Скорость мутации - Mutation rate
В генетике , то частота мутаций частота новых мутаций в одном гене или организме с течением времени. Скорость мутации непостоянна и не ограничивается одним типом мутации, поэтому существует множество различных типов мутаций. Скорости мутаций указаны для конкретных классов мутаций. Точечные мутации - это класс мутаций, которые представляют собой изменения одной основы. Миссенс- мутации и нонсенс-мутации - это два подтипа точечных мутаций. Частота этих типов замен может быть далее подразделена на спектр мутаций, который описывает влияние генетического контекста на частоту мутаций.
Для каждой из этих скоростей существует несколько естественных единиц времени, причем скорости характеризуются либо мутациями на пару оснований на деление клетки, на ген на поколение или на геном на поколение. Скорость мутации организма - это эволюционирующая характеристика, на которую сильно влияет генетика каждого организма, а также сильное влияние окружающей среды. Верхний и нижний пределы, до которых может развиваться частота мутаций, являются предметом текущих исследований. Тем не менее, частота мутаций варьируется в зависимости от генома . Скорость мутаций в ДНК, РНК или отдельном гене меняется.
Когда частота мутаций у людей увеличивается, могут возникать определенные риски для здоровья, например, рак и другие наследственные заболевания. Знание о частоте мутаций жизненно важно для понимания будущего рака и многих наследственных заболеваний.
Фон
Различные генетические варианты внутри вида называются аллелями, поэтому новая мутация может создать новый аллель. В популяционной генетике каждый аллель характеризуется коэффициентом отбора, который измеряет ожидаемое изменение частоты аллеля с течением времени. Коэффициент выбора может быть отрицательным, что соответствует ожидаемому снижению, положительным, соответствующим ожидаемому увеличению, или нулевым, что соответствует отсутствию ожидаемых изменений. Распределение эффектов приспособленности новых мутаций является важным параметром популяционной генетики и является предметом обширных исследований. Хотя измерения этого распределения в прошлом были непоследовательными, сейчас принято считать, что большинство мутаций умеренно вредны, что многие мало влияют на приспособленность организма, а некоторые могут быть благоприятными.
Из-за естественного отбора неблагоприятные мутации обычно исключаются из популяции, в то время как благоприятные изменения обычно сохраняются для следующего поколения, а нейтральные изменения накапливаются со скоростью, с которой они создаются мутациями. Этот процесс происходит путем размножения. В определенном поколении «наиболее подходящие» выживают с большей вероятностью, передавая свои гены потомству. Знак изменения этой вероятности определяет мутации как полезные, нейтральные или вредные для организмов.
Измерение
Скорость мутации организма можно измерить с помощью ряда методов.
Один из способов измерить частоту мутаций - это тест флуктуации, также известный как эксперимент Луриа-Дельбрюка . Этот эксперимент показывает, что у бактерий мутации происходят в отсутствие отбора вместо наличия отбора.
Это очень важно для частоты мутаций, потому что экспериментально доказывает, что мутации могут происходить без участия отбора - на самом деле, мутации и отбор - совершенно разные эволюционные силы . Следовательно, мутации происходят случайным образом во всех организмах (хотя разные последовательности ДНК могут иметь разную склонность к мутации; см. Ниже).
Наиболее часто измеряемым классом мутаций являются замены, потому что их относительно легко измерить с помощью стандартного анализа данных последовательностей ДНК. Однако замены имеют существенно другую скорость мутаций (от 10 -8 до 10 -9 на поколение для большинства клеточных организмов), чем другие классы мутаций, которые часто намного выше (~ 10 -3 на поколение для расширения / сокращения сателлитной ДНК).
Ставки за замену
Многие участки генома организма могут допускать мутации с небольшими эффектами приспособленности. Эти сайты обычно называют нейтральными. Теоретически мутации без отбора фиксируются между организмами с точно такой же скоростью мутации. Фиксированные синонимичные мутации, то есть синонимичные замены , представляют собой изменения в последовательности гена, которые не изменяют белок, продуцируемый этим геном. Их часто используют для оценки скорости мутаций, несмотря на то, что некоторые синонимичные мутации имеют эффекты приспособленности. Например, частота мутаций была непосредственно выведена из полных геномных последовательностей экспериментально созданных репликативных линий Escherichia coli B.
Линии накопления мутаций
Особенно трудоемким способом характеристики частоты мутаций является линия накопления мутаций.
Линии накопления мутаций использовались для характеристики скорости мутаций с помощью метода Бейтмана-Мукаи и прямого секвенирования, например, кишечных бактерий, круглых червей, дрожжей, плодовых мух, небольших однолетних растений.
Вариация частоты мутаций
Скорости мутаций различаются между видами и даже между разными участками генома одного вида. Эти разные скорости нуклеотидных замен измеряются в заменах ( фиксированных мутациях ) на пару оснований на поколение. Например, мутации в межгенной или некодирующей ДНК имеют тенденцию накапливаться быстрее, чем мутации в ДНК, которая активно используется в организме ( экспрессия гена ). Это не обязательно связано с более высокой частотой мутаций, а с более низким уровнем очищающего отбора . Область, которая мутирует с предсказуемой скоростью, является кандидатом на использование в качестве молекулярных часов .
Если предполагается, что частота нейтральных мутаций в последовательности постоянна (подобна часам), и если большинство различий между видами являются нейтральными, а не адаптивными, то количество различий между двумя разными видами может быть использовано для оценки того, как давно два разных вида виды разошлись (см. молекулярные часы ). Фактически, частота мутаций в организме может измениться в ответ на стресс окружающей среды. Например, ультрафиолетовый свет повреждает ДНК, что может привести к попыткам клетки выполнить репарацию ДНК, склонную к ошибкам .
Частота мутаций у человека выше в мужской зародышевой линии (сперме), чем в женской (яйцеклетки), но оценки точной скорости различаются на порядок или более. Это означает, что геном человека накапливает около 64 новых мутаций на поколение, потому что каждое полное поколение включает в себя ряд клеточных делений для образования гамет. По оценкам, митохондриальная ДНК человека имеет частоту мутаций ~ 3 × или ~ 2,7 × 10 -5 на основание за 20-летнее поколение (в зависимости от метода оценки); считается, что эти показатели значительно выше, чем скорости геномных мутаций человека и составляют ~ 2,5 × 10 -8 на основание на поколение. Используя данные, полученные в результате секвенирования всего генома, аналогично оценивается частота мутаций генома человека ~ 1,1 × 10 -8 на сайт на поколение.
Скорость других форм мутаций также сильно отличается от точечных мутаций . Частота мутаций отдельного микросателлитного локуса часто составляет порядка 10 -4 , хотя она может сильно различаться в зависимости от длины.
Некоторые последовательности ДНК могут быть более подвержены мутации. Например, участки ДНК в сперме человека, в которых отсутствует метилирование, более подвержены мутации.
В целом частота мутаций у одноклеточных эукариот (и бактерий ) составляет примерно 0,003 мутации на геном на поколение клеток . Однако некоторые виды, особенно инфузории из рода Paramecium, имеют необычно низкую частоту мутаций. Например, у Paramecium tetraurelia частота мутаций с заменой оснований составляет ~ 2 × 10 -11 на сайт на деление клетки. Это самая низкая частота мутаций, наблюдаемая до сих пор в природе, она примерно в 75 раз ниже, чем у других эукариот с аналогичным размером генома, и даже в 10 раз ниже, чем у большинства прокариот. Низкая частота мутаций у Paramecium объясняется его транскрипционно молчащим ядром зародышевой линии , что согласуется с гипотезой о том, что верность репликации выше при более низких уровнях экспрессии генов .
Наибольшая частота мутаций на пару оснований на поколение обнаруживается у вирусов , которые могут иметь геномы либо РНК, либо ДНК. ДНК-вирусы имеют частоту мутаций от 10 -6 до 10 -8 мутаций на основание на поколение, а РНК-вирусы имеют частоту мутаций от 10 -3 до 10 -5 на основание на поколение.
Спектр мутаций
Спектр мутаций организма - это скорость, с которой разные типы мутаций происходят в разных участках генома. Спектр мутаций имеет значение, потому что сама по себе частота дает очень неполную картину того, что происходит в геноме. Например, мутации могут происходить с одинаковой скоростью в двух линиях, но одна скорость не может сказать нам, были ли мутации заменами всех оснований в одной линии и всеми крупномасштабными перестройками в другой. Даже при замене оснований спектр все еще может быть информативным, потому что замещение перехода отличается от трансверсии. Спектр мутаций также позволяет нам узнать, происходят ли мутации в кодирующих или некодирующих областях.
Существует систематическая разница в скорости переходов (альфа) и трансверсий (бета).
Эволюция
Теория эволюции скорости мутаций определяет три основных задействованных силы: генерацию более вредных мутаций с более высокой мутацией, генерацию более полезных мутаций с более высокой мутацией, а также метаболические затраты и снижение скорости репликации, которые необходимы для предотвращения мутаций. На основании относительной важности каждой силы делаются разные выводы. Оптимальная скорость мутации организмов может быть определена компромиссом между стоимостью высокой скорости мутации, такой как вредные мутации, и метаболическими затратами на поддержание систем для снижения скорости мутации (например, увеличение экспрессии ферментов репарации ДНК. или, как описано Bernstein et al., имеющим повышенное потребление энергии для репарации, кодирующим дополнительные генные продукты и / или имеющим более медленную репликацию). Во-вторых, более высокая частота мутаций увеличивает количество полезных мутаций, и эволюция может предотвратить снижение частоты мутаций, чтобы поддерживать оптимальные скорости адаптации. Таким образом, гипермутация позволяет некоторым клеткам быстро адаптироваться к изменяющимся условиям, чтобы избежать вымирания всей популяции. Наконец, естественный отбор может оказаться не в состоянии оптимизировать скорость мутаций из-за относительно незначительных преимуществ снижения скорости мутаций, и, таким образом, наблюдаемая скорость мутаций является продуктом нейтральных процессов.
Исследования показали , что лечение РНК вирусов , таких как полиовируса с рибавирином приводит производят в соответствии с идеей о том , что вирусы мутантного слишком часто , чтобы сохранить целостность информации в их геномах. Это называется ошибкой-катастрофой .
Высокая скорость мутации ВИЧ (вирус иммунодефицита человека) 3 x 10 -5 на основание и поколение в сочетании с коротким циклом репликации приводит к высокой вариабельности антигена , позволяя ему уклоняться от иммунной системы.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
-
СМИ, связанные со скоростью мутаций, на Викискладе?
