Κύρια χαρακτηριστικά του γονιδίου
Έχει πλέον καθιερωθεί στη μοριακή βιολογία ότι τα γονίδια είναι
Ταυτόχρονα, κάθε γονίδιο χαρακτηρίζεται από έναν αριθμό ειδικών ρυθμιστικών αλληλουχιών DNA, όπως προαγωγείς, οι οποίοι εμπλέκονται άμεσα στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.
Έτσι, η έννοια ενός γονιδίου δεν περιορίζεται μόνο στην κωδικοποιητική περιοχή του DNA, αλλά είναι μια ευρύτερη έννοια που περιλαμβάνει ρυθμιστικές αλληλουχίες.
Τα γονίδια μπορούν να υποστούν μεταλλάξεις - τυχαίες ήστοχευμένες αλλαγές στην νουκλεοτιδική αλληλουχία στην αλυσίδα του DNA. Οι μεταλλάξεις μπορεί να οδηγήσουν σε αλλαγή της αλληλουχίας, και επομένως αλλαγή στα βιολογικά χαρακτηριστικά της πρωτεΐνης ή του RNA, που με τη σειρά του μπορεί να οδηγήσει σε γενική ή τοπική αλλοιωμένη ή ανώμαλη λειτουργία του σώματος.
Τέτοιες μεταλλάξεις σε ορισμένες περιπτώσεις είναιπαθογόνα, δεδομένου ότι καταλήγουν σε ασθένεια ή θανατηφόρα σε εμβρυϊκό επίπεδο. Ωστόσο, δεν οδηγούν όλες οι αλλαγές στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε αλλαγές στη δομή της πρωτεΐνης (λόγω της επίδρασης του εκφυλισμού του γενετικού κώδικα) ή σε σημαντική αλλαγή στην αλληλουχία και δεν είναι παθογόνες.
Πώς λειτουργεί η μοριακή εξέλιξη;
- Μετάλλαξη
Η αντιγραφή του DNA είναι ως επί το πλείστον εξαιρετικάακριβείς, αλλά λάθη συμβαίνουν. Το ποσοστό σφάλματος στα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορεί να είναι τόσο χαμηλό όσο 10−8 ανά νουκλεοτίδιο ανά αναδιπλασιασμό, ενώ για ορισμένους ιούς RNA μπορεί να είναι έως και 10−3. Αυτό σημαίνει ότι σε κάθε γενιά, κάθε άτομο συσσωρεύει 1-2 νέες μεταλλάξεις στο γονιδίωμα.
Μικρές μεταλλάξεις μπορεί να προκληθούν από την αντιγραφήΤο DNA και οι συνέπειες της βλάβης του DNA και περιλαμβάνουν σημειακές μεταλλάξεις, στις οποίες αλλάζει μια μεμονωμένη βάση, και μεταλλάξεις μετατόπισης πλαισίου, στις οποίες εισάγεται ή διαγράφεται μια μεμονωμένη βάση.
Μεγάλες μεταλλάξεις μπορεί να προκληθούν από σφάλματα στον ανασυνδυασμό για να προκαλέσουν χρωμοσωμικές ανωμαλίες, συμπεριλαμβανομένου του διπλασιασμού, της αναδιάταξης ή της αναστροφής μεγάλων τμημάτων ενός χρωμοσώματος.
Επιπλέον, οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης DNA μπορούννα εισαγάγει σφάλματα μετάλλαξης κατά την αποκατάσταση της φυσικής βλάβης σε ένα μόριο. Η επιδιόρθωση, ακόμη και με μετάλλαξη, είναι πιο σημαντική για την επιβίωση από την επιδιόρθωση αντιγράφου, για παράδειγμα, κατά την επιδιόρθωση διακοπών διπλών κλώνων.
- Αριθμός γονιδίων
Μέγεθος γονιδιώματος και αριθμός γονιδίων που περιέχειπεριέχει, ποικίλλει σημαντικά μεταξύ ταξινομικών ομάδων. Τα μικρότερα γονιδιώματα βρίσκονται σε ιούς και ιοειδή (τα οποία δρουν ως ένα μόνο μη κωδικοποιητικό γονίδιο RNA).
Αντίθετα, τα φυτά μπορούν να έχουν πολύ μεγάλαγονιδιώματα, το ρύζι περιέχει πάνω από 46.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Ο συνολικός αριθμός γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες (πρωτεόμημα της Γης), που εκτιμήθηκε το 2007 σε 5 εκατομμύρια αλληλουχίες, μειώθηκε σε 3,75 εκατομμύρια έως το 2017.
Αιτίες μεταλλάξεων
Υπάρχουν μεταλλάξεις:
- αυθόρμητος,
- προκαλείται.
Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις συμβαίνουν αυθόρμητακαθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του οργανισμού υπό κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες με συχνότητα ανά νουκλεοτίδιο για την κυτταρική παραγωγή του οργανισμού από περίπου 10−9 έως 10−12
Οι επαγόμενες μεταλλάξεις κληρονομούνταιαλλαγές στο γονιδίωμα που οφείλονται σε ορισμένες μεταλλαξιογόνες επιδράσεις σε τεχνητές (πειραματικές) συνθήκες ή σε αντίξοες περιβαλλοντικές επιδράσεις.
Οι μεταλλάξεις εμφανίζονται συνεχώς κατά τη διάρκεια των διεργασιώνπου εμφανίζεται σε ένα ζωντανό κύτταρο. Οι κύριες διαδικασίες που οδηγούν στην εμφάνιση μεταλλάξεων είναι η αντιγραφή του DNA, οι διαταραχές επιδιόρθωσης του DNA, η μεταγραφή και ο γενετικός ανασυνδυασμός.
- Σύνδεση μεταλλάξεων με αντιγραφή DNA
Πολλές αυθόρμητες χημικές αλλαγέςνουκλεοτίδια οδηγούν σε μεταλλάξεις που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της αντιγραφής. Για παράδειγμα, λόγω της αποαμίνωσης της κυτοσίνης απέναντι από τη γουανίνη, η ουρακίλη μπορεί να συμπεριληφθεί στην αλυσίδα DNA (σχηματίζεται ένα ζεύγος U-G αντί για το κανονικό ζεύγος C-G).
- Σύνδεση μεταλλάξεων με ανασυνδυασμό DNA
Από τις διαδικασίες που σχετίζονται με τον ανασυνδυασμό, οι περισσότερεςσυχνά οδηγεί σε άνιση διέλευση μεταλλάξεων. Συνήθως εμφανίζεται όταν το χρωμόσωμα περιέχει αρκετά διπλά αντίγραφα του αρχικού γονιδίου που διατηρούν παρόμοια νουκλεοτιδική αλληλουχία. Ως αποτέλεσμα της άνισης διασταύρωσης, πραγματοποιείται επανάληψη σε ένα από τα ανασυνδυασμένα χρωμοσώματα και μια διαγραφή στο άλλο.
- Σύνδεση μεταλλάξεων με επιδιόρθωση DNA
Η αυθόρμητη βλάβη του DNA είναι πολύ συχνή.συχνά, τέτοια γεγονότα λαμβάνουν χώρα σε κάθε κελί. Για την εξάλειψη των συνεπειών αυτών των ζημιών, υπάρχουν ειδικοί μηχανισμοί επιδιόρθωσης (για παράδειγμα, κόβεται ένα λανθασμένο τμήμα DNA και αποκαθίσταται το αρχικό σε αυτό το μέρος). Οι μεταλλάξεις προκύπτουν μόνο όταν ο μηχανισμός επισκευής για κάποιο λόγο δεν λειτουργεί ή δεν αντιμετωπίζει την εξάλειψη των ζημιών.
Ποιες είναι οι μεταλλάξεις
Υπάρχουν διάφορες ταξινομήσεις μεταλλάξεων σύμφωνα μεδιάφορα κριτήρια. Ο Möller πρότεινε τη διαίρεση των μεταλλάξεων ανάλογα με τη φύση της αλλαγής στη λειτουργία του γονιδίου σε υπομορφικά (τα αλλοιωμένα αλληλόμορφα δρουν στην ίδια κατεύθυνση με τα αλληλόμορφα άγριου τύπου.
Μόνο λιγότερο προϊόν πρωτεΐνης συντίθεται), άμορφο (η μετάλλαξη μοιάζει με πλήρη απώλεια γονιδιακής λειτουργίας, π.χ.λευκόστη Drosophila), αντιμορφικό (το μεταλλαγμένο χαρακτηριστικό αλλάζει, για παράδειγμα, το χρώμα του κόκκου του καλαμποκιού αλλάζει από μωβ σε καφέ) και νεομορφικό.
Η σύγχρονη εκπαιδευτική βιβλιογραφία χρησιμοποιεί επίσης μια πιο επίσημη ταξινόμηση που βασίζεται στη φύση των αλλαγών στη δομή των μεμονωμένων γονιδίων, των χρωμοσωμάτων και του γονιδιώματος στο σύνολό του.
Στο πλαίσιο αυτής της ταξινόμησης, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι μεταλλάξεων:
- Γονιδιωματικό— πολυπλοειδισμός και ανευπλοειδία -μια αλλαγή στον αριθμό των χρωμοσωμάτων που δεν είναι πολλαπλάσιο του απλοειδούς συνόλου. Ανάλογα με την προέλευση των συνόλων χρωμοσωμάτων μεταξύ των πολυπλοειδών, γίνεται διάκριση μεταξύ των αλλοπολυπλοειδών, τα οποία έχουν σύνολα χρωμοσωμάτων που λαμβάνονται με υβριδισμό από διαφορετικά είδη, και των αυτοπολυπλοειδών, στα οποία ο αριθμός των χρωμοσωμικών συνόλων του δικού τους γονιδιώματος αυξάνεται κατά πολλαπλάσιο του n.
- Χρωμοσωμικό. Όταν συμβαίνουν χρωμοσωμικές μεταλλάξειςσημαντικές αναδιατάξεις στη δομή των μεμονωμένων χρωμοσωμάτων. Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχει απώλεια (διαγραφή) ή διπλασιασμός μέρους (διπλασιασμός) του γενετικού υλικού ενός ή περισσότερων χρωμοσωμάτων, αλλαγή στον προσανατολισμό των τμημάτων χρωμοσωμάτων σε μεμονωμένα χρωμοσώματα (αναστροφή), καθώς και μεταφορά μέρος του γενετικού υλικού από το ένα χρωμόσωμα στο άλλο (μετατόπιση).
- Γενετική. Σε επίπεδο γονιδίου, αλλαγές στο πρωτογενέςΟι δομές DNA των γονιδίων υπό την επίδραση μεταλλάξεων είναι λιγότερο σημαντικές από ό,τι με τις χρωμοσωμικές μεταλλάξεις, αλλά οι γονιδιακές μεταλλάξεις είναι πιο συχνές. Ως αποτέλεσμα γονιδιακών μεταλλάξεων, αντικαταστάσεις, διαγραφές και εισαγωγές ενός ή περισσότερων νουκλεοτιδίων, συμβαίνουν μετατοπίσεις, διπλασιασμοί και αναστροφές διαφόρων τμημάτων του γονιδίου. Στην περίπτωση που μόνο ένα νουκλεοτίδιο αλλάζει υπό την επίδραση μιας μετάλλαξης, μιλούν για σημειακές μεταλλάξεις.
Οι συνέπειες των μεταλλάξεων για το κύτταρο και το σώμα
Οι μεταλλάξεις που επηρεάζουν την κυτταρική δραστηριότητα σε έναν πολυκύτταρο οργανισμό συχνά οδηγούν σε κυτταρική καταστροφή (ιδιαίτερα, προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος - απόπτωση).
Εάν οι μηχανισμοί ενδο- και εξωκυτταρικής άμυνας δεν είναιαναγνώρισε μια μετάλλαξη, και το κύτταρο υποβλήθηκε σε διαίρεση, τότε το μεταλλαγμένο γονίδιο θα μεταδοθεί σε όλους τους απογόνους του κυττάρου και, συνήθως, οδηγεί στο γεγονός ότι όλα αυτά τα κύτταρα αρχίζουν να λειτουργούν διαφορετικά.
Μετάλλαξη στο σωματικό κύτταρο ενός συμπλόκουένας πολυκυτταρικός οργανισμός μπορεί να οδηγήσει σε κακοήθη ή καλοήθη νεοπλάσματα, μια μετάλλαξη στο βλαστικό κύτταρο - σε αλλαγή των ιδιοτήτων ολόκληρου του απογόνου οργανισμού.
Σε σταθερό (αμετάβλητο ή ελαφρώς μεταβαλλόμενο)συνθήκες ύπαρξης, τα περισσότερα άτομα έχουν γονότυπο κοντά στον βέλτιστο και οι μεταλλάξεις προκαλούν διαταραχή των λειτουργιών του σώματος, μειώνουν την καταλληλότητά του και μπορεί να οδηγήσουν στο θάνατο του ατόμου.
Ωστόσο, σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις, μια μετάλλαξη μπορείνα οδηγήσει στην εμφάνιση νέων χρήσιμων χαρακτηριστικών στο σώμα και, στη συνέχεια, οι συνέπειες της μετάλλαξης είναι θετικές. σε αυτή την περίπτωση, είναι ένα μέσο προσαρμογής του σώματος στο περιβάλλον και, κατά συνέπεια, καλούνταιπροσαρμοστικός.
Ο ρόλος των μεταλλάξεων στην εξέλιξη
Με μια σημαντική αλλαγή στις συνθήκες διαβίωσης, αυτές οι μεταλλάξεις που προηγουμένως ήταν επιβλαβείς μπορεί να αποδειχθούν χρήσιμες. Έτσι, οι μεταλλάξεις είναι το υλικό για τη φυσική επιλογή.
Έτσι, μελανιστικά μεταλλαγμένα (άτομα με σκούρο χρώμα) σεπληθυσμοί της σημύδας στην Αγγλία ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από επιστήμονες μεταξύ τυπικών ανοιχτόχρωμων ατόμων στα μέσα του 19ου αιώνα. Ο σκούρος χρωματισμός εμφανίζεται ως αποτέλεσμα μιας μετάλλαξης σε ένα γονίδιο. Οι πεταλούδες περνούν τη μέρα στους κορμούς και τα κλαδιά των δέντρων, συνήθως καλυμμένα με λειχήνες, έναντι των οποίων ο ανοιχτός χρωματισμός λειτουργεί ως καμουφλάζ.
Ως αποτέλεσμα της βιομηχανικής επανάστασης,συνοδευόμενη από ατμοσφαιρική ρύπανση, οι λειχήνες πέθαναν και οι ελαφροί κορμοί των σημύδων καλύφθηκαν με αιθάλη. Ως αποτέλεσμα, από τα μέσα του 20ου αιώνα (πάνω από 50-100 γενιές), στις βιομηχανικές περιοχές η σκοτεινή μορφή αντικατέστησε σχεδόν πλήρως την ελαφριά.
Αποδείχθηκε ότι ο κύριος λόγος για την κυρίαρχη επιβίωση της μαύρης μορφής είναι η θήρα των πτηνών, τα οποία έτρωγαν επιλεκτικά ανοιχτόχρωμες πεταλούδες σε μολυσμένες περιοχές.
Το πρόβλημα της τυχαιότητας των μεταλλάξεων
Τη δεκαετία του 1940, ήταν δημοφιλής στους μικροβιολόγουςτην άποψη, σύμφωνα με την οποία οι μεταλλάξεις προκαλούνται από την επίδραση ενός περιβαλλοντικού παράγοντα (για παράδειγμα, ενός αντιβιοτικού), στον οποίο επιτρέπουν την προσαρμογή. Για τη δοκιμή αυτής της υπόθεσης, αναπτύχθηκε ένα τεστ διακύμανσης και μια μέθοδος ρεπλίκα.
Η δοκιμή διακύμανσης Luria-Delbrück αποτελείται απόστο ότι μικρά τμήματα της αρχικής βακτηριακής καλλιέργειας διασπείρονται σε δοκιμαστικούς σωλήνες με υγρό μέσο, και μετά από αρκετούς κύκλους διαιρέσεων ένα αντιβιοτικό προστίθεται στους δοκιμαστικούς σωλήνες. Στη συνέχεια (χωρίς επακόλουθες διαιρέσεις) τα επιζώντα ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια σπέρνονται σε ένα τρυβλίο Petri με στερεό μέσο.
Η δοκιμή έδειξε ότι ο αριθμός των ανθεκτικών αποικιών απόΕίναι πολύ μεταβλητό μεταξύ διαφορετικών σωλήνων - στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μικρό (ή μηδέν), και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι πολύ υψηλό. Αυτό σημαίνει ότι οι μεταλλάξεις που προκάλεσαν αντίσταση στα αντιβιοτικά εμφανίστηκαν σε τυχαία χρονικά σημεία, τόσο πριν όσο και μετά την έκθεσή του.
Έτσι, και με τις δύο μεθόδους αποδείχθηκε ότιΟι «προσαρμοστικές» μεταλλάξεις προκύπτουν ανεξάρτητα από την επίδραση του παράγοντα στον οποίο επιτρέπουν την προσαρμογή, και από αυτή την άποψη, οι μεταλλάξεις είναι τυχαίες. Ωστόσο, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η πιθανότητα ορισμένων μεταλλάξεων εξαρτάται από τον γονότυπο και διοχετεύεται από την προηγούμενη πορεία εξέλιξης.
Πώς εντοπίζονται οι μεταλλάξεις γονιδίων;
Πρώτον, το βιολογικό υλικό λαμβάνεται από τον ασθενή.(αίμα, ούρα, βιοψία μυών, κ.λπ.), το DNA εξάγεται από αυτά χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες μεθόδους, το δείγμα DNA που λαμβάνεται από εμάς προετοιμάζεται για αλληλουχία γονιδίων.
Περαιτέρω, αποκαλύπτεται όπου ακριβώς σε αυτόν τον ασθενή υπήρχε αντικατάσταση ενός ή περισσοτέρων νουκλεοτιδίων (ή οποιωνδήποτε άλλων αλλαγών στη διαγραφή, εισαγωγή κ.λπ.).
Ο μοριακός γενετικός έλεγχος (αναζήτηση μεταλλάξεων στο γονίδιο που είναι υπεύθυνος για την ανάπτυξη της νόσου) σας επιτρέπει να προσδιορίσετε με ακρίβεια τη διάγνωση μιας κληρονομικής νόσου.
Διαβάστε περισσότερα:
Elon Musk: οι πρώτοι τουρίστες στον Άρη θα πεθάνουν
Δημιουργήθηκε ο πρώτος ακριβής χάρτης του κόσμου. Τι συμβαίνει με όλους τους άλλους;
Η μεγαλύτερη μαζική εξαφάνιση συνέβη στο νερό 10 φορές πιο γρήγορα από ό, τι στην ξηρά