Mutace a
polymorfismy jsou předpokladem variability genomu. Lidský genom není stabilní a
vznikají v něm změny, které se dědí z generace na generaci – tj.
mutace, jakožto dědičné změny. Mutace mohou vznikat jak na úrovni chromozomů, tak
na úrovni samotné DNA. Chromozomové mutace nejsou předmětem tohoto hesla.
V lidském genomu existuje průměrná variabilita nukleotidů na úrovni
0,08 %. Z uvedeného vyplývá, že každý 1250 nukleotid je variabilní mezi
různými jedinci. Současně je zřejmé, že naprostá většina mutací je zděděná od
předků a nevzniká de novo. Relativně nízká četnost mutací v lidském genomu
může být vnímána jako rovnováha mezi pozitivní evolucí druhů a jejich
negativními dopady pro jedince. Mutace mohou být indukované (například radiací
nebo chemickými mutageny) nebo endogenní (vznikající přirozeně v důsledku
spontánních chyb při DNA replikaci a opravách; viz. dále). Nejčastěji mutace
vznikají v rámci tzv. CpG dinukleotidu. V této souvislosti rozlišujeme
·
tranzice, spočívající
v záměně pyrimidinové / purinové nukleotidové báze za pyrimidinovou /
purinovou a
·
transverze, kde dochází
k záměně mezi oběma druhy nukleotidových bází.
Mutace jsou tedy základní součástí evoluce druhů, ale za některých okolností
mohou být patogenní. Mohou tak přímo způsobovat fenotypickou abnormalitu
(mutace kauzální převážně se vyskytující u monogenních onemocnění) nebo pouze
vést k zvýšení náchylnosti k onemocněním (mutace dispoziční převážně
se vyskytující u multifaktoriálních onemocnění).
Nechromozomální
mutace můžeme rozdělit a/ podle jejich dopadu na výslednou sekvenci DNA,
tj. na bodové mutace zahrnující změny
jednoho nukleotidu DNA, na delece – kdy jeden a více nukleotidů „vypadne“
z DNA a inzerce, kdy naopak jeden a více nukleotidů je vložen do sekvence
DNA a b/ na germinální mutace, tj. vznikají v zárodečné linii a jsou tak
přenášeny z generace na generaci a
na mutace somatické, které vznikají v běžných tkáních a jsou velmi často
zodpovědné za rozvoj nádorů.
Za benigní polymorfismy jsou
arbitrárně považovány mutace, které se vyskytují v náhodné kontrolní
populaci více než v 1%. Nicméně, některé mutace s četností vyšší než
1% mohou být důsledkem opakovaného, rekurentního vzniku mutací. S výjimkou
záměn aminokyselin, se všechny mutace mohou vyskytovat jak v kódující, tak
i nekódující sekvenci lidského genomu.
Mutace
mitochondriálního genomu se rovněž vyskytují, ale jejich klinický dopad
záleží na množství mutovaných kopií mitochondriálního genomu (homoplazmie –
všechny mitochondriální genomy jsou mutovány nebo nepostiženy a heteroplazmie –
pouze část mitochondriálních genomů je mutována).
Typy
bodových mutací
·
záměny aminokyselin – („missense“ mutace – měnící smysl)
·
posunové mutace – („frameshift“ mutace), kdy dojde k vnesení či
výpadku daného počtu nukleotidů; pokud je počet nukleotidů násobitelný třemi
nedochází k posunu čtecího rámce a naopak
·
sestřihové mutace („splicing“ mutace), které porušují sestřih mRNA;
většinou jsou tyto mutace lokalizovány v oblasti +/- 5 pb okolo hranic
kódující sekvence, ale existují i mutace hluboko v intronu, které
nejčastěji vedou k aktivaci kryptických exon / intronových rozhraní.
·
nesmyslné mutace („nonsense“ mutace) – vedou k zavedení předčasného
stop kodónu do sekvence DNA.
·
expanze repetitivních sekvencí – jsou dalším typem mutací, kdy dochází
k postupnému mezigeneračnímu narůstání
trinukleotidových repetic (nejčastěji u neuromuskulárních onemocnění).
·
němé mutace – („samesense“ mutace), kdy nedochází k změně
aminokyseliny díky degeneraci genetického kódu.
Patogenní
mutace musí
·
způsobit takovou změnu sekvence aminokyselin daného proteinu, která
výrazně omezí jeho syntézu (kvantitativní defekt) nebo funkci (kvalitativní
defekt)
·
zavést předčasný terminační signál do nukleotidové sekvence daného genu
(nesmyslné mutace, inzerce /delece a posunové alely) a vytvořit tak zkrácené a
nestabilní formy výsledného proteinu
·
změnit evolučně konzervované sekvence na exon-intronovém rozhraní (+ 2-5
pb)
·
vytvořit unikátní sekvenci aminokyselin, která se nevyskytuje v populaci
minimálně 100 nosičů daného genu ze stejné populace
Mechanismy vzniku mutací (tj. proces mutageneze) zahrnují jak exogenní
tak i endogenní mechanismy. Endogenní mechanismy zahrnují ionizující záření
(například při rentgenových vyšetřeních, při cestě letadlem), ultrafialové
záření (při slunění) a chemické mutageny (alkylační činidla, benzen, aflatoxiny
apod.). Detailní popis chemické mutageneze přesahuje rámec této kapitoly.
Endogenní činidla zahrnují poškození DNA depurinací, deaminací a volnými
kyslíkovými radikály. Významný je i podíl chyb při replikaci DNA, včetně chyb
při replikaci a rekombinaci DNA.
Hlavním mechanismem pro opravu poškozeného úseku DNA je vystřižení
poškozeného úseku DNA a jeho resyntéza („base excision repair“). Na tomto procesu se účastní produkty více
než 130 genů a jeho přesný popis přesahuje rámec tohoto hesla.
Další
informace
· Genom:
projekt analýzy lidského genomu
Milan Macek jr.