32.1

Mutace

            Je dědičná změna genotypu. Mutace dělíme na mutace spontánní, jež vznikly chybou v replikačním a reparačním mechanismu DNA, a indukované, tj. uměle vyvolané mutageny. V širším pojetí se pod pojmem indukované myslí mutace vyvolané působením známého mutagenu, zatímco spontánní jsou ty ostatní. Podle úrovně, na které genetickou informaci ovlivňují, dělíme mutace na genomové, chromozomové a genové. Z pohledu evoluce dělíme mutace na evolučně výhodné, nevýhodné a neutrální. Z pohledu typu postižených buněk u vyššího organizmu dělíme mutace na somatické a gametické. Jedná se o náhodný proces, ale zároveň bylo prokázáno, že v některých oblastech genomu mutacím dochází častěji a jsou označované jako hot-spots. Četnost mutací se liší druh od druhu a v závislosti na prostředí, v němž se organismus nachází. Roste s rychlostí rozmnožování (čím častěji se organismus rozmnožuje, tím častěji mutuje), rostoucím vlivem mutagenů, zhoršujícími se životními podmínkami a zdravotním stavem organismu.

            Mutageny – faktory schopné vyvolávat mutace.

Fyzikální – ionizující záření (elektromagnetické záření o kratší vlnové délce a větší energii, než má viditelné záření (X-záření, gama záření, kosmické záření)). Zvýšená teplota organismu.

Ionizující záření – při průchodu tkáněmi dochází ke kolizím s atomy a uvolňování jejich elektronů à vznikají volné radikály a ionty, které mohou reagovat s dalšími molekulami buněčné struktury, včetně DNA. Porušuje vazbu pentóza-fosfát v řetězci DNA. Vyvolává především chromozomální zlomy, genové mutace, poruchy dělení, klastogenezi (tvorbu faktorů způsobujících strukturní aberace chromozomů).

UV záření – absorbováno puriny a pyrimidiny. Způsobuje mutace vytvářením hydrátů purinů a dimerů pyrimidinů.

Chemické – chemické látky s mutagenním účinkem, potravinářská barviva akridinové povahy, produkty kouření (cyklické uhlovodíky). Vyvolávají mutace v průběhu replikace (analogy bazí, akridinová barviva), mutagenní při působení i na nereplikující se DNA, způsobují alkylaci, deaminaci a hydroxylaci bazí.

Analogy bazí (5-bromouracil) – látky jsou svou strukturou příbuzné bazím nukeotidů a inkorporovány do DNA v průběhu replikace à dochází k chybnému párování.

Akridinová barviva (akridinová modř) – indukují posun čtecího rámce. Molekuly bazí se vmezeří mezi pár bazí v průběhu replikace a mění konformaci dvoušroubovice.

Alkylační látky (yperit, nitrosoguanidin) – četné chemické látky, které mohou být donorem alkylových skupin. Působení alkylačních činidel vyvolává změnu párování bazí navazováním metylové nebo etylové skupiny s thyminem. Chromozomální zlomy a přestavby.

Deaminační látky (kyselina dusitá, dusitany) – vyvolávají oxidativní deaminaci aminoskupiny adeninu, guaninu a cytosinu. Mění schopnost baze vytvářet vodíkové můstky.

Hydroxylační činidla – mohou změnit cytosin na hydroxylaminocytosin, který se páruje s adeninem.

                       Biologické – viry, bakterie, transposony, chronický zánět

Viry – v průběhu lyzogenního cyklu mohou být viry inkorporovány do    DNA hostitele. Způsobuje nefunkčnost genu.

Transposony – elementy schopné se přemísťovat z jednoho místagenomu na jiné. LINE (long interspred nuclear element), SINE (short interspred nuclear element).

            Testy mutagenity

Amesův test – klasický test pro stanovení mutagenního potenciálu různých chemikálií. Původní provedení tohoto testu počítá se speciálním kmenem bakterie Salmonella typhimurium, který má mutovaný gen, jež bakterii umožňuje syntetizovat histidin. Tato bakterie je vystavena působení látky, je sledován růst bez histidinu (když není umírá). Procento přežívajících ukazuje na mutagenní potenciál (dojde k opravě mutace a dokáže produkovat histidin).

Test ZCHA – získaných chromosomálních aberací. Zhodnocení vlivu mutagenů na struktury in vivo. Po odběru krve a kultivaci lymfocytů hodnotíme procento aberantních buněk.

Kometový test – spočívá v elektroforéze celých buněk, přičemž malé fragmenty jaderné DNA (které vznikly působením mutagenních faktorů) mají tendenci vycestovat z jader, což po vizualizaci dává výsledek obrazu komety.

Výměna sesterských chromatid – spočívá v pozorování výměn genetického materiálu mezi sesterskými chromatidami, které je úměrné expozici genotoxické látky.

Mikrojádrový test – spočívá v pozorování fragmentovaného jaderného materiálu, tzv. mikrojader, které vznikly působením genotoxických faktorů.

            Genové mutace – probíhají na úrovni vlákna DNA. Jsou to tedy takové změny, které mění pořadí nukleotidů oproti normální sekvenci. Genové mutace, týkající se změny v rozsahu jednoho jediného nukleotidu také označujeme jako mutace bodové. Mohou vznikat jak v kódujících, tak i nekódujících oblastech.

Adice (inzerce) – zařazení jednoho nebo více nadbytečných nukleotidových párů. Pokud je zařazen takový počet, který není násobkem 3, potom dojde k posunu čtecího rámce (Crohnova choroba, cystická fibróza) a následně k syntetizování zcela odlišného polypeptidu nebo dokonce k předčasnému ukončení proteosyntézy vznikem terminačního kodonu.

Delece – jde o ztrátu jednoho nebo více nukleotidů původní sekvence. Účinek je podobný jako u adicí, pouze místo prodloužení řetězce dochází ke zkracování.

Substituce – náhrada (záměna) báze původní sekvence bází jinou. Záměna purinové báze za purinovou nebo pyrimidinové za pyrimidinovou se označuje transice. Záměna purinové za pyrimidinovou nebo naopak je transverze.

Budeme-li uvažovat, že k mutaci došlo v kódujícím úseku DNA, můžeme s dále genové mutace rozdělit podle toho, jak ovlivní proteosyntézu.

Mutace neměnící smysl (samesence) – těží z degenerace genetického kódu (některé aminokyseliny jsou kódovány různými triplety), neboť je i přes mutaci zařazena stejná aminokyselina. Hlavně substituce na třetí pozici tripletu.

Mutace měnící smysl (missense) – které mění smysl polypeptidového vlákna. Jsou způsobeny zejména takovými substitucemi, které způsobí zařazení odlišné aminokyseliny. Záleží ovšem na tom, k jaké záměně aminokyseliny došlo (některé mají podobné vlastnosti).

Nesmyslné mutace (nonsense) – zapříčiní vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA. Syntéza takového polypeptidu pak není dokončena a výsledkem je zcela nefunkční protein. Způsobeny delecí nebo inverzí.

            Somatické – mutace, které postihují somatické buňky organismu v průběhu jeho života. Vedou k lokálnímu postižení – poškozené buňky hynou apoptózou nebo nekrózou, nebo začnou tvorbu nádoru. Nepřenáší se na další generace.

            Gametické mutace – mutace vzniklé v gametách. Příslušná mutace se po vzniku jedince bude nacházet ve všech buňkách organismu. Mohou se přenášet na další generaci.

            Dynamická mutace – speciální typ mutace spojená s fenoménem expanze repetitivních sekvencí. Pokud nepřesáhne počet repetic kritické číslo (k rozvoji choroby), ale je oproti normálu zvýšen, jedná se o premutaci, pokud je překročeno, tak o plnou mutaci.  

Polymorfismus

            Označení pro stav, kdy v populaci existují pro určitý znak minimálně 2 genetické varianty (alely). Zároveň musí frekvence jeho výskytu přesahovat v populaci 1 %. Jestliže je procentuální výskyt menší, mluvíme o náhodném výskytu – mutaci. Polymorfismy mají své podklady v uspořádání DNA. Vzhledem k variabilitě genetického kódu se nemusí jednotlivé polymorfismy vždy projevit. Pomocí lokalizace jednotlivých polymorfismů se dnes vytvářejí genetické mapy. Krátké repetitivní sekvence (mikrosatelity) jsou vysoce specifické pro jednotlivce a mohou být tedy užívány například i v určování rodičovství.

            Bodový polymorfismus – vzniká následkem bodových mutací v DNA. Obvykle záměnou jednotlivých nukleotidů, které vedou k zařazení jiné aminokyseliny. Tento stav bývá detekován pomocí RFLP (restriction fragment lenght polymorphism). Někdy bývá tento typ označován také jako SNP (single nucleotide polymorphism).

            Repetitivní sekvence – úseky nukleotidů, které se v DNA vyskytují v mnoha kopiích. V rámci populace se však jejich délky a počty individuálně odlišují. Dědičnost odpovídá Mendelovským pravidlům.

Tandemové repetice – jsou to bloky opakujících se repetitivních sekvencí uspořádaných za sebou. Vyskytují se v různých chromosomálních lokalizacích.  

Satelitní DNA – tvořeny různým počtem bp (20-kb) a vytvářejí bloky dlouhé až několik Mb. Vyskytují se například v oblastech centromer.

Minisatelitní DNA – 10-20 bp a vytvářejí bloky dlouhé až 20kb. Vyskytují se zejména v oblasti telomer, ale i v jiných chromosomálních lokalizacích a nejsou většinou transkribovány.

Mikrosatelitní DNA – nejčastější forma repetitivních sekvencí. Tvořeny 1-5bp, které se opakují v délce až 150kb. Vyskytují se na různých místech všech chromosomů. Nejčastěji se vyskytují repetice A a T, dinukleotidové nejčastěji CA (představují asi 0,5 % genomu a jsou vysoce polymorfní. V mimogenové DNA nebo v intronech genů. V rámci populace v daném místě chromosomu variabilní, ale u jedince stabilní.

Rozptýlené repetice – tyto sekvence se neseskupují, jsou lokalizované na mnoha místech genomu.

SINE (short interspersed nuclear elements) – krátké rozptýlené repetice. U člověka nejznámější tzv. Alu-sekvence (mají restrikční místo pro Alu I restrikční enzym). Ty jsou tvořeny segmenty bohatými na CG, které jsou odděleny segmenty bohatými na A.

LINE (long interspersed nuclear elements) – dlouhé rozptýlené repetice. Bohaté na A.

            Příčiny – mutace, které vznikají v zárodečných nebo somatických buňkách organismu (jestliže nenarušují schopnost reprodukce, jsou předávány dále). O polymorfismu hovoříme v případě, že se vzniklá varianta (alela) vyskytuje v populace s frekvencí větší než 0,01.