13.10: Mutacje

Przegląd

Mutacje to zmiany w sekwencji DNA. Zmiany te mogą zachodzić spontanicznie lub mogą być wywołane ekspozycją na czynniki środowiskowe. Mutacje można scharakteryzować na wiele różnych sposobów: czy i w jaki sposób zmieniają sekwencję aminokwasów białka, czy występują na małym czy dużym obszarze DNA oraz czy występują w komórkach somatycznych czy komórkach linii rozrodczej.

Konsekwencje mutacji punktowych na poziomie molekularnym

Mutacje, które zachodzą w pojedynczym nukleotydzie, nazywane są mutacjami punktowymi. Kiedy w obrębie genów zachodzą mutacje punktowe, konsekwencje mogą mieć różną dotkliwość w zależności od tego, co dzieje się z zakodowaną sekwencją aminokwasów. Cicha mutacja nie zmienia tożsamości aminokwasów i nie będzie miała wpływu na organizm. Mutacja typu missense zmienia pojedynczy aminokwas, a skutki mogą być poważne, jeśli zmiana zmienia funkcję białka. Mutacja nonsensowna wytwarza kodon stop, który skraca białko, prawdopodobnie czyniąc je niefunkcjonalnym. Mutacje przesunięcia ramki odczytu występują, gdy jeden lub więcej nukleotydów jest wstawianych lub usuwanych z sekwencji DNA kodującej białko, wpływając na wszystkie kodony znajdujące się poniżej lokalizacji mutacji.

Zmiany chromosomowe to mutacje na dużą skalę

Najbardziej drastyczny rodzaj mutacji, zmiana chromosomowa, zmienia fizyczną strukturę chromosomu. Zmiany chromosomowe mogą obejmować delecję, duplikację lub odwrócenie dużych odcinków DNA w obrębie jednego chromosomu lub integrację części innego chromosomu. Mutacje te są zazwyczaj znacznie poważniejsze niż mutacje punktowe, ponieważ obejmują wiele genów i elementów regulatorowych. Zmiany chromosomowe można wykryć poprzez kariotypowanie dotkniętej komórki.

Dziedziczone są tylko mutacje linii zarodkowej

Mutacje mogą wystąpić w każdej komórce, ale tylko mutacje linii zarodkowej – te obecne w komórkach jajowych i plemnikach – mogą być przekazywane potomstwu. Na przykład choroby dziedziczne są podtypem choroby genetycznej, która jest spowodowana szkodliwymi mutacjami linii rozrodczej. Mogą być autosomalne, występujące na chromosomach od pierwszego do 22 lub sprzężone z płcią, występujące na chromosomie X lub Y. Jednym z przykładów choroby dziedzicznej jest mukowiscydoza (CF), choroba, która atakuje przede wszystkim płuca. Jest to spowodowane delecją w genie CFTR, który usuwa pojedynczy aminokwas z białka CFTR. Mukowiscydoza jest chorobą dziedziczoną autosomalnie recesywnie, co oznacza, że osoba z jedną zmutowaną kopią genu i jedną normalną kopią nie rozwinie choroby; inne choroby, takie jak choroba Huntingtona, zaburzenie neurodegeneracyjne, są dziedziczone autosomalnie dominująco, co oznacza, że do rozwoju choroby potrzebna jest tylko jedna zmutowana kopia genu.

Niektóre mutacje są spowodowane czynnikami środowiskowymi

Zarówno mutacje somatyczne – te, które występują poza linią zarodkową – jak i mutacje linii zarodkowej mogą powstawać spontanicznie podczas replikacji DNA, ale mogą być również spowodowane narażeniem na promieniowanie lub chemikalia w środowisku. Czynniki zewnętrzne, które uszkadzają DNA i powodują mutacje, nazywane są mutagenami. Jednym z dobrze scharakteryzowanych mutagenów środowiskowych jest promieniowanie ultrafioletowe (UV). Promieniowanie UV przenosi więcej energii niż światło widzialne i uszkadza DNA poprzez zrywanie wiązań między parami zasad, powodując, że zasady tyminowe na tej samej nici DNA łączą się ze sobą w charakterystyczne dimery tyminy. Słońce jest naturalnym źródłem promieniowania UV. Najbardziej szkodliwe długości fal, UV-C, są przechwytywane wysoko w atmosferze, ale promienie UV-A i UV-B docierają do powierzchni Ziemi. Do sztucznych źródeł ekspozycji na promieniowanie UV należą solaria, które przepuszczają przede wszystkim promienie UV-A z mniejszymi ilościami UV-B. Na szczęście komórki mają mechanizmy naprawy uszkodzonego DNA, ale czasami uszkodzenie nie jest naprawiane przed podziałem komórkowym w szybko dzielących się komórkach, takich jak komórki skóry. Jeśli uszkodzenie DNA wystąpi w regionie genomu, który jest ważny dla regulacji wzrostu i podziału komórek, może to prowadzić do raka, jeśli nie zostanie naprawione.