Biologie

E-learning jako vzdělávací nástroj školy 3. tisíciletí

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Mutace

Email Tisk PDF
Mutace představují náhodné a neusměrněné změny v molekule DNA. Tím dochází rovněž ke změně genetické informace, která je v DNA obsažena, což se obvykle projeví změnou některé vlastnosti nebo znaku fenotypu.

Dělení mutací podle způsobu vzniku

  • Mutace spontánní – k nim dochází bez jakéhokoli vnějšího vlivu. DNA – polymeráza opravuje své chyby – před napojením dalšího nukleotidu kontroluje, zda se poslední napojený nukleotid správně páruje s komplementárním nukleotidem v templátovém řetězci DNA. Pokud ne, odstraní ho a přidá jiný. RNA-polymeráza nemá reparační schopnost – nekontroluje, zda se poslední přidaný nukleotid správně páruje.
  • Mutace indukované – způsobené prostřednictvím tzv. mutagenů, fyzikálních nebo chemických faktorů výrazně zvyšujících četnost mutací

Základní pojmy v genetice mutací

  • Mutageny – porušují strukturu DNA, zpravidla se jedná o chemické, fyzikální nebo biologické činitele.
  • Mutagenita (genotoxicita) je schopnost způsobit poškození DNA.
  • Mutace letální – mutační změna neslučitelná s životem, zpravidla jsou poškozeny geny řídící životně důležité funkce.

Dělení mutagenů

Mutageny fyzikální
Velmi účinným mutagenem je záření, zejména RTG záření (ionizující) a UV záření (neionizující), které ale neproniká do hlubších partií těla, proto často způsobuje poškození genetického materiálu (DNA) buněk kůže (vznik kožních nádorů). Stupeň poškození struktury DNA je úměrný absorbované dávce záření. Vyšší dávky způsobují zpravidla rozsáhlá poškození (často neopravitelná); nižší dávky – mění pevnost některých chemických vazeb v DNA – obvykle vyvolávají odbourávání purinů a pyrimidinů z nukleotidů a přerušení struktury dvojité šroubovice DNA. Z dalších fyzikálních mutagenů je nezbytné upozornit na působení ultrazvuku. Ultrasonografie je již dnes běžnou vyšetřovací metodou v humánní diagnostice. Její mutagenní účinky nebyly v praxi přímo prokázány. Experimentálně však může ultrazvuk způsobovat mechanické změny chromozómů, zejména v senzitivních (predisponovaných) buňkách.

Mutageny chemické
Vstupují do chemické reakce s DNA a tím způsobují změnu její původní struktury. K významným chemickým mutagenům patří: silná oxidační činidla (peroxid vodíku ad.), deaminující látky (dusitany ad.), alkylační činidla (yperit ad.) či toxiny z plísní (mykotoxiny, zejména aflatoxin vznikající u špatně skladovaných krmiv). Mezi nejnebezpečnější chemické mutageny, vznikající při spalovacích procesech (kouření cigaret, spalování pevných paliv, v přepáleném tuku apod.), patří polycyklické aromatické uhlovodíky. Po jejich vstupu do organismu (nejčastěji po vdechnutí) se chemicky mění na epoxidy, které vytváří s bazemi nukleových kyselin kovalentní vazby.

Mutagenní účinek byl také prokázán u některých organických rozpouštědel (benzen, diethylether ad.), léků (některá cytostatika, antibiotika či psychofarmaka - např. LSD), barviv nebo pesticidů (gamexan, DDT - dichlordifenyltrichlorethan, v ČR se nesmí používat od roku 1974). K mutagenům patří ale také některé látky přijímané potravou, např. umělá sladidla (sacharin) nebo konzervační prostředky (kyselina benzoová).

Mutageny biologické
Biologické mutageny jsou reprezentovány především viry. Viry mají různou schopnost poškodit DNA a následně i buňku a hostitele. Nejvýznamnější skupinou z nich jsou tzv. onkogenní viry, které jsou schopny vyvolat karcinogenezi (vznik zhoubného nádoru). Příkladem je např. virus Rousova sarkomu, který vyvolává vznik tumorů u kuřat. Genom virů je specifický tím, že obsahuje kromě genů důležitých pro replikaci viru i další geny označované jako virové onkogeny. Homologické onkogeny s virovými byly zjištěny i v molekule DNA člověka, kde se označují jako protoonkogeny. Ty mají za úkol především regulovat proliferaci buněk a plní i další funkce. Mutačním procesem se mohou např. u lidí tyto protonkogeny aktivovat na buněčné onkogeny. To se v konečném důsledku projeví ztrátou růstové kontroly buňky a její transformací na maligní typ. Jiné mutace protoonkogenů mohou vést k jejich transformaci na antionkogeny, které nepůsobí aktivně na vznik malignity buněk. 

Klasifikace mutací z hlediska jejich lokalizace v genotypu

  • genové - změny v molekule DNA;
  • chromozomální – vyvolávají tzv. chromozomální aberace – změny struktury a tvaru chromozómu;
  • genomové (změny v chromozomálním počtu);
  • mutace nechromozomální (mimojaderné).

Genové mutace

Jsou změny postihující gen, tzn., že mutagenní faktor působí změnu ve stavbě DNA, která spočívá ve změně nukleotidové sekvence na určitém místě (bodě) v genu. Proto jsou tyto mutace označovány jako mutace bodové. Mutace genové můžeme dále rozdělit na mutace genů strukturních, tj. genů kódujících vznik jednotlivých genových produktů (proteinů, enzymů, antigenů apod.) a mutace skupiny regulačních genů regulujících projev (indukci nebo represi) genů strukturních. Výsledkem takové mutace je porucha regulace příslušných strukturních genů, což se projevuje tím, že proteiny v takovémto případě vznikají trvale, bez ohledu na jejich potřebu. Naopak jiná mutace regulačních genů může vést k trvalé blokádě jejich realizace (represi) a genové produkty kódované příslušnými strukturními geny vůbec nevznikají. Je samozřejmé, že chybění i nadbytek genového produktu se projeví ve fenotypu nositele mutace.

 Ke změnám v sekvenci nukleotidů v molekule DNA (genovým mutacím) může docházet různými způsoby, podle čehož se rozlišují jednotlivé typy genových mutací:

  • delece - chybění jednoho či více po sobě následujících párů bází.

Příklad:

Delece
původní stav stav po mutaci
A - T A - T
C - G C - G
G - C T - A 
T - A  

Vznikající bílkovina se liší zpravidla ve více aminokyselinách. Výjimečně pouze v jedné tehdy, když dojde k deleci celého tripletu.

  • inzerce - včlenění jednoho nebo několika nových párů bází do původní sekvence
Příklad:
Inzerce
původní stav stav po mutaci
A - T A - T
C - G T - A
G - C C - G
T - A G - C
  A - T

Vznikající bílkovina se liší rovněž ve více aminokyselinách. Dojde-li k inzerci celého tripletu mezi dva stávající, pak následně vznikající protein má i aminokyselinu navíc.

  • inverze - převrácení pořadí dvou nebo více po sobě následujících párů bází

Příklad:

Inverze
původní stav stav po mutaci
A - T A - T
C - G G - C
G - C G - C
 T - A  T - A

Vznikající bílkovina se liší zpravidla jen v jedné aminokyselině.

  • substituce - záměna jednoho či několika po sobě následujících párů bází páry jinými.

Příklad:

Substituce
původní stav stav po mutaci
A - T G - C
C - G C - G
G - C G - C
T - A T - A

Bílkoviny následně po substituci vznikající se liší zpravidla jen v jedné aminokyselině.

Většina genových mutací je přenášena z mateřské molekuly DNA při replikaci do všech molekul dceřinných. Jindy ze zmutované DNA vzniká jedna molekula dceřinná normální a druhá mutantní.

Klasickým příkladem genových mutací jsou varianty celé řady proteinů, které se většinou liší substitucí jediné aminokyseliny. Např. v lidském hemoglobinu, v jeho beta - peptidickém řetězci, může být na šesté pozici místo normálně glutamové kyseliny valin, který způsobuje srpkovitost červených krvinek a je označován hemoglobin S. U jedinců se srpkovitou anémií jde tedy o změnu kodonu GAA či GAG v mRNA na GUA či GUG (tedy změnu druhé báze tripletu).
Genové mutace je možné zjistit pouze genetickými metodami - podle jejich projevu ve fenotypu nositele.

Chromozomové mutace (chromozomové aberace)

Chromozomové mutace představují změnu struktury a tvaru chromozomů (změny v počtu chromozómů jsou řazeny mezi mutace genomové). Zjišťují se cytogenetickými metodami, tj především analýzou karyotypu a identifikují se jako konkrétní tvarové nebo strukturální odchylky od karyotypu normálního.
Chromozómové mutace (aberace) se mohou týkat různě velkého segmentu chromozómu. Je však si potřeba uvědomit, že i ten nejmenší úsek může obsahovat velký počet genů. Je proto plný předpoklad, aby se chromozómové aberace odrážely ve fenotypu jedince. Jeho poškození přitom závisí zejména od druhu chromozómu, ve kterém k mutaci došlo, od typu chromozomové mutace a její lokalizace. Ke vzniku chromozómových mutací dochází tak, že mutagenní faktor způsobí zlom v určitém místě chromozómu, popř. chromatidy, případně zlomů několik. Jejich výsledkem je vznik fragmentu(ů) nesoucích v nich lokalizovanou genetickou informaci. Obvykle tedy dochází ke ztrátám nebo "přemístění větších "bloků" genetických informací, odpovídajících větším skupinám genů.
Tyto mutace mohou v konečném výsledku způsobit takové patologické stavy, jakými jsou např. neplodnost, snížená životaschopnost úmrtnost (mortalita).
Protože jsou chromozomové mutace spojeny se změnami ve vnější stavbě chromozomů, lze je pozorovat mikroskopem.
mutace 
Obrázek č. 1 Různé typy chromozomových mutací.   (Zdroj: http://en.wikipedia.org).

Genomové mutace

Genomové mutace představují změnyzvýšení nebo snížení počtu chromozómu od normálního stavu. Odchylky v počtu jednotlivých chromozómů se označují jako aneuploidie, znásobení celých chromozomálních sad jako polyploidie, a redukci celých chromozomálních sad jako haploidie.

Aneuploidie
Pokud dojde při aneuploidii ke ztrátě chromozómů, přibližně v rozsahu nad 5 % genomu nebo naopak k jeho zmnožení nad 10 % genomu, je takový stav zpravidla neslučitelný se životem (letální mutace). Zygoty nebo zárodky zanikají během časných fází ontogenetického vývoje. Změny menšího rozsahu vedou ke vzniku různých tělesných malformací, snížené plodnosti až neplodnosti, infantilizmu, snížení životaschopnosti a u člověka k poruchám psychických vlastností, snížení inteligence apod.  
Frekvence aneuploidií u potomků se výrazně zvyšuje s věkem matek.
Velmi častým příkladem aneuploidie jsou tzv. monozomie, při které nastává ztráta jednoho chromozomu z některého z chromozomových párů, nebo trizomie, při níž se namísto normálního párového uspořádání objevuje přítomnost tří homologických chromozomů

Nejznámější příklady aneuploidií  

  •  Downův syndromtrizómie lidského chromozómu č. 21, znamená to tedy, že v genetické výbavě mají tito jedinci o jeden 21. chromozom. Výskyt tohoto onemocnění je v populaci v poměru 1: 700, výrazně však stoupá s věkem matky (udává se 1:100 ve věku 40 let (proto se u matek, které přesáhly 35. rok provádí automaticky speciální vyšetření biochemické a genetické, zejména z plodové vody. Některé rysy tohoto onemocnění jsou nápadné již po narození, např. nápadně je sešikmené (mongoloidní) postavení očí, případně z droběnjších odchylek např. relativně větší jazyk, drobné odchylky na prstech či boltcích aj. Celkově je další vývoj opožděn jak po stránce fyzické, tak mentální. Zpravidla se v průběhu života k Downově syndromu váže celá řada dalších onemocnění, např. poruchy zažívání, ušní infekce a ztráta sluchu, zubní anomálie, vrozené srdeční vady ad. Lidé trpící touto nemocí umírají obvykle již ve středním věku, kdy se již začínají objevovat známky demence připomínající Alzheimerovu nemoc. 
  • Edwardsův syndromtrizómie chromozómu č. 18, jedinci s tímto syndromem mají v genetické výbavě o jeden 18. chromozom více. Obvykle bývají poruchy růstu, změny ve tvaru obličeje a prstů (dysmorfie). Většina dětí nepřežívá 1 rok. Výskyt je v populaci v poměru 1: 7 500.
  • Turnerův syndromchybění jednoho ze dvou X chromozómů ženy (výskyt 1: 2 000). Obvykle způsobuje omezení činnosti pohlavních žláz včetně neplodnosti, poruchy růstu či jiné abnormality. Častěji se rovněž vyskytuje osteoporóza. Inteligence nebývá postižena.
  • Klinefelterův syndrom – onemocnění, při němž má muž dva (někdy i více) chromozomy X. Výskyt se v ČR uvádí asi 0,2 %. Jedinci s tímto onemocněním mají zakrnělá varlata (hypogonadismus), penis však není výrazně zmenšen, typická je neplodnost (sterilita). Ve vývoji nastává opožděná puberta, změny kostí, ochlupení ad.
  • XXX syndrom - trizómie X chromozómu, zdvojení jednoho z X chromozómů ženy.
  • XYY syndrom – zdvojení Y chromozómu u muže.

Na rozdíl od živočichů, u rostlin nemají aneuploidie z hlediska přežití jedince tak dramatické následky. Rostliny s chybějícím chromozómem (monozomií) nebo dokonce s chybějícím chromozómovým párem (nulizomií) mohou přežít, mají však zpravidla sníženou vitalitu nebo fertilitu.

Polyploidie
Jedná se o genomové mutace, které se projevují různě u rostlin a živočichů. Pokud dojde k polyploidii u obratlovců v buňkách zárodečné linie, pak je takovýto stav neslučitelný se životem. V jednotlivých tkáních se však polyploidie vyskytovat může a v některých tkáních je její výskyt běžný (např. velký díl jaterních buněk má polyploidní karyotyp). U některých druhů obojživelníků nebo ryb je polyploidie druhovým znakem, který se vyvinul a fixoval v průběhu fylogenetického vývoje (oktaploidem je např. jeseter). Pravá polyploidie existuje také u celé řady rostlinných druhů.

Haploidie
Při haploidii je normální chromozomální počet redukován na polovinu. U některých rostlinných i živočišných druhů je haploidie slučitelná se životem a je dokonce druhovým, fylogeneticky fixovaným znakem, např. u tzv. diplohaploidních organizmů (včely – trubci). Haploidie vzniklé jako důsledek mutace je u vyšších živočichů neslučitelná se životem (letální mutace).

Mutace měnící smysl kodonu
Mutovaný kodon v tomto případě zařazuje do polypeptidu jinou aminokyselinu než tu, kterou kódoval původní nemutovaný triplet. Typickým příkladem je vznik výše popsané srpkovité anémie, u které změna aminokyseliny výrazně pozměnila fenotypový projev. V některých případech však tyto substituční mutace vedou ke vzniku nepatrného snížení biologické aktivity proteinu (enzymu). Rozdílný význam substitucí lze srovnat s chybami v přepisu textu, např. továrna - továrny - pokud se zamění koncové písmeno "a" za "y", smysl sdělení zůstává stále pochopitelný; pokud se však zamění počáteční písmeno, "t" za "k", vzniká nové slovo - kovárna, jehož význam slova je zcela odlišný od původního slova "továrna" .

Úkol: Pokuste se vytvořit pomocí záměny písmen v libovolných slovech jiné "nebezpečné" substituce.

Mutace beze smyslu
V některých případech vzniká mutací terminační triplet, např. z kodonu UAU pro tyrosin se záměnou koncového nukleotidu vytvoří terminační triplet UAA. Pokud vzniká terminační kodon hned v počátečním úseku kódující sekvence daného genu, dochází při translaci na tomto místě mRNA k zastavení proteosyntézy. Polypeptidický řetězec je oproti nemutovanému produktu výrazně zkrácen a přestane plnit svou biologickou funkci.

Mutace se stejným smyslem
protože je gentický kód degenerován, může substitucí v některých případech vznikat triplet, který kóduje stejnou aminokyselinu jako původní kodon. Např. u tripletu GCU se vytvoří mutovaný triplet GCC, oba triplety kódují stejnou aminokyselinu - alanin.

Opravy (reparace) mutačního poškození DNA

V souvislosti s opravnými (reparačními) procesy znikajících mutací lze hovořit v podstatě jen o reparaci genových mutací. Chromozómové a genomové mutace jsou zpravidla změny irreverzibilní.Buňka má značnou schopnost velkou část premutačních změn i vlastních mutací opravit, dát poškozený úsek DNA do původního funkčního stavu. Tuto funkci vykonávají reparační enzymatické systémy. Se zvyšující se dávkou mutagenu dochází k poruše rovnováhy mezi množstvím mutagenu a schopností (kapacitou) reparačních mechanizmů opravovat (reparovat) indukované poškození a vznikající mutace. To vysvětluje skutečnost, že účinek mutagenních faktorů se projeví až od jejich určité, tzv. prahové dávky.
Příklady reparačních mechanizmů:
  • Fotoreparace (fotoreaktivace), kdy buněčné reparační enzymy využívají jako zdroj energie potřebný pro svou činnost denní světlo. K fotoreparaci dochází při opravách poškození, které v DNA způsobuje ultrafialové záření. V jeho důsledku vznikají uvnitř dvouřetězcové struktury DNA kovalentní chemické vazby mezi dvojicemi pyrimidinových bází, thyminů. Reparační enzym podmiňuje opětovné rozpojení těchto vazeb a návrat k původnímu stavu molekuly DNA.
  • Excizní oprava - tento reparační mechanismus spočívá ve vystřižení poškozeného úseku molekuly DNA. V tomto případě jsou reparační enzymy schopny rozeznat poškození ve struktuře DNA, "vystřihnout" poškozenou oblast její molekuly a nahradit ji nově vytvořenou oblastí s původní sekvencí nukleotidů.
Dělení mutací podle typu buněk, ve kterých vznikají:
  1. Gametické - jsou takové, které vznikly v zárodečných buňkáchgametách a jsou jejich prostřednictvím přenášeny do další generace. Dojde-li k oplození této gamety (či touto gametou), přechází do zygoty a do všech buněk vznikajícího organizmu. Projeví se fenotypově v tom znaku, který příslušná mutace určuje. Jestliže se pojem mutace nespecifikuje, rozumí se vždy mutace gametická.
  2. Somatické - vznikají naproti tomu v období po prvním rýhovacím dělení zygoty, tedy až v somatických buňkách a přenáší se dále jen na potomstvo (klon) té somatické buňky, v níž vznikly. V takovém případě se hovoří o tzv. genetické mozaice, kdy různé klony buněk (tkáně) nesou různé formy zmutovaných nebo původních alel. Danou mutaci nese klon buněk odvozený od výchozí zmutované buňky, čili přenáší se jen na menší část tkání či orgánů jedince. Značná část somatických mutací se do další generace nepřenáší.
    Výskyt somatických mutací v buňkách stoupá s jejich stářím, a to jak genových, tak chromozómových i genomových. Exaktním šetřením byl prokázán značně vyšší počet aneuploidních buněk zejména u starších jedinců. Zvýšení frekevnce somatických mutací s věkem má svou příčinu i v kumulaci působení mutagenních faktorů a je považováno i za jednu z příčin stárnutí. Negativní význam somatických mutací pro jedince je tím vyšší, čím dříve při vývoji zárodku vzniknou. Jde-li o mutace chromozómové, pak mohou různé buňky organizmu nést různé mutace, jedná se o tzv. chromozomovou mozaiku. Somatické mutace mohou postihnout tedy jakoukoliv formu genetického materiálu a v konečném důsledku mohou vést až k jeho degradaci.

Opakovací otázky:
  1. Vyjmenuj 2 chemické a 2 fyzické mutageny.
  2. Kterým typem mutace trpí člověk s Downovým syndromem?
  3. Které mutace jsou označovány také jako tzv. bodové mutace?
  4. Vysvětli mutaci beze smyslu a mutaci se stejným smyslem.
  5. Mohou chromozomové mutace způsobit velmi vážná poškození, či dokonce smrt?