Rata mutației

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Estimări recent publicate ale ratei mutațiilor întregului genom uman. Rata mutației liniei germinale umane este de aproximativ 0,5 × 10 −9 mutații per pereche de baze pe an [1]

În genetică , rata mutației este o măsură a ratei la care apar diferite tipuri de mutații în timp. Ratele de mutație sunt de obicei indicate pentru o clasă de mutație specifică, cum ar fi mutații punctuale, inserții sau ștergeri la scară mică sau mare. Rata substituțiilor poate fi împărțită în continuare într-un spectru de mutații care descriu influența contextului genetic asupra ratei mutațiilor.

Există mai multe unități de timp naturale pentru fiecare dintre aceste rate, cu rate care pot fi caracterizate ca mutații pe pereche de baze pe diviziune celulară, mutații pe genă pe generație sau mutații pe genom pe generație. Rata mutației unui organism este o caracteristică evoluată și este puternic influențată de genetica organismului individual, pe lângă influența puternică a mediului. Limitele superioare și inferioare la care pot ajunge ratele de mutație sunt încă cercetate.

Baza genetică

Diferite variante genetice din cadrul unei specii se numesc alele . O nouă mutație creează o nouă alelă. În genetica populației , fiecare alelă este caracterizată de un coeficient de selecție, care măsoară schimbarea așteptată a frecvenței unei alele în timp. Coeficientul de selecție poate fi negativ, ceea ce corespunde unei scăderi așteptate, pozitiv, care corespunde unei creșteri așteptate sau zero, care corespunde cazului în care nu se așteaptă nicio variație. Distribuția efectelor convenabile ale noilor mutații este un parametru important în genetica populației și a făcut obiectul unor cercetări aprofundate [2] . Deși evaluările anterioare ale acestei distribuții nu au fost concludente, acum se crede în general că majoritatea mutațiilor sunt ușor dăunătoare, multe au efecte de oportunitate reduse pentru organism și doar câteva pot avea efecte favorabile.

Ca rezultat al selecției naturale , mutațiile nefavorabile sunt de obicei eliminate dintr-o populație, în timp ce cele favorabile sunt fixate rapid; variațiile neutre se acumulează la fel de repede pe cât sunt create de mutații.

Măsurare

Ratele de mutație ale unui organism pot fi măsurate cu numeroase tehnici.

Viteza de înlocuire

Multe locuri din genomul unui organism nu pot accepta mutații cu efecte foarte convenabile. Aceste site-uri sunt denumite de obicei site-uri neutre. Teoretic, mutațiile neselectate se fixează între organisme cu exactitatea ratei mutației.

Mutațiile sinonime fixe, adică substituțiile sinonime , sunt variații în secvența unei gene care nu duc la o modificare a proteinei codificate de acea genă. Ele sunt adesea folosite pentru a estima rata mutației, în ciuda faptului că unele mutații sinonime au efecte de comoditate. De exemplu, ratele de mutație au fost deduse direct din secvențele la nivel de genom ale liniilor replicate de Escherichia coli B. evoluate experimental [3] .

Liniile de acumulare ale mutațiilor

O metodă deosebit de laborioasă pentru determinarea ratei mutației este linia de acumulare a mutației.

Liniile de acumulare a mutațiilor au fost utilizate pentru determinarea ratelor de mutație prin metoda Bateman-Mukai și pentru secvențierea directă a bacteriilor intestinale, nematodelor , drojdiilor, muștelor fructelor și anuale mici [4] .

Modificarea ratelor de mutație

Generarea durata afecteaza mutatie: ratele lemnoase trăit lung bambuși ( Arundinarieae și Bambuseae triburi) au rate mai mici de mutație (ramuri mai scurte în arborele filogenetic) decât erbacee a trăit-mai scurte bambuși ( Olyreae trib)

Ratele de mutație diferă de la specie la specie și chiar între diferite regiuni ale genomului unei singure specii. Aceste rate diferite de substituție nucleotidică sunt măsurate ca substituții (mutații permanente) per pereche de baze pe generație. De exemplu, mutațiile ADN necodificator (sau intergenic) tind să se acumuleze într-un ritm mai rapid decât mutațiile ADN-ului care este utilizat în mod activ de organism ( expresia genei ). Acest lucru nu se datorează neapărat unei rate mai mari de mutație, ci mai degrabă nivelurilor mai scăzute de selecție purificatoare .

O regiune care se schimbă la o rată previzibilă poate fi utilizată ca ceas molecular . Dacă presupunem că rata mutațiilor neutre dintr-o secvență este constantă (ca un ceas) și dacă majoritatea diferențelor dintre specii sunt mai degrabă neutre decât adaptative, numărul diferențelor dintre două specii diferite poate fi utilizat pentru a estima cu cât timp în urmă două specii s-au separat ( speciație ). De fapt, rata de mutație a unui organism se poate modifica ca răspuns la stresele din mediu. De exemplu, radiația ultravioletă dăunează ADN-ului, provocând mutații cauzate de încercările celulei de a repara ADN-ul .

Rata mutației la bărbați este mai mare la linia germinală masculină ( spermatozoizi ) decât la femeie ( celulă ovulă ), dar estimările ratei exacte variază în funcție de un ordin de mărime sau mai mult.

În general, rata mutațiilor la eucariote și bacterii unicelulare este de aproximativ 0,003 mutații per genom pe generație de celule [5] . Aceasta înseamnă că genomul uman acumulează aproximativ 64 de mutații noi pe generație, deoarece fiecare generație completă implică un anumit număr de diviziuni celulare pentru a genera gameți [5] .

Cele mai mari rate de mutație (raportate pe pereche de baze pe generație) sunt cele ale virușilor, care pot avea un genom pe bază de ARN sau pe bază de ADN. Virușii ADN au rate de mutație variind de la 10 −6 la 10 −8 mutații per pereche de baze pe generație, în timp ce virusurile ARN au rate de mutație variind de la 10 −3 la 10 −5 per pereche de bază per generație [5] .

S-a estimat că ADN-ul mitocondrial uman are rate de mutație de ~ 3 × sau ~ 2,7 × 10 −5 mutații per pereche de baze pe generație pe parcursul a 20 de ani (în funcție de metoda de estimare utilizată) [6] ; această rată este considerată a fi semnificativ mai mare decât rata mutației genomului uman, pentru care se estimează o rată de mutații de ~ 2,5 × 10 −8 pe pereche de bază pe generație [7] . Folosind datele puse la dispoziție din secvențierea întregului genom uman, rata mutației genomului uman a fost estimată în mod similar la ~ 1,1 × 10-8 mutații pe pereche de baze pe generație [8] .

Ratele pentru alte forme de mutație sunt, de asemenea, semnificativ diferite de cele pentru mutațiile punctuale . Un locus microsatelit individual are adesea o rată de mutație de ordinul a 10-4 mutații per pereche de baze pe generație, deși această valoare poate varia foarte mult în funcție de lungimea locusului [9] .

Unele secvențe de ADN pot fi mai sensibile la mutații. De exemplu, tractele de ADN spermatic uman care sunt lipsite de metilare sunt mai predispuse la mutații [10] .

Spectrul mutațional

Tranziții (alfa) și transversale (beta)

Spectrul mutațional al unui organism este rata la care apar mutații diferite în diferite locuri. De obicei, sunt considerate două situri, fiecare dintre ele putând avea trei mutații, cu un total de șase viteze totale pentru majoritatea spectrelor de mutație. Cele două situri sunt cele două posibile perechi corecte din ADN : perechile A : T și perechile C : G.

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Pătratul opozițiilor .

Există, de asemenea, o diferență sistematică între vitezele pentru tranziții (Alpha) și transversale (Beta).

Evoluţie

Teoria evoluției ratelor de mutație identifică trei forțe principale implicate:

  • generarea de mutații mai dăunătoare cu mutații mai frecvente,
  • generarea de mutații mai avantajoase cu mutații mai frecvente,
  • costurile metabolice și ratele reduse de replicare care sunt necesare pentru a preveni mutațiile.

Se ajung la concluzii diferite în funcție de importanța relativă atribuită fiecăreia dintre aceste forțe. Rata optimă de mutație a organismelor poate fi determinată ca un compromis între costurile unei rate de mutație ridicate [11] , cum ar fi cele ale mutațiilor dăunătoare, și costurile metabolice ale sistemelor de întreținere pentru a reduce rata mutației (cum ar fi „creșterea expresia enzimelor de reparare a ADN-ului [12] sau, după cum observă Bernstein și colab. [13] , după ce a crescut utilizarea energiei pentru reparare, codificând produse genetice suplimentare și / sau având o replicare mai lentă).

În al doilea rând, rate mai mari de mutație cresc frecvența mutațiilor benefice, iar evoluția poate preveni scăderea ratei mutației pentru a menține rate optime de adaptare [14] .

În cele din urmă, selecția naturală nu reușește să optimizeze rata mutației din cauza beneficiilor relativ minore ale reducerii ratei mutației, astfel încât rata mutației observate este produsul proceselor neutre [15] [16] .

Unele studii au arătat că tratamentul unor virusuri ARN, cum ar fi poliovirusurile cu ribavirină, produce rezultate în concordanță cu ideea că virusurile au mutat prea frecvent pentru a putea menține integritatea informațiilor despre genomul lor [17] . Acest fapt este indicat de termenul de catastrofă a erorilor .

Notă

  1. ^ Aylwyn Scally, Rata mutației în evoluția umană și inferența demografică , în Opinia curentă în genetică și dezvoltare , vol. 41, 2016, pp. 36–43, DOI : 10.1016 / j.gde.2016.07.008 , ISSN 0959-437X ( WC ACNP ) .
  2. ^ Eyre-Walker A, Keightley PD, Distribuția efectelor de fitness ale noilor mutații , în Nat. Pr. Genet. , vol. 8, nr. 8, august 2007, pp. 610-8, DOI : 10.1038 / nrg2146 , PMID 17637733 .
  3. ^ Wielgoss S, Barrick JE, Tenaillon O, etal, Rata de mutație dedusă din substituții sinonime într-un experiment de evoluție pe termen lung cu Escherichia coli , în G3: Gene, genomi, genetică , vol. 1, nr. 3, august 2011, pp. 183-6, DOI : 10.1534 / g3.111.000406 , PMC 3246271 , PMID 22207905 .
  4. ^ Ossowski S, Schneeberger K, Lucas-Lledó JI, etal, Rata și spectrul molecular al mutațiilor spontane în Arabidopsis thaliana , în Știință , vol. 327, nr. 5961, ianuarie 2010, pp. 92–4, DOI : 10.1126 / science.1180677 , PMC 3878865 , PMID 20044577 .
  5. ^ a b c Drake JW, Charlesworth B, Charlesworth D, Crow JF, Rate of spontaneous mutation , în Genetica , vol. 148, nr. 4, aprilie 1998, pp. 1667–86, PMC 1460098 , PMID 9560386 .
  6. ^ Schneider S, Excoffier L, Estimarea parametrilor demografici anteriori din distribuția diferențelor în perechi atunci când ratele de mutație variază între site-uri: aplicare la ADN-ul mitocondrial uman , în Genetica , vol. 152, nr. 3, iulie 1999, pp. 1079–89, PMC 1460660 , PMID 10388826 .
  7. ^ Nachman MW, Crowell SL, Estimarea ratei de mutație pe nucleotidă la om , în Genetică , vol. 156, nr. 1, septembrie 2000, pp. 297-304, PMC 1461236 , PMID 10978293 .
  8. ^ Roach JC, Glusman G, Smit AF, etal, Analiza moștenirii genetice într-un cvartet familial prin secvențierea întregului genom , în Știința , vol. 328, nr. 5978, aprilie 2010, pp. 636-9, DOI : 10.1126 / science.1186802 , PMC 3037280 , PMID 20220176 .
  9. ^ Whittaker JC, Harbord RM, Boxall N, Mackay I, Dawson G, Sibly RM, Estimarea bazată pe probabilitate a ratelor de mutație a microsateliților , în Genetica , vol. 164, n. 2, iunie 2003, pp. 781-7, PMC 1462577 , PMID 12807796 .
  10. ^ Lauren Gravtiz, Lipsa de modificari ADN - ului creează hotspot - uri pentru mutatii , pe spectrumnews.org, Simons Fundatia Autism Research Initiative, 28 iunie 2012.
  11. ^ Altenberg L, Un principiu de reducere evolutivă pentru ratele de mutație la mai mulți loci , în Bull. Matematica. Biol. , vol. 73, nr. 6, iunie 2011, pp. 1227–70, DOI : 10.1007 / s11538-010-9557-9 , PMID 20737227 .
  12. ^ Sniegowski P, Gerrish P, Johnson T, Shaver A, <1057 :: AID-BIES3> 3.0.CO; 2-W Evoluția ratelor de mutație: separarea cauzelor de consecințe , în BioEssays , vol. 22, n. 12, 2000, pp. 1057–66, DOI : 10.1002 / 1521-1878 (200012) 22:12 <1057 :: AID-BIES3> 3.0.CO; 2-W , PMID 11084621 .
  13. ^ Bernstein H, Hopf FA, Michod RE, Baza moleculară a evoluției sexului , în Adv. Genet. , vol. 24, 1987, pp. 323–70, vezi p. 347, DOI : 10.1016 / s0065-2660 (08) 60012-7 , PMID 3324702 .
  14. ^ Orr HA, Rata adaptării la asexuați , în Genetică , vol. 155, nr. 2, iunie 2000, pp. 961-8, PMC 1461099 , PMID 10835413 .
  15. ^ Lynch M,Evoluția ratei mutației , în Trends Genet. , vol. 26, n. 8, august 2010, pp. 345–52, DOI : 10.1016 / j.tig.2010.05.003 , PMC 2910838 , PMID 20594608 .
  16. ^ Sung W, Ackerman MS, Miller SF, Doak TG, Lynch M, Ipoteza barierei în derivă și evoluția ratei mutației , în Proc. Natl. Acad. Sci. SUA , vol. 109, nr. 45, 2012, pp. 18488–18492, DOI : 10.1073 / pnas.1216223109 .
  17. ^ Crotty S, Cameron CE, Andino R, catastrofă de eroare a virusului ARN: test molecular direct prin utilizarea ribavirinei , în Proc. Natl. Acad. Sci. SUA , vol. 98, nr. 12, iunie 2001, pp. 6895–900, DOI : 10.1073 / pnas.111085598 , PMC 34449 , PMID 11371613 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Biologie Portalul de biologie : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de biologie
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Rate_di_mutation&oldid=120004564 ”