Ошибки трех р генетика

Причины
возникновения мутаций

По
причинам возникновения различают
спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные
(самопроизвольные) мутации
возникают без видимых причин. Эти мутации
иногда рассматривают как ошибки трех
Р: процессов репликации, репарации и
рекомбинации ДНК. Это означает, что
процесс возникновения новых мутаций
находится под генетическим контролем
организма. Например, известны мутации,
которые повышают или понижают частоту
других мутаций; следовательно, существуют
гены-мутаторы и гены-антимутаторы.

В
то же время, частота спонтанных мутаций
зависит и от состояния клетки (организма).
Например, в условиях стресса частота
мутаций может повышаться.

Индуцированные
мутации
возникают под действием мутагенов.

Мутагены
–
это разнообразные факторы, которые
повышают частоту мутаций.

Впервые
индуцированные мутации были получены
отечественными генетиками Г.А. Надсоном
и Г.С. Филипповым в 1925 г. при облучении
дрожжей излучением радия.

Различают
несколько классов мутагенов:

– Физические
мутагены: ионизирующие излучения,
тепловое излучение, ультрафиолетовое
излучение.

– Химические
мутагены: аналоги азотистых оснований
(например, 5-бромурацил), альдегиды,
нитриты, метилирующие агенты, гидроксиламин,
ионы тяжелых металлов, некоторые
лекарственные препараты и средства
защиты растений.

– Биологические
мутагены: чистая ДНК, вирусы, антивирусные
вакцины.

– Аутомутагены
– промежуточные продукты обмена веществ
(интермедиаты). Например, этиловый спирт
сам по себе мутагеном не является. Однако
в организме человека он окисляется до
ацетальдегида, а это вещество уже
является мутагеном.

Общие
закономерности мутагенеза

Мутации
возникают не мгновенно. Вначале под
воздействием мутагенов возникает
предмутационное состояние клетки.
Различные репарационные системы
стремятся устранить это состояние, и
тогда мутация не реализуется. Основу
репарационных систем составляют
различные ферменты, закодированные в
генотипе клетки (организма). Таким
образом, мутагенез находится под
генетическим контролем клетки; это –
не физико-химический, а биологический
процесс.

Например,
ферментные системы репарации вырезают
поврежденный участок ДНК, если повреждена
только одна нить (эту операцию выполняют
ферменты эндонуклеазы), затем вновь
достраивается участок ДНК, комплементарный
по отношению к сохранившейся нити (эту
операцию выполняют ДНК-полимеразы),
затем восстановленный участок сшивается
с концами нити, оставшимися после
вырезания поврежденного участка (эту
операцию выполняют лигазы).

Существуют
и более тонкие механизмы репарации.
Например, при утрате азотистого основания
в нуклеотиде происходит его прямое
встраивание (это касается аденина и
гуанина); метильная группа может просто
отщепляться; однонитевые разрывы
сшиваются. В некоторых случаях действуют
более сложные, малоизученные системы
репарации, например, при повреждении
обеих нитей ДНК.

Однако
при большом числе повреждений ДНК они
могут стать необратимыми. Это связано
с тем, что: во-первых, репарационные
системы могут просто не успевать
исправлять повреждения, а во-вторых,
могут повреждаться сами ферменты систем
репарации, необратимые повреждения ДНК
приводят к появлению мутаций – стойких
изменений наследственной информации.

Физические
мутагены

К
физическим мутагенам относятся:
ионизирующее излучение (альфа-, бета-,
гамма-, нейтронное и рентгеновское
излучение), коротковолновое ультрафиолетовое
излучение, СВЧ-излучение, действие
экстремальных температур.

Действие
ионизирующего излучения основано на
ионизации компонентов цитоплазмы и
ядерного матрикса. При ионизации
возникают высокоактивные химические
вещества (например, свободные радикалы),
которые различным образом действуют
на клеточные структуры. Рассмотрим
наиболее изученные механизмы мутагенного
воздействия ионизирующего излучения.

1.
Непосредственное воздействие частиц
с высокой энергией на ДНК, которое
приводит к ее разрывам: одиночным (под
воздействием гамма-квантов, рентгеновских
лучей) или множественных (под воздействием
альфа-частиц, нейтронного излучения).
Это универсальный механизм возникновения
хромосомных перестроек на всех стадиях
клеточного цикла, но он действует очень
грубо – обычно клетки теряют способность
к нормальному делению и погибают. К
разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое
облучение.

2.
Опосредованное воздействие ионизирующих
факторов связано с нарушением структуры
ферментов, контролирующих репликацию,
репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот
механизм наиболее эффективно действует
на синтетической стадии интерфазы. При
больших дозах мутагенов клетки погибают.
(Поскольку раковые клетки делятся
непрерывно, то облучение является
универсальным средством подавления
развития метастазов при онкологических
заболеваниях – непрерывно делящиеся
раковые клетки более уязвимы, чем
медленно пролиферирующие или
непролиферирующие нормальные клетки.)

Опосредованное
воздействие ионизирующих факторов
индуцирует самые разнообразные генные
и хромосомные мутации. При опосредованном
действии ионизирующих факторов их
мутагенный эффект может быть снижен с
помощью специальных веществ –
радиопротекторов. К радиопротекторам
относятся различные антиоксиданты,
взаимодействующие с продуктами ионизации.
В то же время, мутагенный эффект может
быть усилен, например, высокая температура
повышает мутагенный эффект радиации.

3.
Особенности мутагенного действия
ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно
поглощает жесткий ультрафиолет с длиной
волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является
образование нуклеотидных димеров: два
нуклеотида, расположенных рядом в одной
цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя,
образуя пары «тимин–тимин» или
«тимин–цитозин». При репликации ДНК
напротив такой пары в достраивающейся
цепи могут стать два любых нуклеотида,
т.е. принцип комплементарности не
выполняется. Ультрафиолетовый свет –
это сравнительно мягкий мутаген, поэтому
его широко используют в селекции
растений, облучая проростки.

4.
Особенности мутагенного действия
экстремальных температур. Собственный
мутагенный эффект экстремальных
температур не доказан. Однако очень
низкие или очень высокие температуры
нарушают деление клетки (возникают
геномные мутации). Экстремальные
температуры усиливают действие других
мутагенов, поскольку снижают ферментативную
активность репарационных систем.

Химические
мутагены

К
химическим мутагенам относятся самые
разнообразные вещества. Рассмотрим
мутагенное действие некоторых из них.

Алкилирующие
агенты. Вызывают алкилирование ДНК
(например, метилирование, этилирование
и т.д.). В результате при репликации ДНК
нарушается принцип комплементарности,
и происходит замена нуклеотидных пар:
ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА

Некоторые
из алкилирующих агентов в природе не
встречаются, их не распознают ферменты
защитных систем. Такие вещества называются
супермутагенами (например,
N-метил-N-нитрозомочевина). Супермутагены
применяются в селекции растений для
получения индуцированных мутаций; их
используют также как стимуляторы роста
(в сверхмалых концентрациях).

Гидроксиламин.
Избирательно аминирует цитозин, что
также нарушает принцип комплементарности
при репликации ДНК. В результате
происходит замена ГЦ → АТ.

Нитриты.
Осуществляют окислительное дезаминирование
гуанина, аденина, цитозина. Также
нарушается принцип комплементарности
при репликации ДНК. В результате
происходит замена АТ → ГЦ.

Аналоги
оснований. Это вещества, сходные с
«обычными» азотистыми основаниями.
Однако они способны образовывать
комплементарные пары с разными
«нормальными» основаниями. Например,
при репликации ДНК напротив гуанина
вместо цитозина достраивается
5-бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем
напротив 5-бромурацила достраивается
аденин, а напротив аденина – обычный
тимин. Этот же процесс может идти и в
противоположную сторону. В результате
происходят замены: ГЦ → АТ или АТ → ГЦ.

Существует
множество иных химических факторов,
обладающих мутагенным, канцерогенным
и тератогенным действием. Например,
ионы тяжелых металлов, связываясь с
ферментами репликации, репарации и
рекомбинации, снижают их ферментативную
активность. Таким образом, не являясь
собственно мутагенами, ионы тяжелых
металлов способствуют появлению мутаций.
Кроме того, нужно учесть, что воздействие
совершенно разных мутагенов может
приводить к сходным результатам.

Опасность
загрязнения окружающей среды мутагенами

Проблемы
генетической безопасности

Во
второй половине ХХ века над биосферой
нависла угроза загрязнения мутагенами.
Любая популяция способна выдержать
лишь определенный груз мутаций. Увеличение
частоты мутаций может привести к снижению
устойчивости популяций из-за нарушения
генетического гомеостаза.

Необходимо
дальнейшее усиление эколого-генетического
мониторинга – контроля за состоянием
окружающей среды на популяционно-генетическом
уровне.

В
качестве профилактических мер следует
использовать развитие «безотходных»
технологий, ограничение производства
веществ с мутагенным действием, усиление
всех видов контроля за состоянием
потенциально опасных предприятий: АЭС,
химические и микробиологические
производства, научно-промышленные
установки биотехнологического характера.

Существуют
факторы, которые снижают частоту мутаций
– антимутагены. К антимутагенам относятся
некоторые витамины–антиоксиданты
(например, витамин Е, ненасыщенные жирные
кислоты), серосодержащие аминокислоты,
а также различные биологически активные
вещества, которые повышают активность
репарационных систем.

Установлено,
что мутагены при определенных условиях
оказывают канцерогенное и тератогенное
действие.
Канцерогены
– это факторы, провоцирующие развитие
онкологических заболеваний; тератогены
– это факторы, провоцирующие развитие
различных аномалий, уродств. Тератогенный
эффект дают многие лекарственные
препараты. Например, в 1960-е гг. на Западе
широко использовалось снотворное
талидомид, применение которого привело
к рождению большого числа детей с
недоразвитыми конечностями.

Наряду
с тератами – уродствами – часто
встречаются морфозы
– изменения, которые не ведут к утрате
органом его функций. Отличить мутагенное
действие от тератогенного сравнительно
легко: тераты (уродства) являются
ненаследственными модификациями, они
предсказуемы (направлены) и не сохраняются
в последующих поколениях. Например,
серая окраска тела у дрозофилы – это
нормальный признак. В то же время известна
мутация yellow – желтое тело (эту мутацию
легко получить искусственно, обрабатывая
родительских особей различными
мутагенами; при этом разные мутагены
могут давать одинаковый фенотипический
эффект). Если же личинкам дрозофилы
добавлять в корм азотнокислое серебро,
то все эти личинки разовьются в мух с
желтым телом. Но, если от этих желтых
мух получить потомство и выращивать
его на обычной питательной среде, то
все потомки вновь станут серыми. Таким
образом, в данном случае «пожелтение»
тела мух – это не мутация, а модификация,
или фенокопия (модификация, по фенотипу
копирующая мутацию); азотнокислое
серебро в данном случае является не
мутагеном, а тератогеном.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Генетические мутации — изменения в генах, которые вызывают неизлечимые заболевания. Но все ли мутации опасны? И почему такое вообще случается? Если у человека есть генетическая мутация, значит ли это, что у него проявится какая-то болезнь? Отвечаем на эти и другие вопросы в статье.

Содержание

• Что такое ДНК?
• Какова функция генов?
• Что такое мутация?
• Мутации: хорошие, плохие, нейтральные
• Что делать, если генетический тест показал мутацию?

Что такое ДНК?

Чтобы разобраться, что такое генетическая мутация, вспомним, как устроены ДНК и гены.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это длинная молекула, которую принято называть «двойной спиралью». Она хранит биологическую информацию, которая «записана» в виде генетического кода.

Ген — это основная «единица» наследственной информации. Он представляет собой кусочек ДНК.

Какова функция генов?

В части генов в виде кода записаны «рецепты» изготовления белков. Именно белки выполняют основные функции для поддержания жизнедеятельности организма: они отвечают за пищеварение, кровообращение, иммунитет, передачу информации между клетками.

Код представляет собой последовательность нуклеотидов.

Нуклеотид — это конструкция, которая состоит из молекулы сахара, молекулы фосфата и основания.

В нашей ДНК есть четыре азотистых основания:

• аденин,
• гуанин,
• цитозин,
• тимин.

Основания одной цепи соединяются с основаниями другой цепи парами (аденин с тимином, цитозин с гуанином).

Если посмотреть на двойную спираль ДНК, то ее горизонтальные «ступени» будут парами оснований, а вертикальные боковые части — сахарами и фосфатами.

Чтобы изготовить белки по записанному в генах коду, специальные соединения — ферменты — «читают» и копируют код. В результате получаются длинные одноцепочечные молекулы — РНК (рибонуклеиновые кислоты), но это еще не белок. РНК лишь несут в себе информацию о первичной структуре белка, поэтому их называют матричными (сокращенно — мРНК). Эти молекулы покидают ядро клетки и ​​перемещаются в ее цитоплазму. Там специальные органы — рибосомы — считывают код мРНК и изготавливают по этому «рецепту» белок.

Что такое мутация?

Генетическая мутация — это любое изменение в нуклеотидной последовательности ДНК.

К основным типам мутаций относятся:

• транзиция — замена аденина на гуанин или замена тимина на цитозин;
• трансверсия — аденин или гуанин меняются местами с тимином или цитозином;
• делеция — потеря участка ДНК;
• инсерция — добавление участка ДНК;
• дупликация — удвоение участка ДНК;
• инверсия — изменение, при котором участок хромосомы поворачивается на 180°;
• транслокация — мутация, при которой хромосомы обмениваются фрагментами.

Мутации могут происходить по разным причинам.

Спонтанные генетические мутации

Они происходят на протяжении всей нашей жизни. Можно сказать, что это нормальное явление, которое случается в ходе разных процессов, например, при копировании ДНК.

Как правило, такие ошибки не грозят серьезными последствиями, потому что у нашего организма есть механизмы защиты.

К ним относится, например, апоптоз — процесс программируемой гибели «испорченной» клетки, или репарация — починка нити ДНК. В этом случае ошибочный участок ДНК вырезается, а на его месте формируется новый.

Мутации, вызванные внешним влиянием

Мутации могут возникнуть под воздействием внешних неблагоприятных факторов, например, химических веществ, ионизирующего излучения или заражения вирусами.

Белки, которые отвечают за исправление ошибок, как правило, могут исправить испорченные цепи ДНК или привести одну хромосому в соответствие с другой. Но, если ошибки произошли на уровне генома или количества хромосом, защитные механизмы будут бессильны.

Наследственные генетические мутации

Такие мутации достаются человеку от родителей. Бывают случаи, когда генетическое нарушение передается из поколения в поколение (как, например, болезнь гемофилия), иногда мутации происходят в яйцеклетках и сперматозоидах и таким образом передаются ребенку.

Бывают случаи, когда мутации возникают на этапе формирования зиготы — клетки, которая образуется в результате оплодотворения. Как и в предыдущем случае, механизмы репарации с такими мутациями работают далеко не всегда, а ряд заболеваний и вовсе связан с нарушениями в процессе починки (например, пигментная ксеродерма — заболевание кожи, представляющее собой повышенную чувствительность к ультрафиолету).

Мутации: хорошие, плохие, нейтральные

Не все генетические мутации опасны. Важно понимать, что именно мутации объясняют генетические различия между видами. Изменения генов влекут за собой изменение характеристик организма, и в результате этого он может стать либо более, либо менее приспособленным к выживанию.

В ходе естественного отбора преимущество получают те живые существа, которые обладают более «полезным» набором характеристик, и тогда мутация закрепляется в популяции, становясь нормой.

«Хорошие» мутации

Ученым известно, что, например, у людей с определенным вариантом гена GPR75 риск ожирения снижен на 54%. А те, у кого есть хотя бы одна копия такого варианта гена, имеют более низкий индекс массы тела.

Мутации генов могут давать человеку и другие преимущества: так, мутировавший ген EPOR дал финскому лыжнику, трехкратному олимпийскому чемпиону Ээро Мянтюранта высокую чувствительность к эритропоэтину — гормону, который помогает нашим клеткам поддерживать оптимальный уровень кислорода и выводить углекислый газ. Это изменило и объем красных кровяных клеток в крови спортсмена, и объем кислорода, который эти клетки способны переносить. В результате Мянтюранта получил супервыносливость — его организм легко справлялся с повышенной потребностью в кислороде во время физических нагрузок.

«Плохие» мутации

Генетические мутации могут вызывать различные заболевания. Например, изменения гена DMD вызывают дистрофию Дюшенна — нервно-мышечное заболевание, которое проявляется у мужчин намного чаще, чем у женщин. А к серповидноклеточной анемии — нарушению в строении белка гемоглобина, который переносит кислород от легких к органам, — приводят мутации гена HBB. Хорея Гентингтона — тяжелое заболевание нервной системы — развивается из-за мутации в гене HTT.

Однако далеко не всегда генетическое заболевание связано с мутацией одного гена. Так, синдром Дауна возникает из-за изменения количества хромосом — в клетках пациентов с этой болезнью 47 хромосом вместо обычных 46.

Ряд заболеваний, таких как рак, диабет, расстройства аутического спектра, появляются из-за комбинации факторов. Пациенты могут иметь генетическую предрасположенность, но значительную роль играют и внешние факторы — неправильный образ жизни, неблагоприятная окружающая среда.

«Нейтральные» мутации

Нейтральные мутации, как следует из названия, не оказывают на здоровье человека ни положительного, ни отрицательного эффекта. Как правило, эти мутации затрагивают нуклеотидную последовательность ДНК, но не сказываются на строении белков.

Так происходит, потому что наш генетический код обладает так называемой избыточностью — это значит, что ряд аминокислот кодируется несколькими способами, чтобы случайные ошибки при копировании с меньшей вероятностью привели к нарушению функции или отсутствию кодируемого белка.

Бывает и так, что мутация гена все-таки меняет аминокислоту. Тем не менее, это не всегда приводит к нарушению функции белка.

Что делать, если генетический тест показал мутацию?

Во многих случаях наличие генетических нарушений не означает, что у человека непременно разовьется какое-то заболевание. Это значит лишь то, что пациент обладает генетическим вариантом, который чаще встречается у людей с этим заболеванием, и, вероятно, предрасположен к возникновению проблемы больше остальных.

Важнейшую роль в таких случаях играют внешние факторы: образ жизни, привычки, окружающая среда.

Ученые сходятся на том, что важными условиями сохранения здоровья являются:

● сбалансированное питание, богатое овощами и фруктами;
● регулярные занятия спортом;
● отказ от курения и алкоголя;
● достаточное количество сна.

Эти правила помогут значительно снизить риск развития таких распространенных заболеваний, как рак, проблемы с сердечно-сосудистой системой, диабет второго типа.

В том случае, если у человека есть мутация, связанная с моногенным заболеванием (то есть таким, которое возникает из-за «поломки» всего лишь одного гена), то существует риск, что он передаст этот вариант гена своему ребенку. Кроме того, болезнь может проявиться и у самого обладателя «плохого» гена — в этом случае ему следует обратиться к специалистам. Как правило, генетические заболевания не лечатся, но врач сможет порекомендовать препараты или изменения образа жизни (например, диета), чтобы уменьшить проявления болезни.

Результаты Генетического теста Атлас подскажут персональные рекомендации по улучшению образа жизни, которые помогут минимизировать риск появления заболеваний. Используя эти знания, будет проще спланировать подходящий рацион, спортивные нагрузки и тренировки, профилактические обследования.

Больше статей о генетике в блоге Атласа:

• Из чего состоит геном человека
• Кому и зачем нужны ДНК-банки
• Генная терапия: шанс или фантастика