Genetisk mutasjon

Med genetisk mutasjon mener vi enhver stabil og arvelig endring i nukleotidsekvensen til et genom eller mer generelt av genetisk materiale (både DNA og RNA ) på grunn av eksterne agenter eller tilfeldigheter , men ikke genetisk rekombinasjon . [1] En mutasjon modifiserer derfor genotypen til et individ og kan til slutt modifisere dets fenotype i henhold til dets egenskaper og interaksjoner med miljøet.

Mutasjoner er de grunnleggende elementene gjennom hvilke evolusjonære prosesser kan finne sted . Mutasjoner bestemmer faktisk den såkalte genetiske variabiliteten , det vil si tilstanden der organismer skiller seg fra hverandre for en eller flere karakterer . Naturlig seleksjon opererer på denne variasjonen, gjennom genetisk rekombinasjon , som fremmer gunstige mutasjoner til skade for ugunstige eller til og med dødelige. Som en del av de ugunstige mutasjonene, har organismer utviklet forskjellige mekanismer for å reparere DNA fra de ulike skadene den kan lide, og dermed redusere mutasjonshastigheten.

Mutasjoner skilles ut av genetikere på grunnlag av deres virkningsgrad: endringen kan gjelde et enkelt gen , deler av genomet eller hele kromosomsettet.

Hvis mutasjonene oppstår i en somatisk celle , vil disse, sammen med de relative effektene, være tilstede i alle cellene som stammer fra den ved mitose; noen av disse mutasjonene kan gjøre celler ondartede og forårsake kreft , og er ansvarlige for noen medfødte misdannelser. Hvis mutasjoner er tilstede i kjønnsceller eller kjønnsceller , arves de av påfølgende generasjoner og kan til slutt føre til arvelige genetiske sykdommer .

Opprinnelse til mutasjoner

Mutasjoner er generelt klassifisert i to klasser i henhold til deres opprinnelse.

Spontane mutasjoner

Spontane mutasjoner er mutasjoner forårsaket av endogene kjemiske faktorer og av feil i prosessene som foregår på arvestoffet; definisjonen av spontan mutasjon er en som skjer i fravær av kjente mutagener. De er ikke veldig hyppige, men de er fortsatt uunngåelige gitt den iboende ufullkommenheten til hver molekylær mekanisme. Feil kan skyldes:

• Tautomeria - en base er modifisert ved fortrengning av et hydrogenatom .
• Deaminering - reaksjon som transformerer en nitrogenholdig base til en annen; for eksempel forårsaker det overgangen C → U (som kan repareres ); det er også spontan deaminering av 5-metylcytosin i T og deamineringen som bestemmer A → HX (adenin → hypoxanthin ).
• Rensing - hydrolyse av glykosidbindingen og dannelse av et basefritt nukleotid (vanligvis G eller A).
• Oksidativ skade - på grunn av spontan dannelse i cellen av arter med svært reaktive oksygenatomer , i stand til å angripe DNA og forårsake skade på enkelt- eller dobbelttråden og skade på nitrogenbasene.
• Feil i DNA-replikasjon , rekombinasjon og reparasjonsprosesser . Det kan for eksempel skyldes at DNA-polymerasen legger til feil nukleotider; dette kan generere en transversjon hvis det er utveksling av en purin med en pyrimidin eller omvendt; en overgang hvis det er utveksling av en purin med en annen purin eller av en pyrimidin med en annen pyrimidin.

Induserte mutasjoner

De induserte mutasjonene produseres i stedet ved virkningen av spesielle fysiske eller kjemiske midler kalt mutagene midler . Mutagenese er prosessen som bestemmer en mutasjon indusert og mutagenisert organismen der mutasjonen ble produsert. Skader på grunn av induserte mutasjoner skilles ut i:

• Substitusjon av basene med molekyler med en struktur som ligner på de som vanligvis finnes i DNA, men som danner forskjellige og derfor feilaktige sammenkoblinger.
• Tilsetning av substituentgrupper til nitrogenholdige baser : også i dette tilfellet genererer molekyler med feil paringskapasitet.
• Skade på nitrogenholdige baser: bryte bindinger eller legge til nye sammenlignet med normal tilstand.
• Baseinnsetting eller slettinger.

Fysiske mutagener er hovedsakelig ioniserende stråling ( røntgenstråler , gammastråler ) og ikke-ioniserende ( UV-stråler ); kjemiske midler er svært mange og tilhører forskjellige klasser av forbindelser. I tillegg til deres natur, er mutagener også forskjellige i mutasjonsspekteret, det vil si i typen (eller typene) mutasjon de kan forårsake. Ofte kan den samme konsekvensen være forårsaket av forskjellige mutagener (selv av natur), selv om mekanismene som de har virket med er svært forskjellige.

En viktig forskjell mellom fysiske og kjemiske mutagener er at førstnevnte virker uavhengig av organismen; kjemiske mutagener kan derimot ha ulike effekter avhengig av det biologiske systemet. Mens en stråling faktisk direkte påvirker det genetiske materialet, kan en kjemisk forbindelse interagere med andre molekyler (enzymer, metabolitter, reaktive arter ...) som er tilstede i cellen som kan variere dens egenskaper.

Genmutasjoner

De er mutasjonene som endrer et enkelt gen og derfor den "minste" som kan fås. Som sådan er de ikke synlige gjennom mikroskopisk analyse (bortsett fra noen ekstreme tilfeller), men kan bare finnes gjennom genetisk analyse. Genmutasjoner fører til dannelsen av nye genformer, eller nye alleler , kalt mutante alleler . Som sådan er disse sjeldne i befolkningen og skiller seg fra de mer vanlige allelene kalt villtyper . Imidlertid må det også skilles mellom mutante og morfe alleler . Morfene er faktisk to eller flere alleler av samme gen med en frekvens høyere enn 1 % ( polymorfisme ). I lys av dette følger det at begrepet mutasjon ikke er absolutt: et gen kan gjennomgå en mutasjon; hvis mutantallelen derimot finner forholdene for å spre seg i befolkningen og overskride 1 %-frekvensen, vil vi ikke lenger snakke om mutasjon, men om morfo.

De kan deles inn i tre kategorier: punktmutasjoner, dynamiske mutasjoner og strukturelle genomorganiseringer.

Punktmutasjoner

En punktmutasjon er en DNA-sekvensvariasjon som påvirker ett eller noen få nukleotider, men det er også mulig å vurdere "punkt"-mutasjoner opp til 50 nukleotider. Mange punktmutasjoner har sannsynligvis ingen effekt, i så fall sies de å være nøytrale, faktisk koder mye av DNAet i et eukaryotisk genom ikke for proteinprodukter, og det er usikkert om endringen av en enkelt nukleotidbase i denne tause en del av DNA kan påvirke helsen til en organisme. Imidlertid kan en enkeltpunktmutasjon ha en betydelig innvirkning på fenotypen som forekommer for eksempel ved sigdcelleanemi.

Substitusjon av baser

Basesubstitusjonsmutasjoner resulterer i utveksling av ett nukleotid med et annet. Overganger er definert når det er en utveksling av en purin med en annen purin (A> G) eller av en pyrimidin med en annen pyrimidin (C> T); i stedet kalles de transversjoner når utvekslingen er av en purin med en pyrimidin eller omvendt (C / T> A / G). Overganger er generelt hyppigere enn transversjoner.

Punktmutasjoner kan være av seks typer: stille, missense, rammeslettinger eller -innsettinger, nonsensinnsettinger, rammeskiftmutasjoner eller spleisemutasjoner.

• Tause eller synonyme mutasjoner oppstår når substitusjonen av en nitrogenholdig base i en DNA-sekvens ikke forårsaker en endring i aminosyresekvensen til det aktuelle proteinet. For eksempel, hvis TTT-tripletten endres til TTC, vil det være en overgang (T> C) i den tredje posisjonen til tripletten, men aminosyren som er kodet fra den tilsvarende mRNA-tripletten (UUC) vil alltid være fenylalanin på grunn av redundans av vår genetiske kode som har degenerert. Stille mutasjoner er overveiende nøytrale siden aminosyren ikke endres, og følgelig endres heller ikke funksjonaliteten til det kodede proteinet som den muterte tripletten finnes innenfor. [2] Mange av mutasjonene som er ansvarlige for en endret spleiseprosess forekommer i de korte ESE-sekvensene ( Exon Splicing Enhancer ) til noen eksoner, som er avgjørende for korrekt spleising, siden visse proteiner som er involvert i reguleringen av denne prosessen binder seg til dem. Når mutasjoner forekommer i disse sekvensene, kan introninkludering i modent mRNA oppstå, som, hvis kodet, vil føre til unormale proteiner. Stille mutasjoner til ESS-sekvensene (Exonic Splicing Silencer) som også er involvert i spleisemekanismen til det primære transkriptet, kan i stedet føre til ekskludering av et ekson fra det modne mRNA og følgelig til koding av trunkerte proteiner av ribosomene.
• Missense- mutasjoner oppstår når en nitrogenholdig base erstattes i en DNA-sekvens slik at aminosyresekvensen modifiseres. Hvis for eksempel TTT-tripletten endres til TCT, med en overgang av basen i andre posisjon (T> C), vil den kodede aminosyren ikke lenger være fenylalanin, men serin. Denne typen mutasjoner kan være nøytrale og bestemmer ikke noen spesifikk fenotype som bare representerer en enkelt nukleotidpolymorfisme (SNP) eller en privat variant, men den kan også gi opphav til alvorlige sykdommer som sigdcelleanemi. Generelt kan en missense-mutasjon betraktes som nøytral hvis den substituerte aminosyren er tilstede uten å vise en patologisk fenotype hos et visst antall individer i form av en enkelt nukleotidpolymorfisme eller en privat variant, eller hvis den kodede aminosyren har egenskaper som ligner på den originale (for eksempel en erstatning av glutaminsyre med asparaginsyre). Mutasjonen kan imidlertid gi opphav til patologiske tilstander når aminosyren kodet av den nye tripletten har egenskaper som er svært forskjellige fra den forrige (for eksempel erstatning av en valin med asparaginsyre), dersom den ikke er funnet i tidligere tilfeller eller i foreldresammenheng eller når det forekommer i en svært konservert region av et protein. Ofte fører til og med en enkelt mutasjon i en svært konservert region av et protein til at det mister funksjonalitet.
• Slettinger i rammer og innsettinger i rammer bestemmer henholdsvis eliminering av en triplett eller et antall nukleotider delelig med 3 eller innsetting av en triplett eller et antall nukleotider delelig med 3. De er "i rammer" siden de ikke er de beveger leseramme på ribosomalt nivå, ville dette faktisk innebære nesten total endring av aminosyresekvensen til et protein. Denne typen mutasjon resulterer i eliminering eller tillegg av aminosyrer i proteinet kodet av det modne mRNA som inneholder dem. Konsekvensene av disse mutasjonene er svært varierte.
• Nonsensmutasjoner oppstår når en nukleotidmutasjon av en triplett resulterer i transformasjon av et aminosyrekodon til et stoppkodon. For eksempel erstattes AGC-tripletten som koder for serin med ATC, som vil bli transkribert til mRNA som UAG, ett av de tre stoppkodonene. Konsekvensen er at det kodede proteinet ikke eksporteres eller, hvis det er kodet, avkortes det, siden oversettelsen ender ved stoppkodonet, og ignorerer dets nedstrøms tripletter. Konsekvensen av denne mutasjonen er et ikke-funksjonelt eller skadelig avkortet protein. Imidlertid, hvis stoppkodonet er minst 50 nukleotider fra nærmeste spleisesekvens i mRNA, aktiverer cellen en beskyttelsesmekanisme kjent som Nonsense Mediated Decay (NMD) som bryter ned det muterte mRNA. Alternativt kan en annen mekanisme kjent som Nonsense-assosiert Alterated Splicing (NAS) aktiveres som utelukker eksonet som inneholder den muterte tripletten i stoppkodonet, slik at de andre eksonene kan assosieres til et kortere protein.
• Rammeskiftmutasjoner skyldes sletting eller innsettinger av et antall nukleotider som ikke er delelig med 3, dette innebærer skifting av leserammen nedstrøms for mutasjonen og derfor kodingen av en aminosyresekvens som ikke samsvarer med den opprinnelige transkripsjon. [3] Konsekvensen er produksjonen av unormale proteiner som bare har deler av sekvensen som tilsvarer originalen eller ikke-eksporten eller translasjonen av det muterte mRNA.

• Spleisemutasjoner er et sett med fire typer mutasjoner som involverer sekvenser som er viktige for pre-mRNA-spleising . En første type involverer spleisedonorstedet (GT) eller akseptorstedet (vanligvis AG). Mutasjoner i disse to innledende og siste markørene av en intronsekvens kan føre til inkludering av intronet i det modne transkripsjonen eller til feil spleising. En annen typologi involverer korte konsensussekvenser oppstrøms og nedstrøms for donorstedet og akseptorstedet, eller en konsensussekvens for grenstedet . En tredje typologi involverer mutasjoner i en ESE- eller ESS-sekvens og kan også tilskrives stille mutasjoner. Til slutt involverer en siste typologi mutasjoner som skaper nye konsensussekvenser i et intron, og i dette tilfellet kan denne eller deler av den inkluderes i transkripsjonen, eller i et ekson, i hvilket tilfelle eksonhopping forekommer .

Mutasjoner i regulatoriske områder for transkripsjon

Punktmutasjoner kan også forekomme innenfor den regulatoriske regionen til et gen. Dette kan føre til svært varierende konsekvenser som spenner fra ingen fenotypiske effekter til endringer i genuttrykk som gir opphav til alvorlige patologier.

Genetikkstudier har vist at entropien til en genetisk kilde som øker over tid måler akkumuleringen av degenerative mutasjoner i DNA, progressive i generasjonene av celler som reproduseres av organismen, så vel som gjennom generasjonene av individer [4] .
Selv om tilfeldige eller menneske-induserte mutasjoner klassifiseres som gunstige (i en kortsiktig horisont, mot en sykdom), er de generelt forbundet med tap av geninformasjon og en reduksjon i funksjonaliteten i vanlige organiske prosesser [4] .

Dynamiske mutasjoner

Dynamiske mutasjoner skyldes repetisjon av nukleotidtripletter i en kodende region (i dette tilfellet er den hyppigste tripletten CAG som koder for glutamin) eller ikke-koder for et gen. Mutasjonen, som oppstår i løpet av DNA-replikasjonen , forårsaker en endring i antallet av disse gjentatte sekvensene; den nye DNA-strengen kan ha et overskudd eller en defekt. Fenomenet som forårsaker mutasjonen kalles replikasjonsglidning og skyldes dårlig sammenkobling av de to komplementære trådene. Genetiske sykdommer assosiert med denne typen mutasjoner er Huntingtons chorea og Fragilt X-syndrom .

Strukturelle genomorganiseringer

Strukturelle genomorganiseringer inkluderer alle de mutasjonene som endrer genomet ved å variere strukturen til kromosomene ( kromosomale mutasjoner ) eller antall kromosomer ( genomiske mutasjoner ). Cytogenetiske anomalier eller karyotypiske anomalier er også definert . Disse endringene er vanligvis en konsekvens av en feil i celledeling , meiose eller mitose . I motsetning til genmutasjoner som kun kan finnes gjennom genetisk analyse, kan disse i mange tilfeller også være synlige under mikroskopet, da de fører til dannelse av spesielle kromosomstrukturer i paringsfasen. Konsekvensene deres kan variere fra ingen fenotypiske effekter når mutasjoner involverer gjentatte sekvenser til alvorlige genetiske patologier.

Kromosomale mutasjoner

Vi snakker om kromosomale mutasjoner eller kromosomale anomalier når det er strukturen til ett eller flere kromosomer som endres. Kromosomale mutasjoner kan være av seks typer: delesjoner eller duplikasjoner, inversjoner, translokasjoner, genkonverteringer, transposisjoner og ringkromosomer.

• Slettingene og dupliseringene skyldes feil i prosessen med homolog rekombinasjon, også kalt crossing-over, som oppstår ved meiose . På grunn av tilstedeværelsen av gener som har en høy grad av homologi, av pseudogener eller av gjentatte sekvenser, kan det oppstå feil i sammenkoblingen av kromosomer, slik at DNA-fragmentene som utveksles mellom de to kromosomene ikke er like, slik at en sletting på den ene og duplisering på den andre. Det kan skje at under en ikke-homolog rekombinasjon på grunn av en feil omorganisering, blir noen gener innenfor DNA-blokker plassert i et område med sterk heterokromatisk tilstedeværelse. I dette tilfellet er det mulig at disse genene blir inaktivert av fenomenet posisjonseffekten. Lidelser assosiert med denne anomalien er Wolf-Hirschhorn syndrom , som er forårsaket av tap av en del av den korte armen til kromosom 4 , og Jacobsen syndrom , som stammer fra sletting av enden av kromosom 11 . Noen kjente lidelser på grunn av duplisering er Blooms syndrom og Retts syndrom .
• Translokasjon skjer når en region av ett kromosom overføres til et annet sted på samme eller et annet kromosom; det er to hovedtyper av translokasjoner: den gjensidige translokasjonen og den Robertsonske translokasjonen.
• Reversering er en mutasjon på grunn av reversering av orienteringen til en region av et kromosom som forårsaker en reversering av genrekkefølgen. De skyldes den sterke tilstedeværelsen av dupliserte eller inverterte sekvenser i det berørte genet. Homologien til de to sekvensene bestemmer foldingen av DNA og deres sammenkobling. Cellen griper inn ved å utføre en ikke-homolog rekombinasjon som bestemmer inversjonen av området mellom de to repetisjonene.
• Genkonvertering er en mutasjon hvor det er ikke-resiproke overføringer av DNA-sekvenser mellom gener eller alleler, i det første tilfellet er konverteringen interallelisk i det andre tilfellet sies det å være interlocus. Av de to sekvensene kalles den som forblir uendret donor, den som er modifisert kalles akseptor.
• Transponering skjer når et transponerbart element som LINE eller SINE integreres i genomet etter å ha blitt tilbaketranskribert. Denne mutasjonen har kanskje ingen fenotypisk effekt hvis den påvirker gjentatte regioner, men den kan gi opphav til patologier når transposisjon skjer i et aktivt transkribert gen.
• Ringen oppstår når de to endene av et kromosom pares med hverandre og danner en ring . Denne anomalien kan eller kan ikke innebære tap av genetisk materiale.

Mutasjoner av karyotypen

Vi snakker om genomisk mutasjon eller karyotypiske anomalier når en organisme har flere eller færre kromosomer enn normalt.

Hvis hele kromosomsett er til stede, mer eller mindre, snakker vi om avvikende euploidi ; hvis det på den annen side bare er en del av settet i overskudd eller mangel, kalles anomalien aneuploidi .

Hos mennesker og generelt i alle diploide organismer , som derfor har par av homologe kromosomer, er de hyppigste formene for aneuploidi mangelen på et kromosom fra et par ( monosomi ) eller tilstedeværelsen av et ekstra kromosom i ett par ( trisomi ). ). Sjeldnere er tilfellet med tap av et helt par ( nullisomi ).

Et eksempel på effekten av en slik abnormitet er Downs syndrom , også kalt trisomi 21; personer med dette syndromet har tre kopier av kromosom 21 i stedet for to. Turners syndrom er derimot et eksempel på monosomi; individer født med denne anomalien har bare ett kjønnskromosom, det kvinnelige X. Blant haploide organismer består de vanligste tilfellene av aneuploidi i tilstedeværelsen av et supernumerært kromosom (disomi).

Effekter av storskala mutasjoner

Også for denne kategorien av mutasjoner er de mulige konsekvensene på organismen varierende. Generelt vil det være en effekt når, i modifikasjonen av kromosomet eller genomet , sekvensen eller antallet av ett eller flere gener også endres. I motsetning til genmutasjoner vil effektene i dette tilfellet alltid være negative.

• For alle kromosomale mutasjoner er det nødvendig å bryte dobbeltstrengen i minst ett punkt for å tillate den påfølgende omorganiseringen: hvis bruddet skjer i et gen på slutten av prosessen, vil sekvensen bli mutert. For eksempel, i en inversjon , hvis bruddene skjedde i kodende sekvenser, som et resultat av den forskjellige orienteringen til det gjeninnsatte fragmentet, vil genene i endene ha en del av den riktige sekvensen og en del som kommer fra den andre enden av fragmentet, derfor feil (genene inne i fragmentet vil på den annen side ikke endres, men bare snus i rekkefølge). Situasjonen er lik for translokasjoner . Slettinger og dupliseringer vil derimot ha ytterligere konsekvenser, som omorganiseringer som ikke endrer arrangementet, men mengden av genetisk materiale. Slettingen vil ha negative effekter proporsjonal med størrelsen på det slettede fragmentet. Duplisering øker antallet kopier av genene som finnes i det dupliserte fragmentet: Dette har imidlertid også skadelige konsekvenser fordi det bestemmer en genubalanse.
• Tilsvarende, i karyotype mutasjoner er det en økning eller reduksjon i størrelsen på det cellulære genomet. Avvikende auploidi er sjelden, men fortsatt dødelig hos dyr (med sjeldne unntak), den kan også være avgjørende hos planter . Imidlertid har nyere studier nå vist at aneuploidi er en av de direkte årsakene til mange svulster (og ikke en konsekvens som man også trodde) [5] .

Andre mutasjoner

• Mutasjoner fra reparasjonssystemer : paradoksalt nok kan genetiske mutasjoner også settes inn ved spesielle DNA-reparasjonsprosesser . Faktisk kan det skje at visse DNA-skader ikke gjenkjennes og repareres av noe maskineri som er ansvarlig for denne oppgaven, før neste replikasjonssyklus: hvis disse skadene (som fotoprodukter indusert av ultrafiolett stråling ) blokkerer virkningen av DNA-polymerasen , er at de forhindrer DNA-replikasjon nedstrøms for skaden, og forårsaker tap av genetisk materiale med praktisk talt alltid dødelige konsekvenser for dattercellen. Det har utviklet seg såkalte SOS - reparasjonsmekanismer , som virker i disse ekstreme tilfellene: polymerasene i dette systemet blokkerer ikke, men legger til de samme nukleotidene foran skaden; i de fleste tilfeller er imidlertid tilsetningen tilfeldig og derfor med høy risiko for tilsetning av feil nukleotider; derfor forårsake mutasjoner. Et annet system med lignende konsekvenser er reparasjonssystemet for DNA-dobbeltrådbrudd som ikke utnytter homologi: den såkalte NHEJ ( ikke-homolog endesammenføyning ). Også her, for å reparere bruddet og unngå å miste det sentromerfrie fragmentet i den påfølgende meiotiske eller mitotiske syklusen, forårsaker systemet slettinger av sekvensene ved siden av bruddet. I begge tilfeller unngår derfor systemene en meget stor skade, men de må betale prisen for å inkludere mutasjoner som også er potensielt skadelige.
• Betingede mutasjoner : Dette er mutasjoner som, selv om de er tilstede, kun har effekt under visse miljøforhold. De vanligste tilfellene, blant haploidene, er de temperaturfølsomme mutasjonene ; det vil si at de virker bare over (eller under) visse temperaturterskler.
• Mutasjoner ved transponering : de skyldes innsetting, innenfor kodings- eller reguleringssekvensen, av transponerbare elementer eller transposoner . Disse resulterer i fullstendig inaktivering av genet, men som dynamiske elementer kan de unnslippe genet og reetablere dets korrekte sekvens.

Effekter av genmutasjoner

Effektene kan være betydelig forskjellig avhengig av type mutasjon og stedet der den oppstår. En mutasjon kan ikke føre til noen konsekvenser, og dette når den påvirker DNA som ikke koder (eller snarere ikke ser ut til å kode) noe genprodukt (det såkalte søppel-DNA eller søppel- DNA ). Hvis mutasjonen i stedet endrer de kodende sekvensene, eller genene , er det en variasjon i typen eller mengden av det tilsvarende genproduktet, som kan være et funksjonelt protein eller RNA ( rRNA , tRNA , snRNA , etc.). I dette tilfellet snakker vi om biokjemisk mutasjon ; hvis den biokjemiske mutasjonen fører til en synlig variasjon av fenotypen kalles det en morfologisk mutasjon .

Vi skiller også, igjen i forhold til effektene, i:

• positiv mutasjon : gir en evolusjonær fordel;
• nøytral mutasjon : resulterer ikke i en svekkelse av individets reproduksjonsevne ;
• disvital eller semi-letal mutasjon : gjør den reproduktive videreføringen av individet vanskeligere (det typiske eksemplet er genetiske sykdommer som svekker individet på en eller annen måte, noe som gjør det mindre i stand til å reprodusere, uten imidlertid å forhindre det totalt);
• subletal mutasjon : lar ikke individet nå reproduktiv alder;
• dødelig mutasjon : fører til døden til individet i embryonal eller fosterstadiet.

Effekten av mutasjonen, både positiv og negativ, avhenger da av typen mutert allel som dannes på denne måten; dette kan faktisk være dominant eller recessivt . I diploider , hvis det er dominant, vil det alltid ha en effekt (både i en heterozygot og i en dominant homozygot ); hvis det er recessivt, haploinsufficient, må det andre elementet i genparet muteres for å ha effekt ( homozygot recessivt individ). Hos haploider , som er hemizygote , vil mutasjonen alltid ha effekt.

I noen tilfeller kan mutasjonene være pleiotrope , eller de kan gi opphav til flere effekter: for eksempel hos mus ( Mus musculus ), bestemmer en vanlig mutant og dominerende allel ved heterozygote tilstander en endring i pelsens farge; ved homozygositet, det vil si at når den muterte allelen er tilstede i duplikat, forårsaker det dyrets død allerede før fødselen. Det kan derfor antas at det muterte genet kontrollerer ikke bare fargen på pelsen, men også en annen biokjemisk prosess som er avgjørende for organismen.

Tilbakeføring og sletting

I motsetning til storskala mutasjoner, kan punktlignende mutasjoner være gjenstand for reversering: gjennom andre mutasjoner kan førstnevnte forsvinne eller deres effekt på organismen kan forsvinne. I det første tilfellet snakker vi om reversjon i streng forstand: den reverterende mutasjonen kan bringe tilbake det endrede kodonet slik det var opprinnelig (vi snakker vanligvis om revers mutasjon ); eller mutasjonen kan alltid endre det muterte kodonet og transformere det til et annet kodon enn det opprinnelige, men som koder for den samme aminosyren ( stedreversjon ). I tilfelle den andre mutasjonen skjer på et annet kodon snakker vi om undertrykkelse : undertrykkelsen kan være intern hvis kodonet er inne i det muterte genet eller eksternt hvis det tilhører et annet gen. Et eksempel på intern undertrykkelse er en sletting (eller innsetting) som kansellerer effekten av en innsetting (eller sletting) i samme gen. Det vanligste tilfellet av ekstern undertrykkelse er i stedet mutasjonen i antikodonet til et tRNA som kansellerer det som skjedde i det komplementære kodonet.

Nomenklatur

En spesiell nomenklatur er utviklet for å spesifisere typen mutasjon og typen base eller aminosyre som er endret.

• Substitusjon av en aminosyre - (for eksempel D111E) Den første bokstaven representerer koden (en bokstav) til den opprinnelige aminosyren; tallet indikerer posisjonen til aminosyren fra den N-terminale enden; den andre bokstaven er koden til aminosyren som er erstattet etter mutasjonen. Hvis den andre bokstaven er en X betyr det at enhver aminosyre kan erstatte den første.
• Sletting av en aminosyre - (for eksempel ΔF508) Det greske symbolet Δ ( delta ) indikerer en sletting; bokstaven representerer den slettede aminosyren; tallet er posisjonen, igjen fra N-terminalen, hvor aminosyren var i sekvensen før delesjonen.

Historie

Den første som introduserte begrepet mutasjon innen genetikk var Hugo de Vries [6] , i 1901 , som imidlertid refererte det til de brå variasjonene i en organismes karakterer; spesielt ved å observere hvordan man i avkommet til en stamme av planten Oenothera lamarckiana kunne oppnå noen uventet gigantiske individer. Begrepet mutasjon slik det forstås i dag, ble imidlertid brukt først fra 1927 . Generelt kan man imidlertid si at genetiske mutasjoner har spilt en vesentlig rolle enda tidligere, siden genetikkens begynnelse; allerede i de berømte verkene til genetikkens far, Gregor Mendel , var faktisk fenotypene som den hvite fargen på kronbladene eller den gule av de modne frøene , brukt til å formulere lovene hans, bare på grunn av inaktiverende mutasjoner av de tilsvarende gener.

Den første bevisste "utnyttelsen" av mutasjonene kommer fra studiene, utført på begynnelsen av 1900-tallet av Thomas Hunt Morgan og hans såkalte fluegruppe , på fruktfluen Drosophila melanogaster . Morgan og kolleger brakte det første viktige eksperimentelle beviset på den kromosomale teorien om arv , som for første gang antok en nær forbindelse mellom gener og kromosomer. Forskerne isolerte en hvitøyet myg (mens de i den ville fenotypen var røde) fra en stor insektpopulasjon. Også her var den spesielle fenotypen forårsaket av en spontan mutasjon i øyefargegenet.

Mutasjon som hadde produsert en ny allelform ; krysningene mellom individer med forskjellige alleler gjorde det mulig å oppnå resultatene ovenfor. Morgan isolerte for disse krysningene, etter tilfellet med den hvitøyde fluen, så mange som 83 stammer hver med mutasjoner på forskjellige gener. Mutasjoner spilte da en stadig større rolle siden de første mutagene midlene ble oppdaget . De fleste av nøkkeleksperimentene i genetikkens historie gjorde bruk av induserte mutasjoner : i 1941 , i deres berømte eksperiment som førte til dogmet om et gen-et enzym , brukte Edward Lawrie Tatum og George Wells Beadle mutageniserte stammer av Neurospora crassa for eksempel via røntgenstråler . Tilsvarende brukte Tatum og Joshua Lederberg i 1946 mutasjoner i Escherichia coli -stammer for å demonstrere eksistensen av den bakterielle konjugasjonsprosessen .

Et viktig kapittel i mutasjonshistorien i genetikk gjelder striden om opprinnelsen til mutasjoner i bakterier . Faktisk, rundt førtitallet, stilte noen bakteriologer spørsmål om at mutasjoner kunne oppstå i bakterier på en helt spontan måte (som var akseptert for høyere organismer), de trodde heller at mutasjonene ble indusert av tilstedeværelsen av spesielle miljøforhold. For eksempel hadde bakteriene som overlevde etter tilsetning av en bakteriofag oppnådd resistens takket være en mutasjon indusert av tilstedeværelsen av fagene selv (adaptiv teori). Tallrike andre forskere, derimot, var overbevist om at mutasjoner skjedde like godt som i alle andre organismer, spontant. Denne siste teorien (genetisk teori) ble definitivt demonstrert av to kjente eksperimenter: den såkalte fluktuasjonstesten (eller av Salvador Luria og Max Delbrück ), utviklet i 1943 og replikasjonsplateteknikken utviklet av Joshua og Esther Lederberg .

Applikasjoner i genetisk analyse

Genetiske studier som gjør bruk av mutasjoner kan deles inn i to kategorier i henhold til formålet med studien og dataene som er i besittelse: direkte og indirekte genetiske studier . Den første tilnærmingen brukes når du vil bestemme genene i en organisme som er relatert til en bestemt funksjon: i dette tilfellet blir organismen utsatt for mutagener og deretter utfører genetikeren den såkalte "mutantjakten", der han søker for individer hvis fenotyper relatert til funksjonen som studeres har blitt endret. På dette tidspunktet bestemmes posisjonen til det muterte genet gjennom kryss, det isoleres og analyseres i detalj: dets nukleotidsekvens bestemmes og det observeres for hvilket genprodukt det koder for. I direkte genetikk tar vi derfor utgangspunkt i fenotypen for å se fra hvilken genotype den er forårsaket. Den andre typen studier, derimot, utfører den motsatte veien: den starter fra genotypen for å studere fenotypen: den starter vanligvis fra en kjent DNA- eller RNA-sekvens eller til og med fra et genprodukt (vanligvis et protein ), de mutagenisere selektivt og vi ser hvilke fenotypeeffekter de forårsaker i organismen; i dette tilfellet snakker vi også om gendemping .

Stedspesifikk mutagenese

Teknikkene som gjør det mulig å oppnå stedspesifikke mutasjoner er svært viktige; det vil si mutasjoner indusert selektivt i interesseområdene til en sekvens. På denne måten er det for eksempel mulig å sette inn en mutasjon i et bestemt domene av et protein og ved å teste konsekvensene å bestemme funksjonen.

Mutagenitetstest

Mutagenitetstester er prosedyrer der celler, vev eller hele organismer utsettes for virkningen av et kjemisk stoff, for å verifisere og/eller kvantifisere dets mutagenisitet; de biologiske systemene som undersøkes blir deretter studert, etter en viss inkubasjonsperiode, og analysert for å se tilstedeværelsen av eventuelle mutasjoner. Generelt er den mutagene kapasiteten til et middel direkte proporsjonal med mutantene identifisert på slutten av testen. Rutinemessige tester utføres på bakterier , siden de er bedre kjent og lettere å bruke. Testene er imidlertid rettet mot å oppdage skaden et stoff kan forårsake på mennesker, som åpenbart har mange biologiske egenskaper som er forskjellige fra prokaryoter ; for dette fortsetter vi med å genetisk modifisere bakteriene som ble brukt i testene for å etterligne et system så nært som mulig til det menneskelige, eller vi bruker pattedyrceller (vanligvis gnagere). Blant de mest brukte testene er Ames-testen og mikronukleustesten .

Ames-testen

Et eksempel på anvendelse av mutasjoner i det biomedisinske feltet er Ames-testen . Testen, utviklet på syttitallet av Bruce Ames , tar sikte på å bestemme kreftfremkallende egenskaper til et stoff ved å studere dets evne til å indusere mutasjoner; faktisk, generelt er et mutagent stoff også kreftfremkallende. Vanligvis brukes en mutert form av bakterien Salmonella typhimurium , for eksempel en stamme som ikke er i stand til å vokse i histidinfritt medium ; stammen er delt inn i to separate plater med aminosyrefrie medier : en av dem vil bli eksponert for stoffet som skal testes, den andre vil ikke. Dersom stoffet har mutagen kapasitet vil det være en viss sannsynlighet for at det induserer reversering av mutasjonen; det vil si at den kansellerer effekten av den første mutasjonen med en mutasjon, og lar bakterien overleve igjen selv i fravær av histidin. På den ikke-mutageniserte stammen vil det derimot være ingen eller svært få kolonier (siden reversjon ved spontan mutasjon er svært sjelden). Jo flere kolonier som overlever i den mutageniserte prøven, jo større antall reverserte mutasjoner og derfor større kreftfremkallende egenskaper til stoffet.

Eksempler på positive mutasjoner

• Toleransen for laktose , som tillater fordøyelighet av melk og maten som inneholder den, er avledet ifølge genetikere fra en gunstig mutasjon som skjedde for rundt 10 000 år siden (8 000 ifølge andre kilder) som påvirket mennene som bodde i Kaukasus -området . Det er et tydelig eksempel på en gunstig mutasjon som som sådan snart spredte seg raskt i befolkningen: til dags dato lider bare en del av den menneskelige befolkningen av intoleranse for dette stoffet. Ytterligere demonstrasjoner stammer fra det faktum at folk som bebodde områder langt fra opprinnelsen til mutasjonen, som asiater og afrikanere, og som ikke kom i nær kontakt med kaukasiere, presenterer i dag en større spredning av medfødt laktoseintoleranse .
• Et annet tilfelle som antas å være en positiv mutasjon er delesjonen av 32 basepar i det humane CCR5 -genet (CCR5-32) som gir menneskelig resistens mot AIDS i homozygoter og forsinker effekter i heterozygoter . [7] Mutasjonen er i gjennomsnitt mer utbredt blant de av europeisk avstamning; en teori for å forklare den større spredningen av CCR-32-mutasjonen i den europeiske befolkningen relaterer den til formene for resistens mot byllepesten utviklet på midten av det fjortende århundre. [8]
• Mutasjonen av apolipoproteinet Apo A-1 til Apo A-1 Milano , denne mutasjonen gir innbyggerne i Limone sul Garda (bærere av denne mutasjonen) en medfødt motstand mot de skadelige effektene av " dårlig kolesterol " , høye triglyserider i blodet og forhindrer dannelsen av ateromatøse plakk [9] ; Dette muterte proteinet har også gitt innbyggerne i landet en ekstrem lang levetid, et dusin innbyggere er over 100 år (av rundt tusen innbyggere).

Eksempler på negative mutasjoner

• Fenylketonuri er en sykdom forårsaket av en genmutasjon som bremser eller blokkerer evnen til å omdanne aminosyren fenylalanin til tyrosin . Dette hoper seg derfor opp i kroppen, og hvis det kan nå hjernen , kan det forårsake nevrologiske skader .

• Fargeblindhet har blant de ulike mulige årsakene genetiske, på grunn av mutasjoner på gener som koder for fotoreseptorer .
• Albinisme er en genetisk dysfunksjon på grunn av mutasjonen av genet for melanin .
• Sigdcelleanemi eller sigdcelleanemi er en blodsykdom som skyldes en mutasjon som forårsaker endring av strukturen og funksjonen til røde blodceller .
• Man -katten utviklet seg som et resultat av en høy parringsfrekvens mellom slektninger . Mutasjonen gjelder det såkalte "M"-genet og forårsaker, i tillegg til fravær av hale, anomalier i skjelettstrukturen. Genet er dominerende , men manifesterer seg med ulik uttrykksevne . Dominante homozygote individer (M/M) overlever ikke og dør mens de fortsatt er i fostertilstanden i mors liv .

Mutasjoner for kommersielle formål

Induserte mutasjoner kan være grunnlaget for prosesser for seleksjon av mutante organismer med fordelaktige egenskaper. De er praksis som hovedsakelig brukes i landbruket og rettet mot plantearter . Fordelene kan for eksempel gjelde evnen til å vokse under spesielle miljøforhold, tilstedeværelsen av større eller frøfrie frukter osv. I mange tilfeller involverer mutasjonene variasjonen i antall kromosomer. Eksempler er:

• produksjon av arter med flere enn normale og odde kromosomer ( aneuploidi ); bananene vi finner på markedet, for eksempel, er triploide i stedet for diploide . Målet er å få planter som er sterile og derfor har frøfri frukt.
• doblingen av det kromosomale settet ( avvikende euploidi ): for eksempel i mange druearter , som vanligvis er diploide, virker det ved å blokkere den meiotiske prosessen som genererer tetraploide planter (med 4 sett). I dette tilfellet er den gunstige konsekvensen økningen i størrelsen på frukten (druen) parallelt med økningen av det genetiske materialet.

Disse metodene må ikke forveksles med de som brukes i genteknologi og som er grunnlaget for genetisk modifiserte organismer ( GMO ).

Merknader

1. ^ Selv om formelle mutasjoner påvirker begge nukleinsyrene, påvirker de nesten alltid DNA. De sjeldne tilfellene av RNA-mutasjoner inkluderer for eksempel de som påvirker RNA-virus
2. ^ I praksis kan imidlertid mange stille mutasjoner, selv om de ikke endrer typen aminosyre som er kodet i kraft av degenerasjonen av triplettkoden, påvirke spleiseprosessen til det primære transkripsjonen, noe som fører til alternativ spleising som kan generere kortere moden messenger-RNA, som følgelig fører til kortere proteiner. Dette er for eksempel tilfellet med HGPS -syndromet (Hutchinson-Gilford progeria-syndrom), der den synonyme mutasjonen av et enkelt kodon genererer modne mRNA-er og kortere proteiner, ansvarlige for endrede fenotyper.
3. ^ Hvis de tilførte nukleotidene er identiske med de tilstøtende, er det formelt sett mer korrekt å snakke om duplisering i stedet for innsetting.
4. ^ a b Genetikk utelukker evolusjonisme: åpenbare tap av informasjon om veroscienza . Hentet 28. juli 2018 ( arkivert 28. juli 2018) . , spesielt fra 8.08 'til slutten, til de første 2 minuttene, og kommentarer
5. ^ Hvis kromosomer gir tall, Le Scienze 462 side 32,2007
6. ^ Hugo de Vries om arv
7. ^ CCR5-genet og HIV-infeksjon, Antonio Pacheco. Arkivert 16. april 2007 på Internet Archive .
8. ^ PBS: The Mysteries of the Black Death.
9. ^ Franceschini G, Sirtori CR, Capurso A, Weisgraber KH, Mahley RW, AI Milano apoprotein. Reduserte høydensitetslipoproteinkolesterolnivåer med betydelige lipoproteinmodifikasjoner og uten klinisk aterosklerose i en italiensk familie , i J. Clin. Investere. , vol. 66, 1980, s. 892–900, DOI : 10.1172 / JCI109956 .

Bibliografi

• Lucia Migliore, Environmental Mutagenese , Bologna, Zanichelli, 2004. ISBN 88-08-07719-5
• Peter J. Russel, Genetics , Napoli, Edises, 2002. ISBN 88-7959-284-X
• Anthony FJ Griffiths, genetikk. Prinsipper for formell analyse. , Zanichelli, 2006
• ( EN ) Leroi A. 2003. Mutanter: Om menneskekroppens form, varianter og feil . 1:16-17. Harper Collins 2003
• ( EN ) Maki H. 2002. Opprinnelsen til spontane mutasjoner: spesifisitet og retningsbestemthet av basesubstitusjons-, rammeskift- og sekvenssubstitusjonsmutageneser . Annual Review of Genetics 36: 279-303.
• ( NO ) Taggart R. Starr C. Biologi Livets enhet og mangfold: muterte gener og deres proteinprodukter . 4,4: 227. Thompson Brooks / Cole 2006.

Nettbøker

• ( EN ) Kapittel 7, The Molecular Basis of Mutation ida Modern Genetic Analysis , Anthony JF Griffiths, William M. Gelbart, Jeffrey H. Miller og Richard C. Lewontin (1999) utgitt av WH Freeman and Company ISBN 0-7167-3597- 0 .

Relaterte elementer

• Genetisk sykdom
• Mutasjonsrate
• DNA-reparasjon
• Genotoksisitet
• Mutant (fiksjon)

Andre prosjekter

• Wiktionary inneholder ordboklemmaet « mutasjon »
• Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer om mutasjon

Eksterne lenker

• mutasjon , på Treccani.it - ​​Online Encyclopedias , Institute of the Italian Encyclopedia .
• ( EN ) Genmutasjon / Genmutasjon (annen versjon) , i Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• ( EN ) Kromosomale anomalier , på genome.gov .
• ( EN ) Eksempler på gunstige mutasjoner , på gate.net . Hentet 17. mai 2007 (arkivert fra originalen 27. september 2007) .
• ( NO ) IUPAC Gold Book, "mutasjon" , på goldbook.iupac.org .
• Genetisk mutasjon , i Treccani.it - ​​Online Encyclopedias , Institute of the Italian Encyclopedia.