Genmutationer: Mekanisme og betydningen af genmutationer
Læs denne artikel for at lære om genmutationerne: Mekanismen og betydningen af genmutationer af Morgan!
De er nye pludselige arvelige diskontinuerlige variationer, som skyldes en ændring i nukleotidtypen og sekvensen af et DNA-segment, der repræsenterer et gen eller cistron. De første registrerede genmutationer er Ancon Sheep (1791) og hornless (polled) kvæg (1889). Den første videnskabelige undersøgelse af genmutationer startede med opdagelsen af hvid øjetrække i Drosophila af Morgan i 1910.
Billedrettighed: cc.scu.edu.cn/G2S/eWebEditor/uploadfile/20120812232008746.jpg
Alle gener kan mutere. Mutabilitet adskiller imidlertid fra gen til gen. Nogle gener muterer en gang hver 2000 gameter (fx R-gen for farve i majs), mens andre ikke gør det for flere millioner gameter (fx Wx + -gen til voksagtig endosperm af majs). Mutationens retning er ikke forudsigelig. Det kan forekomme i enhver tænkelig retning og i enhver tænkelig grad. Et muteret gen kan mutere tilbage til vildtype.
Mutationer kan forekomme i både somatiske og germinale celler. De kan være dødelige, skadelige, neutrale eller fordelagtige. De fleste mutationer er recessive og involverer tab af funktion. Nogle få er dominerende, fx mutationer for aniridier (fravær af iris i øjet). Genmutationer kan forekomme naturligt og automatisk på grund af interne årsager.
De betegnes som spontane mutationer. Andre er produceret af eksterne faktorer eller kemikalier. De er kendt som inducerede mutationer. Organer har også mutatorgener (forårsager mutationer gennem ændring af polymeraseaktivitet) og antimutatorgener (kontrol ændring i nukleotidsekvens under replikation).
1. Spontane mutationer:
De er mutationer, der forekommer tilfældigt, naturligt og automatisk på grund af interne grunde uden nogen relation til nogen ekstern faktor. Antallet af spontane mutationer varierer fra 1 i 2000 til 1 i flere millioner divisioner. De mulige årsager er:
(i) Baggrundsstråling:
De forekommer naturligt fra forskellige kilder, fx sol, radioaktive mineraler, (ii) Tautomerer. Alle de fire nitrogenbaser forekommer også i deres tautomere eller isomere tilstande, der danner enten iminogruppe (-NH, f.eks. Cytosin, adenin) i stedet for aminogruppe (-NH2) eller enolgruppe (-COH, fx thymin, guanin) i stedet for keto gruppe (= CO). Tautomers par med forskellige baser for at forårsage en ændring i sekvensen som AT til CG. (iii) Deaminering af cytosin. Cytosin deaminerer langsomt for at fremstille uracil hvilke par med adenin resulterer i ændring i baseparring, (iv) kopifout. Der er en række trin involveret i replikation, transkription og oversættelse. Ethvert forkert valg eller indtastning af en anden gruppe vil medføre mutation. De fleste af kopieringsfejlne korrigeres under korrekturlæsning, men nogle få undviger korrektion.
2. Inducerede mutationer:
De er mutationer, der produceres som reaktion på specifikke eksterne faktorer og kemikalier. Muller (1927) var den første til at producere inducerede mutationer i Drosophila ved at udsætte dem for røntgenstråler. De specifikke faktorer og kemikalier i miljøet, der inducerer mutationer, kaldes mutagener.
mutagene:
Enhver ekstracellulær fysisk eller kemisk faktor, der kan forårsage mutationer eller øge frekvensen af mutationer i organismer kaldes mutagen.
1. Fysiske mutagenser:
De er af to typer, temperatur og høj energi stråling.
(i) Temperatur:
Forøgelse i temperatur øger mutationshastigheden med Q 10 = 5. Den forbedres yderligere ved højere temperatur. Stigning i temperatur bryder hydrogenbindingen mellem de to strenge af DNA og dermed denaturerer sidstnævnte. Det forstyrrer den syntetiske proces forbundet med replikation og transkription. I ris er lav temperatur kendt for at øge mutationshastigheden.
(ii) Høj energi radiationer:
De omfatter neutroner, alfa partikler, kosmiske stråler, gamma partikler, beta stråler, røntgenstråler, ultraviolette stråler mv. Ultraviolette stråler er nonioniserende strålinger, der påvirker DNA ved at danne thymdimere. Det forårsager bøjninger i DNA-duplex, der medfører fejlreplikation. Andre høje energi stråler er ioniserende stråling. De ioniserer DNA-bestanddele, der kan reagere med flere biokemikalier.
Røntgenbilleder er kendt for at deaminere og dehydroxylere nitrogenbaser, danne peroxider og oxidere deoxyribose. Muller (1927) var den første til at inducere mutationer i Drosophila ved hjælp af røntgenstråler. Han fandt 150 gange stigning i mutationshastigheden. Radiationer udledt af nukleare nedfald og atombomberne faldt over Hiroshima og Nagasaki i Japan har forårsaget mange mutationer.
2. Kemiske mutagenser:
De er af flere typer. De almindelige er nitrogensyre, alkyleringsmidler, baseanaloger og acridiner.
(i) Nitrous syre:
Det er et deamineringsmiddel, som ændrer cytosin til uracil, guanin til xanthin og adenin til hypoxanthin. Hypoxanthin mispairer med cytosin. Derfor erstattes A-T med H-C. På lignende måde erstattes С-G med U-A og С-X. Disse usædvanlige eller forbudte basepar forstyrrer replikation og transkription. Ufuldstændige eller defekte polypeptider fremstilles under translation.
(ii) Alkyleringsmidler:
Nitrogen sennep [fx RN (CH2 Cl) 2 ], diethylsulfat (DES), dimethyl nitrosamin (DMN) og andre alkyleringsmidler forårsager methylering eller ethylering af nitrogenbaser. Sidstnævnte undlader at parre med normale partnere såvel som forhindre adskillelse af to DNA-tråde.
(iii) basisanaloger:
De ligner de normale baser af DNA og bliver derfor indarbejdet i DNA i stedet for dem. De almindelige mutagenser af denne type er 5-bromouracil og 5-fluorouracil. De erstatter thymin af DNA og parrer med guanin. Således erstattes A-T med G-Bu eller Fu. Det forstyrrer replikation, transkription og oversættelse.
(iv) Acridiner:
De er tarafledte heteroaroniatiske flade molekyler, hvorfra et antal farvestoffer og farmaceutiske præparater fremstilles. Acridiner (fx acriflavin, proflavin, euflavin, acridinorange) indtaster DNA-kæderne mellem to basepar og forårsager deletion eller tilsætning af nogle få nukleotider. Nukleotidsekvensen af DNA vil således blive forstyrret og læses forskelligt. Det er også kendt som ramme-shift eller gibberish mutation.
Mekanisme for genmutationer:
Den mindste del af et gen der kan undergå mutation kaldes muton. Det kan være så lille som et enkelt nukleotid. De fleste genmutationer involverer en ændring i kun et enkelt nukleotid eller nitrogenbase af cistronen. Disse genmutationer kaldes punktmutationer.
En mutation, der involverer mere end et basispar, betegnes som brutto mutation. Genmutationer forekommer sædvanligvis under replikation af DNA. De kaldes derfor også kopifilmutation. Et gen kan gennemgå flere punktmutationer. Dette frembringer flere alleler. Genmutationer forekommer ved tre metoder-inversion, substitution (af to typer-overgang og transversion) og fremskiftning (af to typer-indsættelse og deletion).
1. Inversion:
En forvrængning af DNA ved mutagen kan ændre basesekvensen af en cistron i omvendt rækkefølge. Processen kaldes inversion. Den nye sekvens vil naturligvis have forskellige kodoner, f.eks.
2. Udskiftning (erstatning):
Ved substitution ændres en nitrogenbase med en anden. Det er af to typer, overgang og trans-version.
(a) Overgang:
En nitrogenbase erstattes med en anden af sin type, det vil sige, en purin erstattes af en anden purin (adenin ↔ guanin), mens en pyrimidin af en anden pyrimidin (cytosin ↔ tymin eller uracil).
(b) Transversion:
Her erstattes en purinbase eller substitueres med en pyrimidinbase og vice versa, f.eks. Uracil eller thymin med adenin og cytosin med guanin.
3. Frame-Shift Mutation:
De er de mutationer, hvor læsningen af rammen af basesekvensen forskydes lateralt enten i fremadrettet retning på grund af insertion (tilsætning) af en eller flere nukleotider eller i bagudretningen på grund af deletion af en eller flere nukleotider. Rammeforskydningsmutationer er derfor af to slags, indsættelse og sletning.
a) indsættelse:
En eller flere nukleotider tilsættes i segmentet af DNA, som repræsenterer en cistron eller et gen.
b) sletning:
En eller flere nukleotider går tabt fra et segment af DNA, der repræsenterer en cistron eller et gen.
Nogle gange er der en indsætning og en sletning af lige antal nukleotider, således at rammen ikke bevæger sig, men mutation opstår som følge af ændring i en eller flere kodoner.
Nonsens, Same-sense og Mis-sense Mutations:
En nonsensmutation er den, der stopper polypeptidsyntese som følge af dannelse af et terminator eller nonsenscodon, nemlig ATT (UAA), ATC (UAG) og ACT (UGA). En mis-sense-mutation er den, der involverer ændring i et kodon, der producerer en anden aminosyre på det specifikke sted i polypeptid, hvilket ofte resulterer i dets mangelfunktion.
En same-sense-mutation er stille mutation, hvori kodonen ændres, men ændringen ændrer ikke aminosyrespecificiteten (f.eks. GCA → GCT eller GCC eller GCG).
Betydningen af mutationer:
1. Variabilitet:
Mutationer er kilden til al variabilitet i en befolkning. Variabiliteten øger organismerens tilpasningsevne til sit miljø og afværger død eller forringelse i et ugunstigt miljø.
2. Undersøgelse af gener:
Medmindre og indtil et gen muterer og har en recessiv eller mellemliggende allel, vil den forblive ubemærket, og dens betydning i individets fysiologi og fænotype kan ikke evalueres.
3. Evolution:
Mutationer er springvandshovedet for evolution. De tilføjer nye variationer i befolkningerne. Variationerne gør det muligt for nogle organismer at blive bedre monteret i kampen for eksistensen. De overlever derfor, mens andre med mindre variationer forgår.
Processen fortsætter, og variationerne akkumuleres. Det giver anledning til nye sorter, underarter og arter. Nogle gange giver en enkelt mutation anledning til nyere type organismer, fx Ancon Sheep, Delicious Apple, Navel Orange, Cicer Gigas (Giant Gram), Arachis hypogea var. gigantia (Giant Groundnut). Polyploidi har produceret en række nye organismer. Det er kunstigt fremkaldt at opnå nye arter (f.eks. Triticale) og bedre udbytte.
4. Industriel mikrobiologi:
Arbejdstagere udvikler løbende nyere mutant racer af mikroorganismer til bedre fermenteringsevne (f.eks. Gær), bedre udbytte af antibiotika (f.eks. Penicillium) og adskillige andre biokemikalier.
5. Sundhedsfare:
Øget anvendelse af mutagener udsætter arbejdstagere og andre befolkningsgrupper for farer for at have skadelige mutationer. Derfor har nogle lande allerede indført restriktioner og bestemmelser om brugen af mutagener. Røntgenteknikere og arbejdere i atomkraftværker advares altid for at være ekstra forsigtige over for tilfældig eksponering.
6. Husdyrhold:
Der er flere sorter af tamdyr og kæledyr. Alle er stammer fra de vilde typer gennem mutationer. Nogle nylige mutationer inkluderer ancon får, hornløse kvæg, hårløse katte mv. Der er også forekommet mutationer for højere mælkeydelse, laktationsperiode, ægproduktion, kødindhold, uldudbytte, tilpasningsevne til forskellige miljøer. Disse nyttige mutationer er blevet optaget af dyreopdrættere.
7. Landbrug:
Mutationer har spillet en næsten revolutionær del i landbruget både i begyndelsen af civilisationen og nu i forbedringen af landbruget for at imødekomme behovene hos den stadigt voksende menneskelige befolkning.
(i) Tømmeringen af flere planter blev muliggjort på grund af pludselige mutationer, der forekommer i dem, fx stive ører i hvede, ris og andre korn, lint i bomuld.
(ii) Blomkål, Kål, Brussel Sprout og Knol Kohl er alle mutanter udviklet fra Wild Cabbage.
iii) Plantefiskere anvender inducerede mutationer til forbedring af afgrødeplanter til højere udbytte, næringsværdi, stivhed af halm, modstandsdygtighed over for indgivelse, mindre varighed af afgrøde modning, sygdomsresistens osv. Til dette formål er en gamma-strålingsanlæg monteret i IARI, New Delhi.
Højproducerende populære sorter af mexicansk hvede blev udviklet af Borlaugh ved at samle dværgmutanter. De var oprindeligt rødkornede. Farven var ikke ønsket af indianerne. Deres dyrkning i Indien blev gjort mulig ved udviklingen af ravfrugtfarve (fx Sharbati Sonora) gennem mutationer.
(iv) Den højtydende rissort, der hedder 'Reimei', blev fremstillet ved gamma bestråling.
(v) Gustafson (1941, 1947) udviklede en række sorter af byg gennem inducerede mutationer. De to fælles mutationer i byg er 'erectoides' og 'eceriferum'. Udover højt udbytte kombinerede de mange andre nyttige tegn som tørke og sygdomsresistens.
(vi) Reduktion af varigheden af afgrødeplanter uden at påvirke udbyttet har været et af de vigtige bidrag af mutationer. Sådanne mutationer er opnået i næsten alle afgrøder, herunder sukkerrør (18 måneder til mindre end 10 måneder), Castor (9 måneder til 4, 5 måneder, f.eks. Aruna-sort).
(vii) I vegetative formerede planter er mutationer den eneste kilde til forbedring og udvikling af variabilitet. De inducerede mutationer er somatiske. En somatisk mutation i banan har produceret sorten Bhaskara, hvor frugtstørrelsen er 35 cm x 12 cm. Seedless Navel orange og frøfri Druer er somatiske mutationer. Somatiske mutationer har også bidraget til at forbedre ananas og kartoffel.
(viii) Omkring 50% af nutidens plante- og gartnerier har udviklet sig i naturen gennem polyploidi, fx hvede, ris, majs, gram, bomuld, kartoffel, sukkerrør, banan, ananas, æble, pære mv.
(ix) Et stort antal mutationer er blevet induceret i prydplanter for at forbedre deres skønhed, længere liv og duft, fx Dahlia, Rosa, Chrysanthemum, Pa- paver.
