическую болезнь, исправляются ремонтной системой клетки. Каждая клетка имеет целый ряд путей, через которые ферменты признают и ремонтируют ошибки в ДНК. Поскольку ДНК может быть повреждена или видоизменяются во многих отношениях, процесс ремонта ДНК - важный путь, в котором тело защищает себя от болезни.

Очень маленький процент всех мутаций фактически имеет положительный эффект. Эти мутации приводят к новым версиям белков, которые помогают организму и его будущим поколениям лучше приспосабливают к изменениям в их окружающей среде. Например, выгодна мутация могла бы приводить к белку, который защищает организм от новой линии бактерий.


3. Мутагенез

Мутагенез (искусственное создание мутаций) может использоваться как эффективный генетический инструмент. Стимулированием мутаций определенным путем а затем наблюдением фенотипа организма могут быть определены функции генов и даже индивидуальных нуклеотидов.

См.. также

п ? в ? р Эволюционная биология
Эволюционные процессы
Механизмы генетики популяций
Современные концепции
Видообразования
История эволюционных взглядов
Другие отрасли
Экологическая генетика ? Молекулярная эволюция ? Филогенетики ? Систематика ? Антропогенез ? Эволюционная биология развития