Ποιες μεταλλάξεις ονομάζονται αυθόρμητες; Εάν μεταφράσουμε τον όρο σε μια προσβάσιμη γλώσσα, τότε πρόκειται για φυσικά λάθη που συμβαίνουν στη διαδικασία αλληλεπίδρασης του γενετικού υλικού με το εσωτερικό ή/και εξωτερικό περιβάλλον. Τέτοιες μεταλλάξεις είναι συνήθως τυχαίες. Παρατηρούνται στα γεννητικά όργανα και σε άλλα κύτταρα του σώματος.
Εξωγενείς αιτίες μεταλλάξεων
Αυθόρμητη μετάλλαξη μπορεί να συμβεί υπό την επίδραση χημικών ουσιών, ακτινοβολίας, υψηλών ή χαμηλών θερμοκρασιών, αραιωμένου αέρα ή υψηλής πίεσης.
Κάθε χρόνο, κατά μέσο όρο, ένα άτομο απορροφά περίπου το ένα δέκατο του rad ιονίζουσας ακτινοβολίας που αποτελεί το φυσικό υπόβαθρο ακτινοβολίας. Αυτός ο αριθμός περιλαμβάνει την ακτινοβολία γάμμα από τον πυρήνα της Γης, τον ηλιακό άνεμο και τη ραδιενέργεια των στοιχείων που βρίσκονται στο πάχος του φλοιού της γης και είναι διαλυμένα στην ατμόσφαιρα. Η δόση που λαμβάνεται εξαρτάται επίσης από το πού βρίσκεται το άτομο. Το ένα τέταρτο όλων των αυθόρμητων μεταλλάξεων συμβαίνουν εξαιτίας αυτού του παράγοντα.
Η υπεριώδης ακτινοβολία, αντίθετα με τη δημοφιλή πεποίθηση, παίζει δευτερεύοντα ρόλοτην εμφάνιση καταστροφών του DNA, καθώς δεν μπορεί να διεισδύσει αρκετά βαθιά στο ανθρώπινο σώμα. Αλλά το δέρμα υποφέρει συχνά από υπερβολική έκθεση στον ήλιο (μελάνωμα και άλλους καρκίνους). Ωστόσο, οι μονοκύτταροι οργανισμοί και οι ιοί μεταλλάσσονται όταν εκτίθενται στο ηλιακό φως.
Οι πολύ υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν αλλαγές στο γενετικό υλικό.
Ενδογενείς αιτίες μεταλλάξεων
Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους μπορεί να συμβεί αυθόρμητη μετάλλαξη παραμένουν ενδογενείς παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν μεταβολικά υποπροϊόντα, σφάλματα στη διαδικασία αντιγραφής, επιδιόρθωσης ή ανασυνδυασμού και άλλα.
-
Αποτυχίες στην αντιγραφή:
- αυθόρμητες μεταπτώσεις και αναστροφές αζωτούχων βάσεων;
- εσφαλμένη εισαγωγή νουκλεοτιδίων λόγω σφαλμάτων στις πολυμεράσες DNA;- χημική αντικατάσταση νουκλεοτιδίων, για παράδειγμα, γουανίνη-κυτοσίνη σε αδενίνη-γουανίνη.
-
Σφάλματα αποκατάστασης:-μεταλλάξεις στα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την επιδιόρθωση μεμονωμένων τμημάτων της αλυσίδας του DNA αφού σπάσουν υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων.
- Προβλήματα με τον ανασυνδυασμό:- οι αποτυχίες στις διαδικασίες διασταύρωσης κατά τη διάρκεια της μείωσης ή της μίτωσης οδηγούν σε απώλεια και ολοκλήρωση βάσεων.
Αυτοί είναι οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν αυθόρμητες μεταλλάξεις. Οι λόγοι για τις αποτυχίες μπορεί να βρίσκονται στην ενεργοποίηση γονιδίων μεταλλάξεων, καθώς και στη μετατροπή ασφαλών χημικών ενώσεων σε πιο ενεργούς μεταβολίτες που επηρεάζουν τον κυτταρικό πυρήνα. Επιπλέον, υπάρχουν και δομικοί παράγοντες. Αυτές περιλαμβάνουν επαναλήψεις της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας κοντά στη θέσηαναδιατάξεις αλυσίδας, παρουσία πρόσθετων τμημάτων DNA παρόμοιας δομής με το γονίδιο, καθώς και κινητών στοιχείων του γονιδιώματος.
Παθογένεση της μετάλλαξης
Αυθόρμητη μετάλλαξη εμφανίζεται λόγω της επίδρασης όλων των παραπάνω παραγόντων που δρουν μαζί ή χωριστά σε μια ορισμένη περίοδο της ζωής του κυττάρου. Υπάρχει ένα τέτοιο φαινόμενο όπως μια ολισθαίνουσα παραβίαση του ζευγαρώματος των κλώνων του θυγατρικού και του μητρικού DNA. Ως αποτέλεσμα, συχνά σχηματίζονται βρόχοι από πεπτίδια που δεν μπόρεσαν να χωρέσουν επαρκώς στην αλληλουχία. Μετά την αφαίρεση της περίσσειας θραυσμάτων DNA από τον θυγατρικό κλώνο, οι θηλιές μπορούν να αφαιρεθούν (διαγραφές) και να ενσωματωθούν (διπλασιάσεις, εισαγωγές). Οι αλλαγές που εμφανίστηκαν διορθώνονται στους επόμενους κύκλους κυτταρικής διαίρεσης.
Ο ρυθμός και ο αριθμός των μεταλλάξεων που συμβαίνουν εξαρτώνται από την πρωτογενή δομή του DNA. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι απολύτως όλες οι αλληλουχίες DNA είναι μεταλλαξιογόνες εάν σχηματίζουν στροφές.
Πιο συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις
Ποια είναι η πιο κοινή εκδήλωση αυθόρμητων μεταλλάξεων στο γενετικό υλικό; Παραδείγματα τέτοιων συνθηκών είναι η απώλεια αζωτούχων βάσεων και η απομάκρυνση αμινοξέων. Τα υπολείμματα κυτοσίνης θεωρούνται ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτά.
Έχει αποδειχθεί ότι σήμερα περισσότερα από τα μισά σπονδυλωτά έχουν μετάλλαξη υπολειμμάτων κυτοσίνης. Μετά την απαμίνωση, η μεθυλκυτοσίνη μετατρέπεται σε θυμίνη. Η επακόλουθη αντιγραφή αυτής της ενότητας επαναλαμβάνει το σφάλμα ή το διαγράφει ή διπλασιάζει καιμεταλλάσσεται σε νέο θραύσμα.
Ένας άλλος λόγος για συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι ο μεγάλος αριθμός ψευδογονιδίων. Εξαιτίας αυτού, μπορούν να σχηματιστούν άνισοι ομόλογοι ανασυνδυασμοί κατά τη διάρκεια της μείωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αναδιατάξεις στα γονίδια, στροφές και διπλασιασμούς μεμονωμένων αλληλουχιών νουκλεοτιδίων.
Μοντέλο μεταλλαξιογένεσης πολυμεράσης
Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, οι αυθόρμητες μεταλλάξεις συμβαίνουν ως αποτέλεσμα τυχαίων σφαλμάτων στα μόρια που συνθέτουν το DNA. Για πρώτη φορά, ένα τέτοιο μοντέλο παρουσιάστηκε από την Bresler. Πρότεινε ότι εμφανίζονται μεταλλάξεις λόγω του γεγονότος ότι οι πολυμεράσες σε ορισμένες περιπτώσεις εισάγουν μη συμπληρωματικά νουκλεοτίδια στην αλληλουχία.
Χρόνια αργότερα, μετά από μακροχρόνιες δοκιμές και πειράματα, αυτή η άποψη εγκρίθηκε και έγινε αποδεκτή στον επιστημονικό κόσμο. Έχουν ακόμη συναχθεί ορισμένα μοτίβα που επιτρέπουν στους επιστήμονες να ελέγχουν και να κατευθύνουν μεταλλάξεις εκθέτοντας ορισμένα τμήματα του DNA στο υπεριώδες φως. Έτσι, για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι η αδενίνη είναι πιο συχνά ενσωματωμένη απέναντι από την κατεστραμμένη τριάδα.
Ταυτομερικό μοντέλο μεταλλαξιογένεσης
Μια άλλη θεωρία που εξηγεί τις αυθόρμητες και τεχνητές μεταλλάξεις προτάθηκε από τους Watson και Crick (τους ανακαλυπτές της δομής του DNA). Πρότειναν ότι η μεταλλαξιογένεση βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων βάσεων DNA να μετατρέπονται σε ταυτομερείς μορφές που αλλάζουν τον τρόπο σύνδεσης των βάσεων.
Μετά τη δημοσίευση, η υπόθεση αναπτύχθηκε ενεργά. Νέες μορφές νουκλεοτιδίων ανακαλύφθηκαν μετάακτινοβολώντας τα με υπεριώδες φως. Αυτό έδωσε στους επιστήμονες νέες ευκαιρίες για έρευνα. Η σύγχρονη επιστήμη εξακολουθεί να συζητά τον ρόλο των ταυτομερών μορφών στην αυθόρμητη μεταλλαξιογένεση και την επιρροή της στον αριθμό των ανιχνευόμενων μεταλλάξεων.
Άλλα μοντέλα
Αυθόρμητη μετάλλαξη είναι δυνατή κατά παράβαση της αναγνώρισης των νουκλεϊκών οξέων από τις DNA πολυμεράσες. Ο Poltaev και οι συνεργάτες του διευκρίνισαν τον μηχανισμό που διασφαλίζει τη συμμόρφωση με την αρχή της συμπληρωματικότητας στη σύνθεση των θυγατρικών μορίων DNA. Αυτό το μοντέλο κατέστησε δυνατή τη μελέτη των κανονικοτήτων της εμφάνισης της αυθόρμητης μεταλλαξιογένεσης. Οι επιστήμονες εξήγησαν την ανακάλυψή τους με το γεγονός ότι ο κύριος λόγος για την αλλαγή στη δομή του DNA είναι η σύνθεση μη κανονικών ζευγών νουκλεοτιδίων.
Πρότειναν ότι η υποκατάσταση βάσης συμβαίνει λόγω απαμίνωσης τμημάτων DNA. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της κυτοσίνης σε θυμίνη ή ουρακίλη. Λόγω τέτοιων μεταλλάξεων, σχηματίζονται ζεύγη ασυμβίβαστων νουκλεοτιδίων. Επομένως, κατά την επόμενη αντιγραφή, λαμβάνει χώρα μια μετάβαση (αντικατάσταση σημείων των βάσεων νουκλεοτιδίων).
Ταξινόμηση μεταλλάξεων: αυθόρμητες
Υπάρχουν διαφορετικές ταξινομήσεις μεταλλάξεων ανάλογα με το κριτήριο που τις διέπει. Υπάρχει μια διαίρεση ανάλογα με τη φύση της αλλαγής στη λειτουργία του γονιδίου:
- υπομορφικό (τα μεταλλαγμένα αλληλόμορφα συνθέτουν λιγότερες πρωτεΐνες, αλλά είναι παρόμοιες με τις αρχικές), - άμορφο (το γονίδιο έχει χάσει εντελώς τις λειτουργίες του), - αντιμορφικό (το μεταλλαγμένο γονίδιο αλλάζει εντελώς αυτό το χαρακτηριστικό, που αντιπροσωπεύει);- νεομορφικό (εμφανίζονται νέα σημάδια).
Αλλά μια πιο κοινή ταξινόμηση που διαιρεί όλες τις μεταλλάξεις σε αναλογία με τη μεταβλητήδομή. Highlight:
1. Γονιδιωματικές μεταλλάξεις. Αυτές περιλαμβάνουν την πολυπλοειδία, δηλαδή τον σχηματισμό ενός γονιδιώματος με ένα τριπλό ή περισσότερα σετ χρωμοσωμάτων, και την ανευπλοειδία, ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα δεν είναι πολλαπλάσιο του απλοειδούς αριθμού.
2. Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις. Παρατηρούνται σημαντικές αναδιατάξεις μεμονωμένων τμημάτων χρωμοσωμάτων. Υπάρχει απώλεια πληροφοριών (διαγραφή), διπλασιασμός της (διπλασιασμός), αλλαγή της κατεύθυνσης των αλληλουχιών νουκλεοτιδίων (αναστροφή), καθώς και μεταφορά τμημάτων χρωμοσώματος σε άλλο σημείο (μετατόπιση).3. Γονιδιακή μετάλλαξη. Η πιο κοινή μετάλλαξη. Στην αλυσίδα του DNA, αντικαθίστανται πολλές τυχαίες αζωτούχες βάσεις.
Συνέπειες μεταλλάξεων
Αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι οι αιτίες όγκων, ασθενειών αποθήκευσης, δυσλειτουργιών οργάνων και ιστών σε ανθρώπους και ζώα. Εάν ένα μεταλλαγμένο κύτταρο βρίσκεται σε έναν μεγάλο πολυκύτταρο οργανισμό, τότε με μεγάλο βαθμό πιθανότητας θα καταστραφεί προκαλώντας απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Το σώμα ελέγχει τη διαδικασία διατήρησης του γενετικού υλικού και, με τη βοήθεια του ανοσοποιητικού συστήματος, απαλλάσσεται από όλα τα πιθανά κατεστραμμένα κύτταρα.
Σε μία περίπτωση από τις εκατοντάδες χιλιάδες, τα Τ-λεμφοκύτταρα δεν έχουν χρόνο να αναγνωρίσουν την προσβεβλημένη δομή και δημιουργεί έναν κλώνο κυττάρων που περιέχουν επίσης το μεταλλαγμένο γονίδιο. Το σύμπλεγμα κυττάρων έχει ήδη άλλες λειτουργίες, παράγει τοξικές ουσίες και επηρεάζει αρνητικά τη γενική κατάσταση του οργανισμού.
Αν η μετάλλαξη δεν συνέβη στο σωματικό, αλλά στο γεννητικό κύτταρο, τότε οι αλλαγές θα παρατηρηθούν στους απογόνους. Αυτοί είναιεκδηλώνονται με συγγενείς παθολογίες οργάνων, παραμορφώσεις, μεταβολικές διαταραχές και ασθένειες αποθήκευσης.
Αυθόρμητες μεταλλάξεις: σημασία
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι προηγουμένως φαινομενικά άχρηστες μεταλλάξεις μπορεί να είναι χρήσιμες για την προσαρμογή στις νέες συνθήκες ζωής. Αυτό αντιπροσωπεύει τη μετάλλαξη ως μέτρο της φυσικής επιλογής. Τα ζώα, τα πουλιά και τα έντομα καμουφλάρονται ανάλογα με την περιοχή διαμονής τους για να προστατευτούν από τα αρπακτικά. Αν όμως αλλάξει ο βιότοπός τους, τότε με τη βοήθεια μεταλλάξεων, η φύση προσπαθεί να προστατεύσει το είδος από την εξαφάνιση. Κάτω από νέες συνθήκες, οι ισχυρότεροι επιβιώνουν και μεταβιβάζουν αυτή την ικανότητα σε άλλους.
Μετάλλαξη μπορεί να συμβεί σε ανενεργές περιοχές του γονιδιώματος και στη συνέχεια δεν παρατηρούνται ορατές αλλαγές στον φαινότυπο. Είναι δυνατό να εντοπιστεί «σπάσιμο» μόνο με τη βοήθεια συγκεκριμένων μελετών. Αυτό είναι απαραίτητο για τη μελέτη της προέλευσης συγγενών ζωικών ειδών και τη σύνταξη των γενετικών τους χαρτών.
Το πρόβλημα του αυθορμητισμού των μεταλλάξεων
Στη δεκαετία του '40 του περασμένου αιώνα, υπήρχε μια θεωρία ότι οι μεταλλάξεις προκαλούνται αποκλειστικά από την επίδραση εξωτερικών παραγόντων και βοηθούν στην προσαρμογή σε αυτούς. Για να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία, αναπτύχθηκε μια ειδική μέθοδος δοκιμής και επανάληψης.
Η διαδικασία συνίστατο στο γεγονός ότι μια μικρή ποσότητα βακτηρίων του ίδιου είδους σπάρθηκε σε δοκιμαστικούς σωλήνες και μετά από αρκετούς εμβολιασμούς προστέθηκαν αντιβιοτικά σε αυτά. Μερικοί από τους μικροοργανισμούς επέζησαν και μεταφέρθηκαν σε νέο μέσο. Η σύγκριση βακτηρίων από διαφορετικούς σωλήνες έδειξε ότι προέκυψε αντίστασηαυθόρμητα, τόσο πριν όσο και μετά την έκθεση σε αντιβιοτικά.
Η μέθοδος επανάληψης ήταν ότι οι μικροοργανισμοί μεταφέρονταν σε ένα ύφασμα και στη συνέχεια μεταφέρονταν ταυτόχρονα σε πολλά καθαρά μέσα. Νέες αποικίες καλλιεργήθηκαν και υποβλήθηκαν σε αγωγή με ένα αντιβιοτικό. Ως αποτέλεσμα, βακτήρια που βρίσκονται στα ίδια μέρη του υλικού επιβίωσαν σε διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες.
