Mutacje genowe i aberracje chromosomowe

Mutacje to trwałe zmiany w materiale genetycznym. Mogą dotyczyć sekwencji DNA w obrębie pojedynczego genu albo większych fragmentów materiału genetycznego. W biologii człowieka rozróżnia się przede wszystkim mutacje genowe oraz aberracje chromosomowe. To ważny podział, bo od zakresu zmiany często zależą jej skutki dla organizmu.

Mutacja genowa obejmuje zwykle niewielki odcinek DNA, czyli pojedynczy gen. Z kolei aberracja chromosomowa dotyczy liczby chromosomów albo ich struktury, a więc obejmuje większą część materiału genetycznego. Dlatego aberracje chromosomowe często wywołują rozleglejsze zaburzenia niż punktowe zmiany w genie.

Skutki zmian genetycznych nie są jednak zawsze takie same. Mogą być obojętne, szkodliwe, a rzadziej także korzystne. To, jaki będzie efekt, zależy między innymi od tego, gdzie zaszła zmiana oraz jakiego genu lub chromosomu dotyczy.

Wśród mutacji genowych najczęściej omawia się substytucję, insercję i delecję. Substytucja polega na zastąpieniu jednego nukleotydu innym. Taka zmiana może czasem nie wywołać zauważalnego skutku, ale może też zmienić skład powstającego białka albo doprowadzić do przedwczesnego zakończenia jego syntezy.

Insercja to wstawienie jednego lub kilku nukleotydów do sekwencji DNA, a delecja oznacza ich utratę. Obie te mutacje są szczególnie niebezpieczne wtedy, gdy liczba dodanych lub usuniętych nukleotydów nie jest wielokrotnością trzech. Wówczas dochodzi do przesunięcia ramki odczytu, czyli zmiany sposobu odczytywania kolejnych tripletów podczas syntezy białka.

Zmiana w genie może spowodować, że białko będzie miało zmienioną budowę i nie będzie działało prawidłowo. Właśnie dlatego mutacje genowe mogą prowadzić do chorób dziedzicznych, choć nie każda taka zmiana musi od razu dawać widoczne objawy.

Mutacje mogą powstawać samorzutnie, na przykład podczas replikacji DNA, gdy dojdzie do błędu kopiowania materiału genetycznego. Organizm ma mechanizmy naprawcze, ale nie zawsze są one w stanie usunąć wszystkie uszkodzenia.

Część mutacji jest wywoływana przez mutageny, czyli czynniki zwiększające częstość zmian w DNA. Wśród nich wyróżnia się mutageny fizyczne, chemiczne i biologiczne. Do fizycznych należą między innymi promieniowanie UV oraz promieniowanie rentgenowskie i gamma. Mutageny chemiczne to substancje uszkadzające DNA albo zaburzające jego prawidłową replikację. Wśród biologicznych wymienia się na przykład niektóre wirusy.

Znaczenie mutagenów jest duże nie tylko w genetyce, ale także w profilaktyce zdrowotnej. Im częściej komórki są narażone na czynniki uszkadzające DNA, tym większe ryzyko nagromadzenia zmian genetycznych.

Aberracje liczbowe polegają na nieprawidłowej liczbie chromosomów w komórce. Ich ważną przyczyną jest nondysjunkcja, czyli nierozdzielenie się chromosomów homologicznych lub chromatyd siostrzanych podczas podziału komórkowego. W wyniku tego mogą powstać komórki rozrodcze zawierające za dużo albo za mało chromosomów.

Najczęściej omawianym skutkiem takich błędów jest aneuploidia, czyli obecność nieprawidłowej liczby pojedynczych chromosomów. Do jej typów należą trisomia i monosomia. Trisomia oznacza obecność trzech kopii danego chromosomu zamiast dwóch, a monosomia — brak jednego chromosomu z pary.

Aberracje liczbowe zwykle silnie zaburzają rozwój organizmu, ponieważ zmieniają liczbę kopii wielu genów jednocześnie. To odróżnia je od mutacji genowych, które zazwyczaj obejmują tylko jeden gen lub niewielki fragment DNA.

Aberracje strukturalne wynikają z pęknięć chromosomów i ich nieprawidłowego ponownego połączenia. Obejmują one między innymi delecję chromosomową, duplikację, inwersję i translokację.

Delecja chromosomowa polega na utracie fragmentu chromosomu, a duplikacja na jego powieleniu. W pierwszym przypadku komórka traci część informacji genetycznej, w drugim ma nadmiar niektórych genów. Inwersja oznacza odwrócenie fragmentu chromosomu o 180 stopni, natomiast translokacja to przeniesienie fragmentu chromosomu na inny chromosom lub w inne miejsce tego samego chromosomu.

Skutki takich zmian zależą od wielkości przemieszczonego lub utraconego fragmentu oraz od tego, jakie geny się w nim znajdują. Im więcej genów obejmuje zmiana, tym większe prawdopodobieństwo zaburzeń w funkcjonowaniu organizmu.

Mutacje i aberracje mogą prowadzić do chorób genetycznych. Przykładem choroby związanej z mutacją genu jest mukowiscydoza. Z kolei hemofilia i daltonizm są przykładami chorób wynikających z mutacji genów sprzężonych z płcią. W takich przypadkach zmiana dotyczy konkretnego genu, a nie całego chromosomu.

Klasycznym przykładem aberracji liczbowej jest zespół Downa, najczęściej związany z trisomią 21. Oznacza to obecność dodatkowego chromosomu 21 w komórkach organizmu. Tego typu zmiana obejmuje wiele genów jednocześnie, dlatego skutki są rozległe i dotyczą rozwoju całego organizmu.

W praktyce szkolnej bardzo ważne jest odróżnianie: czy dana choroba wynika z mutacji pojedynczego genu, czy z zaburzenia liczby albo struktury chromosomów. To jeden z najczęstszych typów zadań maturalnych.

Mutacje mają znaczenie nie tylko w dziedziczeniu cech, lecz także w powstawaniu nowotworów. Jeśli zmiany obejmą geny kontrolujące cykl komórkowy, naprawę DNA lub proces obumierania komórek, może dojść do transformacji nowotworowej. Oznacza to przekształcenie prawidłowej komórki w komórkę nowotworową.

W zadaniach egzaminacyjnych często trzeba:

• rozpoznać, czy opis dotyczy mutacji genowej czy aberracji chromosomowej
• przyporządkować zmianę do typu: substytucja, insercja, delecja, trisomia, translokacja
• wskazać skutek nondysjunkcji
• podać przykład choroby wynikającej z mutacji genu albo z aberracji chromosomowej

Warto zwracać uwagę na sformułowania w poleceniu. Jeśli pojawia się informacja o zmianie jednego nukleotydu lub genu, chodzi zwykle o mutację genową. Jeżeli mowa o dodatkowym chromosomie, jego braku albo przemieszczeniu dużego fragmentu DNA, dotyczy to aberracji chromosomowej.