Quali mutazioni sono dette spontanee? Se traduciamo il termine in un linguaggio accessibile, allora si tratta di errori naturali che si verificano nel processo di interazione del materiale genetico con l'ambiente interno e/o esterno. Tali mutazioni sono generalmente casuali. Si osservano nei genitali e in altre cellule del corpo.
Cause esogene delle mutazioni
La mutazione spontanea può verificarsi sotto l'influenza di sostanze chimiche, radiazioni, alte o basse temperature, aria rarefatta o alta pressione.
Ogni anno, in media, una persona assorbe circa un decimo di radiazione ionizzante che costituisce la radiazione naturale di fondo. Questo numero include la radiazione gamma dal nucleo terrestre, il vento solare e la radioattività degli elementi che si trovano nello spessore della crosta terrestre e disciolti nell'atmosfera. La dose ricevuta dipende anche da dove si trova la persona. Un quarto di tutte le mutazioni spontanee si verifica a causa di questo fattore.
Le radiazioni UV, contrariamente alla credenza popolare, svolgono un ruolo minoreil verificarsi di rotture del DNA, poiché non può penetrare abbastanza in profondità nel corpo umano. Ma la pelle spesso soffre di un'eccessiva esposizione al sole (melanoma e altri tumori). Tuttavia, gli organismi unicellulari e i virus mutano se esposti alla luce solare.
Temperature troppo alte o troppo basse possono anche causare cambiamenti nel materiale genetico.
Cause endogene di mutazioni
Le ragioni principali per cui possono verificarsi mutazioni spontanee rimangono fattori endogeni. Questi includono sottoprodotti metabolici, errori nel processo di replicazione, riparazione o ricombinazione e altri.
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Fallimenti nella replicazione:
- transizioni e inversioni spontanee di basi azotate;
- inserimento errato dei nucleotidi a causa di errori nelle DNA polimerasi;- sostituzione chimica dei nucleotidi, per esempio, da guanina-citosina ad adenina-guanina.
- Errori di ripristino:-mutazioni nei geni responsabili della riparazione di singole sezioni della catena del DNA dopo che si rompono sotto l'influenza di fattori esterni.
- Problemi con la ricombinazione:- i fallimenti nei processi di crossing over durante la meiosi o la mitosi portano alla perdita e al completamento delle basi.
Questi sono i principali fattori che causano mutazioni spontanee. Le ragioni dei fallimenti possono risiedere nell'attivazione di geni mutatori, nonché nella conversione di composti chimici sicuri in metaboliti più attivi che influenzano il nucleo cellulare. Inoltre, ci sono anche fattori strutturali. Questi includono ripetizioni della sequenza nucleotidica vicino al sitoriarrangiamenti della catena, la presenza di ulteriori sezioni di DNA simili nella struttura al gene, nonché elementi mobili del genoma.
Patogenesi della mutazione
La mutazione spontanea si verifica a causa dell'impatto di tutti i suddetti fattori che agiscono insieme o separatamente in un certo periodo della vita della cellula. Esiste un fenomeno come una violazione scorrevole dell'accoppiamento dei filamenti di DNA figlia e materno. Di conseguenza, le anse sono spesso formate da peptidi che non sono stati in grado di adattarsi adeguatamente alla sequenza. Dopo la rimozione dei frammenti di DNA in eccesso dal filamento figlia, le anse possono essere sia resecate (cancellazioni) che integrate (duplicazioni, inserzioni). Le modifiche che sono apparse vengono corrette nei successivi cicli di divisione cellulare.
Il tasso e il numero di mutazioni che si verificano dipendono dalla struttura primaria del DNA. Alcuni scienziati ritengono che assolutamente tutte le sequenze di DNA siano mutagene se formano curve.
Mutazioni spontanee più comuni
Qual è la manifestazione più comune di mutazioni spontanee nel materiale genetico? Esempi di tali condizioni sono la perdita di basi azotate e la rimozione di amminoacidi. I residui di citosina sono considerati particolarmente sensibili ad essi.
È stato dimostrato che oggi più della metà dei vertebrati ha una mutazione dei residui di citosina. Dopo la deaminazione, la metilcitosina si trasforma in timina. La successiva copia di questa sezione ripete l'errore o lo elimina, oppure raddoppia emuta in un nuovo frammento.
Un altro motivo per frequenti mutazioni spontanee è un gran numero di pseudogeni. Per questo motivo, durante la meiosi possono formarsi ricombinazioni omologhe ineguali. Ciò si traduce in riarrangiamenti nei geni, turni e raddoppi delle singole sequenze nucleotidiche.
Modello di mutagenesi in polimerasi
Secondo questo modello, le mutazioni spontanee si verificano a seguito di errori casuali nelle molecole che sintetizzano il DNA. Per la prima volta, un tale modello è stato presentato da Bresler. Ha suggerito che le mutazioni appaiano dovute al fatto che le polimerasi in alcuni casi inseriscono nucleotidi non complementari nella sequenza.
Anni dopo, dopo lunghi test ed esperimenti, questo punto di vista è stato approvato e accettato nel mondo scientifico. Sono stati anche dedotti alcuni modelli che consentono agli scienziati di controllare e dirigere le mutazioni esponendo determinate sezioni del DNA alla luce ultravioletta. Così, ad esempio, è stato riscontrato che l'adenina è spesso incorporata di fronte alla tripletta danneggiata.
Modello tautomerico di mutagenesi
Un' altra teoria che spiega le mutazioni spontanee e artificiali è stata proposta da Watson e Crick (gli scopritori della struttura del DNA). Hanno suggerito che la mutagenesi si basa sulla capacità di alcune basi del DNA di trasformarsi in forme tautomeriche che cambiano il modo in cui le basi sono collegate.
Dopo la pubblicazione, l'ipotesi è stata attivamente sviluppata. Dopo sono state scoperte nuove forme di nucleotidiirradiandoli con luce ultravioletta. Ciò ha offerto agli scienziati nuove opportunità di ricerca. La scienza moderna sta ancora discutendo il ruolo delle forme tautomeriche nella mutagenesi spontanea e la sua influenza sul numero di mutazioni rilevate.
Altri modelli
È possibile una mutazione spontanea in violazione del riconoscimento degli acidi nucleici da parte delle DNA polimerasi. Poltaev e coautori hanno chiarito il meccanismo che garantisce il rispetto del principio di complementarità nella sintesi delle molecole di DNA figlie. Questo modello ha permesso di studiare le regolarità della comparsa di mutagenesi spontanea. Gli scienziati hanno spiegato la loro scoperta con il fatto che la ragione principale del cambiamento nella struttura del DNA è la sintesi di coppie di nucleotidi non canoniche.
Hanno suggerito che la sostituzione delle basi avvenga a causa della deaminazione dei segmenti di DNA. Ciò porta a un cambiamento nella citosina in timina o uracile. A causa di tali mutazioni, si formano coppie di nucleotidi incompatibili. Pertanto, durante la successiva replicazione, si verifica una transizione (sostituzione puntiforme delle basi nucleotidiche).
Classificazione delle mutazioni: spontanee
Ci sono diverse classificazioni delle mutazioni a seconda del criterio alla base. Esiste una divisione in base alla natura del cambiamento nella funzione del gene:
- ipomorfico (gli alleli mutati sintetizzano meno proteine, ma sono simili a quelle originali);
- amorfo (il gene ha perso completamente le sue funzioni);
- antimorfico (il il gene mutato cambia completamente quel tratto, che rappresenta);- neomorfico (appaiono nuovi segni).
Ma una classificazione più comune che divide tutte le mutazioni in proporzione alla variabilestruttura. Evidenzia:
1. Mutazioni genomiche. Questi includono la poliploidia, cioè la formazione di un genoma con un triplo o più set di cromosomi, e l'aneuploidia, il numero di cromosomi nel genoma non è un multiplo del numero aploide.
2. Mutazioni cromosomiche. Si osservano riarrangiamenti significativi delle singole sezioni dei cromosomi. C'è una perdita di informazioni (cancellazione), il suo raddoppio (duplicazione), un cambiamento nella direzione delle sequenze nucleotidiche (inversione), così come il trasferimento di sezioni cromosomiche in un altro luogo (traslocazione).3. Mutazione genica. La mutazione più comune. Nella catena del DNA, vengono sostituite diverse basi azotate casuali.
Conseguenze delle mutazioni
Le mutazioni spontanee sono le cause di tumori, malattie da accumulo, disfunzioni di organi e tessuti nell'uomo e negli animali. Se una cellula mutata si trova in un grande organismo multicellulare, allora con un alto grado di probabilità verrà distrutta innescando l'apoptosi (morte cellulare programmata). Il corpo controlla il processo di conservazione del materiale genetico e, con l'aiuto del sistema immunitario, si sbarazza di tutte le possibili cellule danneggiate.
In un caso su centinaia di migliaia, i linfociti T non hanno il tempo di riconoscere la struttura interessata e danno origine a un clone di cellule che contengono anche il gene mutato. Il conglomerato di cellule ha già altre funzioni, produce sostanze tossiche e influisce negativamente sulle condizioni generali dell'organismo.
Se la mutazione non è avvenuta nella cellula somatica, ma nella cellula germinale, i cambiamenti si osserveranno nei discendenti. Sonosi manifestano con patologie degli organi congeniti, deformità, disordini metabolici e malattie da accumulo.
Mutazioni spontanee: significato
In alcuni casi, mutazioni precedentemente apparentemente inutili possono essere utili per adattarsi a nuove condizioni di vita. Questo rappresenta la mutazione come misura della selezione naturale. Animali, uccelli e insetti sono mimetizzati in base alla loro zona di residenza per proteggersi dai predatori. Ma se il loro habitat cambia, con l'aiuto delle mutazioni, la natura cerca di proteggere la specie dall'estinzione. In nuove condizioni, i più adatti sopravvivono e trasmettono questa capacità agli altri.
La mutazione può verificarsi in regioni inattive del genoma e quindi non si osservano cambiamenti visibili nel fenotipo. È possibile rilevare la "rottura" solo con l'ausilio di studi specifici. Ciò è necessario per studiare l'origine delle specie animali correlate e redigere le loro mappe genetiche.
Il problema della spontaneità delle mutazioni
Negli anni '40 del secolo scorso, c'era una teoria secondo cui le mutazioni sono causate esclusivamente dall'influenza di fattori esterni e aiutano ad adattarsi ad essi. Per testare questa teoria, è stato sviluppato uno speciale metodo di test e ripetizione.
La procedura consisteva nel fatto che una piccola quantità di batteri della stessa specie veniva seminata in provetta e dopo diverse vaccinazioni venivano aggiunti antibiotici. Alcuni dei microrganismi sono sopravvissuti e sono stati trasferiti in un nuovo mezzo. Il confronto di batteri provenienti da tubi diversi ha mostrato che è sorta una resistenzaspontaneamente, sia prima che dopo l'esposizione agli antibiotici.
Il metodo di ripetizione prevedeva che i microrganismi venissero trasferiti su un panno soffice e quindi trasferiti simultaneamente su diversi supporti puliti. Nuove colonie sono state coltivate e trattate con un antibiotico. Di conseguenza, i batteri situati nelle stesse parti del terreno sono sopravvissuti in provette diverse.
