Какви мутации се наричат спонтанни? Ако преведем термина на достъпен език, тогава това са естествени грешки, които възникват в процеса на взаимодействие на генетичния материал с вътрешната и / или външната среда. Такива мутации обикновено са случайни. Те се наблюдават в гениталните и други клетки на тялото.
Екзогенни причини за мутации
Спонтанна мутация може да възникне под въздействието на химикали, радиация, високи или ниски температури, разреден въздух или високо налягане.
Всяка година средно човек поглъща около една десета от рад йонизиращо лъчение, което съставлява естествения радиационен фон. Това число включва гама радиация от ядрото на Земята, слънчевия вятър и радиоактивността на елементите, намиращи се в дебелината на земната кора и разтворени в атмосферата. Приетата доза зависи и от това къде се намира лицето. Една четвърт от всички спонтанни мутации се случват поради този фактор.
UV лъчението, противно на общоприетото схващане, играе второстепенна роля ввъзникването на разпада на ДНК, тъй като тя не може да проникне достатъчно дълбоко в човешкото тяло. Но кожата често страда от прекомерно излагане на слънце (меланом и други видове рак). Въпреки това, едноклетъчните организми и вируси мутират, когато са изложени на слънчева светлина.
Твърде високи или ниски температури също могат да причинят промени в генетичния материал.
Ендогенни причини за мутации
Основните причини, поради които може да възникне спонтанна мутация, остават ендогенни фактори. Те включват метаболитни странични продукти, грешки в процеса на репликация, ремонт или рекомбинация и други.
-
Неуспехи при репликацията:
- спонтанни преходи и инверсии на азотни бази;
- неправилно вмъкване на нуклеотиди поради грешки в ДНК полимеразите;- химично заместване на нуклеотиди, например, гуанин-цитозин към аденин-гуанин.
- Грешки при възстановяване:-мутации в гените, отговорни за възстановяването на отделни участъци от ДНК веригата, след като те се счупят под въздействието на външни фактори.
- Проблеми с рекомбинация:- неуспехите в процесите на кръстосване по време на мейоза или митоза водят до загуба и завършване на бази.
Това са основните фактори, които причиняват спонтанни мутации. Причините за неуспехите могат да се крият в активирането на мутаторни гени, както и в превръщането на безопасни химични съединения в по-активни метаболити, които засягат клетъчното ядро. Освен това има и структурни фактори. Те включват повторения на нуклеотидната последователност близо до мястотоверижни пренареждания, наличието на допълнителни ДНК участъци, подобни по структура на гена, както и мобилни елементи на генома.
Патогенеза на мутацията
Спонтанната мутация възниква поради въздействието на всички горепосочени фактори, действащи заедно или поотделно в определен период от живота на клетката. Има такъв феномен като плъзгащо се нарушение на сдвояването на дъщерната и майчината ДНК вериги. В резултат на това често се образуват бримки от пептиди, които не са успели да се впишат в последователността адекватно. След отстраняването на излишните ДНК фрагменти от дъщерната верига, бримките могат както да бъдат резецирани (делеции), така и вградени (дупликации, инсерции). Появилите се промени се фиксират в следващите цикли на клетъчно делене.
Процентът и броят на възникващите мутации зависят от първичната структура на ДНК. Някои учени смятат, че абсолютно всички ДНК последователности са мутагенни, ако образуват завои.
Най-често срещаните спонтанни мутации
Каква е най-честата проява на спонтанни мутации в генетичния материал? Примери за такива състояния са загубата на азотни основи и отстраняването на аминокиселини. Цитозиновите остатъци се считат за особено чувствителни към тях.
Доказано е, че днес повече от половината гръбначни животни имат мутация на цитозинови остатъци. След дезаминиране метилцитозинът се променя в тимин. При последващо копиране на този раздел грешката се повтаря или се изтрива, или се удвоява имутира в нов фрагмент.
Друга причина за чести спонтанни мутации е голям брой псевдогени. Поради това по време на мейозата могат да се образуват неравностойни хомоложни рекомбинации. Това води до пренареждания в гените, завои и удвояване на отделни нуклеотидни последователности.
Полимеразен модел на мутагенеза
Според този модел спонтанните мутации възникват в резултат на случайни грешки в молекулите, които синтезират ДНК. За първи път такъв модел беше представен от Bresler. Той предполага, че мутациите се появяват поради факта, че полимеразите в някои случаи вмъкват некомплементарни нуклеотиди в последователността.
Години по-късно, след дълги тестове и експерименти, тази гледна точка беше одобрена и приета в научния свят. Дори са изведени определени модели, които позволяват на учените да контролират и насочват мутациите, като излагат определени участъци от ДНК на ултравиолетова светлина. Така например беше установено, че аденинът най-често е вграден срещу увредената триплета.
Тавтомерен модел на мутагенеза
Друга теория, обясняваща спонтанните и изкуствени мутации, беше предложена от Уотсън и Крик (откривателите на структурата на ДНК). Те предполагат, че мутагенезата се основава на способността на някои ДНК бази да се превръщат в тавтомерни форми, които променят начина, по който базите са свързани.
След публикуването хипотезата беше активно разработена. След това бяха открити нови форми на нуклеотидиоблъчването им с ултравиолетова светлина. Това даде на учените нови възможности за изследвания. Съвременната наука все още обсъжда ролята на тавтомерните форми в спонтанната мутагенеза и влиянието й върху броя на откритите мутации.
Други модели
Възможна е спонтанна мутация при нарушаване на разпознаването на нуклеиновите киселини от ДНК полимеразите. Полтаев и съавтори изясняват механизма, който осигурява спазването на принципа на комплементарност при синтеза на дъщерни ДНК молекули. Този модел направи възможно изследването на закономерностите на появата на спонтанна мутагенеза. Учените обясниха откритието си с факта, че основната причина за промяната в структурата на ДНК е синтезът на неканонични двойки нуклеотиди.
Те предполагат, че заместването на базата се случва поради дезаминиране на ДНК сегменти. Това води до промяна на цитозина в тимин или урацил. Поради такива мутации се образуват двойки несъвместими нуклеотиди. Следователно, по време на следващата репликация, настъпва преход (точкова замяна на нуклеотидни бази).
Класификация на мутациите: спонтанни
Има различни класификации на мутациите в зависимост от това кой критерий е в основата им. Има разделение според естеството на промяната във функцията на гена:
- хипоморфен (мутирани алели синтезират по-малко протеини, но са подобни на оригиналните);
- аморфен (генът напълно е загубил функциите си);
- антиморфен (мутиралият ген напълно променя тази черта, която представлява);- неоморфна (появяват се нови признаци).
Но по-често срещана класификация, която разделя всички мутации пропорционално на променливатаструктура. Акцент:
1. Геномни мутации. Те включват полиплоидия, тоест образуване на геном с троен или повече набор от хромозоми, и анеуплоидия, броят на хромозомите в генома не е кратен на хаплоидното число.
2. Хромозомни мутации. Наблюдават се значителни пренареждания на отделни участъци от хромозоми. Има загуба на информация (делеция), нейното удвояване (дублиране), промяна в посоката на нуклеотидните последователности (инверсия), както и прехвърляне на хромозомни участъци на друго място (транслокация).3. Генна мутация. Най-честата мутация. Във веригата на ДНК няколко произволни азотни бази се заменят.
Последствия от мутации
Спонтанните мутации са причинители на тумори, заболявания на съхранение, дисфункции на органи и тъкани при хора и животни. Ако мутирала клетка се намира в голям многоклетъчен организъм, тогава с голяма степен на вероятност тя ще бъде унищожена чрез задействане на апоптоза (програмирана клетъчна смърт). Тялото контролира процеса на запазване на генетичния материал и с помощта на имунната система се отървава от всички възможни увредени клетки.
В един случай от стотици хиляди Т-лимфоцитите нямат време да разпознаят засегнатата структура и това води до клонинг на клетки, които също съдържат мутиралия ген. Конгломератът от клетки вече има други функции, произвежда токсични вещества и влияе негативно върху общото състояние на организма.
Ако мутацията е настъпила не в соматичната, а в зародишната клетка, тогава промените ще се наблюдават в потомците. Те сасе проявяват с вродени органи патологии, деформации, метаболитни нарушения и заболявания на съхранение.
Спонтанни мутации: значение
В някои случаи привидно безполезните преди мутации могат да бъдат полезни за адаптиране към новите условия на живот. Това представлява мутацията като мярка за естествен подбор. Животните, птиците и насекомите са камуфлирани според района им на пребиваване, за да се предпазят от хищници. Но ако местообитанието им се промени, тогава с помощта на мутации природата се опитва да защити вида от изчезване. При нови условия най-способните оцеляват и предават тази способност на другите.
Мутация може да възникне в неактивни области на генома и тогава не се наблюдават видими промени във фенотипа. Възможно е да се открие "счупване" само с помощта на специфични изследвания. Това е необходимо за изследване на произхода на сродните животински видове и съставяне на техните генетични карти.
Проблемът със спонтанността на мутациите
През 40-те години на миналия век имаше теория, че мутациите се причиняват единствено от влиянието на външни фактори и помагат за адаптирането към тях. За да се тества тази теория, беше разработен специален метод за тестване и повторение.
Процедурата се състоеше в това, че малко количество бактерии от същия вид се засяват в епруветки и след няколко инокулации към тях се добавят антибиотици. Някои от микроорганизмите оцеляха и бяха прехвърлени в нова среда. Сравнението на бактерии от различни епруветки показа, че се е появила резистентностспонтанно, както преди, така и след излагане на антибиотици.
Методът на повторение е, че микроорганизмите се прехвърлят върху кърпа, след което се прехвърлят едновременно в няколко чисти среди. Нови колонии бяха култивирани и третирани с антибиотик. В резултат на това бактериите, разположени в едни и същи части на средата, оцеляват в различни епруветки.
