Основни характеристики на гена
Сега е установено в молекулярната биология, че гените са
В същото време всеки ген се характеризира с редица специфични регулаторни ДНК последователности, като промотори, които участват пряко в регулирането на генната експресия.
По този начин понятието за ген не се ограничава само до кодиращата област на ДНК, но е по-широко понятие, което включва регулаторни последователности.
Гените могат да претърпят мутации – произволни илицеленасочени промени в нуклеотидната последователност в ДНК веригата. Мутациите могат да доведат до промяна в последователността и следователно до промяна в биологичните характеристики на протеина или РНК, което от своя страна може да доведе до общо или локално променено или ненормално функциониране на тялото.
Такива мутации в някои случаи сапатогенни, тъй като водят до заболяване, или смъртоносни на ембрионално ниво. Въпреки това, не всички промени в нуклеотидната последователност водят до промени в протеиновата структура (поради ефекта на дегенерация на генетичния код) или до значителна промяна в последователността и не са патогенни.
Как работи молекулярната еволюция?
- Мутация
Репликацията на ДНК в по-голямата си част е изключителноточни, но грешки се случват. Степента на грешка в еукариотните клетки може да бъде толкова ниска, колкото 10-8 на нуклеотид на репликация, докато за някои РНК вируси може да достигне до 10-3. Това означава, че във всяко поколение всеки човек натрупва 1-2 нови мутации в генома.
Малки мутации могат да бъдат причинени от репликацияДНК и последствията от увреждане на ДНК и включват точкови мутации, при които се променя една база, и мутации с изместване на рамката, при които се вмъква или изтрива една база.
Големите мутации могат да бъдат причинени от грешки в рекомбинацията, за да причинят хромозомни аномалии, включително дублиране, пренареждане или инверсия на големи участъци от хромозома.
В допълнение, механизмите за възстановяване на ДНК могатвъвеждат мутационни грешки при възстановяване на физическо увреждане на молекула. Поправянето, дори и с мутация, е по-важно за оцеляването, отколкото поправянето на реплики, например, когато се ремонтират двойни нишки.
- Брой гени
Размер на генома и брой на гените, които съдържасъдържа, варират значително между таксономичните групи. Най-малките геноми се намират във вируси и вироиди (които действат като единичен некодиращ РНК ген).
И обратно, растенията могат да имат много големигеноми, оризът съдържа над 46 000 гена, които кодират протеини. Общият брой на гените, кодиращи протеини (протеома на Земята), който през 2007 г. е оценен на 5 милиона последователности, е намален до 3,75 милиона до 2017 г.
Причини за мутации
Има мутации:
- спонтанен,
- индуциран,
Спонтанните мутации възникват спонтаннопрез целия живот на организма при нормални условия на околната среда с честота на нуклеотид за клетъчното поколение на организма от около 10−9 до 10−12
Индуцираните мутации се наследяватпромени в генома в резултат на определени мутагенни влияния в изкуствени (експериментални) условия или при неблагоприятни влияния на околната среда.
Мутациите се появяват постоянно по време на процеситевъзникващи в жива клетка. Основните процеси, водещи до появата на мутации, са репликация на ДНК, нарушения на възстановяването на ДНК, транскрипция и генетична рекомбинация.
- Асоциация на мутации с репликация на ДНК
Много спонтанни химически променинуклеотидите водят до мутации, които се появяват по време на репликацията. Например, поради дезаминиране на цитозин, противоположен на гуанин, урацилът може да бъде включен в ДНК веригата (U-G двойка се образува вместо каноничната C-G двойка).
- Асоциация на мутации с ДНК рекомбинация
От процесите, свързани с рекомбинацията, най-многочесто води до неравномерно пресичане на мутации. Обикновено това се случва, когато хромозомата съдържа няколко дублирани копия на оригиналния ген, които запазват подобна нуклеотидна последователност. В резултат на неравномерно пресичане се получава дублиране в една от рекомбинантните хромозоми, а в другата се получава делеция.
- Асоциация на мутациите с възстановяването на ДНК
Спонтанното увреждане на ДНК е доста често.често такива събития се случват във всяка клетка. За да се елиминират последиците от такива щети, има специални механизми за поправяне (например, на това място се изрязва погрешна ДНК секция и се възстановява оригиналната). Мутациите възникват само когато механизмът за ремонт по някаква причина не работи или не се справя с отстраняването на щетите.
Какви са мутациите
Има няколко класификации на мутациите споредразлични критерии. Мьолер предложи да се разделят мутациите според естеството на промяната във функционирането на гена на хипоморфни (променените алели действат в същата посока като алелите от див тип).
Синтезира се само по-малко протеинов продукт), аморфен (мутацията изглежда като пълна загуба на генна функция, напр.бялпри Drosophila), антиморфен (мутантният признак се променя, например цветът на царевичното зърно се променя от лилав на кафяв) и неоморфен.
Съвременната образователна литература също използва по-официална класификация, основана на естеството на промените в структурата на отделните гени, хромозоми и генома като цяло.
В рамките на тази класификация се разграничават следните видове мутации:
- Геномни— полиплоидизация и анеуплоидия —промяна в броя на хромозомите, която не е кратна на хаплоидния набор. В зависимост от произхода на хромозомните набори сред полиплоидите се прави разлика между алополиплоиди, които имат хромозомни набори, получени чрез хибридизация от различни видове, и автополиплоиди, при които броят на хромозомните набори от собствения им геном се увеличава с кратно на n.
- Хромозомни. Когато възникнат хромозомни мутацииголеми пренареждания в структурата на отделните хромозоми. В този случай има загуба (делеция) или удвояване на част (дупликация) от генетичния материал на една или повече хромозоми, промяна в ориентацията на хромозомните сегменти в отделните хромозоми (инверсия), както и прехвърляне на част от генетичния материал от една хромозома на друга (транслокация).
- Генетична. На генно ниво промените в първичнатаДНК структурите на гените под въздействието на мутации са по-малко значими, отколкото при хромозомните мутации, но генните мутации са по-чести. В резултат на генни мутации, замествания, делеции и вмъквания на един или повече нуклеотиди възникват транслокации, дупликации и инверсии на различни части от гена. В случай, че само един нуклеотид се променя поради мутация, се говори за точкови мутации.
Последиците от мутациите за клетката и тялото
Мутациите, които нарушават клетъчната активност в многоклетъчния организъм, често водят до разрушаване на клетките (по-специално програмирана клетъчна смърт - апоптоза).
Ако вътре- и извънклетъчните защитни механизми не саразпознат мутация и клетката е претърпяла делене, тогава мутантният ген ще бъде предаден на всички потомци на клетката и най-често води до факта, че всички тези клетки започват да функционират по различен начин.
Мутация в соматичната клетка на комплексмногоклетъчен организъм може да доведе до злокачествени или доброкачествени новообразувания, мутация в зародишната клетка - до промяна в свойствата на целия потомствен организъм.
В стабилен (непроменлив или леко променящ се)условия на съществуване повечето индивиди имат генотип, близък до оптималния, а мутациите причиняват нарушаване на функциите на тялото, намаляват неговата годност и могат да доведат до смъртта на индивида.
Въпреки това, в много редки случаи, мутация можеводят до появата на нови полезни характеристики в тялото и след това последствията от мутацията са положителни; в този случай те са средство за адаптиране на тялото към околната среда и съответно се наричатадаптивна,
Ролята на мутациите в еволюцията
При значителна промяна в условията на живот тези мутации, които преди са били вредни, могат да се окажат полезни. По този начин мутациите са материалът за естествения подбор.
По този начин меланистични мутанти (тъмно оцветени индивиди) впопулациите на брезовия молец в Англия са открити за първи път от учени сред типични светло оцветени индивиди в средата на 19 век. Тъмното оцветяване възниква в резултат на мутация в един ген. Пеперудите прекарват деня по стволовете и клоните на дърветата, обикновено покрити с лишеи, срещу които светлата окраска действа като камуфлаж.
В резултат на индустриалната революция,придружени от атмосферно замърсяване, лишеите загинаха, а светлите стволове на брезите се покриха със сажди. В резултат на това до средата на 20-ти век (над 50-100 поколения) в индустриалните райони тъмната морфа почти напълно замени светлата.
Доказано е, че основната причина за преобладаващото оцеляване на черната форма е хищничеството на птиците, които избирателно са яли светло оцветени пеперуди в замърсени райони.
Проблемът за случайността на мутациите
През 40-те години той е популярен сред микробиолозитегледната точка, според която мутациите се причиняват от влиянието на фактор на околната среда (например антибиотик), към който те позволяват да се адаптират. За да се провери тази хипотеза, бяха разработени флуктуационен тест и метод на реплика.
Флуктуационният тест на Luria-Delbrück се състои отв това, че малки части от първоначалната бактериална култура се диспергират в епруветки с течна среда и след няколко цикъла на деления към епруветките се добавя антибиотик. След това (без последващо разделяне) оцелелите устойчиви на антибиотици бактерии се засяват върху петриево блюдо с твърда среда.
Тестът показа, че броят на резистентните колонии отТой е много променлив между различните тръби - в повечето случаи е малък (или нула), а в някои случаи е много висок. Това означава, че мутациите, които са причинили антибиотична резистентност, са възникнали в произволни моменти от времето, както преди, така и след нейното излагане.
Така и по двата метода беше доказано, че„адаптивните” мутации възникват независимо от влиянието на фактора, към който позволяват адаптация, и в този смисъл мутациите са случайни. Въпреки това, няма съмнение, че възможността за определени мутации зависи от генотипа и се канализира от предишния ход на еволюцията.
Как се откриват генни мутации?
Първо, от пациента се взема биологичен материал.(кръв, урина, мускулна биопсия и др.), ДНК се изолира от тях чрез специални техники. След това, използвайки специфични методи, получената от нас ДНК проба се подготвя за генно секвениране.
Освен това се разкрива къде точно при този пациент е имало заместване на един или повече нуклеотиди (или някакви други промени в делецията, вмъкването и т.н.).
Молекулярно генетичното тестване (търсене на мутации в гена, отговорен за развитието на болестта) ви позволява точно да установите диагнозата на наследствено заболяване.
Прочетете още:
Илон Мъск: първите туристи на Марс ще умрат
Създадена е първата точна карта на света. Какво не е наред с всички останали?
Най-голямото масово измиране се е случило във вода 10 пъти по-бързо, отколкото на сушата