Belangrijkste kenmerken van het gen
In de moleculaire biologie is inmiddels vastgesteld dat genen dat wel zijn
Tegelijkertijd wordt elk gen gekenmerkt door een aantal specifieke regulerende DNA-sequenties, zoals promoters, die direct betrokken zijn bij het reguleren van genexpressie.
Het concept van een gen is dus niet alleen beperkt tot het coderende gebied van DNA, maar is een breder concept dat regulerende sequenties omvat.
Genen kunnen mutaties ondergaan – willekeurig ofgerichte veranderingen in de nucleotidesequentie in de DNA-keten. Mutaties kunnen leiden tot een verandering in de sequentie, en dus tot een verandering in de biologische kenmerken van het eiwit of RNA, wat op zijn beurt kan resulteren in een algemeen of lokaal veranderd of abnormaal functioneren van het lichaam.
Dergelijke mutaties zijn in sommige gevallen dat welpathogeen, omdat ze tot ziekte leiden, of dodelijk op embryonaal niveau. Niet alle veranderingen in de nucleotidesequentie leiden echter tot veranderingen in de eiwitstructuur (als gevolg van degeneratie van de genetische code) of tot een significante verandering in de sequentie en zijn niet pathogeen.
Hoe werkt moleculaire evolutie?
- Mutatie
DNA-replicatie is voor het grootste deel extreemaccuraat, maar er gebeuren fouten. Het foutenpercentage in eukaryote cellen kan zo laag zijn als 10−8 per nucleotide per replicatie, terwijl dit voor sommige RNA-virussen wel 10−3 kan zijn. Dit betekent dat elke persoon in elke generatie 1-2 nieuwe mutaties in het genoom accumuleert.
Kleine mutaties kunnen worden veroorzaakt door replicatieDNA en de gevolgen van DNA-schade en omvatten puntmutaties, waarbij een enkele base wordt veranderd, en frameshift-mutaties, waarbij een enkele base wordt ingevoegd of verwijderd.
Grote mutaties kunnen worden veroorzaakt door fouten in de recombinatie die chromosomale afwijkingen veroorzaken, waaronder duplicatie, herschikking of inversie van grote delen van een chromosoom.
Bovendien kunnen DNA-reparatiemechanismenmutatiefouten introduceren bij het herstellen van fysieke schade aan een molecuul. Reparatie, zelfs met een mutatie, is belangrijker om te overleven dan replicareparatie, bijvoorbeeld bij het repareren van dubbelstrengs breuken.
- Aantal genen
Genoomgrootte en aantal genen dat het bevatbevat, variëren aanzienlijk tussen taxonomische groepen. De kleinste genomen worden aangetroffen in virussen en viroïden (die fungeren als een enkel niet-coderend RNA-gen).
Omgekeerd kunnen planten erg groot zijngenomen bevat rijst meer dan 46.000 genen die coderen voor eiwitten. Het totale aantal eiwitcoderende genen (het proteoom van de aarde), dat in 2007 werd geschat op 5 miljoen sequenties, was in 2017 teruggebracht tot 3,75 miljoen.
Oorzaken van mutaties
Er zijn mutaties:
- spontaan,
- geïnduceerd.
Spontane mutaties ontstaan spontaangedurende de hele levensduur van het organisme onder normale omgevingsomstandigheden met een frequentie per nucleotide voor de cellulaire generatie van het organisme van ongeveer 10−9 tot 10−12
Geïnduceerde mutaties worden geërfdveranderingen in het genoom als gevolg van bepaalde mutagene invloeden in kunstmatige (experimentele) omstandigheden of onder ongunstige omgevingsinvloeden.
Mutaties verschijnen voortdurend tijdens processenпроисходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК, транскрипции и генетическая рекомбинация.
- Associatie van mutaties met DNA-replicatie
Veel spontane chemische veranderingennucleotiden leiden tot mutaties die optreden tijdens replicatie. Door bijvoorbeeld deaminering van cytosine tegenover guanine kan uracil in de DNA-keten worden opgenomen (in plaats van het canonieke C-G-paar wordt een U-G-paar gevormd).
- Associatie van mutaties met DNA-recombinatie
Van de processen die verband houden met recombinatie, de meesteleidt vaak tot ongelijke kruising van mutaties. Het komt meestal voor wanneer het chromosoom meerdere gedupliceerde kopieën van het originele gen bevat die een vergelijkbare nucleotidesequentie behouden. Als gevolg van ongelijke kruising treedt duplicatie op in een van de recombinante chromosomen en treedt een deletie op in de andere.
- Associatie van mutaties met DNA-reparatie
Spontane DNA-schade komt vrij vaak voor.vaak vinden dergelijke gebeurtenissen plaats in elke cel. Om de gevolgen van dergelijke schade te elimineren, zijn er speciale reparatiemechanismen (er wordt bijvoorbeeld een foutieve DNA-sectie uitgesneden en de originele wordt op deze plaats hersteld). Mutaties treden alleen op als het reparatiemechanisme om de een of andere reden niet werkt of de schade niet verhelpt.
Wat zijn de mutaties
Er zijn verschillende classificaties van mutaties volgensverschillende criteria. Möller stelde voor om mutaties te verdelen op basis van de aard van de verandering in het functioneren van het gen in hypomorfe (gewijzigde allelen die in dezelfde richting werken als wildtype allelen.
Er wordt alleen minder eiwitproduct gesynthetiseerd), amorf (de mutatie lijkt op een volledig verlies van genfunctie, b.v.witin Drosophila), antimorf (de mutante eigenschap verandert, de kleur van de maïskorrel verandert bijvoorbeeld van paars in bruin) en neomorf.
Moderne onderwijsliteratuur gebruikt ook een meer formele classificatie, gebaseerd op de aard van veranderingen in de structuur van individuele genen, chromosomen en het genoom als geheel.
In het kader van deze classificatie worden de volgende soorten mutaties onderscheiden:
- Genomisch— polyploïdisatie en aneuploïdie—een verandering in het aantal chromosomen dat geen veelvoud is van de haploïde set. Afhankelijk van de oorsprong van chromosoomsets onder polyploïden, wordt onderscheid gemaakt tussen allopolyploïden, die chromosoomsets hebben die zijn verkregen door hybridisatie van verschillende soorten, en autopolyploïden, waarbij het aantal chromosoomsets van hun eigen genoom toeneemt met een veelvoud van n.
- Chromosomaal.Chromosomale mutaties komen voorgrote herschikkingen in de structuur van individuele chromosomen. In dit geval is er sprake van een verlies (deletie) of een verdubbeling van een deel (duplicatie) van het genetisch materiaal van een of meer chromosomen, een verandering in de oriëntatie van chromosoomsegmenten in individuele chromosomen (inversie), evenals een overdracht van een deel van het genetisch materiaal van het ene chromosoom naar het andere (translocatie).
- Genetisch.Op genniveau zijn er veranderingen in de primaire genenDNA-structuren van genen onder invloed van mutaties zijn minder significant dan bij chromosomale mutaties, maar genmutaties komen vaker voor. Als gevolg van genmutaties, substituties, deleties en inserties van een of meer nucleotiden, treden translocaties, duplicaties en inversies van verschillende delen van het gen op. In het geval dat slechts één nucleotide verandert onder invloed van een mutatie, spreken ze van puntmutaties.
De gevolgen van mutaties voor de cel en het lichaam
Mutaties die de celactiviteit in een meercellig organisme aantasten, leiden vaak tot celvernietiging (in het bijzonder geprogrammeerde celdood - apoptose).
Als intra- en extracellulaire afweermechanismen dat niet zijnherkende een mutatie, en de cel onderging deling, dan zal het mutante gen worden doorgegeven aan alle nakomelingen van de cel en, meestal, ertoe leiden dat al deze cellen anders gaan functioneren.
Mutatie in de somatische cel van een complexeen meercellig organisme kan leiden tot kwaadaardige of goedaardige neoplasmata, een mutatie in de kiemcel - tot een verandering in de eigenschappen van het gehele afstammende organisme.
In stabiel (onveranderlijk of lichtjes veranderend)bestaansomstandigheden hebben de meeste individuen een genotype dat dicht bij het optimale ligt, en mutaties veroorzaken verstoring van de lichaamsfuncties, verminderen de conditie ervan en kunnen leiden tot de dood van het individu.
In zeer zeldzame gevallen kan er echter sprake zijn van een mutatieleiden tot het verschijnen van nieuwe nuttige kenmerken in het lichaam, en dan zijn de gevolgen van de mutatie positief; in dit geval zijn ze een middel om het lichaam aan de omgeving aan te passen en worden ze daarom genoemdaangepaste.
De rol van mutaties in evolutie
Bij een aanzienlijke verandering in de levensomstandigheden kunnen mutaties die voorheen schadelijk waren, nuttig blijken te zijn. Mutaties zijn dus het materiaal voor natuurlijke selectie.
Zo komen melanistische mutanten (donkergekleurde individuen) binnenpopulaties van de berkenmot in Engeland werden voor het eerst ontdekt door wetenschappers onder typische lichtgekleurde individuen in het midden van de 19e eeuw. Donkere kleuring treedt op als gevolg van een mutatie in één gen. Vlinders brengen de dag door op de stammen en takken van bomen, meestal bedekt met korstmossen, waartegen de lichte kleuring als camouflage werkt.
Als gevolg van de industriële revolutie isvergezeld van luchtvervuiling stierven de korstmossen en raakten de lichte berkenstammen bedekt met roet. Als gevolg hiervan verving tegen het midden van de 20e eeuw (meer dan 50-100 generaties) in industriële gebieden de donkere vorm de lichte vorm bijna volledig.
Er werd aangetoond dat de belangrijkste reden voor het overheersende voortbestaan van de zwarte vorm de predatie is van vogels, die selectief lichtgekleurde vlinders aten in besmette gebieden.
Het probleem van de willekeur van mutaties
In de jaren veertig was het populair onder microbiologenhet standpunt volgens welke mutaties worden veroorzaakt door de invloed van een omgevingsfactor (bijvoorbeeld een antibioticum) waaraan ze zich kunnen aanpassen. Om deze hypothese te testen, zijn een fluctuatietest en een replicamethode ontwikkeld.
De Luria-Delbrück-fluctuatietest bestaat uitdoordat kleine delen van de initiële bacteriecultuur in reageerbuizen worden gedispergeerd met een vloeibaar medium, en na verschillende cycli van deling wordt een antibioticum aan de reageerbuizen toegevoegd. Vervolgens worden (zonder daaropvolgende delingen) de overgebleven antibioticaresistente bacteriën op een petrischaaltje met vast medium gezaaid.
Uit de test bleek dat het aantal resistente kolonies uitHet is erg variabel tussen verschillende buizen - in de meeste gevallen is het klein (of nul), en in sommige gevallen is het erg hoog. Dit betekent dat de mutaties die antibioticaresistentie veroorzaakten, op willekeurige momenten voorkwamen, zowel voor als na de blootstelling.
Met beide methoden werd dat dus bewezen“adaptieve” mutaties ontstaan ongeacht de invloed van de factor waaraan ze aanpassing mogelijk maken, en in die zin zijn mutaties willekeurig. Er bestaat echter geen twijfel dat de mogelijkheid van bepaalde mutaties afhangt van het genotype en wordt gekanaliseerd door het voorgaande verloop van de evolutie.
Hoe worden genmutaties gedetecteerd?
Eerst wordt biologisch materiaal van de patiënt afgenomen.(bloed, urine, spierbiopsie, enz.), wordt er met speciale technieken DNA uit gehaald. Vervolgens wordt met behulp van specifieke methoden het door ons verkregen DNA-monster voorbereid voor gensequencing.
Verder wordt onthuld waar precies bij deze patiënt een vervanging was van een of meer nucleotiden (of andere veranderingen in de deletie, insertie, enz.).
Moleculair genetisch testen (zoeken naar mutaties in het gen dat verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de ziekte) stelt u in staat om de diagnose van een erfelijke ziekte nauwkeurig vast te stellen.
Lees verder:
Elon Musk: de eerste toeristen naar Mars zullen sterven
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
De grootste massa-extinctie gebeurde 10 keer sneller in water dan op het land