Hlavné charakteristiky génu
V molekulárnej biológii sa teraz zistilo, že gény sú
Zároveň je každý gén charakterizovaný množstvom špecifických regulačných sekvencií DNA, ako sú napríklad promótory, ktoré sa priamo podieľajú na regulácii génovej expresie.
Koncept génu sa teda neobmedzuje iba na kódujúcu oblasť DNA, ale je to širší koncept, ktorý zahrnuje regulačné sekvencie.
Gény môžu podliehať mutáciám – náhodným respcielené zmeny v nukleotidovej sekvencii v reťazci DNA. Mutácie môžu viesť k zmene v sekvencii, a teda k zmene biologických charakteristík proteínu alebo RNA, čo môže následne viesť k všeobecnej alebo lokálnej zmenenej alebo abnormálnej funkcii tela.
Takéto mutácie v niektorých prípadoch súpatogénne, pretože vedú k chorobe alebo smrteľné na embryonálnej úrovni. Nie všetky zmeny v sekvencii nukleotidov však vedú k zmenám v štruktúre proteínov (vplyvom degenerácie genetického kódu) alebo k výraznej zmene sekvencie a nie sú patogénne.
Ako funguje molekulárna evolúcia?
- Mutácia
Replikácia DNA je z väčšej časti extrémnepresné, ale stávajú sa chyby. Chybovosť v eukaryotických bunkách môže byť až 10-8 na nukleotid na replikáciu, zatiaľ čo v prípade niektorých RNA vírusov môže byť až 10-3. To znamená, že v každej generácii sa u každého človeka nahromadia 1-2 nové mutácie v genóme.
Malé mutácie môžu byť spôsobené replikáciouDNA a následky poškodenia DNA a zahŕňajú bodové mutácie, pri ktorých sa mení jedna báza, a posunové mutácie, pri ktorých je vložená alebo vymazaná jedna báza.
Veľké mutácie môžu byť spôsobené chybami v rekombinácii, ktoré spôsobujú chromozomálne abnormality, vrátane duplikácie, preskupenia alebo inverzie veľkých častí chromozómu.
Okrem toho môžu opravné mechanizmy DNAzaviesť mutačné chyby pri obnovení fyzického poškodenia molekuly. Oprava, dokonca aj s mutáciou, je pre prežitie dôležitejšia ako oprava repliky, napríklad pri opravách dvojvláknových zlomov.
- Počet génov
Veľkosť genómu a počet génov, ktoré obsahujeobsahuje, sa výrazne líšia medzi taxonomickými skupinami. Najmenšie genómy sa nachádzajú vo vírusoch a viroidoch (ktoré fungujú ako jeden nekódujúci RNA gén).
Naopak, rastliny môžu mať veľmi veľkégenómy, ryža obsahuje viac ako 46 000 génov kódujúcich bielkoviny. Celkový počet génov kódujúcich bielkoviny (zemský proteóm), ktorý sa v roku 2007 odhadoval na 5 miliónov sekvencií, sa do roku 2017 znížil na 3,75 milióna.
Príčiny mutácií
Existujú mutácie:
- spontánna,
- vyvolané,
Spontánne mutácie vznikajú spontánnepočas celého života organizmu v bežných podmienkach prostredia s frekvenciou na nukleotid pre bunkovú tvorbu organizmu od cca 10-9 až 10-12
Indukované mutácie sa dediazmeny v genóme vyplývajúce z určitých mutagénnych vplyvov v umelých (experimentálnych) podmienkach alebo pod nepriaznivými vplyvmi prostredia.
Počas procesov sa neustále objavujú mutácievyskytujúce sa v živej bunke. Hlavnými procesmi vedúcimi k výskytu mutácií sú replikácia DNA, poruchy opravy DNA, transkripcia a genetická rekombinácia.
- Asociácia mutácií s replikáciou DNA
Mnoho spontánnych chemických zmiennukleotidy vedú k mutáciám, ktoré sa vyskytujú počas replikácie. Napríklad kvôli deaminácii cytozínu oproti guanínu môže byť do DNA reťazca zahrnutý uracil (namiesto kanonického páru C-G sa vytvorí pár U-G).
- Asociácia mutácií s rekombináciou DNA
Z procesov spojených s rekombináciou najviacčasto vedie k nerovnému kríženiu mutácií. Spravidla k tomu dôjde, keď chromozóm obsahuje niekoľko duplikovaných kópií pôvodného génu, ktoré si zachovávajú podobnú nukleotidovú sekvenciu. V dôsledku nerovnakého prechodu dochádza k duplikácii v jednom z rekombinantných chromozómov a k delécii v druhom.
- Asociácia mutácií s opravou DNA
Spontánne poškodenie DNA je úplne bežné.často sa takéto udalosti konajú v každej cele. Na odstránenie následkov takéhoto poškodenia existujú špeciálne opravné mechanizmy (napríklad je vyrezaný chybný úsek DNA a na tomto mieste je obnovený pôvodný). Mutácie vznikajú, iba keď opravný mechanizmus z nejakého dôvodu nefunguje alebo nezvláda elimináciu poškodenia.
Čo sú to mutácie
Existuje niekoľko klasifikácií mutácií podľarôzne kritériá. Möller navrhol rozdeliť mutácie podľa povahy zmeny vo fungovaní génu na hypomorfné (zmenené alely pôsobia rovnakým smerom ako alely divokého typu.
Syntetizuje sa len menej proteínového produktu, amorfný (mutácia vyzerá ako úplná strata funkcie génu, napr.bielyu Drosophila), antimorfný (mutovaný znak sa mení napr. farba zrna kukurice sa mení z fialovej na hnedú) a neomorfný.
Moderná náučná literatúra používa aj formálnejšiu klasifikáciu založenú na povahe zmien v štruktúre jednotlivých génov, chromozómov a genómu ako celku.
V rámci tejto klasifikácie sa rozlišujú tieto typy mutácií:
- Genomický— polyploidizácia a aneuploidia —zmena v počte chromozómov, ktorá nie je násobkom haploidnej sady. V závislosti od pôvodu chromozómových sád medzi polyploidmi sa rozlišuje medzi alopolyploidmi, ktoré majú chromozómové sady získané hybridizáciou z rôznych druhov, a autopolyploidmi, u ktorých sa počet chromozómových sád vlastného genómu zvyšuje o násobok n.
- Chromozomálne. Keď dôjde k chromozomálnym mutáciámveľké prestavby v štruktúre jednotlivých chromozómov. V tomto prípade dochádza k strate (delecii) alebo zdvojeniu časti (duplikácii) genetického materiálu jedného alebo viacerých chromozómov, zmene orientácie chromozómových segmentov v jednotlivých chromozómoch (inverzia), ako aj k presunu tzv. časť genetického materiálu z jedného chromozómu do druhého (translokácia).
- Genetické. Na úrovni génov zmeny v primárDNA štruktúry génov pod vplyvom mutácií sú menej významné ako pri chromozomálnych mutáciách, ale častejšie sú génové mutácie. V dôsledku génových mutácií, substitúcií, delécií a inzercií jedného alebo viacerých nukleotidov dochádza k translokáciám, duplikáciám a inverziám rôznych častí génu. V prípade, že sa vplyvom mutácie zmení iba jeden nukleotid, hovorí sa o bodových mutáciách.
Dôsledky mutácií pre bunku a telo
Mutácie, ktoré zhoršujú bunkovú aktivitu v mnohobunkovom organizme, často vedú k deštrukcii buniek (najmä k programovanej bunkovej smrti - apoptóze).
Ak intra- a extracelulárne obranné mechanizmy nie súrozpoznal mutáciu a bunka prešla delením, potom sa mutantný gén prenesie na všetkých potomkov bunky a najčastejšie vedie k tomu, že všetky tieto bunky začnú fungovať inak.
Mutácia v somatickej bunke komplexumnohobunkový organizmus môže viesť k malígnym alebo benígnym novotvarom, mutácii v zárodočnej bunke - k zmene vlastností celého potomka.
Stabilné (nemenné alebo mierne sa meniace)V podmienkach existencie má väčšina jedincov genotyp blízky optimálnemu a mutácie spôsobujú narušenie funkcií tela, znižujú jeho kondíciu a môžu viesť k smrti jedinca.
Vo veľmi zriedkavých prípadoch však môže dôjsť k mutáciiviesť k objaveniu sa nových užitočných vlastností v tele a potom sú dôsledky mutácie pozitívne; v tomto prípade sú prostriedkom na prispôsobenie tela prostrediu a podľa toho sa nazývajúadaptívny,
Úloha mutácií v evolúcii
Pri výraznej zmene životných podmienok sa môžu tie mutácie, ktoré boli predtým škodlivé, ukázať ako užitočné. Mutácie sú teda materiálom pre prirodzený výber.
Teda melanistickí mutanti (tmavo sfarbení jedinci) vPopulácie molice brezovej v Anglicku vedci prvýkrát objavili medzi typickými jedincami svetlej farby v polovici 19. storočia. Tmavé sfarbenie vzniká v dôsledku mutácie jedného génu. Motýle trávia deň na kmeňoch a konároch stromov, zvyčajne pokrytých lišajníkmi, proti ktorým pôsobí svetlé sfarbenie ako kamufláž.
V dôsledku priemyselnej revolúcie,sprevádzané znečistením ovzdušia, lišajníky uhynuli a svetlé kmene brezy sa zaniesli sadzami. Výsledkom bolo, že do polovice 20. storočia (viac ako 50-100 generácií) v priemyselných oblastiach tmavá morfa takmer úplne nahradila svetlú.
Ukázalo sa, že hlavným dôvodom prevažujúceho prežitia čiernej formy je predácia vtákov, ktoré v kontaminovaných oblastiach selektívne požierali svetlé motýle.
Problém náhodnosti mutácií
V 40. rokoch bol obľúbený medzi mikrobiológmiuhol pohľadu, podľa ktorého sú mutácie spôsobené vplyvom environmentálneho faktora (napríklad antibiotika), ktorému umožňujú adaptáciu. Na testovanie tejto hypotézy bol vyvinutý fluktuačný test a metóda repliky.
Luria-Delbrückův fluktuačný test pozostáva ztým, že malé časti počiatočnej bakteriálnej kultúry sa dispergujú do skúmaviek s kvapalným médiom a po niekoľkých cykloch delenia sa do skúmaviek pridá antibiotikum. Potom (bez následných delení) sa prežívajúce baktérie odolné voči antibiotikám vysejú na Petriho misku s pevným médiom.
Test ukázal, že počet rezistentných kolónií zMedzi rôznymi elektrónkami je veľmi variabilný - vo väčšine prípadov je malý (alebo nulový) a v niektorých prípadoch veľmi vysoký. To znamená, že mutácie, ktoré spôsobili rezistenciu na antibiotiká, sa vyskytli v náhodných časoch pred aj po expozícii.
Oboma metódami sa teda dokázalo, že„adaptívne“ mutácie vznikajú bez ohľadu na vplyv faktora, ktorému umožňujú adaptáciu, a v tomto zmysle sú mutácie náhodné. Niet však pochýb o tom, že možnosť určitých mutácií závisí od genotypu a je usmerňovaná predchádzajúcim priebehom evolúcie.
Ako sa zisťujú génové mutácie?
Najskôr sa pacientovi odoberie biologický materiál.(krv, moč, biopsia svalu atď.), DNA sa z nich extrahuje špeciálnymi technikami. Potom pomocou špecifických metód je nami získaná vzorka DNA pripravená na sekvenovanie génov.
Ďalej sa zistilo, kde presne u tohto pacienta došlo k nahradeniu jedného alebo viacerých nukleotidov (alebo k akýmkoľvek iným zmenám v delécii, inzercii atď.).
Molekulárne genetické testovanie (hľadanie mutácií v géne zodpovednom za vývoj ochorenia) vám umožňuje presne stanoviť diagnózu dedičného ochorenia.
Čítaj viac:
Elon Musk: prví turisti na Mars zomrú
Bola vytvorená prvá presná mapa sveta. Čo je zlé na všetkých ostatných?
K najväčšiemu hromadnému vyhynutiu došlo vo vode 10-krát rýchlejšie ako na zemi