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13.10: Mutations
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Mutations
 
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13.10: Mutations

13.10: Mutations

Overview

Mutations are changes in the sequence of DNA. These changes can occur spontaneously or they can be induced by exposure to environmental factors. Mutations can be characterized in a number of different ways: whether and how they alter the amino acid sequence of the protein, whether they occur over a small or large area of DNA, and whether they occur in somatic cells or germline cells.

Consequences of Point Mutations at the Molecular Level

Mutations that occur at a single nucleotide are called point mutations. When point mutations occur within genes, the consequences can vary in severity depending on what happens to the encoded amino acid sequence. A silent mutation does not change the amino acid identity and will have no effect on an organism. A missense mutation changes a single amino acid, and the effects might be serious if the change alters the function of the protein. A nonsense mutation produces a stop codon that truncates the protein, likely rendering it nonfunctional. Frameshift mutations occur when one or more nucleotides are inserted into or deleted from a protein-coding DNA sequence, affecting all of the codons downstream of the location of the mutation.

Chromosomal Alterations Are Large-Scale Mutations

The most drastic type of mutation, chromosomal alteration, changes the physical structure of a chromosome. Chromosomal alterations can include deletion, duplication, or inversion of large stretches of DNA within a single chromosome, or integration of a portion of a different chromosome. These mutations are typically far more serious than point mutations because they encompass many genes and regulatory elements. Chromosomal alterations can be detected by karyotyping the affected cell.

Only Germline Mutations Are Inherited

Mutations can occur in any cell, but only germline mutations—those present in egg and sperm cells—can be transmitted to offspring. For instance, hereditary diseases are a subtype of genetic disorder that are caused by deleterious germline mutations. They can be autosomal, occuring on chromosomes one through 22, or sex-linked, occurring on the X or Y chromosome. One example of a hereditary disease is cystic fibrosis (CF), a disease that primarily affects the lungs. It is caused by a deletion within the gene CFTR that removes a single amino acid from the CFTR protein. CF is an autosomal recessive disease, meaning that a person with one mutated copy of the gene and one normal copy will not develop the disease; other diseases, like Huntington’s disease, a neurodegenerative disorder, are autosomal dominant, meaning that only one mutated copy of the gene is necessary for the disease to develop.

Some Mutations Are Caused by Environmental Factors

Both somatic mutations—those that occur outside the germline—and germline mutations can arise spontaneously during DNA replication, but they can also be caused by exposure to radiation or chemicals in the environment. External factors that damage DNA and cause mutations are called mutagens. One well-characterized environmental mutagen is ultraviolet (UV) radiation. UV radiation carries more energy than visible light and damages DNA by breaking the bonds between base pairs, causing thymine bases on the same strand of DNA to pair with one another in characteristic thymine dimers. The sun is a natural source of UV radiation. The most damaging wavelengths, UV-C, are intercepted high in the atmosphere, but UV-A and UV-B rays reach the surface of the Earth. Artificial sources of UV exposure include tanning beds, which transmit primarily UV-A rays with smaller amounts of UV-B. Fortunately, cells have mechanisms to repair damaged DNA, but sometimes the damage is not repaired before cell division in rapidly-dividing cells, such as skin cells. If the DNA damage occurs in a genomic region that is important for regulation of cell growth and division, it can lead to cancer if it is not repaired.

Aperçu

Les mutations sont des changements dans la séquence de l’ADN. Ces changements peuvent se produire spontanément ou ils peuvent être induits par l’exposition à des facteurs environnementaux. Les mutations peuvent être caractérisées de différentes façons : si et comment elles modifient la séquence d’acides aminés de la protéine, si elles se produisent sur une petite ou grande zone d’ADN, et si elles se produisent dans les cellules somatiques ou les cellules germinales.

Conséquences des mutations ponctuelles au niveau moléculaire

Les mutations qui se produisent à un seul nucléotide sont appelées mutations ponctuelles. Lorsque des mutations ponctuelles se produisent dans les gènes, les conséquences peuvent varier en gravité en fonction de ce qui arrive à la séquence d’acides aminés codés. Une mutation silencieuse ne change pas l’identité des acides aminés et n’aura aucun effet sur un organisme. Une mutation de missense change un seul acide aminé, et les effets pourraient être sérieux si le changement modifie la fonction de la protéine. Une mutation absurde produit un codon d’arrêt qui tronque la protéine, la rendant probablement non fonctionnelle. Les mutations de frameshift se produisent lorsqu’un ou plusieurs nucléotides sont insérés ou supprimés d’une séquence d’ADN codant les protéines, affectant tous les codons en aval de l’emplacement de la mutation.

Les altérations chromosomiques sont des mutations à grande échelle

Le type de mutation le plus drastique, l’altération chromosomique, modifie la structure physique d’un chromosome. Les altérations chromosomiques peuvent inclure la suppression, la duplication ou l’inversion de grandes étendues d’ADN dans un chromosome unique, ou l’intégration d’une partie d’un chromosome différent. Ces mutations sont généralement beaucoup plus graves que les mutations ponctuelles parce qu’elles englobent de nombreux gènes et éléments régulateurs. Les altérations chromosomiques peuvent être détectées par le caryotypage de la cellule affectée.

Seules les mutations germinales sont héréditaires

Des mutations peuvent survenir dans n’importe quelle cellule, mais seules les mutations germinales — celles présentes dans les ovules et les spermatozoïdes — peuvent être transmises à la progéniture. Par exemple, les maladies héréditaires sont un sous-type de trouble génétique qui sont causés par des mutations délétères germinales. Ils peuvent être autosomaux, se produisant sur les chromosomes un à 22, ou liés au sexe, se produisant sur le chromosome X ou Y. Un exemple de maladie héréditaire est la fibrose kystique (FK), une maladie qui affecte principalement les poumons. Elle est causée par une suppression dans le gène CFTR qui élimine un seul acide aminé de la protéine CFTR. La FK est une maladie récessive autosomale, ce qui signifie qu’une personne avec une copie mutée du gène et une copie normale ne développera pas la maladie; d’autres maladies, comme la maladie de Huntington, une maladie neurodégénérative, sont dominantes automome, ce qui signifie qu’une seule copie mutée du gène est nécessaire pour que la maladie se développe.

Certaines mutations sont causées par des facteurs environnementaux

Les deux mutations somatiques — celles qui se produisent en dehors de la lignée germinale — et les mutations germinales peuvent survenir spontanément pendant la réplication de l’ADN, mais elles peuvent aussi être causées par l’exposition à des radiations ou à des produits chimiques dans l’environnement. Les facteurs externes qui endommagent l’ADN et causent des mutations sont appelés mutagènes. Un mutagène environnemental bien caractérisé est le rayonnement ultraviolet (UV). Le rayonnement UV transporte plus d’énergie que la lumière visible et endommage l’ADN en brisant les liens entre les paires de base, ce qui provoque des bases de thymine sur le même brin d’ADN à paire avec l’autre dans les dimers thymine caractéristique. Le soleil est une source naturelle de rayonnement UV. Les longueurs d’onde les plus dommageables, les UV-C, sont interceptées haut dans l’atmosphère, mais les rayons UV-A et UV-B atteignent la surface de la Terre. Les sources artificielles d’exposition aux UV comprennent les lits de bronzage, qui transmettent principalement les rayons UV-A avec de plus petites quantités d’UV-B. Heureusement, les cellules ont des mécanismes pour réparer l’ADN endommagé, mais parfois les dommages ne sont pas réparés avant la division cellulaire dans les cellules qui se divisent rapidement, telles que les cellules de la peau. Si les dommages à l’ADN se produisent dans une région génomique qui est importante pour la régulation de la croissance cellulaire et la division, il peut conduire au cancer si elle n’est pas réparée.

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