13.10: Mutacje

Przegląd

Mutacje to zmiany w sekwencji DNA. Zmiany te mogą wystąpić samoistnie 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 lub komórkach linii zarodkowej.

Konsekwencje mutacji punktowych na poziomie molekularnym

Mutacje występujące w pojedynczym nukleotydzie nazywane są mutacjami punktowymi. Kiedy w genach zachodzą mutacje punktowe, konsekwencje mogą mieć różny stopień nasilenia 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 zmiany sensu zmienia pojedynczy aminokwas, a skutki mogą być poważne, jeśli zmiana zmienia funkcję białka. Mutacja nonsensowna wytwarza kodon stop, który obcina białko, prawdopodobnie czyniąc je niefunkcjonalnym. Mutacje z przesunięciem ramki odczytu występują, gdy jeden lub więcej nukleotydów jest wstawianych lub usuwanych z sekwencji DNA kodującej białko, wpływając na wszystkie kodony poniżej lokalizacji mutacji.

Zmiany chromosomalne są mutacjami na dużą skalę

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

Dziedziczone są tylko mutacje linii zarodkowej

Mutacje mogą wystąpić w dowolnej komórce, ale tylko mutacje linii zarodkowej — te obecne w komórkach jajowych i plemnikach — mogą zostać przekazane potomstwu. Na przykład choroby dziedziczne są podtypem zaburzeń genetycznych powodowanych przez szkodliwe mutacje linii zarodkowych. Mogą być autosomalne, występujące na chromosomach od 1 do 22, lub sprzężone z płcią, występujące na chromosomie X lub Y. Jednym z przykładów choroby dziedzicznej jest mukowiscydoza (CF), choroba atakująca głównie płuca. Jest to spowodowane delecją w genie CFTR, która usuwa pojedynczy aminokwas z białka CFTR. CF jest chorobą autosomalną recesywną, co oznacza, że u osoby z jedną zmutowaną kopią genu i jedną prawidłową kopią genu nie rozwinie się choroba; inne choroby, takie jak choroba Huntingtona, choroba neurodegeneracyjna, mają charakter autosomalny dominujący, co oznacza, że do rozwoju choroby konieczna 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 powstać samoistnie podczas replikacji DNA, ale mogą być również spowodowane ekspozycją 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 niesie więcej energii niż światło widzialne i uszkadza DNA, rozrywając wiązania 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 zaliczają się solaria, które przepuszczają przede wszystkim promienie UV-A z mniejszą ilością UV-B. Na szczęście komórki mają mechanizmy naprawy uszkodzonego DNA, ale czasami uszkodzenia nie zostają naprawione przed podziałem komórek 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.

Mutacje punktowe, w których zmienia się pojedynczy nukleotyd, mogą wytwarzać białko, które jest całkowicie normalne lub całkowicie niefunkcjonalne, w zależności od typu. Należą do nich: mutacje ciche, missense, nonsens i przesunięcie ramki.

Ciche mutacje, jak sama nazwa wskazuje, nie mają wpływu na sekwencję aminokwasów białka. Na przykład, jeśli kodon CCA zostanie zmieniony na CCG, nadal będzie kodował aminokwas, prolinę, a białko będzie funkcjonować normalnie.

Z drugiej strony mutacje typu missense powodują zastąpienie jednego aminokwasu innym, takim jak arginina zamiast proliny, co może powodować nieprawidłowe działanie białka.

Mutacje nonsensowne występują, gdy kodon aminokwasu zostaje zmieniony na kodon stop. Sygnalizuje to komórce, aby przestała się przemieszczać, co skutkuje przedwcześnie obciętym białkiem, które często nie działa.

Wreszcie, mutacje przesunięcia ramki zachodzą, gdy ramka odczytu, w jaki sposób zestawy trzech nukleotydów są zgrupowane w kodony, jest przesunięta, często z powodu insercji lub delecji jednego lub więcej nukleotydów. Powoduje to powstanie serii nowych kodonów kodujących różne aminokwasy, tworząc nieprawidłowe białko.