Mutace Mutace a mutageny. Spontánní a indukované mutace. Genové mutace. Chromozomové mutace. Genomové mutace.

Název školy Gymnázium, střední odborná škola, střední odborné učiliště a vyšší odborná škola, Hořice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/ Název materiálu Mutace. (VY_32_INOVACE_ ) Autor RNDr. Helena Trkalová Tematická oblast Genetika Ročník Čtvrtý Datum tvorby Listopad 2012 Anotace Prezentace je určena pro výuku genetiky v hodinách biologie a biologického semináře ve vyšších ročnících gymnázia. Objasňuje, jak dochází ke vzniku mutací, vysvětluje různé typy mutací a jejich dopad. Zvláštní pozornost je věnována častým mutacím u člověka. Metodický pokyn Předpokládá se určitá úroveň znalosti z molekulární genetiky. Studenti by si měli řadu informací sami vyhledat a dále s nimi pracovat. Časová dotace 30 – 45 minut.

Mutace  Za mutaci považujeme jakoukoli náhodnou a neusměrněnou změnu genotypu  Následky některých mutací jsou velice závažné, mohou se projevovat těžkým postižením jedince nebo jeho potomků  Jiné mutace se přenášejí z generace na generaci bez jakéhokoli vlivu na fenotyp.  Některé mutace zjistíme z cytologické analýzy, zkoumáním karyotypu, jindy musíme provést sekvenční analýzu příslušné DNA

Mutace podle vzniku  Spontánní mutace, k nim dochází bez jakéhokoli vnějšího vlivu (např. chyby při replikaci DNA)  Indukované mutace, ty jsou vyvolané přímým či nepřímým vlivem mutagenů

Mutageny  Za mutageny považujeme všechny faktory, jejichž vlivem dochází ke zvýšení frekvence mutací  Schopnost způsobit poškození DNA se nazývá mutagenita nebo také cytotoxicita

Fyzikální mutageny  UV – záření  Ionizující záření  Přijetím energie při ozáření dochází k chemické přeměně nukleotidů (např. vznikají thyminové dimery) příp. k rozrušení některých vazeb v DNA  Mutagenní účinek ionizujícího záření byl prokázán už v r Hermannem Josephem Mullerem

Chemické mutageny  Chemicky modifikují složky DNA (způsobují např. deaminaci bází), v některých případech se přímo vážou na nukleotidy  Jako první prokázala mutagenitu nějaké chemické látky Charlotte Auerbachová  Zjistila, že yperit vyvolává u octomilek vznik mutací  Brzy byla mutagenita prokázána i u dalších chemických látek  Co víš o yperitu, jeho chemickém složení a používání?

Chemické mutageny  Mutagenní účinky má řada látek, se kterými se setkáváme v běžném životě  K nejběžnějším a nejnebezpečnějším patří polycyklické aromatické uhlovodíky, které vznikají jako produkt spalovacích procesů, zejména při spalování pevných paliv nebo při kouření cigaret.  Při vstupu do organismu dochází k jejich metabolické přeměně na reaktivní produkty, jejich molekuly se vážou na báze NK a vytvářejí s nimi kovalentní vazbu

Chemické mutageny  Mutagenní účinek byl prokázán také u některých organických rozpouštědel, léků, barviv nebo pesticidů  Příkladem je insekticid DDT (dichlordifenyltrichlorethan), který pro svou vysokou toxicitu a mutagenitu již řadu let ve většině zemí zakázán, přesto se jeho rezidua nacházejí v přírodě i v organismech  DDT je insekticid. Kdy se začal používat? Jaký vliv má na různé živé organismy? Proč je jeho používání postupně zakazováno ve většině zemí světa? Kdy bylo používání DDT zakázáno v Československu?

Využití mutagenů  Záměrné vyvolávání mutací např. v genetických laboratořích, na šlechtitelských pracovištích  Kyselina dusitá, alkylační činidla  Vřeténkové jedy (kolchicin) způsobují vznik polyploidních buněk  Která rostlina vytváří kolchicin?  Zjisti, jestli ve Výzkumném ústavu ovocnářském v Holovousích používají při šlechtění nějaké mutageny.

Biologické mutageny  K nim patří především viry  Virová DNA se za určitých podmínek může začlenit do genomu hostitelské buňky a přerušit tak některý z jejích genů nebo změnit jeho expresi

Typy mutací  Mutace postihují genetickou výbavu organismu v různém rozsahu  Podle toho je dělíme na:  Genové mutace, které zasahují většinou jediný gen, dochází ke změně nukleotidové sekvence DNA, u bodové mutace se dokonce mění jen jeden nukleotidový pár  Chromozomové aberace, mění se struktura chromozomů  Genomové mutace, mění se počty chromozomů nebo celých chromozomových sad

Genové mutace  Na molekulární úrovni rozeznáváme 4 základní typy genových mutací:  Delece je ztráta jednoho či více nukleotidů  Inzerce je vložení nadbytečného nukleotidového páru  Substituce je nahrazení určitého nukleotidového páru jiným  Amplifikace je zmnožení určitého nukleotidu nebo znásobení skupiny nukleotidů ), jde vlastně o zvláštní případ inzerce)

Srpkovitá anémie, drepanocytóza  Záměna jediného nukleotidu způsobuje srpkovitou anémii  Při ní se mění tvar červených krvinek na srpkovitý. To je způsobeno přítomností defektní formy hemoglobinu  V genu pro β – globinový řetězec tohoto proteinu dojde mutací k substituci jediného nukleotidového páru. Šestý kodon je do mRNA přepisován jako GUG místo původního GAG  Zjistěte v tabulce pro genetický kód, která AK má být na 6. místě v normálním řetězci β – globinu a která tam je při srpkovité anémii. Zjisti, k jakým poruchám dochází u nemocných srpkovitou anémií.  Přemýšlej, proč je srpkovitost častěji rozšířená v rovníkové Africe, ale také ve Středomoří a v Indii a JV Asii  Změny sekvence nukleotidů se zapisují v mRNA, ačkoli k mutaci dochází již na úrovni DNA. Odvoďte původní i mutovanou sekvenci šestého kodónu v pozitivním a negativním řetězci DNA

Srpkovitá anémie Dojde k záměně kyseliny glutamové za valin. Výsledkem je syntéza defektního hemoglobinu, který v krvinkách krystalizuje a přestává plnit svou biologickou funkci. U postižených osob dochází k poruchám přenosu kyslíku, k rozpadu erytrocytů, tzv. hemolytické anémii a ke vzniku krevních sraženin. Ty mohou ucpat krevní řečiště a způsobit vážné, nezřídka smrtelné zdravotní komplikace. U jedinců s heterozygotní sestavou jsou komplikace mírnější a tato mutace částečně chrání před příznaky malárie. Tak se defektní alela udržuje v populaci. GUG v mRNA, tedy pozitivní řetězec DNA má triplet GTG, negativní CAC. GAG v mRNA, triplet v pozitivní DNA je GAG, v negativní CUC.

Mutace, které mění smysl kodonu (missense mutation)  Srpkovitá anémie je příkladem mutace měnící smysl kodonu  Mutovaný kodon zařazuje v tomto případě do polypeptidu jinou AK než tu, kterou kódoval původní nemutovaný triplet, jde o substituci  Ne vždy má změna AK stejný fenotypový projev.  V některých případech dochází jen k nepatrnému snížení biologické aktivity proteinu, v určitých sekvencích jsou substituce dokonce neškodným projevem variability  Záleží na tom, zda je mutací zasaženo např. katalytické centrum nebo jen okrajové partie jeho molekuly

Továrna nebo kovárna?  Rozdílný význam substitucí lze srovnat s chybami v přepisu slov  Srovnej význam chyb, když místo továrna napíšeme továrny a  Továrna x kovárna  Ve druhém případě se zásadně mění význam slova  Vymyslete podobné substituce, záměny písmen, které úplně mění významy slov

Mutace beze smyslu (nonsense mutations)  Při některých substitucích vzniká mutací terminační triplet (STOP – kodón)  Např. z kodónu UAU pro tyrosin se záměnou posledního nukleotidu vytvoří terminační triplet UAA  Záleží na tom, jak daleko se v příslušném úseku mRNA chyba objeví  Jaký důsledek mají tyto mutace?  Vyhledej v tabulce genetického kódu triplety, z nichž mohou terminační kodóny nejsnadněji vzniknout Mutovaný gen se tává nedokončeným slovem, polypeptidový řetězec je oproti původnímu produktu výrazně zkrácen

Mutace beze smyslu  Srovnej:  KOSTELEC  KOSTEL  KOST  KOS  KO KK  Vymysli podobný slovní řetězec!

Mutace se stejným smyslem  Genetický kód je degenerovaný (vysvětli)  V některých případech vzniká substitucí triplet, jenž kóduje stejnou AK jako původní kodón  Např. změnou koncového nukleotidu se z tripletu GCU vytvoří GCC, oba kódují alanin  Tyto mutace označujeme jako mutace se stejným smyslem (same sense mutations) Zjisti v tabulce pro genetický kód, které aminokyseliny jsou kódovány více triplety. Liší se tyto triplety spíš prvním nebo posledním nukleotidem?

Posun čtecího rámce (frameshift mutations)  Pokud dojde k deleci nebo inzerci, mění se čtecí rámec následující genové sekvence  Protože genetická informace je překládána po tripletech, může zařazení nukleotidu navíc nebo jeho ztráta úplně změnit kodóny, které následují  Jaké AK se zařadí do polypeptidového řetězce, je–li pořádí nukleotidů v mRNA následující: …AAGGGCUCG….  Nyní vložte na 3. pozici (za dva adeniny) další adenin. Sestavte pozměněný peptid (resp. jeho část). Lysin – glycin – serin x lysin – glycin - leucin

 Analýzou DNA byla zjištěna následující sekvence negativního (templátového) vlákna:  TTG TTG TTG TTG TTG TTG  Odvoďte sekvenci příslušného řetězce mRNA a podle tabulky genetického kódu zjistěte složení odpovídajícího polypeptidového řetězce.  Stanovte pořadí jednotlivých AK v polypeptidu v případě, že ve druhém kodónu došlo k deleci guaninového nukleotidu  Uvažte, jaké důsledky by měla delece tří sousedních nukleotidů, tj. celého tripletu TTG. Došlo by rovněž k posunu čtecího rámce?  (TTG … AAC …asparagin, TTT…AAA…lysin, TGT…ACA …treonin) Příklad 1

Strukturní chromozomové aberace  Jsou podmíněny zlomy na chromozomech, může dojít k následné přestavbě chromozomu nebo zmnožení určité jeho části  Dochází ke změně struktury chromozomu  Patří sem: a. Delece neboli ztráty částí chromozomů b. Translokace neboli přemístění části jednoho chromozomu na druhý c. Inverze, přemístění genetického materiálu v rámci jednoho chromozomu

Strukturní chromozomové aberace  K nejčastějším delecím u člověka patří intersticiální delece malé části dlouhých ramének 22. chromozomu. Je zodpovědná za DiGeorgův syndrom. Projevuje se těžkými vrozenými srdečními vadami, často i poruchou imunity, rozštěpovými vadami apod.  Downův syndrom je v menším % případů způsoben translokací mezi 14. a nadbytečným 21. chromozomem, klinický obraz je stejný jako při trisomii 21. chromozomu  Syndrom Cri du Chat: Syndrom kočičího křiku. Způsoben delecí na p raménku (krátkém raménku) 5. chromosomu. Manifestace: pláč připomínající mňoukání kočky, malformované ušní boltce, mentální retardace, vrozené vady srdce.

Numerické aberace  Změny v počtu jednotlivých chromozomů  Nejčastějším typem je aneuploidie, kdy jeden chromozom chybí (monosomie) nebo taky přebývá, pak mluvíme o trisomii  Aneuploidie vznikají obvykle chybným rozchodem chromozomů při meiotickém dělení rodičovských gamet

Downův syndrom  Z historie V roce 1866 si anglický lékař John Langdon Down povšiml, že někteří z jeho pacientů s mentální retardací (opoždění vývoje) jsou si v některých znacích podobni a jako první je popsal a shrnul do nové jednotky, která byla po něm později pojmenována jako Downův syndrom. Asi o sto let později, v roce v roce 1959, odhalil francouzský genetik Jerome Leujene, že lidé s Downovým syndromem mají kromě obvyklé sestavy ještě jeden chromozóm č. 21. Protože jsou u lidí s Downovým syndromem místo dvou, chromozómy tři hovoříme o trizomii 21.

Downův syndrom  je kongenitální = vrozená vada. Je to něco, s čím se dítě rodí, co je v něm přítomno nejčastěji již od okamžiku početí. Downův syndrom je obvykle způsoben přítomností jednoho nadbytečného chromozomu č. 21. Menší počet případů je způsoben translokací mezi 14 a nadbytečným 21. chromozomem

Karyotyp při Downově syndromu (trisomie 21. chromozomu)

Downův syndrom  Jedná se o charakteristickou tělesnou a duševní poruchu.  Z 90 % vzniká náhodným neoddělením chromozomů od sebe při dozrávání vajíčka nebo spermie.  Pravděpodobnost narození dítěte s Downovým syndromem roste s rostoucím věkem matky,častěji se vyskytuje u žen starších 35 let, ale může se narodit i matkám mladším. Downův syndrom se v naší populaci vyskytuje u 1 novorozence ze 700 až 800 živě narozených.  Průběh těhotenství je většinou bez komplikací, děti se rodí donošené s normální porodní váhou.  Jedinci s Downovým syndromem mají malou zavalitou postavu (konečná výška je cm), IQ 25-5O, přičemž variabilita dovedností je veliká, jsou sociálně adaptabilní, muzikální, většinou velmi přátelští.  Typický je obličej: šikmé oči s kožní řasou, menší lebka, kožní řasa na zátylku, krátký krk, široký kořen nosu, malá ústa, větší jazyk, malé nízko posazené uši. Na končetinách jsou patrné krátké prsty, opičí rýhy na rukou.  Třetina dětí má srdeční vadu a některé další vrozené vývojové vady.  Jedinou stoprocentní metodou, jak prenatálně prokážeme chromozomální vadu u plodu, je stanovení karyotypu z odebraných buněk z plodové vody (amniocentézou).

Turnerův syndrom  Pokud vajíčko či spermie přináší o jeden chromozóm méně nebo pokud se jeden z chromozómů ztratí při jejich vzájemném splynutí, vzniká sestava 45 chromozómů. Mluvíme o monosomii  Chybí-li jeden pohlavní chromozóm a zůstal-li jen jeden chromozóm "X", bude mít nový jedinec karyotyp 45,X.  To je právě typický karyotyp pro dívky a ženy s Turnerovým syndromem.  V některých případech se ztratila jen část jednoho pohlavního chromozómu. Takové dívky mají sice 46 chromozómů, ale jeden jejich chromozóm X není úplný.  V jejich karyotypu se potom objeví údaj o tvaru neúplného chromozómu - např. 46,XrX, 46,XdelXq, 46,XiXq a podobně. Tento stav označujeme jako "strukturální anomálii" čili odchylný tvar chromozómu "X". Také dívky se strukturální anomálií X chromozómu mají Turnerův syndrom.

Turnerův syndrom  Turnerův syndrom se vyskytuje u jedné z až 2500 dívek a žen.  V České republice se tedy každý rok narodí v průměru děvčátek s Turnerovým syndromem. Celkem u nás žijí asi žen s Turnerovým syndromem

Turnerův syndrom  Většina děvčátek s Turnerovým syndromem prospívá stejně jako ostatní děti a nemívá nápadné zdravotní problémy. Proto se na Turnerův syndrom často přichází až později v dětství. Nejčastějším důvodem ke zjištění Turnerova syndromu v tomto věku bývá růstová porucha.  Všechna děvčata s Turnerovým syndromem rostou pomalejí než ostatní děti. Opožďování růstu bývá v prvních letech života málo nápadné, ale s přibývajícími roky je stále významnější. Již při nástupu do školy jsou dívky s Turnerovým syndromem v průměru o 17 cm menší než ostatní stejně stará děvčata. Na prahu dospělosti dorůstají mladé ženy s Turnerovým syndromem, pokud nejsou léčeny, do průměrné výšky 146 cm  Malá děvčátka s Turnerovým syndromem mají v prvních měsících nitroděložního života vaječníky normálního vzhledu. Postupně se ale začínají měnit a při narození ve většině případů neumějí tvořit ani hormony, ani neobsahují vajíčka. Proto v době očekávaného začátku puberty nedojde k obvyklým změnám  S výjimkou vaječníků jsou u dívek s Turnerovým syndromem vnitří i zevní pohlavní orgány zcela normální.  Chybějící hormony vaječníků lze nahradit příslušnými léky. Díky tomu je možné naprosto dokonale pubertu navodit a udržet ženskou zralost včetně pravidelného menstruačního cyklu

Klinefelterův syndrom (chromozóm XXY syndrom)  Klinefelterův-Reifensteinův syndrom, Klinefelter- Reifenstein-Albrightův syndrom)  Běžná anomálie pohlavních chromozómů u mužů, kde místo jednoho X a jednoho Y chromozómu se nacházejí dva X a jeden Y chromozóm (47,XXY).  Je charakterizovaná především malými varlaty s tubulární hyalinizací (vazivovou přeměnou semenotvorných kanálků), azoospermií (netvoří se spermie) s neplodností, nevelkým zvětšením prsou, byla zaznamenána i porucha intelektu.  Postižení jedinci se po porodu jeví, s výjimkou malých varlat, normální. Postižení se rozvíjí až v pubertě, dospělí jedinci bez terapie testosteronem tloustnou. Mohou být připojeny anomálie jako kryptorchismus (nesestouplá varlata), hypospádie (rozštěp penisu), neurologické poruchy, skolióza (vybočení páteře), v dospělosti cukrovka.

Polyploidie  Při polyploidii dochází ke zmnožení celých chromozomových sad, jde o genomovou mutaci  Příkladem je triploidie, kterou vzácně nalézáme u spontánně potracených plodů  V jejich somatických buňkách je přítomno 3 x 23, tj. 69 chromozomů  Plody mají těžké vývojové vady neslučitelné se životem  (pozn. u rostlin se se polyploidizací setkáváme docela běžně, využívá se i při šlechtění)

Úkol:  Pokuste se najít v literatuře informace o lidech stižených různými chromozomovými a genomovými mutacemi. Jak se projevuje jejich poškození? Jaké jsou prognózy do dalšího života?  Jak se takové mutace zjišťují?

Použitá literatura  Kočárek, E.: Genetika, Scientia. Praha 2004  Nečásek, J.: Genetika, Scientia. Praha 1993  Pikálek, P.: Základní heslář obecné genetiky, časopis Živa, 4/1997    jhttp:// IR/VIP/Glossary/Illustration/trisomy.shtml, Autor Courtesy: National Human Genome Research Institutehttp:// IR/VIP/Glossary/Illustration/trisomy.shtml