Mutácie

Mutácie
 
ÚVOD
Témou našej práce sú mutácie. Túto tému sme si vybrali preto, lebo nás zaujíma biológia a obe ju chceme ďalej študovať. Chceme sa venovať medicíne, a preto si myslíme, že nám tento projekt pomôže viac sa oboznámiť s touto problematikou a rozšírime si naše vedomosti. Rozhodli sme sa v tomto projekte vysvetliť pojem mutácie, rozdiely medzi rôznymi typmi mutácii a stručne ich charakterizovať a zároveň opísať choroby, ktoré vznikajú práve dôsledkom mutácii. Téma nás zaujala aj preto, lebo v súčasnosti poznáme veľa chorôb spôsobených práve mutovaním génov. Zaujíma nás prečo tieto choroby vlastne vznikajú, čím sú spôsobené, ako sa prejavujú a ako resp. čím by sa dalo týmto chorobám predchádzať. Pri práci sme využili rôzne zdroje ako internet, knihy a zároveň sme danú tému konzultovali aj so študentkou tretieho ročníka na fakulte medicíny. Aj v našom okolí sa nachádza veľké množstvo ľudí, postihnutých práve genetickými poruchami alebo chorobami. Zaujímalo nás v čom presne sú od zdravých ľudí odlišní. Či je to len výzor alebo aj vlastnosti, prípadne mentálne schopnosti a zručnosti. Mnohokrát sa totiž stretávame s rôznymi predsudkami, opovrhovaním a podceňovaním postihnutých ľudí, preto sme sa pokúsili zistiť, či sú tieto predsudky oprávnené, alebo len ľudia sú nedostatočne informovaní a vzdelaní.

VŠEOBECNÁ CHARAKTERISTIKA:
 
Mutácie
Mutácie predstavujú zmeny genetickej informácie, Vždy súvisia so zmenou genotypu. Organizmus si mutácie nevyberá vznikajú náhodne. Mutácie spôsobujú neschopnosť produkovať si látky nevyhnutné pre rast a vývoj (auxotrofné). Ak vzniknú mutácie počas tvroby pohlavný buniek, sú schopné sa preniesť do nasledujúcej generácie. Ak vzniknú v hociktorej inej bunke tela, väčšinou sú dôsledkom poškodenia, ktoré bunku odsúdi na zánik. Len výnimočne takéto zmutované bunky prežijú a môžu predstavovať nebezpečenstvo pre celý organizmus v podobe vzniku rakoviny. Mutácie sú napriek tomu mimoriadne dôležité, pretože sú zdrojom variability medzi organizmami. Mutácie preto chápeme ako významný biologický proces, je základom vzniku nových druhov v prírode. Mutácie prebiehajúce za život organizmu sú do veľkej miery eliminované pôsobením enzýmov, ktoré sú na to určené. Z týchto enzýmov by hromadenie mutácii mohlo spôsobiť smrť organizmu v pomerne skorom čase. Napriek tomu niektoré mutácie môžu byť prehliadnuté a prechádzať do ďalších generácií prostredníctvom mutovaných pohlavných buniek. Látka, ktorá vyvoláva mutáciu je mutagén. Frekvenciu vzniku mutácií môžu podstatne zvyšovať  práve mutagény. Proces vzniku mutácie nazývame mutagenéza. Mutácie vznikajú kontinuálne počas celého života, ale viac ako 95% mutácii je opravených reparačnými enzýmami- ich nefunkčnosť súvisí so vznikom nádorov. Nádorové bunky sú citlivejšie na pôsobenie mutagénov a častejšie sa u nich vyskytujú neopravené chyby v replikácii DNA, pretože majú sparvidla nefunkčný reparačný systém, príp. urýchlený bunkový cyklus, ktorý posúva bunky do delenia aj  s poškodenou DNA. Treba však dodať, že vznik nádorovej bunky prebieha vo viacerých krokoch, počas ktorých musí dôjsť k mutáciám rôznych špecifických génov.  Pokles aktivity reparačných enzýmov  vedie k vážnym dôsledkom. V tomto ohľade sú známe viaceré genetické ochorenia ( napr. xeroderma pigmentosum- precitlivelosť na slnečné žiarenie). Reparačný mechanizmus prebieha už v priebehu samotnej syntézy DNA, pretože počas replikácie je DNA najzraniteľnejšia. Enzým DNA-polymeráza zaraďuje približne 1 nesprávny nukleotid na 10-tisíc nukleotidov. Ostatné reparačné mechanizmy sú zacielné na rozpoznávanie chybného párovania a výmenu samotného nukleotidu z dvojvláknovej DNA , ktorá je už replikovaná alebo pozmenená chemickým mutágenom. Rozsiahle poškodenia DNA zväčša bunka rieši radšej “doborvoľnou! Smrťou, apoptózou, než by mala plytvať čas a prostriedky na opravu množstva mutácii alebo riskovať pretvorenie (transformáciu) bunky na nádorovú.
 
Rozdelenie mutácii:
· Podľa stupňa fenotypového prejavu rozoznávame:
1. dominantné mutácie - mutovaná alela je nadradená nad normálnu alelu
2. recesívne mutácie - mutovaná alela sa prejaví len v homozygotne recesívnom stave
 (väčšina mutácií)
· Podľa zlučiteľnosti so životom poznáme:
1.  letálne mutácie – nositeľ mutácie zahynie; genotyp mu neumožní prežitie
2.  subletálne mutácie – nositeľ mutácie zahynie, ak na neho pôsobí ešte nejaký faktor prostredia
3.  vitálne mutácie – neovplyvňujú prežívanie jedinca; poznáme nevýhodné, neutrálne a výhodné (sú súčasťou fylogenézy – jej základom) vitálne mutácie
·  Podĺa typu buniek, ktoré postihujú:
1.  gametické mutácie- postihujú genetický materiál pohlavných buniek ;sú dedeičné a prenášajú sa do ďalších generácií
2.  somatické mutácie- postihujú somatické / telové bunky a neprenášajú sa do ďalších generácií
·  Podľa vzniku
1.  spontálne mutácie- sú náhodným javom, dejú sa bez známej príčiny
2.  indukované mutácie- sú cieľavedomé vyvolané mutácie v laboratórnych podmienkach, majú známu príčinu vyvolanie
 
·  Poda rozsahu genetickej informácie:
1.  génové mutácie- postihujú nukleotidovú sekvenciu obmedzenú na jeden gén
2.  chromozómové mutácie – postihujú DNA na úrovni chromozómov a ich častí
3.  genómové mutácie- mutácie vedúce k zmene počtu chromozómov a celých chromozómových súborov
 
-  Podľa lokalizácie mutácie:
1.  jadrové mutácie- vznikajú v DNA nachádzajú sa v bunkovom jadre
2.  mimojadrové mutácie- vznikajú v DNA, ktorá je prítomná v mitochondriách , prípadne v chloroplastoch .
-  Podľa smeru mutovanie:
1.  priame mutácie- keď z normálnej alely vzniká mutovaná alela
2.  spätné mutácie- keď sa mutovaný genotyp spätne zmení na pôvodný
 
Spontánne mutácie:
Spontánne mutácie vznikajú pôsobením prostredia. Vznikajú chybami pri replikácii, translácii, postranskripčných modifikáciách.
Rizikové faktory:
- zvyšujúci sa s vysokým vekom rodičov pri počatí (koncepcii)
príklady:
vysoký vek matky → väčšia pravdepodobnosť Dawnov syndrome
vysoký vek otca → Hemofília
→ Marfanov syndróm
Indukované mutácie:
I.  FYZIKÁLNE MUTÁCIE:
• Ionizujúce žiarenie- RTG-lúče,kozmické žiarenie, 1/3 žiarenia- umelé; čím jebunka staršia a diferencovanejšia, tým je citlivejšia na ionizačné žiarenie; spôsobujú hlavne chromozomálne mutácie; vysoké dávky ionizujúceho žiarenia bunky zabíjajú, takže ho možno využiťpri terapii niektorých nádorov.
• Neionizujúce žiarenie- ultrafialové žiarenie- má nižšiu energiu, nepostačuje na tvorbu iónov. Vedie k formovaniu neštandardných väzieb medzi dusíkatými bázami- známe sú tymínové diméry, ktoré sú prekážkou pri prepise genetickej informácie. UV žiarenie nepreniká do hlbších časstí tela, preto poškodzuje prevažne genetický materiál buniek kože
 
• II. CHEMICKÉ MUTÁCIE:
-  chemické mutagény = GENOTOXÍNY
-  priamo menia štruktúru genetickej informácie tie to činidlá: alkilačné č., oxidačné č., desaminujúce č., interkalačné č.,  ďaľej sem patria aromatické nitrozlúčeniny, aromatické amíny, hydrazin, uretán, azofarbivá, tie to sa vkladajú medzi dusíkaté bázy.
-  Nepriame  ovplivňujú replikáciu DNA, tým menia štruktúru genetickej informácie sem patria tieto látky: Mn a Ni, aklinomycín, mitimycín, polycyklické aromatické uhľovodíky, mykotoxíny, nitrosamíny
III.BIOLOGICKÉ MUTÁCIE:
-  vírusy,  zväčša tie, ktoré prekonáme v detskom veku
-  patria sem :OSÍPKY, RUBEOLA, VARICELA(detské kiahne),HERPES, HEPATITÍDA, CYTOMEGALOVÍRUS
 
Génové mutácie
Génové mutácie sú najčastejšie vyskytujúce sa mutácie. Sú to malé zmeny genetickej informácie, ktoré postihujú malý počet nukleotidov, väčšinou len jeden. Preto sa nazývajú aj bodové mutácie.
Podľa spôsobu vzniku delíme  génové mutácie:
·  vzniknuté substitúcoiu- zámenou nukleotidu za iný , ktoré sa klasifikujú nasledovne:
o tranzíciou: zámena purínu za purín alebo pyrimidínu za pyrimidín ( napr. cytozín za tymín)
o transverziou: zámena purínu za pyrimidín alebo opačne (napr. cytozín za guanín)
o transpozícia: zámena poradia dusíkatých báz v 1 vlákne
o inverzia: výmena dusíkatých báz medzi dvoma vláknami
·  vzniknuté inzerciou (adíciou)- vloženie jedného alebo viacerých nukleotidov, predĺženie reťazca
·  vzniknuté deléciou- strata jedného alebo viacerých nukleotidov
Génové mutácie môžu spôsobovať vonkajšie faktory (chemické mutagény- analogy báz a chemomutagény modifikujúce bázy zapríčiňujú substitúcie, interkalačné činidlá zapríčiňujú inzercie a delécie) a vnútorné faktory (produkty bunkového metabolizmu, chyby pri replikácii, rekombinácii a reparácii DNA).
Niektoré mutácie sú termolabilné. Takéto mutácie, ktoré zmenia gén vytvárajú protein a ten sa prejaví len pri optimálnej- permisívnej teplote. Pri reštrikčnej teplote (vyššia alebo nižšia teplota ako permisívna) dochádza k zabráneniu aktivácii bielkoviny a tak sa mutácia neprejaví.
 
Reverzia mutácie
Je to vlastne mutácia mutácie. Naríklad najskôr inzercia, adícia a potom delícia. Druhá mutácia vlastne zneguje účinok tej prvej – reverz. Čím väčší úsek DNA je poškodený, tým je menšia pravdepodobnosť reverzie. Mechanizmus a silu pôsobenia mutácii môžeme odhadnúť pomocou AMNESOVEJ METÓDY ( základom sú baktérie salmonela typhimurium (auxotrofné mutanty), ktoré v dôsledku mutácie stratili schopnosť vytvárať esen. histidín a ak nie je dodaný tak sa nedelia, nerastú. Do blízkosti baktérie vložíme sledovanú látku X, ak je mutagén, tak sa v rámci salmonely nastáva reverzia t.j. prudký rast a delenie. Ako látku X môžeme použiť aj tekutý biologický material (krv, moč, …)

Chromozómové mutácie
Chromozómové mutácie sú rozsahom väčšie mutácie ako génové mutácie. V tomto prípade dochádza k zmenám v tvare a štruktúre chromozómov. Na ich vyšetrenie nie je nutné použiť molekulárne metódy, ale vystačíme si aj s cytogenetickými metódami, ktoré využívajú hlavne mikroskopickú analýzu karyotypu (karyotyp= informácia o tvare, veľkosti a počte chromozómov). Zisťuje sa v metafáze mitózy (alebo meiózy), kedy sú chromozómy najviac špiralizované (najlepšie viditeľné). Aby mohla vzniknúť chromozómová aberácia musí dôjsť k jednému alebo viacerým zlomom v chromozómoch. Zlomy vznikajú hlavne pôsobením silných fyzikálnych a chemických mutagénov, ktoré sú schopné prerušiť kovalentné väzby medzi dvoma nukleotidmi na jednom reťazci DNA. Dôsledkom zlomu môžu byť: chybné spojenie alebo strata časti chromozómu. Chromozómové aberácie sú mutácie, ktoré vo väčšine prípadov vedú k výyraznej zmene fenotypu, a to prevažne patologickej povahy. Závažnosť dedičných chorôb v súvislosti s chromozómovými aberáciami závisí od umiestnenia, charakteru a rozsahu mutácie. Výrazne zmenený karyotyp je typický pre  mnohé nádorové bunky, u ktorých sú aberácie dôsledkom nestability genetického materiálu.

Poznáme niekoľko typov  chromzómových aberácii:
- DEFICIENCIA- predtsavuje stratu koncového úseku chromozómu, podmienenú jedným zlomom. Po strate majú teloméry tzv. lepivé konce, ktoré nie sú chránené pred degradačnými enzýmami, prípadne môžu narúšať štruktúru iných chromozómov  a asociovať s nimi.
- DELÉCIA- strata vnútorného úseku chromozómu, ktorá je podmienená dvoma zlomami. Nevznikajú lepivé konce. V tomto prídae sa zmenšuje množstvo DNA. V genetike poukazuje deláciu neočakávaný výskyt recesívneho fenotypu u potomkov, v prípade ak dôjde k delácii dominantnej alely. Takýto prípad nazývame pseudodominancia.
- DUPLIKÁCIA- zdvojenie určitého úseku chromzómu, pričom jeden chromzóm sa predĺži a druhý skráti o inkriminovaný úsek DNA.
- INVERZIA- otočnie vnútorného úseku chromzómu o 180̊. Je podmienená dvoma zlomami, po ktorých sa fragment nestratí ako pri delécii, ale otočí a vsunie na to isté miesto prostredníctvom lepivých koncov. Rozlišujeme:
o paracentrickú inverziu: invertovaný úsek neobsahuje oblasť DNA, ktorá je definovaná ako centroméra; prebieha v okrajových častiach ramienok
o pericentrickú inverziu: invertovaný úsek obsahuje centroméru- môže sa meniť dĺžka ramien chromozómov
- TRANSLOKÁCA- zmena pozície fragmentu , ktorá môže byť:
o nereciproká: fragment vzbiknutý jedným alebo dvoma zlomami (vnútorný úsek)  sa presunie na nové miesto toho istého alebo iného chromozómu
o reciproká: dva homologické chromozómy si navzájom menia úseky DNA (najčastejšie sú to koncové úseky)
 
Genómové mutácie
Genómové mutácie sú rozsahom najväčšie mutácie ovplyvňujúce karyotyp jedinca zmenou počtu chromozómov alebo celého chromozómového súboru. Odchýlky od štandardného počtu chromozómov sú genómové mutácie, ktoré predstavujú polyploidiu v širšom zmysle slova. Polyploidia je tak každý počet chromozómov, ktorý je iný ako základný stav. Principiálne genómové mutácie rozlišujeme:

ANEUPLOIDIA: zmena počtu jednotlivých chromozómov, Aneuploid vzniká vtedy, keď dôjde k poruche rozchádzania chromozómov v anafáze meiotického alebo mitotického delenia. Jednej dcérskej bunke potom jeden chromozóm chýba a druhá ho má navyše. Takýto jav nerovnomernej segregácie chromzómov nazývame nondisjunkcia. Niektoré chromozómy sú teda navyše alebo chýbajú. Rozlišujeme niekoľko základných typov aneuplodie:
•  nulizómia- strata celého jedného páru homologických chromozómov
•  monozómia- strata len jedného chromzómu z jedného homologického páru
•  trizómia- jeden chromozóm v niektorom páre je navyše
•  dvojitá trizómia (tetrazómia)- trizómia zahŕňajúca dva homologické páry

EUPLOIDIA: je to stav, keď sa v bunke nachádza taký počet chromozómov, ktorý je násobkom základného stavu. To znamená, že každý chromozóm u chromozómového súboru je zmnožený, prípadne chýba. Nazýva sa pravá polyploidia. Vzniká pri delení buniek, ktoré v S-fáze zreplikujú svoju DNA, ale tieto ostanú v materskej bunka bez jej rozdelenia na dcérske bunky. Takéto „delenie“ nazývame endomitóza a môžeme ju vyvolať umelo. Najúčinnejším spôsob indukcie plyploidie je použitie kolchicínu (alkaloid z rastliny Colchiceum autumnale), ktorý deštruuje deliace vretienko a tým nedochádza k rozchodu chromozómov a rozdeleniu buniek pri delení. Nemá však mutagénny účinokna DNA. Je to jeden z najúčinnejších nástrojov genetiky.
 
Genetické choroby spôsobené mutáciami
• Génové mutácie
o  TALASÉMIA- je to dedičné krvné ochorenie, ktoré je charakterizované defektnou produkciou hemoglobínu, čo vedie k jeho nedostatočnej tvorbe a tým k anémii. Výskyt anémie je najčastejší pri pobreží Stredozemného mora, na Blízkom východe, na Slovensku je to Záhorie. V súčasnosti sa táto choroba lieči transfúziou, transplantáciou kostnej drene a skúma sa liečba genetickou terapiou, ktorá je však ešte len v štádiu výskumu.
o  ALBINIZMUS- je to dedičný stav prítomný po narodení a charakterizovaný nedostatkom pigmentu, ktorý za normálnych podmienok dáva sfarbenie pokožke vlasom a očiam. Tento stav je zároveň sprevádzaný očnými problémami a môže v neskoršom veku  viesť až k rakovine kože. Jedným z nepravdivých mýtov o albinizme je, že ľudia s týmto ochorením majú ružové alebo červené oči. V skutočnosti je ich dúhovka v odtieňoch svetlo-šedej, -modrej alebo –hnedej.
o  KOSÁČIKOVÁ ANÉMIA- červené krvinky majú kosáčikovitý tvar, obsahujú nefunkčné vlákna hemoglobínu, prúdenie krvi je blokované, tkanivá nie sú dostatočne zásobené kyslíkom. Sprevádza bolesť brucha, kĺbov. Slezina je zväčšené. Zmení sa tvar krvinky a tým je oslabená aj jej funkcia viazať kyslík.

• Chromozómové mutácie:
o CRI DU CHAT (SYNDRÓM MAČACIEHO PLAČU)- syndróm mačacieho plaču je málo sa vyskytujúce dedičné ochorenie, ktoré vzniká skrátením ramena piateho chromozómu vyštiepením jeho časti. Sleduje sa odštiepenie štruktúry chromozómu, ktorá sa potom premiestni na iný chromozóm, bez toho, aby stratila genetickú informáciu, ktorú nesie. Tento predĺžený chromozómový úsek môže potom u detí úplne chýbať, čo vedie k dedičnému ochoreniu. V tomto prípade je riziko výskytu danej choroby u ďalšieho dieťaťa v rozsahu 10 – 30 %. V súčasnosti sa predpokladá, že približne 20% postihnutých týmto syndrómom má rodičov s predĺženým chromozómom. Vo väčšine je nositeľom chybného génu mužská spermia, vek matky nehrá žiadnu rolu. U detí sa vyskytuje predovšetkým nesprávna stavba hlavy a tváre. Duševný a telesný vývin je oneskorený, retardovaný. Označenie „syndróm mačacieho plaču“ je podľa podobnosti zvuku, ktorý vydávajú kojenci, nakoľko u nich došlo k chybnému vývinu hrtana.
o KARCINÓM PRSNÍKA- je to zhubné ochorenie prsníka. Toto ochorenie je spôsobené nekontrolovaným rastom nádorových buniek, spojené s ničením okolitých tkanív, vytváraním metastáz a celkovým pôsobením na organizmus. Ak si predstavíme kríž s prsnou bradavkou ako centrum, tak môžeme vykonať priestorové rozdelenie častosti do štyroch kvadrantov. Mimoriadne často je napádaný horný vonkajší kvadrant, lebo obsahuje aj najväčšiu časť prsnej žľazy.

• Genómové mutácie:
o   DOWNOV SYNDRÓM (TRZÓMIA 21)- je vrodený defekt spôsobený spravidla prebytočným chromozómom na dvadsiatom prvom chromozómovom páre- dochádza tu k strojeniu. Navonok sa prejavuje abnormalitami v štruktúre a funkcii tela. Dieťatko sa v určitých oblastiach podobá na svojich rodičov (napr. farba vlasov, farba očí, stavba tela), ale špecifické genetické vybavenie určené strojením 21. chromozómu ho odlišuje od ostatných ľudí. Hlava je menšia, guľatá, vzhľadom na nedostatočný vývin tvárových kostí pôsobí tvárička plocho, očné viečka sú užšie a šikmé, ústočká sú malé, jazyk je pomerne veľký- občas môže vytŕčať až spoza pery (slabé svalstvo ústa  žuvacích svalov ho nedokáže plne udržať vo vnútri), ušká zvyknú byť menšie, krk je mohutný a široký, ruky a nohy (bývajú ploché) sú síce kratšie, ale sú silné. Celková stavba tela je mohutná a už deti disponujú dosť veľkou silou. Častá je vrodená chyba srdiečka (býva zväčšené), čo bývalo v minulosti príčinou predčasného úmrtia. Často sa vyskytuje aj chýbajúci alebo nedostatočne pracujúci žlčník. Vyskytujú sa aj častejšie zrakové a sluchové chyby, sťažený je aj proces učenia. Deti zvyknú pomalšie rásť, ich celkový vývin je spomalený. Výskyt Downovho syndrómu u živonarodených detí je v súčasnosti 1 : 700.(obrázok č.9-13)
o  EDWARDSOV SYNDRÓM (TRIZÓMIA 18)- je veľmi zriedkavá vo väčšine prípadov smrteľná abnormalita, ktorá sa odvádza z prebytočného množstva chromozómu 18 plodu. Z postihnutých plodov 95% uhynie v plodovom veku a štyrikrát častejšie postihuje dievčatá. Asi 95% plodov s touto poruchou zomrie už počas vnútromaternicového vývinu. Typická je mentálna retardácia a ťažké vrodené chyby srdca. Výskyt tohto syndrómu je v súčasnosti 1 : 4000 živonarodených detí. (obrázok č.14,15)
o  KLINEFELTEROV SYNDRÓM- ide o zdvojenie X chromozómu u muža. XXY takýto jedinec je sterilný, má mužský výzor, ale zženštilé správanie.  Výskyt tohto ochorenie je v súčasnosti 1 : 250. (obrázok č.16)
o  TURNEROV SYNDRÓM- chýbanie jedného z X chromozómov u žien. Takáto žena je neplodná, duševne zaostalá a väčšinou má nižší telesný vzrast. Kombinácia chromozómov je X0. (obrázok č.17,18,19)
o  XYY- supermuž, vyššej postavy, títo jedinci majú sklon k agresivite. Sú neplodní. Výskyt tohto ochorenie je v súčasnosti 1 : 400.
o  XXX- superžena, spomalený duševný vývoj, môže viesť až k slabomyseľnosti. Zvyčajne majú ženy zníženú plodnosť. Výskyt tohto ochorenie je v súčasnosti 1:700.
 
ZÁVER
V našej práci sme preštudovaním informácii z rôznych zdrojov získali veľmi veľa poučných a zaujímavých poznatkov v tejto oblasti biológie. Prišli sme na to, že príčina genetických mutácii nie je vždy tá istá. Príčin môže byť viacero a nie každá mutácia je rovnaká. Zistili sme veľa rozdielov medzi typmi mutácii. Táto téma bola pre nás veľmi zaujímavá. Sme rady, že sme si ju vybrali, pretože sme v nej našli odpovede na otázky z bežného života, ani sme netušili, že aj v našom tele prebieha množstvo mutácii, ktorá naše telo bez nášho vedomia opravuje. Uvedomili sme si, že vlastníme veľmi veľa, keď máme svoje zdravie a neprejavila sa u nás žiadna závažná mutácia. Teraz už chápeme prečo sú rodičia šťastní, keď majú zdravé deti. Chorôb číhajúcich na novorodencov je veľa, a preto si treba vážiť zdravie. Zistili sme, že aj ľudí postihnutých týmito chorobami netreba hneď odcudzovať, pretože aj keď sú síce iní, mentálne sú na tom mnohokrát lepšie ako niektorí na prvý pohľad zdraví ľudia.