معلومة

هل يمكنك اكتشاف ما إذا كانت الطفرة عفوية أم مستحثة؟


هل من الممكن تحديد ما إذا كانت طفرة معينة لها أصل تلقائي (على سبيل المثال من خطأ في بوليميريز الحمض النووي) مقابل الأصل المستحث (على سبيل المثال ، من بعض العوامل السامة للجينات)؟


إليك إجابة سريعة. نأمل أن يعطي شخص ما واحدة أكثر اكتمالا. لكن في غضون ذلك لديك شيء.

بعض العوامل السامة للجينات لها نتائج يمكن التنبؤ بها. على سبيل المثال ، تسبب Gs لتحل محل Cs ، أو تسبب طفرات في نقاط معينة على الجينوم. لذلك إذا كان لديك مجموعة من الطفرات في خلية واحدة (أو مجموعة من الخلايا ذات الصلة) تطابق طريقة العمل لعامل سام جيني معروف ، سيكون من المعقول أن نستنتج أن الطفرات كانت مستحثة. لكن ليست كل العوامل السامة للجينات على هذا النحو. وإذا كان لديك طفرة واحدة أو اثنتين فقط ، فهذا لا يكفي لإثبات حدوثها. أيضًا ، بالطبع ، يعتمد ذلك على حجم عينتك وعناصر التحكم الخاصة بك.


الجواب أعلاه صحيح في الغالب. في المختبر يمكن للمرء أن يظهر أن الطفرات المستحثة ناتجة عن التعرض ، مقارنة بالضوابط غير المكشوفة (على سبيل المثال في البكتيريا). سيكون للطفرات المستحثة تردد وموضع ونوع يمكن تمييزه. كمجموعة ، فإنهم يشتملون على "طيف" من الطفرات. في مشكلة الحالة الحقيقية ، مثل تعرض البشر لعادم الديزل ، يكون عدد الطفرات ومثبِّتاتهم عادةً أقل من أن يكون لديهم "طيف". تحدث بشكل طبيعي (تسمية خاطئة خطيرة في حد ذاتها) يمكن أن تحدث أيضًا في نفس المواقف والأنواع. اللغة المعتادة هي أن الطفرات الملحوظة تتوافق مع التعرض ، لكنها لا تثبت أن التعرض تسبب فيها.


2.9: الطفرات

الأخطاء التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي ليست هي الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تنشأ بها الطفرات في الحمض النووي. يمكن أن تحدث الطفرات ، الاختلافات في تسلسل النيوكليوتيدات في الجينوم ، أيضًا بسبب الضرر المادي للحمض النووي. قد تكون هذه الطفرات من نوعين: مستحثة أو عفوية. الطفرات المستحثة هي تلك التي تنتج عن التعرض للمواد الكيميائية أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو بعض العوامل البيئية الأخرى. الطفرات العفوية تحدث دون التعرض لأي عامل بيئي فهي نتيجة لتفاعلات كيميائية حيوية عفوية تحدث داخل الخلية (بما في ذلك أخطاء النسخ المتماثل).

قد يكون للطفرات مجموعة واسعة من التأثيرات. بعض الطفرات ليس لها تأثير على وظيفة الجينات المعروفة باسم الطفرات الصامتة. الطفرات النقطية هي تلك الطفرات التي تؤثر على زوج أساسي واحد. أكثر طفرات النوكليوتيدات شيوعًا هي الاستبدالات ، حيث يتم استبدال قاعدة بأخرى. يمكن أن تكون الطفرات أيضًا نتيجة إضافة نيوكليوتيد ، يُعرف باسم الإدراج ، أو إزالة القاعدة ، والتي تُعرف أيضًا باسم الحذف. في بعض الأحيان ، قد يتم ربط قطعة من الحمض النووي من كروموسوم واحد بصبغي آخر أو إلى منطقة أخرى من نفس الكروموسوم يُعرف هذا باسم النقل.

عندما تحدث طفرة في منطقة ترميز البروتين ، فقد يكون لها تأثيرات عديدة. قد تؤدي بدائل النوكليوتيدات إلى عدم حدوث تغيير في تسلسل البروتين (المعروف باسم الطفرات الصامتة) ، قم بتغيير تسلسل الأحماض الأمينية (المعروف باسم الطفرات الخاطئة) ، أو قم بإنشاء رمز إيقاف (يُعرف باسم a طفرة هراء). تؤدي عمليات الإدراج والحذف في تسلسل تشفير البروتين إلى طفرات الإطارات. طفرات خطأ التي تؤدي إلى تغييرات متحفظة يؤدي إلى استبدال الأحماض الأمينية المتشابهة ولكن غير المتطابقة. على سبيل المثال ، فإن حمض الغلوتامات الحمضي الذي تم استبداله بالحمض الأميني الحمضي الأسبارتات يعتبر متحفظًا - لهما نفس الشحنة. بشكل عام ، لا نتوقع أن تكون هذه الأنواع من الطفرات الخاطئة شديدة مثل أ غير متحفظ تغيير الأحماض الأمينية مثل الغلوتامات التي تم استبدالها بفالين (التغيير من مشحون إلى كاره للماء). بالاعتماد على فهمنا لكيمياء المجموعة الوظيفية ، يمكننا أن نستنتج بشكل صحيح أن هذا النوع من الاستبدال قد يؤدي إلى عواقب وظيفية وخيمة ، اعتمادًا على موقع الطفرة.

لاحظ أن الفقرة السابقة بها الكثير من المفردات الجديدة المحتملة - سيكون من الجيد تعلم هذه المصطلحات.

يمكن أن تؤدي الطفرات إلى تغييرات في تسلسل البروتين المشفر بواسطة الحمض النووي.

بناءً على فهمك لبنية البروتين ، ما هي مناطق البروتين التي تعتقد أنها أكثر حساسية للبدائل ، حتى بدائل الأحماض الأمينية المحفوظة؟ لماذا ا؟

غالبًا ما تكون طفرة الإدخال التي تؤدي إلى إدخال ثلاثة نيوكليوتيدات أقل ضررًا من الطفرة التي تؤدي إلى إدخال نوكليوتيد واحد. لماذا ا؟

الطفرات: بعض التسميات والاعتبارات

طفره

مصطلح الطفرة يعني ببساطة تغيير أو تغيير. في علم الوراثة ، الطفرة هي تغيير في المادة الجينية - تسلسل الحمض النووي - للكائن الحي. بالتبعية ، المتحولة هي الكائن الحي الذي حدثت فيه طفرة. ولكن ما هو التغيير بالمقارنة؟ الجواب على هذا السؤال أنه & quot؛ يعتمد & quot. يمكن إجراء المقارنة مع السلف المباشر (الخلية أو الكائن الحي) أو بالأنماط التي تظهر في مجتمع من الكائن الحي المعني. يعتمد في الغالب على السياق المحدد للمناقشة. نظرًا لأن الدراسات الجينية غالبًا ما تنظر إلى مجموعة سكانية (أو مجموعات سكانية فرعية رئيسية) من الأفراد ، فإننا نبدأ بوصف المصطلح & quot؛ النوع البري & quot. يُطلق على الأشكال المختلفة للجين ، بما في ذلك تلك المرتبطة بـ & quot؛ النوع & quot ؛ والطفرات ذات الصلة ، في مجموعة سكانية الأليلات.

النوع البري مقابل المتحولة

ماذا نعني بـ & quotwild type & quot؟ نظرًا لأن التعريف يمكن أن يعتمد على السياق ، فإن هذا المفهوم ليس واضحًا تمامًا. فيما يلي بعض الأمثلة على التعريفات التي قد تواجهك:

المعاني الممكنة لـ & quotwild-type & quot

  1. كائن حي له مظهر مميز للأنواع في مجموعة تكاثر طبيعية (أي بقع الفهد والخطوط الداكنة التي تشبه الدموع التي تمتد من العين إلى الفم).
  2. شكل أو أشكال الجين الأكثر شيوعًا في الطبيعة في نوع معين.
  3. النمط الظاهري أو النمط الجيني أو الجين التي تسود في مجموعة طبيعية من الكائنات الحية أو سلالة من الكائنات الحية على عكس تلك الموجودة في الأشكال الطافرة الطبيعية أو المختبرية.
  4. من الآمن بشكل عام أن نقول إن الأليل المعيب تمامًا (على سبيل المثال ، أليل مع كودون توقف مبكر) ، والذي لا يمكنه ترميز نسخة عاملة من الجين ، هو مشتق متحور من أليل من النوع البري.

ومع ذلك ، قد يكون الأمر & quotnorm & quot لـ أنواع كاملة يفتقر إلى نسخة عاملة من الجين الذي يخدم غرضًا في أنواع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا. في هذه الحالة ، قد يصف الشخص العاقل هذا الجين غير العامل على أنه أليل من النوع البري - لتلك الأنواع! ومع ذلك ، يُشار إلى الجينات التي لا يمكن ، ولا يتم التعبير عنها أبدًا في الأنواع ، على أنها psuedogenes.

يعتمد الخيط المشترك لجميع التعريفات المذكورة أعلاه على & quotnorm & quot لمجموعة من الخصائص فيما يتعلق بسمة معينة مقارنة بالمجموعة الإجمالية. في & quot تسلسل ما قبل الحمض النووي ، تم تصنيف الأنواع العمرية والمحددة بناءً على الأنماط الظاهرية الشائعة (كيف تبدو ، وأين تعيش ، وكيف تتصرف ، وما إلى ذلك). تم إنشاء A & quotnorm & quot للأنواع المعنية. على سبيل المثال ، تُظهر الغربان مجموعة مشتركة من الخصائص ، فهي طيور سوداء كبيرة تعيش في مناطق معينة ، وتأكل أنواعًا معينة من الطعام وتتصرف بطريقة مميزة معينة. إذا رأينا واحدًا ، فإننا نعرف أنه غراب بناءً على هذه الخصائص. إذا رأينا واحدًا برأس أبيض ، فإننا نعتقد أنه إما طائر مختلف (وليس غرابًا) أو متحولة ، غراب به بعض التغيير عن القاعدة أو النوع البري.

في هذا الفصل ، نأخذ ما هو شائع حول تلك التعريفات المختلفة ونتبنى فكرة أن & quot؛ النوع & quot هو مجرد معيار مرجعي يمكننا من خلاله مقارنة أفراد المجتمع.

إذا كنت تقوم بتعيين سمات من النوع البري لوصف كلب ، فماذا ستكون؟ ما هو الفرق بين سمة متحولة وتنوع سمة في مجموعة من الكلاب؟ هل هناك نوع بري للكلب يمكننا استخدامه كمعيار؟ كيف نبدأ في التفكير في هذا المفهوم فيما يتعلق بالكلاب؟

يمكن أن تؤدي الطفرات إلى تغييرات في تسلسل البروتين المشفر بواسطة الحمض النووي والتي تؤثر بعد ذلك على المظهر الخارجي للكائن الحي. المصدر: http: //blogs.brandeis.edu/flyonthewa. ص في ​​الحياة /

الطفرات هي ببساطة تغييرات من النوع & quotwild & quot ، أو المرجع أو التسلسل الأبوي لكائن حي. في حين أن مصطلح & الاقتباس & quot له دلالات سلبية بالعامية ، يجب أن نتذكر أن التغيير ليس بطبيعته & quotbad & quot. في الواقع ، لا ينبغي اعتبار الطفرات (التغيرات في التسلسل) في المقام الأول على أنها & quotbad & quot أو & quotgood & quot ، بل بالأحرى مجرد تغيرات ومصدر للتنوع الجيني والظاهري الذي يمكن أن يحدث عليه التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي. يحدد الانتقاء الطبيعي في النهاية مصير الطفرات على المدى الطويل. إذا أعطت الطفرة ميزة انتقائية للكائن الحي ، فقد تصبح الطفرة في النهاية شائعة جدًا في السكان. على العكس من ذلك ، إذا كانت الطفرة ضارة ، فإن الانتقاء الطبيعي سيضمن فقدان الطفرة من السكان. إذا كانت الطفرة محايدة ، أي أنها لا توفر ميزة انتقائية ولا عيبًا ، فقد تستمر في السكان.

عواقب الطفرات

بالنسبة للفرد ، قد تعني نتيجة الطفرات القليل أو قد تعني الحياة أو الموت. بعض الطفرات الضارة باطل أو قصا الطفرات التي تؤدي إلى فقدان وظيفة المنتج الجيني. يمكن أن تنشأ هذه الطفرات عن طريق حذف إما الجين بأكمله ، أو جزء من الجين ، عن طريق طفرة نقطية في منطقة حرجة من الجين تجعل منتج الجين غير وظيفي ، من خلال طفرة غير منطقية في وقت مبكر من تسلسل الترميز ، أو من خلال طفرة تحول الإطار. يشار إلى هذه الأنواع من الطفرات أيضًا باسم فقدان وظيفة الطفرات. بدلاً من ذلك ، قد تؤدي الطفرات إلى تعديل وظيفة موجودة (أي أن الطفرة قد تغير الكفاءة التحفيزية للإنزيم ، أو تغيير في خصوصية الركيزة ، أو تغيير في البنية). في حالات نادرة ، قد تؤدي الطفرة إلى إنشاء وظيفة جديدة أو محسنة لمنتج جيني ، وغالبًا ما يشار إليها باسم أ اكتساب الوظيفة طفره. أخيرًا ، قد تحدث الطفرات في مناطق الحمض النووي غير المشفرة للبروتين. إذا حدثت هذه الطفرات في مناطق الجين غير المشفرة ، ولكنها لا تزال مهمة للتعبير الجيني (مثل المحفز) ، فيمكنها أيضًا أن تؤثر بشدة على وظيفة الجين.

في المناقشة أعلاه ، ما هي أنواع السيناريوهات التي من شأنها أن تسمح لمحول كسب الوظيفة هذا بالقدرة على منافسة فرد من النوع البري داخل السكان؟ كيف تعتقد أن الطفرات مرتبطة بالتطور؟

الطفرات والسرطان

يمكن أن تؤثر الطفرات على الخلايا الجسدية أو الخلايا الجرثومية. تحدث الطفرات في بعض الأحيان في جينات إصلاح الحمض النووي ، مما يضر في الواقع بقدرة الخلية على إصلاح الضرر ، وربما يزيد من معدل الطفرات. إذا ، نتيجة للطفرات في جينات إصلاح الحمض النووي ، فإن العديد من الطفرات تتراكم في خلية جسدية ، فقد تؤدي إلى مشاكل مثل الانقسام الخلوي غير المنضبط الذي لوحظ في السرطان. ترتبط السرطانات ، بما في ذلك أشكال سرطان البنكرياس وسرطان القولون وسرطان القولون والمستقيم بطفرات مثل هذه في جينات إصلاح الحمض النووي. وبالمثل ، يمكن أن تنتقل عيوب الإصلاح عبر الأجيال (بسبب طبيعتها المتنحية). على الرغم من أن تواتر مثل هذه الطفرات في عموم السكان منخفض ، إلا أنه في بعض الأحيان يكون لدى الأفراد المتغاير الزيجوت عن غير قصد لعيب الإصلاح أطفال يرثون كلا الأليلين المعيبين. في حالة الأشخاص متماثلو الزيجوت XP الذين يعانون من عمليات إصلاح الحمض النووي المعرضة للخطر يصبحون حساسين للغاية للأشعة فوق البنفسجية. في الحالات الشديدة ، قد يصاب هؤلاء الأفراد بحروق شمس شديدة بعد دقائق من التعرض للشمس. ما يقرب من نصف جميع الأطفال المصابين بهذه الحالة يصابون بأول سرطانات جلدية عند بلوغهم سن العاشرة.

عواقب الأخطاء في النسخ والنسخ والترجمة

شيء أساسي للتفكير فيه:

طورت الخلايا طرقًا متنوعة للتأكد من اكتشاف أخطاء النسخ المتماثل وتصحيحها ، بدءًا من التدقيق اللغوي بواسطة بوليميرات الحمض النووي المختلفة المعتمدة على الحمض النووي ، إلى أنظمة إصلاح عدم التطابق الأكثر تعقيدًا. لماذا تطورت العديد من الآليات المختلفة لإصلاح الأخطاء في الحمض النووي؟ على النقيض من ذلك ، لم تتطور آليات تدقيق القراءة المماثلة للأخطاء في النسخ أو الترجمة. لماذا قد يكون هذا؟ ماذا ستكون عواقب خطأ في النسخ؟ هل مثل هذا الخطأ سيؤثر على النسل؟ هل ستكون قاتلة للخلية؟ ماذا عن ترجمة؟ اطرح نفس الأسئلة حول عملية الترجمة. ماذا سيحدث إذا تم وضع الحمض الأميني الخطأ بطريق الخطأ في عديد الببتيد النامي أثناء ترجمة البروتين؟ قارن هذا مع تكرار الحمض النووي.

الطفرات كأدوات للتغيير

الطفرات هي كيف يمكن للسكان التكيف مع الضغوط البيئية المتغيرة.

يتم إنشاء الطفرات بشكل عشوائي في جينوم كل كائن حي ، وهذا بدوره يخلق تنوعًا جينيًا وعددًا كبيرًا من الأليلات المختلفة لكل جين لكل كائن حي في كل مجموعة سكانية على هذا الكوكب. إذا لم تحدث الطفرات ، وتم تكرار الكروموسومات ونقلها بدقة 100٪ ، فكيف ستتطور الخلايا والكائنات الحية؟ يعتمد الاحتفاظ بالطفرات في مجتمع ما بشكل كبير على ما إذا كانت الطفرة توفر ميزة انتقائية (بمعنى أنها تزيد من تكرار تكاثر ذلك الأليل) ، أو تفرض بعض التكلفة الانتقائية أو أنها على الأقل غير ضارة. في الواقع ، قد تستمر الطفرات التي تبدو محايدة في السكان لعدة أجيال ولن تكون ذات مغزى إلا عندما يواجه السكان تحديًا بيئيًا جديدًا. في هذه المرحلة ، قد توفر الطفرات المحايدة سابقًا ميزة انتقائية.

مثال: مقاومة المضادات الحيوية

البكتيريا بكتريا قولونية حساس لمضاد حيوي يسمى الستربتومايسين ، والذي يثبط تخليق البروتين عن طريق الارتباط بالريبوسوم. يمكن تحوير بروتين الريبوسوم L12 بحيث لا يرتبط الستربتومايسين بالريبوسوم ويثبط تخليق البروتين. تنمو طفرات النوع البري و L12 بشكل جيد ويبدو أن الطفرة محايدة في غياب المضاد الحيوي. في وجود المضادات الحيوية من النوع البري ، تموت الخلايا الطافرة L12. يوضح هذا المثال مدى أهمية التنوع الجيني للسكان من أجل البقاء على قيد الحياة. إذا لم تحدث الطفرات بشكل عشوائي ، عندما يواجه السكان تحديًا بسبب حدث بيئي ، مثل التعرض للستربتومايسين ، سيموت السكان بالكامل.

تؤدي الأخطاء غير المصححة في تكرار الحمض النووي إلى حدوث طفرة. في هذا المثال ، تم تمرير خطأ غير مصحح إلى خلية بكتيرية تابعة. هذا الخطأ موجود في جين يقوم بترميز بروتين ريبوزومي مهم. ينتج عن الطفرة بنية ثلاثية الأبعاد نهائية مختلفة لبروتين الريبوسوم. في حين أن الريبوسوم من النوع البري يمكن أن يرتبط بالستربتومايسين (مضاد حيوي يقتل الخلية البكتيرية عن طريق تثبيط وظيفة الريبوسوم) فإن الريبوسوم الطافر لا يمكنه الارتباط بالستربتومايسين. هذه البكتيريا الآن مقاومة للستربتومايسين وسوف تتغلب بالطبع على البكتيريا التي تحمل التسلسل من النوع البري ، في وجود الدواء.
المصدر: مركز التصميم الذكي (نعم ، حقًا)


الطفرة: التعريف والكشف والأنواع | علم الوراثة

تؤدي الوراثة إلى التكاثر الدقيق للجينات. أثناء الانقسام الخلوي ، ينقسم الكروموسومات والكروموسومات لتكوين كروموسومات ابنة. الكروموسومات مليئة بالجينات وبالتالي فإن ازدواج الكروموسومات يعني بطريقة ما ازدواجية الجينات.

تنشأ الجينات دائمًا من الجينات الموجودة على الرغم من أن مادة التوليف تأتي من مصادر غذائية. الجين المشكل حديثًا هو نسخة طبق الأصل من الجين الأصل.

على الرغم من دقة عملية تكاثر الجينات ، فإنها تقدم أحيانًا خطأ في النسخ. تختلف نسخة الجين عن الأصل ، ويعيد الجين المعدل إنتاج هيكله المتغير. هذا الخطأ في النسخ هو طفرة.

وبالتالي فإن الطفرة هي تغيير في الجين ، يحتمل أن يكون قادرًا على الانتقال في الشكل المتغير. تحدث الطفرات في الجينات (طفرة جينية) وكذلك في الكروموسومات (طفرة صبغية). الكروموسومات عادة ما تتكاثر وتنتشر بأمانة ودقة. في بعض الأحيان ، قد يتغير الكروموسوم بفقدان بعض أجزاء الجينات ، أو عن طريق المضاعفة ، أو عن طريق التحويل و shylocation أو الانعكاس.

وسجل المربون حالات الظهور المفاجئ لأنواع وراثية جديدة في النباتات والشيمال والشيمال. تمت الإشارة إلى هذه الأنواع الجديدة على أنها رياضة. إن خجل وخجل Ancon lamb (لحم الضأن ذو الأرجل القصيرة والمنحنية) ، الماشية بلا قرون ، القطط ذات الأصابع المزدوجة ، الجرذان البيضاء كلها أمثلة على الطفرات المغزلية والطفرات.

في زمن داروين & # 8217s ، تم إعادة النظر بهذه الرياضات وتجاهلها باعتبارها غير ذات أهمية. لقد كانوا خجولين وخجولين على أنهم وحوش بدلاً من أصل أنواع جديدة قابلة للحياة. أدى ظهور عدد من الرياضات في Oenothera lamarckiana إلى قيام دي فريس بطرح نظريته المتعلقة بالمؤثرات والتأثيرات.

المتحولات المدهشة في Oeno & shythera هي أشكال مثل العمالقة ذات الحجم الكبير ، النانيلا التي كانت أقزامًا والعديد من الأشكال الأخرى التي تختلف في اللون أو الحجم أو الشكل لأجزاء مختلفة. قدم De Vries المصطلح & # 8216 Mutation & # 8217 أو & # 8216Saltation & # 8217 للإشارة إلى هذه الرياضات.

3. Aniridia في الإنسان كحالة طفرة:

الجينات مسؤولة عن الشخصيات. من المعروف عند الإنسان وجود الجين الذي ينظم تكوين قزحية العين الطبيعية. في بعض الأحيان يتغير هذا الجين لدرجة أن القزحية تفشل في التطور. يُعرف فشل نمو القزحية باسم aniridia. يحدث موتا وتقطير هذا الجين في الخلية الجرثومية للإنسان وينتقل إلى البيضة الملقحة التي تتطور أخيرًا إلى رجل جديد.

الجين المتحول هو جين سائد ونتيجة لذلك يولد الفرد الجديد بدون قزحية في العين. الجين المتحور لكل و shysists في الخلايا الجرثومية لهذا الرجل الأنيري الذي سينتج في النهاية نصف الخلايا الجرثومية مع هذا الجين الطافر (الشكل 2.28).

4. كشف الطفرة:

تنتج الطفرات تأثيرات مرئية وقاتلة ، ومن الممكن اكتشاف كلا هذين التأثيرين.

أنا. الكشف عن الطفرة المرئية:

يمكن إنتاج الطفرات بشكل مصطنع من خلال تطبيق طرق مختلفة. إذا تم إنتاج طفرة غير قاتلة مرئية ، فسيتم اكتشافها بسهولة بشرط أن يكون الجين الذي يتحول هو الجين السائد.

في سلالة غريبة واحدة من ذبابة الفاكهة السوداء المعروفة باسم سلالة & # 8216attached-X & # 8217 ، توجد حالة مواتية للغاية وبسبب هذه الحالة يمكن اكتشاف طفرة مرئية ولكنها متنحية بسهولة بالغة. في السلالة & # 8216attached-X & # 8217 ، يكون للإناث كروموسومان X متصلان ببعضهما البعض في النهايات الأقرب للوسط والشيمير وكروموسوم Y.

نظرًا لأن الكروموسومين X متصلان ، فإنهما يميلون دائمًا إلى الذهاب إلى نفس القطب أثناء الانقسام الاختزالي. عندما يتم عبور مثل هذه الأنثى إلى ذكر عادي ، تظهر إمكانية نظرية لتكوين أربعة أنواع من الأفراد.

(أ) تعلق X + Y - عندما يتحد الاثنان المرتبطان X للإناث مع كروموسوم Y للذكر.

(ب) ذكر X + Y - عندما يتحد كرومو Y & shysome للإناث مع X chro & shymosome للذكور. هذا ذكر عادي.

(ج) تعلق X + X - عندما يتحد الاثنان المرفقان X من الأنثى مع X للذكر. هؤلاء الأفراد لديهم ما مجموعه ثلاثة كروموسوم X؟ ويطلق عليهم الإناث الخارقة التي تموت في مرحلة مبكرة جدًا من التطور.

(د) Y + Y - عندما يتحد كروموسوم Y للأنثى مع كروموسوم Y للذكر. هؤلاء هم أفراد وشيد غير مكتملين ويموتون في مرحلة مبكرة.

وهكذا فإن التهجين بين X fe & shymales المرفقين والذكور العاديين ينتج & # 8216 X & # 8217 إناث وذكور عاديين وبعض الإناث الخارقة غير القادرة على الخجل والأفراد غير المكتملين. الميزة الأكثر جدارة بالملاحظة لمثل هذا الصليب هي أن الذكر العادي يستقبل كروموسوم X من الذكر وليس من الأنثى.

في طريقة X المرفقة ، يتم التعامل مع الذكور الطبيعيين بأشعة X & # 8217 ثم يتم تزاوجهم مع الإناث الملتصقة من النوع X. نظرًا لأن الأبناء في مثل هذا الصليب يتلقون كروموسوم X الخاص بهم وخداعهم من الأب ، يصبح من السهل جدًا اكتشاف أي طفرة قد تحدث لكروموسوم X المعالج للذكور.

ثانيا. الكشف عن المميتات المستحثة:

من أجل تقدير تواتر الطفرات المميتة المستحثة التي يتم إنتاجها في الكروموسومات X ، يتعرض ذكور ذبابة الفاكهة للإشعاع من النوع والشدة المعروفين. ثم يتم تزاوجهم مع إناث غير مشعة أو طبيعية.

إذا تم إنتاج مادة مميتة في كروموسوم X للذكور ، فلن يتم اكتشافها في الجيل الأول من الإناث لأنها & # 8216 مقنعة & # 8217 بواسطة & # 8216 non-kill & # 8217 من الكروموسوم X للأب الأنثوي . ولكن إذا تزاوجت الإناث الناتجة مرة أخرى مع ذكور عاديين ، فستظهر الطفرة مرة أخرى في الجيل التالي وستظهر على أنها نقص في السكان الذكور.

من الواضح أن كروموسوم X المعالج للذكور ينتقل إلى أنثى ثم ينتقل مرة أخرى إلى الذكر. هؤلاء الأحفاد ليس لديهم X chro & shymosome بخلاف ذلك الذي تم تلقيه من الجد ووجود مادة قاتلة في ذلك الكروموسوم X يؤدي إلى الموت المبكر لجميع الذكور.

ابتكر مولر تقنية بسيطة جدًا وقياسية للكشف عن مادة مميتة جديدة في الكروموسوم X في ذبابة الفاكهة السوداء. تُعرف هذه التقنية باسم طريقة CIB.

تستخدم الطريقة مخزونًا خاصًا من أنثى ذبابة الفاكهة. يحمل كروموسوم X واحد من هذه الذبابة الأنثوية جينًا مميتًا متنحيًا (1) جينًا سائدًا (B) للعين العارضة والجين السائد (G) وهو مثبط صليب وخجول إلى جانب الجينات الأخرى.

يتم تزاوج الإناث مع كروموسوم X واحد كعلامة إلى ذكور مشععة. سيتلقى ربع النسل الناتج من هذا التهجين كروموسوم CIB X وكروموسوم X مشعًا وسيكونون إناثًا.

سيكون ربع النسل ذكرًا يحمل كروموسوم GIB وسيموت في النهاية بسبب وجود الشخصية المميتة (1). النصف المتبقي من السلالة لن يكون لديه chro & shymosome GIB وبالتالي سيكونان طبيعيين في بنية عينهم. سيتم التخلص من مثل هذا الذباب. سيتم بعد ذلك تزاوج إناث CIB مع الكروموسوم X المعالج مع الذكور الطبيعيين.

يجب أن نتذكر أنه في حالة عبور الإناث الطبيعي يحدث بين اثنين من الكروموسومات X. لكن في كروموسوم CIB ، مثل هذا التقاطع غير ممكن بسبب وجود الجين C ، وهو مثبط متصالب.

وبالتالي فإن فرصة انتقال المادة المميتة المستحثة من الكروموسوم والكروموسوم المشععين إلى الكروموسوم غير المشع تصبح معدومة. إن استخدام الجين B هو لتعريف الذباب الذي لديه مانع الانتقال (الشكل 2.29).

وهكذا ، عندما تتزاوج الإناث التي لديها كروموسوم X واحد من CIB وكرومو X خبيث مع ذكور عاديين ، فإن نصف النسل الذكور يفشل في البقاء على قيد الحياة بسبب وجود الجين المميت ، 1. في حالة تسبب التشعيع في حدوث أي قاتل جديد للنصف الآخر من الذكور سيموتون.

5. أنواع الطفرات:

يطلق على الطفرات التي تحدث في الجينات الجسدية أو النباتية والخجولة في هذا المكان اسم الطفرة الجسدية. معظم الطفرات التي لاحظها دي فريس في Oenothera lamarkiana كانت طفرات جسدية. وبالتالي ، فإن وجود طفرة جسدية في نسيج السويداء للذرة قد تم التخلص منه بواسطة إيمرسون.

يطلق على الطفرة التي تحدث في الخلايا الجرثومية (الحيوانات المنوية أو البويضة) طفرة جرثومية. تنقسم هذه الطفرات مرة أخرى إلى مشيجية عندما تحدث في الأمشاج واللقاح عندما تحدث في البيضة الملقحة.

ثالثا. طفرة تلقائية:

الطفرات التي تحدث بشكل طبيعي هي الطفرات العفوية. الوكالات الطبيعية مسؤولة عن إنتاج مثل هذه الطفرات. إن ظهور ذكر أبيض العينين في ثقافة من النوع البري ذبابة الفاكهة في مورغان هو حالة كلاسيكية من الطفرات العفوية. وجود مثل هذه الطفرة يتحدث لصالح التطور.

من الممكن الحد من الطفرة عن طريق تطبيق الوسائل الفنية والخجولة. أي عامل يمكن أن ينتج طفرة يسمى عامل مطفر. العديد من هذه العوامل معروفة. أهمها الأشعة السينية ، الأشعة فوق البنفسجية ، الراديوم ، الحرارة ودرجة الحرارة ، غاز الخردل ، قطران الفحم ، الفورمالديهايد ، الكافين ، إلخ.

v. طفرة متباينة الزيجوت:

يطلق على الطفرات الناتجة عن التغيرات الهيكلية للكروموسوم أو مجموعة من الكروموسومات طفرة غير متجانسة. تحدث التغيرات الهيكلية في الكروموسومات عن طريق الترانس والانعكاس ، والانعكاس ، والازدواجية ، والنقص.

السادس. طفرة كيميائية حيوية:

تسمى الطفرات التي تؤثر على عمليات كيميائية حيوية معينة طفرة كيميائية حيوية. تحدث مثل هذه الطفرة لدى الفرد في قدرته على تخليق المتة والشيريلات الأساسية مثل الفيتامينات أو الأحماض الأمينية. قد يكون منع in & shy مانعًا كليًا أو جزئيًا.

في التثبيط الجزئي يحدث انسداد جزئي في خطوات العملية التركيبية. تمت دراسة طفرات Bioche & shymical من Neurospora جيدًا. البيلة الكابتونية و بيلة الفينيل و بيلة الشيكتون للإنسان هي أمثلة على الطفرات الحيوية و الشيكلية.

معظم الطفرات قاتلة. مثل هذه الطفرات تسبب فقدان أو تغيير وتغيير وظيفة أثناء التطور الجنيني. الطفرات البيوكيميائية قاتلة في الغالب. ولكن في بعض الحالات ، يمكن أن تزدهر الكائنات الحية ذات الطفرات الحيوية والكيميائية بشكل جيد إذا تم توفير المستقلب الذي لا يمكنها تصنيعه خارجيًا وفي مثل هذه الحالات لا تعتبر الطفرات البيوكيميائية قاتلة.


ملاحظات سريعة على طفرة الجينات

فيما يلي مجموعة من الملاحظات حول طفرة الجينات. بعد قراءة هذه الملاحظات ستتعرف على: 1. مقدمة في طفرة الجينات 2. أصل الطفرة الجينية 3. الآثار 4. الاتجاه 5. الأنواع 6. الاستقراء 7. الأساس الجزيئي 8. الكشف 9. الأهمية.

  1. ملاحظات حول مقدمة إلى طفرة الجينات
  2. ملاحظات حول أصل طفرة الجينات
  3. ملاحظات حول التأثيرات على طفرة الجينات
  4. ملاحظات حول اتجاه طفرة الجينات
  5. ملاحظات حول أنواع الطفرات الجينية
  6. ملاحظات حول تحريض طفرة الجينات
  7. ملاحظات حول الأساس الجزيئي لطفرة الجينات
  8. ملاحظات حول الكشف عن طفرة الجينات
  9. ملاحظات حول أهمية طفرة الجينات

ملاحظة رقم 1. مقدمة في طفرة الجينات:

يعتمد الميراث على الجينات التي تنتقل بأمانة من الوالدين إلى الأبناء & # 8217s أثناء التكاثر. تطورت آليات مختلفة لتسهيل النقل الأمين للمواد الجينية (المعلومات) من جيل إلى جيل. ومع ذلك ، تحدث & # 8216 أخطاء أو تغييرات في المادة الجينية. تسمى هذه التغييرات المفاجئة القابلة للوراثة في المادة الجينية بالطفرات.

استخدم Hugo de Vries المصطلح & # 8216mutation & # 8217 لوصف تغيرات النمط الظاهري التي كانت قابلة للوراثة. يشير المصطلح & # 8216mutation & # 8217 إلى التغيير في المادة الجينية وإلى العملية التي يحدث بها التغيير.

يُشار إلى الكائن الحي الذي يُظهر نمطًا ظاهريًا جديدًا نتيجة لوجود طفرة على أنه متحولة. ومع ذلك ، غالبًا ما يستخدم مصطلح الطفرة بالمعنى الدقيق للكلمة لتغطية تلك التغييرات التي تغير التركيب الكيميائي للجين على المستوى الجزيئي.

تسمى هذه الطفرات الجينية أو الطفرات النقطية. الجين الذي يمثل جزءًا معينًا من الحمض النووي مع تسلسل أساسي مميز يقوم بنسخ m-RNA بتسلسل كود معين ، الكودون ثلاثي المراد ترجمته إلى بروتين من تسلسل حمض أميني محدد. تتضمن الطفرة التغيير في التسلسل الأساسي للحمض النووي الذي ينعكس في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين عبر الحمض النووي الريبي.

ملاحظة رقم 2. أصل الطفرة الجينية:

A. طفرة عفوية - تحدث الطفرة أثناء الأنشطة الخلوية العادية ، وفي المقام الأول تكرار الحمض النووي وإصلاحه.

B. الطفرة المستحثة - تحدث الطفرة نتيجة العلاج بعامل مطفّر أو معدل الطفرة البيئية عادة أعلى من مستويات الخلفية.

أنا. عادةً ما ينتج عن الإشعاع المؤين - α- أو β- أو y- أو الأشعة السينية حذف أو إدخال للحمض النووي.

ثانيا. الإشعاع غير المؤين - يتسبب ضوء الأشعة فوق البنفسجية في ارتباط الثايمينات المجاورة الموجودة على خيط DNA واحد معًا (ثايمين ثايمر) مما يؤدي إلى بنية يجب إصلاحها من أجل إجراء عملية تكاثر الحمض النووي لإجراء إصلاح غير فعال يمكن أن يؤدي إلى حدوث طفرات نقطية.

ثالثا. المواد الكيميائية - المواد الكيميائية التي تتفاعل مع الحمض النووي لإحداث تغييرات أساسية.

(أ) نظائرها الأساسية - المواد الكيميائية التي تشبه هيكليًا القواعد الموجودة في الحمض النووي ، ولكن قد يكون لها خصائص الاقتران القاعدية المختلفة ، يشبه البروموراسيل (BU) هيكليًا الثايمين ، لذلك سيتم دمجه في حبلا DNA المتنامي بدلاً من T ، ولكن نظرًا له الخصائص التي تقترن بها بشكل متكرر مع G أكثر من A. التأثير المطفر يرجع في الغالب إلى الاقتران غير الصحيح للقاعدة مع G ، مما يؤدي إلى انتقالات GC-AT.

(ب) المعدلات الأساسية - المواد الكيميائية التي تُحدث تغييرات على قاعدة معينة وتغير قدرتها على القاعدة الزوجية بشكل صحيح ، على سبيل المثال ، يؤدي نزع الأمين من السيتوزين إلى إنشاء قاعدة اليوراسيل التي ستقترن مع A بدلاً من G التي تم تحديدها مسبقًا بواسطة C الأصلي ، أو عوامل alky & shylating التي تضيف مجموعة الميثيل التي تسبب تعاطي الجوانين مع الثايمين.

(ج) العوامل المتداخلة - المواد الكيميائية التي تدخل نفسها في حلزون الحمض النووي وتؤدي في العادة إلى عمليات الحذف أو الإدراج.

ج- طفرات الطفرات - الطفرات التي تؤثر على تحور الجينات الأخرى.

أنا. متحولات محددة - تقتصر على موضع واحد.

ثانيا. الطفرات غير النوعية - التأثير ليس خاصًا بموضع واحد ، فهذه الطفرات هي الجينات التي تتحكم في إصلاح الحمض النووي.

ملاحظة رقم 3. التأثيرات على الطفرة الجينية:

أنا. التأثير على البروتين (الكودونات):

A. طفرة صامتة - تغيير في كودون (عادة في الموضع الثالث) لا يغير الحمض الأميني المشفر.

ب- طفرة غير منطقية - التغيير في كودون من نوعية الأحماض الأمينية إلى كودون توقف ينتج عنه إنهاء سابق لأوانه لسلسلة الأحماض الأمينية أثناء الترجمة.

ج- طفرة مفقودة - التغيير في الكودون الذي يغير الخصوصية إلى حمض أميني مختلف يغير التسلسل الأولي لسلسلة البولي ببتيد ويغير وظيفة البروتين.

د- طفرة محايدة - تغيير في الكودون بحيث يتم تحديد حمض أميني مختلف بطريقة خجولة ، يتصرف الحمض الأميني الجديد بشكل مشابه للحمض الأميني الأصلي (على سبيل المثال ، لديه نفس الوظيفة ومجموعة shynal) ولا يغير وظيفة البروتين.

ه. طفرة تحول الإطار - تحول إطار القراءة الناجم عن حذف أو إدخال واحد أو عدد قليل من النيوكليوتيدات يخلق العديد من الأكواد المغلوطة وغير المنطقية في اتجاه مجرى الحدث الطفري.

ثانيا. التأثير على وظيفة الجينات:

ج: طفرة فقدان الوظيفة - طفرة تؤدي إلى نقص في وظيفة الجين ، ويمكن أن ينتج هذا عن عدد من أنواع الطفرات المختلفة وهو متنحي بطبيعته.

ب- طفرة اكتساب الوظيفة - طفرة تؤدي إلى وظيفة جينية جديدة أو مختلفة يمكن أن تنتج عن عدد من أنواع الطفرات المختلفة وتكون سائدة في الطبيعة.

ثالثا. التأثير على الحمض النووي:

A. الطفرات الهيكلية - التغيرات في محتوى النوكليوتيدات في الجين.

1. طفرات الاستبدال الأساسية - استبدال نوكليوتيد بآخر.

(أ) الطفرات الانتقالية تحل محل البيورين بورين آخر أو بيريميدين آخر لبيريميدين آخر.

(ب) تحل طفرات الانقلاب محل بيورين واحد للبيريميدين أو العكس.

2. طفرات الحذف - فقدان جزء من الحمض النووي.

3. طفرات الإدراج - إضافة واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات الإضافية.

ب. إعادة ترتيب الكروموسومات - يمكن أن يؤدي تغيير موقع قطعة من الحمض النووي داخل الجينوم إلى تغييرات هيكلية كبيرة (انتقالات أو انقلابات) في الجينات أو قد يغير تعبير الجين عن طريق وضعه تحت سيطرة محفز مختلف (يسمى & # 8220 تأثير الموقف & # 8221).

1. Translocations — movement of DNA to a nonhomologous chromosome usually an exchange occurs between two nonhomologous chromosomes.

2. Inversions — movement of DNA within the same chromosome a 180° rotation or “flip”.

رابعا. Magnitude of phenotypic effect:

A. Change in mutation rate — alleles mutate at different rates some can be distinguished based on their rate of mutation.

B. Isoalleles — produce identical phenotypes in homozygous or heterozygous combinations with each other, but prove to be distinguishable when in combination with other alleles.

C. Mutants affecting viability

1. Subvitals — relative viability is greater than 10% but less than 100% compared with wild type.

2. Semilethals — cause more than 90% but less than 100% mortality.

3. Lethals — kill all individuals before adult stage.

Note # 4. Direction of Gene Mutation:

A. Forward mutation — creates a change from wild type to abnormal phenotype.

B. Reverse or back mutation — changes an altered nucleotide sequence back to its original sequence.

C. Suppressor mutations — produces a change from abnormal (i.e., mutated) phenotypes back to wild type. There are two types of suppressor mutations.

1. Intragenic suppressor — a mutation in the same gene as was originally mutated, but at a different site, that results in restoration of wild-type function (e.g., if an arginine codon CGU was originally mutated to serine codon-, AGU, the suppression causes a change back to an arginine codon, AGA also, restoration of a reading frame by additions or deletions)

2. Intergenic suppressor — a mutation in another gene that results in restoration of wild- type function (e.g., a nonsense mutation may be suppressed by a mutation in the tRNA for that codon so that it now inserts an amino acid). These are sometimes referred to as suppressor genes or extragenic suppressors.

Note # 5. Types of Gene Mutation :

أنا. Morphological Mutation:

This involves changes in morphology including colour, shape, size, etc., e.g., albino ascospores in Neurospora, kernel colour in corn, curly wings in Drosophila, and dwarfism in pea.

This involves genotypic changes leading to death of an individual. Example includes albino mutation resulting from chlorophyll deficiency in plants.

ثالثا. Biochemical Mutation:

Biochemical mutations are identified by a deficiency, so that the defect can be overcome by supply­ing the nutrient or any other chemical com­pound, for which the mutant is deficient. Such mutation has been studied in bacteria and fungi, as well as blood disorders in human.

رابعا. Resistant Mutation:

Resistant mutations are identified by their ability to grow in pres­ence of an antibiotic (e.g., streptomycin, ampicillin, cycloheximide) or a pathogen, to which wild type is susceptible.

v. Conditional Mutation:

Conditional muta­tions are those which permit the mutant phenotype to be expressed only under cer­tain restrictive conditions (e.g., high temp.). Under normal condition termed as permis­sive condition the mutants express normal phenotype.

السادس. Somatic and Germinal Mutation:

During development of organisms, mutation may occur in any cell at any stage of the cell cycle. If a mutation occurs in the somatic cell of the organism, it immediately reproduces other cells like itself resulting chimera, but not the whole organism being mutated. When the new individual develops from such cells through vegetative means, it is said to be somatic mutation.

When, however, mutation occurs in the germ cells, it can pro­duce entirely a new organism and the type of mutation is known as germinal mutation.

السابع. Missense Mutation:

A missense mutation is one which results in replacement of one amino acid in a polypeptide chain by ano­ther. As a result of mutation, one base of a codon may be substituted by another base. The changed codon may then code for another amino acid.

viii. Nonsense Mutation:

Of the 64 codons 61 code for amino acids, while three are termi­nation codons which do not specify any amino acid. The three termination codons are UAA, UGA and UAG. Any mutation resulting in the alteration of a codon speci­fying an amino acid to a termination codon is called nonsense mutation. Thus if the codon UAC (for tyrosine) undergoes a one base substitution (C G) it becomes UAG, a termination codon.

A nonsense mutation leads to termination of polypeptide synthe­sis. As a result the polypeptide is incom­plete. Such chains are likely to be biologi­cally inactive. A nonsense mutation causes a relatively drastic change in the enzyme synthesized and as such likely to have a deleterious effect on the phenotype.

A mutation which does not result in phenotypic change is called a silent mutation. Silent mutations are of different types.

(a) The genetic code is degenerate, i.e., more than one codon may specify an amino acid. Therefore, when a mutated codon codes for the same amino acid as the original, there is no change in amino acid.

(b) The codon change may result in one amino acid substitution but this is not sufficient to modify the function of pro­tein appreciably.

(c) The mutation may occur in a non­functional gene.

x. Suppressor Mutation:

The effect of a muta­tion on the phenotype can be reversed so that original wild type phenotype is brought back. A second mutation at a different site neutralizes the effects of the first mutation.

الحادي عشر. Spontaneous and Induced Mutation:

Mutations may arise spontaneously in nature. They may be artificially induced, or may be caused by environment agents. Induced mutations are thus resulting from exposure of organisms to mutagenic agents such as ionizing irradiation, ultraviolet light or various chemicals which react with genes. Mutations can be classified on the basis of several criteria (Table 13.1).

Note # 6. Induction of Gene Mutation:

Mutations can be artificially induced with the help of mutagenic agents or mutagens which can be broadly grouped into physical mutagens and chemical mutagens (Table 13.2).

These include various kinds of radiations including X-rays whose mutagenic effect was first demonstrated by Muller and Stadler. Radiations may be ionizing or non-ionizing. Ionizing radiations will cause ionization and will force ejection of an electron from the atom it attacks. X-rays, gamma rays, beta rays and neutrons are common ionizing radiations used for inducing mutations.

Non­-ionizing radiations like UV do not cause ioniza­tion, but cause excitation through energy trans­fer.

Auerbach in Drosophila was the first to demonstrate that mutation can be induced by certain chemicals. Later Oehelkers demonstrated the same effect in plants. At pre­sent, there are a variety of chemical substances known which cause mutations in plants and ani­mals.

Majority of chemicals, even water from certain sources may cause dis-balance in metabolism and mutation. As such, any com­mercial or medical products, before being released, are tested for the mutagenic effects. Mustard gas, EMS have been most extensively used for induction of mutation.

In addition, low pH as well as high temperature may cause mutation. Mutation rate is also influenced by aging of the organism.

Clastogens, Carcinogens and Teratogens:

Clastogens are agents causing effects include chromosomal alterations — breaks, gaps, fragments, lagging, sticky bridge, pulve­rization, stickiness, waviness, wooliness, poly­ploidy, inversion, translocation, sister chromatid exchanges and associated aberrations. Clasto­gens include both chemical (gammexene) and physical (X-ray) agents.

The clastogenic effects are often used as parameters of genotoxicity. The end points for the test of genotoxicity at the microscopic level are chromosomal changes, fragments and micronuclei, mostly observed at the metaphase and later stages.

The standard test system used in higher plants are Allium cepa, Tradescantia virginiana, Vicia faba, Hordeum vulgare and Zea mays. All clastogens, in general, are mutagens as well, but all mutagens are not necessarily clastogens. Specially those which cause point mutation like X-rays in low dosage is a mutagen whereas in high dosage it may be clastogen.

Carcinogens are a group of chemicals which causeancer in animals and humans. The carcino­gens affect DNA, preventing it from giving the necessary directions for the synthesis of sub­stances which control cell growth. Most carcino­gens act as mutagens and both kinds of effects are related to DNA damage.

Radiation and many chemical carcinogens act by damaging DNA and inducing mutations. Most common carcinogens are aflatoxin, dimethyl nitrosamine, nickel- carbonyl, benzo (α-) pyrene, α-naphthylamine, vinyl chloride, etc.

Teratoma are considered as abnormal body developments in early embryogenesis. The agents either physical (X-ray) or chemical (cocaine) which cause such abnormalities are termed as teratogens. The susceptibility to terato­gens is also a factor controlled by individual genetic system.

Ames test, developed by Bruce Ames, is a rapid inexpensive and easy test for mutagens. This is a screening method for measuring the ability of potential carcinogens to induce mutations (most carcinogens act as mutagens). He worked with a strain of Salmonella typhimurium that requires histidine to grow.

However, it will grow in presence of a carcinogenic muta­gen that causes the defective gene in histidine pathway to revert to the wild type.

Histidine auxotrophic bacteria are plated onto agar containing very little histidine and treated with substance under test. Only those bacteria that revert to the wild type, be able to synthesize histidine, will form colonies (Fig. 13.1A). Colony counting indicates the mutagenicity of the substance to be tested.

The test can be modified to detect pro-carcinogens by adding rat liver homogenates to the medium which causes biochemical modifications of the chemi­cal to become carcinogenic.

Note # 7. Molecular Basis of Gene Mutation:

The mutation may arise out of:

A. Base-pair Substitution:

Base-pair sub­stitution results in the incorporation of wrong bases during replication or repair of DNA. In base-pair changes, one base of triplet codon is substituted by another, resulting in changed codon. If the original message or reading frame is CAC GAC CAC GAC CAC, after A being substi­tuted by G in the third codon, it will be CAC GAC CGC GAC CAC.

Sickle cell anaemia in human is due to base- pair substitution, a kind of point mutation. The RBC of such individual contains an abnormal haemoglobin and are elongated filamentous sickle shaped. It is inheritable and recessive in nature.

B. Frame Shift Mutation:

A mutation in which there is deletion or insertion of one or a few nucleotides is called frame shift mutation. The name is derived from the fact that there is shift in the reading frame backward or forward by one or two nucleotides. Addition or deletion of one or two bases results in new sequence of codons which may code for entirely different amino acids and the proteins often become non­functional.

If shift involves three nucleotides, the resulting protein is with minor changes in amino acid sequence (only against the region from first base change to third base change of the reading frame). If the original message or reading frame is CAC GAC CAC GAC CAC GAC, then dele­tion of base C at seventh position will change the sequence to CAC GAC ACG ACC ACG AC.

Similarly, the insertion of base G at same position will make the message out of frame — CAC GAC GCA CCA CCA CGA C.

Note # 8. Detection of Gene Mutation:

Different methods have been devised for detection of mutations in different organisms.

A. Sex-linked Lethals Detection (Drosophila):

Lethal mutations induced on sex chromo­some of Drosophila have been detected by the following methods:

This method involves use of a GIB stock of Drosophila which carries

(i) An inversion in heterozygous state to work as crossover suppressor (C)

(ii) A recessive lethal (I) on X-chromosome in heterozygous state, and

(iii) A dominant marker Bar (B) for barred eye. One of the two X-chromosomes in a female fly carried all these 3 features and the other X chromosome was normal.

Male flies irradiated for induction of mutations were crossed to GIB females (Fig. 13.20). Male progeny receiving GIB X-chromosome will die. The GIB female flies obtained in progeny can be detected by barred phenotype.

These are crossed to normal males. In the next generation 50% of males receiving GIB X-chromosome will die. The other 50% males will receive X-chromosome which may or may not carry induced mutation. In case lethal mutation was induced, no males will be observed.

On the other hand, if no lethal mutation was induced, 50% males will survive. Thus, GIB method of Muller was the most effi­cient method for detecting sex linked lethal mutations.

Muller-5 Drosophila stock carries two marker genes-barred and apricot eye on X chromosome and a complex inversion with better crossover suppressor. Muller-5 stock when crossed with irradiated normal male, the F1 generation shows that 50% males are barred, apricot and remaining 50% are normal. But if lethal mutation is induced in X-chromosome of irradiated male, no wild male would appear.

Therefore, absence of wild type males in F2 is an indication of an induced lethal mutation (Fig. 13.21).

B. Fluctuation Test (Bacteria):

Variations occurring in bacteria, e.g., resistance to phage or antibiotics is due to genetic changes through mutation or due to adaptation to environmental condition, was confirmed by fluctuation test carried out by Luria and Delbruck. They allowed the growth of E. coli cells (10 3 cells per ml) in two sets: independent culture – 40 tubes each with aliquots of 0.5 ml bulk culture – one tube with 20 ml.

After an incubation of 36 hours at 37°C small aliquots (0.1 ml) from each tube of the independent cultures, as well as bulk culture were spread over a large number of replica plates coated with T, phage.

Number of phage-resistant colonies growing on each plate was counted which revealed a much greater fluctuation (i.e., a wider variation) exists among the plates prepared from independent cultures than the plates prepared from bulk culture.

The greater fluctuation in independent cultures is mainly due to origin of spontaneous mutation arising independently in different tubes at diffe­rent times during growth.

The number of each resistant mutant arising at different times in inde­pendent culture multiplied during incubation and final number of resistant bacteria in different tubes was widely variable at the time of plating (before coming in contact with phage).

In contrast, the bulk culture contained a uniform population of both sensitive and resistant bacte­ria at the time of plating, i.e., before the bacteria come in contact with phage. Development of resistance due to adaptation will occur only after the bacteria come in contact with phage. This experiment thus proved that resistance appeared due to random mutation, not due to physiological adaptation (Fig. 13.22).

Note # 9. Importance of Gene Mutation:

Mutation is the major source of genetic variation it provides raw mate­rial for evolution. Without mutation all genes will exist in only one form, alleles would not exist. Different organisms would not be able to evolve and adapt to environmental changes.

(b) Application in Plant Breeding:

Mutations are normally deleterious. Gustaffsson estimated that less than one in thousand mutants produced, may be useful in plant breeding. Several important mutants have, however, been obtained in different crops.

(i) In wheat, several useful mutations, viz, branched ears, lodging resistance, amber seed colour and awned spikelet were obtained and utilized in plant breeding. The most remarkable mutation obtained by Swaminathan is Sharbati Sonora. Other important varieties released in India are Pusa Lerma, NP 836.

(ii) In rice, several high yielding elite vari­eties – Reimei, Japonica, Indica have been obtained through mutations. Mutants were also obtained in rice for increased protein and lysine content. Jagannath, I/T48, l/TGO are the products of induced mutation in India.

(iii) In barley, mutant known as erectoides is of high yield. RBD-1, DL-253 are induced mutants in India.

(iv) In Legumes, Hans-pea, Ranjan-lentil, MUM 2-mung bean are mutants developed in India.

(v) Other important mutant varieties relea­sed in India are S 12-tomato, Rasmi-cotton, RLM 514-mustard, Co997-sugarcane, JRC 7447-Jute.

Regular survey by joint FAO and IAEA reported that there has been a highly significant increase in the number of mutant varieties deve­loped in different crops.

(c) Another valuable application of induced mutation is the increased production of antibio­tics, such as penicillin from species of Penicillium.

(d) Somatic mutations have also been found useful in many ornamentals. In tissue cul­ture as well, several somaclonal mutants leading to somatic mutants have been obtained in horti­cultural species.


Clinical Significance

Antibiotic Resistance

Antibiotics work through a variety of mechanisms:[17]

When an antibiotic loses theꃊpacity to kill or control bacterial growth, antibiotic resistance occurs. This can occur in two ways:

These circumstances exacerbate under selective pressure (i.e., the use of antibiotics). Antibiotic resistance can spread both vertically and horizontally through a population. Horizontal transfer is considered the primary mediator of antibiotic resistance. The following are non-comprehensive examples of how two of the classes of antibiotics mentioned above encounter resistance mutations.

DNA Synthesis Inhibitor

In gram-negative bacteria, such as هيليكوباكتر بيلوري, mutation resistance occurs relatively quickly to fluoroquinolones and thereby poses clinical issues for these therapies. Levofloxacin, moxifloxacin, and ciprofloxacin, examples of fluoroquinolones, inhibit DNA synthesis by targeting two homologous enzymes (DNA topoisomerase II and IV).[18] These enzymes are necessary for the supercoiling of bacterial DNA.  

Gram-negative bacterial resistance to fluoroquinolones includes the accumulation of substitution mutations in the coding regions for particular subunits of DNA topoisomerase II. Resistance can be enhanced further by efflux pump modification.[19]਌iprofloxacin targets only the parC subunit while other quinolones target one or more of these subunits.[20]ਏor example, garenoxacin targets both DNA topoisomerases II and IV thus is less prone to resistance. Resistance to Garenoxacin requires both proteins to have resistance mutations.[21]

Combination therapy for هيليكوباكتر بيلوري typically includes clarithromycin (protein synthesis inhibitor), metronidazole (DNA synthesis inhibitor), amoxicillin (Cell wall synthesis inhibitor), or tetracycline (protein synthesis inhibitor), and a proton pump inhibitor.[22][23][24]

Protein Synthesis Inhibitor

Linezolid prevents protein synthesis and is active against resistant Gram-positives.[25] Linezolid inhibits the formation of the 70S ribosomal initiation complex through binding to the 23S portion of the 50S subunit.[26] Infrequent resistance found in strains of S.ਊureus,ਊnd coagulase-negative staphylococci has mutations in the central loop of the domain V region of the 23S rRNA الجين. More specifically,਌linical isolates had a substitution of Thymine for Guanine at the 2576 position.[27][28]

Intrinsically, resistant bacteria have a characteristic resistance within all members of a species or genus. Such resistance may arise because:

Antibiotic resistance mechanisms can also occur by incorporating resistance genes into plasmids, transposons, and integrons. These genes spread through horizontal transfer by conjugation, transformation, or transduction mechanisms. However, the mutation is essential for the evolution or assortment of these genes.


Single-strand viruses show higher mutation rates than double-strand viruses

Single-strand DNA viruses tend to mutate faster than double-strand DNA viruses, although this difference is based on work with bacteriophages, as no mutation rate estimates have been obtained for eukaryotic single-strand DNA viruses [1]. Within RNA viruses, there are no obvious differences in mutation rate among Baltimore classes (Fig.  2 a). The mechanisms underlying these differences are not well understood. One possible explanation for the differences between single and double-strand viruses is that single-strand nucleic acids are more prone to oxidative deamination and other types of chemical damage. Elevated levels of reactive oxygen species (ROS) and other cellular metabolites during viral infections can induce mutations in the host cell and in the virus. For instance, ethanol is likely to synergize with virus-induced oxidative stress to increase the mutation rate of HCV [21]. Differences among single- and double-strand DNA viruses may also be explained in terms of their access to post-replicative repair. Work with bacteriophage ϕX174 has provided interesting clues on this issue. In enterobacteria, methyl-directed mismatch repair (MMR) is performed by MutHLS proteins and Dam methylase. Dam methylation of GATC sequence motifs is used to differentiate the template and daughter DNA strands and is thus required to perform mismatch correction [22]. Mismatches are recognized by MutS, which interacts with MutL and leads to the activation of the MutH endonuclease, which excises the daughter strand. However, the genome of bacteriophage ϕX174 has no GATC sequence motifs, even if approximately 20 such sites are expected by chance. As a result, the ϕX174 DNA cannot undergo MMR. This contributes to explaining the relatively high mutation rate of this virus, which falls on the order of 10 𢄦  s/n/c, a value three orders of magnitude above that of الإشريكية القولونية and highest among DNA viruses [23]. Avoidance of GATC motifs may be a consequence of selection acting on mutation rate, but also of other selective factors. For instance, inefficient methylation of the phage DNA may render it susceptible to cleavage by MutH, therefore imposing a selection pressure against GATC sequence motifs [24].

As opposed to bacteriophage ϕX174, the link between post-replicative repair and mutation rate is still unclear in eukaryotic viruses. Numerous studies have shown that viruses interact with DNA damage response (DDR) pathways by altering the localization or promoting the degradation of DDR components [25, 26]. For instance, the adenoviral E4orf6 protein promotes proteasomal degradation of TOPBP1, a DDR component [27]. DDR activation can occur as an indirect consequence of cellular stress due to the infection per se or as a part of an antiviral response, which would be in turn counteracted by viruses. Although DNA viruses tend to promote genomic instability in the host cell, it remains to be shown whether DDR dysregulation can determine DNA virus mutation rates.


Can you detect if a mutation is spontaneous or induced? - مادة الاحياء

Most mistakes during replication are corrected by DNA polymerase during replication or by post-replication repair mechanisms.

Learning Objectives

Explain how errors during replication are repaired

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • Mismatch repair enzymes recognize mis-incorporated bases, remove them from DNA, and replace them with the correct bases.
  • In nucleotide excision repair, enzymes remove incorrect bases with a few surrounding bases, which are replaced with the correct bases with the help of a DNA polymerase and the template DNA.
  • When replication mistakes are not corrected, they may result in mutations, which sometimes can have serious consequences.
  • Point mutations, one base substituted for another, can be silent (no effect) or may have effects ranging from mild to severe.
  • Mutations may also involve insertions (addition of a base), deletion (loss of a base), or translocation (movement of a DNA section to a new location on the same or another chromosome ).

الشروط الاساسية

  • mismatch repair: a system for recognizing and repairing some forms of DNA damage and erroneous insertion, deletion, or mis-incorporation of bases that can arise during DNA replication and recombination
  • nucleotide excision repair: a DNA repair mechanism that corrects damage done by UV radiation, including thymine dimers and 6,4 photoproducts that cause bulky distortions in the DNA

Errors during Replication

DNA replication is a highly accurate process, but mistakes can occasionally occur as when a DNA polymerase inserts a wrong base. Uncorrected mistakes may sometimes lead to serious consequences, such as cancer. Repair mechanisms can correct the mistakes, but in rare cases mistakes are not corrected, leading to mutations in other cases, repair enzymes are themselves mutated or defective.

الطفرات: In this interactive, you can “edit” a DNA strand and cause a mutation. Take a look at the effects!

Most of the mistakes during DNA replication are promptly corrected by DNA polymerase which proofreads the base that has just been added. In proofreading, the DNA pol reads the newly-added base before adding the next one so a correction can be made. The polymerase checks whether the newly-added base has paired correctly with the base in the template strand. If it is the correct base, the next nucleotide is added. If an incorrect base has been added, the enzyme makes a cut at the phosphodiester bond and releases the incorrect nucleotide. This is performed by the exonuclease action of DNA pol III. Once the incorrect nucleotide has been removed, a new one will be added again.

DNA polymerase proofreading: Proofreading by DNA polymerase corrects errors during replication.

Some errors are not corrected during replication, but are instead corrected after replication is completed this type of repair is known as mismatch repair. The enzymes recognize the incorrectly-added nucleotide and excise it this is then replaced by the correct base. If this remains uncorrected, it may lead to more permanent damage. How do mismatch repair enzymes recognize which of the two bases is the incorrect one? في بكتريا قولونية, after replication, the nitrogenous base adenine acquires a methyl group the parental DNA strand will have methyl groups, whereas the newly-synthesized strand lacks them. Thus, DNA polymerase is able to remove the incorrectly-incorporated bases from the newly-synthesized, non-methylated strand. In eukaryotes, the mechanism is not very well understood, but it is believed to involve recognition of unsealed nicks in the new strand, as well as a short-term continuing association of some of the replication proteins with the new daughter strand after replication has been completed.

Mismatch Repair: In mismatch repair, the incorrectly-added base is detected after replication. The mismatch-repair proteins detect this base and remove it from the newly-synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly-paired base.

In another type of repair mechanism, nucleotide excision repair, enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3′ and 5′ ends of the incorrect base. The segment of DNA is removed and replaced with the correctly-paired nucleotides by the action of DNA pol. Once the bases are filled in, the remaining gap is sealed with a phosphodiester linkage catalyzed by DNA ligase. This repair mechanism is often employed when UV exposure causes the formation of pyrimidine dimers.

DNA Ligase I Repairing Chromosomal Damage: DNA damage, due to environmental factors and normal metabolic processes inside the cell, occurs at a rate of 1,000 to 1,000,000 molecular lesions per cell per day. A special enzyme, DNA ligase (shown here in color), encircles the double helix to repair a broken strand of DNA. DNA ligase is responsible for repairing the millions of DNA breaks generated during the normal course of a cell’s life. Without molecules that can mend such breaks, cells can malfunction, die, or become cancerous. DNA ligases catalyse the crucial step of joining breaks in duplex DNA during DNA repair, replication and recombination, and require either Adenosine triphosphate (ATP) or Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) as a cofactor.

Nucleotide Excision Repairs: Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

DNA Damage and Mutations

Errors during DNA replication are not the only reason why mutations arise in DNA. Mutations, variations in the nucleotide sequence of a genome, can also occur because of damage to DNA. Such mutations may be of two types: induced or spontaneous. Induced mutations are those that result from an exposure to chemicals, UV rays, X-rays, or some other environmental agent. Spontaneous mutations occur without any exposure to any environmental agent they are a result of natural reactions taking place within the body.

Mutations may have a wide range of effects. Some mutations are not expressed these are known as silent mutations. Point mutations are those mutations that affect a single base pair. The most common nucleotide mutations are substitutions, in which one base is replaced by another. These can be of two types: transitions or transversions. Transition substitution refers to a purine or pyrimidine being replaced by a base of the same kind for example, a purine such as adenine may be replaced by the purine guanine. Transversion substitution refers to a purine being replaced by a pyrimidine or vice versa for example, cytosine, a pyrimidine, is replaced by adenine, a purine. Mutations can also be the result of the addition of a base, known as an insertion, or the removal of a base, known as a deletion. Sometimes a piece of DNA from one chromosome may get translocated to another chromosome or to another region of the same chromosome.


Spontaneous and ultraviolet-induced mutations on a single-stranded shuttle vector transfected into monkey cells

The shuttle vector plasmid PCF3A, carrying the supF target gene, can be transfected into monkey COS7 cells as single-stranded or double-stranded DNA. Single strand-derived plasmid progeny exhibited a 10-fold higher spontaneous mutation frequency that double strand-derived progeny. The location of spontaneous mutations obtained after transfection of the single-stranded vector shared similarities with that for double-stranded vectors. However, the nature of base changes was very different. Single-stranded PCF3A DNA was used to study ultraviolet-induced mutagenesis. An earlier report (Madzak and Sarasin, J. Mol. Biol., 218 (1991) 667–673) showed that single-stranded DNA exhibited a lower survival and a higher mutation frequency than double-stranded DNA after ultraviolet irradiation. In the present report, sequence analysis of mutant plasmids is presented. The use of a single-stranded vector allowed us to show the targeting of mutations at putative lesion sites and to determine the exact nature of the base implicated in each mutation. Frameshift mutations were more frequent after transfection of control on irradiated plasmid as single-stranded DNA than as double-stranded DNA. Multiple mutations, observed at a high frequency in the spontaneous and ultraviolet-induced mutation spectra following single-stranded DNA transfection, could be due to an error-prone polymerisation step acting on a single-stranded template.


D. Size and Quality

According to size following two types of mutations have been recognized:

1. Point mutation

When heritable alterations occur in a very small segment of DNA molecule, i.e., a single nucleotide or nucleotide pair, then this type of mutations are called “point mutations”. The point mutations may occur due to following types of subnucleotide change in the DNA and RNA.

– Deletion mutations. The point mutation which is caused due to loss or deletion of some portion (single nucleotide pair) in a triplet codon of a cistron or gene is called deletion mutation.

– Insertion or addition mutation. The point mutations which occur due to addition of one or more extra nucleotides to a gene or cistron are called insertion mutations.

The mutations which arise from the insertion or deletion of individual nucleotides and cause the rest of the message downstream of the mutation to be read out of phase, are called frameshift mutations.

– Substitution mutation. A point mutation in which a nucleotide of a triplet is replaced by another nucleotide, is called substitution mutation.

2. Multiple mutations or gross mutations.

When changes involving more than one nucleotide pair, or entire gene, then such mutations are called gross mutations. The gross mutations occur due to rearrangements of genes within the genome. It may be:

  1. The rearrangement of genes may occur within a gene. Two mutations within the same functional gene can produce different effects depending on gene whether they occur in the cis or trans position.
  2. The rearrangement of gene may occur in number of genes per chromosome. If the numbers of gene replicas are non-equivalent on the homologous chromosomes, they may cause different types of phenotypic effects over the organisms.
  1. Due to movement of a gene locus new type of phenotypes may be created, especially when the gene is relocated near heterochromatin. The movement of gene loci may take place due to following method:

(i) Translocation. Movement of a gene may take place to a non-homologous chromosome and this is known as translocation.

(ii) Inversion. The movement of a gene within the same chromosome is called inversion.


Can you detect if a mutation is spontaneous or induced? - مادة الاحياء

10 9 his - Salmonella bacteria, which cannot grow in the absence of the amino acid histidine . In this control experiment, the small number (

10 2 ) of white colonies are derived from single bacteria that have undergone spontaneous reversion mutations إلى his + . The reversion test is thus extremely sensitive, because it can detect mutation rates as small as 1/10 9 - 2 = 10 -7 / cell.

In the experiment on the right, the disc at the center of the dish contains a mutagenic chemical. As it diffuses outward, the chemical at high concentration is toxic and at first kills all the bacteria (clear circle around the disc), but at lower concentrations gives rise to induced reversion mutations , seen as closely-packed revertant ( his + ) colonies. As the concentration continues to decrease towards the outer periphery of the plate, the frequency of revertant colonies falls to about the same as in the control experiment at left. In cell culture, it is therefore possible to measure the precise degree of mutagenicity at a range of concentrations.

The Ames Test uses the bacterial reversion assay to measure mutagenicity as the difference between the induced and spontaneous rates of reversion mutation at various concentrations of the mutagenic substance.


شاهد الفيديو: دور التحليل الجيني في الكشف عن الأمراض (كانون الثاني 2022).