I
I
I
I
I
Fenomen nasledivanja zasniva se na verInom prenosenju gena sa roditelja na pot omstvo tokom reprodukcije. U hemijskom poredu, geni su kod svih oblika zivota (osim
nekih virus a) izgradeni od DNK. Primarna
.truktura· DNK (redosled nukleotida) zadrIta va se u novonastalim molekulima nakon
semikonzervativne replikacije. Enzim DNK
l0limeraza koji katalizuje replikaciju pose- duje 3'-+5' egzonukleaznu aktivnost cirne je
Itbezbedena zamena pri eventualnom ugradi~anju pogresnog nukleotida. Prema tome,
~~igledno je da su tokom evolucije izgradeni
lInehanizmi odrzavanja genetickog integriteta
i verodostojnog prenosenja geneticke infer!nacije iz generacije u generaciju. Ipak se,
medutirn, povremeno odigravaju "greske" ili
romeneu strukturi naslednog materijala.
races bioloske evolucije nezamisliv je bez
Termin mutacija odnosi se ne sarno na
promenu genetickog materijala, vec i na S2m
proces koji dovodi do date promene. Organizam sa ispoljenim novim fenotiporn oznacen je kao mutant. U najsirem smislu, pod
mutacijama se podrazurnevaju sve nagle nasledne promene genotipa koje nisu objasnjive
rekombinacijom preegzistirajuce
geneticke
varijabilnosti. Ove promene genotipa obuhvataju promene u broju hromozoma (euploidije
i aneuploidije), velike promene u strukturi
hromozoma (hromozomske aberacije) i promene pojedinacnih gena.
Klasifikacija mutacija moguca je na osnovu veceg broja kriterijuma.
Ukollko se posmatra velicina genetickog
materijala zahvacenog mutacijom razlikuju
se genske i hromozomskemutacije.
Genske
mutacije odvijaju se unutar gena i najcesce su
utackaste" (engl. "point") mutacije tj. zarne~o;remeno~. ~~osenj~ pro~ena u nuk.leotid- ne jednog nukeotidnog para. Pored toga, mo10J sekvenci III drugih oblika genetskih reaguce su male unutargenske delecije, insecije
ranzmana. Sve ove nasledne promene u gene- . i s1. Hromozomske mutacije obuhvataju vece
Ickom materijalu nazivaju se mutacijama.
segmente naslednog materijala - delove hro~utacije predstavljaju osnovni izvor geneticmozoma, citave hromozome ili garniture hroihnovina u populacijama i obezbeduju na- mozoma.
anak novog ("sirovog") materijala, pri ceU odnosu na uzrok, mutacije mogu biti
Ifu se kroz proces prirodne selekcije vrsi fa- s-pontane ili indukovane. Spontane mutacije
lorizovanje rnutacija koje su u skladu sa eko- nastaju bez poznatog razloga. U stvari, uzrok
loskirn uslovima u odredenorn vremenskom
ovih mutacija maze biti inherentna metabolicka nestabilnost (greske pri replikaciji, tauleriodu.
I
l
I
tomerne prornene nukleotida i 81.) ili dejstvo
Na osnovu toga da Ii su zahvacene somatnekih mutagenih agensa prisutnih u sredini,
ske iligerrninativne celije, ked biparentalnih
S obzirorn na to da se ne zna tacan uzrok, organizma mutacije mogu biti somatske·
ovakve rnutacije se nazivaju spontanim, ma- (odigravaju se u telesnim, somatskim celida vecinu spontanihmutacija
zapravo indu- jama) ili gametske (nastaju pri forrnirnju
gameta i prenose se na narednu generaciju).
kuju fizicki i hemijski agensi. Nasuprot tome,
Cesto se termin "mutacija" kor isti u
indukovane mutacije nastaju usled dejstva
"
. 1
1.'
uzem srrusiu
reci za opisivanje genskih
mu~
razlicitih mutagenih agensa kao 3to su jonizutacija. Ukoliko ne bi postojale mutacije svi
juca, UV zracenja, ogrornan broj hemijskih
geni bi egzistirali sarno u jednorn obliku, ne bi
agensa, virusi itd. Najcesce je nemoguce da se
imali alternativne .oblike - genske alele. Re.
sa apsolutnom sigurnoscu utvrdi da Ii je mutacija spontana Hi indukovana. Lista prirod- . kombinacije gena samo preureduju geneticku
varijabilnost do novih kombinacija, dok senih ili sintentisanih mutagenih hemikalija svalekcija vodi ka favorizovanju najbolje prilakodnevno se upotpunjuje novootkrivenim jegodenih kombinacija u odnosu na postojecs
dinjenjima. Ukoliko se u eksperimentalnim
uslove u sredini. Prema tome, uprkos izuzetuslovima nivo mutaeija pod dejstvom nekog
agensa znatno poveca u odnosu na bazalni ni- noj preciznosti procesa replikacije i postojanja mehanizama reparacije (popravka) DNK,
vo kod kontrola, dati agens se mozeokarakmutacije su potrebne radi evolucije bio.loskih
terisati kao mutagen. Posebna oblast geneentiteta. Izvestan 'nivo mutacija potreban je
.tike, tzv. geneticka toksikologija(genotoksi. daobezbedi nastanak novih genskih alela, pokolgija) ima cilj da utvrdi mehanizme i kon. vecanje varijabilnosti i pojavu genetickih nosekvence dejstva fizickih, hemijskih i biolosvma.
kih agensa na geneticki sistem ~veka, uz
mogucnost sagledavanja rizika za naredne
generacije ..Postoje medunarodno prihvacene
smerniee pri testiranju agensa na genotoksicGENSKE MUT ACIJE
nost uz koriscenje adekvatnih in vitro i in
vivo sistema.
Na osnovu hemijskih razmatranja proraUkoliko se posmatra uticaj mutacija na
cunato je da bazalni nivo frekvence mutacija
vijabilnost (sposobnost prezivljavanja) mogu
nastalih pri ugradivanju nukleotida tokom rese razlikovati letalne mutacije (usmrcuju
plikacije iznosi oko 10-5. Jedan ciklus korek100% jedinki pre perioda reprodukcije, tzv.
cije gresaka (engl, "proofreading") zahvaljuugeneticka smrt"), poluletalne
(usmrcuju
juci tzv. editorskoj funkciji DNK pollmepreko 90%) i subvitalne (usmrcuju manje od
raza trebalo bi da umanji frekvencu inkorpo90% jedinki, ali prezivljavanje nije 100% u
racije pogresnih nukleotida na priblizno 10-1
odnosu na "divlji tip").
Pored toga, dejstvom rnehanizma reparacije
Ukoliko mutacija izaziva promenu najDNK moglo bi se ocekivati da se ova frekfrekventnijeg fenotipa u populaciji (tzv. "divenca dodatno smanjuje. Uprkos svim ovim
vlji tip", engl. "wild type") do nekog novog
podacima, jasno je da neki rninirnalan bazalni
nivo mutacija ipak postoji i da njegova realna
fenotipa, oznacava se direktnom mutacijom.
vrednost zavisi kako od genetickih, takoi od
Suprotno tome, povratne mutacije dovode do
sredinskih faktora.
promene mutantnog fenotipa dodivlieg tipa.
V'
•••
°.
Potrebno je istac! da se ne moze razgraniciti .,spontana" od "indukovane" mutacije
,pri razmatranju individualnih mutacija. Takav nacin distinkcije moguc je samo na nivou
populacije. Ukoliko se stopa mutacija poveca
100 put a pri tretrnanu populacije mutagenom, to hi znacilo da se u proseku 99 od svakih 100 mutacija prisutnih u populaciji zaista
indukuje rnutagenim agensorn. Validne kernparacije izmedu sponatanih i indukovanih
mutacija 'mogu6e su sarno pri statistickom
poredenju populacija izlozenih mutagenu u
odnosu na kontrolne populacije koje nisu bile
podvrgnute dejstvu odredenog agensa.
Spontane mutacije se odigravaju veoma
retko, mada zapazene frekvence variraju od
gena do' gena i od organizma do organizma.
Empirijski odreden nivo frekvence spontanih
direktnih mutacija za razlicite gene od faga
do bakterija krece se u opsegu od 10-10 do
10~ detektovanih mutacija po nukleotidnom
paru po-generaciji, Kod eukariota, proracuni
stopa mutacija se krecu od 10-9 do '10-7 promena po nukleotidnom paru po generaciji
(treba imati u vidu da je pri ovim kalkulacijama uzeta prosecnaduzina gena od 1000 nukleotida). '
Znacaj mutacionih procesa za prilagodavanje u promenljivim uslovima sredine
ilustrovan j~ sledecim zapazanjima. Primeceno je da su u gradovima populacije glodara
cesto rezistentne na antikoagulanse koji se
upotrebljavaju za njihovo suzbijanje. Brojne
su populacije bubasvaba neosetljive na hlordan, otrov -uveden u upotrebu jos pedesetih
godina ovog veka. Kucna muva je cesto rezistentna na insekticide poput DDT. Pored toga, sve je vise patogenih bakterija otpornih na
antibiotike kao 8tOsu penicilin i streptomicin.
Uvodenjem pesticida i antibiotika stvoreni su
novi uslovi u sredini, uvedenje, de/acto, novi
selekcioni pritisak. Ovaka v izazov zivotne
sredine doveo je do pojave jedinki rezistent-
nih na date agense. Nairne, pojavile su :3e rnutacije za otpornost na pesticide, odnosn.o antibiotike, 1mutanti su imali selektivnu prednost
u sredini u kojoj su se nalazili ovi agens i Senzitivni oblici su ubijani, dok 8U se mutanti
urnnozavali i povecavali broj rezlstent nih jedinki u populacijama.
Ova zapazanja dovode do veoma znacajnog pitanja 0 priprodi mutacija. Da li s u mutacije cisto nasurnican dogadaj pri cemu sredinski stres prasto dovodi do ocuvanja IJreegzistirajucih mutacija? IIi se mutacija javlja
usled samog agensa, odnosno sredinskog
stresa? Kao specifican primer moze se posmatrati populacija bakterija kao 8to je
E. coli izolovana iz sredine u kojoj nije bilo
streptomicina. Nakon izlaganja streptomicinu
vecina bakterija iz ove populacije ce uginuti.
Medutim, ukoliko je populacija dovoljno velika, uskoro ce se njena brojnost obnoviti sa
rezistentnim jedinkama. Zahvaljujuci eksperimentirna Lederberg i sar. (1952) danas je
sasvim jasno da se u populaciji bakterija pre
tretmana streptomicinom vec nalaze spontano nastali mutanti, dok streptomicin sarno
dovodi do selekcije genetickih varijanti sposobnih da prezive u njegovom prisustvu. Prema tome, sredinski stres ne usmerava niti
prouzrokuje geneticke promene, nego jednostavno odabira retke vec postojece mutante zato sto su uspesniji od ostalih jedinki u
populaciji.
FENOTIPSKI EFEKTI GENSKIH
MUTACIJA
Mutacije cesto dovode do detektabilnih
fenotipskih promena na osnovu kojih se moze prepoznati njihovo prisustvo. Efekti rnutacija na fenotip mogu se kretati od tako malih
promena da se jedino mogu otkriti delikatnim
biohemijskim ili genetickim analizama, 'do
C"ji-t
velikih izmena morfologije pracenih letalnim
efektima. Gen se najcesce definise kao specificna sekvenca nukleotida koja kodira odredeni polipeptid. Svaka mutacija unutar gena
dovesoe do novo,g oblika, do novog genskog
alela. Usled izrodenosti genetiekog koda, neke zamene nukleotidnih parova nece promeniti sekvencu aminokiselina (tzv, tihe mutadje). Ukoliko se, medutim, u nekom genu nalazi mutacija koja dovodi do neznatnog odstupanja U odnosu nadivlji soj, data promena
se moze zapaziti samo posebnim tehnikama
(npr. elektroforezorn proteinskih produkata),
dok se takvi aleli nazivaju izoalelima. Ima i
takvih mutacija koje vode ka totaLnoj inaktivaciji gena i ukoliko zahvate neki od vitalnih
gena (neophodnih za prezivljavanje) javice se
letalni efekat.
Mutacije rnogu biti recesivne ili dominantne, Kod haploidnih (monoploidnih) organizamampr. bakterije) dominantnost ill recesivnost mutacije moze se odrediti sarno stuIiranjern parcijatnih diploida. Kod diploidnih
ili poliploidnihorganizama,
recesivna muta~ija moze se ..ispoljiti sarno u homozigotnom
itanju. Za diploidne organizme <;esto je ka.akteristicno prisustvo polnih hromozorna,
:ako da se recesivne mutacije vezane za polie hromozome
mogu ispoljiti u hemizigotlorn stanju. Interesantno je pomenuti da su
ioliploidi u izvesnorn smislu u prednosti u od10SU na diploide, S obzirom na to da je kod
liploida veca verovatnoca pojave recesivnih
iomozigota.
Mutantne ovce kratkih nogu opisao je
,eth Wright jos 1791 godine u Sjedinjenim
\.merickim Drzavama. Wright je najpre zaiazio jagnje sa neobicno kratkim nogama u
vom stadu ovaca. Dosao je na ideju da bi
.ve kratkonoge ovce bile pogodne za uzgoj s
bzirom na to da ne bi mogle da preskacu nike kamene ograde. Medusobnirn parenjem
ratkonogih ovaca razvio je kratkonog. soj
tzv, Ankonske ovce. Kasnije seotkrilo
da je
fenotip kratkonogih ovaca posledica domi-
nantne germinativne mutacije (Slika '9.1).
Slika 9.1 - Ankonska ovca ima kratke noge
usled dominantne mutacije (gore). Normalna
ovca prikazana je dole.
Izuzetan doprinos genetickim istrazivanjima dale su tzv. uslovno
letalne mutacije,
To su mutacije koje dovode do letalnih efekata u odredenim uslovima sredine (tzv. restriktivini uslovi), dok pod permisivnim uslovima
ne uticu na prezivljavanje. Jasno je daefekti
uslovno letalnih mutacija mogu sa lakocorn
~sda se proucavajucak i kod haploidnih orga- sa fenotipski prepoznatljivim efektima dovonizama. Mutanti nosioci uslovno letalne rnu- di do smanjenja ili prestanka aktivnost i mutitacije norrnalno rastu irazrnnozavaju se pod ranog gena. Odgovor je sasvim razumljiv
perrnisivnim uslovima, dok se podatak 0 ukoliko se po de od realne Cinjenice da su geni
funkclji mutiranog gena dobija ispitivanjem
stvarani tokom miliona godina biolosk.eevopod restriktivnim uslovima. Veoma cesto lucije, pri cemu je prirodna selekcija f'avoriuslovno letalne mutacije se ispoljavaju na zovala opstanak jedinki sa najbolje pcilagovisoj temperaturi (npr. 42° C), dok na nizoj denim genotipovima. Ukoliko rnutacije dovotempraturi, inace optimalnoj za rast bakterija
de do aminokiselinskih zamena koje smanju(37° C), efekat izostaje. Jednostavnorn pro- [u aktivnost enzima, dolazi6e do njiho ve elimenom temperature hranljive podloge moze .minacije iz populacije. Mala je verovatnoca
se provocirati ispoljavanje date mutacije (tzv. da 6e nasumicna promena poput mutacije retemperatur-senzitivni mutanti).
zultovati pojacanorn aktivnoscu enzima. MeDo danas je ispitano na hiljade mutacija i dutim, ako se to eventualno dogodi tada ce
pokazano je d~ su u vecini slucajeva efekti selekcija odabirati novi aIel kao efikasniji i
stetni ili recesivni. To se zaista i moze oceki- posle veceg broja generacija ovako odabrani
alel ce postati novi "divlji soj" tj. oblik: gena
vati na osnovu onoga 8tOse zna 0 genetickoj
trenutno najusaglaseniji sa zahtevima srekontroli metabolizma i raspolozivih tehnika
dine.
za identifikaciju mutacija. Metabolicki putevi
".:
'.
prekursor
enzuru:
':
'
•• intermedijer
1
•••
intermedijer 2
•••
el
e2
e3
r
i
r
G1
G2
G3
produkt
...
gem:
J,
J,
t
g2
enzimi:
prekursor
t
el
•• intermedijer
e3
1
Slika 9.2 - Sematski prikaz metabolickog puta ked haploida i sprecavanja sinteze finalnog
produkta pri inaktivaclji usled pojave recesivne mutacije (g2 je recesivni nefunkcionalni alel),
cesto su predstavljeni nizom reakcija u kojima produkt prethodne reakcije predsta vlja
supstrat za narednu (Sl. 9.2).
MEHANIZMI NASTANKA
GENSKIH MUT ACIJA
Mutacija u genu za enzim metabolickog
put a moze rezultovati sintezom neaktivnog
proteinskog produkta, istovremeno stvarajuci blok za nastavak puta do finalnog produkta. Namece se pitanje zasto vecina mutacija
Kada su Watson i Crick opisali sekundarnu strukturu DNK u vidu dvostrukog heliksa i
predlozili semikonzervativni model replikacije zasnovan na specificnom sparivanju baza,
istovremeno su sugerisali puteve nastanka
~G
spontanih mutacija. Nairne, Watson iCrick su
znali da strukture baza u DNK nisu staticne,
rin-pirirnidin ili se par pirimidin-purin zameni
parorn pirimidin-purin oznaoen je kao tranQ
Atoml vodonika u azotnim bazama mO$u cia .zicUa. Nasuprot tome. ukoliko se izvrsi zamena para purin-pirimidin parom pirimidinBe pomeraju sa jedne poziciie na drugu.
purin ili obratno, mutacija se naziva transTakve hemijske fluktuacije poznate su pod
verzija. Lako je zaklju~iti da postoji ukupno
nazivom tautomerije. Mada su tautomerne
promene retka pojava, treba ih smatrati vaz- cetiri razlicitih tranzicija i ukupno osam monim u metabolizrnu DNK, zato sto menjaju gucih transverzija (Slika 9.4).
.afinitet sparivanja azotnih baza (Slika 9.3).
Termodinamicki stabilnije keto forme timina
TA •••
•. AT
Sve mogu6e transverzlje
ill guanina, kao iamino forme adenina icito(spoljasnje strellce)
zina ponekad pre laze u tautomeme i manje
stabilne enol i imino oblike. Moze se ocekivaSve moquce tranzlclje
ti da ce se baze nalaziti u manje stabilnim for(unutrasnle strelice)
GC <III
mama u veoma kratkom vremenskoin peri.'" CG
odu. Medutim, ukoliko se baza nade u takSlika 9.4 - Mogucl tipovi tranzicija itransvom obliku bas u vreme replikacije ill ugraverzija u molekulima DNK.
divanja u DNK, maze se javitimutacija. Potrebno je imati u vidu da retki enol i imino
Kakve ce biti posledice tackastih m utaoblici, pokazuju veci hemijski afinitet ka neu- cija zavisi od toga da Ii se zamena nukleotida
obicajenim sparivanjima (Slika 9.3).
odigrala unutar strukturnog gena, da Ii ce se
I I
~~
t
. r;
=<
~N
••
••
: N-
.~-e
r-
H
tI
.0
91,
K
~\
0
l
r:
H
o
9-t,
0
R
••
~
Slika 9.3 - Enolni i keto oblici guanina itimina
u DNK. Oseneenl su atomi vodonika koji mogu da se premeStaju. R oznaeave secer i fosfat
u sastavu nukleotida.
Mutacije nastale kao posledica tauromernih promena baza ukljucuju zamenu purina u
jednom lancu DNK drugim purinom, odnosno do zamene pirimidina drugirn pirimidinom. Ovakav tip taCkastih ("point"}mutacija
gde se par purin-pirimidin zarneni parom pu-
'izmeniti aminokiselina u kolinearnoj sekvenci
protein a is1.Ukoliko se usled bazne zamene
promeni aminokiselina u odgovarajucem proteinu, govori.se.o tzv. mutaciji sa pogresnim
kodirajucim znacenjern (engl. "missense"
mutation). Stepen ekspresije "missense" mutacije zavisice od mesta na kojem se promena
odigrala (npr. aka se promeni aminokiselina
u aktivnom centru enzima, verovatno ce se
izmeniti stepen aktivnosti tog enzima) i od
prirode proteina. U literaturi se cesto citira
anemija srpastih celija kao posledica "misssense" mutacije u genu za ~ Ianac hernoglobina. Usled zamene kodona GAG za glutaminsku kiselinu, kodonom GTG za valin
(transverzija AT -7TA), ja vlja se abnormalni
hemoglobin HbS Nasuprot normalnim eritrocitima sa Hb p' prisustvo Hbs p daje eritrocitima izduzen, srpast oblik.
"Nonsense" ("besmislene") mutacije nastaju kada se usled zamene nukleotida stvori
jedan od tri stop-kodona. Na mestu novo-
g.
formiranog stop signalasinteza proteina se
zaustavlja, dok jenovonastali polipeptid naj-
tesoe nefunkcionalan.
Poseban oblik tackastih rnutacija su tzv.
vanfazne mutacije (engl. "frameshift' mutations). Dodavanjem Hi deleciranjern baznih
parova za velicinu koja nije deljiva sa tri (promena tipa 3n ± 1, ili 3n ± 2), menja se okvir
citanja. Najcesce se usledfs mutacija ugraduju pogresne aminokiseline nizvodno od mesta
promene do prvog stop-kodona.
Sva tri tipa tackastih mutacija (tranzicije,
transverzije i "frameshift" mutacije) javljaju
se kao spontane mutacije. Mada se jos uvek
ne poznaju svi mehanizmi nastanka mutacija
izgleda da su tri faktora presudno znacajna:
- preciznost replikacione masinerije
- efikasnost brojnih mehanizama reparacije ostecene DNK
- steB~n izlozenosti mutagenim agensima.
I
I Mutageni
I
I
I
I
I
I
I
I
agensi
Uprkos evolutivno stecenim mehanizmima za odrzavnje stabilnosti, DNK je neprekidno izlozena fizickirn, hemijskirn i bioloskim agensima koji potencijalno mogu da izmene njenu strukturu. Prevelika kolicina
ostecenja molekula DNK moze da dovede do
smrti celije. Ukoliko je broj lezija manji, konsekvence zavise od sposobnosti reper-mehanizama da isprave nastale greske. Po pravilu,
mehanizmi reparacije ne mogu da otklone
sve greske, tako da se izvestan broj ostecenja
fiksira kao mutaeije - nasledne promene genetickog materijala. S obzirom na to da su
efekti hemijskih agensa i zracenja najizrazeniji, ovde ce ukratko biti izlozeni mehanizmi
mutageneze pod uticajem ovih agenasa.
Radijacije (zracenja) predstavljaju prostiranja energije kroz prostor. Ukoliko materijalnu osnovu zracenja sacinjavaju elementarne cestice fee je 0 tzv. korpuskularnim zracenjima (n-zraci, ~-zraci, pro toni, deuteroni,
I
I
neutronirr-mezoni
i 81.). Ostala zrace'I1ja su,
zapravo, deoelektromanetnog
spektrsi (vidijivi deo spektra, radiotalasi, infracrve.no, ultravioletno, X i y-zracenje). Pored pod.ele na
talasna i korpuskularna, treba razlikovati i
podelu na jonizujuca i nejonizujuca zra.cenja,
zavisno od toga da li izazivaju jonizacjju pri
prolasku kroz ozracenu materiju. U jonizujuca zracenja ubrajaju se a, p, X, r, protonsko ineutronsko zracenje, dok se u nejonizujuca ubrajaju elektromagnetna zracenja talasnih duzina vecih od 0,01 11m (vidljiva svetlost, radiotalasi, infracrveno i UV zracenje )..
Jonizujuca zracenja imaju visoku energiju, lako prodiru kroz zivu materiju, neka od
njih (X ir zraci) koriste se u medicinske svrhe
(rendgenologija, radioterapija tumora, radioizotopi). Prolazeci kroz materiju, ova zracenja sudaraju se sa atomirna, dovodeci do otpustanja elektrona, odnosno jonizacije. Nastali joni dalje mogu da se sudaraju sa drugim
molekulima pojacavajuci efekat jonizacije.
10s 1927. godine americki istrazivac Henry
MUller pokazao je da tretman vocnih musics
(Drosophila melanogaster) Xzracima zna~no povecava frekveneu polno-vezanih recesivnih letalnih mutacija,
Stepen izlozenosti zracenju moze se izraziti preko jedinice rentgen (f), odredene na
osnovubroja jonizacija po jedinici zapremine
pod standardnim uslovima. Preciznije receno,
jedan rentgen oznacava kolicinu jonizujuce
radijacije koja produkuje jednu elektrostaticku jedinieu naelektrisanja u volumenu od
1 crrr', Treba uociti da doza ozracenja izrazena rentgenima ne ukljucuje vrernenski period
izlozenosti zracenju, U dozirnetriji radioaktivnog zracenja cesto se koristi jediniea grej
(10y = 1J/kg). Jedan Oy je doza zracenja pri
kojoj se ozracenoj supstanci mase 1 kg predaje energija od 1 1. Interesantno je da postoji
linearna zavisnost frekvence genskih mutacija od doze izrazene u rendgenima. Postavlja
se, stoga, pitanje postoji li, sa geneticke tacke
gledista, bezbedna doza zracenja, Utvrdeno
je dacak i veoma niske doze mogu da izazovu pojavu mutacija, odnosno ne postoji minimalna, bezbedna do-za koja zasigurno ne do.vodi do konsekvenci na nivou genetickog materijala.
Bioloske efekte jonizujuceg
zracenja
objasnjavaju uglavnom dve teorije. Teorija
meta (engl. "target theory") nagalasava znaeaj direktne jonizaci]e usled sudara sa zivom
materijom, pri cemu stepen ostecenja direktno zavisi od primljene doze. Druga teorija
pridaje veci znacaj nastanku visoko reaktivnib slobodnih radikala koji zatim .mogu da,
pored ostalog, ostete biomolekule znacajne
za odrza vanje genetickog integriteta i na taj
nacin dovedu do mutacija. Najcesce se razmatra uticaj jonizujucih zracenja na molekule
vode, iz jednostavnog razloga sto voda sacirijava najveci den sastava zivih bica, pa se
S pravom moze ocekivati da ce najcesCe da se
jonizuje upravo molekul vade. Nizom reakcija iz vade se oslobadaju hidroksil radikal
.(OH), vodonicni radikal (H'), brzi elektroni
(el·. Ovi produkti su izuzetno reaktivni i dalje
dovode do formiranja kratkozivecih organskih radikala i peroksida. Nastali radikali dovode do direktnih kovalentnih modifikacija
DNK, protein a i lipida, narusavajuci normaIan metabolizam celije koji vodi ka mutagenezi i kancerogenezi.
Primeceno je da na efikasnost formiranja
genetiCkih osteeenja osim tipa jonizuju6eg zra~nja, utice diferencijalna osetljivost celije ka
radijacionim ostecenjima u pojedinim kriticnim fazama celijskog ciklusa. Pravilo je da su
celije u deobi mnogo osetljivije na efekte jonizujucih zraka. Isto tako pri-sustvo kiseonika i
porast temperature podstice efekte zracenja.
Kiseonik pojacava efekte sarno ukoliko je
prisutan za vreme ozracivanja, Jasno je da se
u prisustvu kiseo-nika lakse formiraju njego-
vi slobodni radikali. Temperatura, s druge
strane, povecava kineticku energiju molekula
isarnim tirn ubrzava sve biohemijske process
ukljucujuc; kovalentne modifikacije biomole.
kula .
Od nejonizujucih zracenja najopasnija su
ultravioletna (UV), ali je, srecom, njihova
prodorna moc mala - usled nedovoljno visake frekvence. Najizrazeniji su efekti na epidermis koze kicmenjaka, U celijama epider.
misa purinske i pirrnidinske baze apsorbuju
UV zrake i dostizu ekscitirano, reaktivno stanje. Geneticke konsekvence svode se uglavnom na formiranje ciklobutanskih dimera pirimidina, najcescse izmedu dva timina (Slika
9.5), kao i na hidroksilaciju pirimidinskih
baza.
Dimeri timina mogu da dovedu do genskih mutacija uglavnom na dva nacina:
-remerenjemnormalne
konfiguracije
duplog heliksa DNK i ometanjem tacnosti replikacije DNK,
- povremenim greskama tokom poprav. ke ostecenja U obliku dimera timina .
·PotrebnojeistaCi
da iako UV zraci uglavnom nisu pogubni po multicelularne organizme, oni efektno ubijaju jednocelijske oblike,
ukljucujuci ·bakterije. Otuda se Uv zracenje
moze koristiti u hirurskim blokovima i laboratorijama radi sterilizacije radne sredine.
Hemijski
mutageni
obuhvataju sirok
spektar organskih i neorganskih materija.
Opravdano se smatra da su upravo hemijski
agensi odgovorni za vecinu indukovanih mutacija. Za razliku od zracenja, broj i raznovrsnost hemijskih agensa neprekidno se povecava, najvise zbog intenzivnog razvoja organske hemije i pratecih industrija. Mada su
Mtiller-ovi eksperimenti stvorili bazu za istrazivanje mutacija, usled mnogobrojnih primarnih i sekundarnih efekata radijacije, studiranje radijacijom indukovanih mutacija nije
pruzilio do-voljno inforrnacija 0 molekular-
/UVSV9tIO~
/ g gff
'"
_;rH',
-.
"
secor
O~'
<'f'~
-N,t_
fosfat
."
/'
.
~~?"
=0
c !3
.q~.
-~.-
H
~ =<>
;r
CH3
O~..H
"
..n-'(
.sec8r-· "N9'2_~·'l9~~·
./
faSia
~t·
~~'C
..
. OH.: fI~
.''0,\
sate,-~c,-
H
~-Oil
/.(
~~
Slika 9.5 - Formiranje ciklobutanskog dimera i 6-4 fotoprodukta pod dejstvom IN zracenja,
I
I.
I
I
I
I
I
nim detaljima mutacionili procesa. Tek sa otkricem hemijskih mutagena otvoreno je siroko polje, ne sarno detekcije, nego iproucavanja mehanizama u osnovi nastanka mutacija.
tetrahlorid, formaldehid, akrolein, neki ketoni) ili kompleksniju strukturu (alkaloidi, alkilirajuci ~gensi, analozi azotnih baza, aflatoksin, akridin oranz, bleornicin).
Prvi hemijski mutagen (sumpomi mustard gasj.otkrila je Auerbach sa saradnicirna
tokom drugog svetskog rata. Ova supstanaca
svrstava se u tzv. alkilirajuce agense koji prenose alkil grupe (-CH3, -CH3CH2 isl.) na baze u sastavu DNK. Tako je poceo buran razvoj istrazivanja hemijske mutageneze. Do danas je opisano na hiljade mutagenih supstanci, uglavnom organskih, mada postoje ineorganske. Medu neorganskim agensima pokazalo se da mutagene osobine imaju soli nekih
metala (Be, Co, Cd, Ni, Pb), ziva, azbest, azotasta kiselina, nitriti, nitrati, anjoni fluora itd.
Organske supstance mogu imati veoma jednostavnu hemijsku gradu (hloroform, ugljen-
Uprkos sarolikosti grade hemijskih mutagena, moguce je izdvojiti nekoliko najooscih
mehanizama mutageneze izazvane hemijskim agensima:
guanin
EMS
---_)0
NH20H
citozin ---=-_)0
- alkilacija podrazumeva dodavanje alkil-grupa na osetljiva mesta u azotniin bazama DNK. Primer alkilirajucih agensa su: metil-metansulfonat (MMS), etil-rnetansulfonat
(EMS), nitrozoguanidin (NTG). Hemijska reaktivnost ovih agensa ogleda se u transferu
njihovih alkil grupa na DNK:
- hidroksilacija je dodavanje atoma kiseonika uz nastanak hidroksilne grupe:
- deaminacija
se odnosi na uklanjanje
amino grupa, preciznije, njihovu zamenu ke-
7-etil guanin (verovatno se sparuje sa timinom)
hidroksilaminocitiozin (sparuje se sa adeninom)
t100
to-grupama. Tipican predstavnik je azotasta
kiselina koja moze transforrnisati aden in u
hipoksantin, citozin u uracil, guanin u ksantin.
- interkalacija zapravo nije kovalentna
modifikacija, nego ubacivanje hidrofobnih
agensa (akridinske boje, npr. pro flavin) medu
naslojene baze u D:NK heliksu pri ~emu molekul DNK postaje rigidniji, promeni mu se
konformacija i pri replikaciji nastaju male
adicije ill delecije ..
- ugradivanjebaznib analoga dovodi do
point-mutacija. Bazni analozi imaju gotovo
identicnu strukturu kao baze u DNK, all pogresan afinitet sparivanja. Primeri su 2-aminopurin i 5-bromouracil (sparuje se, uglavnom, sa adeninom). Na poziciji 5 u pirimidinskorn prstenu nalazi se atom broma umesto
metil-grupe. Brom menja elektronsku distribuciju i favorizuje tautomernu promenu do
keto oblika. U stabilnijem, keto-obliku, 5~BU
se sparuje sa adeninom.
Svi do sada pomenuti mehanizmi podrazumevaju direktno dejstvo na molekule DNK.
Medutim, ima hemijskih mutagena koji svoje
.efekte ne ostvaruju neposrednom interakci[om sa osetljivim mestima na DNK, nego remete normalnu replikaciju (npr. usled ometanja normalnog funkcionisanja enzima replikacije), dovode do modulacije sinteze prekursora DNK, ili narusavaju procese reparacije
DNK.
Osim toga, neki hernijski agensi ne ispoljavaju svoje efekte dok ne dozive hemijsku
modifikaciju u samom organizmu. Nairne, tokom evolucije steceni su mehanizmi detoksifikacije (najcesce ujetri) nepozeljnih ili otrovnih supstanci (npr. alkaloida, alkohola) norrnalno prisutnih u hrani. Utvrdeno je medutim, da citav niz agensa uopste ne deluju kao
mutageni u kulturi celija (in vitro), ali su veoma potentni mutageni u organizmu zivotinja
Hicoveka (promutageni). Dobro poznat primer je arornaticni po liciklicn i ugljovodonik
benzpiren. Pod dejstvom aril hidrok silaza
prevodi se do visoko reaktivnog epo ksida
Srecorn, postoje hid raze koje magu da r azlo,
ze epoksid do dihidrodiola, oblika koji se izlucuje urinom. Konkretan genotoksicni efekat
benzpirena zavisice, kako od aktivnos ti aril
hidroksilaza, tako i od stepena dejstva hidraza.
Sasvim je shvatljivo da efekti hernijskih
mutagena zavise od brojnih cinilaca: metabo.
lizma samih mutagena ili metabolickih okolnosti (najcesce nepovoljan irnbalans enzima)
koje favorizuju njihova dejstvo, tipa ce lije ill
tkiva u datom organizmu, raznih oblika prepreka (bioloske membrane, celuloza u diges- \
tivnom traktu koja vrsi adsorpciju stetnih·
agensa), geneticke predispozicije, hronicne ill
akutne izlozenosti, minimalne doze koja ce
dovesti do efekta (prag doze), medusobne interakcije .sa .drugim mutagenima Hi rnedikamentima itd. 0 nekim aspektima hemijske
mutageneze bice vise reci u poglavlju "Genetika kancera" (str. 201).
Stopa mutacija
Na osnovu do sada izlozenog, jasno je da
se u zivotnoj sredini nalazi veliki broj agensa
sa genotoksicnim dejstvima. Bioloski sistemi
su tokom evolucije uspeli da izgrade kompleks fiziolosko-biohernijskih adaptacija za
eliminaciju agensa sa potencijalno stetnim genetickim efektirna. Izvestan nivo mutageneze, moze se cak smatrati povoljnim po evoluciju bioloskih entiteta, posmatrano na "duge
staze". Medutirn, mada su mutacije neophodne da bi se obezbedio neohodan nivo geneticke varijabilnosti potreban za prilagodavanje promenama u sredini, vecina mutacija
dovodi do stetnih efekata. Previse mutacija
dovelo bi do povecanja genetickih opterecenja, a kada nivo genetickih opterecenja postane dovoljno visok, vrsta se suocava sa svojim
nestajanjem.
GENSKE MDTAClJE
Supstitucije
Supstitucija je zamena jednog nukleotida drugim, sto predstavlja najcesci tip mutacije.
Ako supstitucija ukljucuje zamenu istog tipa nukleotida - pirimidin pirimidinom Ie sa T
ili obrnutol ili purin purinom fA sa G ili obrnutol, proces se naziva tranzicija. Supstitucija
pirimidina purinom ili obrnuto oznacena je kao transverzija.
Delecije
Pojam delecija se odnosi na gubitak jednog ili vise nukleotida. Ako se delecija dogodi u
kodirajucoj sekvenci i ako je zahvacen niz nukleotida koji nije deljiv sa tri, okvir citanja
ce biti narusen. Vece delecije mogu rezultirati u delimicnoj ili kompletnoj deleciji gena i
mogu se javiti tokom nejednakog krosing-overa izmedu ponovljenih sekvenci
Insercije
Insercija se oeinosi na dodavanje jednog ili vise nukleotida u gen. I u ovom slucaju ako
do insercije dode u kcdirajucoj sekvenci i ako su ukljuceni jedan; dva ili vise nukleotida
koji nisu deljivi sa tri, okvir citanja ce biti pomeren. Velike insercije mogu nastati i kao
rezultat nejeeinakog krosing-overa ili kao posledica insercije transpozona.
Kao jedan od mehanizama nastanka mutacija, koji je otkriven 1991, smatra se i
povecanje broja ponovaka trinukleotida. Ova pojava se opisuje kao dinamcka mutacija
jer ponovljene sekvence postaju sve nestabilnije kako imse velicinapovecava. Za sada
nije jasan mehanizam amplifikacije tj. ekspanzije trinukleotidnih ponovaka,
Trinukleotidni ponovci ispod odredene duzineprenose se kao stabilni i nepromenjeni
tokom rnitoze i mejoze. Iznad odredenog kriticnog broja oni se najcesce prenose kao
nestabilni, pri cemu dolazi do povecanja rili smanjenja broja ponovaka. Granicne
vrednosti izmedu nonnalnog stanja i patoloske ekspanzije su specificne za pojedine
poremecaje. Postoji vise objasnjenja kako dolazi do povecanja broja trinukleotidnih
ponovaka. Jedno od njih je nejednaki krosing-over ili nejednaka razmena nereplikovane
DNK izmedu sestrinskih hromatida. Uzrok moze biti i u pogresnom sparivanju lanaca
usled njihovog proklizavanja ili zbog proklizavanja polimeraze prilikom replikacije
~.
-
Ekspanzija tripleta nukleotida obicno se prenosi kroz brojne generacije u okviru
porodice. To objasnjava neke neuobicejene pojave u nacinu nasledivanja, a takode
predstavlja osnovu za tumacenje ranije nejasnog fenomena anticipacije.
Tacan mehanizarn kojim ekspanzija trinukleotidnih ponovaka izaziva bolesti nije
poznata. Nestabilni trinukleotidni ponovci mogu se javiti u okviru kodirajucih ili
nekodirajucih regiona gena i od toga zavisi njihov patogeni mehanizam. U fragilnom X
ekspanzija ponovka na 5' netranslacionom regionu IUTRI rezultuje metilacijom
promotorskih sekvenci i gubitkom ekspresije gena i produkcije FMRI proteina
EFEKTI MUTACIJA
NA STRUKTURU
PROTEINA
Mutacije se mogu podeIiti na dye gIavne grupe prema efektu koji imaju na poIipeptidne
sekvence kodiranih proteina, u zavisnosti od toga da Ii su sinonimne iIi nesinonirnne.
Sinonimne Hi tihe mutacije
Ako mutacija ne promeni polipeptidni produkt gena, naziva sinonimna ili tiha mutacija.
Supstitucijom jednog baznog para, narocito ako se to desava na trecoj pozieiji kodona,
zbog degeneracije genetickog koda, cesto ce nastati drugi triplet koji kodira istu aminokiselinu i ne menja osobine dobijenog proteina.
Nesinonimne mutacije
Ako mutacija dovodi do promene u polipeptidu, ona je oznacena kao nesinonima
mutacija. Zapazeno je da se nesinonimne mutaeije javljaju rede nego sinonimne. Dok su
sinonimne mutacije selektivno neutralne, sa druge strane promene amino-kiselinske
sekvence proteinskih produkata gena dovode do poremecaja funkeije, koja je obicno
povezana sa bolescu ili letalnim ishodom, pa ih selekcija prepoznaje kao stetne.
Nesinonimne mutacije se javljaju na tri razlicita nacina.
M utacije promenjenog smisla (Missense)
Supstitucija jednog baznog para moze dovesti do ugradivanja druge amino-kiseline i
sintezepromenjenog proteina, sto se naziva mutacija promenjenog smisla. Ako mutacija
izazove kodiranje amino-kiseline koja se hemijski razlikuje, na primer ima suprotno
naelektrisanje, struktura proteina ce biti promenjena. To je nekonzervativna supstitucija
koja moze dovesti do veIikog smanjenja iIi cak kompletnog gubitka bioloske aktivnosti
proteina. Mutacija jednog baznog para
dovesti pre do kvalitativnih nego do
kvantitativnih promena u funkeiji proteina, tako da on zadrzava svoju normalnu biolosku
aktivnost /npr. enzimska aktivnost/, ali se tako sintetisani protein razlikuje po
karakteristikama kao sto je mobilnost prilikom elektroforeze, pH optimum, ili njegova
stabilnost - rapada se brze u uslovima in vivo. Mnogi abnormalni hemoglobini nastaju
kao rezultat mutacjia promenjenog smisla.
Neke supstitueije jednog baznog para rezultiraju zamenom druge ali hemijski
slicne amino-kiseline, pa cesto nemaju fukeionalni efekat sto se naziva konzervativna
supstitucij a.
maze
Besmislene mutacije (Nonsense)
Supstitucija koja dovodi do nastankajednog od stop kodona izaziva prevremen zavrsetak
translacije peptidnog lanea, sto se oznacava kao besmislena mutacija. U najvecem broju
slucajeva, skracivanje lanca ce dovesti do gubljenja normalne bioloske aktivnosti,
pogotovo ako se pojavom prevremenog kodona terminacije izgubi vazan funkcionalni
domen proteina. iRNK transkripti koji sadrze prevremene stop kodone cesto bivaju
degradirani u procesu koji se zove degradacija izazvana besmislenim kodonima. Smatra
se da je ovaj nacin kontrole RNK nastao da bi se organizam zastitio od ostecenih proteina
koji mogu da ometaju normalnu funkciju.
Mutacije koje pomeraju okvir citanja iFrameshift)
Ako prilikom mutacije dode do insercije ili delecije nukleotida ciji broj nije deljiv sa tri,
okvir eitanja ce biti pomeren (tj. poremecen) i doci ce do mutacije koja pomera okvir
citanja. Usled mutacija u kojima se okvir citanja pomera, dolazi do promene u genetickoj
informaciji to jest amino-kiselinska sekvenca proteina koja je nastala posle mutacije se
znatno razlikuje od normalne, sto rnoze imati nepovoljne efekte na funkciju proteina.
Vecina ovih mutacija rezultuje stvaranjem prevremenog stop kodona nizvodno od mesta
mutacije. Ovo moze dovesti do ekspresije ostecenih proteina ukoliko iRNK nije
prethodno podlegla degradiraciji izazvanoj besmislenimlkodonima.
MUTACIJE U NEKODlRAJUCOJ DNK
Uopsteno, mutacije u nekodirajucoj DNK imaju manje sanse da izazovu fenotipski
efekat. Izuzeci obuhvataju mutacije u promotorskim sekvencarna ili drugim regulatomim
regionima koji uticu na nivo ekspresije gena. Sa novim saznanjima 0 ulozi malih RNK u
regulaciji ' ekspresije gena, postalo je ocigledno da mutacije na mestima vezivanja
miRNK ili siRNK au okviru UTRs takode dovode do bolesti.
Mutacije spJajsovanja
Mutacije na dobro ocuvanim donorskim IGTI ili akceptorskim IAG/ mestima splajsovanja
obicno rezultiraju poremecenim splajsovanjem. Ovo moze dovesti do gubljenja
kodirajuce sekvence Ipreskakanje egzona/ ili zadrzavanja sekvence introna a posledica su
mutacije koje pomeraju okvir citanja.
FUNKCIONALNI EFEKTI MUTACIJA NAPROTEINE
Mutacije pokazuju svoj fenotipski efekat na jedan od dva nacina, ili efektom gubljenja
funkcije Hi efektom sticanja funkcije.
Mutacije koje dovode do gubitka funkcije
Mutacije kaje davade do gubljenja funkcije mogu izazvati smanjenu aktivnost ili
kompletan gubitak funkcije genskog produkta. Smanjena aktivnost moze biti rezultat
umanjene aktivnosti ili smanjene stabilnosti genskog proizvoda. Kompletan gubitak
genskog produkta nazvan je nulti aiel ili amort Mutacije koje dovode do gubljenja
funkcije u heterozigotnom stanju, u najgorem slucaju, mogu biti posledica proizvodnje
upola manje kolicine proteina od normalne. Mutacije koje dovode do gubljenja funkcije
enzima obicno se nasleduju na autozomalno recesivan ili X-vezano recesivan nacin.T'ri
tom je kataliticka aktivnost produkta koji proizvodi normalni aIel najcesce vise nego
dovoljna da omoguci reakcije u vecini metabolickih puteva.
Haplo-insuficijencija
Mutacije gubitka funkcije u heterozigotnom stanju, kod kojih polovina normalne
kolicine genskog produkta rezultuje fenotipskim efektima, zovu se haplo- insuficijentne
mutacije. Fenotipske manifestacije koje zavise od doze gena rezultat su mutacija u
genima za receptore, ili znatno rede za enzime cije su funkcije ogranicene. Primer je
familijarna hiperholesterolemija.
Mutacije koje dovode do sticanja funkcije
Mutacije koje dovode do sticanja funkcije, kao sto same ime kaze, dovode ili do
povecanja
genske ekspresije ili do razvoja nove funkcije Inovih funkcija/ genskog
proizvoda. Povecanje nivoa ekspresije zbog aktivacije tackastih mutacija ili povecanja
. doze gena odgovorno je za nastanak jednog tipa Charcot-Marie-Tooth-ove bolesti,
nasledne motorne ili senzome neuropatije tip 1. Mutacije tipa povecanja broja
trinukleotidnih ponovka u genu za Huntington-ovu bolest izazivaju kvalitativne promene
kodiranog proteina, sto dovodi do njegove agregacije u central nom nervnom sistemu i do
klasicnih klinickih karakteristika ovog poremecaja.
Mutacije koje menjaju vreme ili tkivnu specificnost ekspresije gena mogu se takode
smatrati mutacijama koje dovode do sticanja funkcije. Primerje preraspodela hromozoma
koja rezultira kombinovanjem sekvenci dva razlicita gena koja se moze videti u nekim
tumorima. Nova funkcija novonastalog himemog gena izaziva neoplasticni proces.
Mutacije koje dovode do sticanja funkcije nasleduju se dominantno. Retko se mogu
javiti kod homozigota, kada su obicnopovezane sa ozbiljnim fenotipskim efektom, kao
prenatalna smrt, na primer kod homozigitne ahondroplazije.
Dominantno negativne mutacije
Dominantno negativne mutacije su mutacije koje u heterozigotnom stanju dovode do
gubitka proteinske aktivnosti ili funkcije zato sto mutirani genski produkt ometa funkciju
nonnalnog genskog proizvoda drugog alela. Dominantno negativne mutacije su posebno
ceste kod proteina koji funkcionisu kao dirneri ili multimeri, kao sto su strulcturni
proteini.npr. kolageni.
Download

06 Mutacije - WordPress.com