Quali mutazioni sono chiamate spontanee? Se traduciamo il termine in un linguaggio accessibile, si tratta di errori naturali che si verificano durante l'interazione del materiale genetico con l'ambiente interno e/o esterno. Tali mutazioni sono generalmente casuali. Si osservano nelle cellule riproduttive e in altre cellule del corpo.
Cause esogene delle mutazioni
La mutazione spontanea può verificarsi sotto l'influenza di sostanze chimiche, radiazioni, temperature alte o basse, aria rarefatta o alta pressione. Ogni anno, in media, una persona assorbe circa un decimo di un rad di radiazioni ionizzanti, che costituisce la radiazione di fondo naturale. Questo numero include la radiazione gamma proveniente dal nucleo terrestre, il vento solare e la radioattività degli elementi situati in profondità nella crosta terrestre e disciolti nell’atmosfera. La dose ricevuta dipende anche da dove si trova esattamente la persona. Un quarto di tutte le mutazioni spontanee si verificano proprio a causa di questo fattore.
Le radiazioni ultraviolette, contrariamente alla credenza popolare, svolgono un ruolo minore nel causare danni al DNA, poiché non possono penetrare in profondità nel corpo umano. Ma la pelle spesso soffre di un'eccessiva esposizione al sole (melanoma e altri tipi di cancro). Tuttavia, gli organismi unicellulari e i virus mutano se esposti alla luce solare. Troppo alto o basse temperature sono anche in grado di causare cambiamenti nel materiale genetico.
Cause endogene delle mutazioni
Rimangono le ragioni principali per cui può verificarsi una mutazione spontanea fattori endogeni. Questi includono sottoprodotti metabolici, errori nel processo di replicazione, riparazione o ricombinazione e altri.
- transizioni e inversioni spontanee delle basi azotate;
- disposizione errata dei nucleotidi dovuta ad errori nelle DNA polimerasi;
- sostituzione chimica dei nucleotidi, ad esempio guanina-citosina con adenina-guanina.
- mutazioni nei geni responsabili della riparazione di singole sezioni della catena del DNA dopo che sono state rotte sotto l'influenza di fattori esterni.
- i fallimenti nei processi di attraversamento durante la meiosi o la mitosi portano alla perdita e al completamento delle basi.
Questi sono i principali fattori che causano mutazioni spontanee. Le cause dei fallimenti possono includere l'attivazione di geni mutatori, nonché la conversione di composti chimici sicuri in metaboliti più attivi che colpiscono il nucleo cellulare. A ciò si aggiungono fattori strutturali. Questi includono ripetizioni della sequenza nucleotidica vicino al sito di riarrangiamento della catena, la presenza di ulteriori sezioni di DNA simili nella struttura al gene, nonché elementi mobili del genoma.
Patogenesi della mutazione
La mutazione spontanea avviene come risultato dell’influenza di tutti i fattori sopra elencati, che agiscono insieme o separatamente durante un certo periodo della vita della cellula. Esiste un fenomeno come l'interruzione scorrevole dell'accoppiamento dei filamenti del DNA della figlia e della madre. Ciò spesso porta alla formazione di anse di peptidi che non sono riusciti ad integrarsi adeguatamente nella sequenza. Dopo aver rimosso le sezioni di DNA in eccesso dal filamento figlia, le anse possono essere resecate (eliminazioni) o inserite (duplicazioni, inserzioni). I cambiamenti che appaiono si consolidano nei successivi cicli di divisione cellulare.
La velocità e il numero delle mutazioni che si verificano dipendono dalla struttura primaria del DNA. Alcuni scienziati ritengono che assolutamente tutte le sequenze di DNA siano mutagene se formano curve.
Mutazioni spontanee più comuni
Perché le mutazioni spontanee compaiono più spesso nel materiale genetico? Esempi di tali condizioni sono la perdita di basi azotate e la rimozione di amminoacidi. I residui di citosina sono considerati particolarmente sensibili ad essi. È stato dimostrato che oggi più della metà dei vertebrati presenta mutazioni sui residui di citosina. Dopo la deaminazione la metilcitosina si trasforma in timina. Un'ulteriore copia di questa sezione ripete l'errore o lo elimina, oppure lo raddoppia e lo trasforma in un nuovo frammento. Si ritiene che un altro motivo per frequenti mutazioni spontanee sia un gran numero di pseudogeni. Per questo motivo, durante il processo di meiosi possono formarsi ricombinazioni omologhe irregolari. La conseguenza di ciò sono riarrangiamenti nei geni, rotazioni e duplicazione di singole sequenze nucleotidiche.
Modello di mutagenesi della polimerasi
Secondo questo modello, le mutazioni spontanee derivano da errori casuali molecole che sintetizzano il DNA. Per la prima volta un modello del genere è stato presentato da Bresler. Ha suggerito che le mutazioni appaiono come risultato del fatto che le polimerasi in alcuni casi inseriscono nucleotidi non complementari nella sequenza. Anni dopo, dopo lunghe verifiche ed esperimenti, questo punto di vista venne approvato e accettato mondo scientifico. Sono stati addirittura dedotti alcuni modelli che consentono agli scienziati di controllare e dirigere le mutazioni esponendo determinate sezioni del DNA alla luce ultravioletta. Ad esempio, hanno scoperto che l'adenina è spesso inserita di fronte alla tripletta danneggiata.
Modello tautomerico di mutagenesi
Un'altra teoria che spiega le mutazioni spontanee e artificiali è stata proposta da Watson e Crick (scopritori della struttura del DNA). Hanno proposto che la mutagenesi si basi sulla capacità di alcune basi del DNA di convertirsi in forme tautomeriche, che cambiano il modo in cui le basi si uniscono.
Dopo la pubblicazione, l'ipotesi è stata sviluppata attivamente. Nuove forme di nucleotidi sono state scoperte dopo l'irradiazione ultravioletta. Ciò ha offerto agli scienziati nuove opportunità di ricerca. Scienza moderna C'è ancora dibattito sul ruolo delle forme tautomeriche nella mutagenesi spontanea e sul suo impatto sul numero di mutazioni identificate.
Altri modelli
La mutazione spontanea è possibile quando il riconoscimento degli acidi nucleici da parte della DNA polimerasi è compromesso. Poltaev e coautori hanno chiarito il meccanismo che garantisce il rispetto del principio di complementarità durante la sintesi delle molecole di DNA figlia. Questo modello ha permesso di studiare i modelli di mutagenesi spontanea. Gli scienziati hanno spiegato così la loro scoperta motivo principale cambiamenti nella struttura del DNA è la sintesi di coppie nucleotidiche non canoniche. Hanno suggerito che lo spazzamento delle basi avvenga attraverso la deaminazione delle sezioni di DNA. Ciò si traduce in un cambiamento dalla citosina alla timina o all'uracile. A causa di tali mutazioni si formano coppie di nucleotidi incompatibili. Pertanto, durante la replica successiva, avviene una transizione (sostituzione puntuale delle basi nucleotidiche).
Classificazione delle mutazioni: spontanee
Mangiare varie classificazioni mutazioni a seconda di quale specifico criterio ne è alla base. Esiste una divisione in base alla natura del cambiamento nella funzione del gene: - ipomorfico (gli alleli mutati sintetizzano meno proteine, ma sono simili all'originale);
- amorfo (il gene ha perso completamente le sue funzioni);
- antimorfico (il gene mutato cambia completamente il tratto che rappresenta);
- neomorfico (appaiono nuovi segni). Ma una classificazione più comune è quella che divide proporzionalmente tutte le mutazioni in base alla struttura variabile. Ci sono: 1. Mutazioni genomiche. Questi includono la poliploidia, cioè la formazione di un genoma con un triplo o più set di cromosomi e l'aneuploidia: il numero di cromosomi nel genoma non è multiplo di quello aploide.
2. Mutazioni cromosomiche. Si osservano riarrangiamenti significativi delle singole sezioni cromosomiche. Si verifica la perdita di informazioni (delezione), il raddoppio (duplicazione), il cambiamento nella direzione delle sequenze nucleotidiche (inversione), nonché l'inversione delle sezioni cromosomiche in un'altra posizione (traslocazione).
3. Mutazione genetica. La mutazione più comune. Nella catena del DNA vengono sostituite diverse basi azotate casuali.
Conseguenze delle mutazioni
Le mutazioni spontanee sono la causa di tumori, malattie da accumulo, disfunzioni di organi e tessuti dell'uomo e degli animali. Se una cellula mutata si trova in un grande organismo multicellulare, con un alto grado di probabilità verrà distrutta innescando l'apoptosi (morte cellulare programmata). Il corpo controlla il processo di mantenimento del materiale genetico e con l'aiuto sistema immunitario, elimina tutte le possibili cellule danneggiate. In un caso su centinaia di migliaia, i linfociti T non hanno il tempo di riconoscere la struttura interessata e si forma un clone di cellule che contengono anche il gene mutato. Il conglomerato di cellule ha altre funzioni, produce sostanze tossiche e influisce negativamente stato generale corpo. Se la mutazione non si è verificata nella cellula somatica, ma nella cellula riproduttiva, si osserveranno cambiamenti nei discendenti. Si ritrovano patologie congenite organi, deformità, disordini metabolici e malattie da accumulo.
Mutazioni spontanee:
In alcuni casi, mutazioni che prima sembravano inutili possono essere utili per adattarsi a nuove condizioni di vita. Ciò introduce la mutazione come misura della selezione naturale. Animali, uccelli e insetti indossano colori mimetici che si adattano al loro luogo per proteggersi dai predatori. Ma se il loro habitat cambia, con l'aiuto delle mutazioni la natura cerca di proteggere la specie dall'estinzione. Nelle nuove condizioni, i più adatti sopravvivono e trasmettono questa capacità agli altri. La mutazione può verificarsi in regioni inattive del genoma e quindi non si osservano cambiamenti visibili nel fenotipo. Un “guasto” può essere identificato solo con l’aiuto di studi specifici. Ciò è necessario per studiare l'origine e le specie animali affini e per compilare le loro mappe genetiche.
Il problema della spontaneità delle mutazioni
Negli anni Quaranta del secolo scorso esisteva una teoria secondo cui le mutazioni sono causate esclusivamente dall'influenza di fattori esterni e aiutano ad adattarsi ad essi. Per testare questa teoria, è stato sviluppato uno speciale metodo di test e ripetizione. La procedura consisteva nel seminare una piccola quantità di batteri di un tipo in provette e, dopo diverse inoculazioni, ad essi venivano aggiunti antibiotici. Alcuni microrganismi sono sopravvissuti e sono stati trasferiti in un nuovo terreno. Un confronto tra batteri provenienti da diverse provette ha dimostrato che la resistenza si è instaurata spontaneamente, sia prima che dopo il contatto con l'antibiotico. Il metodo di ripetizione consisteva nel trasferire i microrganismi su un tessuto soffice e quindi trasferirli su diversi supporti puliti. Nuove colonie sono state coltivate e trattate con antibiotico. Di conseguenza, i batteri situati in aree identiche del mezzo sono sopravvissuti in provette diverse.
Spontaneo (spontaneo)
Indotto (fattore noto)
Aberrazione cromosomica- una mutazione che modifica la struttura dei cromosomi. Con le aberrazioni cromosomiche, i riarrangiamenti cromosomici si verificano all'interno di:
Una sezione di un cromosoma viene persa; O
Una sezione di un cromosoma viene raddoppiata (duplicazione del DNA); O
Una sezione di un cromosoma viene trasferita da un luogo all'altro; O
Sezioni di cromosomi diversi (non omologhi) o interi cromosomi si fondono.
Mutazioni genetiche – cambiamento nella struttura del gene.
· Mutazioni per tipo di sostituzione delle basi azotate.
· Mutazioni del frame shift.
· Mutazioni come l'inversione delle sequenze nucleotidiche in un gene.
Mutazioni genomiche – variazione del numero di cromosomi. (La poliploidia è un aumento del numero diploide dei cromosomi mediante l'aggiunta di interi set cromosomici; l'autoploidia è la moltiplicazione dei cromosomi di un genoma, l'alaploidia è la moltiplicazione del numero di cromosomi di due genomi diversi, l'eteroploidia è il numero di cromosomi che può cambiare e diventare un multiplo dell'insieme aploide (la trisomia è un cromosoma invece di accoppiarsi in numeri tripli, la monosomia è la perdita di un cromosoma da una coppia)).
Ingegneria genetica ( Ingegneria genetica) - un insieme di tecniche, metodi e tecnologie per ottenere RNA e DNA ricombinanti, isolare i geni da un organismo (cellule), manipolare i geni e introdurli in altri organismi. L’ingegneria genetica non è una scienza in senso lato, ma è uno strumento della biotecnologia.
Eredità citoplasmatica- eredità extranucleare, che viene effettuata con l'aiuto di molecole di DNA situate nei plastidi e nei mitocondri. L'influenza genetica del citoplasma si manifesta come conseguenza dell'interazione del plasmone con i geni nucleari. Un carattere determinato dal citoplasma viene trasmesso solo attraverso la linea materna.
Eredità e ambiente. Le informazioni genetiche contengono la capacità di sviluppare determinate proprietà e caratteristiche. Questa capacità si realizza solo in determinate condizioni ambientali. La stessa informazione ereditaria in condizioni alterate può manifestarsi in modo diverso. Non è un tratto già pronto che viene ereditato, ma un certo tipo di reazione all'influenza ambiente esterno. L’intervallo di variabilità entro il quale, a seconda delle condizioni ambientali, lo stesso genotipo è capace di produrre fenotipi diversi è detto norma di reazione.
Alleli - varie forme lo stesso gene, situato nelle stesse sezioni (loci) dei cromosomi omologhi (accoppiati); determinare varianti di manifestazione dello stesso tratto. In un organismo diploide possono esserci due alleli identici dello stesso gene, nel qual caso l'organismo è chiamato omozigote, oppure due alleli diversi, risultando in un organismo eterozigote.
Interazione dei geni allelici
1. Dominazione- questa è un'interazione di geni allelici in cui la manifestazione di uno degli alleli non dipende dalla presenza di un altro allele nel genotipo e gli eterozigoti non differiscono fenotipicamente dagli omozigoti per questo allele.
2. Eredità intermedia -(mancanza di dominanza) la progenie di F 1 mantiene l'uniformità, ma non è completamente simile a nessuno dei genitori, ma ha un tratto di natura intermedia.
3. Dominanza incompleta- Negli ibridi F 1, il tratto non occupa una posizione intermedia, ma devia verso il genitore con il tratto dominante.
4. Sovradominanza - Gli ibridi F 1 mostrano eterosi (superiorità rispetto ai genitori in vitalità, energia di crescita, fertilità, produttività).
5. Addizione allelica(complementazione interlelica) - l'azione complementare di due alleli dello stesso gene o di geni diversi dello stesso set cromosomico. Si riferisce a modi rari di interazione dei geni allelici.
6. Esclusione allelica- questo tipo di interazione dei geni allelici nel genotipo di un organismo in cui si verifica l'inattivazione (l'inattivazione è la perdita parziale o completa del patrimonio biologico sostanza attiva o un agente della sua attività) di uno degli alleli nel cromosoma.
Pertanto, anche il processo di formazione di un tratto elementare dipende dall'interazione di almeno due geni allelici e il risultato finale è determinato dalla loro combinazione specifica nel genotipo.
Interazione di geni non allelici
Complementarità- una delle forme di interazione dei geni non allelici. Sta nel fatto che per lo sviluppo di qualsiasi caratteristica è necessaria la presenza nel genotipo di 2 geni dominanti di diverse coppie non alliche. Inoltre, ciascuno dei geni complementari non ha la capacità di garantire lo sviluppo di questo tratto. (In questi casi, nella generazione F2, la suddivisione avviene nel rapporto 9:7, che è una modifica della formula di suddivisione di Mendeleev 9:3:3:1)
Epistasi- interazione genetica in cui l'attività di un gene è influenzata da variazioni in altri geni. Un gene che sopprime le manifestazioni fenotipiche di un altro è chiamato epistatico; un gene la cui attività è alterata o soppressa è chiamato ipostatico.
Polimerismo- (interazione additiva dei geni) - un tipo di interazione genetica in cui il grado di sviluppo di un tratto quantitativo è determinato dall'influenza di diversi geni che agiscono in modo simile (geni polimerici).
Espressività- grado di espressione del tratto, a seconda della dose degli alleli corrispondenti.
Penetranza- indice manifestazione fenotipica allele in una popolazione di individui che ne sono portatori. Espresso in percentuale.
Poligenicità- la presenza di diversi geni non allelici strettamente collegati, i cui prodotti proteici sono strutturalmente simili e svolgono funzioni identiche.
Pleiotropia- il fenomeno delle azioni genetiche multiple. Si esprime nella capacità di un gene di influenzare diversi tratti fenotipici. Pertanto, una nuova mutazione in un gene può influenzare alcuni o tutti i tratti associati a quel gene. Questo effetto può causare problemi durante la selezione selettiva, quando, quando si seleziona per uno dei tratti, uno degli alleli di un gene è in testa e quando si seleziona per altri tratti, un altro allele dello stesso gene è in testa.
Fenocopie- cambiamenti nel fenotipo (simili a mutazioni) sotto l'influenza fattori sfavorevoli ambiente. In medicina, le fenocopie sono malattie non ereditarie simili a quelle ereditarie.
La madre ha sofferto di rosolia durante la gravidanza e il bambino ha il labbro leporino e il palato leporino. Questo è un esempio di fenocopia, perché questo sintomo si sviluppa in assenza del gene mutante che determina questa anomalia. Questa caratteristica non sarà ereditata.
Le persone con diabete che assumono regolarmente e con attenzione l'insulina sono una fenocopia delle persone sane.
Genocopie - cambiamenti simili nel fenotipo causati da mutazioni di diversi geni non allelici. La presenza di copie genetiche è associata all'eterogeneità genetica (eterogeneità) malattie ereditarie. Un esempio sono vari tipi di emofilia, manifestati clinicamente da una diminuzione della coagulazione del sangue nell'aria. Queste forme sono di origine genetica diversa, associate a mutazioni di geni non allelici.
L'emofilia A è causata da una mutazione nel gene che controlla la sintesi del fattore 8 (globulina antiemofila) e la causa dell'emofilia B è una carenza del fattore 9 del sistema di coagulazione del sangue
10 Metodo dei gemelli in genetica. Tipi di gemelli monozigoti. Schede genealogiche e strategia per la loro analisi. Predisposizione ereditaria alle malattie. Il ruolo dell'ereditarietà e dell'ambiente nella formazione delle caratteristiche fenotipiche
Gemelli monozigoti: due placente e due sacche embrionali rappresentano il 20-30% di tutti. Violazioni minime
La placenta è comune ma ciascuna ha il proprio sacco embrionale
Monomono
La placenta comune è un sacco embrionale comune. La più alta percentuale di violazioni, perché la concorrenza tra loro è alta.
Chimerizzazione dei cromosomi(mosaismo) – 4 cellule partecipano alla formazione dell'embrione: 2 zigoti fusi all'inizio dell'embriogenesi. Alcuni tessuti hanno i geni di uno zigote, altri di un altro.
Gemelli semiidentici– un uovo, due spermatozoi. Superfetazione - 2 ovuli vengono fecondati da 2 spermatozoi diversi (La probabilità di paternità diversa è eterosuperfetazione. In un matrimonio interrazziale è possibile la nascita di gemelli misti.)
Metodo gemellare.
Questo metodo viene utilizzato nella genetica umana per determinare il grado di dipendenza ereditaria delle caratteristiche studiate. I gemelli possono essere identici (formati su fasi iniziali frammentazione dello zigote, quando organismi a tutti gli effetti si sviluppano da due o meno spesso da un numero maggiore di blastomeri). I gemelli identici sono geneticamente identici. Quando due o meno ovuli maturano e vengono poi fecondati da spermatozoi diversi, si sviluppano gemelli fraterni. I gemelli fraterni non sono più simili tra loro dei fratelli e delle sorelle nati tempo diverso. L'incidenza dei gemelli nell'uomo è circa l'1% (1/3 identici, 2/3 fraterni); la stragrande maggioranza dei gemelli sono gemelli.
Poiché il materiale ereditario dei gemelli identici è lo stesso, le differenze che si presentano tra loro dipendono dall'influenza dell'ambiente sull'espressione genetica. Il confronto della frequenza di somiglianza per un numero di caratteristiche in coppie di gemelli identici e fraterni consente di valutare l'importanza dei fattori ereditari e ambientali nello sviluppo del fenotipo umano.
Gemelli monozigoti sono formati da uno zigote, che viene diviso in due (o più) parti nella fase di scissione. Hanno gli stessi genotipi. I gemelli monozigoti sono sempre dello stesso sesso.
Un gruppo speciale tra i gemelli identici è costituito da tipi insoliti: a due teste (di solito non vitali) e xyphopagus ("gemelli siamesi"). Maggior parte caso famoso- Gemelli siamesi nati nel Siam (ora Thailandia) - Chang e l'Ing. Vissero per 63 anni e furono sposati con sorelle gemelle. Quando Chang morì di bronchite, Eng morì 2 ore dopo. Erano collegati da un ponte di tessuto dallo sterno all'ombelico. Successivamente fu stabilito che il ponte che li collegava conteneva tessuto epatico che collegava i due fegati. A quel tempo non era possibile separare i gemelli. Attualmente disconnesso e altro ancora connessioni complesse tra gemelli.
Lo studio dei gemelli identici aiuta a capire cosa e come in una persona è determinato dai geni e cosa no.
I gemelli dizigoti si sviluppano quando due ovuli vengono fecondati contemporaneamente da due spermatozoi. Naturalmente, i gemelli dizigoti hanno genotipi diversi. Non sono più simili tra loro di fratelli e sorelle, perché... hanno circa il 50% di geni identici.
Il pedigree (sinonimo di genealogia) è una descrizione delle relazioni familiari della persona studiata, presentata, di regola, sotto forma di un diagramma utilizzando simboli generalmente accettati.
Spontaneo- Si tratta di mutazioni che avvengono spontaneamente, senza intervento da parte dello sperimentatore.
Indotto– queste sono quelle mutazioni causate artificialmente, utilizzando vari fattori mutagenesi.
In generale, viene chiamato il processo di formazione della mutazione mutagenesi, e i fattori che causano le mutazioni lo sono mutageni.
Fattori mutageni sono divisi in fisico,chimico E biologico.
Tasso di mutazione spontanea costituisce un gene, per ciascun gene di ciascun organismo è diverso.
Cause di mutazioni spontanee non del tutto chiaro. In precedenza si pensava che fossero causati da sfondo naturale Radiazione ionizzante . Tuttavia, si è scoperto che non era così. Ad esempio, nella Drosophila, la radiazione di fondo naturale provoca non più dello 0,1% delle mutazioni spontanee.
CON età conseguenze derivanti dall'esposizione alle radiazioni di fondo naturali possono accumulare, e nell'uomo, dal 10 al 25% delle mutazioni spontanee sono dovute a questo.
Secondo motivo le mutazioni spontanee sono danni accidentali a cromosomi e geni durante la divisione cellulare e la replicazione del DNA a causa di errori casuali nel funzionamento dei meccanismi molecolari.
Il terzo motivo le mutazioni spontanee sono in movimento per genoma elementi mobili, che può invadere qualsiasi gene e provocarne una mutazione.
Il genetista americano M. Green ha dimostrato che circa l'80% delle mutazioni scoperte come spontanee sono nate come risultato del movimento di elementi mobili.
Mutazioni indotte scoperto per primo nel 1925. G.A. Nadson E G.S. Filippov nell'URSS. Hanno irradiato colture di muffe con raggi X. Mucorgenevensis e ha ricevuto una scissione della cultura “in due forme o razze, diverse non solo l’una dall’altra, ma anche dalla forma originale (normale)”. I mutanti si sono rivelati stabili, poiché dopo otto sottoculture successive hanno mantenuto le proprietà acquisite. Il loro articolo è stato pubblicato solo su lingua russa, inoltre, nel lavoro non è stato utilizzato alcun metodo quantificazione azione dei raggi X, per cui rimase poco notato.
IN 1927 G. G. Möller riportato l'effetto dei raggi X sul processo di mutazione nella Drosophila e proposto metodo quantitativo tenendo conto delle mutazioni letali recessive sul cromosoma X ( ClB), che è diventato un classico.
Nel 1946 Möller fu premiato premio Nobel per la scoperta della mutagenesi da radiazioni. Ormai è stato accertato praticamente tutti i tipi di radiazioni(comprese le radiazioni ionizzanti di tutti i tipi - , , ; raggi UV, raggi infrarossi) causano mutazioni. Sono chiamati mutageni fisici.
Di basemeccanismi le loro azioni:
1) interruzione della struttura di geni e cromosomi dovuta a azione diretta su DNA e molecole proteiche;
2) istruzione i radicali liberi, che entrano in interazione chimica con il DNA;
3) il filo si rompe mandrini;
4) istruzione dimeri(timina).
Negli anni '30 era aperto mutagenesi chimica nella Drosophila: V.V. Sakharov (1932 ), M. E. Lobashev E F.A. Smirnov (1934 ) ha mostrato che alcuni composti, come iodio, acido acetico, ammoniaca, sono in grado di indurre mutazioni letali recessive sul cromosoma X.
IN 1939 G. Sergei Mikhailovich Gershenzon(studente di S.S. Chetverikov) ha scoperto un forte effetto mutageno del DNA esogeno nella Drosophila. Sotto l'influenza delle idee di N.K. Koltsov che il cromosoma è una molecola gigante, S.M. Gershenzon ha deciso di verificare la sua ipotesi secondo cui il DNA è una molecola di questo tipo. Ha isolato il DNA dal timo e lo ha aggiunto al cibo delle larve di Drosophila. Su 15mila mosche di controllo (cioè senza DNA nel cibo) non è stata riscontrata una sola mutazione e nell'esperimento sono stati trovati 13 mutanti su 13mila mosche.
IN 1941Charlotte Auerbach E J. Robson lo ha dimostrato senape azotata induce mutazioni in Drosophila. I risultati del lavoro con questo agente di guerra chimica furono pubblicati solo nel 1946, dopo la fine della seconda guerra mondiale. Nello stesso 1946 G. Rapoport(Joseph Abramovich) nell'URSS ha mostrato attività mutagena formaldeide.
Attualmente a mutageni chimici includere:
UN) naturale sostanze organiche ed inorganiche;
b) prodotti industriali lavorazione di composti naturali– carbone, petrolio;
V) sostanze sintetiche, precedentemente non presenti in natura (pesticidi, insetticidi, ecc.);
d) alcuni metaboliti corpi umani e animali.
Mutageni chimici causa principalmente genetico mutazioni e agiscono durante la replicazione del DNA.
Meccanismi della loro azione:
1) modifica della struttura della base (idrossilazione, deaminazione, alchilazione);
2) sostituzione delle basi azotate con loro analoghi;
3) inibizione della sintesi dei precursori degli acidi nucleici.
IN l'anno scorso utilizzare i cosiddetti supermutageni:
1)analoghi di base;
2) connessioni, Alchilazione del DNA(etil metansolfonato, metil metansolfonato, ecc.);
3) connessioni, intercalante tra le basi del DNA (acridine e loro derivati).
I supermutageni aumentano la frequenza delle mutazioni di 2-3 ordini di grandezza.
A mutageni biologici relazionare:
UN) virus(rosolia, morbillo, ecc.);
B) agenti infettivi non virali(batteri, rickettsie, protozoi, elminti);
V) genetica mobileelementi.
Meccanismi della loro azione:
1) i genomi dei virus e degli elementi mobili sono integrati nel DNA delle cellule ospiti;
Mutagenesi indotta , a partire dalla fine degli anni '20 del XX secolo, sono stati utilizzati per la selezione di nuovi ceppi, razze e varietà. Il maggior successo è stato ottenuto nella selezione di ceppi di batteri e funghi che producono antibiotici e altre sostanze biologicamente attive.
Quindi, siamo riusciti ad aumentare l'attività produttori di antibiotici di 10-20 volte, il che ha permesso di aumentare significativamente la produzione di antibiotici appropriati e ridurne drasticamente i costi. Attività del fungo radioso - produttore di vitamina B 12 è riuscito ad aumentare di 6 volte e l'attività del batterio - produttore aminoacidi lisina- 300-400 volte.
Utilizzo delle mutazioni nanismo nel grano permise negli anni '60 e '70 di aumentare drasticamente la resa dei raccolti di grano, chiamata " rivoluzione verde" Le varietà di grano nano hanno uno stelo spesso accorciato che è resistente all'allettamento; può sopportare un carico maggiore da una spiga più grande. L'uso di queste varietà ha permesso di aumentare significativamente le rese (più volte in alcuni paesi).
Un allevatore e genetista americano è considerato l’autore della “rivoluzione verde” N. Borlauga, che nel 1944, all'età di 30 anni, si stabilì e iniziò a lavorare in Messico. Per il suo successo nella selezione di varietà vegetali altamente produttive, gli venne assegnato il Premio Nobel per la Pace nel 1970.
Finora abbiamo parlato di mutazioni spontanee, cioè verificarsi senza alcuna causa nota. Il verificarsi delle mutazioni è un processo probabilistico e, di conseguenza, esiste un insieme di fattori che influenzano e modificano queste probabilità. I fattori che causano le mutazioni sono chiamati mutageni e il processo di modifica delle probabilità che si verifichi la mutazione è chiamato indotto. Le mutazioni che si verificano sotto l'influenza di mutageni sono chiamate mutazioni indotte.
Nella tecnologia moderna società complessa Le persone sono esposte a un’ampia varietà di agenti mutageni, quindi lo studio delle mutazioni indotte sta diventando sempre più importante.
I mutageni fisici comprendono tutti i tipi di radiazioni ionizzanti (raggi gamma e X, protoni, neutroni, ecc.), radiazioni ultraviolette, alte e basse temperature; chimico: molti composti alchilanti, analoghi delle basi azotate degli acidi nucleici, alcuni biopolimeri (ad esempio DNA e RNA estranei), alcaloidi e molti altri agenti chimici. Alcuni mutageni aumentano il tasso di mutazione centinaia di volte.
I mutageni più studiati includono radiazioni ad alta energia e alcuni sostanze chimiche. Le radiazioni provocano cambiamenti nel genoma umano come aberrazioni cromosomiche e perdita di basi nucleotidiche. La frequenza delle mutazioni delle cellule germinali indotte dalle radiazioni dipende dal sesso e dallo stadio di sviluppo delle cellule germinali. Le cellule germinali immature mutano più spesso di quelle mature; le cellule riproduttive femminili sono più rare di quelle maschili. Inoltre, la frequenza delle mutazioni indotte dalle radiazioni dipende dalle condizioni e dalla dose di radiazioni.
Le mutazioni somatiche derivanti dalle radiazioni rappresentano la principale minaccia per la popolazione, poiché la comparsa di tali mutazioni spesso funge da primo passo verso la formazione di tumori cancerosi. Pertanto, una delle conseguenze più drammatiche dell'incidente di Chernobyl è associata all'aumento della frequenza degli eventi tipi diversi malattie oncologiche. Nella regione di Gomel, ad esempio, è stato riscontrato un forte aumento del numero di bambini malati di cancro ghiandola tiroidea. Secondo alcuni rapporti, la frequenza di questa malattia oggi è aumentata di 20 volte rispetto alla situazione pre-incidente.
All'inizio degli anni '50 del XX secolo fu scoperta la possibilità di rallentare o indebolire il tasso di mutazione con l'aiuto di alcune sostanze. Tali sostanze erano chiamate antimutageni. Sono stati isolati circa 200 composti naturali e sintetici ad attività antimutagena: alcuni aminoacidi (arginina, istidina, metianina), vitamine (tocoferolo, acido ascorbico, retinolo, carotene), enzimi (perossidasi, NADP ossidasi, catalasi, ecc.), composti complessi di origine vegetale e animale, agenti farmacologici (interferone, ossipiridine, sali di selenio, ecc.).
Si stima che attraverso l'alimentazione una persona riceva ogni giorno diversi grammi di sostanze che possono causare malattie genetiche. Tali quantità di mutageni dovrebbero causare danni significativi alle strutture ereditarie umane. Ma questo non accade, perché gli antimutageni alimentari neutralizzano gli effetti dei mutageni. Il rapporto tra antimutageni e mutageni nei prodotti dipende dal metodo di preparazione, conservazione e durata di conservazione. Gli antimutageni non sono solo componenti, ma anche prodotti alimentari in generale: estratti vari tipi il cavolo riduce il livello di mutazioni di 8-10 volte, l'estratto di mela - 8 volte, l'uva - 4 volte, le melanzane - 7 volte, il peperone verde - 10 volte e la foglia di menta - 11 volte. Tra Erbe medicinaliÈ stato notato l'effetto antimutageno dell'erba di San Giovanni.
Problemi di discussione:
1. La regione del gene che codifica per il polipeptide ha normalmente il seguente ordine di basi: AAGSAASAATTAGTAATGAAGCAACCC. Quali cambiamenti avverranno nella proteina se, durante la replicazione, appare un'inserzione di timina nel sesto codone tra il secondo e il terzo nucleotide?
2. Nella sezione del gene che codifica per il polipeptide, la sequenza delle basi nucleotidiche è la seguente: GAACTGATTCGGCCAG. Si è verificata un'inversione nella regione del secondo-settimo nucleotide. Determinare la struttura della catena polipeptidica normalmente e dopo la mutazione.
Le mutazioni possono verificarsi spontaneamente o come risultato dell'induzione. Entrambi i tipi di variazione ereditaria possono essere utilizzati nei programmi di allevamento.
L'enorme variabilità naturale presente nel mais è dovuta a mutazioni spontanee avvenute nel corso di innumerevoli generazioni nel passato. Una parte significativa del lavoro di selezione del mais si basa sull'uso di mutazioni spontanee di importanza economica. Questi includono mutazioni che cambiano l'insieme di aminoacidi, ad esempio opaco-2, farinoso-2 e mutazioni che cambiano il tipo di amido: ceroso e zuccherino 2, ecc. Sebbene il mais si sia accumulato gran numero mutazioni spontanee, di solito non si verificano abbastanza frequentemente da fornire la quantità e il tipo di variazione richiesti nei programmi di allevamento. Pertanto, nel tentativo di ottenere un'alta frequenza di mutazioni indotte benefiche, vengono utilizzati vari agenti mutageni.
Le aberrazioni cromosomiche spontanee e indotte sono essenzialmente le stesse. Tuttavia, per l'allevatore, tra tutti i tipi di mutazioni, i veri cambiamenti nella struttura molecolare o le vere mutazioni genetiche sono di maggior valore. Nonostante gli esperimenti accurati non sono state trovate prove assolutamente convincenti della comparsa di vere mutazioni genetiche indotte nel mais.
Moeller in Texas e Stadler nel Missouri, i primi a indagare sull'azione Esposizione ai raggi X nelle piante e negli animali si è scoperto che la frequenza della mutazione può essere notevolmente aumentata. Nelle piante, le mutazioni sono state indotte trattando polline, giovani embrioni o semi. Il trattamento prevedeva radiografie, raggi ultravioletti, radio, temperatura, elettricità, gas mostarda, prodotti chimici, irradiazione gamma e invecchiamento dei semi.
I sistemi mutevoli possono essere utilizzati come strumenti per la riproduzione delle piante. Un sistema mutabile contiene una componente simile a un gene o un elemento di controllo che modifica e controlla l'azione dei geni. Dollinger ha sviluppato un metodo che consente l'uso di un sistema mutevole per la selezione delle piante. Le mutazioni possono essere dominanti o recessive. Ha delineato un metodo per selezionare piante con stelo resistenti alla putrefazione in linee consanguinee selezionate di mais e ha suggerito lo stesso metodo generale può essere utilizzato per modificare l'azione dei geni nei loci che controllano altri tratti.
Russell e colleghi hanno ottenuto tassi di mutazione comparabili in linee inbred a lungo termine ottenute e mantenute attraverso l'auto-auto-selezione e la selezione continua. In ciascuno dei sei gruppi di studi, il materiale era costituito da 31 discendenti, rappresentanti cinque generazioni allevate secondo uno schema dicotomico. Il tasso di mutazione stimato era di 2,8 mutazioni per 100 gameti esaminati.
Balint e Sutka hanno riportato mutanti indotti in linee consanguinee di mais. Variazioni tra le linee di mais consanguineo a lungo termine sono state riportate da Fleming et al., Fleming, El-Eryani e Fleming, Higgs e Russell, e Grogen e Francis. La stabilità fenotipica di serie sistematiche di genotipi di mais è stata riportata da Rowe e Andrew. L'espressione ibrida delle mutazioni che influenzano i tratti quantitativi nelle linee consanguinee è stata discussa da Bush e Russell.
I coltivatori di mais hanno esplorato un gran numero di combinazioni di mutazioni genetiche che influenzano le proprietà dei semi. I fenotipi dei cereali con diverse mutazioni genetiche e le loro interazioni sono stati riportati da Kramer, Pfahler e Whistler e Creech. Garwood e Creech hanno descritto i fenotipi dei chicchi di mais che trasportano da uno a quattro geni mutanti.
Smith e von Borstel hanno riferito di meccanismi indotti e geneticamente modificati per la produzione di mutazioni letali dominanti e di come questi possano essere utilizzati per sradicare o controllare le popolazioni di parassiti. Il loro articolo discute:
1. Letalità dominante indotta dalle radiazioni.
2. Creata letalità dominante.
3. Controllo della popolazione mediante letalità dominante indotta.
4. Controllo della popolazione attraverso la letalità dominante generata.
5. Controllo della popolazione basato sulla sterilità ereditaria indotta.
6. Controllo della popolazione basato sulla sterilità parziale ereditaria artificiale.
7. Mutazioni recessive condizionatamente letali.
8. Mutazioni condizionalmente letali dominanti.
9. Mutazioni condizionatamente letali: una “bomba a orologeria” genetica.
10. Cinetica di riduzione della popolazione utilizzando la sterilità maschile.
11. Problemi e condizioni particolari.
L'induzione di cambiamenti genetici viene migliorata utilizzando due fattori insieme: la sensibilità del rilevamento e i metodi di rilevamento e applicazione efficace agenti che inducono mutazioni o mutageni.
I primi esperimenti hanno dimostrato che la frequenza delle mutazioni indotte dipende fortemente dalla dose di radiazioni: maggiore è la dose, maggiore è la frequenza di mutazione. Questa relazione tra radiazione e mutazione è stata interpretata nel senso che il gene è il "bersaglio" e le sue mutazioni sono causate da "colpi" individuali di radiazioni. Esistono prove che la teoria del bersaglio da sola non può spiegare in modo soddisfacente gli effetti delle radiazioni.
Gli agenti mutageni e l'interpretazione delle loro azioni furono discussi da Sparrow, Auerbach, Haas, Dowdney e Cada.
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