GENSKE MUTACIJE

• Mutacije (lat. mutatio = promena) su promene u genetičkom materijalu koje nisu nasleđene od roditelja, trajno se zadržavaju i prenose na potomstvo.

• One su osnovni izvor genetičke varijabilnosti populacija kao i osnovni faktor evolucionih promena.

• Mutacijama nastaju nove genetičke varijante čime se ostvaruje raznovrsnost i osnova za delovanje prirodne selekcije.

• Termin mutacija odnosi se ne samo na promenu genetickog materijala, već i na sam proces koji dovodi do date promene.

• Mutacije su promene u strukturi genetičkog materijala čiju pojavu nije moguće pripisati rekombinaciji gena.

• Mutacije su promene u sekvenci DNK u genomu.

• Jedinka sa ispoljenim novim fenotipom označava se kao mutant.

• Ove promene genotipa obuhvataju promene u broju hromozoma (euploidije i aneuploidije), velike promene u strukturi hromozoma (hromozomske aberacije) kao i promene pojedinačnih gena.

• Postoji šest osnovnih kriterijuma za klasifikaciju mutacija:

• I. VELIČINA GENETIČKOG MATERIJALA• A. genske-zamene jednog nukleotida drugim, “point mutacije”,

del i insercije• B. hromozomske-obuhvataju veće delove hromozoma, čitave

hrom. ili garniture hromozoma• C. genomske-mutacije na nivou celog genoma

• II. VRSTA PROMENE• A. strukturne: 1. supstitucione: a) tranzicije, b) transverzije

2. delecije• 3. duplikacije

• B. rearanžmani gena: 1. unutar gena• 2. broj gena po hromozomu• 3. translokacije• 4. inverzije

• III. POREKLO MUTACIONIH PROMENA• A. spontane (greska pri replikaciji, tautomerne promene)• spontane mutacije nastaju bez poznatog razlga• B. genetički kontrolisane• C. indukovane

• IV. UTICAJ MUTACIJA NA VIJABILNOST % preživljavanja• A. subvitalne 10-99%• B. poluletalne 0-10%• C. letalne (usmrćuju 100% jedinki pre reprodukcije) 0%

• V. PRAVAC• A. direktne -mutacija koja izaziva promenu najfrekventnijeg• fenotipa u populaciji wt do pojave novog fenotipa• B. povratne• VI. TIP ĆELIJA• A. somatske• B. gametske-nastaju pri formiranju gameta i prenose se na

narednu gener.

• Somatske mutacije predstavljaju promene u genima telesnih ćelija koje se ispoljavaju u fenotipu jedinke u kojoj su nastale, ali se ne prenose na potomstvo.

• Često dovode do nepravilnosti u funkcionisanju ćelije, kao što se dešava u ćelijama tumora.

• Prema jednoj od teorija starenja, somatske mutacije predstvaljaju glavni uzrok starenja.

• Osobe koje imaju somatsku mutaciju su genetički mozaici zato što se kod njih obrazuju dve grupe ćelija. Jedna grupa ćelija nastaje mitozama mutirane ćelije, a druga mitozama ćelije koja nije mutirala (normalna ćelija).

• Primer za mozaicizam je da jedna osoba u dužici oka može imati i plavo i smeđe polje ili čak jedno plavo, a drugo smeđe oko.

• Kriterijumi za klasifikaciju mutacija mogu biti: • vrsta promena genetičkog materijala:

– dominantne koje se ispoljavaju u heterozigotnom stanju – recesivne se ispoljavaju samo u duploj dozi, odnosno,

homozigotnom stanju • način koji izaziva mutacije, prema kome one mogu biti:

– spontane, čiji uzrok nije poznat – indukovane, su mutacije izazvane nekim poznatim faktorom

spoljašnje sredine; ti faktori nazivaju se mutageni • vrsta ćelija na osnovu čega se dele na:

– somatske koje se dešavaju u telesnim ćelijama i ne mogu se preneti na potomstvo

– germinativne se dešavaju u polnim ćelijama i prenose na potomstvo

• prema jačini dejstva na fenotip nosioca mutacije mogu biti: – tihe, – neutralne, – štetne, – uslovne i – letalne

Efekat mutacija na populacionom nivou

• Svaka mutacija unutar gena dovešće do formiranja novog genskog alela

• Izvestan nivo mutacija potreban je da obezbedi nastanak novih genskih alela

• Menjaju se učestalosti alela u populaciji• Izvor genetičkih novina u populaciji

Povećava se genetička varijabilnost populacije

• Frekvencija spontanih mutacija kod eukariota iznosi 10-9 do 10-7 po nukleotidnom paru po generaciji

• Frekvencija spontanih mutacija kod bakterija, gljiva i virusa je 10-10 do 10-8 po nukleotidnom paru po generaciji

Genetičke metode za detekciju mutacija

• Kontrolisana ukrštanja jedinki koje su homozigotne po jednom ili većem broju gena tokom većeg broja generacija.

• Kroz generacije se utvrđuju promene u genima preko promene stanja osobina koje ti geni kontrolišu

• Elektroforeza (još jedan način praćenja promena kroz generacije).

Mutacije ovaca kratkih nogu opisao je Seth Wright (1791) Ankonske ovce-dominantna germinativna mutacija

Ankonska ovca

Mehanizmi nastanka gensikh mutacija

• Mehanizmi nastanka mutageneze nisu u potpunosti razjašnjeni tako da se smatra da tri faktora imaju presudan znacaj:

-preciznost replikacije -efikasnost brojnih mehanizama reparacije

oštećene DNK -stepen izloženosti mutagenim agensima

Mutacije na DNK mogu biti:

Supstitucije: tranzicije i transverzijeVanfazne mutacije: delecije i insercije

Mutacije na DNK mogu biti:

Supstitucije: tranzicije i transverzijeVanfazne mutacije: delecije i insercije

TRANZICIJA – Pu Pu, ili Py Py

TRANSVERZIJA – Pu Py, ili Py Pu

Pu – purinPy -pirimidin

Sve moguće transverzije(spoljašnje strelice)

Sve moguće tranzicije(unutrašnje strelice)

Mutacije koje nastaju kao posledice tautomernih promena baza

Tranzicije

Transverzije

• Watson I Crick- strukture baza u DNK nisu statične i atomi vodnika u azotnim bazama mogu da se pomeraju sa jedne pozicije na drugu.

• Takve fluktuacije nazivaju se tautomerije. Veoma su retke ali istovremeno bitne jer menjaju afinitet sparivnja azotnih baza.

• Prelazak baza u manje stabilne forme traje veoma kratko vreme, medjutim ako se bas u tom trenutku vrsi replikacija DNK, moze se javiti mutacija.

TAČKASTE MUTACIJE USLED TAUTOMERNIH PROMENA DNK BAZA

Tautomerne promene azotnih baza kao glavni uzrok nastankaspontanih mutacija

Tautomerne promene(keto-enol, amino-imino)mogu da dovedu dospontanih mutacija

br. ponovaka 11-28 zdravi40-120 bolesniautozomalno-dominantno

Hantingtonova horea

dinamičke mutacije-ekspanzije trinukleotida

Efekat supstitucija

Mut sa pogresnim kodirajucim znacajem

Mut sa pogresnim kodirajucim znacajem

• Nonsens-besmislene mutacije nastaju kada se usled zamene nukleotida stvori jedan od tri stop kodona.

• Zaustavlja se sinteza proteina i novosintetisani polipeptid je najčešće nefunkcionalan

• missense mutacije-sa pogrešnim kodirajućim značenjem

• posledice mutacije zavisi da li se ona desila u strukturnom genu

• ako se mutacija odigrala u aktinom centru enzima, verovatno će se izmeniti stepen aktivnosti tog enzima

• srpasta anemija je posledica mutacije u genu za β lanac hemoglobina

• usled zamene kodona GAG (glutaminska kiselina) GTG (valin)

• transverzija ATTA • stvara se abnormalni hemoglobin HbS umesto HbA te

ovakav hemoglobin daje eritrocitima izdužen, srpast oblik

• Vanfazne ili (fs) nastaju insercijom ili delciranjem baznih parova za veličinu koja nije deljiva sa tri, menjajući okvir čitanja.

• Dolazi do ugradnje pogresnih aminokiselnina nizvodno od mesta promene do prvog stop-kodona.

Mutageni agensi Mutageni mogu biti fizičke , hemijske i biološke prirode

Fizički agensi predstavljaju različite vrste zračenja:

-elektromagnetno zračenje -korpiskularno (alfa i bete zraci, neutroni i protoni)

-jonizujuće (X zraci, zraci i kosmičko zračenje)-nejonizujuće (UV zraci)

Jonizuce zračenje-visoku energiju i lako prodire kroz živu materiju

Dve teorije objašnjavaju biološke efekte jonizujućeg zračenja

Teorija meta Naglašava značaj direktne jonizacije, pri čemu

stepen oštećenja direktno zavisi od primljene doze

Teorija nastanka slobodnih radikal ∙OH , vodonicni radikal H∙, brzi elektrona e

1. remećenjem normalne konfiguracije duplog heliksa DNK i ometanjem tačnosti replikacije2. Povecavaju greske tokom popravke oštećenja

Hemijski mutageni obuhvataju širok spektr organskih i neorganskih materija

Najčešći mehanizmi mutageneze izazvani hemijskim agenskma:

-alkilacija -hidroksilacija -deaminacija -interkalcija -ugradjivanje baznih analoga

Ovi mehanizmi podrazumevaju direktno dejstvo na DNK

Deaminacija pod dejstvom HNO2

GC AT

AT GC

nema promene

porast mutacija

Prisustvo broma na poziciji 5 u molekulu 5-bromo-uracila dovodi do relativno česte redistribucije elektrona i stvaranja jonizovane forme koja se radije sparuje sa guaninom. Bazni anolozi imaju identične strukture kao baze u DNK, ali pogrešanafinitet sparivanja. (2-amino purin)

normalan keto oblik 5-BU

jonizovan enolni oblik 5-BU

ALKILACIJA

EMS – etil-metansulfonat

Interkalacija

interakcija nije kovalentna modifikacija, već ubacivanje hidrofobnih agenasa među naslonjene baze u DNK heliksupri čemu molekul DNK postaje rigidniji,menja mu se konformacija i pri replikaciji nastaju male adicije ili delecije

DEPURINACIJA DNK.Gubitak purina iz jednoglanca DNK, pri čemu fosfodiestarska okosnica ostaje intaktna

Hemijski agensi-remete normalnureplikaciju, dovode do modulacijesinteze prekurskora DNK, narušavajuproces reparacije DNK

DUPLIKACIJA GENA USLED GREŠKE PRI REPLIKACIJI

DUPLIKACIJA GENA USLED NEJEDNAKOG CROSSING OVER-A

Mutacija Arg710Gln u teškom lancu beta-miozina u srcu.zeleno – aktin vezujuće mesto;žuto – ATP vezujuće mestooranž – esencijalni laki lanac;ljubičasto – regulatorni laki lanaccrveno – mesto gde dolazi do zamene AK pri mutaciji

• Mutacije mogu biti recesivne ili dominantne• Recesivne mutacije vezane za polne hromozome

mogu se ispoljiti u hemizigotnom stanju• X-vezana recesivna oboljenja• Ankonske ovce-dominantna germinativna

mutacija• Hantingtonova horea- autozomalno dominantno

Xeroderma pigmentosumautozomalno recesivno,učestalost: 1 / 250 000osetljivost na UV, “moon people”oboljenje nastaje usleddefekta reper mehanizma

Progeria – nastaje usledautozomalno dominantne mutacije. Učestalost: 1 / 4 000 000

Patuljasti mutant i normalna biljka jedne vrste kupusa (Brassica)

Testiranje na genotoksicnost• Razvijene su senzitivne tehnike za testiranje

hemikalija i drugih agenasa na mutagenost i kancerogenost

• Testovi na kancerogenost i mutagenost rade se uglavnom na glodarima, najčešće novorođenim miševim

• Međutim, s obzirom da su mutacije događaji sa veoma niskom frekvencom pojavljivanja potrebno je testirati veliku grupu životinja da bi se otkrio nizak nivo mutageneze.

• Test za detekciju mutagenih svojstava tzv. Ames-ov test za detekciju povratnih mutacija kod Salmonella typhymurium.

• Koriste se posebno konstruisani sojevi S. typhimurium sa auksotrofnim mutacijama (auksotrofna mutacija dovodi do nesposobnost rasta na hranljivoj podlozi bez dodatka nekog vitamina, aminokiseline isl., koji nije neophodan diljvljem soju).

• Po dodavanju mutagenog agensa prati se pojava revertanata (jedniki sa fentipom divljeg soja) i broj revertanata na hranljivoj podlozi upoređuje sa spontano nastalim revertantima (određenim u nezvisnom eksperimentu).

• S obzirom da neke supstance postaju mutagene tek nakon metaboličke tranformacije u ćelijama jetre, može se, na početku kultivacije, dodati mešavina mikrozomalnih enzima jetre koji imaju zadatak da izvrše eventualnu metaboličku aktivaciju ispitivane supstance

Test reverznih mutacija na Salmonella typhimurium (Amesov test)

Razmene sestirnskih hromatida

Između sestrinskih hromatida javljaju se simetrične razmene.Pod dejstvom mutagena broj razmena po ćeliji se znatno povećava.

DNK sa obostranomsupstitucijom

DNK sa jednostra-nom supstitucijom

BrdUrd BrdUrd

Ćelija raka mlečne žlezde

Ćelije raka u mozgu

Ćelije raka grlića materice u debi