Основні характеристики гена
В даний час у молекулярній біології встановлено, що гени - це
У той же час кожен ген характеризується рядом специфічних регуляторних послідовностей ДНК, таких як промотори, які беруть безпосередню участь в регулюванні прояви гена.
Таким чином, поняття гена не обмежена тільки що кодує ділянкою ДНК, а являє собою більш широку концепцію, що включає в себе і регуляторні послідовності.
Гени можуть піддаватися мутаціям - випадковим абоцілеспрямованим змінам послідовності нуклеотидів у ланцюзі ДНК. Мутації можуть призводити до зміни послідовності, а отже, зміни біологічних характеристик білка або РНК, які, у свою чергу, можуть мати результатом загальне або локальне змінене або анормальне функціонування організму.
Такі мутації в ряді випадків єпатогенними, тому що їх результатом є захворювання, або летальними на ембріональному рівні. Однак далеко не всі зміни послідовності нуклеотидів призводять до зміни структури білка (завдяки ефекту виродженості генетичного коду) або істотної зміни послідовності і не є патогенними.
Як працює молекулярна еволюція?
- мутація
Реплікація ДНК здебільшого надзвичайноточна, проте помилки трапляються. Частота помилок в еукаріотичних клітинах може становити лише 10-8 у нуклеотиді на реплікацію, тоді як для деяких РНК-вірусів вона може досягати 10-3. Це означає, що в кожне покоління кожна людина в геномі накопичує 1-2 нові мутації.
Невеликі мутації можуть бути спричинені реплікацієюДНК і наслідками пошкодження ДНК і включають точкові мутації, в яких змінюється одна основа, і мутації зі зсувом рамки, в яких одна основа вставляється або видаляється.
Великі мутації можуть бути викликані помилками рекомбінації, щоб викликати хромосомні аномалії, включаючи дублювання, перегрупування або інверсію великих ділянок хромосоми.
Крім того, механізми відновлення ДНК можутьвносити мутаційні помилки при відновленні фізичного пошкодження молекули. Відновлення, навіть з мутацією, є більш важливим для виживання, ніж відновлення точної копії, наприклад, при відновленні дволанцюжкових розривів.
- кількість генів
Розмір геному та кількість генів, які вінмістить, що значно варіюють у таксономічних груп. Найменший геном зустрічаються у вірусів і віроїдів (які діють як один некодуючий ген РНК).
І навпаки, рослини можуть мати дуже великігеноми, в рисі містяться понад 46 000 генів, що кодують білок. Загальна кількість кодують білок генів (протеома Землі), яка оцінювалася в 2007 році в 5 млн. Послідовностей, до 2017 року було знижено до 3,75 млн.
причини мутацій
Мутації бувають: nbsp;
- спонтанні,
- індуковані.
Спонтанні мутації виникають спонтанно напротягом всього життя організму в нормальних для нього умовах навколишнього середовища з частотою на нуклеотид за клітинну генерацію організму близько від nbsp; 10−9 до 10−12
Індукованими мутаціями називають успадкованізміни геному, що виникають в результаті тих чи інших мутагенних впливів в штучних (експериментальних) умовах або при несприятливого впливу навколишнього середовища.
Мутації з'являються постійно під час процесів,що відбуваються у живій клітині. Основні процеси, що призводять до виникнення мутацій — реплікація ДНК, порушення репарації ДНК, транскрипції та генетична рекомбінація.
- Зв'язок мутацій з реплікацією ДНК
Багато спонтанні хімічні змінинуклеотидів призводять до мутацій, які виникають при реплікації. Наприклад, через дезаминирования цитозину навпаки гуаніну в ланцюг ДНК може включатися урацил (утворюється пара У-Г замість канонічної пари Ц-Г).
- Зв'язок мутацій з рекомбінацією ДНК
З процесів, пов'язаних з рекомбінацією, найбільшчасто призводить до мутацій нерівний кросинговер. Він відбувається зазвичай в тих випадках, коли в хромосомі є кілька дупліціроваться копій вихідного гена, що зберегли схожу послідовність нуклеотидів. В результаті нерівного кросинговеру в одній з рекомбінантних хромосом відбувається Дуплікація, а в іншій - делеція.
- Зв'язок мутацій з репарацією ДНК
Спонтанні пошкодження ДНК зустрічаються доситьчасто, такі події мають місце в кожній клітині. Для усунення наслідків подібних ушкоджень є спеціальні репараційні механізми (наприклад, помилковий ділянку ДНК вирізається і на цьому місці відновлюється вихідний). Мутації виникають лише тоді, коли репараційний механізм з якихось причин не працює або не справляється з усуненням пошкоджень.
Які бувають мутації
Існує кілька класифікацій мутацій порізним критеріям. Меллер запропонував ділити мутації характером зміни функціонування гена на гіпоморфні (змінені алелі діють у тому напрямі, як і алелі дикого типу.
Синтезується лише менше білкового продукту), аморфні (мутація виглядає як повна втрата функції гена, наприклад, мутаціяwhiteу Drosophila), антиморфні (мутантна ознака змінюється, наприклад, забарвлення зерна кукурудзи змінюється з пурпурової на буру) та неоморфні.
У сучасній навчальній літературі використовується більш формальна класифікація, заснована на характері зміни структури окремих генів, хромосом і геному в цілому.
В рамках цієї класифікації розрізняють наступні види мутацій:
- Геномні- Поліплоїдизация і анеуплоїдія -зміна числа хромосом, не кратна гаплоїдного набору. Залежно від походження хромосомних наборів серед поліплоїдів розрізняють алолополіплоїди, у яких є набори хромосом, отримані при гібридизації від різних видів, і аутополіплоїдів, у яких відбувається збільшення числа наборів хромосом власного геному, кратне n.
- хромосомні. При хромосомних мутаціях відбуваютьсявеликі перебудови структури окремих хромосом. В цьому випадку спостерігаються втрата (делеція) або подвоєння частини (дуплікація) генетичного матеріалу однієї або декількох хромосом, зміна орієнтації сегментів хромосом в окремих хромосомах (інверсія), а також перенесення частини генетичного матеріалу з однієї хромосоми на іншу (транслокація).
- генні. На генному рівні зміни первинноїструктури ДНК генів під дією мутацій менш значні, ніж при хромосомних мутаціях, проте генні мутації зустрічаються частіше. В результаті генних мутацій відбуваються заміни, делеції та вставки одного або декількох нуклеотидів, транслокації, дуплікації та інверсії різних частин гена. У тому випадку, коли під дією мутації змінюється лише один нуклеотид, говорять про точкові мутації.
Наслідки мутацій для клітини і організму
Мутації, які погіршують діяльність клітини в багатоклітинному організмі, часто призводять до знищення клітини (зокрема до програмованої смерті клітини — апоптозу).
Якщо внутрішньо-і позаклітинні захисні механізми нерозпізнали мутацію, і клітина пройшла розподіл, то мутантний ген передасться всім нащадкам клітини і, найчастіше, приводить до того, що всі ці клітини починають функціонувати інакше.
Мутація в соматичній клітині складногобагатоклітинного організму може привести до злоякісних або доброякісних новоутворень, мутація в статевій клітині - до зміни властивостей всього організму-нащадка.
У стабільних (незмінних або слабко змінюються)В умовах існування більшість особин мають близький до оптимального генотип, а мутації викликають порушення функцій організму, знижують його пристосованість і можуть призвести до смерті особини.
Однак у дуже поодиноких випадках мутація можепризвести до появи в організмі нових корисних ознак, і тоді наслідки мутації виявляються позитивними; у цьому випадку вони є засобом адаптації організму до навколишнього середовища і, відповідно, називаютьсяадаптаційними.
Роль мутацій в еволюції
При істотній зміні умов існування ті мутації, які раніше були шкідливими, можуть бути корисними. Таким чином, мутації є матеріалом природного відбору.
Так, мутанти-меланісти (темнозабарвлені особини)Населення березової п'ядениці в Англії вперше були виявлені вченими серед типових світлих особин в середині XIX століття. Темне фарбування виникає в результаті мутації одного гена. Метелики проводять день на стовбурах і гілках дерев, зазвичай покритих лишайниками, на тлі яких світле забарвлення маскує.
В результаті промислової революції,атмосфери, що супроводжується забрудненням, лишайники загинули, а світлі стовбури беріз покрилися кіптявою. В результаті до середини XX століття (за 50-100 поколінь) у промислових районах темна морфа майже повністю витіснила світлу.
Було показано, що головна причина переважного виживання чорної форми - хижацтво птахів, які вибірково поїдали світлих метеликів в забруднених районах.
Проблема випадковості мутацій
У 1940-ті роки серед мікробіологів була популярнаточка зору, згідно з якою мутації викликаються впливом фактора середовища (наприклад, антибіотика), до якого вони дозволяють адаптуватися. Для перевірки цієї гіпотези було розроблено флуктуаційний тест і метод реплік.
Флуктуаційний тест Лурії - Дельбрюка полягаєу тому, що невеликі порції вихідної культури бактерій розсіюють у пробірки з рідким середовищем, а після кількох циклів поділів додають до пробірки антибіотик. Потім (без подальших поділів) на чашці Петрі з твердим середовищем висівають бактерій, що вижили стійких до антибіотика.
Тест показав, що число стійких колоній зрізних пробірок дуже мінливе - в більшості випадків воно невелике (або нульове), а в деяких випадках дуже висока. Це означає, що мутації, що викликали стійкість до антибіотика, виникали в випадкові моменти часу як до, так і після його впливу.
Таким чином, обома методами було доведено, що"адаптивні" мутації виникають незалежно від впливу того фактора, до якого вони дозволяють пристосуватися, і в цьому сенсі мутації випадкові. Однак безсумнівно, що можливість тих чи інших мутацій залежить від генотипу і каналізована попереднім ходом еволюції.
Як виявляють мутації генів?
Спочатку у пацієнта береться біологічний матеріал(Кров, сеча, біоптат м'язів і ін), з них за допомогою спеціальних методик виділяється ДНК. Потім шляхом специфічний методів отриманий нами зразок ДНК готується до секвенированию гена.
Далі виявляється, де конкретно у даного пацієнта відбулася заміна одного або декількох нуклеотидів (або будь-які інші зміни делеции, вставки і т.д).
Молекулярно-генетичне обстеження (пошук мутацій в гені, відповідальному за розвиток захворювання) дозволяє точно встановити діагноз спадкового захворювання.
Читати далі:
Ілон Маск: перші туристи на Марс загинуть
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
Найбільше масове вимирання сталося в воді в 10 разів швидше, ніж на суші