Mutacje uwarunkowane są zmianami w samym nośniku informacji dziedzicznej
W odróżnieniu od zmienności kombinacyjnej, w przypadku zmienności mutacyjnej zachodzi zmiana samego nosiciela informacji genetycznej, co prowadzi do powstania nowych alleli, zmiany ilości genów w genomie lub zmiany kolejności genów w chromosomach.
Obecnie termin mutacja rozumiany jest jako dowolne zmiany materiału genetycznego, które mogą być przekazane dziedzicznie. Mutacje nieuchronnie powstają w wyniku błędów replikacji. Takie mutacje nazywają się mutacjami spontanicznymi, o ich powstaniu i naprawieniu mówiliśmy w § 21. Inna grupa mutacji powstaje pod wpływem substancji chemicznych lub promieniowania. Te mutacje otrzymały nazwę mutacji indukowanych, a czynniki, które je warunkują, nazywają się czynnikami mutagennymi, albo po prostu mutagenami.
Chemiczne mutageny, takie jak fenol, formaldehyd, substancje narkotyczne i składniki dymu tytoniowego, zaburzają proces replikacji lub bezpośrednio zmieniają nukleoty-dy w DNA. Intensywne promieniowanie również prowadzi do zmiany kolejności nukleoty-dów, rozerwania bądź zlania się całych chromosomów.
Mutacje wygodnie jest klasyfikować według tych poziomów organizacji materiału genetycznego, na których one się odbywają. Otóż mutacje według skali zmian można podzielić na punktowe (genowe), chromosomowe i genomowe.
Genowe (punktowe) mutacje mogą prowadzić do widocznych skutków
Genowe, albo punktowe mutacje przewidują zmiany DNA na poziomie poszczególnych genów. To może być zamiana, a także utrata czy wbudowywanie nukleotydów. Niektóre punktowe mutacje nazywane są milczącymi. Milczące mutacje powstają w nie-kodowanych odcinkach DNA (na przykład w intronach albo w międzygenowych odcinkach). Wiele milczących mutacji zdarza się też w odcinkach DNA, które kodują białko. Jeśli wskutek punktowej mutacji triplet TGT będzie zastąpiony na TGC, to aminokwasowa kolejność białka nie zmieni się, ponieważ obydwa triplety kodują cysteinę. Taka mutacja będzie mutacją milczącą. A jeśli triplet TGT będzie zastąpiony na TGG, to w miejscu cysteiny w aminokwasowym łańcuchu białka będzie tryptofan. Jeśli TGT będzie zamieniony na TGA, to powstanie kodon stop. W tym miejscu synteza aminokwasowego łańcuszka będzie przerwana i utworzy się skrócone białko.
Przykładem choroby człowieka, spowodowanej przez mutację punktową, jest anemia sierpowata (ryc. 37.1). W wyniku pojedynczej nukleotydowej zamiany adeniny na tyminę w genie hemoglobiny odbywa się zamiana kwasu glutaminowego na walinę w aminokwasowym łańcuchu. Taka hemoglobina, która mutowała, nazywa się hemoglobiną S (od ang. sickle - sierp). Erytrocyty z hemoglobiną S przybierają kształt sierpa, gorzej przenoszą tlen, szybciej i częściej rujnują się, zwłaszcza podczas przechodzenia przez naczynia włosowate, co prowadzi do powstania licznych skrzepów. Homozygoty przy tej mutacji często giną z powodu braku hemoglo-
biny we krwi - anemii. Heterozygoty nie wykazują patologicznych oznak, chociaż w ich erytrocytach również mieści się określona ilość hemoglobiny S. Ciekawa rzecz, że najczęściej zmutowany allel zdarza się w strefie międzyzwrot-nikowej i największe jego rozpowszechnienie zbiega się z rozpowszechnieniem zarodźca malarii, który wywołuje najcięższą postać malarii - malarię tropikalną. Zarodziec malarii - to pasożyt krwi, część swojego cyklu życiowego spędza w erytrocycie, żywiąc się jego zawartością (ryc. 37.2).
Za kilka dni dojrzały zarodziec rujnuje erytrocyt i trafia do osocza krwi. U heterozygot, które niosą allel hemoglobiny S, rozwija się odporność na malarię. Związane jest to z tym, że ich erytrocyty giną, zanim pasożyt dojrzeje. Dlatego obecność alleli hemoglobiny S pozwala pozostać przy życiu w warunkach burzliwej malarii tropikalnej. A w umiarkowanym klimacie, gdzie malaria nie jest rozpowszechniona, ten allel nie daje heterozygotom żadnych przewag i nie jest rozpowszechniony (ryc. 37.3).
Wbudowywanie i utraty nukleotydów mogą doprowadzić do bardziej poważnych skutków dla genów. Wbudowanie jednego nukleotydu w kodowanej sekwencji genu przyczyni się do tak zwanego zsuwu ramki odczytu. Oto przykład takiej mutacji. Załóżmy, że mamy kolejność guaniny, tyminy i adeniny, która powtarza się i koduje kilka kolenie połączonych reszt aminokwasu histydyny.
Przypuśćmy, że w jednym miejscu tego odcinka odbyło się wbudowanie dodatkowego nukleotydu (tyminy). To doprowadzi do zmiany kodowanej kolejności aminokwasów: przez zsunięcie się tripletów w miejscu histydyny okazuje się treonina, a potem seryna.
Tak samo jest z utratą nukleotydu: zmienia się ramka odczytu, co prowadzi do syntezy całkiem innego białka.
Mutacje chromosomowe powodują znaczące zmiany w budowie chromosomów
Mutacje chromosomowe - to przebudowy chromosomów, związane ze zmianą kolejności lub liczby genów w chromosomach. Do najbardziej typowych mutacji chromosomowych należą: duplikacja, dele-cja, inwersja i translokacja. W wyniku duplikacji podwaja się jakiś fragment chromosomu. Podczas delecji odbywa się utrata fragmentu chromosomu.
Podczas inwersji zachodzi odwrócenie się fragmentu chromosomu. Podczas translokacji fragment chromosomu przemieszcza się (ryc.37.4).
Większość delecji jest letalnych, ponieważ powodują nieodwracalną utratę od razu kilku genów. U ludzi de-lecje zazwyczaj prowadzą do śmierci organizmu już we wczesnych etapach rozwoju embrionalnego, lecz czasami
embrionowi udaje się przeżyć do urodzenia. Delecja końcowego odcinka piątego chromosomu powoduje rozwój zespołu kociego krzyku. Zespół ma taką dziwną nazwę, ponieważ z powodu nieprawidłowej budowy krtani płacz niemowlęcia przypomina miauczenie kota. Niektóre delecje mogą pozytywnie wpływać na zdolność życiową organizmu. Tak więc delecja genu białka-receptora CCR5 warunkuje nie-podatność na HIV. Chodzi o to, że HIV wykorzystuje to białko na powierzchni komórki jako podstawę dla przenikania do komórki. Być może utrata CCR5 ma też negatywne skutki, lecz w przypadku obecności patogenu zalety są oczywiste (można zauważyć paralele z anemią sierpowatą, czyż nie tak?).
Duplikacja, przeciwnie, może być podstawą dalszego rozwoju różnorodności genetycznej: w razie „nieudanej” mutacji w genie w genomie jest jeszcze jedna, „rezerwowa”, kopia. Innymi słowy - obecność kilku kopii genu pozwala „eksperymentować” z jedną z nich bez istotnej szkody dla organizmu. I w jakimś momencie, być może, „rezerwowa” kopia stanie się dla organizmu bardziej pożyteczna, niż główna.
Translokacje i inwersje zazwyczaj nie prowadzą do przemian fenotypu, lecz odgrywają ważną rolę w trakcie powstawania nowych gatunków. Czasami podczas translokacji zachodzi połączenie całych chromosomów. Tak więc szympansy i inne człekokształtne małpy mają 24 pary chromosomów. Udowodniono, że w trakcie ewolucji człowieka dwa chromosomy różnych par połączyły się i utworzyła się jedna duża (w uporządkowanym kariotypie człowieka ona jest w drugiej parze). Dlatego też kariotyp człowieka zawiera 23 pary chromosomów.
Mutacje genomowe zmieniają liczbę chromosomów w genomie
Mutacje genomowe związane są ze zmianą ilości chromosomów w genomie. Najbardziej rozpowszechnionym przykładem mutacji genomowych jest wielokrotne zwiększenie haploidalnych zestawów chromosomów - poliploidalność. W wyniku poliploidalności powstają organizmy z triploidalnymi, tetraploidalnymi (4), pentaploidalnymi (5), heksa-ploidainymi (6) i jeszcze większymi kompletami zestawów chromosomów. To zjawisko najbardziej rozpowszechnione jest u roślin (ryc. 37.5). Zazwyczaj rośliny poliploidalne są większe niż diploidalne pod względem wielkości, dlatego też rolnictwo jest zainteresowane w hodowli roślin poliploidalnych (dokładniej o tym w § 59). Na szczęście można to osiągnąć za pomocą zwykłej obróbki chemicznej, która prowadzi do niszczenia wrzeciona podziałowego.
W wyniku tego mitoza nie kończy się i powiększony dwukrotnie (na przykład tetraploidalny) zestaw chromosomów zachowuje się w jednym jądrze. Osobniki, które zawierają nieparzystą ilość zestawów chromosomów, są sterylne, bo nie mogą zrealizować mejozy. Tak więc przy krzyżowaniu tetraploidalnych roślin arbuza z diploidalnymi otrzymamy triploidalne arbuzy bez nasienia. Jednak to nie przeszkadza wegetatywnemu rozmnażaniu tych roślin.
Do genomowych mutacji należą też zmiany liczby poszczególnych chromosomów. Jedną z takich najbardziej rozpowszechnionych mutacji genomowych u człowieka jest trisomia według 21. chromosomu, co prowadzi do rozwoju zespołu Downa.
Trisomia oznacza, że zamiast dwóch kopii 21. chromosomu, które są u zdrowego człowieka, u pacjenta - trzy kopie (ryc. 37.6, B). Taka anomalia warunkuje rozwój patologicznego stanu: u dzieci obserwuje się poważne opóźnienia rozwoju umysłowego i psychicznego. Jednak jest sporo przypadków, kiedy ludzie z zespołem Downa kończą studia uniwersyteckie, zostają zdolnymi aktorami i muzykami. Zespół Downa - to nierzadkie zjawisko, średnio ono zdarza się raz na 1000 ciąż (ryc. 37.6, C). Bardzo ważna jest zależność prawdopodobieństwa urodzenia dziecka z zespołem Downa od wieku matki. U kobiety w wieku 25 lat prawdopodobieństwo urodzenia takiego dziecka stanowi około 1 : 1500, w wieku 40 lat - 1 : 100, w wieku 45 - 1 : 25.
Zasługują na uwagę mutacje genomowe, które prowadzą do zmiany ilości chromosomów płciowych. Jak pamiętsz z § 35, kobiety mają chromosomy płciowe XX, a mężczyźni - XY.
Przy monosomii chromosomu X zestaw chromosomów płciowych będzie X0 (jest tylko jeden chromosom X; nieobecny chromosom w parze zaznacza się zerem) i rozwija się zespół Szereszewskiego-Turnera (ryc. 37.7).
Przy tym organizm rozwija się według żeńskiego typu - rodzi się dziewczynka. U pacjentki obecne są liczne anomalie rozwojowe, niski wzrost, bezpłodność. Co prawda prawidłowa terapia hormonalna może znacznie zmniejszyć przejaw symptomów.
Połączenie płciowych chromosomów XXY prowadzi do rozwoju zespołu Klinefel-tera. Organizm rozwija się według męskiego typu - rodzi się chłopczyk. Patologia zazwyczaj nie przejawia się do okresu dojrzewania płciowego. Wraz z dojrzewaniem przejawia się zaburzenie funkcji gruczołów płciowych, niewspółmierny rozwój gruczołów mlecznych, wysokie prawdopodobieństwo otyłości i rozwoju cukrzycy, niepłodności.
Ciekawymi przypadkami są połączenia chromosomów XYY, XYYY i XYYYY, które nazywają się polisomią według chromosomu Y. U mężczyzn o takim zestawie chromosomów nie ma żadnych istotnych odchyleń w rozwoju, lecz oni są bardziej niezrów-noważeni i skłonni do agresji. Udowodniono, że wśród więźniów część mężczyzn z polisomią według chromosomu Y jest większa, niż ogólnie u populacji ludzi.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Do zwiększenia się liczby mutacji indukowanych prowadzi A zwiększenie liczby błędów podczas replikacji
В zmniejszenie liczby chemicznych mutagenów, które są pochłaniane przez organizm C zwiększenie liczby chromosomów w komórkach D zwiększenie dawki promieniowania E zwiększenie częstotliwości podziału komórki
2
Przy nieprzyswajaniu przez organizm aminokwasu fenyloalaniny (schorzenie nazywa się fenyloketonurią) w genie enzymu fenyloalanina-4-hydroksylazy powstają mutacje. Są to mutacje
A milczące В punktowe C chromosomowe D genomowe E poliploidalne
3
Wśród mutacji chromosomowych negatywne skutki najczęściej ma A delecja В translokacja C inwersja
D duplikacja E włączenie kopii odcinka chromosomu
4
Pszenica jednoziarnowa ma 14 chromosomów, pszenica twarda - 28 chromosomów, a pszenica miękka -42 chromosomy. Mechanizmy tworzenia różnych gatunków pszenicy - to
A translokacja В delecja C polisomia D poliploidalność E polimeria
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
5
Przy jakich warunkach mutacja, która powstała, będzie mutacją milczącą?
6
Dlaczego wiele ważnych genów w naszym genomie mieści się w kilku kopiach?
7
Wykorzystując wiedzę o właściwościach roślin poliploidalnych, sprognozuj właściwości haploidów, czyli odmian roślin, w których zamiast normalnego zestawu diploidalnego jest zestaw haploidalny.
8
Dlaczego rośliny o nieparzystym zestawie chromosomów zazwyczaj nie mogą urzeczywistnić mejozy podczas tworzenia komórek płciowych?
9
Dlaczego organizm człowieka przy braku jednego chromosomu z pary, jak przy zespole Szereszewskiego-Turnera, pozostaje zdolny do życia?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
10,
Dlaczego wraz ze wzrostem wieku matki wzrasta prawdopodobieństwo urodzenia dziecka z zespołem Downa? Czy istnieje taka sama zależność dla wieku ojca?
11
Dlaczego zbędny chromosom w jednej parze prowadzi do negatywnych skutków, przecież organizm ma wszystkie niezbędne geny, a niektóre nawet „na zapas”?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
12
Jakie jeszcze są sposoby klasyfikacji mutacji, oprócz opisanych w paragrafie? W każdym sposobie klasyfikacji mutacji zaznacz ten typ mutacji, który zachodzi najczęściej.
13
Dlaczego u spokrewnionych gatunków (które należą do jednej rodziny) są podobne zestawy skutków mutacji?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow