돌연변이율

Mutation rate
최근 보고된 인간 게놈 전체의 돌연변이율 추정치.인간 생식선 돌연변이율은 염기쌍당 연간 [1]약 0.5×10이다−9.

유전학에서 돌연변이율은 단일 유전자 또는 유기체의 새로운 돌연변이의 빈도를 시간 [2]경과에 따라 나타냅니다.돌연변이율은 일정하지 않고 단일 유형의 돌연변이에 국한되지 않습니다. 다양한 유형의 돌연변이가 있습니다.돌연변이율은 특정 종류의 돌연변이에 대해 주어진다.점 돌연변이는 단일 염기에 대한 변경 사항인 돌연변이 클래스입니다.미센스 돌연변이와 넌센스 돌연변이는 점 돌연변이의 두 가지 하위 유형입니다.이러한 유형의 치환율은 돌연변이율에 [3]대한 유전적 맥락의 영향을 설명하는 돌연변이 스펙트럼으로 더 세분될 수 있다.

각각의 비율에는 몇 가지 자연적인 시간 단위가 있으며, 비율은 세포 분열당 염기쌍당, 세대당 유전자당 또는 세대당 게놈당 돌연변이로 특징지어진다.유기체의 돌연변이율은 진화된 특성으로 환경의 강한 영향 외에도 각 유기체의 유전학에 의해 강한 영향을 받는다.돌연변이율이 진화할 수 있는 상한과 하한은 지속적인 조사 대상이다.그러나 돌연변이율은 게놈에 따라 다르다.DNA, RNA 또는 단일 유전자에 따라 돌연변이율이 [citation needed]변화하고 있습니다.

인간의 돌연변이율이 증가하면, 예를 들어 암과 다른 유전적인 질병과 같은 특정한 건강상의 위험이 발생할 수 있습니다.돌연변이율에 대한 지식을 가지는 것은 암과 많은 유전병의 [4]미래를 이해하는 데 필수적이다.

배경

한 종의 다른 유전적 변이들은 대립 유전자로 언급되고, 따라서 새로운 돌연변이는 새로운 대립 유전자를 만들 수 있다.집단 유전학에서 각 대립 유전자는 시간에 따른 대립 유전자의 빈도의 예상되는 변화를 측정하는 선택 계수에 의해 특징지어집니다.선택 계수는 예상되는 감소에 해당하는 음수이거나, 예상되는 증가에 해당하는 양수이거나, 예상된 변경에 해당하는 0일 수 있습니다.새로운 돌연변이의 적합성 효과 분포는 집단 유전학의 중요한 매개 변수이며 광범위한 연구의 [5]대상이 되어 왔다.과거에는 이 분포의 측정이 일관되지 않았지만, 현재는 돌연변이의 대부분이 약간 유해하고, 많은 것들이 유기체의 적합성에 거의 영향을 미치지 않으며, 몇 가지는 유리할 수 있다고 일반적으로 생각되고 있다.

자연선택으로 인해, 일반적으로 모집단에서 불리한 돌연변이는 제거되고, 바람직한 변화는 다음 세대에 걸쳐 유지되며, 중성적인 변화는 돌연변이에 의해 생성되는 속도로 축적된다.이 과정은 재생산에 의해 발생합니다.특정 세대에서 '최적의 몸매'는 그들의 유전자를 자손에게 물려주면서 더 높은 확률로 생존한다.이 확률의 변화의 신호는 돌연변이가 유기체에 [6]유익하거나, 중립적이거나, 유해하다고 정의한다.

측정.

유기체의 돌연변이율은 많은 기술로 측정될 수 있다.

돌연변이율을 측정하는 한 가지 방법은 Luria-Delbrück 실험이라고도 하는 변동 테스트에 의한 것이다.이 실험은 박테리아 돌연변이가 [7]선택이 아닌 선택이 없는 상태에서 발생한다는 것을 증명했다.

이는 선택이 구성 요소가 되지 않고 돌연변이가 발생할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하기 때문에 돌연변이에 매우 중요하다. 사실 돌연변이와 선택은 완전히 별개의 진화적 힘이다.다른 DNA 배열은 돌연변이에 대한 다른 경향을 가질 수 있으며(아래 참조), 무작위로 [8]발생하지 않을 수 있습니다.

DNA 염기서열 데이터의 표준 분석으로 비교적 쉽게 측정할 수 있기 때문에 가장 일반적으로 측정된 돌연변이의 종류는 치환이다.그러나 치환은 돌연변이(대부분의 세포 유기체의 경우 세대당 10 - 10−9)가−8 훨씬 더 높은 다른 종류의 돌연변이(위성 DNA 확장/수축의[9] 경우 세대당 10−3)와 상당히 다르다.

대체율

유기체 게놈의 많은 부위는 작은 건강 효과로 돌연변이를 허용할 수 있다.이러한 사이트는 일반적으로 중립 사이트라고 불립니다.이론적으로 선택되지 않은 돌연변이는 정확하게 돌연변이 속도로 유기체 간에 고정된다.고정된 동의어 돌연변이, 즉 동의어 치환은 그 유전자에 의해 생성된 단백질을 바꾸지 않는 유전자의 배열에 대한 변화이다.일부 동의어의 돌연변이가 적합성에 영향을 미치는데도 불구하고 돌연변이율의 추정치로 종종 사용된다.예를 들어 돌연변이율은 대장균 [10]B의 실험적으로 진화한 복제 라인의 전체 게놈 배열에서 직접 추론되었다.

돌연변이 축적 라인

돌연변이율을 특징짓는 특히 노동집약적인 방법은 돌연변이 축적선이다.

돌연변이 축적 라인은 Bateman-Mukai 방법 및 장내 세균(E. 대장균), 회충(C. 엘레건), 효모(S. 세레비시아이), 초파리(D. melanogaster), 작은 단발성 식물(A thaliana)[11]에 이르는 잘 연구된 실험 생물의 직접 염기서열을 특징짓기 위해 사용되어 왔다.

돌연변이율 변동

Phylogram showing three groups, one of which has strikingly longer branches than the two others
생성 시간은 변환률에 영향을 미칩니다.장수하는 목질 대나무는 빠르게 진화하는 초본 대나무보다 돌연변이율이 낮다.

돌연변이율은 종마다 다르며 심지어 한 종의 게놈의 다른 영역들 사이에서도 다르다.이러한 다양한 뉴클레오티드 치환율은 세대당 염기쌍당 치환(고정 돌연변이)으로 측정된다.예를 들어 유전자 간 또는 비코드 DNA의 돌연변이는 유기체에서 활발하게 사용되는 DNA의 돌연변이보다 더 빠른 속도로 축적되는 경향이 있다(유전자 발현).그것은 반드시 높은 돌연변이율에 기인하는 것이 아니라 낮은 수준의 정제 선택 때문이다.예측 가능한 속도로 변이하는 영역은 분자 시계로서 사용할 수 있는 후보 영역이다.

시퀀스에서 중성 돌연변이의 비율이 일정하다고 가정하고(클럭과 같은) 종 간의 차이가 대부분 적응이 아닌 중성인 경우, 두 개의 다른 종 사이의 차이 수를 사용하여 두 종이 얼마나 오래 전에 분리되었는지를 추정할 수 있다(분자 시계 참조).사실, 유기체의 돌연변이율은 환경 스트레스에 따라 변할 수 있다.예를 들어, 자외선은 DNA를 손상시키고, 이는 세포가 DNA 복구를 수행하려는 오류를 일으키기 쉬운 결과를 초래할 수 있습니다.

인간 돌연변이율은 암컷(난자 세포)보다 수컷 배아줄(스팜)에서 더 높지만, 정확한 비율의 추정치는 크기 이상으로 변화했다.이것은 인간 게놈이 세대당 64개의 새로운 돌연변이를 축적한다는 것을 의미한다. 왜냐하면 각각의 완전한 세대는 배우자를 [12]생성하기 위해 많은 세포분열을 수반하기 때문이다.인간의 미토콘드리아 DNA는 (추정 방법에 따라)[13] 20세대당 염기당 ~3배 또는 염기당 ~2.7×10의−5 돌연변이율을 갖는 것으로 추정되어 왔다. 이러한 [14]돌연변이율은 염기당 염기당 ~2.5×10인−8 인간 게놈 돌연변이율보다 상당히 높은 것으로 간주된다.전체 게놈 염기서열 분석에서 구할 수 있는 데이터를 사용하여 인간 게놈 돌연변이율은 [15]세대당 사이트당 약 1.1×10으로−8 추정된다.

다른 형태의 돌연변이에 대한 비율도 점 돌연변이와 크게 다릅니다.각각의 마이크로 위성 궤적은 [16]길이에 따라 크게 다를 수 있지만, 종종 10 정도의−4 돌연변이율을 가진다.

DNA의 일부 배열은 돌연변이에 더 민감할 수 있다.예를 들어, 메틸화가 없는 인간 정자의 DNA의 연장은 [17]돌연변이를 일으키기 쉽다.

일반적으로 단세포 진핵생물(및 박테리아)의 돌연변이율은 세포 [12]생성당 게놈당 약 0.003개의 돌연변이다.그러나 일부 종, 특히 파라메슘속의 섬모충은 이례적으로 낮은 돌연변이율을 보인다.예를 들어 파라메슘 테트라우렐리아는 염기 치환 돌연변이율이 세포 분열당 부위당 ~2 × 10이다−11.이는 지금까지 자연에서 관찰된 가장 낮은 돌연변이율로, 비슷한 게놈 크기를 가진 다른 진핵생물보다 약 75배 낮고, 심지어 대부분의 원핵생물보다 10배 낮다.파라메슘의 낮은 돌연변이율은 유전자 발현 [18]수준이 낮을수록 복제 충실도가 높다는 가설과 일치하는 전사적으로 조용한 생식선 핵으로 설명되었습니다.

세대당 염기쌍당 가장 높은 돌연변이율은 RNA 또는 DNA 게놈을 가질 수 있는 바이러스에서 발견됩니다.DNA 바이러스는 세대당 염기당 돌연변이율이 10−6~10이고−8 RNA 바이러스는 [12]세대당 염기당 돌연변이율이 10~10이다−3−5.

돌연변이 스펙트럼

유기체의 돌연변이 스펙트럼은 게놈의 다른 부위에서 다른 종류의 돌연변이가 일어나는 속도이다.돌연변이 스펙트럼은 게놈에서 일어나는 일에 대한 아주 불완전한 그림을 주기 때문에 중요하다.예를 들어, 돌연변이는 두 계통에서 동일한 속도로 발생할 수 있지만, 그 속도만으로는 돌연변이가 한 계통에서 모두 염기 치환이고 다른 계통에서 모든 대규모 재배열인지 알 수 없다.기저 치환 내에서도 전이 치환은 변환과 다르기 때문에 스펙트럼은 여전히 유익할 수 있다.돌연변이 스펙트럼은 또한 돌연변이가 코딩 영역에서 발생하는지 또는 비코딩 영역에서 발생하는지 여부를 알 수 있게 해준다.

전환(Alpha) 및 변환(베타)

전환 속도(Alpha)와 변환 속도(Beta)에는 체계적인 차이가 있습니다.

진화

돌연변이율의 진화에 관한 이론은 관련된 세 가지 주요 힘, 즉 더 높은 돌연변이를 가진 더 많은 유해한 돌연변이의 생성, 더 높은 돌연변이를 가진 더 유리한 돌연변이의 생성, 그리고 돌연변이를 막기 위해 필요한 대사 비용과 복제율의 감소를 식별한다.각 힘에 귀속되는 상대적 중요도에 따라 다른 결론에 도달한다.유기체의 최적 돌연변이율은 유해 돌연변이와 같은 높은 돌연변이율의 [19]비용과 돌연변이율을 감소시키기 위한 시스템 유지의 대사 비용(DNA 복구 [20]효소의 발현 증가 등) 사이의 균형에 의해 결정될 수 있다.또는 번스타인 [21]등이 검토한 바와 같이.복구를 위한 에너지 사용 증가, 추가 유전자 생성물의 코드화 및/또는 느린 복제)둘째, 높은 돌연변이율은 유익한 돌연변이의 비율을 증가시키고, 진화는 최적의 [22]적응률을 유지하기 위해 돌연변이율의 감소를 막을 수 있다.이와 같이, 하이퍼 변이는 일부 세포들이 전체 개체군이 [23]멸종되는 것을 피하기 위해 변화하는 조건에 빠르게 적응할 수 있게 해준다.마지막으로 자연선택은 돌연변이율을 낮추는 비교적 작은 이점 때문에 돌연변이율을 최적화하는 데 실패할 수 있으며, 따라서 관찰된 돌연변이율은 중립 [24][25]과정의 산물이다.

연구들은 폴리오 바이러스와 같은 RNA 바이러스를 리바비린으로 치료하면 바이러스가 너무 자주 돌연변이를 일으켜 [26]게놈의 정보의 무결성을 유지한다는 생각과 일치하는 결과가 나온다는 것을 보여주었다.이것을 에러 대재앙이라고 부릅니다.

인체면역결핍바이러스(HIV)는 염기 및 세대당 3×10의−5 높은 돌연변이율과 짧은 복제주기가 결합돼 항원변동성이 높아 면역체계를 [27]회피할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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