MUTACJE GENÓW: Z CZEGO SIĘ SKŁADAJĄ, RODZAJE I KONSEKWENCJE - BIOLOGIA - 2026

Te mutacje genowe lub szczególne są te, w których jeden allel zmian genów, stając inny. Ta zmiana zachodzi w obrębie genu, w locus lub punkcie i może być zlokalizowana.

Wręcz przeciwnie, w przypadku mutacji chromosomowych zwykle dotyczy to zestawów chromosomów, całego chromosomu lub jego segmentów. Niekoniecznie wiążą się one z mutacjami genów, chociaż mogłoby to wystąpić w przypadku pęknięć chromosomów, które mają wpływ na gen.

Rysunek 1. Mutacja w genie kontrolującym kształt ogona myszy. Źródło: By (Zdjęcie dzięki uprzejmości Emmy Whitelaw, University of Sydney, Australia), Via Wikimedia Commons

Wraz z rozwojem narzędzi molekularnych stosowanych do sekwencjonowania DNA na nowo zdefiniowano termin mutacja punktowa. Obecnie termin ten jest często używany w odniesieniu do zmian w parze lub kilku sąsiadujących parach zasad azotowych w DNA.

Co to są mutacje?

Mutacja jest kwintesencją mechanizmu, który wprowadza zmienność genetyczną w populacjach. Polega na nagłej zmianie genotypu (DNA) organizmu, nie w wyniku rekombinacji lub rearanżacji genetycznej, ale z powodu dziedziczenia lub działania negatywnych czynników środowiskowych (takich jak toksyny i wirusy).

Mutacja może przekroczyć potomstwo, jeśli występuje w komórkach rozrodczych (jajach i plemnikach). Może powodować niewielkie różnice u osobnika, ogromne różnice - nawet powodujące choroby - lub mogą pozostawać ciche, bez żadnego efektu.

Różnice w materiale genetycznym mogą następnie generować różnorodność fenotypową w przyrodzie, czy to między osobnikami różnych gatunków, czy nawet tego samego gatunku.

Rodzaje mutacji genowych lub punktowych

Istnieją dwa rodzaje zmian mutacyjnych genów:

Zmiany zasad azotowych

Polegają one na zastąpieniu jednej pary zasad azotowych inną. Są z kolei podzielone na dwa typy: przejścia i transwersje.

• Przejścia: obejmują zastąpienie jednej zasady inną z tej samej kategorii chemicznej. Na przykład: puryna za inną purynę, adenina za guaninę lub guanina za adeninę (A → G lub G → A). Może to być również przypadek zamiany pirymidyny na inną pirymidynę, na przykład: cytozyna zamiast tyminy lub tymina za cytozynę (C → T lub T → C).
• Przekształcenia: to zmiany obejmujące różne kategorie chemiczne. Na przykład przypadek zmiany z pirymidyny na purynę: T → A, T → G, C → G, C → A; lub puryna dla pirymidyny: G → T, G → C, A → C, A → T.

Zgodnie z konwencją, zmiany te są opisane w odniesieniu do dwuniciowego DNA, a zatem zasady tworzące parę muszą być szczegółowo opisane. Na przykład: przejście byłoby GC → AT, podczas gdy transwersja mogłaby być GC → TA.

Rysunek 2. Typy zmian mutacji punktowych. Źródło: (Autor: Sara - Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24341301)

Wstawienia lub usunięcia

Składają się z wejścia lub wyjścia pary lub wielu par nukleotydów genu. Chociaż jednostką, której to dotyczy, jest nukleotyd, zwykle zawsze odnosimy się do pary lub par zaangażowanych zasad.

Konsekwencje

-Podstawowe koncepcje

Aby zbadać konsekwencje mutacji genów, musimy najpierw przejrzeć dwie podstawowe właściwości kodu genetycznego.

1. Po pierwsze, kod genetyczny jest zdegenerowany. Oznacza to, że ten sam typ aminokwasu w białku może być kodowany przez więcej niż jeden tryplet lub kodon w DNA. Ta właściwość implikuje istnienie większej liczby trojaczków lub kodonów w DNA niż typów aminokwasów.
2. Drugą właściwością jest to, że geny posiadają kodony stop, używane do zakończenia translacji podczas syntezy białek.

-Scenariusze mutacji genów

Mutacje Strut mogą mieć różne konsekwencje, w zależności od konkretnego miejsca, w którym występują. Dlatego możemy wizualizować dwa możliwe scenariusze:

1. Mutacja występuje w części genu, w której kodowane jest białko.
2. Mutacja występuje w sekwencjach regulatorowych lub innych typach sekwencji nie biorących udziału w określaniu białka.

-Funkcjonalne konsekwencje pierwszego scenariusza

Mutacje genów w pierwszym scenariuszu generują następujące wyniki:

Cicha mutacja

Dzieje się tak, gdy kodon zmienia się na inny, który koduje ten sam aminokwas (jest to konsekwencja degeneracji kodu). Te mutacje nazywane są cichymi, ponieważ w rzeczywistości wynikająca z nich sekwencja aminokwasów nie zmienia się.

Mutacja zawracania

Występuje, gdy zmiana kodonu determinuje zmianę aminokwasu. Ta mutacja może mieć różne skutki w zależności od charakteru wprowadzonego nowego aminokwasu.

Jeśli ma on charakter chemiczny podobny do oryginału (substytucja synonimiczna), wpływ na funkcjonalność powstałego białka może być znikomy (ten rodzaj zmiany jest często nazywany zmianą konserwatywną).

Z drugiej strony, gdy charakter chemiczny powstałego aminokwasu jest bardzo odmienny od pierwotnego, efekt może być zmienny, a powstałe białko może stać się bezużyteczne (zmiana niekonserwatywna).

Specyficzna lokalizacja takiej mutacji w genie może mieć różne skutki. Na przykład, gdy mutacja wystąpi w części sekwencji, która spowoduje powstanie centrum aktywnego białka, oczekuje się, że uszkodzenie będzie większe niż w przypadku wystąpienia w mniej krytycznych regionach.

Nonsensowna mutacja

Dzieje się tak, gdy zmiana generuje kodon zatrzymania tłumaczenia. Ten typ mutacji zwykle prowadzi do powstania białek dwufunkcyjnych (białko skrócone).

Wstawienia lub usunięcia

Mają efekt równoważny z nonsensowną mutacją, chociaż nie są identyczne. Efekt pojawia się, gdy zmienia się ramka odczytu DNA (zjawisko znane jako przesunięcie ramki odczytu lub przesunięcie ramki).

Ta zmienność wytwarza informacyjny RNA (mRNA) z opóźnieniem w stosunku do miejsca, w którym nastąpiła mutacja (insercja lub delecja), a zatem zmiana w sekwencji aminokwasowej białka. Produkty białkowe otrzymane z genów z tego typu mutacjami będą całkowicie dysfunkcyjne.

Wyjątki

Wyjątek może wystąpić, gdy wystąpią insercje lub delecje dokładnie trzech nukleotydów (lub wielokrotności trzech).

W tym przypadku mimo zmiany ramka odczytu pozostaje niezmieniona. Nie można jednak wykluczyć, że powstałe białko jest dysfunkcyjne, czy to z powodu wbudowania aminokwasów (w przypadku insercji), czy z powodu ich utraty (w przypadku delecji).

-Funkcjonalne konsekwencje drugiego scenariusza

Mutacje mogą wystąpić w sekwencjach regulatorowych lub innych sekwencjach nie biorących udziału w określaniu białek.

W takich przypadkach efekt mutacji jest znacznie trudniejszy do przewidzenia. Będzie wtedy zależeć od tego, jak mutacja punktowa wpływa na interakcję tego fragmentu DNA z wieloma istniejącymi regulatorami ekspresji genów.

Ponownie, zerwanie ramki odczytu lub zwykła utrata fragmentu niezbędnego do wiązania regulatora może powodować skutki w zakresie od dysfunkcjonalności produktów białkowych do braku kontroli ich ilości.

-Częste przypadki prowadzące do chorób

Przykładem bardzo rzadkiej mutacji punktowej jest tak zwana mutacja wzmocnienia sensu.

Polega to na przekształceniu kodonu stop w kodon kodujący. Tak jest w przypadku wariantu hemoglobiny zwanego Constant Spring Hemoglobin (wariant alleliczny HBA2 * 0001), spowodowanego zmianą kodonu stop UAA na kodon CAA.

W tym przypadku mutacja punktowa skutkuje niestabilną hemoglobiną α-2 wydłużoną o 30 aminokwasów, powodując chorobę krwi zwaną alfa-talasemią.

Bibliografia

1. Eyre-Walker, A. (2006). Rozkład efektów sprawności nowych szkodliwych mutacji aminokwasów u ludzi. Genetics, 173 (2), 891–900. doi: 10.1534 / genetics.106.057570
2. Hartwell, LH i in. (2018). Genetyka od genów do genomów. Szósta edycja, MacGraw-Hill Education. pp 849
3. Novo-Villaverde, FJ (2008). Genetyka człowieka: koncepcje, mechanizmy i zastosowania genetyki w dziedzinie biomedycyny. Pearson Education, SA str. 289
4. Nussbaum, RL i in. (2008). Genetyka w medycynie. Wydanie siódme. Saunders, s. 578.
5. Stoltzfus, A., and Cable, K. (2014). Mendel-Mutationism: The Forgotten Evolutionary Synthesis. Journal of the History of Biology, 47 (4), 501–546. doi: 10.1007 / s10739-014-9383-2