אילו מוטציות נקראות ספונטניות? אם נתרגם את המונח לשפה נגישה, הרי שמדובר בשגיאות טבעיות המתרחשות בתהליך האינטראקציה של החומר הגנטי עם הסביבה הפנימית ו/או החיצונית. מוטציות כאלה הן בדרך כלל אקראיות. הם נצפים באיברי המין ובתאים אחרים של הגוף.
סיבות אקסוגניות למוטציות
מוטציה ספונטנית יכולה להתרחש תחת השפעת כימיקלים, קרינה, טמפרטורות גבוהות או נמוכות, אוויר מופחת או לחץ גבוה.
בכל שנה, בממוצע, אדם סופג כעשירית מראד של קרינה מייננת המרכיבה את רקע הקרינה הטבעית. מספר זה כולל קרינת גמא מליבת כדור הארץ, רוח השמש ורדיואקטיביות של יסודות המצויים בעובי קרום כדור הארץ ומומסים באטמוספרה. המינון המתקבל תלוי גם במקום בו נמצא האדם. רבע מכל המוטציות הספונטניות קורות בגלל הגורם הזה.
קרינת UV, בניגוד לאמונה הרווחת, משחקת תפקיד קטן בהתרחשות של התמוטטות DNA, מכיוון שהוא אינו יכול לחדור עמוק מספיק לתוך גוף האדם. אך לעיתים קרובות העור סובל מחשיפה מוגזמת לשמש (מלנומה וסוגי סרטן אחרים). עם זאת, אורגניזמים חד-תאיים ווירוסים עוברים מוטציה כאשר הם נחשפים לאור השמש.
טמפרטורות גבוהות מדי או נמוכות מדי יכולות גם לגרום לשינויים בחומר הגנטי.
סיבות אנדוגניות למוטציות
הסיבות העיקריות מדוע מוטציה ספונטנית יכולה להתרחש נותרות גורמים אנדוגניים. אלה כוללים תוצרי לוואי מטבוליים, שגיאות בתהליך של שכפול, תיקון או קומבינציה ועוד.
-
כשלים בשכפול:
- מעברים והיפוכים ספונטניים של בסיסים חנקן;
- החדרה שגויה של נוקלאוטידים עקב שגיאות בפולימראזות של DNA;- החלפה כימית של נוקלאוטידים, למשל, גואנין-ציטוזין לאדנין-גואנין.
- שגיאות שחזור:-מוטציות בגנים האחראים לתיקון של חלקים בודדים בשרשרת ה-DNA לאחר שהם נשברים בהשפעת גורמים חיצוניים.
- בעיות עם ריקומבינציה:- כשלים בתהליכי מעבר במהלך מיוזה או מיטוזה מובילים לאובדן והשלמת בסיסים.
אלה הם הגורמים העיקריים שגורמים למוטציות ספונטניות. הסיבות לכשלים עשויות להיות בהפעלה של גנים מוטורים, וכן בהמרה של תרכובות כימיות בטוחות למטבוליטים פעילים יותר המשפיעים על גרעין התא. בנוסף, ישנם גם גורמים מבניים. אלה כוללים חזרות של רצף הנוקלאוטידים ליד האתרסידורי שרשרת מחדש, נוכחות של קטעי DNA נוספים הדומים במבנה לגן, וכן אלמנטים ניידים של הגנום.
פתוגנזה של מוטציה
מוטציה ספונטנית מתרחשת עקב ההשפעה של כל הגורמים הנ ל הפועלים ביחד או בנפרד בתקופה מסוימת של חיי התא. ישנה תופעה כזו כמו הפרת החלקה של הזיווג של הבת וגדילי ה-DNA האימהי. כתוצאה מכך, לולאות נוצרות לעתים קרובות מפפטידים שלא הצליחו להשתלב ברצף בצורה מספקת. לאחר הסרת שברי DNA עודפים מגדיל הבת, ניתן לכרות את הלולאות גם (מחיקות) וגם לבנות (כפילויות, הכנסיות). השינויים שהופיעו מתוקנים במחזורים הבאים של חלוקת התא.
קצב ומספר המוטציות המתרחשות תלויים במבנה הראשוני של ה-DNA. כמה מדענים מאמינים שבכלל כל רצפי ה-DNA הם מוטגנים אם הם יוצרים עיקולים.
המוטציות הספונטניות הנפוצות ביותר
מהו הביטוי השכיח ביותר למוטציות ספונטניות בחומר הגנטי? דוגמאות למצבים כאלה הם אובדן בסיסים חנקניים והסרה של חומצות אמינו. שאריות ציטוזין נחשבות לרגישות במיוחד עבורן.
הוכח שכיום ליותר ממחצית מהחולייתנים יש מוטציה של שאריות ציטוזין. לאחר דמינציה, מתילציטוזין משתנה לתימין. העתקה מאוחרת של סעיף זה חוזרת על השגיאה או מוחקת אותה, או מכפילה ועובר מוטציה לפרגמנט חדש.
סיבה נוספת למוטציות ספונטניות תכופות היא מספר רב של פסאודוגנים. בגלל זה, רקומבינציות הומולוגיות לא שוות יכולות להיווצר במהלך המיוזה. זה גורם לסידורים מחדש בגנים, סיבובים והכפלות של רצפי נוקלאוטידים בודדים.
מודל פולימראז של מוטגנזה
לפי המודל הזה, מוטציות ספונטניות מתרחשות כתוצאה משגיאות אקראיות במולקולות שמסנתזות DNA. לראשונה, דגם כזה הוצג על ידי ברסלר. הוא הציע שמוטציות מופיעות בשל העובדה שפולימראזות בחלק מהמקרים מחדירים נוקלאוטידים לא משלימים לרצף.
שנים לאחר מכן, לאחר בדיקות וניסויים ממושכים, נקודת המבט הזו אושרה והתקבלה בעולם המדעי. אפילו נגזרו דפוסים מסוימים המאפשרים למדענים לשלוט ולכוון מוטציות על ידי חשיפת חלקים מסוימים של DNA לאור אולטרה סגול. כך, למשל, נמצא שאדנין מוטמע לרוב מול הטריפלט הפגוע.
מודל טאוטומרי של מוטגנזה
תאוריה נוספת המסבירה מוטציות ספונטניות ומלאכותיות הוצעה על ידי ווטסון וקריק (מגלי מבנה ה-DNA). הם הציעו שמוטגנזה מבוססת על היכולת של כמה בסיסי DNA להפוך לצורות טאוטומריות שמשנות את האופן שבו הבסיסים מחוברים.
לאחר הפרסום, ההשערה פותחה באופן פעיל. צורות חדשות של נוקלאוטידים התגלו לאחר מכןמקרינים אותם באור אולטרה סגול. זה נתן למדענים הזדמנויות חדשות למחקר. המדע המודרני עדיין מתלבט בתפקידן של צורות טאוטומריות במוטגנזה ספונטנית והשפעתה על מספר המוטציות שזוהו.
דגמים אחרים
מוטציה ספונטנית אפשרית תוך הפרה של ההכרה של חומצות גרעין על ידי פולימראזות DNA. פולטאיב ומחברים משותפים הבהירו את המנגנון המבטיח עמידה בעקרון ההשלמה בסינתזה של מולקולות DNA בת. מודל זה איפשר לחקור את הסדירות של הופעת המוטגנזה הספונטנית. מדענים הסבירו את תגליתם בכך שהסיבה העיקרית לשינוי במבנה ה-DNA היא סינתזה של זוגות נוקלאוטידים לא קנוניים.
הם הציעו שהחלפת בסיס מתרחשת עקב דמינציה של מקטעי DNA. זה מוביל לשינוי בציטוזין לטימין או לאורציל. עקב מוטציות כאלה, נוצרים זוגות של נוקלאוטידים לא תואמים. לכן, במהלך השכפול הבא, מתרחש מעבר (החלפה נקודתית של בסיסי נוקלאוטידים).
סיווג מוטציות: ספונטני
יש סיווגים שונים של מוטציות בהתאם לאיזה קריטריון עומד בבסיסן. יש חלוקה לפי אופי השינוי בתפקוד הגן:
- היפומורפי (אללים שעברו מוטציה מסנתזים פחות חלבונים, אבל הם דומים לאלו המקוריים);
- אמורפי (הגן איבד לחלוטין את תפקידיו);
- אנטי-מורפי (הגן). גן שעבר מוטציה משנה לחלוטין את התכונה הזו, המייצגת);- ניאומורפי (מופיעים סימנים חדשים).
אבל סיווג נפוץ יותר שמחלק את כל המוטציות ביחס למשתנהמִבְנֶה. הבהרה:
1. מוטציות גנומיות. אלה כוללים polyploidy, כלומר, היווצרות של גנום עם קבוצה משולשת או יותר של כרומוזומים, ו-aneuploidy, מספר הכרומוזומים בגנום אינו כפול של המספר הפלואידי.
2. מוטציות כרומוזומליות. נצפים סידורים מחדש משמעותיים של חלקים בודדים של כרומוזומים. יש אובדן מידע (מחיקה), הכפלתו (כפול), שינוי בכיוון של רצפי נוקלאוטידים (היפוך), וכן העברה של קטעי כרומוזומים למקום אחר (טרנסלוקציה).3. מוטציה גנטית. המוטציה הנפוצה ביותר. בשרשרת ה-DNA מוחלפים כמה בסיסים חנקן אקראיים.
השלכות של מוטציות
מוטציות ספונטניות הן הגורמים לגידולים, מחלות אחסון, תפקוד לקוי של איברים ורקמות בבני אדם ובבעלי חיים. אם תא שעבר מוטציה ממוקם באורגניזם רב-תאי גדול, אז בסבירות גבוהה הוא ייהרס על ידי הפעלת אפופטוזיס (מוות תאי מתוכנת). הגוף שולט בתהליך שימור החומר הגנטי ובעזרת מערכת החיסון נפטר מכל התאים הפגועים האפשריים.
במקרה אחד מתוך מאות אלפים, לימפוציטים מסוג T אין זמן לזהות את המבנה הפגוע, והוא מוליד שיבוט של תאים המכילים גם את הגן שעבר מוטציה. לקונגלומרט התאים יש כבר תפקידים אחרים, מייצר חומרים רעילים ומשפיע לרעה על המצב הכללי של הגוף.
אם המוטציה התרחשה לא בסומטי, אלא בתא הנבט, אזי השינויים יראו בצאצאים. הםבאים לידי ביטוי בפתולוגיות מולדות של איברים, עיוותים, הפרעות מטבוליות ומחלות אחסון.
מוטציות ספונטניות: משמעות
במקרים מסוימים, מוטציות שנראו חסרות תועלת בעבר יכולות להיות שימושיות להסתגלות לתנאי חיים חדשים. זה מייצג מוטציה כמדד לברירה טבעית. בעלי חיים, ציפורים וחרקים מוסווים לפי אזור מגוריהם כדי להגן על עצמם מפני טורפים. אבל אם בית הגידול שלהם משתנה, אז בעזרת מוטציות, הטבע מנסה להגן על המין מפני הכחדה. בתנאים חדשים, החזקים ביותר שורדים ומעבירים את היכולת הזו לאחרים.
מוטציה יכולה להתרחש באזורים לא פעילים של הגנום, ואז לא נצפים שינויים גלויים בפנוטיפ. ניתן לזהות "שבירה" רק בעזרת מחקרים ספציפיים. זה הכרחי כדי לחקור את מקורם של מיני בעלי חיים קשורים ולעצב את המפות הגנטיות שלהם.
בעיית הספונטניות של מוטציות
בשנות ה-40 של המאה הקודמת, הייתה תיאוריה לפיה מוטציות נגרמות אך ורק מהשפעת גורמים חיצוניים ועוזרות להסתגל אליהן. על מנת לבחון תיאוריה זו פותחה שיטת בדיקה וחזרה מיוחדת.
ההליך כלל את העובדה שכמות קטנה של חיידקים מאותו המין נזרעה על מבחנות ולאחר מספר חיסונים נוספה להן אנטיביוטיקה. חלק מהמיקרואורגניזמים שרדו והועברו למדיום חדש. השוואה של חיידקים מצינורות שונים הראתה כי נוצרה עמידותבאופן ספונטני, גם לפני ואחרי חשיפה לאנטיביוטיקה.
שיטת החזרה הייתה שמיקרואורגניזמים הועברו לבד צמרירי, ולאחר מכן הועברו בו-זמנית למספר אמצעים נקיים. מושבות חדשות תורבו וטופלו באנטיביוטיקה. כתוצאה מכך, חיידקים הממוקמים באותם חלקים של המדיום שרדו במבחנות שונות.
