Mutacje i czynniki mutogenne

Question

Mam napisac prace kontrolną .Proszę o pomoc Bardzo pilne!

Answer 1

Powinno pomóc:


Termin "mutacja" do nauki wprowadził Hugo de Vries w roku 1909. Mutacja to zmiana w materiale genetycznym, powstająca samorzutnie lub pod wpływem różnych czynników. Mutacja może być dziedziczona, jeśli nastąpiła w linii komórek płciowych.

Rodzaje mutacji:
-genowe (punktowe) - zachodzą na odcinku DNA krótszym niż jeden gen; polegają na zmianie właściwej sekwencji nukleotydów (zamianie, wycięciu lub wstawieniu par pojedynczych nukleotydów lub odcinków trochę dłuższych)
-chromosomowe - dotyczą zmiany struktury chromosomów lub ich liczby
strukturalne (aberracje) - polegają na zmianie struktury w obrębie jednego chromosomu lub pomiędzy chromosomami niehomologicznymi
-liczbowe (genomowe) - dotyczą zmiany całego genomu, który zostaje zubożony lub powiększony o jeden chromosom lub też zwielokrotniony całkowicie (o całe "n"); są wynikiem zaburzenia procesów podziałowych, konkretnie nieprawidłowego rozejścia się chromosomów

Skutki mutacji mogą być w ogóle niezauważalne, mogą prowadzić do nieznacznej i niegroźnej zmiany fenotypu, a mogą również być przyczyna poważnych zaburzeń oraz śmierci.
Jak już wspomniano, mutacje mogą zachodzić spontanicznie oraz pod wpływem różnych czynników zewnętrznych. Takimi czynnikami mutagennymi są:
-promieniowanie (ultrafiolet, jonizujące)
-wysoka temperatura
-czynniki chemiczne:
-kwas azotowy (III) - HNO2 - powoduje usunięcie grup aminowych z zasad azotowych, co powoduje np. zamianę cytozyny w uracyl
-związki alkilujące (np. iperyt i jego pochodne) - powodują dołączanie do zasad azotowych grup alkilowych, co również zmienia ich charakter
-analogi zasad azotowych (np. bromouracyl) - nie są prawidłowo odczytywane podczas transkrypcji
-barwniki akrydynowe (np. oranż akrylowy, akryflawina, proflawina) - powodują wstawianie lub wycinanie sekwencji nukleotydowych
-alkaloidy - np. kolchicyna, blokująca tworzenie wrzeciona podziałowego, co powoduje, że chromosomy nie rozchodzą się podczas podziału
-sole metali ciężkich
-czynniki metaboliczne (np. brak jonów Mg2+ lub Ca2+)
Najpoważniejszymi w skutkach są mutacje genomowe, czyli takie, które powodują zmianę liczby chromosomów w genomie. W wielu przypadkach są one śmiertelne już na etapie zygoty. Prawidłowy genom komórek autosomalnych zawiera 2n chromosomów, komórki rozrodcze natomiast mają 1n.

Organizmy powstałe wskutek mutacji genomowych mają inną liczbę chromosomów:
a) aneuploidy - zmiana dotyczy tylko pojedynczych chromosomów:
monosomiki - mają o jeden chromosom za mało (2n-1)
trisomiki - mają o jeden chromosom za dużo (2n+1)
Zaburzenia liczby chromosomów u człowieka - choroby genetyczne
U człowieka aneuploidalność może występować w autosomach oraz w chromosomach płci. W autosomach stwierdzono jedynie trisomie (2n+1), monosomie są letalne:
zespół Downa - trisomia chromosomu 21 (2n=47) - ludzie z zespołem Downa mają charakterystyczne wygląd; płaska twarz, niski wzrost i skośne szpary oczne. Mają też szczególnie duży język, podniebienie jest wąskie, a w budowie narządów wewnętrznych występują liczne nieprawidłowości, często rozwija się białaczka. Ludzi tych cechuje
niedorozwój umysłowy, choć wykazują jednocześnie silny instynkt społeczny, pogodne usposobienie oraz upór
-zespół Patau'a - trisomia chromosomu 13 (2n=47) - silna deformacja płodu: nieprawidłowości w wykształceniu uszu oraz oczu, rozszczepienie wargi, polidaktylia, wady narządów wewnętrznych, niedorozwój umysłowy; śmierć po kilku miesiącach
-zespół Edwardsa - trisomia chromosomu 18 (2n=47) - podobnie jak w przypadku zespołu Patau'a występują liczne silne deformacje fizyczne płodu oraz niedorozwój umysłowy; śmierć we wczesnym okresie życia
-zespół Klinefeltera - dodatkowy chromosom X (2n+XXY)- mężczyźni o wyglądzie normalnym, jednak są bezpłodni (niedorozwój jąder) oraz mają obniżony poziom inteligencji
dodatkowy chromosom X u kobiet (2n+XXX) - kobiety takie mają obniżoną inteligencję oraz zaburzenia cyklu miesiączkowego
-zespół Turnera - brak jednego chromosomu X (2n+X_)- kobiety takie mają bardzo niski wzrost oraz niewykształcone prawidłowo narządy płciowe, co powoduje bezpłodność
b) euploidy - liczba chromosomów jest zwielokrotniona całkowicie, o całe "n":
autopoliploidy - organizmy takie powstają, kiedy chromosomy z różnych przyczyn nie rozchodzą się podczas podziału mitotycznego lub mejotycznego, lub kiedy liczba chromosomów się podwaja, a podział jądra nie zachodzi (tzw. endomitoza). Efekt taki można również wywołać za pomocą kolchicyny, która blokuje tworzenie się wrzeciona podziałowego. W wyniku tych zaburzeń powstaje osobnik całkowicie poliploidalny lub wykształcają się poliploidalne tkanki. Zjawisko to często występuje u roślin. Osobniki takie mogą się rozmnażać, w wyniku czego powstają nowe kombinacje genomowe, np. jeśli wykształcone zostaną nieprawidłowe gamety 2n, to powstanie zygota 4n (tetraploidalna). Prawidłowa gameta takiego osobnika (2n) może połączyć się z prawidłową gametą innego (1n), w wyniku czego powstanie osobnik triploidalny (3n). Komórki zawierające większą ilość chromosomów są większe, co wykorzystują rolnicy, tworząc poliploidalne odmiany zbóż (np. pszenicy, kukurydzy) w celu uzyskania większych plonów.
-Poliploidalne rośliny
ma miejsce powiększenie objętości komórek, co powoduje gigantyzm organów; nie wszystkie organy jednak wykazują takie samo powiększenie
występuje mniejsza liczba aparatów szparkowych, co zmniejsza powierzchnię transpiracji, a to z kolei czyni rośliny bardziej odpornymi na suszę
najbardziej korzystne do uprawy są rośliny tetraploidalne (4n), większa liczba chromosomów powoduje już zaburzenia w wykształcaniu organów
-Poliploidalne zwierzęta
zazwyczaj zwierzęce poliploidy zamierają na etapie zygoty lub we wczesnym stadium życia, a jeśli nie, to ich funkcjonowanie jest w znacznym stopniu upośledzone
allopoliploidy - są to osobniki powstałe w wyniku połączenia genomów różnych gatunków; jeśli połączą się gamety o diploidalnej liczbie chromosomów (2n), powstanie tetraploidalny amfiploid. Osobniki będące takimi hybrydami są zazwyczaj niezdolne do normalnego funkcjonowania i rozrodu. Wyjątek stanowi tutaj muł, który wprawdzie jest bezpłodny, ale za to bardziej żywotny niż każdy z gatunków rodzicielskich
-przyczyny i rodzaje mutacji
Jednym z pierwszych znaczących odkryć dotyczących genów było stwierdzenie, że nie są one niezmienne. Podlegają one mianowicie mutacjom. Mutacje sprowadzają się do zmian w sekwencji nukleotydów w cząsteczce DNA. Zmutowana sekwencja jest replikowana w ten sam sposób jak ta, która nie uległa żadnym zmianom. Mutacje są więc przekazywane następnym pokoleniom. Gen zmutowany nie jest zazwyczaj bardziej podatny na kolejne mutacje niż gen pierwotny. Pojawianie się mutacji modyfikuje funkcjonowanie materiału genetycznego, co daje uczonym możliwość badania mechanizmów związanych z
dziedziczeniem, a także molekularnych podstaw działania genów. Mutacje są ponadto czynnikiem zwiększającym różnorodność genetyczną w obrębie populacji, co warunkuje istnienie ewolucji. Istnieje wiele różnych rodzajów mutacji. Mutacja punktowa, zwana też substytucją zasady jest najprostszym z nich. Polega ona na zmianie w obrębie pojedynczej pary nukleotydów. Metody inżynierii genetycznej umożliwiają badaczom separację pojedynczych genów oraz określenie sekwencji zasad w ich obrębie. Pozwala to zlokalizować miejsce, w którym doszło do mutacji typu punktowego. Mutacje punktowe powstają na skutek błędu w procesie parowania zasad, jaki nastąpił podczas replikacji. Przykładem takiego błędu jest podstawienie pary AT, przez parę TA, CG, lub GC. Zmiana w sekwencji nukleotydów w DNA przekłada się na zmianę sekwencji nukleotydów w mRNA. Łańcuch peptydowy, syntetyzowany na podstawie sekwencji zasad w mRNA będzie się różnił jednym aminokwasem od łańcucha, który zostałby utworzony na podstawie niezmutowanej sekwencji nukleotydów.
Taka mutacja, której wynikiem jest podstawienie aminokwasu przez inny bywa też czasem nazywana mutacją "zmiany sensu". Mogą się z nią wiązać bardzo rozmaite konsekwencje. Na przykład jeśli taka zmiana dotyczy centrum aktywnego enzymu, lub obszaru bezpośrednio z nim sąsiadującego, to jego aktywność może się zmniejszyć. W skrajnych przypadkach taki enzym w ogóle nie może spełniać swojej funkcji. Jeśli mutacja typu "zmiany sensu" dotyczy obszaru znajdującego się poza centrum aktywnym enzymu enzym może funkcjonować prawidłowo. Neutralny charakter maja ponadto mutacje, w wyniku których w łańcuch peptydowy zostanie włączony aminokwas, którego charakter chemiczny zbliżony jest do aminokwasu, który byłby włączony, gdyby mutacja nie zaszła. W skali całego organizmu taka mutacja jest niewykrywalna. W związku z tym, że wiele mutacji ma charakter neutralny, tak naprawdę liczba mutacji jakie zachodzą zarówno w obrębie pojedynczego organizmu, jak i całej populacji jest większa od tej, którą stanowią mutacje wywołujące zauważalne efekty.Kolejnym rodzajem mutacji są mutacje nonsensowne. W ich wyniku tryplet nukleotydów, który koduje aminokwas, zostaje podstawiony przez tak zwaną trójkę stop, czyli kodon terminacyjny. Powoduje to zatrzymanie procesu replikacji. Mutacja nonsensowna, w obrębie jakiegoś genu sprawia, że produkt białkowy, kodowany przez dany gen nie jest w stanie spełniać swoich funkcji. Produkt finalny nie zawiera tego fragmentu łańcucha polipeptydowego, który byłby kodowany, przez tryplety znajdujące się za trójką stop.
Jeśli w obrębie cząsteczki DNA pojawi się, w wyniku inercji dodatkowa para nukleotydów, lub jeśli jakaś para nukleotydów ulegnie wypadnięciu (delecji), dochodzi do zmiany ramki, czyli fazy odczytu. W wyniku tej zmiany kodony znajdujące się za miejscem, w którym zmieniła się ramka odczytu warunkują syntezę zupełnie innej sekwencji aminokwasów. W zależności od tego, w którym miejscu genu doszło do mutacji zmiany ramki odczytu, jej efekt może być bardzo różny.
Zmiana ramki odczytu powoduje ponadto pojawienie się, zazwyczaj niedaleko od miejsca mutacji, kodonu terminacyjnego, który kończy proces translacji. Nie dość więc, że syntetyzowany jest nieprawidłowy łańcuch polipeptydowy, to jego synteza nie jest kompletna. Enzym kodowany na podstawie takiego zmutowanego genu zazwyczaj jest nieaktywny, co może mieć tragiczne skutki dla organizmu, jeśli jego rola w komórce jest istotna.
Szczególnie poważne są zmiany w obrębie struktury chromosomów, ponieważ dotykają wiele genów. Efekty spowodowane nimi są liczne i zróżnicowane.
W obrębie cząsteczki DNA istnieją jej ruchome sekwencje, zwane transpozonami. Wskakując w środek jakiegoś genu powodują wystąpienie mutacji. Mogą one na przykład zaburzyć funkcjonowanie genów, lub aktywować geny, które są w normalnych warunkach nieaktywne. To zjawisko zostało dopiero niedawno poznane i opisane przez naukowców.

Wszystkie mutacje, które były omówione do tej pory mają charakter przypadkowy i spontaniczny. Ich występowanie jest stosunkowo rzadkie. Mutacje mogą powstać podczas replikacji, a także na skutek zakłóceń w przebiegu mejozy, lub mitozy. W obrębie DNA istnieją obszary bardziej niż inne narażone na pojawienie się w nich mutacji. Najczęściej są to pojedyncze nukleotydy, lub krótkie fragmenty, na których jakiś nukleotyd się powtarza. W takich miejscach może dochodzić do ześlizgiwania się polimerazy DNA. Innymi gorącymi miejscami mutacji są te obszary, w których występują jakieś nietypowe zasady azotowe, które potrafią spontanicznie zmodyfikować swoją strukturę. Istnieją takie geny, których mutacje powodują wzrost częstości mutacji w obrębie całego DNA. Najprawdopodobniej mutacje te powodują spadek precyzji w procesie replikacji DNA.
Istnieją jednak mutacje, które nie powstają spontanicznie, lecz pod wpływem różnych czynników. Czynniki wywołujące mutacje to tak zwane mutageny. Mutagenami mogą być na przykład promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma, promieniowanie kosmiczne, lub promieniowanie UV. Są to przykłady promieniowania jonizującego. Istnieją też czynniki chemiczne, powodujące powstanie mutacji. Ich działanie polega na reagowaniu z DNA, co powoduje swoiste zmiany zasad w nukleotydach. W ich wyniku dochodzi do błędnego łączenia się zasad w komplementarne pary podczas replikacji DNA. Do tej grupy mutagenów należą między innymi kwas azotawy, reagujący z dezoksyrybonukleotydami, barwniki akrydynowe, niszczące strukturę podwójnego heliksu oraz benzopiren, obecny w dymie papierosowym. Wszystkie te związki są analogiczne do zasad azotowych, budujących nukleotydy. Istnieją też mutageny, których cząsteczki włączają się do cząsteczki DNA, co powoduje zmianę ramki odczytu po replikacji.
Wszystkie organizmy żywe wyposażone są w zespoły enzymów, których funkcją jest naprawa niektórych typów uszkodzeń w obrębie DNA. W związku z tym obserwowana liczba mutacji jest znacznie niższa w porównaniu z liczbą uszkodzeń materiału genetycznego. Jednak nie są one doskonałe i w związku z tym powstają pewne nowe mutacje, które są następnie utrwalane. Najprawdopodobniej każdy żywy organizm posiada jakiś zmutowany gen, który nie występował w poprzednim pokoleniu. Mutacje mają charakter recesywny, zazwyczaj są więc niezauważalne. Tylko część mutacji ma szansę zaistnieć fenotypowo.
Mutacje dotykające komórki somatyczne, czyli komórki budujące ciało nie są dziedziczone przez potomstwo. Ich negatywny wpływ na organizm może polegać na pojawieniu się w ich wyniku zmian nowotworowych. Wiele spośród czynników powodujących mutacje, ma również działanie kancerogenne.
-Aberracje chromosomowe
Aberracje chromosomowe są mutacjami, w wyniku których następuje zmiana ilości DNA w jądrze każdej komórki budującej organizm. Wywierają one zawsze istotny wpływ na jego budowę i funkcjonowanie. Obserwując dzielące się komórki obecność aberracji można łatwo potwierdzić, lub wykluczyć. Traktując dzielące się mitotyczne komórki kolchicyną powodujemy, że mitoza zatrzymuje się na etapie metafazy. Na tym etapie chromosomy są łatwe do obserwowania. Jeśli na tym etapie wykryje się nieprawidłowości w budowie chromosomów, lub obecność dodatkowego, to jest to dowodem występowania aberracji.
Mutacje wykrywa się podczas badań prenatalnych. Aby przeprowadzić takie badania, z macicy, w której rozwija się płód, pobiera się niewielką ilość płynu owodniowego, który zawsze zawiera pewną ilość złuszczonych komórek płodu. Komórki znajdujące się w płynie owodniowym, traktuje się kolchicyną, aby zatrzymać w stadium metafazalnym. Takie komórki można już badać, by stwierdzić, czy występują w nich jakieś aberracje.
Mejoza jest podziałem redukcyjnym, składającym się z dwóch etapów. Podczas mejozy materiał genetyczny dzieli się dwukrotnie. W wyniku pierwszego podziału mejotycznego, dochodzi do rozdzielenia chromosomów homologicznych, które przemieszczają się w kierunku biegunów wrzeciona kariokinetycznego. Gamety, które powstają po podziale mejotycznym zawierają tylko jeden z dwóch chromosomów homologicznych. Jeśli podczas pierwszego podziału mejotycznego nie wszystkie włókna wrzeciona podziałowego wykształcą się prawidłowo, to któraś z par chromosomów homologicznych nie zostanie rozdzielona. Jedna z gamet dostanie oba chromosomy z pary, a inna z kolei nie dostanie żadnego. Jeśli w wyniku błędów rozdzieleniu nie ulegną chromosomy płci, to jeden z plemników będzie zawierał 24 chromosomy, zamiast 23, a inny-tylko 22 i będzie pozbawiony chromosomów płci. Jeśli plemnik, zawierający 24 chromosomy zapłodni normalnie wykształconą komórkę jajową, to z zygoty rozwinie się mężczyzna dotknięty zespołem Klinefeltera. Jego genotyp to 47, XXY. Jeden z chromosomów X pochodzi od matki, pozostałe chromosomy X-od ojca. Jeśli komórka zostanie zapłodniona plemnikiem pozbawionym chromosomów płci, to z zygoty rozwinie się kobieta, dotknięta zespołem Turnera. Kobieta taka ma genotyp 45, X0. Zarówno zespól Turnera, jak i Klinefeltera są przykładami neupleoidii. Polega ona na obecności jednego, dodatkowego chromosomu, lub braku jednego chromosomu. Osobniki neuploidalne mają genotyp 2n+1, lub 2n-1. Jeśli występuje jeden dodatkowy chromosom mówimy o trisomii. W przypadku braku jednego chromosomu-o monosomii. Osobnik z genotypem 2n+1 to trisomik, a z genotypem 2n-1-monosomik.
Zjawisko, polegające na nierozchodzeniu się chromosomów homologicznych podczas podziału nosi nazwę nondysjunkcji. Jeśli powstający w wyniku takiego podziału plemnik zapłodni prawidłowo rozwiniętą komórkę jajową, z zygoty rozwinie się organizm triploidalny, którego komórki zawierają potrójny zestaw informacji genetycznej. Istnieją też komórki poliploidalne, zawierające po cztery, a nawet po pięć chromosomów homologicznych każdej pary.
Istnieją też inne typy aberracji chromosomowych, takie jak defincjencja, inwersja i translokacja. Przykładami chorób genetycznych, wywołanych aberracjami chromosomów ludzkich są:
Zespół Downa, występujący raz na siedemset urodzeń. Polega na trisomii 21 chromosomu i najczęściej dotyka dzieci starszych kobiet. Jednak istnieje zespól Downa wynikający z przemieszczenia chromosomu, który może dotknąć także dzieci stosukowo młodych kobiet. Wiek ojca nie ma tutaj większego znaczenia. Typowymi objawami zespołu Downa są obecność charakterystycznego fałdu na górnej powiece, upośledzenie umysłowe, o różnym stopniu nasilenia, stale wysunięty, pofałdowany język. Na dłoni występuje pojedyncza bruzda. Występują ponadto wady wrodzone serca.
Zespół Patau'a, przy którym zaburzenia zniekształcające są na tyle poważne, że śmierć następuje w ciągu 1-3 miesięcy
Zespól Turnera, którego charakterystycznymi objawami są niski wzrost, płetwiasta szyja, niski stopień upośledzenia umysłowego. W późnym okresie życia płodowego degenerują jajniki, w związku z czym organy płciowe są niedorozwinięte. U kobiet w komórkach nie występuje ciało Barra.
Zespól Klinefeltera. Osoby dotknięte tym schorzeniem są mężczyznami, których jądra ulegają stopniowej degeneracji. Ich sutki są powiększone, a w każdej komórce występuje jedno ciałko Barra.
Fizyczne czynniki mutagenne i ich wpływ na powstawanie mutacji (na skutek promieniowania)
Mutacje są to zmiany w materiale genetycznym organizmu. Zmiany te mogą dotyczyć rodzaju nukleotydów w genie, pozycją genu w chromosomie jak również ilości chromosomów.
Gen jest jednostką informacji genetycznej każdego organizmu żywego. Geny tworzą kwasy nukleinowe zbudowane z podjednostek zwanych nukleotydami. Upakowane w chromosomach geny odpowiadają za rozwój pewnych cech , charakterystycznych dla danego organizmu. Mutacje często mogą zmieniać niektóre funkcje organizmu lub tez morfologię i strukturę tkanek i narządów. Za wzglądu na złożona budowę materiału genetycznego mutacje mogą powstawać na każdym poziomie ich organizacji.
Czynniki wywołujące mutacje mogą być natury fizycznej lub chemicznej. Do czynników fizycznych zaliczamy promieniowanie rentgenowskie, jonizujące i gamma. Cząsteczki DNA pochłaniając takie promieniowanie ulegają zniszczeniu przez rozczepienie.
Źródłem szkodliwego promieniowania jest naturalne promieniowanie substancji takich jak : beryl, rodan , aktynon, , węgiel, toron i wodór lub promieniowanie powstałe w wyniku rozszczepiania izotopów pierwiastków takich jak uran i pluton. Do środowiska dostają się substancje promieniotwórcze podczas zaplanowanych jak również niekontrolowanych wybuchów jądrowych. Awarie reaktorów jądrowych również mogą prowadzić do skażenia pyłami radioaktywnymi, skażenia te mogą objąć wszystkie ekosystemy.
-Promieniowanie rentgenowskie ( promieniowanie X ) wykorzystywane jest w niewielkich dawkach w diagnostyce lekarskiej , w defektoskopii podczas tzw. prześwietlenia rentgenowskiego. Szkodliwe działanie tego promieniowania objawia się nie tylko w postaci uszkodzeń komórkowych , lecz może ono wpływać na różnego rodzaju procesy biochemiczne zachodzące w tkankach i narządach. Czasem uboczne skutki promieniowania widoczne są w miejscu odległym d miejsca naświetlenia.
Zmiany w komórkach pod wpływem promieniowania X zależne są od rodzaju napromieniowanej komórki oraz dawki promieniowania. Najbardziej wrażliwym organellom komórki jest jądro, ze względu na obecność w nim materiału genetycznego. Jeśli promieniowaniu zostanie poddana komórka dzieląca się to nastąpią w niej poważne zniszczenia w chromosomach, wynikiem czego powstaną komórki uszkodzone i niepełnowartościowe. Mutacje genetyczne wywołane szkodliwym promieniowaniem są z reguły nieodwracalne. Mogą być nimi np. mało szkodliwe zmiany koloru skóry lub włosów jak również poważne wady wrodzone układu krążenia, nerwowego czy kostnego a nawet śmiertelne uszkodzenia ustroju.
Nieodwracalność skutków promieniowania oznacza , że mutacje w genach nie mają zdolności do naprawienia się. W związku z tym uszkodzenia w materiale genetycznym przenoszone są na następne pokolenia organizmów. Zmiany w materiale są z reguły zmianami recesywnym , tzn. ujawniającymi się w dalszych pokoleniach ludzi poddanych promieniowaniu. Każda dawka, nawet najmniejsza może być prędzej czy później przyczyną mutacji. Nie ma więc bezpiecznej dawki promieniowania.
Skutki promieniowania najłatwiej zaobserwować na poziomie komórkowym i tkankowym.
Komórki rożnego rodzaju i o różnym stopniu komplikacji budowy wykazują inną wrażliwość na promieniowanie. Komórki o skomplikowanej strukturze są odporniejsze na szkodliwe promieniowanie niż komórki proste o niezróżnicowanej budowie.
Najbardziej wrażliwe na promieniowanie X są komórki rozrodcze , tkanka limfatyczna i krwiotwórcza. Bardzo promienioczułe są również komórki kościotwórcze, chrzęstne, śródbłonka naczyń, śluzówka jelit, głębokie warstwy skóry oraz soczewka oka.
Na promieniotwórczość danych komórek lub tkanek wpływa ich zdolność do intensywnych podziałów. Dlatego rozwijający się zarodek w pierwszych trzech miesiącach ciąży jest wyjątkowo podatny na uszkodzenia wywołane przez szkodliwe promieniowanie.
Ważne jest aby kobieta unikała w ciągu trwania całej ciąży promieniowania , które nawet w niewielkiej dawce może być przyczyną różnych wad rozwojowych noworodka. Często uszkodzenia wywołane promieniowaniem ujawniają się w późniejszych latach życia.
Skutkami napromieniowania płodu rozwijającego się w łonie matki mogą być: uszkodzenia w mózgu takie jak: wodogłowie, mongolizm czy zaburzenia w prawidłowym rozwoju rdzenia kręgowego, uszkodzenia układu kostnego ( wady rozwojowe kończyn, rozczepienie podniebienia, zmiany w ogólnej budowie kośćca ), uszkodzenia gruczołów rozrodczych czy wady narządu wzroku ( zaćma ). Promieniowanie może wywoływać zmiany w tempie rozwoju płodu lub całkowicie go wstrzymać. Poddanie promieniowaniu kobiety ciężarnej wywołuje mutacje w komórkach płodu jak również w komórkach jej ciała.
Ze szkodliwym promieniowaniem związana jest tzw. choroba popromienna. Z choroba tą związane są wszelkie zmiany w organizmie , który był narażony na promieniowanie. Szczególnie dotyczy to osób żyjących w terenach , gdzie wystąpiły katastrofy jądrowe ( wybuch reaktora ) lub przeprowadzane są próby nuklearne. Osoby takie poddane są długotrwałemu promieniowaniu , którego skutki odczuwają nawet kolejne okolenia. Najczęstszymi zaburzeniami w chorobie popromiennej są choroby układu krwiotwórczego. Należą do niech leukopenia, skaza krwotoczna, agranulocytoza, niedokrwistość aplastyczna. Często uszkodzenia komórek istnieją w stanie utajonym w organizmie i ujawniają się dopiero po kilku lub kilkunastu latach. Osoby pracujące bez odpowiedniego zabezpieczenia przy aparatach emitujących promieniowanie X mogą zapadać na choroby nowotworowe skóry takie jak martwice i owrzodzenia. Na wiele schorzeń nowotworowych kości narażone są osoby przebywające w terenach dawnych wybuchów jądrowych. Wybuch bomby atomowej w Japonii w 1945 stał się przyczyną ogromnej ilości zachorowań ludzi na białaczkę .
Promieniowanie jonizujące występuje naturalnie w przyrodzie, więc organizmy żywe stale są na nie narażone. Istnieją dwa źródła tego promieniowania; ziemskie i kosmiczne ( promieniowanie z przestrzeni kosmicznej ). Ziemskim źródłem promieniowania jonizującego są pierwiastki naturalnie występujące w przyrodzie takie jak : uran, węgiel i potas.
Promieniowanie jonizujące prawdopodobnie miało ważne znaczenie w powstawaniu żywych organizmów na Ziemi oraz jest niezmiernie istotne w procesach ewolucyjnych gatunków.
Pierwiastki wykazujące naturalne promieniowanie otaczają nas w życiu codziennym. Występują one w atmosferze, skorupie ziemskiej, wodzie ,w przedmiotach codziennego użytku i pokarmie.
Ilość promieniowania jonizującego zwiększyła się w znacznym stopniu od momentu odkrycia promieniowania rentgenowskiego oraz sztucznej i naturalnej promieniotwórczości.
Postęp w medycynie doprowadził do tego , że zostały wytworzone sztuczne źródła promieniowania. Związane jest to z tym ,że różne rodzaje promieniowani wykorzystywane są w diagnostyce i leczeniu. Dobrze znane są badanie promieniami rentgenowskimi, tzw. badania RTG . Obecnie stosuje się promieniowanie X w terapii rożnych schorzeń, znane jest także zastosowanie izotopów promieniotwórczych w niektórych dziedzinach medycyny.
Wzrost promieniowania związany jest także z odpadami przemysłowymi promieniotwórczymi , wybuchami atomowymi oraz awariami reaktorów jądrowych. W czasie tych katastrof do środowiska naturalnego dostaje się duża ilość promieniotwórczych izotopów pierwiastków. Kumulują się one w troposferze i opadają na ziemię w postaci tzw. opadu radioaktywnego. Szkodliwe izotopy dostają się do zbiorników wodnych , gleby, wód gruntowych. W następstwie tego zawarte mogą być w żywności lub w przedmiotach powszechnie używanych. Ciągły wzrost szkodliwego promieniowania powoduje zwiększenie liczby zachorowań na choroby nowotworowe.
Mutacja (łac. mutatio - zmiana), nagła, skokowa, bezkierunkowa, dziedzicząca się lub nie dziedzicząca, zmiana w materiale genetycznym organizmu.
Termin po raz pierwszy wprowadzony przez biologa Hugo de Vriesa na przełomie XIX i XX wieku, oznaczający zmianę zapisu informacji genetycznej, pierwotne źródło zmienności genetycznej organizmów.
Mutacja jest zjawiskiem losowym, podlegającym jednak wpływom środowiska (mutagenom - np. chemicznym, promieniowaniu). Częstość mutacji nie jest stała pomiędzy gatunkami (np. wirus HIV mutuje bardzo szybko) i zależy między innymi od doskonałości aparatu powielania DNA i jego naprawy.
Odmienną klasą mutacji są zmiany spowodowane transpozycją (tzw. skaczące geny), gdzie odcinek DNA o długości kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów zmienia położenie w obrębie genomu. Tego typu mutacje są bardziej rozpowszechnione u niektórych roślin (np. kukurydza) i zwierząt (np. muszka owocowa).
Wprowadzanie mutacji do materiału genetycznego nazywa się mutagenezą. Współczesna genetyka umożliwia mutagenezę ukierunkowaną, realizowaną za pomocą inżynierii genetycznej.
Podział mutacji
Ze względu na mechanizm wyróżnia się trzy główne rodzaje mutacji:
mutacje genowe zwane także nukleotydowymi (zmiany na poziomie pojedynczych nukleotydów)
chromosomowe (aberracje chromosomowe)
mutacje genomowe dotyczące zmiany liczby chromosomów
Ze względu na fenotypowy efekt (z punktu widzenia określonej cechy) wyróżnia się:
niekorzystne - powodują obniżenie zdolności organizmu do przeżycia
obojętne - nie wpływają na organizm
korzystne - pojawia się względnie rzadko. Przykładowo - u owada wskutek takiej mutacji pojawia się inne zabarwienie ochronne, które okazuje się skuteczniejsze w jego miejscu życia
letalne - prowadzą do śmierci
subletalne - prowadzą do upośledzenia organizmu
Uwaga: mutacje uważane z jednego punktu widzenia za niekorzystne (w danych warunkach) mogą być dla organizmu obojętne lub korzystne (np anemia sierpowata). Gdyby nie istniały mutacje ewolucja biologiczna byłaby niemożliwa.
Ze względu na możliwość dziedziczenia wyróżniamy:
mutacje dziedziczne (powstają w komórce z której gen zostanie przekazany do potomstwa) może to być np pojedynczy plemnik czy komórka jajowa lub komórka z której rozwinie się cała linia komórek i z nich powstaną komórki rozrodcze)
mutacje somatyczne. Powstające poza komórkami przekazywanymi na potomstwo. Stanowią główną masę mutacji często obserwowaną co najmniej proporcjonalną do masy komórek somatycznych. Najmniej dlatego że organy rozrodcze wykształcają mechanizmy zabezpieczające przed mutacjami, wolniejszy metabolizm lub np chłodzenie jąder.
Podklasą mutacji somatycznych są mutacje aDNA. Zachodzą szybciej po śmierci organizmu. Z reguły ilość zmian w aDNA jest tak ogromna że wtedy nie nazywane są już mutacjami a naturalnym procesem degradacji materii organicznej. Mimo to w sprzyjających warunkach aDNA może pozostać zmutowane na tyle mało że jest możliwy odczyt zawartej w nim informacji nawet po upływie wielu lat.
Mutacje genetyczne
Każdy osobnik powstający w wyniku rozmnażania płciowego jest inny od swoich rodziców. Dzieje się tak, ponieważ istnieje zmienność rekombinacyjna. Każdy organizm posiada po dwa allele w każdym genie. Do tworzonej gamety, służącej do rozmnażania płciowego, przechodzi tylko jeden z alleli każdego genu. Który? To sprawa losowa. Każda gameta ojca i każda gameta matki zawiera wiele genów, a każdy posiada losowo wybrany jeden allel z pary. Aby powstał nowy organizm, jedna gameta męska musi połączyć się z jedną gametą żeńską. Które z gamet spotkają się? To sprawa losowa. W wyniku tego powstaje zygota, będąca mieszanką alleli ojca i matki - powstaje nowy, niepowtarzalny genetycznie organizm. Rekombinacje, zachodzące podczas procesów płciowych, stanowią źródło różnorodności organizmów. Aby jednak utworzyć jakąkolwiek mieszankę cech, należy dysponować różnymi cechami. Skąd więc wzięły się te różnice, pozwalające na późniejsze rekombinacje? Pierwotnym źródłem zmienności świata żywego są mutacje. Polegają one na nagłych zmianach w materiale genetycznym i mogą być dziedziczone, choć niekoniecznie. Przekazaniu do następnych pokoleń ulegają te mutacje, które zachodzą w linii komórek płciowych. Mutacje w komórkach somatycznych nie ulegają dziedziczeniu.
Przyczyny mutacji
Mutacje w DNA mogą zachodzić spontanicznie lub pod wpływem działania określonych czynników zewnętrznych. Mutacje spontaniczne zachodzą zazwyczaj podczas replikacji DNA. Jest to proces niezwykle złożony i choć przebiega pod ścisłą kontrolą wielu enzymów, to zawsze istnieje pewne ryzyko popełnienia błędu. Mutacje takie pojawiają się raz na milion a nawet raz na miliard.
Istnieją też pewne czynniki chemiczne i fizyczne, zwane mutagennymi, które przyczyniają się do powstawania mutacji. Są wykorzystywane w laboratoriach, ale działają także w naturze. Są to m.in. promieniowanie UV, promienie X i gamma, wysoka temperatura oraz różnego rodzaju związki chemiczne.
Skala mutacji
Materiał genetyczny ma skomplikowaną strukturę i na każdym jej poziomie może dojść do mutacji. W zależności od skali zmian, wyróżnia się mutacje genowe, zwane też punktowymi, oraz mutacje chromosomowe.
Mutacje genowe obejmują niewielki odcinek DNA, nie wykraczający poza obręb jednego genu. Zazwyczaj jest to jedna lub kilka par nukleotydów. Możemy mieć tu do czynienia z substytucją, czyli podstawieniem niewłaściwego nukleotydu do matrycy. Zmiana jednej zasady azotowej w trójkowym kodonie może spowodować różne efekty. Najbardziej istotne są tzw. mutacje zmiany sensu. Przykładowo: jeśli do matrycy o sekwencji AAA, na drugim miejscu podstawiony zostanie błędny nukleotyd (np.G), to otrzymamy TGT zamiast prawidłowego TTT. Po przepisaniu tego na mRNA powstanie matryca do syntezy białka o sekwencji UCU (zamiast UUU). UUU oznacza aminokwas fenyloalaninę, UCU natomiast serynę. Otrzymujemy więc inny aminokwas, co może spowodować powstanie niefunkcjonalnego białka. W wyniku takiego podstawienia może też dojść do powstania kodonu nonsensownego, czyli oznaczającego sygnał "stop" dla syntezy białka. Wówczas powstanie białko krótsze niż powinno, bądź nie powstanie ono wcale. Takie mutacje to mutacje nonsensowne. Jednak nie zawsze dochodzi do zmiany sensu. Kod genetyczny jest przecież zdegenerowany, więc może się zdarzyć, że zamiana jednej z trzech zasad nukleotydowych w kodonie nie spowoduje zmiany odpowiadającego aminokwasu. Przykładowo: do matrycy DNA o sekwencji CCC dobudowana zostaje trójka z błędną zasadą: GGT zamiast GGG. Normalnie po transkrypcji otrzymalibyśmy mRNA z sekwencją CCC, czyli aminokwas prolinę. W wyniku mutacji jednak otrzymujemy CCA, co oznacza... prolinę! Mutacja więc nic nie zmieniła i powstające białko będzie w pełni prawidłowe. Takie mutacje to mutacje milczące i zazwyczaj zachodzą one na trzeciej pozycji w kodonie, gdyż jest to pozycja najmniej istotna.
Mutacje w obrębie genu mogą też polegać na wstawieniu dodatkowej pary nukleotydów bądź jej utracie. Włączenie w DNA dodatkowej pary (lub większej ilości) nukleotydów to insercja, natomiast utrata - delecja. Obie mutacje powodują przesunięcie ramki odczytu matrycy. Matryca DNA jest bowiem "odczytywana" trójkami, bez nakładania się i bez elementów pomiędzy kodonami. Tak więc jeśli mRNA powstający na prawidłowej nici DNA miałby sekwencję CCGUUGAGC, co oznacza kolejno: prolina-leucyna-seryna, to jeśli w wyniku delecji wypadnie C na początku, otrzymamy CGUUGAGC, co da nam następujący efekt: arginina-STOP. Zupełnie co innego, niż powinno! Może też powstać długi łańcuch białkowy, złożony z całkiem innych aminokwasów, niż zostały zakodowane w DNA. Białko takie najczęściej jest bezużyteczne.
Mutacje chromosomowe są skutkiem zakłóceń w procesie crossing-over i obejmują liczne geny położone w obrębie chromosomu. W obrębie jednego chromosomu może zajść deficjencja, czyli oderwanie i degradacja jego fragmentu. Jeśli przyjmiemy, że w tym i kolejnych przykładach jedna litera oznacza jeden gen, a to prawidłowy chromosom to MUTACJECHROMOSOMOWE, wówczas deficjencja wyglądałaby tak: MUTACJECHROMOS (fragment OMOWE uległ eliminacji). Inny rodzaj mutacji to duplikacja w obrębie chromosomu, która polega na powieleniu jego fragmentu, np. MUTACJECHROCHROMOSOMOWE (zduplikowany fragment CHRO). Druga kopia fragmentu pochodzi z chromosomu homologicznego. Może też zajść inwersja, czyli odwrócenie fragmentu chromosomu o 180, w wyniku czego zmienia się kolejność ułożenia genów, co ma niebagatelny wpływ na dziedziczenie tzw. genów sprzężonych ze sobą. Modelowo wygląda to następująco: MUTAOMORHCEJCSOMOWE (odwróceniu uległ fragment CJECHROMO). Mutacja może też objąć dwa chromosomy niehomologiczne. Na tym polega translokacja - przeniesienie fragmentu chromosomu na inny chromosom, niehomologiczny do niego, np. MUTACJECHROM OSOMOWEGENETYCZNE (fragment OSOMOWE został przeniesiony na chromosom GENETYCZNE).
Omówione do tej pory mutacje chromosomowe to zmiany strukturalne. Mogą też zachodzić
zmiany o jeszcze większej skali - mutacje dotyczące liczby całych chromosomów, zwane też genomowymi. Wszystkie chromosomy w jądrze są "pogrupowane" w homologiczne pary, u człowieka tych par jest 23. Jeśli nastąpi zmiana polegająca na braku jednego chromosomów z pary bądź wystąpieniu jednego dodatkowego, mamy do czynienia z aneuploidią. Tego typu mutacje zachodzą podczas mejozy, gdy chromosomy homologiczne nie rozdzielą się prawidłowo. Jedna z komórek potomnych zostaje pozbawiona chromosomu, a druga otrzymuje dodatkowy. Brak chromosomu to monosomia (mono= jeden), liczba chromosomów w komórce oznaczana jest wówczas jako 2n-1, natomiast nadmiar chromosomów to trisomia (tri=3 zamiast dwóch w parze), oznaczana jako 2n+1. Zdarza się też, że cały zestaw chromosomów ulega zwielokrotnieniu - wówczas mówi się o euploidii. Osobniki takie częściej spotyka się wśród roślin, bowiem dla zwierząt mutacja taka zazwyczaj jest letalna. Poliploidalność roślin jest wykorzystywana w rolnictwie, gdyż osobniki takie są większe, a to oznacza większe plony.
Znaczenie mutacji
Zmiany w genotypie, jakimi są mutacje, prowadzą do zmian w fenotypie, czyli zespole cech warunkujących funkcjonowanie osobnika. Od tego, jak osobnik funkcjonuje zależy jego dostosowanie, czyli zdolność do przeżycia i wydania na świat potomstwa. To właśnie jest istotą ewolucji i celem nadrzędnym wszystkich żywych organizmów. Mutacje zmieniające fenotyp mogą powodować w nim zmiany korzystne, które zwiększają dostosowanie. Jednak równie często mogą to być mutacje powodujące ujawnienie się cech niekorzystnych, a nawet letalnych. Wiele mutacji nie ma znaczącego wpływu na dostosowanie.
Jakiego typu zmian zachodzi najwięcej? Chciałoby się powiedzieć, że tych korzystnych, bo takie zazwyczaj obserwujemy. Ale tak naprawdę mutacje są losowe i oznaczają po prostu "jakąś" zmianę. Dopiero środowisko i dobór naturalny zweryfikują, czy zmiana ta jest korzystna, czy nie. To, że dany osobnik żyje już świadczy o tym, że jest dobrze dostosowany. Jest więc małe prawdopodobieństwo, że losowa zmiana w jego genotypie mogłaby go jeszcze "ulepszyć". Natomiast fakt, że obserwujemy więcej efektów mutacji "korzystnych" wynika z tego, że osobniki z tymi "niekorzystnymi" zostały wyeliminowane, a "neutralnych" nie jesteśmy w stanie zauważyć.
Zmienność mutacyjna - rodzaje mutacji
Zmienność mutacyjna polega na tworzeniu nowej informacji genetycznej w wyniku nagłej, skokowej, a jednocześnie losowej i bezkierunkowej zmiany materiału genetycznego (mutacji) w komórkach biorących udział w rozmnażaniu.
Wyróżnia się dwa typy mutacji:
1. mutacje samorzutne - powstają spontanicznie, bez udziału konkretnych fizycznych, ani chemicznych czynników; są zjawiskiem bardzo rzadkim;
2. mutacje indukowane - powstają pod wpływem fizycznego lub chemicznego czynnika; zaliczyć tu można większość mutacji.
a. promieniowanie jonizujące (rentgenowskie i gamma) - duża dawka energii pochłaniana przez komórki wraz z tego rodzaju promieniowaniem prowadzi do uszkodzenia DNA, najczęściej rozerwania;
b. promieniowanie ultrafioletowe (UV) - działa powierzchniowo, dlatego najbardziej narażone są organizmy małe oraz obszary ciała organizmów większych, bezpośrednio podlegające napromieniowaniu. Efektem działania UV jest tworzenie zakłócających odczyt DNA dimerów pirymidynowych, czyli związanych ze sobą dwóch pirymidyn, leżących jedna obok drugiej w jednym łańcuchu polinukleotydowym;
c. wysoka temperatura - procesy, w których bierze udział DNA kontrolowane są enzymatycznie, a w związku z tym podwyższona temperatura znacząco wpływa na dokładność zachodzenia tych procesów, bo ogranicza jakość działania enzymów;
chemiczne:
a. powodujące modyfikacje zasad azotowych, a w konsekwencji nieprawidłowy odczyt informacji zawartej w DNA (np. kwas azotawy, iperyt);
b. będące przyczyną nieprawidłowego wstawiania nukleotydów (np. barwniki akrydynowe, analogi zasad azotowych);
c. reagujące w sposób nieswoisty z DNA (np. H2O2, NH3, benzopiren z dymu papierosowego);
d. kolchicyna - prowadzi do zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów podczas podziału komórki, ponieważ blokuje tworzenie włókien wrzeciona kariokinetycznego.
Podział mutacji ze względu na wielkość zmiany:
genowe (punktowe) - zmiana sekwencji nukleotydów zachodzi na odcinku DNA mniejszym niż jeden gen, zazwyczaj jest efektem błędu powstałego podczas kopiowania DNA; może zachodzić na skutek:
substytucji - podstawienie właściwego nukleotydu przez inny;
delecji - utrata nukleotydu;
insercji - wstawienie nukleotydu;
chromosomowe - zmiana DNA na obszarze większym niż jeden gen zachodząca najczęściej w wyniku nieprawidłowości podczas crossing over; mogą polegać na:
deficjencji - utrata fragmentu chromosomu;
duplikacji - podwojenie fragmentu chromosomu;
inwersji - obrócenie odcinka chromosomu o 180o;
translokacji - przeniesienie odcinka jednego chromosomu na inny, niehomologiczny;
genomowe - zmiana właściwej liczby chromosomów:
a. aneuploidalność - zmiana liczby pojedynczych chromosomów w wyniku zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów podczas mejozy:
- monosomie (2n-1) - zamiast dwóch chromosomów homologicznych występuje tylko jeden, u człowieka bardzo często letalna;
- trisomie (2n+1) - zamiast pary chromosomów homologicznych występują trzy (np. zespół Downa), u człowieka osobniki częściej przeżywają niż w przypadku monosomii;
b. euploidalność - zmiana liczby kompletów chromosomów, czego przyczyna może być brak wykształconego wrzeciona kariokinetycznego podczas pierwszego podziału zygoty (częściej u rośli niż u zwierząt):
- autopoliploidalność - zwielokrotniona jest liczba takich samych genomów;
- allopoliploidalność - powstaje organizm zawierający dwa różne genomy.
Wg innego kryterium mutacje można podzielić na:
neutralne - pozostają bez wpływu na funkcjonowanie organizmu;
niekorzystne - powodują pogorszenie funkcjonowania organizmu, mogą być letalne (ograniczenie zdolności przeżycia w każdych warunkach) lub warunkowo letalne;
korzystne - wykazują pozytywny wpływ na organizm, polepszając jego funkcjonowanie.
Mutacje genomu ludzkiego i czynniki je wywołujące.
Mutacjami nazywamy nagłe zmiany w strukturze genów, chromosomów lub genomu, powodujące stałą, dziedziczną zmianę właściwości organizmu. Powstają one samoistnie lub są wywoływane sztucznie. Mutacje punktowe (genowe) prowadzą do powstania nowej formy genu (allelu), mutacje chromosomowe polegają na zaburzeniach w strukturze chromosomów (aberracja chromosomowa) bądź ich liczbie (mutacje genomowe). Mutacje genomowe powodują zmianę prawidłowej liczby chromosomów na skutek ubytku bądź występowania dodatkowych chromosomów, a także powielenia całego genomu organizmu. Są wynikiem zaburzeń podczas rozchodzenia się chromosomów przy podziale mejotycznym. Mutacje zachodzą samoczynnie bądź też jako skutek działalności człowieka (tzw. mutacje indukowane), stają się źródłem dużych bądź niewielkich zmian w fenotypie organizmu. Termin mutacja wprowadził H. de Vries w 1901 roku. Do czynników mutagennych, czyli mogących wywołać mutacje, zalicza się:
- silne i długotrwałe promieniowanie UV i jonizujące,
- sole metali ciężkich,
- niedobory jonowe,
- wysoka temperatura ciała,
- substancje chemiczne, które w różnym stopniu wpływają na cząsteczkę DNA (zwłaszcza w czasie replikacji), w tym:
- kwas azotowy (wywołuje zamianę cytozyny w uracyl),
- barwniki akrydynowe np. oranż akrylowy, proflawina (deformują helisę wywołując delecje i insercje),
- analogi zasad azotowych (ponieważ mogą je zastępować w cząsteczce),
- alkaloidy (mogą powodować poliploidalność).
Mutacje liczbowe
W komórkach ciała, czyli komórkach somatycznych, liczba chromosomów jest diploidalna i wynosi 2n. Gamety zawierają haploidalny garnitur chromosomów -1n. Są to wartości stałe dla każdego gatunku. Jeśli liczba chromosomów w komórce ulega trwałej zmianie, mówimy o mutacji chromosomowej liczbowej. Zmiana taka może mieć różne podłoże w zależności od tego, czy dotyczy pojedynczych chromosomów czy tez całego genomu. Aneuploidami określa się organizmy, u których chromosomy są prawidłowe, jednak w którejś parze jednego brakuje (genom 2n-1, tzw. monosomia )lub są trzy (2n+1, trisomia). U poliploidów obserwuje się zwielokrotnienie całego genomu, wyróżnić można autopoliploidy oraz alloploidy. Autopoliploidy to organizmy, najczęściej rośliny, u których obserwuje się powielenie genomu i w efekcie liczba chromosomów to 3n, 4n, 5n itd. (zwane są odpowiednio triploid, tetraploid, itd.) Powodem jest zaburzenie rozchodzenia się chromosomów w podziale mitotycznym bądź mejotycznym, prowadzące do powstania jądra komórkowego zawierającego zwielokrotnioną liczbę chromosomów. Na przykład dwie gamety o liczbie chromosomów 2n zlewają się, a powstała komórka dzieli się tworząc organizm poliploidalny (4n). Zawsze są to gamety przedstawicieli tego samego gatunku, a więc zawierające chromosomy homologiczne. Innym procesem prowadzącym do powielenia genomu jest endomitoza, polegająca na podziale chromosomów jednak bez podziału jądra. Aby indukować poliploidyzację stosuje się czynniki mutagenne takie jak acenaften bądź kolchicyna. Celem takiego przedsięwzięcia jest uzyskanie nowych odmian roślin uprawnych (np. kukurydzy, pszenicy), które dają lepsze plony.
Poza autoploidami wyróżnić można także alloploidy, będące mieszańcami dwóch rożnych gatunków. Organizmy te posiadając chromosomy niehomologiczne zwykle nie przeżywają, a jeśli tak - są najczęściej bezpłodne. Przykładem alloploida jest muł, będący mieszańcem klaczy konia i ogiera osła. Generalnie jednak poliploidalność u zwierząt jest letalna bądź subletalna. U roślin natomiast ma często pozytywne znaczenie. Powoduje, że komórki osiągają większą objętość (czasem powiększanie się nie jest jednakowe dla całego organizmu), a na liściach obserwuje się mniejszą liczbę aparatów szparkowych. W efekcie mutanty wykazują większą odporność na suszę i dają znacznie lepsze plony (np. buraki, kukurydza). Zależy to jednak w znacznej mierze od liczby chromosomów, bowiem formy powyżej 4n mogą mieć nieprawidłowo wykształcone organy.
U ludzi mutacje genomowe wywołuje zwykle nondysjunkcja w trakcie podziału mejotycznego. Skutkiem są ciężkie choroby.
Trisomia w 21 parze chromosomów powoduje Zespół Downa. Osoby chore charakteryzują się specyficznym wyglądem - są niskie, o zaburzonych proporcjach, ze skośnymi oczami, podniebienie jest wąskie, język duży, zęby często nieprawidłowo rozwinięte. Na krótkich, szerokich dłoniach może występować tzw. małpia bruzda - specyficzny dermatoglif. U chorych mogą wystąpić schorzenia narządów wewnętrznych np. przewodu pokarmowego czy macicy u kobiet. Zawsze ma miejsce niedorozwój umysłowy, który jednak pozwala na osiągnięcie pewnego stopnia samodzielności. Osoby takie postrzegane są jako radosne i towarzyskie. Choroba dotyka statystycznie jedno na 800 dzieci.
Trisomia w 13 parze chromosomów powoduje Zespół Pataua, objawiający się szeregiem zaburzeń - niedorozwojem umysłowym, wadami narządów wewnętrznych, uszu i oczu, rozszczepieniem wargi oraz polidaktylią (zwiększona ilość palców).
Trisomia w 18 parze chromosomów to Zespół Edwardsa. Dzieci cierpiące na to schorzenie umierają w okresie niemowlęcym. Charakteryzuje je głęboki niedorozwój umysłowy oraz występowanie licznych wad rozwojowych.
Może także mieć miejsce mutacja chromosomów płci. Występowanie dodatkowego chromosomu X u mężczyzn (2n + XXY) wywołuje Zespół Klinefeltera, objawiający się niedorozwojem jąder i wynikającą z tego niepłodnością, oraz niższą inteligencją. Trzeci chromosom X u kobiet także powoduje obniżenie inteligencji oraz zaburzenia miesiączkowania. Gdy chromosom X jest tylko jeden wskazuje to na Zespół Turnera. Kobiety takie mają słabo rozwinięte narządy płciowe, nie rozwijają się piersi, nie występuje owłosienie łonowe. Charakteryzuje je ponadto niski wzrost oraz znamiona na skórze.
Mutacje genowe
Istnieje szereg schorzeń dziedzicznych nie wywołanych mutacjami genomowymi. Przykładem może być daltonizm, będący wrodzonym zaburzeniem rozpoznawania różnych barw (czerwonej, zielonej, obu ich jednocześnie oraz żółtej i niebieskiej). Jest to choroba sprzężona z chromosomem X, warunkowana recesywnie, dlatego najczęściej dotyka mężczyzn. Daltonizm może być także wynikiem uszkodzeń siatkówki. Nazwa choroby pochodzi od nazwiska odkrywcy J. Daltona, który w 1794 roku opisał po raz pierwszy tą chorobę.
Kolejne zaburzenie to albinizm, czyli bielactwo wrodzone. Schorzenie jest dziedziczone autosomalnie recesywnie, a więc by choroba wystąpiła dziecko musi otrzymać od obojga rodziców gen recesywny warunkujący ją. W albinizmie zaburzona jest produkcja melaniny, czyli barwnika skóry, co spowodowane jest niedoborem tyrozynazy - enzymu umożliwiającego powstanie melaniny. Choroba objawia się brakiem zabarwienia włosów, które są białe lub lekko żółte, tęczówki - kolor oczu bardzo jasny a nawet różowy, jak również skóry - bardzo bladej, nie opalającej się na słońcu. Osoby chore muszą chronić się przed ostrym światłem. Choroba ta jest nieuleczalna i nie stosuje się żadnej terapii z wyjątkiem doraźnego zapobiegania np. podrażnieniom skóry.
Także fenyloketonuria należy do chorób genetycznych. Polega ona na niedoborze hydroksylazy fenyloalaniny - enzymu, który jest konieczny do przemiany fenyloalaniny w tyrozynę. Produkty rozpadu fenyloalaniny krążącej w nadmiarze we krwi są szkodliwe i upośledzają mózg, powodując w efekcie opóźnienie rozwoju umysłowego oraz motorycznego, drgawki. Chorobę najłatwiej zdiagnozować badając zawartość kwasu fenylopirogronowego (szkodliwego produktu rozpadu fenyloalaniny) w moczu dziecka. Obecnie w Polsce takiemu testowi (tzw. test Guthriego) poddaje się wszystkie noworodki, bowiem można uniknąć postępów choroby stosując ścisłą dietę z ograniczoną zawartością fenyloalaniny.
Kolejną z chorób metabolicznych o podłożu genetycznym jest alkaptonuria. Choroba ta polega na gromadzeniu w organizmie kwasu homogentyzynowego, będącego produktem nieprawidłowego rozkładu tyrozyny. Kwas jest wydalany z moczem powodując jego ciemne zabarwienie. Choroba u dzieci rozpoznawana jest zwykle przez obserwacje zabarwienia mokrych pieluszek. U osób dorosłych alkaptonuria powoduje szereg objawów takich jak zmiany zwyrodnieniowe oraz bóle stawów, jak również ciemne zabarwienie tkanek (ochronoza).
Także galaktozemia jest wrodzonym schorzeniem metabolicznym, polegającym na niemożności przekształcenia galaktozy w cząsteczkę glukozy. Produkty nieprawidłowej przemiany (np. galaktozo-1-fosforan) oddziałują toksycznie na organizm. Objawy choroby występują bardzo wcześnie po urodzeniu dziecka. Wymiotuje ono, nie wzrasta masa ciała, wątroba i śledziona są znacznie powiększone, może także wystąpić żółtaczka czy zaćma. Galaktozemia jest chorobą nieuleczalną, jedynym zaleceniem jest całkowite wyeliminowanie z diety produktów zawierających galaktozę i laktozę.
Nieuleczalna jest także pląsawica Huntingtona -schorzenie objawiające się niekontrolowanymi ruchami, drgawkami i upośledzeniem mimiki, jak również zaburzeniami emocjonalnymi i poznawczymi. Chorobę tą wywołuje mutacja genu HD, w wyniku której białko kodowane przez gen - huntingtyna, jest zbudowane z dłuższego łańcucha aminokwasów (wiele dodatkowych reszt kwasu glutaminowego). W efekcie obserwuje się zaburzenia w działaniu komórek nerwowych. Choroba ta ma charakter postępujący i zwykle po kilku latach powoduje śmierć chorego. Dziedziczona jest dominująco i ze względu na to, że ujawnia się zwykle w późniejszym wieku (po 30 roku życia) nie ginie w populacji. Prawdopodobieństwo przekazania dziecku choroby wynosi 50%. W przypadkach gdy schorzenie ujawnia się u młodych ludzi ma przebieg ostrzejszy. Obecnie nadal trwają badania nad znalezieniem leku, gdyż dopiero na początku tego wieku odkryto, jakie procesy zachodzą w mózgu chorej osoby (dr Georg Huntington opisał pierwsze przypadki w 1872 roku).
Kolejnym dziedzicznym schorzeniem wywołanym mutacją jest anemia sierpowata. Choroba ta polega na nieprawidłowej budowie hemoglobiny, która prowadzi do zmiany kształtu erytrocytów na sierpowaty (stąd nazwa). W efekcie komórki te szybko ulegają rozpadowi, czyli hemolizie. Hemoglobina S występująca u chorych odróżnia się od hemoglobiny prawidłowo zbudowanej jednym aminokwasem w łańcuchu beta, ta zmiana zaś powoduje odmienne właściwości hemoglobiny. Choroba jest rozpowszechniona wśród mieszkańców Afryki, ponieważ taka budowa erytrocytów uodparnia na malarię. Osoby cierpiące na anemię sierpowatą nie są narażone na śmierć w wyniku malarii, dlatego choroba utrzymuje się w populacji murzyńskiej mimo, że warunkowana jest genem recesywnym. Rozpoznać ją można na podstawie badań krwi, nie jest wyleczalna. Osobniki homozygotyczne nie dożywają wieku dorosłego, natomiast heterozygoty żyją względnie normalnie.
Osiągnięcia inżynierii genetycznej
Inżynieria genetyczna jest nauką stosunkowo nową i prężnie rozwijającą się. Niesie ona ze sobą ogromne nadzieje ale także obawy, budzi bowiem kontrowersje. Z jednej strony szuka się nowych informacji o chorobach, których etiologia i skuteczne metody leczenia nie są dotąd znane, z drugiej jednak protesty budzi problem produkcji transgenicznej żywności, czy temat klonowania. Poniższy tekst przybliża nieco zalety inżynierii genetycznej jak również przedstawia wyzwania, z jakimi przyjdzie się tej nauce zmierzyć w przyszłości.
Przede wszystkim nowatorskie badania stosowane są w rolnictwie i hodowli zwierząt. Celem jest uzyskanie lepszych odmian łatwych w hodowli, oraz odpornych na szkodniki płodów rolnych. Naukowcy wiele już osiągnęli w tej dziedzinie, jednak wciąż potrzeba wielu specjalistycznych badań nad jakością nowych produktów, zapewniających o ich nieszkodliwości dla ludzi. Przykładem mogą być transgeniczne pomidory, które wykazują większą trwałość lecz zmieniony smak, czy krowy dające mleko wysokoproteinowe ale żyjące krócej od krów o niezmienionym genomie. Inżynieria w hodowli zwierząt ma jeszcze jeden bardzo ważny cel - poznanie i leczenie chorób. Nie chodzi tu wyłącznie o choroby zwierząt ale także ludzi. Geny zwierząt są modyfikowane w taki sposób, aby uzyskać defekty podobne do występujących u ludzi cierpiących na genetyczne choroby (np. hemofilię). Pozwala to bliżej poznać mechanizmy wywołujące objawy choroby i w efekcie być może znalezienie lekarstwa na niektóre z nich. Badania prowadzi się na transgenicznych hodowlach dużych ssaków - owiec, świń, ponieważ ich wielkość i długość życia są bliższe ludzkim niż np. u myszy czy szczurów, często stosowanych w laboratoriach. Inżynieria ponadto zajmuje się odkrywaniem nowych i ulepszaniem już istniejących leków oraz szczepionek tak, aby nie powodowały skutków ubocznych u stosujących je ludzi. Jedną z metod jest wprowadzanie do genomu bakterii genów, które powodują produkowanie przez nie oczekiwanych substancji. Uzyskano już tym sposobem liczne hormony (jak insulina czy hormon wzrostu), czynniki krzepnięcia krwi, skuteczne szczepionki. Środki te bardzo ułatwiają życie ludziom chorym i istnieje nadzieja, że kiedyś mechanizmy chorób zostaną tak dobrze poznane, iż uda się leczyć ludzi ze schorzeń genetycznych, co obecnie nie jest możliwe.
Drugą gałąź nauk, w jakich inżynieria genetyczna ma ogromne znaczenie stanowią analizy organizmów żyjących kiedyś na Ziemi, oraz zapobieganie wyginięciu zagrożonych gatunków. Analizuje się szczątki kopalne, chcąc uzyskać materiał genetycznych prehistorycznych zwierząt jak tur czy mamut. Zdaniem niektórych naukowców możliwe jest odtworzenie takich gatunków w przyszłości. Bada się także zwierzęta, jakim grozi wyginięcie. Aby do tego nie dopuścić stosuje się sztuczne zapłodnienie, umożliwiające rozrost populacji gatunków, które w naturalny sposób rodzą tylko jedno młode rocznie - np. Panda Wielka.
Najbardziej kontrowersyjnym osiągnięciem inżynierii pozostaje nadal klonowanie. Technika ta polega na zamianie jądra komórki jajowej, na jądro z innej komórki ciała osobnika tego samego gatunku. Materiał genetyczny powstałego organizmu jest identyczny z materiałem dawcy jądra komórkowego. Pierwszym klonowanym zwierzęciem była owca Dolly, która przyszła na świat w 1996 roku. Od tej pory wciąż trwają prace nad ulepszeniem tej techniki i sposobem klonowania człowieka. Wielu naukowców widzi możliwość powielania osób wybitnych, uzyskiwania własnych kopii. Tymczasem najbardziej powszechne osiągnięcie inżynierii genetycznej to nie klonowanie, lecz stosowanie metod in-vitro. Pary niepłodne,
które naturalnymi metodami nie mogą posiadać dzieci, dzięki tym osiągnięciom mogą cieszyć się potomstwem.
Przed inżynierią genetyczną wiele wyzwań, szczególnie w związku z leczeniem schorzeń i przedłużaniem zdrowego życia ludzi.
Mutacje genomowe i czynniki mutagenne
Mutacje są to zmiany dziedziczne powstające nagle, skokowo w skutek zmiany genu w nowy jego allel (mutacje genowe – punktowe) lub zmiany struktury lub liczby chromosomów (aberracje chromosomowe i liczbowe). Mutacje genomowe zmieniają właściwą (euploidalną) liczbę chromosomów; są skutkiem zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów homologicznych w czasie mejozy lub zwielokrotnienia całego garnituru chromosomalnego. Mutacje mogą powstawać samoistnie lub pod wpływem czynników mutagennych, czyli mogą być wywoływane przez człowieka – indukowane. Mogą przejawiać się efektami fenotypowymi dużymi lub nieznacznymi. Termin mutacje został wprowadzony przez de Vriesa w 1909 roku, który prowadził badania na wiesiołku Lamarka – Oenothera lamarkiana.
Czynniki mutagenne:
- promieniowanie jonizujące oraz nadfioletowe
- czynniki chemiczne wpływające na DNA lub proces replikacji DNA
- kwas azotowy III – HNO2, który powoduje dezaminację (usuwa grupy NH2) zasad azotowych co prowadzi do zmiany zasad cytozyny na uracyl, itp.
- związki alkilujące (związki mające grupy alikilowe) np. pochodne iperytu
- analogi zasad np. 5 bromouracyl analog tyminy
- barwniki akrydynowe np. proflawina, akryflawina, oranż akrylowy, których działanie polega na deformacji helisy – powodując delecje lub insercje
- alkaloidy – kolchicyna prowadzące do poliploidalności
- czynniki metaboliczne np. deficyt jonów Ca i Mg
- wysoka temperatura
- sole met. Ciężki
Mutacje liczbowe – aberracje liczbowe:
Liczba chromosomów w komórkach somatycznych wynosi 2n – diploidalna – jest to liczba stała i charakterystyczna dla danego gatunku. W gametach liczba chromosomów wynosi 1n – haploidalna. Zmiany dotyczące liczby chromosomów to mutacje liczbowe.
1. aneuploidy – organizmy o strukturze genomu w postaci 2n-1 nonosomiki lub 2n+1 trisomiki; mutacje te dotyczą pojedynczej pary chromosomów przy czym pozostałe są normalne
2. euploidy – poliploidy dzielimy na autopoliploidy i alloploidy
a) autopoliploidy – organizmy posiadające zwielokrotniony cały garnitur chromosomalny tj. 2n; 3n; 4n; xn
- przyczyną tych mutacji jest brak rozdziału chromosomów w mitozie dzięki czemu może powstać jądro o podwójnej liczbie chromosomów i w wyniku dalszych podziałów wyrosnąć może osobnik poliploidalny (tzn. cały poliploidalny lub posiadający tylko niektóre tkanki poliploidalne)
- przyczyną mogą być również zaburzenia mejozy – brak rozdziału chromosomów
- inną przyczyną jest tzw. endomitoza – czyli replikacja chromosomów bez udziału jądra – prowadzi do poliplodalności
- w celu wywołania poliploidyzacji można zastosować takie czynniki mutagenne jak np. kolchicyna – alkaloid dezorganizujący wrzeciono kariokientyczne, nie hamując replikacji, uniemożliwia rozdział zrepliowanych chromosomów; kolchicyna stosowana jest powszechnie w rolnictwie w celu uzyskania poliploidalnych odmian pszenicy, kukurydzy itp. w celu uzyskania większych plonów, innym mutagenem prowadzącym do poliploidalności jest accnaften
- poliploidalność jest często spotykana u roślin np. gameta 2n + gameta 2n = osobnik 4n – tetraploid; gameta 1n + gameta 2n = osobnik 3n – triploid
- autopoliploidy – powstają w obrębie tego samego gatunku
b) alloploidy – amfiploidy – organizmy posiadające sumę diploidalnych diploidalnych liczb chromosomów dwóch form rodzicielskich o chromosomach niehomologicznych; czyli są to mutanty powstałe z połączenia dwóch różnych genomów; mieszańce są najczęściej niezdolne do życia – wyjątek muł – wykazujący większą żywotność w porównaniu z rodzicami; wszystkie bezpłodne
Znaczenie poliploidów:
a) u roślin zazwyczaj korzystne np. mutanty pszenicy, kukurydzy, buraków dają lepsze plony
- poliploidalnośc prowadzi do zwiększenia objętości komórki, wykazano jednak że nie wszystkie organy powiększają się jednakowo; zmiany te określono jako gigantyzm organów
- poliploidy mają zwykle mniej szparek oddechowych na powierzchni liścia, stąd mniej intensywna transpiracja – dlatego są bardziej odporne na suszę
- najbardziej korzystne są tetraploidy (4n) u form z wyższą liczbą chromosomów zachodzę nieprawidłowości w wykształcaniu się organów
b) u zwierząt mają zazwyczaj charakter letalny lub subletalny
Choroby genetyczne u ludzi spowodowane mutacjami genomowymi: (wywołane nondysjunkcją w pierwszym lub drugim podziale mejotycznym)
- trisomia 21 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Downa lub idiotyzm mongoidalny – objawia się niedorozwojem umysłowym, niski wzrost, skośne szpary powiekowe, nieprawidłowości w rozwoju zębów, duży język, wąskie podniebienie, wady narządów wewnętrznych; pomimo upośledzenia chorzy osiągają pewien stopień rozwoju umysłowego; wykazują typowe cechy charakterologiczne – pogodne usposobienie, instynkt społeczny, upór; zespół Downa predysponuje do występowania białaczki (10x częściej)
- trisomia 13 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Pataua – objawy: niedorozwój umysłowy, wady oczu, deformacja uszu, rozczep wargi, polidaktylia, wady narządów
- trisomia 18 para tzw. zespół Edwardsa – objawy: głęboki niedorozwój umysłowy, wady rozwojowe, wczesna śmierć w okresie niemowlęcym
- zespół Klinefeltera 2n + XXY u mężczyzn (niedorozwój jąder, obniżona inteligencja) i 2n + 3X u kobiet (zaburzenia miesiączkowania lub wtórny brak miesiączki, niski stopień inteligencji)
- zespół Turnera 2n + X – (niski wzrost, infantylizm narządów płciowych, bezpłodność)