Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Недавно опубликованные оценки частоты мутаций в геноме человека. Частота мутаций зародышевой линии человека составляет приблизительно 0,5 × 10 -9 на пару оснований в год. [1]

В генетике , то частота мутаций частота новых мутаций в одном гене или организме с течением времени. [2] Скорость мутации непостоянна и не ограничивается одним типом мутации, поэтому существует много разных типов мутаций. Скорости мутаций приведены для конкретных классов мутаций. Точечные мутации - это класс мутаций, которые представляют собой изменения одной основы. Мутации Missense и Nonsense - это два подтипа точечных мутаций. Частота этих типов замен может быть далее подразделена на спектр мутаций, который описывает влияние генетического контекста на скорость мутаций. [3]

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 в дополнение к сильному влиянию 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 возникнуть определенные риски для здоровья, например, рак и другие наследственные заболевания. Знание о частоте мутаций жизненно важно для понимания будущего рака и многих наследственных заболеваний. [4]

Фон [ править ]

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 от новых мутаций является важным параметром популяционной генетики и является предметом обширных исследований. [5] 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, тогда 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. [6]

Измерение [ править ]

Скорость мутации организма можно измерить с помощью ряда методов.

Один из способов измерить частоту мутаций - это тест флуктуации, также известный как эксперимент Лурия-Дельбрюка . Этот эксперимент показывает, что у бактерий мутации происходят в отсутствие отбора, а не в присутствии отбора. [7]

Это очень важно для скорости мутаций, потому что экспериментально доказывает, что мутации могут происходить без участия отбора - на самом деле, мутации и отбор - это 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, поскольку их относительно легко измерить с помощью стандартных анализов данных о последовательности ДНК. Однако замены имеют существенно разную 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 [8 ] ).

Ставки замещения [ править ]

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, т. Е. Синонимичные замены , представляют собой изменения в последовательности гена, которые не изменяют белок, продуцируемый этим геном. Они часто используются для оценки скорости мутации, несмотря на то, что некоторые синонимичные мутации имеют эффекты приспособленности. Например, частота мутаций была непосредственно выведена из последовательностей всего генома экспериментально созданных репликативных линий Escherichia coli B. [9]

Линии накопления мутаций [ править ]

Особенно трудоемким способом характеристики скорости мутации является линия накопления мутации.

Линии накопления мутаций были использованы для характеристики скорости мутаций с помощью метода Бейтмана-Мукаи и прямого секвенирования, например, кишечных бактерий, круглых червей, дрожжей, плодовых мух, небольших однолетних растений. [10]

Вариация частоты мутаций [ править ]

Филограмма, показывающая три группы, одна из которых имеет значительно более длинные ветви, чем две другие.
Время генерации влияет на скорость мутаций: у долгоживущих древесных бамбуков (племена Arundinarieae и Bambuseae ) частота мутаций ниже (короткие ветви в филогенетическом дереве ), чем у быстро развивающихся травянистых бамбуков ( Olyreae ).

Скорость мутаций различается 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, как правило, накапливаются 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 скорость 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 организма может измениться в ответ на стресс окружающей среды. Например, ультрафиолетовый свет повреждает ДНК, что может привести к попыткам клетки произвести репарацию ДНК, подверженной 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. [11] Митохондриальная ДНК человека, по оценкам, имеет частоту мутаций ~ 3 × или ~ 2,7 × 10 -5 на основание за 20-летнее поколение (в зависимости от метода оценки); [12], эта частота считается значительно выше, чем частота геномных мутаций человека и составляет ~ 2,5 × 10 -8 на основание на поколение. [13]Используя данные, полученные в результате секвенирования всего генома, аналогично оценивается частота мутаций генома человека ~ 1,1 × 10 -8 на сайт на поколение. [14]

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. [15]

Некоторые последовательности ДНК могут быть более подвержены мутации. Например, участки ДНК в сперме человека, в которых отсутствует метилирование, более склонны к мутации. [16]

В целом, частота мутаций у одноклеточных эукариот (и бактерий ) составляет примерно 0,003 мутации на геном на поколение клеток . [11] Однако некоторые виды, особенно инфузории из рода Paramecium, имеют необычно низкую скорость 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 Parameciumбыло объяснено его транскрипционно молчащим ядром зародышевой линии , что согласуется с гипотезой о том, что точность репликации выше при более низких уровнях экспрессии генов . [17]

Наибольшая частота мутаций на пару оснований на поколение наблюдается у вирусов , которые могут иметь геномы либо РНК, либо ДНК. У ДНК-вирусов частота мутаций составляет от 10 -6 до 10 -8 мутаций на основание на поколение, а у РНК-вирусов - от 10 -3 до 10 -5 на основание на поколение. [11]

Спектр мутаций [ править ]

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 сама по себе скорость не скажет 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 замена перехода отличается от трансверсии. Спектр мутаций также позволяет нам узнать, происходят ли мутации в кодирующих или некодирующих областях.

Переходы (Альфа) и трансверсии (Бета).

Существует систематическая разница в скорости переходов (альфа) и трансверсий (бета).

Эволюция [ править ]

Теория эволюции скоростей мутаций определяет три основные вовлеченные 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 затратами на высокую частоту мутаций [18], такими как вредные мутации, и метаболическими затратами на поддержание систем для снижения скорости мутаций (например, увеличение экспрессии ДНК. ферменты репарации [19] или, как описано Bernstein et al. [20]имеющие повышенное потребление энергии для восстановления, кодирующие дополнительные генные продукты и / или имеющие 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. [21] Таким образом, гипермутация позволяет некоторым клеткам быстро адаптироваться к меняющимся условиям, чтобы избежать вымирания всей популяции. [22] Наконец, естественный отбор может оказаться неспособным оптимизировать скорость мутаций из-за относительно незначительных преимуществ снижения скорости мутаций, и, таким образом, наблюдаемая скорость мутаций является продуктом нейтральных процессов. [23] [24]

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. [25] 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. [26]

См. Также [ править ]

  • Частота аллелей
  • Мутация
  • Скорость эволюции
  • Генетика
  • Рак

Ссылки [ править ]

  1. ^ Scally A (декабрь 2016). «Скорость мутаций в эволюции человека и демографический вывод» . Текущее мнение в области генетики и развития . 41 : 36–43. DOI : 10.1016 / j.gde.2016.07.008 . PMID  27589081 .
  2. ^ Crow JF (август 1997). «Высокая частота спонтанных мутаций: опасность для здоровья?» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (16): 8380–6. Bibcode : 1997PNAS ... 94.8380C . DOI : 10.1073 / pnas.94.16.8380 . PMC 33757 . PMID 9237985 .  
  3. Перейти ↑ Pope CF, O'Sullivan DM, McHugh TD, Gillespie SH (апрель 2008 г.). «Практическое руководство по измерению частоты мутаций устойчивости к антибиотикам» . Противомикробные препараты и химиотерапия . 52 (4): 1209–14. DOI : 10,1128 / AAC.01152-07 . PMC 2292516 . PMID 18250188 .  
  4. ↑ Tomlinson IP, Novelli MR, Bodmer WF (декабрь 1996 г.). «Скорость мутации и рак» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (25): 14800–3. Bibcode : 1996PNAS ... 9314800T . DOI : 10.1073 / pnas.93.25.14800 . PMC 26216 . PMID 8962135 .  
  5. Перейти ↑ Eyre-Walker A, Keightley PD (август 2007 г.). «Распределение фитнес-эффектов новых мутаций». Обзоры природы. Генетика . 8 (8): 610–8. DOI : 10.1038 / nrg2146 . PMID 17637733 . S2CID 10868777 .  
  6. ^ Scally A, Дурбин R (октябрь 2012). «Пересмотр скорости мутации человека: значение для понимания эволюции человека». Обзоры природы. Генетика . 13 (10): 745–53. DOI : 10.1038 / nrg3295 . PMID 22965354 . S2CID 18944814 .  
  7. ^ "Эксперимент Лурия-Дельбрюк". Википедия . 2017-04-25.
  8. ^ https://www.genetics.org/content/207/2/697
  9. ^ Wielgoss S, Баррик JE, Tenaillon О, S Cruveiller, Чейн-Вун-Мин В, Médigue С, Ленский RE, Шнайдер Д (август 2011). «Скорость мутации, полученная из синонимичных замен в длительном эксперименте эволюции с Escherichia coli» . G3 . 1 (3): 183–186. DOI : 10,1534 / g3.111.000406 . PMC 3246271 . PMID 22207905 .  
  10. ^ Оссовский S, Шнеебергер K, Lucas-Lledo JI, Warthmann N, Кларк Р., Шоу Р.Г., Вайгель D, Линч М (январь 2010). «Скорость и молекулярный спектр спонтанных мутаций в Arabidopsis thaliana» . Наука . 327 (5961): 92–4. Bibcode : 2010Sci ... 327 ... 92O . DOI : 10.1126 / science.1180677 . PMC 3878865 . PMID 20044577 .  
  11. ^ a b c Дрейк Дж. У., Чарльзуорт Б., Чарльзуорт Д., Ворон Дж. Ф. (апрель 1998 г.). «Темпы спонтанных мутаций» . Генетика . 148 (4): 1667–86. PMC 1460098 . PMID 9560386 .  
  12. ^ Schneider S, Экскофьер L (июль 1999). «Оценка прошлых демографических параметров по распределению парных различий, когда частота мутаций варьируется между сайтами: приложение к митохондриальной ДНК человека» . Генетика . 152 (3): 1079–89. PMC 1460660 . PMID 10388826 .  
  13. Перейти ↑ Nachman MW, Crowell SL (сентябрь 2000 г.). «Оценка скорости мутации на нуклеотид у человека» . Генетика . 156 (1): 297–304. PMC 1461236 . PMID 10978293 .  
  14. ↑ Roach JC, Glusman G, Smit AF, Huff CD, Hubley R, Shannon PT, Rowen L, Pant KP, Goodman N, Bamshad M, Shendure J, Drmanac R, Jorde LB, Hood L, Galas DJ (апрель 2010 г.). «Анализ генетической наследственности в семейном квартете методом полногеномного секвенирования» . Наука . 328 (5978): 636–9. Bibcode : 2010Sci ... 328..636R . DOI : 10.1126 / science.1186802 . PMC 3037280 . PMID 20220176 .  
  15. ↑ Whittaker JC, Harbord RM, Boxall N, Mackay I, Dawson G, Sible RM (июнь 2003 г.). «Вероятностная оценка частоты микросателлитных мутаций» . Генетика . 164 (2): 781–7. PMC 1462577 . PMID 12807796 .  
  16. ^ Gravtiz, Lauren (28 июня 2012). «Отсутствие модификации ДНК создает горячие точки для мутаций» . Инициатива Фонда Саймонса по исследованию аутизма.
  17. ↑ Sung W, Tucker AE, Doak TG, Choi E, Thomas WK, Lynch M (ноябрь 2012 г.). «Чрезвычайная стабильность генома инфузории Paramecium tetraurelia» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (47): 19339–44. Bibcode : 2012PNAS..10919339S . DOI : 10.1073 / pnas.1210663109 . PMC 3511141 . PMID 23129619 .  
  18. ↑ Альтенберг L (июнь 2011 г.). «Принцип эволюционного уменьшения скорости мутаций в нескольких локусах». Вестник математической биологии . 73 (6): 1227–70. arXiv : 0909.2454 . DOI : 10.1007 / s11538-010-9557-9 . PMID 20737227 . S2CID 15027684 .  
  19. ^ Sniegowski PD, Gerrish PJ, Джонсон T, Бритва A (декабрь 2000). «Эволюция скорости мутаций: отделяя причины от последствий». BioEssays . 22 (12): 1057–66. DOI : 10.1002 / 1521-1878 (200012) 22:12 <1057 :: АИД-BIES3> 3.0.CO; 2-З . PMID 11084621 . CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  20. ^ Бернштейн Н, Хопфа Ф., Michod RE (1987). «Молекулярные основы эволюции пола». Успехи в генетике . 24 : 323–70. DOI : 10.1016 / s0065-2660 (08) 60012-7 . ISBN 9780120176243. PMID  3324702 .
  21. ↑ Orr HA (июнь 2000 г.). «Скорость адаптации у асексуалов» . Генетика . 155 (2): 961–8. PMC 1461099 . PMID 10835413 .  
  22. ^ Качели, Мультфильмы; Ван ден Берг, Брэм; Вуйтс, Сандер; Ойен, Элин; Voordeckers, Карин; Верстрепен, Кевин Дж; Фовар, Маартен; Верстратен, Натали; Михилс, янв (2017-05-02). «Адаптивная настройка скорости мутаций позволяет быстро реагировать на летальный стресс у Escherichia coli» . eLife . 6 . DOI : 10.7554 / eLife.22939 . ISSN 2050-084X . PMC 5429094 . PMID 28460660 .   
  23. Перейти ↑ Lynch M (август 2010). «Эволюция скорости мутаций» . Тенденции в генетике . 26 (8): 345–52. DOI : 10.1016 / j.tig.2010.05.003 . PMC 2910838 . PMID 20594608 .  
  24. Перейти ↑ Sung W, Ackerman MS, Miller SF, Doak TG, Lynch M (ноябрь 2012 г.). «Гипотеза барьера дрейфа и эволюция скорости мутаций» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (45): 18488–92. Bibcode : 2012PNAS..10918488S . DOI : 10.1073 / pnas.1216223109 . PMC 3494944 . PMID 23077252 .  
  25. ^ Crotty S, Cameron CE, Andino R (июнь 2001). «Катастрофа ошибки РНК-вируса: прямой молекулярный тест с использованием рибавирина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (12): 6895–900. Bibcode : 2001PNAS ... 98.6895C . DOI : 10.1073 / pnas.111085598 . PMC 34449 . PMID 11371613 .  
  26. ^ Rambaut A, D Посада, Crandall KA, Холмс EC (январь 2004). «Причины и последствия эволюции ВИЧ» . Природа Обзоры Генетики . 5 (52–61): 52–61. DOI : 10.1038 / nrg1246 . PMID 14708016 . S2CID 5790569 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные со скоростью мутаций на Викискладе?