Genetická variabilita - mutace Kromě vzniku mechanizmu uchování a přenosu genetické informace je umožnění jejích změn - variability - základní podmínkou evoluce života. Výsledkem genetické variability je individuální identita jedinců jednotlivých druhů, tedy genetická různorodost, jinak řečeno genetická diverzita. Vznik genetické různorodosti byl výhodným evolučním mechanizmem a podílela se na něm celá řada faktorů, z nichž nejpodstatnější můžeme schematicky rozdělit následovně: hlavní mechanizmy vzniku genetické variability segregace vloh do gamet v průběhu redukčního dělení rekombinace jako výsledek procesu crossing-over pohlavnost a pohlavní rozmnožování mutace DNA (genů ), chromozomů, genomu základní příčiny genetické diverzity Nejpodstatnějším mechanizmem evoluce genomu jako takového byly mutace, což jsou náhlé, náhodné, neusměrněné změny genetického materiálu, tj. DNA a jejích nositelů (zejména chromozómů). Jako mutace jsou označovány všechny takové změny genetické informace, které nejsou výsledkem segregací a rekombinací částí genotypů již existujících. Variabilita genotypů podmíněná segregačním a rekombinačním procesem (ale také pohlavím) byla popsána v předchozích kapitolách. Mutace vzniká náhle, skokem, je tedy změnou genetického materiálu neusměrněnou, tzn., že nelze předpovídat její velikost ani účinek. Nevzniká sama od sebe, ale jako každý následek mají i mutace svoji příčinu, která tkví v působení tzv. mutagenních faktorů - mutagenů na genetický materiál. Mutagenní faktory Z praktického hlediska jsou nejdůležitějšími mutagenními faktory (mutageny) fyzikální, chemické nebo biologické agens, které signifikantně působí na vznik mutací - jsou genotoxické (= toxické pro genetický materiál). Je nezbytné genotoxicitu znát a nepovolit nebo přísně regulovat používání nejrůznějších látek s prokázanou genotoxicitou (některé léky, pesticidy, herbicidy, barviva, konzervační a desinfekční látky aj.) Fyzikální mutageny jsou reprezentovány různými zdroji záření, především ionizujícího a ultrafialového. Ultrafialové záření neproniká do hlubších partií těla a poškozuje jako mutagen zpravidla jen genetický materiál buněk kůže (vznik kožních nádorů). Záření absorbuje
organizmus jednak z umělých a jednak z přirozených zdrojů. Uvádí se, že z celkové dávky absorbovaného záření za život člověka pochází 2/3 z přirozených zdrojů (kosmické záření, záření z podloží, radiační pozadí aj.) a 1/3 z umělých zdrojů (diagnostické a léčebné zákroky, profesionální expozice, jaderné elektrárny, výbuchy a havárie). Stejná dávka záření aplikovaná jednorázově má mutagenní efekt asi 2 až 3 krát větší než dávka dlouhodobá. Přitom však v podstatě neexistuje dávka záření, která by byla zcela neškodná. Každé zvýšení jakékoliv radiace vede ke zvýšení pravděpodobnosti vzniku mutací. Mutagenní účinek záření se prolíná s kancerogenním působením, čehož dokladem je zvýšený výskyt leukémií a jiných malignit u lidí ozářených po jaderném bombardování, po haváriích atomových reaktorů apod. Odhaduje se, že patologické stavy vzniklé v důsledku působení fyzikálních mutagenů jsou jen zlomkem všech mutací vznikajících v populaci. Z dalších fyzikálních mutagenů je nutno upozornit na působení ultrazvuku. Ultrasonografie se stala běžnou vyšetřovací metodou v humánní diagnostice. Jeho mutagenní účinky nebyly v praxi přímo prokázány. Experimentálně však může ultrazvuk způsobovat mechanické změny chromozómů, zejména v senzitivních (predisponovaných) buňkách. Chemické mutageny jsou reprezentovány širokou škálou látek, které jsou předmětem výzkumu a testování. Uvádí se, že chemický průmysl přináší ročně na trh okolo 500 chemických látek, z nichž řada může být genotoxická a může být potenciálním genetickým rizikem. Proto jsou chemické látky nejvýznačnější skupinou mutagenů. Je běžné nepovolit nebo omezit používání chemické látky, která je toxická. Jen pomalu se však, zvláště v některých zemích, prosazuje testování chemických látek i z hlediska genotoxicity. Přitom řada netoxických látek může být genotoxická a navíc genotoxicita se projevuje již v mnohdy i řádově nižší koncentraci. Výzkum genotoxicity je ztížený tím, že mutagenní účinek nezpůsobuje mnohdy chemická látka sama, ale až produkt jejího metabolizmu v organizmu. Jindy naopak známý mutagenní efekt chemické látky se může v rámci jejího metabolického procesu zrušit vytvořením mutagenně neúčinných produktů. Podle zdroje mohou být chemické mutageny rozděleny pracovně do čtyř skupin: - léky - látky získávané potravou - pesticidy (látky používané v ochraně rostlin - ostatní chemické látky U léků byl mutagenní účinek prokázán u řady cytostatik, jako je např. aminopterin, vinkristin, vinblastin. Z antibiotik lze uvést např. mitomycin, actinomycin, z psychofarmak chlorpromazin, reserpin, LSD. Z řady ostatních léků může jako příklad posloužit chinin, kodein, morfin aj. Z hlediska genetického rizika představují léky nejzávažnější riziko především pro lidskou populaci při jejich dlouhodobém používání ve vysokých dávkách.
Látky získávané potravou představují různorodou skupinu a patří mezi ně např. umělá sladidla (cyklamáty i sacharin), některé konzervační látky (např. kyselina benzoová) a některé mykotoxiny (zejména aflatoxin), kterými jsou kontaminovány špatně skladovaná nebo nevhodně technologicky zpracovaná krmiva. Ze zemědělského hlediska je nejvýznamnější skupina látek - pesticidy, které vzhledem ke svému širokému použití mohou po léta ovlivňovat celou populaci zvířat i lidí, např. jako součást krmiv a potravy. Patří sem řada insekticidů - přípravků proti živočišným škůdcům, ať již na bázi chlorovaných uhlovodíků, organofosfátů apod., dále mnohé fungicidy - přípravky proti houbovým chorobám, herbicidy - přípravky proti plevelů, fumiganty - přípravky používané v uzavřených prostorách ke skladování potravin a chemosterilanty - přípravky používané k eradikaci specifických druhů škodlivého hmyzu. Mezi ostatní patří chemické látky vyskytující se v nejrůznějších složkách životního prostředí, jako jsou různá barviva, lepidla, rozpouštědla a další, např. benzen, dieter, trimetylfosfát, akrolein aj. Jsou genetickým rizikem zejména pro pracovníky provozů, v nichž jsou vyráběny nebo používány. Biologické mutageny jsou reprezentovýány především viry. Již sama schopnost viru inkorporovat se do molekuly DNA hostitele naplňuje podstatu mutace jako takové. Přitom jejich schopnost poškodit DNA a následně i buňku a hostitele je různorodá. Nejvýznamnější skupinou jsou tzv. onkogenní viry, které jsou schopny vyvolat karcinogenezi. Příkladem je např. virus Rousova sarkomu, který vyvolává vznik tumorů u kuřat. Genom virů je specifický tím, že obsahuje kromě genů důležitých pro replikaci viru i další geny označované jako virové onkogeny. Homologické onkogeny s virovými byly zjištěny i v molekule DNA člověka, kde se označují jako protoonkogeny (buňkové onkogeny). Připisuje se jim důležitá úloha v regulaci proliferace buněk a další funkce. Mutačním procesem se mohou např. u lidí tyto proonkogeny aktivovat na buněčné onkogeny. Projevem této aktivace jsou kvalitativní a kvantitativní změny v jejich genovém produktu, které v konečném důsledku zodpovídají za ztrátu růstové kontroly buňky a její transformaci na maligní. Jiné mutace protoonkogenů mohou vést k jejich transformaci na antionkogeny, které nepůsobí aktivně na vznik malignity buněk. Klasifikace mutací Mutace můžeme třídit podle celé řady kriterií, které vybíráme podle toho z jakého hlediska potřebujeme mutace hodnotit. 1. Z hlediska lokalizace mutací v genotypu rozdělujeme mutace na: genové (změny v molekule DNA), chromozomální (chromozomální aberace – změny struktury a tvaru
chromozómu), genomové (změny v chromozomálním počtu) a mutace nechromozomální (mimojaderné). Genové mutace Jsou změny postihující gen, tzn., že mutagenní faktor působí změnu ve stavbě DNA, která je reprezentována změnou nukleotidové sekvence na určitém místě (bodě) v genu. Proto jsou nazývány mutacemi bodovými. Mutace genové můžeme dále rozdělit na mutace genů strukturních, tj. genů kódujících vznik jednotlivých genových produktů (proteinů, enzymů, antigenů apod.) a mutace skupiny regulačních genů regulujících projev (indukci nebo represi) genů strukturních. Výsledkem takovéto mutace regulačních genů je např. to, že vzniká nefunkční represor, neaktivní operátor apod., což vede v obou případech k poruše regulace příslušných strukturních genů, což se může projevit např. konstitutivní syntézou proteinů kódovaných příslušnými strukturními geny. Proteiny v takovémto případě vznikají trvale, bez ohledu na jejich potřebu. Naopak jiná mutace regulačních genů může vést k trvalé blokádě jejich realizace (represi) a genové produkty kódované příslušnými strukturními geny vůbec nevznikají. Je samozřejmé, že chybění i nadbytek genového produktu se projeví ve fenotypu nositele mutace. Ke změnám v sekvenci nukleotidů v molekule DNA (genovým mutacím) může docházet různými způsoby, podle čehož se rozlišují jednotlivé typy genových mutací: a) d e l e c e - chybění jednoho či více po sobě následujících párů bází. Př.: původní stav A-T C-G G -C T-A
stav po mutaci A-T C-G T -A
Vznikající bílkovina se liší zpravidla ve více aminokyselinách. Výjimečně pouze v jedné tehdy, když dojde k deleci celého tripletu. b) i n z e r c e - včlenění jednoho nebo několika nových párů bází do původní sekvence Př.: původní stav A-T C-G G-C T-A
stav po mutaci A-T T-A C-G G-C A-T
Vznikající bílkovina se liší rovněž ve více aminokyselinách. Dojde-li k inzerci celého tripletu mezi dva stávající, pak následně vznikající protein má i aminokyselinu navíc. c) i n v e r z e - převrácení pořadí dvou nebo více po sobě následujících párů bází Př.: původní stav A-T C-G G-C T-A
stav po mutaci A-T G-C G-C T-A
Vznikající bílkovina se liší zpravidla jen v jedné aminokyselině. d) s u b s t i t u c e - záměna jednoho či několika po sobě následujících párů bází páry jinými. Př.: původní stav A-T C-G G-C T-A
stav po mutaci G-C C-G G-C T-A
Bílkoviny následně po substituci vznikající se liší zpravidla jen v jedné aminokyselině. Genové mutace vznikají zpravidla jako chyby při replikaci DNA. Z hlediska dalšího přenosu genetické informace mohou vznikat mutace i jako chyby při transkripci a translaci. Většina genových mutací je přenášena z mateřské molekuly DNA při replikaci do všech molekul dceřinných. Jindy ze zmutované DNA vzniká jedna molekula dceřinná normální a druhá mutantní. Klasickým příkladem genových mutací jsou varianty celé řady proteinů, které se většinou liší substitucí jediné aminokyseliny. Např. v lidském hemoglobinu, v jeho beta - peptidickém řetězci, může být na šesté pozici místo normálně glutamové kyseliny valin, který způsobuje srpkovitost červených krvinek a je označován hemoglobin S. Jiná varianta, hemoglobin C, má na téže pozici místo kyseliny glutamové lysin. V prvním případě jde tedy o změnu kodonu GAA či GAG v mRNA na GUA či GUG (tedy změnu druhé báze tripletu), ve druhém případě jde o záměnu GAA či GAG na AAA či AAG (změna první báze tripletu). Podobných
abnormálních mutant hemoglobinu je již známo více než 40 a každá z nich se fenotypově projevuje poněkud jinak. Genové mutace je možné zjistit pouze genetickými metodami - podle jejich projevu ve fenotypu nositele. Chromozómální mutace (chromozómální aberace) Jsou v širším slova smyslu všechny úchylky chromozómů, které představují změnu jejich struktury a tvaru (změny v počtu chromozómů jsou řazeny mezi mutace genomové). Zjišťujeme je cytogenetickými metodami, tj především analýzou karyotypu a identifikujeme je jako konkrétní tvarové nebo strukturální odchylky od karyotypu normálního. Chromozómové aberace se mohou týkat různě velkého segmentu chromozómu. Je však si potřeba uvědomit, že i ten nejmenší úsek může obsahovat velký počet genů. Je proto plný předpoklad, aby se chromozómové aberace odrážely ve fenotypu jedince. Jeho poškození přitom odvisí zejména od druhu chromozómu, ve kterém k aberaci došlo, od typu aberace a její lokalizace. Ke vzniku chromozómových aberací dochází tak, že mutagenní faktor způsobí zlom v určitém místě chromozómu, popř. chromatidy, případně zlomů několik. Jejich výsledkem je vznik fragmentu(ů) nesoucích v nich lokalizovanou genetickou informaci. Podle dalšího osudu vzniklého fragmentu rozlišujeme jednotlivé typy aberací. Aberantní chromozómy vznikající v průběhu gametogeneze jsou předávány jedincům další chromozómové generace. V první fázi pak způsobují cytologické změny v párování chromozómů při dělení buněk, které jsou cytogeneticky detekovatelné, poruchy oplození, reprodukce apod. V další fázi se pak mohou manifestovat projevem ve fenotypu jejich nositelů v různých etapách ontogenetického vývoje a determinovat vznik různých anomálií (patologických stavů), jako je neplodnost, snížená životaschopnost až mortalita. Genomové mutace Genomové mutace představují změny – zvýšení nebo snížení počtu chromozómu od normálního stavu. Odchylky v počtu jednotlivých chromozómů označujeme jako aneuploidie, znásobení celých chromozomálních sad jako polyploidie, a redukci celých chromozomálních sad jako haploidie. Aneuploidie Pokud dojde při aneuploidii ke ztrátě chromozómů, přibližně v rozsahu nad 5 % genomu nebo naopak k jeho zmnožení nad 10 % genomu, je takový stav zpravidla neslučitelný se životem. Zygoty nebo zárodky zanikají během časných fází ontogeneze. Změny menšího rozsahu vedou ke vzniku různých tělesných malformací, snížené plodnosti až neplodnosti, infantilizmu, snížení životaschopnosti a u člověka k poruchám psychických vlastností, snížení
inteligence apod. Frekvence aneuploidií u potomků se výrazně zvyšuje s věkem matek. Nejznámějšími příklady aneuploidií jsou: Downův syndrom – trizómie lidského chromozómu č. 21 (výskyt 1: 700) Edwardsův syndrom – trizómie chromozómu č. 18 (výskyt 1: 7 500) Patauův syndrom – trizómie chromozómu č. 13 (výskyt 1: 4 – 10 000) Turnerův syndrom – chybění jednoho ze dvou X chromozómů ženy (výskyt 1: 4 000) Klineferterův syndrom – zdvojení X chromozómu u muže (výskyt 1 : 500 – 1 000) XXX syndrom - trizómie X chromozómu (zdvojení jednoho z X chromozómů ženy) (výskyt : 1 000) XYY syndrom – zdvojení Y chromozómu u muže (výskyt 1: 1 000) Na rozdíl od živočichů, u rostlin nemají aneuploidie z hlediska přežití jedince tak dramatické následky. Rostliny s chybějícím chromozómem (monozómií) nebo dokonce s chybějícím chromozómovým párem (nulizómií) mohou přežít, mají však zpravidla sníženou vitalitu nebo fertilitu. Polyploidie Rovněž genomové mutace typu polyploidie se projevují různě u rostlin a živočichů. Pokud dojde k polyploidii u obratlovců v buňkách zárodečné linie, pak je takovýto stav neslučitelný se životem. V jednotlivých tkáních se však polyploidie vyskytovat může a v některých tkáních je její výskyt běžný (např. velký díl jaterních buněk má polyploidní karyotyp). U některých druhů obojživelníků nebo ryb je polyploidie druhovým znakem, který se vyvinul a fixoval v průběhu fylogenetického vývoje (oktaploidem je např. jeseter). Pravá polyploidie existuje u celé řady rostlinných druhů. Haploidie Při haploidii je normální chromozomální počet redukován na polovinu. U některých rostlinných i živočišných druhů je haploidie slučitelná se životem a je dokonce druhovým, fylogeneticky fixovaným znakem, např. u tzv. diplohaploidních organizmů (včely – trubci). Haploidie vzniklé jako důsledek mutace je u vyšších živočichů neslučitelná se životem. 2. Z hlediska praktického je účelné členit mutace na spontánní a indukované, i když ani spontánně vzniklé mutace nevznikají samovolně, ale jsou důsledkem působení neidentifikovatelných činitelů.
Spontánní mutace Výzkum spontánních mutací je velmi problematický. Vznikají jako důsledek mutagenní zátěže daného prostředí,ve kterém se příslušné genotypy realizují. Mutagenní zátěž může být přitom tvořena širokým spektrem mutagenních činitelů fyzikálního, chemického nebo biologického charakteru. Jiná je v odlišných nadmořských výškách, na odlišném podloží, v prostředí kde se pracuje se štěpným nebo jiným mutagenní materiálem apod. I spontánní mutace vznikají tedy po zásahu některého z mutagenních faktorů, které však nejsme schopni kvalitativně identifikovat ani kvantifikovat. Výsledkem spontánního působení mutagenních faktorů je určitý počet vzniklých mutací jednotlivých genů, který vyjadřujeme četností jejich výskytu – frekvencí. Frekvence bodových mutací (u) se vyjadřuje jako poměr, který vyjadřuje na kolik normálních genů (n) připadá jedna nově vzniklá mutace: 1 u = ---------
n Ke spontánním mutacím dochází velmi zřídka, jejich frekvence je velmi nízká, ale zdaleka ne bezvýznamná. Např. u Drosophily vzniká řádově jedna mutace na 100 000 replikací genů. U člověka je udávána průměrná mutační frekvence 1 gen na asi 400 000 gamet, tj. 4 · 10-5. Podstatně nižší jsou mutační frekvence u mikroorganizmů, kde dosahují hodnot kolem 10-12. Přitom jednotlivé geny pro různé vlastnosti mutují s různou frekvencí, některé častěji, jiné jen vyjímečně. U zvířat, rostlin i mikroorganizmů byly popsány tzv. mutátorové geny, které způsobují, že určitý gen nebo i více genů výrazně zvyšuje svou mutační rychlost. V některých případech se používá stanovení odhadu frekvencí mutací na celý genom. Pro lidskou populaci se uvádí průměrný počet 15 – 25 nově vzniklých mutací na haploidní genom za generaci, tj. 30 – 50 na zygotu. Je skutečností, že velká část z těchto nově vzniklých mutací má letální charakter a je proto eliminována již v preimplantačním stádiu nebo vede později k abortu plodu. Řada z takovýchto mutací se odrazí pouze ve snížené plodnosti. V kapitole věnované chromozómovým mutacím jsme dokumentovali zvyšování frekvencí jejich výskytu s věkem matky. Je zajímavé, že genové (bodové) mutace naopak souvisí s věkem otce. Frekvence mutací chromozomálních (aberací), euploidií nebo aneuploidií se vyjadřuje zpravidla jako procento jejich výskytu, tj. četnost výskytu konkrétní mutace na 100 narozených plodů nebo jedinců v populaci. Indukované mutace Na rozdíl od spontánních jsou indukované mutace vyvolány přesně definovaným, mnohdy experimentálně cíleným mutagenním faktorem. U vyšších živočichů se záměrná indukce
mutací nevyužívá vzhledem k tomu, že mutace vznikají neusměrněně, tzn. mutují i ty geny, jejichž současný stav je výhodný, a proto většina mutací má za následek zhoršení stavu. Z živočichů se k experimentálním účelům vyvolává indukce mutací především u laboratorních zvířat, a ne to s cílem zlepšení genotypu potomků, ale z důvodů testování mutagenní aktivity určitých látek. Široce je indukce mutací využíváno u mikroorganizmů, kde úspěšné šlechtění např. kmenů Penicillia bylo založeno vlastně jen na selektování mutovaných kmenů po ozařování. 3. Z hlediska typu buněk, ve kterých mutace vznikají lze mutace členit na gametické a somatické. Gametické mutace Gametické mutace jsou takové, které vznikly v zárodečných buňkách – gametách a jsou jejich prostřednictvím přenášeny do další generace. Dojde-li k oplození této gamety (či touto gametou), přechází do zygoty a do všech buněk vznikajícího organizmu. Projeví se fenotypově v tom znaku, který příslušná mutace určuje. Jestliže se pojem mutace nespecifikuje, rozumí se vždy mutace gametická. Somatické mutace Somatické mutace vznikají naproti tomu v období po prvním rýhovacím dělení zygoty. Vznikají tedy až v somatických buňkách a přenáší se dále jen na potomstvo (klon) té somatické buňky, v níž vznikly. V takovém případě se hovoří o tzv genetické mozaice, kdy různé klony buněk (tkáně) nesou různé formy zmutovaných nebo původních alel. Danou mutaci nese klon buněk odvozený od výchozí zmutované buňky, čili přenáší se jen na menší část tkání či orgánů jedince. Značná část somatických mutací se do další generace nepřenáší. Pouze ty somatické mutace, které postihly buňky, z nichž vzniká zárodečný epitel pohlavních žláz, se přenáší meiozou do poloviny z ní vyzrávajících gamet a jejich prostřednictvím do další generace. Výskyt somatických mutací v buňkách stoupá s jejich stářím, a to jak genových, tak chromozómových i genomových. Exaktním šetřením byl prokázán značně vyšší počet aneuploidních buněk u starších jedinců. Zvýšení somatických mutací s věkem má svou příčinu i v kumulaci působení mutagenních faktorů a je považováno i za jednu z příčin stárnutí. Negativní význam somatických mutací pro jedince je tím vyšší, čím dříve při vývoji zárodku vzniknou. Jde-li o mutace chromozómové, pak mohou různé buňky organizmu nést různé mutace a hovoříme proto o tzv. chromozómové mozaice. Somatické mutace mohou postihnout tedy jakoukoliv formu genetického materiálu a v konečném důsledku mohou vést až k jeho degradaci. Dosud se ví jen málo o odúmrtí DNA
a o mechanizmech, kterými se nejprve chromozóm a poté molakula DNA odbourávají na své základní složky. 4. Podle nadřazenosti nebo podřazenosti mutované alely vůči původní se mutace historicky člení na přímé (recesivní) a zpětné (dominantní). Přímé mutace Jako přímá mutace se označuje stav, kdy se vzniklý mutant jeví vůči původní formě genu jako recesivní. Každý konkrétní stav genu diferencovaný v průběhu evolučního vývoje dává jeho nositeli většinou optimální možnost reakce na stávající podmínky prostředí. Takovéto geny jsou tzv. standardní a jsou zpravidla dominantní nad geny vznikajícími z nich mutačním procesem. Přímá mutace je proto mutací standardních (divokých) genů a jsou proto recesivní. Recesivní mutací se mění dominantní forma existence genu na formu recesivní. Zpětné mutace Nově vzniklá forma genu není však změnou trvalou, ale naopak může mutovat zpět na původní stav. Takového mutace se nazývají zpětné a jsou mutacemi dominantními, protože recesivní forma genu (alela) mutuje na formu existence dominatní. Schematicky můžeme vedený stav znázornit takto: přímá recesivní mutace
A
a
zpětná dominantní mutace Mutace přímé vznikají zpravidla s vyšší mutační frekvencí (u = 1/n) než mutace zpětné (v = 1/n), tzn. že u > v. Mutační frekvence je poměr zmutovaných genů k celkovému počtu genů. 5. Podle účinku na fenotyp nositele se člení mutace na vitální a letální. Jako vitální jsou označovány takové mutace, které vedou ke změně genotypu v příznivém smyslu (což je velmi vyjímečné) nebo se alespoň neprojevují drastickým snížením životaschopnosti a reprodukčních schopností mutanta. S vitálními mutacemi se můžeme setkat zejména u prokaryotních organizmů nebo u rostlin, u nichž jsou předmětem pozitivního výběru i záměrných indukcí. Mutanti získávají v řadě případů selekční výhodu pro schopnost produkce např. specifické protilátky, enzymu
s vyšší aktivitou, metabolického produktu a s tím případně spojené vyšší produkce, růstové schopnosti, rezistence apod. Letální mutace Většina mutací však u živočichů má nepříznivé účinky a vede ke snížení životaschopnosti až letalitě (úmrtnosti). Podle stupně snížení životaschopnosti až úmrtnosti se rozdělují letální mutace na subvitální, semiletální a letální. Letální efekt genu se může projevit v různých stádiích ontogenetického vývoje. Může vést již k zániku gamety v níž je obsažen, může zodpovídat za zánik zygoty, embrya, plodu, mladého organizmu, nebo se může projevit až v dospělosti atd. V praxi lze letální mutace rozlišovat na dominantní a recesivní: - dominatní jsou takové, kdy smrtící (letální) účinek způsobuje dominantní alela, a to v homozygotní (AA) i heterozygotní (Aa) konstituci, - recesivní, kdy smrtící (letální) účinek způsobuje recesivní alela, a to pouze v homozygotní konstituci (aa). V některých případech se letální účinek projevuje jen homozygotních stavech (AA nebo aa). V případě, že letálně působí oba homozygotní stavy najednou, může organizmus existovat pouze jako tzv. stálý hybrid (Aa). 6. Z evolučního hlediska, tj. podle uplatnění mutací v průběhu evoluce lze upozornit na jejich nejzákladnější členění na preferované, neutrální a zakázané. Preferované mutace Preferované mutace jsou označovány takové změny genetického materiálu, které nositeli poskytovaly zřejmou výhodu proti alternativě standardního typu. Tyto mutace poskytují přírodnímu výběru příležitost aktivně selektovat mutantní alelu tohoto lokusu, jestliže její produkt lépe odpovídá nárokům kladeným určitými životními podmínkami, v nichž se populace organizmu v dané fázi evolučního vývoje nachází. Neutrální mutace Neutrální mutace byly (a jsou) takové změny genetického materiálu, které se neprojevují žádnou změnou ve fenotypu jejich nositele a pouze doprovázejí postupně odvětvování nových biologických druhů. Např. alfa řetězec normálního hemoglobinu koně a člověka se liší substitucemi 17 ze 141 aminokyselin, přičemž je jeho funkce nezměněna proto, že v kritických místech hemoglobinu obou druhů jsou stejné aminokyseliny. Kritická místa zodpovídají za funkci hemoglobinu. Protože neutrální mutace neměnily funkci, nebylo nutné je přírodním výběrem eliminovat, ale naopak byly eliminovány.
Neutrální i preferované mutace, které mohly doprovázet postupný proces vzniku nových druhů jsou nazývány přípustné. Zakázané mutace Zakázané mutace jsou takové změny genetického materíálu, které vedou ke zhoršením nebo ztrátě funkce příslušného genu. Jsou to zpravidla mutace aktivních (kritických) míst polypeptidů, které rozhodují o jeho funkci. Ve svém souhrnu jsou všechny známé mutace, které způsobují dědičné choroby zakázanými mutacemi. Poskytují nevýhodu jejich nositelům, nebyly tolerovány přírodním výběrem a nejsou tolerovány ani výběrem umělým. Jejich nositelé jsou s populací hospodářsky využívaných organizmů negativně selektováni. 7. Z hlediska typů sekvencí v molekule DNA lze mutace rozčlenit na mutace kódujících sekvencí a mutace sekvencí nekódujících. Kódující sekvence představují jen velmi nepatrnou část genomu (podle současných odhadů menší než 5 %). V zásadě zahrnují tzv. strukturní geny, které kódují vznik určitého konkrétního genového produktu projevujícího se ve fenotypu jedince a geny regulačního nebo jiného charakteru, jejichž genové produkty se uplatňují v procesech regulace nebo realizace genetické informace. Mutace těchto genů (v těchto sekvencích) se projevují ve změně kvality genového produktu, nikoliv však nezbytně (při neutrální mutaci) ve změně fenotypu jejich nositele. Mutace nekódujících sekvencí Nekódující sekvence jsou takové úseky DNA, které nekódují genové produkty a ve struktuře genomu představují více než 95 % kapacity DNA. Jejich členění, struktura, identifikace, význam aj. je popsáno v kapitole věnované molekulární genetice. Z hlediska genetiky mutací je však zřejmé, že i tyto sekvence podléhají vlivu mutagenních faktorů. Vzhledem k tomu, že nemají podle dosavadních poznatků jednoznačnou funkci – vliv na fenotyp nositele a jejich mutace nemůže být proto jednoznačně určena jako nežádoucí, nejsou zřejmě předmětem negativního výběru a proto také stupeň jejich polymorfizmu je ve srovnání se strukturními geny nepoměrně vyšší. 8. Mutace způsobené transposibilními genetickými elementy. Specifickou formou vzniku genetické variability je působení tzv. transposibilních elementů – transpozonů ( Obr. č. 1)
Obr. č.1 Transpozony
a) konzervativní transpozice Transpozony jsou specifické sekvence DNA, které se vyčleňují ze stabilní molekuly DNA a jako takové elementy jsou schopny včlenění na jiné místo DNA. U rostlin se v této souvislosti používá termínu skákající geny – mohou se přesouvat (skákat) v molekule DNA z místa na místo. Jindy je používán termín inzertní geny – mohou podléhat včlenění (inzerci) na určité místo DNA. Častý je i název sobecké geny – svým včleněním např. do nukleotidové sekvence nějakého konkrétního genu naruší jeho strukturu i funkci. Specifické transpozony označované jako copia elements jsou např. v genomu drosophily zastoupeny 20 – 50 krát na různých chromozomálních lokusech a jsou rozptýleny v celém genomu. Transpozony byly prokázány i v genomu primátů a člověka. Transpozony, jejich vyčlenění a přemisťování v genomu je jedním z různých typů mutací a tedy jedním ze specifických zdrojů genetické variability. 9. Rekombinace DNA jako člověkem řízený proces mutace a ostatní typy přestavby genomu jako zdroj zvýšení genetické variability. Historické využívání termínu mutace jako zdroje genetické variability je založeno na její nahodilosti a neusměrněnosti. V době genového inženýrství je jednou z dalších cest zvyšování
genetické variability tvorba rekombinantní DNA, tj. DNA se záměrně včleněnými geny do DNA příjemce z DNA dárce, přičemž oba organizmy mohou patřit i k různým druhům. Reparace mutací DNA V souvislosti s reparačními procesy – opravami vznikajících mutací lze hovořit v podstatě jen o reparaci genových mutací. Chromozómové a genomové mutace jsou zpravidla změny ireverzibilní. Buňka má značnou schopnost velkou část premutačních změn i vlastních mutací opravit, dát poškozený úsek DNA do původního funkčního stavu. Tuto funkci vykonávají reparační enzymatické systémy. Se zvyšující se dávkou mutagenu dochází k poruše rovnováhy mezi množstvím mutagenu a schopností (kapacitou) reparačních mechanizmů reparovat indukované poškození a vznikající mutace. To vysvětluje skutečnost, že účinek mutagenních faktorů se projeví až od jejich určité, tzv. prahové dávky. Jedním z příkladů reparačních mechanizmů je tzv. fotoreparace, kdy buněčné reparační enzymy využívají jako zdroj energie potřebný pro svou činnost denní světlo. Problémy a diskuzní otázky: 1. Definujte a vysvětlete termín prokarcinogen, karcinogen, mutagen, genotoxicita. 2. Zamyslete se nad příčinou častějšího vzniku aneuploidií u pohlavních chromozómů než u autozómů. Vezměte přitom do úvahy znalosti o evoluci pohlavních chromozómů. 3. Zamyslete se nad problematikou medicínské radiace a jejího vztahu ke vzniku rizika mutačních změn. 4. Co je to genotoxicita a jaké jsou možnosti jejího stanovení. 5. Vysvětlete, proč se určitá bodová mutace může jevit jako neutrální, zakázaná nebo preferovaná. 6. Co jsou to polyploidní řady.
