Mutacje i choroby genetyczne

Mutacje i choroby genetyczne

Każda komórka naszego ciała zawiera komplet informacji genetycznej o całym ciele. Informacja ta jest jednak przechowywana w formie związków chemicznych, dlatego też może ulegać zmianom, czyli mutacjom. Mutacja to zmiana w sekwencji nukleotydowej DNA organizmu albo w DNA lub RNA wirusa i im (oraz ich skutkom) jest poświęcony ten wpis.

Wpis ten został napisany na podstawie podstawy programowej liceum i obejmuje wyłącznie minimum programowe z omawianego zakresu.

Mutacje

Mutacje stanowią podstawowe źródło nowych genów w populacji i tym samym są jednym z podstawowych źródeł rekombinacji genetycznej, ale żeby skutki mutacji mogły być przekazane kolejnym pokoleniom, muszą one zajść albo w gamecie (plemniku/komórce jajowej), albo w komórce prekursorowej gamet (np. spermatogoniach). Jest to o tyle logiczne, że jeśli mutacja zajdzie np. w mięśniach, to nie zostanie magicznie przekazana dziecku, bo mięśnie właściwie nic do rozmnażania nie mają. Warto zwrócić uwagę na fakt, że gamety matki nie są produkowane na bieżąco, a leżą i czekają na swoją kolej, dlatego czym matka starsza, tym większe ryzyko wystąpienia u dziecka chorób genetycznych.

Biorąc za wyznacznik pochodzenie mutacji, możemy je podzielić na mutacje spontaniczne, czyli wywołane błędem polimerazy podczas replikacji oraz na indukowane czynnikami mutagennymi. Podział i przykłady mutagenów przedstawiono na rycinie.

Obraz4.png

Najbardziej podstawowy podział mutacji wynika z różnej skali zmian. Jeżeli zmiany dotykają całych chromosomów, mówimy o aberracjach chromosomowych, jeżeli zaś dotyczą fragmentu pojedynczego chromosomu (pojedynczego genu), nazwiemy je mutacjami genowymi.

Obraz1.png

Mutacje genowe

Rodzaje mutacji genowych

Mutacje genowe dotyczą pojedynczego genu, czyli zwykle od jednej do kilku par zasad azotowych DNA. Jeżeli zmiany dotyczą tylko jednej pary zasad, nazwiemy je mutacjami punktowymi. Poza nimi, wyróżnimy także insercje i delecje.

Obraz2.png

Substytucje

Jeżeli jedna para zasad azotowych (adenina, tymina, guanina, cytozyna lub uracyl) zmienia się w inną, mówimy o substytucjach. Substytucje nie zmieniają ogólnej liczby nukleotydów – żadnego nie ubyło, żadnego nie przybyło, po prostu jeden z nukleotydów zmienił się w inny. Pamiętamy, że można wyróżnić dwa rodzaje (dwie „wersje”) zasad azotowych w ogóle – puryny i pirymidyny. Informacja które są które znajduje się na pierwszej stronie tablic, ale łatwo to zapamiętać za pomocą podpórki pamięciowej:

Piramidy

Jeżeli zmienia się „wersja” zasady azotowej (czyli np. cytozyna zmienia się w guaninę), to mówimy o transwersji. Jeżeli zaś puryna staje się inną puryną lub pirymidyna inną pirymidyną, to mówimy o tranzycji.

Insercje i delecje

Insercje i delecje to mutacje, w których nukleotydy są wstawiane lub usuwane. Insercje (od ang. insert) to dodanie jednej lub więcej par nukleotydów, a delecje (od ang. delete) to ich usunięcie jednego lub więcej par nukleotydów.

Skutki mutacji genowych

Mutacje genowe można podzielić również ze względu na skutki dla translacji. W ten sposób możemy wyróżnić mutacje zmiany sensu, mutacje ciche, mutacje nonsensowne oraz mutacje przesunięcia ramki odczytu.

Obraz3

Do pełnego zrozumienia skutków mutacji, potrzebna jest tabela kodu genetycznego, którą znajdziemy w tablicach.

TABLICE PRZYRODNICZE_Strona_05.png
Źródło: Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki, CKE

Mutacje zmiany sensu

Mutacje zmiany sensu to najbardziej intuicyjne mutacje. Zmienia się nukleotyd w DNA, przez co zmienia się także kodon w mRNA. Inny kodon → inny aminokwas w białku → białko ma inną strukturę → białko jest upośledzone lub całkiem niezdolne do pełnienia swojej funkcji. Rozważmy ten przykład (już na mRNA):

Mutacje zmiany sensu

W pierwotnej nici mRNA obecny był kodon GAG, który kodował kwas glutaminowy. Adenina zmieniła się w uracyl, czyli mamy do czynienia z substytucją, a ponieważ adenina jest puryną, a uracyl jest pirymidyną, to jest to transwersja. W zmutowanym mRNA nie ma już kodonu GAG, a jest kodon GUG, który koduje walinę. Nastąpiła zmiana sensu kodonu, bo nie koduje on już tego samego aminokwasu.

Mutacje ciche

O mutacjach zmiany sensu mówimy tylko wtedy, gdy w wyniku zmiany kodonu, zmieni się aminokwas w białku. Kod genetyczny jest zdegenerowany, czyli nie ma tylko jednego kodonu kodującego dany aminokwas. Rozważmy przykład:

Mutacje ciche.png

W wyniku mutacji, kodon GAG zmienił się w kodon GAA (tranzycja). Jeśli jednak zajrzymy do tabeli kodu genetycznego, zauważymy, że obydwa te kodony kodują ten sam aminokwas – kwas glutaminowy. Pomimo tego, że nastąpiła zmiana sekwencji nukleotydów, nie ujawni się ona w białku. W ten sposób mutacja nie będzie miała żadnych widocznych skutków. Taki typ mutacji określa się mianem cichych (milczących, synonimicznych).

Mutacje nonsensowne

Kolejny typ mutacji to mutacje nonsensowne. Mają one miejsce, gdy jakiś kodon na mRNA zmieni się w kodon STOP. Spowoduje to, że translacja zatrzyma się wcześniej (często znacznie wcześniej) niż powinna, białko będzie krótsze i niezdolne do pełnienia swoich funkcji. Na innej nici mRNA rozważmy przykład:

Mutacje nonsensowne.png

Kodon UAC, który wcześniej kodował tyrozynę, po mutacji zmienił się w kodon UAA, który jest kodonem STOP. Spowoduje to, że licząc od miejsca zaznaczonego na czerwono, ekspresji nie ulegnie ani jeden kodon.

Mutacje przesunięcia ramki odczytu

Ostatni i najbardziej skomplikowany skutek mutacji to przesunięcie ramki odczytu. Kod genetyczny jest bezprzecinkowy, czyli nie ma niczego, co by oddzielało jeden kodon od drugiego, żadnego przecinka. Zamiast tego translacja bierze po prostu trzy kolejne nukleotydy. Jeżeli więc nastąpi insercja lub delecja jakiegoś nukleotydu, to nie spowoduje to zmiany tylko jednego nukleotydu, a całego sposobu, na jaki rybosom „czyta” mRNA. Na przykładzie insercji:

Przesunięcie ramki odczytu.png

W tej mutacji pomiędzy nukleotydy U i A wszedł nukleotyd G. W ten sposób wszystkie nukleotydy, które następowały później w stosunku do miejsca insercji, zostały niejako przesunięte o jeden. W ten sposób białko o sekwencji metionina–tyrozyna–kw. glutaminowy itd. zmieniło się w białko metionina–walina–arginina itd. Ramka odczytu przesunęła się, czyli zmieniło się to, na co „patrzy” rybosom „myśląc” o trzech kolejnych nukleotydach. Białko powstałe w wyniku ekspresji takiego zmutowanego genu ma zupełnie inną strukturę niż powinno.

Aberracje chromosomowe

Aberracje chromosomowe to mutacje dotyczące całego chromosomu. Mogą one polegać na delecji fragmentów lub nawet całych ramion chromosomów, duplikacji fragmentów chromosomów, odwróceniu kawałka chromosomów (inwersja), przeniesieniu fragmentu chromosomu na inny chromosom niehomologiczny lub wymiana fragmentami pomiędzy chromosomami niehomologicznymi (tym się różnią te mutacje od crossing-over, gdzie wymiana dotyczy chromosomów homologicznych).

Może także dojść do nieprawidłowego rozdzielenia się chromosomów w trakcie mejozy i przejście dwóch chromosomów homologicznych do jednej gamety. Skutkuje to tym, że do zygoty trafią nie dwa, a trzy chromosomy danej pary (trisomia). Mutacja może także spowodować zwielokrotnienie liczby wszystkich chromosomów i tym samym zmianę ploidalności organizmu.

Aberracje chromosomowe są możliwe do przeżycia dla roślin, ale dla zwierząt zwykle kończą się śmiercią lub poważnymi zaburzeniami ogólnorozwojowymi. Aberracje chromosomowe są zwykle znacznie poważniejsze w skutkach od mutacji genowych.

Choroby genetyczne człowieka

Choroby wynikające z mutacji genowych

Mutacje genowe mogą wywołać wiele różnego rodzaju chorób. Większość tych chorób warunkowane jest allelami recesywnymi (inaczej mówiąc allele powstałe w wyniku mutacji są recesywne). Ma to związek z tym, że jeśli choroby są dominujące, to pojawiają się w populacji często i nie występuje zjawisko nosicielstwa. Żeby dziecko było chore, jeden z rodziców musiałby być chory. Presja ewolucyjna mocno ograniczyła ilość chorób genetycznych warunkowanych allelem dominującym do chorób ujawniających się w późnym wieku, czyli już po rozmnożeniu. Uczeń liceum musi znać tylko jedną chorobę genetyczną warunkowaną allelem dominującym – pląsawicę Huntingtona.

Choroby wynikające z mutacji genowych to m.in.:

  • mukowiscydoza,
  • fenyloketonuria (blok metaboliczny, odkładanie fenyloalaniny),
  • hemofilia (sprzężona z płcią, zaburzenia krzepnięcia krwi),
  • daltonizm (sprzężony z płcią, ślepota na barwy),
  • choroba Huntingtona (warunkowana przez allel dominujący, zaburzenia nerwowe).

Choroby wynikające z aberracji chromosomowych

Większość mutacji chromosomowych kończy się dla zwierząt śmiercią, ale pewne konkretne aberracje mogą pozwolić na przeżycie. Powoduje to mniej lub bardziej straszne zaburzenia ogólnorozwojowe, które również mogą zakończyć się śmiercią. Przykłady chorób genetycznych człowieka, wynikających z aberracji chromosomowych to:

  • zespół Downa (trisomia 21),
  • zespół Turnera (obecność tylko jednego chromosomu płciowego X),
  • zespół Klinefeltera (obecność trzech chromosomów płciowych XXY).

Słowo Turner jest krótsze od słowa Klinefelter, co może pomóc zapamiętać, że w zespole Turnera występuje tylko jeden chromosom płciowy, a w zespole Klinefeltera aż trzy.

21_trisomy_-_Down_syndrome
Kariotyp w zespole Downa(źródło: http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/graphics/slides/elsikaryotype.shtml)

Sposoby zapisu informacji o kariotypie

Zdrowy człowiek ma 46 chromosomów. Jest diploidalny, czyli ma po dwa chromosomy wobec siebie homologiczne, czyli kariotyp człowieka tworzą 23 pary chromosomów. Jedna z tych par to chromosomy płci (allosomy), zaś 22 pozostałe pary to tzw. autosomy.

Jak powiedzieliśmy sobie wcześniej, niektóre mutacje zmieniają liczbę chromosomów. Zjawisko, gdzie organizm ma inną liczbę chromosomów niż powinien, nazywa się aneuploidią. Konkretne nazwy aneuploidów są analogiczne do nazw mutacji – jeżeli nastąpiła trisomia (trzy chromosomy zamiast dwóch), to organizm nazwiemy trisomikiem (np. osoby cierpiące na zespół Downa), jeśli nastąpiła monosomia (jeden chromosom zamiast dwóch), to organizm określimy mianem monosomika (jak w zespole Turnera). W tabeli przedstawiono różne sposoby zapisu liczby chromosomów na przykładzie pewnych mutacji człowieka:

Sposoby zapisu kariotypu.png
Uwaga! Ostatni wers przedstawia różne mutacje, kolejno zdrowa dziewczynka i chłopiec, chłopiec z zespołem Klinefeltera i dziewczynka z zespołem Turnera.

Uwagi

  1. Nie rozwodziłem się zbytnio nad aberracjami chromosomowymi i chorobami genetycznymi, ale ku mojemu zdziwieniu, podstawa programowa nie wymaga szczegółowej ich charakterystyki. Uczeń musi umieć zdefiniować mutacje chromosomowe i określić możliwe ich skutki. Jeśli chodzi o choroby, to przy mutacjach genowych musi tylko umieć podać te konkretne przykłady chorób, a przy aberracjach chromosomowych musi umieć podać przykłady i określić na czym polegają dane mutacje.
  2. Warto zwrócić uwagę na fakt, że mutacje są również odpowiedzialne za powstawanie nowotworów, ale nie klasyfikuje ich się jako choroby genetyczne.
  3. Warto zwrócić uwagę, że podstawa programowa zakłada tylko znajomość konkretnych chorób, ale czasem uczeń musi wybierać odpowiedź wedle zasady eliminacji na podstawie posiadanej wiedzy.

Bibliografia

  • Campbell, N., Reece, J., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P., Jackson, R., Stobrawa, K., Strzałko, J., Dabert, J., Urry, L., Dabert, M., Wiland-Szymańska, J., Woźny, A., Słocińska, M., Pacholska-Bogalska, J., Marciniak, P., Kasprzyk, A., Czarniewska, E., Rosiński, G., Rosińska, J., Surmacki, A., Bandel, J. and Szymczak, M. (2017). Biologia Campbella. Poznań: Dom Wydawniczy REBIS.
  • Dubert, F., Jurgowiak, M., Marko-Worłowska, M. and Zamachowski, W. (2017). Biologia na czasie 3. Warszawa: Nowa Era.
  • Podstawa programowa przedmiotu Biologia

Licencja Creative Commons
Mutacje i choroby genetyczne by Stowarzyszenie Evviva l’arte / Jakub Jędrusiak is licensed under a Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Na tych samych warunkach 4.0 Międzynarodowe License.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *