Mutacje

Mutacją nazywamy trwałe uszkodzenie DNA. Jeśli mutacje dotyczą komórek germinalnych, (zarodkowych), wówczas są przenoszone do potomstwa i mogą stanowić przyczynę choroby dziedzicznej. Mutacje dotyczące komórek somatycznych odgrywają zasadniczą rolę w karcynogenezie i w powstawaniu malformacji wrodzonych.

Wyróżniamy następujące rodzaje mutacji:

Mutacje genowe

Biorąc pod uwagę znaczenie biologiczne tego rodzaju aberracji, czyli ich wpływ na fenotyp, można je podzielić na mutacje:

Ciche.  Mutację nazywamy cichą, jeśli dochodzi do niej w obrębie niekodujących lub nieregulatorowych części genu lub w przypadku niektórych mutacji punktowych – w trzeciej, najmniej „znaczącej” pozycji kodonu; ich rezultaty nie wywołują zmian fenotypowych.

Zmieniające znaczenie (sens) kodonu. To takie mutacje genów, których efektem jest zmiana aminokwasu w produkcie białkowym. Biologiczne znaczenie tych mutacji waha się od żadnego (jeśli nowy aminokwas nie zmieni funkcji białka) nawet do letalnego (jeśli nowy aminokwas całkowicie zaburzy jego funkcję).

Nonsensowne. To mutacje, w wyniku których powstają kodony „stop”, czyli sekwencje terminacyjne, prowadzące do zakończenia transkrypcji i do skrócenia mRNA, a w rezultacie produktu jego translacji – białka.

W zależności od rozległości aberracji wyróżniamy mutacje:

▪Punktowe
Charakteryzują się tym, że dotyczą zamiany jednego nukleotydu na inny i nie przesuwają trójnukleotydowej „ramki” odczytu.

uTranzycja – Polega na zamianie puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę.

uTranswersja – Polega na zamianie puryny na pirymidynę lub pirymidyny na purynę.

▪Wielonukleotydowe

Cechą szczególną tego typu mutacji jest zmiana „ramki” odczytu, jeżeli długość DNA kodującego produkt białkowy ulegnie zmianie o liczbę nukleotydów niepodzielną przez 3. Jeśli liczba nukleotydów zmieni się o wielokrotność 3, wówczas w produkcie białkowym zazwyczaj przybędzie lub ubędzie odpowiednia liczba aminokwasów, co może – ale nie musi – być przyczyną zmiany jego funkcji.[1]

bInsercja – Polega na trwałym wstawieniu do nici DNA przynajmniej jednego nukleotydu. Pewnym wariantem tego typu mutacji jest aberracja polegająca na pomnożeniu liczby naturalnie występujących w jądrowym DNA sekwencji trójnukleotydowych. Odkrycie i badania schorzeń będących rezultatem tego typu mutacji są zasługą ostatniego dziesięciolecia (więcej w podrozdziale „Zespół łamliwego chromosomu X”).

bDelecja – Polega na trwałym usunięciu z nici DNA przynajmniej jednego nukleotydu.

Aberracje chromosomalne

W prawidłowym jądrze komórkowym znajdują się dwa zestawy homologicznych chromosomów. Pojedynczy zestaw, czyli 23 chromosomy, to haploidalna liczba chromosomów, inaczej określamy ten stan jako euploidię. Jądro komórkowe zawierające dwa homologiczne zestawy (46 chromosomów) to jądro diploidalne. Stosując odpowiednie metody barwień (patrz podrozdział „Diagnostyka genetyczna”) można uzyskać na chromosomach charakterystyczny, prążkowy wzór. Prążki te numerowane są od centromeru ku obwodowi ramion chromosomu: krótkiego – p (od fr. petit) i długiego – q (kolejna litera alfabetu). Cały kariogram opisuje się podając najpierw cyframi arabskimi całkowitą liczbę chromosomów, następnie tyle symboli X i Y, ile uwidoczniono chromosomów płciowych i wreszcie ewentualne położenie obserwowanej i oznaczonej odpowiednim symbolem aberracji chromosomalnej.

Zaburzenia strukturalne

bInwersja

Inwersja oznacza aberrację, w której dochodzi do dwóch pęknięć chromatyny i odwrócenia o 180º wyłamanego fragmentu. Stosunkowo rzadko prowadzi to do poważnych zaburzeń rozwojowych. Oznacza się ją literą i (ang. inversion).

0Inwersja paracentryczna oznacza, że obydwa pęknięcia znajdują się na jednym ramieniu, po jednej stronie centromeru.

0Inwersja pericentryczna oznacza, że każde z pęknięć znajduje się po przeciwnej stronie centromeru, a zatem centromer znajduje się wewnątrz wyłamanego fragmentu chromatyny.

bDelecja

Delecja oznacza utratę fragmentu chromosomu. Symbolicznie oznaczamy ją skrótem del (ang. deletion).

0Delecja terminalna to utrata obwodowej części chromosomu – jest ona rezultatem pojedynczego pęknięcia. Odłamany fragment nie posiada centromeru i w trakcie podziału nie przechodzi do komórek potomnych tylko ulega utracie. Przykładowo, w przypadku utraty obwodowej części chromosomu 14, od prążka 6 w rejonie 1 ramienia krótkiego, stwierdzonej u mężczyzny zapiszemy to jako 46,XY,del(14)(p16).

0Delecja wewnętrzna oznacza podwójne przełamanie chromatyny i utratę wewnętrznego odcinka chromosomu. Istotnym z klinicznego punktu widzenia przykładem takiej aberracji jest np. utrata prążka 11 z ramienia długiego chromosomu 22 [del(22q11)] omówiona w dalszej części tego rozdziału.

bChromosom kolisty

Chromosom kolisty jest właściwie szczególnym rodzajem delecji. Zaburzenie to jest skutkiem dwóch delecji terminalnych, do których dochodzi na przeciwległych końcach chromosomu, a następnie połączeniu jego uszkodzonych końców. Symbolicznie aberrację tą oznaczamy literą r (ang. ring chromosome), np. w przypadku kolistego chromosomu 14: 46,XY,r(14). Odcięte obwodowe fragmenty ramion chromosomu nie posiadają centromeru i zostają zgubione w czasie podziału komórkowego; sam chromosom kolisty posiada wprawdzie centromer, ale – być może ze względu na kształt – nie zachowuje się normalnie ani w trakcie mejozy, ani mitozy. Zaburzenie to wiąże się zatem ze znacznymi zaburzeniami fenotypowymi, uzależnionymi nie tylko od ilości utraconego materiału genetycznego.

bTranslokacja

W przypadku translokacji aberracja polega na przeniesieniu fragmentu chromosomu w inne miejsce. Zaburzenie to oznaczamy literką t (ang. translocation). W zależności od miejsca docelowego wyróżniamy:

Translokację wewnątrzchromosomalną (intrachromosomalną)

W tym przypadku fragment chromosomu jest przenoszony z jednego miejsca chromosomu w inne miejsce tego samego chromosomu. O translokacji takiej można powiedzieć, że jest zrównoważona, ponieważ nie ma utraty materiału genetycznego i bardzo rzadko aberracja tego typu doprowadza do poważnych następstw.

Translokację międzychromosomalną (interchromosomalną)

Polega na przeniesieniu odcinka chromatyny pomiędzy dwoma chromosomami. Jeśli są to chromosomy homologiczne to mówimy o translokacji siostrzanej, jeśli nie – jest to translokacja zewnętrzna. Można tą aberrację podzielić na:

Transpozycję

Termin ten oznacza przeniesienie fragmentu chromosomu na inny chromosom.

Translokację wzajemną

Ta aberracja polega na „wymianie” fragmentów chromosomów pomiędzy sobą. W uczonych podręcznikach wymienia się wiele tego typu zaburzeń, z punktu widzenia patologii istotne są dwa:

3 Zrównoważona translokacja wzajemna

Aberracja ta jest skutkiem wzajemnej wymiany obwodowych fragmentów ramion dwóch chromosomów. W przypadku, gdy są to chromosomy homologiczne, zjawisko to może nie mieć żadnych następstw (jeśli wymieniane odcinki są równej długości) lub być przyczyną duplikacji krótkiego odcinka na jednym chromosomie z równoczesną jego delecją na drugim (kiedy wymieniane odcinki nie są równe). W obydwu tych sytuacjach translokacja jest zrównoważona, jednak w drugim może prowadzić do powstania niezrównoważonej mutacji u potomstwa.

Jeśli nie są to chromosomy homologiczne, co nota bene zachodzi częściej, przykładowo: jeśli dochodzi do translokacji ramienia długiego chromosomu 2 i krótkiego ramienia chromosomu 5 u kobiety, zapisujemy to 46,XX,t(2;5)(q31;p14). Nosicielka tej mutacji jest zazwyczaj fenotypowo prawidłowa (bo jej genom – niezależnie od tego gdzie – zawiera wszystkie potrzebne geny[2]). Istnieje jednak zagrożenie, że u jej potomstwa dojdzie do translokacji niezrównoważonej, ponieważ do gamet trafią nieprawidłowe zestawy chromosomów: w jednym zestawie zabraknie fragmentu ramienia długiego chromosomu 2, z będą tam dwie kopie ramienia krótkiego chromosomu 5, a w drugim – odwrotnie. Efektem będzie poronienie lub powstanie wady wrodzonej u noworodka.

3 Translokacja robertsonowska czyli połączenie centryczne

Jest to translokacja pomiędzy dwoma chromosomami akrocentrycznymi. Przełamanie chromatyny w chromosomach przebiega w pobliżu centromerów, a w wyniku translokacji powstaje z reguły jeden ogromny chromosom składający się z długich ramion macierzystych chromatyd i jeden mały – nie posiadający zwykle centromeru i ginący w czasie podziału komórkowego. Znajduje się na nim jednak tak mało materiału genetycznego, że nie ma zmian fenotypowych. Chromosom robertsonowski występuje w populacji ze średnią częstością około 1 na 1000 zdrowych osób i stanowi jedną z głównych przyczyn powstawania zaburzeń chromosomalnych (m.in. zespołu Downa) u dzieci nosicieli.

Duplikacja

Jest ona najczęściej rezultatem transpozycji pomiędzy chromosomami homologicznymi (translokacji siostrzanej): fragment jednego z chromosomów zostaje przeniesiony do drugiego i w nim występuje w dwóch kopiach. W jednym z chromosomów dochodzi wtedy do delecji, a w drugim do duplikacji. Duplikację oznacza się skrótem dup (ang. duplication).

Izochromosom

Aberracja ta stanowi szczególny przypadek duplikacji, dotyczący ramienia jednego z chromosomów. Izochromosomem nazywamy taki chromosom, w którym doszło do utraty jednego z ramion, zaś drugie z ramion zostało zduplikowane. W efekcie informacja genetyczna jest identyczna w każdym z ramion. Aberrację tą oznacza się literą i (ang. isochromosome). Najczęstszym zaburzeniem tego typu jest izochromosom długiego ramienia chromosomu X, co zapisujemy i(X)(q10). W tym przypadku można mówić o monosomii ramienia krótkiego chromosomu X (bo pozostaje jeszcze jedno ramię krótkie z drugiego chromosomu X) i trisomii ramienia długiego chromosomu X [pojęcia te wyjaśnione są niżej].

Zaburzenia ilościowe można zaklasyfikować jako aneuploidię lub poliploidię.

Aneuploidia

Jest to stan, w którym zaburzenie dotyczy podziałów komórkowych, mitotycznych lub mejotycznych – w efekcie tych nieprawidłowości do nowo powstałego jądra komórkowego dostaje się większa lub mniejsza liczba chromosomów niż wielokrotność ich haploidalnej liczby (23).

Brak jednego z chromosomów to monosomia. Obecność jednego dodatkowego chromosomu nazywamy trisomią i stanowi ona najczęstsze zaburzenie chromosomalne. Jeśli w jądrze komórkowym stwierdza się obecność dwóch dodatkowych, homologicznych chromosomów, to stan taki nazywa się tetrasomią; jeśli jednak nie są one homologiczne, to mamy do czynienia z podwójną trisomią.

Aneuploidia jest wynikiem nondysjunkcji lub tzw. utraty chromosomu w anafazie.

Nondysjunkcja (nierozdzielenie)

Do nondysjunkcji dochodzi wówczas, kiedy homologiczna para chromosomów nie ulega rozdziałowi w czasie pierwszego podziału mejotycznego lub dwie chromatydy nie rozdzielają się w trakcie drugiego podziału mejotycznego lub podczas podziału mitotycznego co doprowadza do powstania dwóch komórek aneuploidalnych. Jeśli do nondysjunkcji dojdzie w trakcie gametogenezy to powstające gamety będą zawierały albo jeden chromosom więcej (23+1=24) lub jeden chromosom mniej (23-1=22). Kiedy takie gamety biorą udział w zapłodnieniu, wówczas dochodzi do powstania zygoty trisomicznej (46+1=47) lub monosomicznej (46-1=45).

Utrata chromosomu w anafazie

W przypadku utraty anafazowej jeden z homologicznych chromosomów w czasie mejozy lub jedna z chromatyd w przebiegu mitozy „spóźnia się” i nie wchodzi do nowo powstającego jądra komórkowego. W efekcie powstaje jedna prawidłowa komórka i jedna komórka monosomiczna.

bPoliploidia

Poliploidią nazywamy każdą wielokrotność haploidalnej liczby chromosomów za wyjątkiem diploidalnej, np. trzykrotność to triploidia, czterokrotność to tetraploidia itd. Jednym z często stosowanych w celach badawczych czynników wywołujących aberrację tego typu jest oziębienie komórek w czasie podziału.

Mutacje są przypadkowymi zdarzeniami się w trakcie replikacji DNA. Wyjąwszy rzadkie fenomeny probabilistycznie dokonujących się mutacji spontanicznych, które zapewne są przyczyną tego, że jesteśmy tymi, którymi jesteśmy, w ogromnej większości przypadków są one skutkiem oddziaływania promieniowania, związków chemicznych i wirusów, które ze względu na znaczenie dla zdrowia i życia zostaną omówione w rozdziale traktującym o karcynogenezie.

Podsumowując, należy podkreślić, że końcowym efektem mutacji jest zaburzenie syntezy lub czynności określonego białka. Zaburzenie to może dotyczyć transkrypcji – kiedy np. delecja genu lub mutacja promotora ją uniemożliwi, postranskrypcyjnej obróbki mRNA – jeśli np. w wyniku mutacji nie zostanie rozpoznana granica pomiędzy intronem a eksonem, translacji – jeżeli, przykładowo, w wyniku mutacji w obrębie genu przedwcześnie powstanie kodon terminacyjny, czy wreszcie enzymatycznych procesów postranslacyjnych modyfikujących łańcuchy polipeptydowe – wystarczy, że mutacja dotyczy jednego z enzymów, odpowiadających za prawidłowy przebieg tego procesu. Niektóre mutacje punktowe w obrębie eksonów mogą prowadzić do powstawania nieprawidłowych białek, nawet jeśli procesy przepisywania, splicingu i tłumaczenia zapisu nukleotydowego na sekwencję polipeptydową będą przebiegać prawidłowo.

W dalszej części tekstu zostaną przedstawione w zarysie kolejno:

• Schorzenia wynikające z mutacji pojedynczych genów, wywierających znaczący efekt na funkcjonowanie organizmu.

Do tej kategorii zaliczyć można stosunkowo rzadkie zaburzenia, takie jak choroby spichrzeniowe i wrodzone błędy metaboliczne. Ponieważ większość tych schorzeń dziedziczonych jest zgodnie z prawami Mendla, nazywane bywają chorobami mendlowskimi. Istnieje jednak heterogenna grupa rzadkich chorób jednogenowych, które nie są dziedziczone zgodnie z prawami Mendla: są to schorzenia będące rezultatem mutacji o typie pomnożenia liczby krótkich sekwencji trójnukleotydowych, mutacji w mitochondrialnym DNA czy zjawisk takich jak wdrukowanie genetyczne lub mozaikowatość gonad.

• Choroby będące rezultatem wrodzonych oddziaływań wielogenowych.

Ta grupa chorób obejmuje często diagnozowane schorzenia, np. cukrzycę czy nadciśnienie tętnicze krwi. Ze względu na złożoność stwierdzanych w ich patogenezie interakcji genów i czynników środowiskowych, bywają one nazywane chorobami dziedziczonymi wieloczynnikowo. Są one skutkiem addycyjnych oddziaływań licznych genów wywierających samodzielnie ograniczone efekty, co dodatkowo potęguje wpływ czynników środowiskowych, niejednokrotnie niezbędnych do ujawnienia się zaburzenia.

• Zespoły chorobowe wynikające z zaburzeń dotyczących części lub całych chromosomów.

Zaliczyć do nich można schorzenia będące skutkiem dziedzicznych mutacji strukturalnych i ilościowych chromosomów autosomalnych lub płciowych.

[1] Zależy to, rzecz jasna, od miejsca w którym dojdzie do tego typu mutacji. Jeśli np. wstawiony zostanie kodon dla niepolarnego aminokwasu w genie kodującym serię niepolarnych aminokwasów wchodzących w skład domeny transmembranowej białka receptorowego, to mutację taką można co najwyżej wykryć przypadkowo. Oczywiście, może także dojść np. do wstawienia sekwencji ATC – czyli znaku „stop” (UAG) po translacji na mRNA, wówczas białko nie tylko nie ulegnie wydłużeniu o 1 aminokwas, ale skróci się i to o znacznie więcej niż 1 aminokwas.

Odwiedzający wpisali takie problemy: