Mutace jsou změny v genotypu organismu oproti normálu. Velká většina mutací vzniká náhodnými mechanizmy, cílená mutageneze se používá téměř výhradně pro vědecké účely.

Typy mutací

Mutace je možné rozdělit hned z několika úhlů pohledu.

• Podle okolností jejich vzniku dělíme mutace na spontánní a indukované.
• Podle úrovně, na které genetickou informaci ovlivňují, dělíme mutace na genomové, chromozomové a genové.
• Z pohledu evoluce dělíme mutace na evolučně výhodné, nevýhodné a neutrální.
• Z pohledu typu postižených buněk u vyššího organizmu (například u člověka) dělíme mutace na somatické a gametické.

Podrobnější dělení naleznete u popisu jednotlivých typů mutací.

Spontánní a indukované mutace

Mutace vzniklé díky chybě při replikaci DNA se nazývají mutace spontánní (dochází k nim bez zásahu z vnějšího prostředí). DNA polymeráza je ovšem velmi přesná, navíc má samoopravnou funkci. Pravděpodobnost jedné takovéto chyby se pohybuje v řádech asi 10^-7. Četnost těchto mutací je tedy velice nízká, navíc buňky jsou do jisté míry schopné tyto chyby díky reparačním enzymům likvidovat. Většina mutací je tedy tzv. indukovaných, tj. vyvolaných vnějšími mutagenními faktory.

Mutace genomové

Genomové mutace jsou nejrozsáhlejší typy mutací, týkající se celého genomu nebo jeho velkých částí (celých chromozomů).
Nejrozsáhlejší změnou je znásobení celé chromozomální sady. Takovýto stav se nazývá polyploidie - za normálních podmínek jsou vyšší organizmy diploidní (2n), polyploidní jedinec je 3n (triploidní), 4n (tetraploidní) nebo i více. Tento stav je relativně běžný u některých rostlin, ovšem u člověka (a vyšších živočichů obecně) není slučitelný se životem. Běžně polyploidní jsou ty buňky, které mají více jader (syncytia - např. příčně pruhované svalové vlákno) nebo u buněk, kde je velmi vysoká metabolická aktivita, která vyžaduje velkou transkripční aktivitu (příkladem mohou být jaterní buňky - hepatocyty). Druhým extrémem pak mohou být červené krvinky - erytrocyty, které jako terminální buňky nemají jádro a postrádají tak jadernou genetickou informaci (tento stav by se mohl nazývat nuliploidie).

Obrázek 1 - Ploidie a její typy

Stav, kdy chybí - nebo naopak přebývá - pouze některý chromozom z celé chromozomální sady se nazývá aneuploidie. Pokud v diploidní buňce (normální stav je tedy dizomie) chybí jeden chromozom z páru, nazýváme tento stav monozomie; pokud naopak jeden chromozom daného páru přebývá (je navíc), označujeme tento stav jako trizomie. Tyto abnormality vznikají díky chybě rozestupu chromozomů při buněčném dělní - tzv. nondisjunkci. Podrobnosti o těchto odchylkách u člověka a klinických syndromech naleznete v kapitole chromozomální aberace.

Mutace chromozomové

Chromozomové mutace jsou strukturní změny na úrovni jednotlivých chromozomů. Obecně se označují jako chromozomové aberace. Strukturní změny chromozomů vznikají jako následek chromozomální nestability (chromozomálních zlomů), způsobené nadměrnou expozicí jedince mutagenům, nebo zhoršenou funkcí reparačních mechanismů. Následky těchto odchylek závisí na tom, zda je i po strukturní přestavbě zachováno normální množství genetické informace. Pokud ne, potom dochází k fenotypovým projevům, které se odvíjejího od toho, která část genomu chybí nebo je strukturně poškozena, či naopak přebývá.

Strukturní změny chromozomů tedy můžeme rozdělit na:

• Balancované - kde je zachováno původní množství genetické informace.
• Nebalancované - kde původní množství genetické informace zachováno není a jejich nositel může mít různě závažné fenotypové projevy.

Podle mechanizmu vzniku klasifikujeme chromozomální přestavby takto:

Duplikace

Znásobení úseku chromozomu. Může být způsobeno nerovnoměrným crossing-overem, jehož následkem dojde na jednom chromozomu k duplikaci sledovaného úseku, zatímco na druhém je tentýž úsek deletován (vizte níže).

Delece

Část chromozomu chybí. Deletován může být konec raménka (potom jde o terminální deleci) nebo střední část některého z ramének chromozomu (intersticiální delece). Delece vznikají jako následek chromozomální nestability nebo nerovnoměrného crossing-overu (viz výše).

Inzerce

Inzerce vzniká jako následek minimálně 3 chromozomálních zlomů, kdy dojde k začlenění části chromozomu (vyštěpené z určitého chromozomu) do jiného chromozomu.

Inverze

Při inverzi dochází vlivem chromozomové nestability k vyštěpení části chromosomu, jejímu převrácení a následnému napojení. Například následkem inverze na chromozomu s původní sekvencí A-B-C-D-E-F-G-H by byla sekvence A-B-F-E-D-C-G-H (pokud je na invertované části chromozomu centromera, potom je inverze označována jako pericentrická; pokud na invertovaném úseku centromera není - jde o inverzi paracentrickou).

Translokace

Při translokaci je část chromozomu vyštěpena z původního chromozomu a připojena k jinému chromozomu. Translokace mohou být balancované (kdy je zachováno stejné množství genetické informace v buňce) nebo nebalancované (kdy původní množství není dodrženo).

Reciproké translokace jsou vzájemné translokace mezi dvěma nehomologními chromozomy. Chromozomy si vymění nehomologní úseky, počet chromosomů však zůstane stejný.

Robertsonské translokace jsou zvláštní případy translokace, kdy dochází k fúzi dvou akrocentrických chromozomů (po ztrátě krátkých ramen). Jedinec s takovouto balancovanou translokací má o chromozom méně, ale původní množství genetické informace - proto většinou nemá žádné fenotypové projevy. Současně má však velmi velké riziko, že jeho děti budou postiženy nebalancovanými chromozomálními aberacemi.

Izochromozom

Isochromozom je chromozom, který má pouze dlouhá, či naopak pouze krátká raménka. Vzniká chybným mitotickým rozestupem chromozomů, kdy nedojde k rozestupu chromatid, ale do jedné dceřinné buňky se dostanou obě krátká raménka a do druhé obě raménka dlouhá.

Ring chromozom

Pokud dojde u chromozomu k deleci konců obou ramének (telomer), může se tento chromozom stočit, koncové části se spojí a vznikne "kolečko" - tedy kruhový chromozom (ring chromosome).

Podrobnosti o těchto odchylkách u člověka a klinických syndromech naleznete v kapitole chromozomální aberace.

Obrázek 2 - Přehled vybraných chromozomálních mutací

Genové mutace

Probíhají na úrovni vlákna DNA. Jsou to tedy takové změny, které mění pořadí nukleotidů oproti normální sekvenci (normálnímu pořadí). Genové mutace, týkající se změny v rozsahu jednoho jediného nukleotidu také označujeme jako mutace bodové. Genové mutace mohou vzniknout jak v kódujících, tak v nekódujících oblastech genomu.

Podle mechanizmu vzniku rozlišujeme hned několik typů genových mutací:

Adice (inzerce)

Zařazení jednoho nebo více nadbytečných nukleotidových párů. Pokud je zařazen takový počet nukleotidů, který není celočíselným násobkem čísla 3 (3n), potom dojde k posunu čtecího rámce (tzv. frameshift mutation) a následně k syntetizování zcela odlišného polypeptidu nebo dokonce k předčasnému ukončení proteosyntézy vznikem terminačního kodonu. Zařazení 3n nukleotidů (nenarušujících původní čtecí rámec) obecně prodlužuje polypeptidový řetězec o n aminokyselin podle inzertované sekvence.

Delece

Jde o ztrátu jednoho nebo více nukleotidů původní sekvence. Účinek je podobný jako u adicí, pouze místo prodloužení polypeptidového řetězce dochází ke zkracování. Delece mohou rovněž vést k posunu čtecího rámce.

Substituce

Substituce je náhrada (či záměna) báze původní sekvence bází jinou. Pokud jde o záměnu purinové báze za purinovou bázi, nebo o záměnu pyrimidinové báze za pyrimidinovou bázi - pak je tato substituce označena jako transice. Záměna purinové báze za bázi pyrimidinovou nebo naopak se označuje jako transverze. Následeky substituce mohou být různé, podle toho, na které pozici kodonu k substituci došlo.

Několik příkladů genových mutací na malém úseku (jednoho) vlákna DNA:

Původní sekvence:
A-A-A-G-G-G-C-C-C-T-T-T

Adice:
A-A-A-G-G-T-T-G-C-C-C-T-T-T

Delece:
A-A-A-G-_-G-C-C-C-T-T-T

Substituce:
A-A-A-G-A-G-C-C-C-T-T-T

Budeme-li ovšem uvažovat, že k mutaci došlo v kódujícím úseku DNA, můžeme si dále genové mutace rozdělit podle toho, jak ovlivní proteosyntézu.

• Mutace neměníci smysl (samesense, silent mutation), které těží z degenerace genetického kódu (tedy z faktu, že některé aminokyseliny jsou kódovány různými triplety), neboť je i přes mutaci zařazena stejná aminokyselina. Jsou způsobeny substitucemi na třetí pozici tripletu.
• Mutace měnící smysl (missense mutation), které mění smysl polypeptidového vlákna. Jsou způsobeny zejména takovými substitucemi, které způsobí zařazení odlišné aminokyseliny při proteosyntéze. Záleží ovšem také na tom, k jaké záměně aminokyseliny nakonec dojde (některé aminokyseliny mají podobné vlastnosti - záměna tedy může být víceméně konzervativní)
• Nesmyslné mutace (nonsense mutation), které zapříčiní vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA. Syntéza takového polypeptidu paki není dokončena a výsledkem je zcela nefunkční protein. Tyto mutace jsou způsobeny delecí nebo inzercí určitého množství bází, pokud nejde o 3n násobek.

Obrázek 3 - Následky bodových mutací

Dynamické mutace

Dynamické mutace jsou speciálním typem mutací. Jsou spojené s fenoménem expanze repetitivních sekvencí (typicky jde o expanzi trinukleotidových repetic). Bylo zjištěno, že u některých chorob (Huntingtonova chorea, syndrom fragilního X chromozomu, myotonická dystrofie či Friedrichova ataxie) nalézáme oproti normálu zvýšený počet trinukleotidových repetich (existují i dinukleotidové a jiné repetice) na specifickém úseku genomu. Vinou nepřesností při replikaci tohoto úseku, může docházet ke zvyšování počtu trinukleotidovýc repetic. V rámci jedné rodiny se tak může počet repetic z generace na generaci zvyšovat.Pokud nepřesáhne počet repetic kritické číslo (k rozvoji choroby), ale je oproti normálu zvýšen, označuje se tento stav jako premutace. Jakmile je tento kritický počet dosažen či překročen, dojde k plné mutaci a u jedince se manifestuje příslušná choroba.

Pokud k nondisjunkci dojde při meiotickém dělení (při I. nebo II. meiotickém dělení) během vzniku pohlavních buněk (nondisjunkce na germinální úrovni), potom bude mít zygota k jejímuž vzniku přispěla tato aberovaná gameta nestandardní počet chromosomů a tím pádem každá buňka jedince, který z této zygoty vznikne (tedy pokud vůbec bude vývoj dále pokračovat...), bude mít aberovaný karyotyp. Pokud k dojde k nondisjunkci až během mitózy - vzniká chromosomová mozaika - viz níže.

Somatické a gametické mutace

Somatické mutace jsou mutace, které postihují somatické ("tělové") - tedy nepohlavní buňky organizmu v průběhu jeho života. Mutace v těchto buňkách vedou k lokálnímu postižení - poškozené buňky hynou apoptózou či nekrózou, případně mutace mohou nastartovat proces maligní transformace, který povede ke vzniku nádorového onemocnění. Důležité je, že mutace v somatických buňkách se nepřenáší na další generace.

Gametické mutace jsou mutace vzniklé v gametách - pohlavních buňkách organizmu. Nebezpečí těchto mutací spočívá v tom, že jakmile dojde s pomocí mutované gamety k oplození a ke vzniku zygoty - bude se příslušná mutace následně i v této zygotě nacházet. Jelikož ze zygoty vznikají v průběhu vývoje všechny buňky těla (somatické buňky i gamety) - bude se příslušná mutace nacházet ve všech buňkách organizmu což se typicky projevuje fenotypem příslušné gentické choroby a navíc se tato mutace může přenášet do dalších generací.

Význam mutací

Z hlediska klinické genetiky, jsou to právě mutace, které způsobují genetické choroby, vývojové vady nebo nádorové bujení. Ovšem vzhledem k tomu, že jen malá část lidského genomu (asi 1,5 %) skutečně kóduje proteiny, dochází k většině mutací v nekódujících oblastech. I zde však mohou mutace působit negativně, pokud změní sekvenci promotoru, regulační oblasti transkripce nebo signální sekvenci pro sestřih pre-mRNA. Závažnější projev mají mutace v kódujících oblastech.

Z pohledu evoluce jsou mutace velmi užitečné. Dříve byly dokonce považovány za hybnou sílu evoluce, dnes jim již tak obrovský význam přiznáván není. Mutace mohou být z evolučního hlediska nevýhodné, neutrální nebo výhodné. Největší šanci udržet se a následně zasáhnout do evoluce mají mutace výhodné, ani ty se však nemusí udržet a mohou být z genofondu vyeliminovány.

Obrázek 4 - Význam mutací v evoluci