Hlavní charakteristiky genu
V molekulární biologii je nyní stanoveno, že geny jsou
Zároveň je každý gen charakterizován řadou specifických regulačních sekvencí DNA, jako jsou promotory, které se přímo podílejí na regulaci genové exprese.
Koncept genu se tedy neomezuje pouze na kódující oblast DNA, ale je širším konceptem, který zahrnuje regulační sekvence.
Geny mohou procházet mutacemi – náhodnými popřcílené změny v nukleotidové sekvenci v řetězci DNA. Mutace mohou vést ke změně sekvence, a tedy ke změně biologických charakteristik proteinu nebo RNA, což může následně vést k obecné nebo lokální změněné nebo abnormální funkci těla.
Takové mutace v některých případech jsoupatogenní, protože vedou k onemocnění nebo letální na embryonální úrovni. Ne všechny změny v nukleotidové sekvenci však vedou ke změnám ve struktuře proteinu (vlivem degenerace genetického kódu) nebo k výrazné změně sekvence a nejsou patogenní.
Jak funguje molekulární evoluce?
- Mutace
Replikace DNA je z větší části extrémněpřesné, ale chyby se stávají. Chybovost v eukaryotických buňkách může být až 10-8 na nukleotid na replikaci, zatímco u některých RNA virů může být až 10-3. To znamená, že v každé generaci každý člověk nahromadí 1-2 nové mutace v genomu.
Malé mutace mohou být způsobeny replikacíDNA a následky poškození DNA a zahrnují bodové mutace, při kterých je změněna jedna báze, a mutace s posunem čtecího rámce, při kterých je vložena nebo odstraněna jediná báze.
Velké mutace mohou být způsobeny chybami v rekombinaci, které způsobují chromozomální abnormality, včetně duplikace, přeskupení nebo inverze velkých částí chromozomu.
Kromě toho mohou opravné mechanismy DNAzavést mutační chyby při obnově fyzického poškození molekuly. Oprava, dokonce is mutací, je pro přežití důležitější než oprava repliky, například při opravě dvouvláknových zlomů.
- Počet genů
Velikost genomu a počet genů, které obsahujeobsahuje, se významně liší mezi taxonomickými skupinami. Nejmenší genomy se nacházejí ve virech a viroidech (které fungují jako jeden nekódující RNA gen).
Naopak rostliny mohou mít velmi velkégenomy, rýže obsahuje více než 46 000 genů, které kódují bílkoviny. Celkový počet genů kódujících proteiny (zemský proteom), který se v roce 2007 odhadoval na 5 milionů sekvencí, se do roku 2017 snížil na 3,75 milionu.
Příčiny mutací
Existují mutace:
- spontánní,
- indukovaný.
Spontánní mutace vznikají spontánněpo celou dobu života organismu v běžných podmínkách prostředí s frekvencí na nukleotid pro buněčnou generaci organismu od cca 10−9 až 10−12
Indukované mutace se dědízměny v genomu vyplývající z určitých mutagenních vlivů v umělých (experimentálních) podmínkách nebo pod nepříznivými vlivy prostředí.
Během procesů se neustále objevují mutacevyskytující se v živé buňce. Hlavními procesy vedoucími ke vzniku mutací jsou replikace DNA, poruchy opravy DNA, transkripce a genetická rekombinace.
- Asociace mutací s replikací DNA
Mnoho spontánních chemických změnnukleotidy vedou k mutacím, ke kterým dochází během replikace. Například kvůli deaminaci cytosinu naproti guaninu může být do řetězce DNA zahrnut uracil (místo kanonického páru C-G se vytvoří pár U-G).
- Asociace mutací s rekombinací DNA
Z procesů spojených s rekombinací nejvícečasto vede k nerovnému křížení mutací. Obvykle k tomu dochází, když chromozom obsahuje několik duplikovaných kopií původního genu, které si zachovávají podobnou nukleotidovou sekvenci. V důsledku nerovného přechodu dochází k duplikaci v jednom z rekombinantních chromozomů a k deleci v druhém.
- Asociace mutací s opravou DNA
Spontánní poškození DNA je zcela běžné.často se takové události odehrávají v každé buňce. K odstranění následků takového poškození existují speciální opravné mechanismy (například je vyříznut chybný úsek DNA a na tomto místě je obnoven původní). Mutace vznikají, pouze když mechanismus opravy z nějakého důvodu nefunguje nebo se nedokáže vyrovnat s odstraněním poškození.
Jaké jsou mutace
Existuje několik klasifikací mutací podlerůzná kritéria. Möller navrhl dělit mutace podle povahy změny ve fungování genu na hypomorfní (změněné alely působí stejným směrem jako alely divokého typu.
Syntetizuje se pouze méně proteinového produktu, amorfní (mutace vypadá jako úplná ztráta funkce genu, např.bílýu Drosophila), antimorfní (změna mutanta, např. barva zrna kukuřice z fialové na hnědou) a neomorfní.
Moderní naučná literatura také používá formálnější klasifikaci založenou na povaze změn ve struktuře jednotlivých genů, chromozomů a genomu jako celku.
V rámci této klasifikace se rozlišují následující typy mutací:
- Genomický— polyploidizace a aneuploidie —změna v počtu chromozomů, která není násobkem haploidní sady. Podle původu sad chromozomů mezi polyploidy se rozlišují allopolyploidy, které mají sady chromozomů získané hybridizací z různých druhů, a autopolyploidy, u kterých se počet sad chromozomů vlastního genomu zvyšuje o násobek n.
- Chromozomální. Když dojde k chromozomálním mutacímvelké přestavby ve struktuře jednotlivých chromozomů. V tomto případě dochází ke ztrátě (deleci) nebo zdvojení části (duplikaci) genetického materiálu jednoho nebo více chromozomů, změně orientace chromozomových segmentů v jednotlivých chromozomech (inverze), jakož i k přenosu část genetického materiálu z jednoho chromozomu do druhého (translokace).
- Genetický. Na genové úrovni změny v primDNA struktury genů pod vlivem mutací jsou méně významné než u chromozomálních mutací, ale častější jsou genové mutace. V důsledku genových mutací, substitucí, delecí a inzercí jednoho nebo více nukleotidů dochází k translokacím, duplikacím a inverzím různých částí genu. V případě, že se vlivem mutace změní pouze jeden nukleotid, hovoří se o bodových mutacích.
Důsledky mutací pro buňku a tělo
Mutace, které narušují buněčnou aktivitu v mnohobuněčném organismu, často vedou k buněčné destrukci (zejména programovaná buněčná smrt - apoptóza).
Pokud intra- a extracelulární obranné mechanismy nejsourozpoznal mutaci a buňka prošla dělením, pak bude mutantní gen přenesen na všechny potomky buňky a nejčastěji vede k tomu, že všechny tyto buňky začnou fungovat odlišně.
Mutace v somatické buňce komplexumnohobuněčný organismus může vést k maligním nebo benigním novotvarům, mutaci v zárodečné buňce - ke změně vlastností celého potomka.
Stabilní (nemění se nebo se mírně mění)V podmínkách existence má většina jedinců genotyp blízký optimálnímu a mutace způsobují narušení funkcí těla, snižují jeho zdatnost a mohou vést ke smrti jedince.
Ve velmi vzácných případech však může dojít k mutacivést ke vzniku nových užitečných vlastností v těle a pak jsou důsledky mutace pozitivní; v tomto případě jsou prostředkem k přizpůsobení těla prostředí a podle toho se nazývajíadaptivní.
Úloha mutací v evoluci
S významnou změnou životních podmínek se mohou ty mutace, které byly dříve škodlivé, ukázat jako užitečné. Mutace jsou tedy materiálem pro přirozený výběr.
Melanističtí mutanti (tmavě zbarvení jedinci) vpopulace můry březové v Anglii vědci poprvé objevili mezi typickými světlými jedinci v polovině 19. století. Tmavé zbarvení vzniká v důsledku mutace v jednom genu. Motýli tráví den na kmenech a větvích stromů, obvykle pokrytých lišejníky, proti kterým působí světlé zbarvení jako maskování.
V důsledku průmyslové revoluce,doprovázené atmosférickým znečištěním lišejníky uhynuly a světlé kmeny bříz se pokryly sazemi. Výsledkem bylo, že v polovině 20. století (přes 50-100 generací) v průmyslových oblastech temná morfa téměř úplně nahradila světlou.
Ukázalo se, že hlavním důvodem převládajícího přežití černé formy je predace ptáků, kteří v kontaminovaných oblastech selektivně jedli světlé motýly.
Problém náhodnosti mutací
Ve čtyřicátých letech minulého století byl populární mezi mikrobiologyhledisko, podle kterého jsou mutace způsobeny vlivem environmentálního faktoru (například antibiotika), kterému se umožňují přizpůsobit. K otestování této hypotézy byl vyvinut test fluktuace a metoda repliky.
Luria-Delbrückův fluktuační test se skládá ztím, že se malé části počáteční bakteriální kultury dispergují do zkumavek s kapalným médiem a po několika cyklech dělení se do zkumavek přidá antibiotikum. Poté (bez následného dělení) se přežívající bakterie odolné vůči antibiotikům vysejí na Petriho misku s pevným médiem.
Test ukázal, že počet rezistentních kolonií zJe velmi variabilní mezi různými trubicemi - ve většině případů je malá (nebo nulová) a v některých případech je velmi vysoká. To znamená, že mutace, které způsobily rezistenci na antibiotika, se vyskytly v náhodných časových bodech, a to před i po expozici.
Oběma metodami tedy bylo prokázáno, že„adaptivní“ mutace vznikají bez ohledu na vliv faktoru, kterému umožňují adaptaci, a v tomto smyslu jsou mutace náhodné. Není však pochyb o tom, že možnost určitých mutací závisí na genotypu a je usměrňována předchozím průběhem evoluce.
Jak jsou detekovány genové mutace?
Nejprve je pacientovi odebrán biologický materiál.(krev, moč, biopsie svalu atd.), DNA je z nich extrahována pomocí speciálních technik. Poté pomocí specifických metod je vzorek DNA, který jsme získali, připraven pro sekvenování genů.
Dále se ukázalo, kde přesně u tohoto pacienta došlo k nahrazení jednoho nebo více nukleotidů (nebo k jakýmkoli dalším změnám v deleci, inzerci atd.).
Molekulárně genetické testování (hledání mutací v genu odpovědném za vývoj onemocnění) vám umožní přesně stanovit diagnózu dědičného onemocnění.
Přečtěte si více:
Elon Musk: první turisté na Mars zemřou
Byla vytvořena první přesná mapa světa. Co se děje s ostatními?
K největšímu vyhynutí došlo ve vodě 10krát rychleji než na zemi