Mutacje genowe

Geny są zasadniczo materiałem bardzo stabilnym – podwajają się i przechodzą z pokolenia na pokolenie zachowując swoje specyficzne właściwości. Jednak od czasu do czasu ulegają zmianom, nazywanym mutacjami. Termin mutacja został wprowadzony przez holenderskiego botanika Hugo de Vriesa, który prowadził doświadczenia nad genetyką wiesiołka i innych roślin dziko żyjących w Holandii.

Mutacja definiowana jest jako trwała zmiana, która dotyczy informacji genetycznej określonego organizmu. Polega ona przede wszystkim na nieprawidłowościach ilościowych lub strukturalnych. Zachodzące w sekwencji nukleotydowej zmiany mogą wywoływać różny wpływ na funkcjonowanie organizmu ułatwiając mu przystosowanie się do panujących w środowisku warunków (mutacje korzystne) lub zmniejszając jego szanse na przeżycie (warunkowo letalne), a nawet powodując jego śmierć (letalne). Mutacje należą do czynników warunkujących zmienność żywych organizmów oraz uważane są za jeden z motorów napędowych ewolucji. Zachodzące zmiany najczęściej nie wywierają żadnego wpływu na fenotyp osobnika. Są to tzw. mutacje ciche, zachodzące głównie w niekodujących obszarach DNA. Zmiany obszarów pozagenowych mogą jednak zaburzać pracę promotorów oraz sekwencji regulujących.

REKLAMA

• Mutacje somatyczne – występują w części komórek ciała i zostały nabyte w ciągu życia, zwykle nie stwierdza się tych mutacji w komórkach rozrodczych organizmu. Ich negatywny wpływ na organizm może polegać na pojawieniu się w ich wyniku zmian nowotworowych.

• Mutacje dziedziczne (germinalne) – obecne we wszystkich komórkach ciała, w tym w komórkach rozrodczych, są przekazywane z pokolenia na pokolenie.

Obecnie znamy około 7 tysięcy chorób genetycznych. Oczywiście większość z nich jest rzadka i istnieje małe prawdopodobieństwo, że dotkną nas lub nasze dzieci.

REKLAMA

Możemy wyróżnić dwie podstawowe grupy mutacji:

1. Mutacje punktowe (genowe), w których zmiany ograniczają się do danego genu. W konsekwencji powstaje nowa wersja tego genu. Zmiany te zachodzą poprzez:
2. Insercję, czyli wstawienie dodatkowego nukleotydu.
3. Delecję, czyli gubienie jednego nukleotydu.
4. Substytucję, czyli zmianę jednego nukleotydu. Mogą one polegać na zastąpieniu jednej zasady azotowej inną. W przypadku, gdy puryna zastępowana jest inną puryną lub pirymidyna pirymidyną mówimy o tranzycji lub transwersji w przypadku zamiany zasady purynowej na pirymidynową lub odwrotnie.

• Mutacje chromosomowe powodują zmiany na większych odcinkach genomu. Występują najczęściej podczas podziałów komórkowych jako efekt pęknięcia chromosomu, nieprawidłowego podziału centromeru lub błędów zachodzących podczas wymiany crossing-over. Do zmian tych zaliczamy: 
• Deficjencję (delecję), czyli stratę części chromosomu.
• Duplikację  polegająca na podwojeniu danego odcinka.
• Inwersję, czyli odwrócenie określonego odcinka chromosomu o 180 stopni, powstające na skutek nieprawidłowej naprawy pękniętych fragmentów chromosomu.
• Translokację, czyli mutację polegającą na przyłączeniu części danego chromosomu do drugiego.
• Mutacje genomowe, które polegają na zmianie liczby chromosomów. Odchylenia dotyczące poszczególnych par chromosomów homologicznych nazywa się aneuploidiami. Powstają one na skutek uszkodzenia wrzeciona kariokinetycznego podczas podziałów komórkowych i prowadzą do zwiększenia lub zmniejszenia liczby chromosomów. Wielkość zmian warunkuje typ mutacji, spośród których wyróżnia się: 

1. nullisomie (2n-2);
2. monosomie (2n-1);
3. trisomie (2n+1);
4. tetrasomie (2n+2);
5. podwójne monosomie (2n-1-1);
6. podwójne trisomie (2n+1+1). 

Zaburzenia mogą również dotyczyć całego garnituru chromosomów i prowadzić do zmiany ploidalności organizmów. Poliploidalność występowanie w jądrach somatycznych komórek więcej niż 2 zespołów chromosomów. Organizmy, u których zachodzi zjawisko poliploidalności, są zw. poliploidami (jeżeli zawierają 3 zespoły — triploidami, gdy 4 — tetraploidami itp.). Poliploidalne mogą być całe osobniki lub tylko poszczególne tkanki czy grupy komórek.

Rodzaje poliploidalności:

• Aneuploidalność to zmiana dotycząca tylko poszczególnych par homologicznych chromosomów, jeżeli w jednej z par występuje dodatkowy trzeci chromosom homologiczny; tego typu zmiany mogą powodować – głównie w organizmach zwierzęcych – zaburzenia rozwojowe (np. zespół Downa u człowieka).
• Euploidalność jest to zwielokrotnienie liczby całych genomów, przy czym istnieją dwie jej kategorie:

– Autoploidalność (autopoliploidalność), czyli podwojenie liczby chromosomów w obrębie jednego gatunku lub odmiany (u osobnika poliploidalnego jest podwojony ten sam genom).

– Alloploidalność (allopoliploidalność), czyli podwojenie liczby chromosomów u mieszańców międzygatunkowych (komórki organizmu zawierają po dwa lub więcej niehomologiczne, diploidalne zespoły chromosomów). Wskutek połączenia genomów dwóch odrębnych gatunków alloploidy mają z punktu widzenia selekcji korzystne właściwości, to tłumaczy ich częste występowanie w naturze. Proces ten często wykorzystywany jest przy uprawie roślin.

Mutacje mogą zachodzić spontanicznie, mogą także powstawać w wyniku działania czynników naturalnych. Mogą być także indukowane, czyli wywoływane w sposób sztuczny. W takiej sytuacji wykorzystuje się tak zwane sztuczne mutageny, na przykład promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma, promieniowanie kosmiczne lub promieniowanie UV. Są to przykłady promieniowania jonizującego.

Istnieją też czynniki chemiczne, powodujące powstanie mutacji. Ich działanie polega na reagowaniu z DNA, co powoduje swoiste zmiany zasad w nukleotydach. W ich wyniku dochodzi do błędnego łączenia się zasad w komplementarne pary podczas replikacji DNA. Do tej grupy mutagenów należą między innymi kwas azotawy, reagujący z dezoksyrybonukleotydami, barwniki akrydynowe, niszczące strukturę podwójnego heliksu, benzopiren, obecny w dymie papierosowym, jak również niektóre leki np. leki cytotoksyczne stosowane w onkologii.

Wszystkie organizmy żywe wyposażone są w zespoły enzymów, których zadaniem jest naprawa niektórych typów uszkodzeń w obrębie DNA. W związku z tym obserwowana liczba mutacji jest znacznie niższa w porównaniu z liczbą uszkodzeń materiału genetycznego. Jednak nie są one doskonałe i w związku z tym powstają pewne nowe mutacje, które są następnie utrwalane. Najprawdopodobniej każdy żywy organizm posiada jakiś zmutowany gen, który nie występował w poprzednim pokoleniu. Mutacje mają charakter recesywny, zazwyczaj są więc niezauważalne. Tylko część mutacji ma szansę zaistnieć fenotypowo. Szacuje się, że każdy człowiek jest nosicielem 7-10 mutacji – poważnych błędów w sekwencji DNA.

Mutacje dotykające komórki somatyczne, czyli komórki budujące ciało nie są dziedziczone przez potomstwo. Ich negatywny wpływ na organizm może polegać na pojawieniu się w ich wyniku zmian nowotworowych. Wiele spośród czynników powodujących mutacje ma również działanie kancerogenne.

Mutacje powodują choroby o charakterze genetycznym. Zaliczyć do nich można między innymi:

• Zespół Downa – spowodowany jest on trisomią chromosomów 21 pary. Po raz pierwszy choroba ta została opisana w II połowie XIX wieku przez angielskiego lekarza J.L. Downa. Zespół Downa jest nieuleczalny. Często konieczne jest stosowanie zabiegów niwelujących objawy choroby – na przykład chirurgiczne naprawianie wad serca. Oprócz tego stosuje się terapie podnoszące jakość życia chorych.
• Zespół Turnera – jest to mutacja polegająca na braku w allosomach kobiet chromosomu X. Powoduje to bezpłodność, niedorozwój jajników, niekiedy także upośledzenie umysłowe. Zespół Turnera to jedna z najczęstszych wad genetycznych na świecie i najczęstsza, która dotyczy chromosomów płciowych. Grupę objawów jako pierwszy szczegółowo opisał w 1938 roku amerykański endokrynolog Henry Turner. Zapiski o prawdopodobnych przypadkach zespołu Turnera pojawiały się już jednak w drugiej połowie XVIII wieku. Jeśli zespół Turnera zostanie wcześnie wykryty, da się łagodzić jego objawy. Dzieciom podaje się hormon wzrostu. Część chorych przyjmuje hormony żeńskie. Diagnostyka ma za zadanie doprowadzić do jak najszybszego wykrycia innych możliwych wad, takich jak choroby serca czy nerek.
• Zespół Klinefeltera – jest to zespół pierwotnego hipogonadyzmu. Występuje u mężczyzn w wyniku wystąpienia dodatkowego chromosomu X. Główne objawy to bezpłodność i niedorozwój jąder. Pod kontrolą pediatry, endokrynologa i genetyka stosuje się terapię hormonalną testosteronem od momentu, kiedy pacjent skończy 12 lat, aż do końca jego życia. Nie istnieje leczenie przyczynowe choroby. Niemożliwe jest także przywrócenie płodności.
• Albinizm – inaczej bielactwo wrodzone – choroba spowodowana mutacją jednego genu; choroba ta polega na braku pigmentu. Przejawia się to charakterystycznym, bladoróżowym kolorem skóry. Bielactwo jest to choroba genetyczna, która spowodowana jest brakiem enzymu tyrozynazy. Albinizmu nie można wyleczyć. Chory powinien jedynie unikać nasłonecznienia skóry. W tym celu powinien stosować preparaty przeciwsłoneczne z wysokim filtrem UV.
• Anemia sierpowata – jest to choroba genetyczna, która cechuje się tym, że we krwi występują sierpowate krwinki czerwone. Krwinki tego rodzaju zawierają nieprawidłową hemoglobinę S.  Hemoglobina ta bardzo łatwo wytrąca się we krwi żylnej – w konsekwencji wzrasta ryzyko powstawania zakrzepów i zatorów. Choroba ta znacznie częściej występuje u osób czarnoskórych – głównie w Afryce oraz Ameryce. W połowie zeszłego wieku laureat Nagrody Nobla Linus Pauling dowiódł, że powodujący anemię sierpowatą zmutowany gen odpowiada za produkcję hemoglobiny. W ten sposób anemia sierpowata stała się pierwszą chorobą genetyczną powiązaną z wadą konkretnego białka. Mimo upływu czasu wciąż jednak nie ma lekarstwa na ten typ niedokrwistości. Terapia polega głównie na transfuzji krwi dla zapobiegnięcia udarom, podawaniu antybiotyków powstrzymujących rozwój infekcji oraz środków przeciwbólowych łagodzących dolegliwości. Wśród rekomendacji wymienia się także zapobiegawcze podawanie chorym na anemię sierpowatą penicyliny do 5 roku życia i w wieku 2 do 16 lat coroczne badanie dopplerowskie głowy. Istotna jest odpowiednia fizjoterapia.
• Pląsawica Huntingtona – jest to mutacja o charakterze dominującym. Podstawowe objawy to zaburzenia ruchowe, zmiany zwyrodnieniowe dotyczące układu nerwowego, upośledzenie umysłowe. Jak na razie nie ma skutecznych metod leczenia pląsawicy Huntingtona, gdyż choroba na obecnym etapie rozwoju medycyny jest właściwie nieuleczalna. Nie można zatrzymać postępującego zwyrodnienia komórek nerwowych. Można jednak ulżyć choremu, zwalczając niektóre z objawów. Stosuje się więc leczenie objawowe, m. in. z pomocą leków wykorzystywanych w psychiatrii. Jednak nawet taka terapia jest trudna, gdyż trudno wychwycić początek choroby. Ponadto regułą jest, że im wcześniej choroba się pojawia, tym szybciej postępuje. Leczenie odbywa się pod kierunkiem neurologa, choć na różnych etapach choroby konieczna jest pomoc innych specjalistów. W przebiegu całej terapii bardzo ważne jest utrzymywanie jak najdłużej aktywności fizycznej.

Diagnostyka mutacji chromosomowych

Aberracje chromosomowe są mutacjami, w wyniku których następuje zmiana ilości DNA w jądrze każdej komórki budującej organizm. Obserwując dzielące się komórki, obecność mutacji można potwierdzić lub wykluczyć. Używając kolchicyny na dzielące się mitotyczne komórki powodujemy, że mitoza zatrzymuje się na etapie metafazy. Na tym etapie chromosomy są łatwe do obserwowania. Jeśli wykryje się nieprawidłowości w budowie chromosomów lub obecność dodatkowego, to jest to dowodem występowania aberracji.

W ten sposób zmiany w genomie wykrywa się podczas badań prenatalnych. Aby przeprowadzić takie badania, z macicy w której rozwija się płód, pobiera się niewielką ilość płynu owodniowego, który zawsze zawiera pewną ilość złuszczonych komórek płodu. Używa się wspomnianej kolchicyny, aby zatrzymać komórki w stadium metafazy. Tak przygotowane komórki można już badać, by stwierdzić, czy występują w nich jakieś zmiany.

dr n. farm. Przemysław Rokicki
Apteka Szpitalna
WWCOiT im. M. Kopernika w Łodzi

Piśmiennictwo:

1. „Genetyka ogólna” Skrypt do ćwiczeń dla studentów biologii; Anna Sadakierska-Chudy, Grażyna Dąbrowska, Anna Goc; Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń 2004
2. „Genetyka zwierząt” Przewodnik do ćwiczeń; Wilhelm Grzesiak, Arkadiusz Marian Kawęcki; Akademia Rolnicza w Szczecinie, Szczecin 1998
3. „Mutacje”, e-biotechnologia.pl, Adam Kuzdraliński, 2011
4. „Standardy jakościowe w farmacji onkologicznej Polskiego Towarzystwa Onkologicznego”, Krystyna Chmal-Jagiełło, Hanna Jankowiak-Gracz, Marcin Bicz, Ewelina Korczowska, Marcin Bochniarz, Warszawa 2018
5. „Biologia”, Linda R. Berg , Diana W. Martin , Eldra Pearl Solomon, Warszawa 2014