IIIa-Mutageneza drożdży.doc

Mutageneza drożdży. Mitotyczny crosing-over. Mitotyczna konwersja genów.

Część teoretyczna:

MUTACJA - nagła, trwała zmiana dziedzicznej właściwości organizmu, spowodowana zmianą w obrębie genu, w strukturze chromosomu lub genomu (zespół chromosomów), powstająca samorzutnie lub wywołana sztucznie (mutacje indukowane).

Schemat podziału mutacji uwzględniający wielkość zmian w materiale genetycznym

Rodzaje mutacji genowych

Rodzaje mutacji chromosomowych

·         delecje - utrata części chromosomu i zawartych w niej genów,

·         duplikacje - podwojenie danego odcinka chromosomu,

·         inwersje - fragment zostaje odłączony od chromosomu, a następnie przyłączony w odwrotnej orientacji,

·         translokacje - fragment chromosomu zostaje przemieszczony do innego chromosomu niehomologicznego.

Istnieją również inne mutacje strukturalne, na przykład polegające na pęknięciu centromeru i rozdzieleniu ramion chromosomu, lub przekształceniu chromosomu liniowego w kolisty.
Mutacje strukturalne zachodzą stosunkowo rzadko i są spontaniczne. Nie mniej jednak ich częstość może ulegać nasileniu pod wpływem czynników środowiska. Efektem fenotypowym tych mutacji może być brak określonego białka lub jego defektywność, w zależności od wielkości zmutowanego fragmentu chromosomu.

Mutacje genomowe

Można je podzielić na trzy rodzaje:

·         aneuploidia,

·         euploidia, które dodatkowo dzielą się na:

·         autopoliploidia,

·         allopoliploidia = amfiploidia.

ANEUPLOIDIA
Są to zmiany dotyczące części garnituru chromosomalnego.

Ma miejsce, gdy w normalnym diploidalnym zestawie chromosomów nastąpi utrata lub dodanie jednego chromosomu. Mutacje te możemy zapisać:

·         2n - 1, taka mutacje nazwiemy monosomia

·         2n +1, taka mutacje nazwiemy trisomia

Przyczyną mutacji anuploidalnych jest zjawisko określane jako non-disjunction. Polega ono na tym, że chromosomy homologiczne, które połączyły się ze sobą w zygotenie podziału mejotycznego, nie rozdzielają się w diplotenie. W wyniku, czego powstają gamety n +1 lub n -1, a po dołączeniu drugiej gamety powstają zygoty 2n -1 lub 2n +1.

Mutacjami aneuploidalnymi są również te, w których usunięciu lub zwielokrotnieniu ulęgają cale pary chromosomów homologicznych. Należą do nich:

·         2n - 2, czyli nullisomie,

·         2n +2, czyli tetrasomie.

EUPLOIDIA
Są to zmiany dotyczące całego garnituru chromosomalnego, który w ich wyniku ulega zwielokrotnieniu lub pomniejszeniu. Wśród euploidii można wyróżnić:

·         Autoploidia
Zwielokrotnieniu ulega cały garnitur chromosomalny, ale w obrębie jednego gatunku. Zjawisko to występuje najczęściej u roślin kwiatowych i są czysto wynikami sztucznych zabiegów hodowlanych (dla przykładu, triploidalne buraki cukrowe zawierają więcej cukru niż diploidalne). Organizmy, które normalnie są diploidalne (2n), lecz w wyniku mutacji ich liczba chromosomów wynosi n, nazywa się monoploidami (w odróżnieniu od organizmów haploidalnych, ktore naturalnie posiadają n chromosomów). W przypadku, kiedy liczba chromosomów ulega zwielokrotnieniu, organizmy zmutowane określa się w zależności od liczby chromosomów jako triploidalne (3n), tetraploidalne (4n) bądź pentaploidalne (5n). Zbiorczo organizmy te to poliploidy. O ile poliploidalność u roślin powoduje bujniejszy rozwój i owocowanie, to u zwierząt mutacje tego typu prowadza do obniżenia żywotności i śmierci osobników.

·         Alloploidia = amfiploidia             
Mutacje tego typu powstają, gdy garnitur chromosomalny danego osobnika pochodzi od dwóch różnych gatunków. Alloplidami są na przykład:

·         muł - krzyżówka konia z osłem,

·         żubroń - krzyżówka żubra z krowa,

·         tigrolew - mieszaniec lwa i tygrysa.

Garnitur chromosomalny takich zwierząt możemy zapisać jako n1+n2. Mutanty tego typu powstają przez zapłodnienie komórki jajowej obcym plemnikiem, lecz są one niepłodne, przez to, ze ich chromosomy nie są homologiczne i nie może dojść do mejozy i wytworzenia gamet.

PRZYCZYNY I SPOSOBY POWSTAWANIA MUTACJI:

·         Błędy w czasie replikacji

Istnieją dwa mechanizmy powstawania błędów w czasie replikacji:

1.      Pierwszy z nich to obniżona skuteczność selekcji nukleotydów i zdolności korekcyjnej polimerazy DNA, co powoduje wbudowanie do nowo synetezowanej nici niekomplementarnego nukleotydu.

2.      Drugi mechanizm wynika z tzw. tautomerii zasad. W normalnej nici DNA komplementarne wiązania powstają między grupą aminową (-NH2) i ketonową (-CO). Tautomeria powoduje zmianę:

-          grupy aminowej (-NH2) w iminową (=NH),

-          grupy ketonowej (-CO) w grupę enolową (=C-OH).

Formy iminowe i enolowe występują rzadko, jedna cząsteczka na ok. 104 każdej zasady. Przejściowe tautomery nie zaburzają struktury helisy, lecz tworzą parę z inną niż normalnie zasadą.

Efektem błędów replikacyjnych są mutacje punktowe.

·         Czynniki mutagenne (mutageny)

Mutagen to czynnik fizyczny, chemiczny lub biologiczny, który działając bezpośrednio lub pośrednio na DNA powoduje mutacje.

-          CZYNNIKI FIZYCZNE

Promieniowanie jonizujące- (np.: promieniowanie X, a, b, g, kosmiczne) ma małą długość fali, dużą energię, oddziałuje elektromagnetycznie z atomami, powodując wybicie elektronów, czyli jonizację. Promieniowanie to przenika przez tkanki i wówczas może dochodzić do zmian w strukturze zasad lub rozrywania mostków wodorowych między nićmi DNA. W wyniku promieniowania jonizującego mogą powstawać również wolne rodniki, które w wyniku rozpadu uwalniają dużą ilość energii powodując uszkodzenia DNA. W zależności od natężenia i rodzaju promieniowanie jonizujące może powodować: mutacje punktowe, pękanie łańcuchów DNA.

Promieniowanie niejonizujące- (promieniowanie nadfioletowe – UV) ma w porównaniu do jonizującego małą energię i dużą długość fali, słabo przenika przez tkanki, jest intensywnie pochłaniane przez DNA. Może ono powodować:

o       dimeryzację zasad pirymidynowych, sąsiadujące reszty pirymidynowe zostają połączone wiązaniem kowalencyjnym, co prowadzi do delecji podczas replikacji (najczęściej powstają dimery timiny (-TT-), rzadziej -CT-, -TC-, -CC-, zdecydowanie najrzadsze są dimery puryn),

o       rozerwania podwójnej helisy DNA,

o       hydratację C i U.

Szok termiczny- może powodować hydrolizę wiązania b-N-glikozydowego łączącego zasadę z cukrem i powstanie miejsca AP (apurynowego lub apirymidynowego), czyli miejsca pozbawionego zasady. W dwuniciowej cząsteczce DNA powstaje luka, która zwykle jest naprawiana i nie powoduje mutacji (u ludzi dziennie powstaje ok. 10 000 miejsc AP). Do mutacji może jednak dojść wówczas, gdy w komórce włączony jest system naprawy SOS, który wszystkie luki wypełnia adeniną, bez względu na nukleotyd w nici komplementarnej.

-          CZYNNIKI CHEMICZNE

Czynniki deaminujące- powodujące usunięcie grupy aminowej z zasady. Związki chemiczne powodujące wzrost częstości deaminacji to:

o       dwusiarczan sodowy (działa tylko na cytozynę),

o       kwas azotawy (HNO2) powoduje deaminację zasad w DNA i RNA i przekształca:

- guaninę w ksantynę, która prawidłowo paruje z C, lecz blokuje replikację,

- adeninę w hypoksantynę, która tworzy pary z C, po replikacji następuje tranzycja AT w GC,

- cytozynę w uracyl, który tworzy parę z A, a w konsekwencji zachodzi tranzycja GC w AT.

Analogi zasad. Analogami są zasady purynowe i pirymidynowe na tyle podobne do normalnych, że mogą być włączane do nukleotydów i wbudowane do DNA podczas replikacji. Zwiększają one nieprawidłowe parowanie i zmniejszają stabilność wiązań wodorowych, na skutek tranzycji dochodzi do mutacji punktowych. Do tej grupy związków zaliczamy:

- 5-bromouracyl (5-BU) i 5-bromodezoksyurydynę (5-BUdR) analogi tyminy, które tworzą parę z adeniną,

- 2-aminopurynę (2-AP); analog adeniny tworzący parę z cytozyną.

Czynniki alkilujące- dodają do nukleotydów grupy alkilowe lub arylowe. Alkilacji poprzez dodanie grup metylowych i etylowych ulega w kwasie nukleinowym guanina, adenina oraz reszty kwasu fosforowego. Alkilacja prowadzi do transwersji, tranzycji oraz mutacji typu zmiany fazy odczytu. Do związków alkilujących zaliczamy: etyloetanosulfonian (EES), etylometylosulfonian (EMS), metylometanosulfonian (MMS), sulfonian dwuetylu (DES), nitrozoguanidynę (NTG), iperyty, tlenkietylenu, halogenki metylu, etylonitrozomocznik, produkty metabolizmu azotynów.

Hydroksylamina (NH2OH)- działając in vitro zmienia cytozynę w związek podobny do uracylu, a to po replikacji powoduję jednokierunkową tranzycję C w T. In vivo działa na enzymy komórkowe, powodując powstanie również innych mutacji.

Barwniki akrydynowe – czynniki interkalujące- mają płaskie pierścienie aromatyczne, dlatego mogą łatwo wciskać się między sąsiadujące zasady w helisie DNA, powodując odchylenie par zasad i niewielkie rozwinięcie cząsteczki. Deformuje to helisę i podczas replikacji może dojść do insercji lub delecji. Do związków tych należą: proflawina, oranż akrydyny, akryflawina, 5-aminoakrydyna, bromek etydyny.

Inne chemiczne czynniki mutagenne:

o       reaktywne formy tlenu (np.: rodnik nadtlenkowy, nadtlenek wodoru, rodnik hydroksylowy),

o       policykliczne węglowodory aromatyczne (np.: benzopiren),

o       niektóre leki psychotropowe, cytostatyki, antybiotyki,

o       Związki występujące w pokarmie człowieka (produkty prolizy aminokwasów, mykotoksyny, środki konserwujące)

-          CZYNNIKI BIOLOGICZNE

...