Αυθόρμητη μετάλλαξη: ταξινόμηση, αιτίες, παραδείγματα

Τι μεταλλάξεις ονομάζονται αυθόρμητες; Εάν μεταφράζετε τον όρο σε μια προσιτή γλώσσα, τότε πρόκειται για φυσικά λάθη που προκύπτουν κατά την αλληλεπίδραση του γενετικού υλικού με το εσωτερικό ή / και το εξωτερικό περιβάλλον. Τέτοιες μεταλλάξεις είναι συνήθως τυχαίες. Παρατηρούνται στα γεννητικά όργανα και σε άλλα κύτταρα του σώματος.

Εξωγενείς αιτίες των μεταλλάξεων

Αυθόρμητη μετάλλαξη μπορεί να συμβεί υπό την επήρεια χημικών ουσιών, ακτινοβολίας, υπό την επίδραση υψηλών ή χαμηλών θερμοκρασιών, αραιωμένου αέρα ή υψηλής πίεσης.

Κάθε χρόνο, κατά μέσο όρο, ένα άτομο απορροφά περίπου το ένα δέκατο μιας σειράς ιοντίζουσας ακτινοβολίας, η οποία είναι φυσικό υπόβαθρο ακτινοβολίας. Αυτός ο αριθμός περιλαμβάνει την ακτινοβολία γάμμα του πυρήνα της Γης, τον ηλιακό άνεμο, τη ραδιενέργεια των στοιχείων που βρίσκονται στο πάχος του φλοιού της γης και διαλύονται στην ατμόσφαιρα. Η ληφθείσα δόση εξαρτάται επίσης από το πού βρίσκεται το άτομο. Το ένα τέταρτο όλων των αυθόρμητων μεταλλάξεων συμβαίνουν ακριβώς λόγω αυτού του παράγοντα.

Η υπεριώδης ακτινοβολία, σε αντίθεση με τη δημοφιλή πεποίθηση, παίζει μικρό ρόλο στην εμφάνιση καταστροφών DNA, καθώς δεν μπορεί να διεισδύσει αρκετά βαθιά στο ανθρώπινο σώμα. Αλλά το δέρμα πάσχει συχνά από υπερβολική ηλιακή ακτινοβολία (μελάνωμα και άλλους καρκίνους). Ωστόσο, οι μονοκύτταροι οργανισμοί και οι ιοί μεταλλάσσονται υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός.

Υπερβολικές ή χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν αλλαγές στο γενετικό υλικό.

Ενδογενείς αιτίες των μεταλλάξεων

Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους μπορεί να εμφανιστεί μια αυθόρμητη μετάλλαξη είναι οι ενδογενείς παράγοντες. Αυτά περιλαμβάνουν υποπροϊόντα του μεταβολισμού, σφάλματα στη διαδικασία αντιγραφής, επισκευή ή ανασυνδυασμό και άλλα.

1. Αστοχίες αναπαραγωγής:
   - αυθόρμητες μεταβάσεις και αναστροφές των αζωτούχων βάσεων,
   - εσφαλμένη ενσωμάτωση νουκλεοτιδίων λόγω σφαλμάτων ϋΝΑ πολυμεράσης,
   - χημική αντικατάσταση νουκλεοτιδίων, για παράδειγμα, γουανίνη-κυτοσίνη με αδενίνη-γουανίνη.
2. Σφάλματα αποκατάστασης:
   - μεταλλάξεις στα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την επιδιόρθωση μεμονωμένων τμημάτων της αλυσίδας DNA μετά τη ρήξη τους υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων.
3. Προβλήματα με τον ανασυνδυασμό:
   - αποτυχίες στις διαδικασίες διασταύρωσης κάτω από τη μείωση ή τη μίτωση οδηγούν στην εναπόθεση και ολοκλήρωση των βάσεων.

Αυτοί είναι οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν αυθόρμητες μεταλλάξεις. Οι αιτίες των δυσλειτουργιών μπορεί να είναι η ενεργοποίηση γονιδίων μεταλλάκτη, καθώς και ο μετασχηματισμός ασφαλών χημικών ενώσεων σε πιο δραστικούς μεταβολίτες που επηρεάζουν τον πυρήνα του κυττάρου. Επιπλέον, εξακολουθούν να υπάρχουν διαρθρωτικοί παράγοντες. Αυτές περιλαμβάνουν την επανάληψη της αλληλουχίας νουκλεοτιδίων κοντά στη θέση της αναδιάταξης της αλυσίδας, την παρουσία επιπρόσθετων τμημάτων DNA παρόμοιας δομής με το γονίδιο, καθώς και τα κινητά στοιχεία του γονιδιώματος.

Παθογένεια μετάλλαξης

Αυθόρμητη μετάλλαξη προκύπτει από την επίδραση όλων των παραπάνω παραγόντων, που δρουν μαζί ή ξεχωριστά σε μια ορισμένη περίοδο της ζωής των κυττάρων. Υπάρχει ένα τέτοιο φαινόμενο, όπως μια ολισθαίνουσα διαταραχή του ζευγαρώματος των θυγατρικών κόρης και μητρικών ϋΝΑ. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται συχνά βρόχοι πεπτιδίων, οι οποίοι δεν θα μπορούσαν να ενσωματωθούν επαρκώς στην αλληλουχία. Μετά την απομάκρυνση της περίσσειας DNA από την θυγατρική αλυσίδα, οι βρόχοι μπορούν να εκτονωθούν (διαγραφές) και να ενσωματωθούν (επαναλήψεις, εισαγωγές). Οι αλλαγές καθορίζονται στους επόμενους κύκλους κυτταρικής διαίρεσης.

Ο ρυθμός και ο αριθμός των μεταλλάξεων που προκύπτουν εξαρτώνται από τη δομή του πρωτεύοντος DNA. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι όλες οι αλληλουχίες του DNA έχουν μεταλλαξιογένεση, αν σχηματίζουν στροφές.

Οι πιο συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις

Αυτό που συνήθως εκδηλώνεται στο γενετικό υλικό των αυθόρμητων μεταλλάξεων; Παραδείγματα τέτοιων καταστάσεων είναι η απώλεια αζωτούχων βάσεων και η απομάκρυνση των αμινοξέων. Τα υπολείμματα κυτοσίνης είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτά.

Αποδεικνύεται ότι μέχρι σήμερα περισσότερα από τα μισά σπονδυλωτά έχουν μετάλλαξη υπολειμμάτων κυτοσίνης. Μετά την αφαίρεση, η μεθυλκυτοσίνη μεταβάλλεται στη θυμίνη. Η επακόλουθη αντιγραφή αυτού του τμήματος επαναλαμβάνει το σφάλμα ή το διαγράφει ή το διπλασιάζει και το μετατρέπει σε ένα νέο θραύσμα.

Ένας άλλος λόγος για τις συχνές αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι ένας μεγάλος αριθμός ψευδογόνων. Εξαιτίας αυτού, στη διαδικασία της μείωσης, μπορούν να σχηματιστούν άνισοι ομόλογοι ανασυνδυασμοί. Μια συνέπεια αυτού είναι οι αναδιατάξεις στα γονίδια, οι περιστροφές και ο διπλασιασμός των μεμονωμένων αλληλουχιών νουκλεοτιδίων.

Μοντέλο μεταλλαξογένεσης πολυμεράσης

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, αυθόρμητες μεταλλάξεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα τυχαίων σφαλμάτων μορίων που συνθέτουν DNA. Για πρώτη φορά το μοντέλο αυτό παρουσιάστηκε από τον Bresler. Πρότεινε ότι οι μεταλλάξεις οφείλονται στο γεγονός ότι οι πολυμεράσες σε μερικές περιπτώσεις ενσωματώνουν μη συμπληρωματικά νουκλεοτίδια στην αλληλουχία.

Χρόνια αργότερα, μετά από μακρές επιθεωρήσεις και πειράματα, η άποψη αυτή εγκρίθηκε και έγινε αποδεκτή στον επιστημονικό κόσμο. Έχουν προκύψει κάποιες κανονικότητες που επιτρέπουν στους επιστήμονες να ελέγχουν και να κατευθύνουν μεταλλάξεις εκθέτοντας ορισμένες περιοχές DNA σε υπεριώδη ακτινοβολία. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι η αδρενίνη κατασκευάζεται πιο συχνά μπροστά από μια κατεστραμμένη τριάδα.

Ταυτομερές μοντέλο μεταλλαξιογένεσης

Μια άλλη θεωρία που εξηγεί αυθόρμητες και τεχνητές μεταλλάξεις προτάθηκε από τους Watson και Crick (οι ερευνητές της δομής DNA). Υποστήριξαν ότι η μεταλλαξιογένεση βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων βάσεων DNA να μετατραπούν σε ταυτομερείς μορφές που αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι βάσεις.

Μετά τη δημοσίευση, η υπόθεση αναπτύχθηκε ενεργά. Νέες μορφές νουκλεοτιδίων ανακαλύφθηκαν μετά την ακτινοβόληση με το υπεριώδες τους. Αυτό έδωσε στους επιστήμονες νέες ευκαιρίες για έρευνα. Η σύγχρονη επιστήμη συζητά ακόμα τον ρόλο των ταυτομερών μορφών στην αυθόρμητη μεταλλαξιογένεση και την επίδρασή της στον αριθμό των μεταλλάξεων που ανιχνεύονται.

Άλλα μοντέλα

Αυθόρμητη μετάλλαξη είναι δυνατή εάν οι DNA πολυμεράσες DNA δεν αναγνωρίζονται από τα νουκλεϊνικά οξέα. Ο Poltayev και οι συν-συγγραφείς διευκρίνισαν τον μηχανισμό που εξασφαλίζει την αρχή της συμπληρωματικότητας στη σύνθεση μορίων κόρης DNA. Αυτό το μοντέλο επέτρεψε να μελετηθεί η κανονικότητα της εμφάνισης αυθόρμητης μεταλλαξιογένεσης. Οι επιστήμονες εξήγησαν την ανακάλυψή τους από το γεγονός ότι η κύρια αιτία της αλλαγής στη δομή του DNA είναι η σύνθεση μη-κανονικών ζευγών νουκλεοτιδίων.

Πρότειναν ότι η διόγκωση των βάσεων οφείλεται στην απομόνωση των τμημάτων DNA. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή στην κυτοσίνη σε θυμίνη ή ουρακίλη. Λόγω τέτοιων μεταλλάξεων, σχηματίζονται ζεύγη ασυμβίβαστων νουκλεοτιδίων. Επομένως, κατά τη διάρκεια της επόμενης αντιγραφής, υπάρχει μια μετάβαση (υποκατάσταση σημείων των νουκλεοτιδικών βάσεων).

Ταξινόμηση των μεταλλάξεων: αυθόρμητη

Υπάρχουν διαφορετικές ταξινομήσεις των μεταλλάξεων ανάλογα με το ποιο κριτήριο βρίσκεται στη βάση τους. Υπάρχει ένας διαχωρισμός ανάλογα με τη φύση της αλλαγής στη λειτουργία του γονιδίου:

- υπομορφικά (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 το σύμβολο που αντιπροσωπεύει) ·
- νεομορφικά (εμφανίζονται νέα σημάδια).

Αλλά η ταξινόμηση είναι πιο συνηθισμένη, η οποία διαιρεί όλες τις μεταλλάξεις ανάλογα με τη μεταλλακτική δομή. Κατανομή:

1. Γονιδιωματικές μεταλλάξεις. Αυτά περιλαμβάνουν την πολυπλοειδή, δηλαδή το σχηματισμό ενός γονιδιώματος με τριπλό ή περισσότερο σύνολο χρωμοσωμάτων και ανευπλοειδισμό - ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα δεν είναι πολλαπλάσιο του απλοειδούς.
2. Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις. Υπάρχουν σημαντικές αλλαγές σε ορισμένα τμήματα των χρωμοσωμάτων. Διαχωρισμός μεταξύ της απώλειας πληροφοριών (διαγραφή), της επανάληψης (διπλασιασμού), της αλλαγής στον προσανατολισμό των αλληλουχιών νουκλεοτιδίων (αναστροφή) και της μεταφοράς των περιοχών χρωμοσωμάτων σε άλλη θέση (μετατόπιση).
3. Γονιδιακή μετάλλαξη. Η πιο κοινή μετάλλαξη. Στην αλυσίδα DNA, αντικαθίστανται πολλές τυχαίες βάσεις αζώτου.

Συνέπειες μεταλλάξεων

Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις είναι οι αιτίες των όγκων, των ασθενειών συσσώρευσης, των δυσλειτουργιών οργάνων και ιστών ανθρώπων και ζώων. Εάν το μεταλλαγμένο κύτταρο βρίσκεται σε έναν μεγάλο πολυκυτταρικό οργανισμό, τότε με μεγάλη πιθανότητα θα καταστραφεί προκαλώντας απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Το σώμα ελέγχει τη διαδικασία διατήρησης του γενετικού υλικού και μέσω του ανοσοποιητικού συστήματος ξεφορτώνεται όλα τα πιθανά κατεστραμμένα κύτταρα.

Σε μία περίπτωση, από εκατοντάδες χιλιάδες, τα Τ-λεμφοκύτταρα δεν έχουν χρόνο να αναγνωρίσουν την προσβεβλημένη δομή και δίνουν έναν κλώνο κυττάρων που επίσης περιέχουν ένα μεταλλαγμένο γονίδιο. Το σύμπλεγμα κυττάρων έχει ήδη άλλες λειτουργίες, παράγει τοξικές ουσίες και επηρεάζει αρνητικά τη γενική κατάσταση του σώματος.

Αν η μετάλλαξη δεν συνέβαινε στο σωματικό αλλά στο σεξουαλικό κύτταρο, τότε οι αλλαγές θα παρατηρηθούν στους απογόνους. Εκδηλώνονται με συγγενείς παθολογικές καταστάσεις οργάνων, παραμορφώσεις, μεταβολικές διαταραχές και ασθένειες συσσώρευσης.

Αυθόρμητες μεταλλάξεις: σημασία

Σε ορισμένες περιπτώσεις, προηγουμένως αμοιβαία άχρηστες μεταλλάξεις μπορεί να είναι χρήσιμες για την προσαρμογή σε νέες συνθήκες ζωής. Αυτό αντιπροσωπεύει τη μετάλλαξη ως μέτρο της φυσικής επιλογής. Τα ζώα, τα πτηνά και τα έντομα έχουν χρώμα καμουφλάζ, που αντιστοιχεί στην περιοχή διαμονής, για να προστατευθούν από τους αρπακτικούς. Αλλά αν οικότοπός τους ποικίλλει, τότε με τη βοήθεια μεταλλάξεων η φύση προσπαθεί να προστατεύσει το είδος από την εξαφάνιση. Στις νέες συνθήκες, οι πιο ικανές επιβιώνουν και μεταφέρουν αυτή την ικανότητα σε άλλους.

Η μετάλλαξη μπορεί να συμβεί σε ανενεργά μέρη του γονιδιώματος και στη συνέχεια δεν παρατηρούνται ορατές αλλαγές στον φαινότυπο. Η ανίχνευση μιας "βλάβης" είναι δυνατή μόνο με τη βοήθεια ειδικών μελετών. Αυτό είναι απαραίτητο για τη μελέτη της προέλευσης των σχετικών ζωικών ειδών και την κατάρτιση των γενετικών χαρτών τους.

Το πρόβλημα της αυθαιρεσίας των μεταλλάξεων

Στις δεκαετίες του περασμένου αιώνα, υπήρξε μια θεωρία ότι οι μεταλλάξεις προκαλούνται αποκλειστικά από την επίδραση εξωτερικών παραγόντων και βοηθούν να προσαρμοστούν. Προκειμένου να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία, αναπτύχθηκε μια ειδική δοκιμή και μια μέθοδος επανάληψης.

Η διαδικασία συνίστατο στο γεγονός ότι ένας μικρός αριθμός βακτηρίων ενός είδους σπάρθηκαν σε δοκιμαστικούς σωλήνες και μετά από αρκετούς εμβολιασμούς προστέθηκαν σε αυτά αντιβιοτικά. Μερικοί από τους μικροοργανισμούς επέζησαν και μεταφέρθηκαν σε ένα νέο περιβάλλον. Η σύγκριση των βακτηρίων από διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες έδειξε ότι η αντίσταση εμφανίστηκε αυθόρμητα, τόσο πριν όσο και μετά την επαφή με τα αντιβιοτικά.

Η μέθοδος επανάληψης ήταν ότι οι μικροοργανισμοί μεταφέρθηκαν στον ιξώδη ιστό και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν σε αρκετά καθαρά μέσα ταυτόχρονα. Οι νέες αποικίες καλλιεργήθηκαν και υποβλήθηκαν σε αγωγή με ένα αντιβιοτικό. Ως αποτέλεσμα, βακτήρια σε διαφορετικούς δοκιμαστικούς σωλήνες επιβίωσαν στα ίδια μέρη του μέσου.