Γονιδιακές μεταλλάξεις
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 6 · Δρεπανοκυτταρική αναιμία, τύποι μεταλλάξεων, μεταλλαξογόνοι παράγοντες
Μπορεί ένα γράμμα να αλλάξει μια ζωή;
Το γονιδίωμά σου έχει περίπου 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων σε κάθε απλοειδή σειρά. Στη δρεπανοκυτταρική αναιμία αρκεί η αλλαγή ενός από αυτά, σε ένα μόνο κωδικόνιο του γονιδίου της β-αλυσίδας, για να αλλάξει το σχήμα των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Άλλες φορές, μια αλλαγή δεν έχει καμία συνέπεια. Από τι εξαρτάται;
Τι είναι οι μεταλλάξεις
Μεταλλάξεις ονομάζονται οι αλλαγές στο γενετικό υλικό. Διακρίνονται σε:
- γονιδιακές (ή σημειακές): αλλαγές στην αλληλουχία των βάσεων ενός γονιδίου,
- χρωμοσωμικές ανωμαλίες: αλλαγές στον αριθμό ή στη δομή των χρωμοσωμάτων.
Οι μεταλλάξεις που συμβαίνουν σε σωματικά κύτταρα δεν μεταβιβάζονται στους απογόνους (μπορούν όμως να οδηγήσουν π.χ. σε καρκίνο). Όσες συμβαίνουν σε γεννητικά κύτταρα (γαμέτες) μεταβιβάζονται στην επόμενη γενιά.
Η δρεπανοκυτταρική αναιμία
Η μελέτη της αποτέλεσε σταθμό στην κατανόηση των μεταλλάξεων. Οφείλεται σε αντικατάσταση μίας βάσης στο γονίδιο της β-πολυπεπτιδικής αλυσίδας της αιμοσφαιρίνης: στο 6ο κωδικόνιο η κωδική αλυσίδα αλλάζει από GAG σε GTG (A → T). Έτσι το κωδικόνιο του mRNA γίνεται GUG και στη θέση του γλουταμινικού οξέος μπαίνει βαλίνη.
Η αλλαγή ενός μόνο αμινοξέος δημιουργεί την HbS, που σε συνθήκες χαμηλής συγκέντρωσης οξυγόνου σχηματίζει ινίδια και δίνει στα ερυθροκύτταρα δρεπανοειδές σχήμα. Τα δρεπανοκύτταρα καταστρέφονται εύκολα (αναιμία) και φράζουν τα τριχοειδή. Η ασθένεια κληρονομείται με αυτοσωμικό υπολειπόμενο τρόπο.
Τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων
Αντικατάσταση βάσης: μια βάση αντικαθίσταται από άλλη. Ανάλογα με το νέο κωδικόνιο:
- σιωπηλή: το νέο κωδικόνιο κωδικοποιεί το ίδιο αμινοξύ (λόγω εκφυλισμού του κώδικα) — καμία αλλαγή στην πρωτεΐνη,
- ουδέτερη: αλλάζει το αμινοξύ, αλλά με άλλο παρόμοιων ιδιοτήτων, χωρίς ουσιαστική αλλαγή στη λειτουργία,
- αλλαγή αμινοξέος που επηρεάζει τη λειτουργία (π.χ. HbS),
- δημιουργία κωδικονίου λήξης: πρόωρος τερματισμός της μετάφρασης, μικρότερη και συνήθως μη λειτουργική πρωτεΐνη.
Προσθήκη ή έλλειψη βάσεων: αν ο αριθμός τους δεν είναι πολλαπλάσιο του 3, αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης από το σημείο της μετάλλαξης και μετά: αλλάζουν όλα τα επόμενα αμινοξέα και συχνά εμφανίζεται πρόωρα κωδικόνιο λήξης. Αν είναι πολλαπλάσιο του 3, προστίθενται ή χάνονται αμινοξέα χωρίς αλλαγή πλαισίου.
Μεταλλάξεις σε ρυθμιστικές περιοχές (π.χ. υποκινητή) μπορεί να αλλάξουν την ποσότητα της πρωτεΐνης χωρίς να αλλάξουν την αλληλουχία της.
Φαντάσου μια πρόταση από λέξεις των τριών γραμμάτων: ΓΙΑ ΣΑΣ ΚΑΙ ΜΑΣ. Αντικατάσταση ενός γράμματος: ΓΙΑ ΣΑΣ ΚΑΙ ΣΑΣ — αλλάζει μία λέξη (ένα αμινοξύ). Έλλειψη του πρώτου Σ: ΓΙΑ ΑΣΚ ΑΙΜ ΑΣ… — από εκεί και πέρα όλα χαλάνε. Αυτή είναι η μετατόπιση του πλαισίου ανάγνωσης.
Έλλειψη μίας βάσης στην αρχή της κωδικής περιοχής ενός γονιδίου συνήθως έχει ως αποτέλεσμα:
Η δρεπανοκυτταρική αναιμία ήταν η πρώτη ασθένεια που εξηγήθηκε σε επίπεδο μορίου. Το 1949 ο Linus Pauling και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η αιμοσφαιρίνη των ασθενών διαφέρει από τη φυσιολογική και μίλησαν για «μοριακή ασθένεια». Λίγα χρόνια αργότερα ο Vernon Ingram βρήκε τη διαφορά: ένα μόνο αμινοξύ, βαλίνη στη θέση του γλουταμινικού οξέος.
Οι μεταλλάξεις δεν είναι πάντοτε βλαβερές
Οι περισσότερες μεταλλάξεις είναι ουδέτερες ή βλαβερές, όμως ορισμένες προσφέρουν πλεονέκτημα σε συγκεκριμένο περιβάλλον και αποτελούν την πρώτη ύλη της εξέλιξης.
Κλασικό παράδειγμα: οι ετερόζυγοι για τη δρεπανοκυτταρική αναιμία () είναι φυσιολογικοί στις περισσότερες συνθήκες και παρουσιάζουν αυξημένη ανθεκτικότητα στην ελονοσία. Γι' αυτό το αλληλόμορφο είναι συχνό σε περιοχές όπου η ελονοσία ενδημεί.
Ποιοι παράγοντες προκαλούν μεταλλάξεις
- Αυθόρμητες μεταλλάξεις: από λάθη κατά την αντιγραφή που δεν διορθώθηκαν.
- Μεταλλαξογόνοι παράγοντες: ακτινοβολίες (ακτίνες X, γ, υπεριώδης ακτινοβολία) και χημικές ουσίες (π.χ. ουσίες του καπνού του τσιγάρου). Πολλοί μεταλλαξογόνοι παράγοντες είναι και καρκινογόνοι.
Οι βλάβες του DNA επιδιορθώνονται από επιδιορθωτικά ένζυμα. Όταν αυτά λείπουν, ο κίνδυνος αυξάνεται: στη μελαγχρωματική ξηροδερμία τα άτομα δεν μπορούν να επιδιορθώσουν βλάβες από την υπεριώδη ακτινοβολία και εμφανίζουν συχνά καρκίνο του δέρματος.
Μέθοδος: εντοπισμός και χαρακτηρισμός μετάλλαξης σε αλληλουχία
- Γράψε το φυσιολογικό και το μεταλλαγμένο mRNA κωδικόνιο προς κωδικόνιο από το AUG.
- Βρες την πρώτη διαφορά: ίδιο μήκος → αντικατάσταση· διαφορετικό μήκος → προσθήκη/έλλειψη.
- Αντικατάσταση: μετάφρασε το νέο κωδικόνιο — ίδιο αμινοξύ (σιωπηλή), άλλο αμινοξύ, ή κωδικόνιο λήξης (πρόωρος τερματισμός).
- Προσθήκη/έλλειψη: αν δεν είναι πολλαπλάσιο του 3, ξαναχώρισε σε τριάδες από τη μετάλλαξη και μετά και βρες το νέο κωδικόνιο λήξης.
- Σύγκρινε μήκος και αλληλουχία των δύο πεπτιδίων.
Παράδειγμα 1: Φυσιολογικό mRNA: 5΄-AUG GCU AAG UGG UAA-3΄ (Met–Ala–Lys–Trp). Στο μεταλλαγμένο το G του κωδικονίου UGG έγινε A. Τι πεπτίδιο προκύπτει;
Λύση: Το UGG γίνεται UGA ή UAG, ανάλογα με το ποιο G αλλάζει. Και τα δύο είναι κωδικόνια λήξης: το πεπτίδιο γίνεται Met–Ala–Lys (3 αμινοξέα αντί για 4) — πρόωρος τερματισμός.
Παράδειγμα 2: Φυσιολογικό mRNA: 5΄-AUG UUU GGC AAA UGG UAA-3΄. Μετάλλαξη: έλλειψη του πρώτου U του κωδικονίου UUU. Ποιο το νέο πεπτίδιο;
Λύση: Νέα αλληλουχία: AUG UUG GCA AAU GGU AA… Κωδικόνια: AUG (Met), UUG (Leu), GCA (Ala), AAU (Asn), GGU (Gly), και ακολουθεί το AA… με βάσεις που δεν δίνονται.
Το πλαίσιο ανάγνωσης άλλαξε: μετά τη μεθειονίνη όλα τα αμινοξέα είναι διαφορετικά και το αρχικό κωδικόνιο λήξης UAA δεν διαβάζεται πια στο πλαίσιο. Η μετάφραση θα σταματήσει σε όποιο κωδικόνιο λήξης συναντηθεί στο νέο πλαίσιο.
Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Το 6ο κωδικόνιο της κωδικής αλυσίδας του φυσιολογικού γονιδίου της β-αλυσίδας είναι 5΄-GAG-3΄.
(α) Ποιο είναι το αντίστοιχο κωδικόνιο της κωδικής αλυσίδας στο αλληλόμορφο και ποιο το κωδικόνιο του mRNA; (β) Ποια η συνέπεια στην πρωτεΐνη; (γ) Γιατί η μετάλλαξη αυτή διατηρείται σε υψηλή συχνότητα σε ορισμένες περιοχές;
Λύση:
(α) Αντικατάσταση A → T: κωδική αλυσίδα 5΄-GTG-3΄· mRNA 5΄-GUG-3΄.
(β) Το GAG κωδικοποιεί γλουταμινικό οξύ και το GUG βαλίνη. Η β-αλυσίδα της HbS διαφέρει κατά ένα αμινοξύ στην 6η θέση, κάτι που αλλάζει τις ιδιότητες της αιμοσφαιρίνης: σε χαμηλό οξυγόνο τα μόρια HbS σχηματίζουν ινίδια και τα ερυθροκύτταρα παίρνουν δρεπανοειδές σχήμα.
(γ) Οι ετερόζυγοι είναι ανθεκτικότεροι στην ελονοσία. Σε περιοχές όπου ενδημεί η ελονοσία έχουν πλεονέκτημα επιβίωσης, οπότε το αλληλόμορφο διατηρείται — παράδειγμα μετάλλαξης που δεν είναι πάντοτε βλαβερή.
Αντικατάσταση βάσης μετατρέπει το κωδικόνιο GGU (Gly) σε GGC (Gly). Πώς χαρακτηρίζεται η μετάλλαξη;
Μια μετάλλαξη σε κύτταρο του πνεύμονα ενός καπνιστή:
Το φυσιολογικό mRNA ενός μικρού πεπτιδίου είναι:
5΄-AUG GAG AAA UGG UUU UAA-3΄ (Met–Glu–Lys–Trp–Phe)
Σε τρία άτομα βρίσκεις από μία αντικατάσταση βάσης, με τα εξής πεπτίδια: Α: Met–Glu–Lys · Β: Met–Glu–Lys–Trp–Phe · Γ: Met–Val–Lys–Trp–Phe. Δίνονται: GAA και GAG → Glu, GUG → Val, UAG, UGA, UAA → λήξη.
(α) Ποια αλλαγή έγινε σε κάθε mRNA; (β) Στην περίπτωση Α, ποιες είναι όλες οι δυνατές θέσεις της αλλαγής; (γ) Ποια μετάλλαξη δεν θα εντόπιζες ποτέ συγκρίνοντας μόνο τις πρωτεΐνες;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Α: το πεπτίδιο σταματά μετά τη Lys, άρα το 4ο κωδικόνιο UGG έγινε κωδικόνιο λήξης → πρόωρος τερματισμός. Β: ίδιο πεπτίδιο με αλλαγή βάσης → σιωπηλή μετάλλαξη, π.χ. GAG → GAA (εκφυλισμός του κώδικα). Γ: Glu → Val, δηλαδή GAG → GUG (A → U στη 2η θέση) — η ίδια αλλαγή αμινοξέος με τη δρεπανοκυτταρική αναιμία.
(β) Με μία αντικατάσταση το UGG γίνεται κωδικόνιο λήξης με δύο τρόπους: UAG (G → A στη 2η θέση) ή UGA (G → A στην 3η θέση). Το UAA θέλει δύο αλλαγές, άρα αποκλείεται.
(γ) Τη Β: η σιωπηλή μετάλλαξη δεν αλλάζει την πρωτεΐνη· φαίνεται μόνο με ανάλυση του DNA ή του mRNA.
- «Κάθε αντικατάσταση βάσης αλλάζει την πρωτεΐνη.» Μπορεί να είναι σιωπηλή (εκφυλισμός).
- «Έλλειψη μιας βάσης αφαιρεί ένα αμινοξύ.» Αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης — αφαίρεση ενός αμινοξέος απαιτεί έλλειψη 3 βάσεων.
- «Όλες οι μεταλλάξεις κληρονομούνται.» Μόνο όσες γίνονται σε γεννητικά κύτταρα.
- Στη δρεπανοκυτταρική: η αλλαγή είναι στο 6ο κωδικόνιο της β-αλυσίδας, Glu → Val.
- Μεταλλάξεις: γονιδιακές ή χρωμοσωμικές· σε γεννητικά κύτταρα κληρονομούνται, σε σωματικά όχι.
- Δρεπανοκυτταρική: GAG → GTG στο 6ο κωδικόνιο της β-αλυσίδας, Glu → Val, HbS, αυτοσωμική υπολειπόμενη.
- Αντικατάσταση: σιωπηλή, ουδέτερη, αλλαγή αμινοξέος, πρόωρο κωδικόνιο λήξης.
- Προσθήκη/έλλειψη μη πολλαπλάσια του 3: αλλαγή πλαισίου ανάγνωσης.
- Αίτια: αυθόρμητα λάθη ή μεταλλαξογόνοι παράγοντες (ακτινοβολίες, χημικές ουσίες)· επιδιορθωτικά ένζυμα.
- Ετερόζυγοι : ανθεκτικότεροι στην ελονοσία.