Główne cechy genu
В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены — это
Jednocześnie każdy gen charakteryzuje się szeregiem specyficznych regulatorowych sekwencji DNA, takich jak promotory, które są bezpośrednio zaangażowane w regulację ekspresji genów.
Zatem koncepcja genu nie ogranicza się tylko do regionu kodującego DNA, ale jest szerszą koncepcją obejmującą sekwencje regulatorowe.
Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное измененное или анормальное функционирование организма.
Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными.
Jak działa ewolucja molekularna?
- Mutacja
Репликация ДНК по большей части чрезвычайно точна, однако ошибки случаются. Частота ошибок в эукариотических клетках может составлять всего 10−8 в нуклеотиде на репликацию, тогда как для некоторых РНК-вирусов она может достигать 10−3. Это означает, что в каждое поколение, каждый человек в геноме накапливает 1-2 новые мутации.
Небольшие мутации могут быть вызваны репликацией ДНК и последствиями повреждения ДНК и включают точечные мутации, в которых изменяется одно основание, и мутации со сдвигом рамки, в которых одно основание вставляется или удаляется.
Большие мутации могут быть вызваны ошибками в рекомбинации, чтобы вызвать хромосомные аномалии, включая дублирование, перегруппировку или инверсию больших участков хромосомы.
Ponadto mechanizmy naprawy DNA mogąwprowadzić błędy mutacyjne podczas przywracania fizycznego uszkodzenia cząsteczce. Naprawa, nawet w przypadku mutacji, jest ważniejsza dla przeżycia niż naprawa repliki, na przykład podczas naprawy pęknięć dwuniciowych.
- Liczba genów
Размер генома и количество генов, которые он содержит, значительно варьируют у таксономических групп. Наименьший геном встречаются у вирусов, и вироидов (которые действуют как один некодирующий ген РНК).
I odwrotnie, rośliny mogą mieć bardzo duże rozmiarygenomy ryż zawiera ponad 46 000 genów kodujących białka. Całkowita liczba genów kodujących białka (proteom Ziemi), szacowana w 2007 roku na 5 milionów sekwencji, została zmniejszona do 3,75 miliona do 2017 roku.
Przyczyny mutacji
Мутации бывают:
- spontaniczny,
- wywołany.
Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой на нуклеотид за клеточную генерацию организма около от 10−9 до 10−12
Mutacje indukowane są dziedziczonezmiany w genomie wynikające z pewnych wpływów mutagennych w sztucznych (doświadczalnych) warunkach lub pod niekorzystnymi wpływami środowiska.
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК, транскрипции и генетическая рекомбинация.
- Skojarzenie mutacji z replikacją DNA
Wiele spontanicznych zmian chemicznychnukleotydy prowadzą do mutacji, które występują podczas replikacji. Na przykład, w wyniku deaminacji cytozyny przeciwnej do guaniny, uracyl może zostać włączony do łańcucha DNA (zamiast kanonicznej pary C-G powstaje para U-G).
- Skojarzenie mutacji z rekombinacją DNA
Spośród procesów związanych z rekombinacją najwięcejczęsto prowadzi do nierównego krzyżowania mutacji. Zwykle występuje, gdy chromosom zawiera kilka zduplikowanych kopii oryginalnego genu, które zachowują podobną sekwencję nukleotydów. W wyniku nierównego krzyżowania w jednym z rekombinowanych chromosomów dochodzi do duplikacji, aw drugim do delecji.
- Skojarzenie mutacji z naprawą DNA
Spontaniczne uszkodzenie DNA jest dość powszechne.często takie zdarzenia mają miejsce w każdej komórce. Aby wyeliminować konsekwencje takiego uszkodzenia, istnieją specjalne mechanizmy naprawcze (na przykład wycina się błędny odcinek DNA i przywraca w tym miejscu oryginalny). Mutacje powstają tylko wtedy, gdy mechanizm naprawy z jakiegoś powodu nie działa lub nie radzi sobie z eliminacją uszkodzeń.
Jakie są mutacje
Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена на гипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа.
Синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация biały у Drosophila), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) и неоморфные.
В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом.
W ramach tej klasyfikacji wyróżnia się następujące typy mutacji:
- Геномные — полиплоидизация и анеуплоидия — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору. В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.
- Chromosomalny. При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация).
- Genetyczny. На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях.
Konsekwencje mutacji dla komórki i organizmu
Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, — апоптозу).
Jeśli nie ma wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych mechanizmów obronnychrozpozna mutację, a komórka ulegnie podziałowi, wówczas zmutowany gen zostanie przekazany wszystkim potomkom komórki i najczęściej prowadzi do tego, że wszystkie te komórki zaczną inaczej funkcjonować.
Mutacja w komórce somatycznej kompleksuorganizm wielokomórkowy może prowadzić do złośliwych lub łagodnych nowotworów, mutacji w komórce zarodkowej - do zmiany właściwości całego organizmu potomnego.
В стабильных (неизменных или слабо изменяющихся) условиях существования большинство особей имеют близкий к оптимальному генотип, а мутации вызывают нарушение функций организма, снижают его приспособленность и могут привести к смерти особи.
Однако в очень редких случаях мутация может привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными; в этом случае они являются средством адаптации организма к окружающей среде и, соответственно, называются adaptacyjny.
Rola mutacji w ewolucji
При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора.
Так, мутанты-меланисты (темноокрашенные особи) в популяциях березовой пяденицы в Англии впервые были обнаружены учеными среди типичных светлых особей в середине XIX века. Темная окраска возникает в результате мутации одного гена. Бабочки проводят день на стволах и ветвях деревьев, обычно покрытых лишайниками, на фоне которых светлая окраска является маскирующей.
В результате промышленной революции, сопровождающейся загрязнением атмосферы, лишайники погибли, а светлые стволы берез покрылись копотью. В результате к середине XX века (за 50-100 поколений) в промышленных районах темная морфа почти полностью вытеснила светлую.
Wykazano, że główną przyczyną przeważającego przeżycia formy czarnej jest drapieżnictwo ptaków, które w skażonych obszarach zjadały selektywnie jasne motyle.
Problem losowości mutacji
W latach czterdziestych XX wieku był popularny wśród mikrobiologówpunkt widzenia, zgodnie z którym mutacje są spowodowane wpływem czynnika środowiskowego (na przykład antybiotyku), do którego pozwalają na adaptację. Aby przetestować tę hipotezę, opracowano test fluktuacji i metodę replikacji.
Флуктуационный тест Лурии — Дельбрюка заключается в том, что небольшие порции исходной культуры бактерий рассеивают в пробирки с жидкой средой, а после нескольких циклов делений добавляют в пробирки антибиотик. Затем (без последующих делений) на чашке Петри с твердой средой высевают выживших устойчивых к антибиотику бактерий.
Test wykazał, że liczba opornych kolonii zJest bardzo zmienna między różnymi lampami - w większości przypadków jest mała (lub zerowa), aw niektórych przypadkach jest bardzo wysoka. Oznacza to, że mutacje, które powodowały oporność na antybiotyki, występowały losowo zarówno przed, jak i po jego ekspozycji.
Таким образом, обоими методами было доказано, что «адаптивные» мутации возникают независимо от воздействия того фактора, к которому они позволяют приспособиться, и в этом смысле мутации случайны. Однако несомненно, что возможность тех или иных мутаций зависит от генотипа и канализована предшествующим ходом эволюции.
Jak wykrywane są mutacje genów?
Najpierw pobierany jest materiał biologiczny od pacjenta.(krew, mocz, biopsja mięśnia itp.), DNA jest z nich ekstrahowane specjalnymi technikami. Następnie, przy użyciu określonych metod, otrzymana przez nas próbka DNA jest przygotowywana do sekwencjonowania genów.
Ponadto ujawnia się, gdzie dokładnie u tego pacjenta nastąpiła wymiana jednego lub więcej nukleotydów (lub jakiekolwiek inne zmiany w delecji, insercji itp.).
Molekularne testy genetyczne (poszukiwanie mutacji w genie odpowiedzialnym za rozwój choroby) pozwalają dokładnie ustalić rozpoznanie choroby dziedzicznej.
Czytaj więcej:
Elon Musk: pierwsi turyści na Marsa zginą
Powstała pierwsza dokładna mapa świata. Co jest nie tak ze wszystkimi innymi?
Największe masowe wymieranie nastąpiło w wodzie 10 razy szybciej niż na lądzie