Кіріспе

Мутация жылдамдығы – генетикада белгілі бір генде, нуклеотидтік тізбекте немесе организмде уақыт өте келе жаңа мутациялардың жиілігі. Мутация деңгейі тұрақты емес және тек бір мутация түрімен шектелмейді; мутациялардың көптеген түрлері бар. Мутация деңгейі мутациялардың нақты кластары үшін беріледі. Нүктелі мутациялар – бір негізді өзгертетін мутациялар класы. Миссэнс және Нонсенс мутациялары – нүктелі мутацияның екі субтипі. Осы типтегі алмастырулардың жылдамдығын генетикалық контекстің мутация жылдамдығына әсерін сипаттайтын мутациялық спектрге бөліп қарастыруға болады. Бұл деңгейлердің әрқайсысы үшін бірнеше табиғи уақыт бірліктері бар, олар клетканың бір бөлінуіне шаққандағы базалық жұптар, бір ұрпаққа шаққандағы гендер немесе геном бойынша мутациялар ретінде сипатталады. Организмнің мутация жылдамдығы – дамыған қасиет және оған әр организмнің генетикасымен қатар, қоршаған ортаның да күшті әсері тиеді. Мутация деңгейінің жоғарғы және төменгі шектері қазіргі таңда зерттелуде. Дегенмен, мутация жылдамдығы геном бойынша өзгеріп отырады. ДНҚ, РНҚ немесе бір генде мутация жылдамдығы өзгереді. Адамдарда мутация жылдамдығы артқанда, қатерлі ісік және басқа да тұқым қуалайтын аурулар сияқты денсаулыққа қатысты белгілі бір тәуекелдер пайда болуы мүмкін. Мутация деңгейін білу қатерлі ісіктер мен көптеген тұқым қуалайтын аурулардың болашағын түсіну үшін маңызды.

Өмірбаян

Бір түрдегі әр түрлі генетикалық варианттар аллель деп аталады, сондықтан жаңа мутация жаңа аллельді құра алады. Популяциялық генетикада әр аллель уақыт өте келе аллель жиілігіндегі күтілетін өзгерістерді өлшейтін таңдау коэффициентімен сипатталады. Таңдау коэффициенті теріс болуы мүмкін, күтілетін азаюға сәйкес, оң, күтілетін өсуге сәйкес, немесе нөл, күтілетін өзгеріс болмаса. Жаңа мутациялардың тіршілікке әсер ету таралуы популяциялық генетикада маңызды параметр болып табылады және кеңінен зерттелген. Бұрын осы таралуды өлшеулер келіспегенмен, қазір көптеген мутациялар аз дәрежеде зиянды, көптеген мутациялар организмнің тіршілігіне аз әсер етеді және аздаған мутациялар пайдалы болуы мүмкін деп есептеледі. Табиғи іріктеудің нәтижесінде, зиянды мутациялар әдетте популяциядан жойылады, ал пайдалы өзгерістер әдетте келесі ұрпаққа сақталады, ал бейтарап мутациялар мутациялар арқылы пайда болатын жылдамдықпен жинақталады. Бұл процесс көбею арқылы жүзеге асады. Белгілі бір ұрпақта "ең жақсы бейімделгендер" жоғары ықтималдықпен тірі қалады және өз гендерін ұрпақтарына береді. Бұл ықтималдықтағы өзгерістің таңбасы мутацияларды организмдер үшін пайдалы, бейтарап немесе зиянды деп анықтайды.

Өлшем

Организмнің мутациялық деңгейін бірнеше техника арқылы өлшеуге болады. Мутациялық деңгейді өлшеудің бір жолы – флуктуациялық тест, ол Лурия-Дельбрюк эксперименті деп те аталады. Бұл эксперимент бактерияларда мутациялар таңдау барысында емес, таңдау болмағанда пайда болатынын көрсетті. Бұл мутациялық деңгей үшін өте маңызды, себебі мутациялар таңдау факторының қатысуынсыз да пайда болатынын тәжірибелік тұрғыдан дәлелдейді. Шындығында, мутация және таңдау – мүлдем бөлек эволюциялық күштер. ДНК-ның әртүрлі тізбектері мутацияға әртүрлі бейімділікке ие болуы мүмкін (төменде қараңыз) және олар кездейсоқ пайда болмауы да мүмкін. Ең көп өлшенетін мутациялар класы – нұсқау алмасулар, себебі оларды ДНК тізбегі деректерінің стандартты талдауымен өлшеу салыстырмалы түрде оңай. Дегенмен, нұсқау алмасулардың мутациялық деңгейі басқа кластарға қарағанда едәуір төмен (көптеген жасушалы организмдер үшін ұрпақ сайын 10-8-ден 10-9-ға дейін), ал олар жиірек әлдеқайда жоғары болады (спутниктік ДНК-ның кеңеюі/қысқаруы үшін ұрпақ сайын ~10-3).

Ауыстыру мөлшерлемелері

Организмнің геномындағы көптеген орындарда шағын жарамдылық әсеріне ие мутациялар пайда болуы мүмкін. Мұндай орындар әдетте бейтарап орындар деп аталады. Теориялық тұрғыдан алғанда, табиғи іріктеуге ұшырамаған мутациялар организмдер арасында мутация жылдамдығымен сәйкес қалыптасады. Қалысқан синонимді мутациялар, яғни синонимді алмасулар – бұл геннің тізбегіндегі өзгерістер, олар сол ген өндіретін белоктың құрамын өзгерте алмайды. Кейбір синонимді мутациялардың жарамдылыққа әсер ететініне қарамастан, олар мутация жылдамдығын бағалау үшін жиі қолданылады. Мысалы, мутация жылдамдығы эксперименттік жағдайда эволюциялаған Escherichia coli B штамдарының толық геномдық тізбектерінен тікелей анықталған.

Мутация жинақталу сызықтары

Мутация жылдамдығын сипаттаудың еңбекке көп талап ететін әдісінің бірі – мутация жинақтау жолы. Мутация жинақтау жолдары Батеман-Мукай әдісімен және ішек бактериялары (E. coli), дөңгелек құрттар (C. elegans), ашытқы (S. cerevisiae), жеміс шырыны құрттары (D. melanogaster) және шағын, қысқа өмір сүретін өсімдіктер (A. thaliana) сияқты жақсы зерттелген тәжірибелік организмдердің тікелей секвенирленуі арқылы мутация жылдамдықтарын анықтау үшін қолданылған.

Мутация деңгейінің өзгеруі

Мутация деңгейі түрлер арасында, тіпті бір түрдің геномның әртүрлі аймақтарында да өзгеше болады. Нуклеотидтердің алмасуының әртүрлі жылдамдығы бір буынға бір базалық жұпқа шаққандағы алмасулар (бекітілген мутациялар) арқылы өлшенеді. Мысалы, интергендік, яғни кодтамайтын ДНҚ-дағы мутациялар организмде белсенді қолданылатын ДНҚ-дағы (гендік экспрессия) мутацияларға қарағанда жылдамрақ жинақталады. Бұл міндетті түрде жоғары мутация жылдамдығына байланысты емес, бірақ тазарту таңдауының төмен деңгейіне байланысты болуы мүмкін. Болжамды жылдамдықпен мутацияланатын аймақ молекулалық сағат ретінде қолдануға жарамды. Егер бір тізбектегі бейтарап мутациялардың жылдамдығы тұрақты (сағаттай) деп есептелсе және егер түрлер арасындағы көптеген айырмашылықтар бейтарап немесе бейімделуші болса, онда екі түрдің арасындағы айырмашылықтардың саны екі түрдің қанша уақыт бұрын ортақ атадан бөлініп шыққанын бағалау үшін пайдаланылуы мүмкін (молекулалық сағатқа қараңыз). Шындығында, организмнің мутация жылдамдығы қоршаған ортаның стрестік жағдайларына жауап ретінде өзгеруі мүмкін. Мысалы, ультракөк сәуле ДНҚ-ға зақым келтіреді, бұл жасушаның ДНҚ-ны жөндеуге тырысуында қателіктерге әкелуі мүмкін. Адамның мутация жылдамдығы еркек ұрықтық жасушаларында (сперма) әйел ұрықтық жасушаларына (жұмыртқа жасушалары) қарағанда жоғары, бірақ нақты жылдамдық бағалаулары бір немесе одан да көп ретке өзгеруі мүмкін. Бұл адам геномының әр буында шамамен 64 жаңа мутацияны жинақтайтынын білдіреді, өйткені әр толық буын гаметаларды жасау үшін жасушалардың бірнеше бөлінуін қамтиды. Адам митохондриялық ДНҚ-сының 20 жылдық буынға шаққандағы мутация жылдамдығы ~3× немесе ~2.7×10−5 базаға тең деп бағаланады (бағалау әдісіне байланысты); бұл деңгейлер ~2.5×10−8 базаға шаққандағы генетикалық мутация жылдамдығынан әлдеқайда жоғары деп есептеледі. Бүкіл геномды секвенирлеу деректеріне сүйене отырып, адам геномының мутация жылдамдығы да бір буынға бір локусқа шаққанда ~1.1×10−8 деп бағаланады. Мутацияның басқа түрлерінің жылдамдығы да нүктелік мутациялардан айтарлықтай өзгеше. Жеке микросателлит локусының мутация жылдамдығы шамамен 10−4 құрайды, бірақ бұл ұзындығына байланысты айтарлықтай өзгеруі мүмкін. ДНҚ-ның кейбір тізбектері мутацияға көбірек бейім болуы мүмкін. Мысалы, адам спермасындағы метилденбеген ДНҚ участалары мутацияға бейім. Жалпы, бір жасушалы эукариоттарда (және бактерияларда) мутация жылдамдығы бір жасуша буынына геном бойынша шамамен 0,003 мутацияны құрайды. Бір буынға шаққандағы ең жоғары базалық жұп мутациясы вирустарда кездеседі, олардың геномдары РНК немесе ДНҚ болуы мүмкін. ДНҚ вирустарының бір буынға бір базаға шаққандағы мутация жылдамдығы 10−6-ден 10−8-ге дейін, ал РНК вирустарының мутация жылдамдығы 10−3-тен 10−5-ке дейін құрайды. Бұл толық de novo спектрінен, мысалы, кодтаушы және кодтамайтын аймақтардағы мутацияның салыстырмалы жылдамдығын есептеуге болады. Әдетте, мутация жылдамдықтарының спектрі түсінігі шиеленістер мен трансверсиялар (сурет) сияқты кең кластарды қамтуға оңайлатылады, яғни геном бойынша әртүрлі мутациялық түрленулер кластарға біріктіріледі және әр класс үшін жиынтық жылдамдық бар. Көптеген жағдайларда мутация спектрі белгілі бір таңдау критерийімен анықталған мутациялардың байқалатын жиіліктері ретінде анықталады, мысалы, клиникалық тұрғыдан белгілі бір қатерлі ісік түрімен байланысты мутациялардың таралуы немесе антибиотиктерге төзімділік сияқты белгілі бір жағдайда бейімделу өзгерістерінің таралуы (мысалы, ). Де-ново мутация жылдамдықтарының спектрі тек мутагенезді ғана көрсетеді, ал осы спектрдің түрі таңдау және анықтауға қатысты қиындықтардың әсерін де көрсетуі мүмкін (мысалы, екі спектрдің де түрлері қолданылады).

Эволюция

Мутациялық жылдамдықтардың эволюциясы теориясы үш негізгі күшті анықтайды: жоғары мутациялық деңгейде зиянды мутациялардың көбеюі, жоғары мутациялық деңгейде пайдалы мутациялардың көбеюі, сондай-ақ мутациялардың алдын алуға қажетті метаболизм шығындары мен репликация жылдамдығының төмендеуі. Әр күштің салыстырмалы маңыздылығына байланысты әртүрлі қорытындыларға келінеді. Организмдердегі оңтайлы мутациялық жылдамдық, жоғары мутациялық жылдамдықтың зиянды мутациялар сияқты салдары мен мутациялық жылдамдықты төмендетуге арналған жүйелерді сақтаудың метаболикалық шығындары (мысалы, ДНҚ жөндеу ферменттерінің экспрессиясын арттыру) арасындағы тепе-теңдік арқылы анықталуы мүмкін. Bernstein және авторлар атап өткендей, бұл оңдауға қажетті энергияны арттыру, қосымша ген өнімдерін кодтау және/немесе репликация жылдамдығын баяулату арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Екіншіден, жоғары мутациялық жылдамдықтар пайдалы мутациялардың жиілігін арттырады, ал эволюция оңтайлы бейімделу деңгейін сақтау үшін мутациялық жылдамдықтың төмендеуіне жол бермейді. Гипермутация кейбір жасушаларға өзгеретін жағдайларға жылдам бейімделуге және тұтас популяцияның жойылуын болдырмауға мүмкіндік береді. Соңында, табиғи іріктеу мутация жылдамдығын төмендетудің салыстырмалы түрде шағын пайдасынан мутация жылдамдығын оңтайландыруға сәтсіздік тануы мүмкін, сондықтан байқалатын мутация жылдамдығы бейтарап процестердің нәтижесі болып табылады. Зерттеулер көрсеткендей, полиовирус сияқты РНК вирустарын рибавиринмен емдеу нәтижелері вирустардың геномдарындағы ақпараттың тұтастығын сақтау үшін тым жиі мутацияланатындығы туралы идеямен сәйкес келеді. Бұл құбылыс қателік апаты деп аталады. Адамның иммуножеткіліксіздік вирусының (АИВ) 3 x 10−5 базаға және ұрпаққа шаққандағы жоғары мутациялық жылдамдығы, оның қысқа репликациялық циклімен қатар, жоғары антигендік өзгергіштікке алып келеді, бұл оған иммундық жүйеден қашуға мүмкіндік береді.