Материал: Генетика как наука

Генные мутации. Молекулярные механизмы мутагенеза. Классификация генных мутаций. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма

Генные мутации представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. К мутациям генов относятся любые изменения молекулярной структуры ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность. Некоторые мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Другая (бьльшая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Наиболее частыми моногенными заболеваниями являются: муковисцидоз, гемохроматоз, адрено-генитальный синдром, фенил-кетонурия, нейрофиброматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и ряд других заболеваний. Клинически они проявляются признаками нарушений обмена веществ (метаболизма) в организме. Мутация может заключаться:

• 1) в замене основания в кодоне, это так называемая миссенс-мутация -- замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;
• 2) в таком изменении кодонов, которое приведет к остановке считывания информации, это так называемая нонсенс-мутация -- замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора(стоп-кодона) и прекращению трансляции;
• 3) нарушении считывания информации, сдвиге рамки считывания, называемом фреймшифтом, когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.

Известны и другие типы генных мутаций. По типу молекулярных изменений выделяют: делеции (от лат. deletio -- уничтожение), когда происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена; дупликации (от лат. duplicatio -- удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов; инверсии (от лат. inversio -- перевертывание), т. е. поворот на 180° сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов; инсерции (от лат. insertio -- прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Молекулярные изменения, затрагивающие от одного до нескольких нуклеотидов, рассматривают как точечную мутацию. Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она 1) приводит к изменению генетической информации, 2) может передаваться от поколения к поколению. Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающихся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний. Например, ген, контролирующий группу крови системы АВ0, имеет три аллеля: 0, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВ0 является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными, или моногенными, болезнями, т. е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.

Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций, перестроек. Механизмы возникновения хромосомных мутаций

Хромосомные аберрации (хромосомные мутации, хромосомные перестройки) -- тип мутаций, которые изменяют структуру хромосом. Классифицируют: делеции (утрата участка хромосомы), инверсии (изменение порядка генов участка хромосомы на обратный), дупликации (повторение участка хромосомы), транслокации (перенос участка хромосомы на другую), а также дицентрические и кольцевые хромосомы. Известны также изохромосомы, несущие два одинаковых плеча. Если перестройка изменяет структуру одной хромосомы, то такую перестройку называют внутрихромосомной (инверсии, делеции, дупликации, кольцевые хромосомы), если же двух разных, то межхромосомной (дупликации, транслокации, дицентрические хромосомы). Хромосомные перестройки подразделяют также на сбалансированные и несбалансированные. Сбалансированные перестройки (инверсии, реципрокные транслокации) не приводят к потере или добавлению генетического материала при формировании, поэтому их носители, как правило, фенотипически нормальны. Несбалансированные перестройки (делеции и дупликации) меняют дозовое соотношение генов, и, как правило, их носительство сопряжено с существенными отклонениями от нормы.

Хромосомные перестройки играют роль в эволюционном процессе и видообразовании, в нарушении фертильности, в онкологических и врождённых наследственных заболеваниях человека.

Основной предпосылкой для возникновения хромосомных перестроек является появление в клетке двунитевых разрывов ДНК, то есть разрывов обеих нитей спирали ДНК в пределах нескольких п.о. Двунитевые разрывы ДНК возникают в клетке спонтанно или под действием различных мутагенных факторов: физической (ионизирующее излучение), химической или биологической (транспозоны, вирусы) природы. Двунитевые разрывы ДНК возникают запрограммированно во время профазы I мейоза, а также при созревании Т- и B-лимфоцитов во время специфической соматической V(D)J рекомбинации. Нарушения и ошибки процесса воссоединения двунитевых разрывов ДНК приводят к появлению хромосомных перестроек.Мутагенные воздействия, вызывающие двунитевые разрывы ДНК, приводят к появлению хромосомных перестроек в клетках. Самым хорошо охарактеризованным мутагеном, индуцирующим хромосомные аберрации, является ионизирующее излучение. Для классификации радиоиндуцированных хромосомных нарушений создана собственная классификация аберраций, в которой выделяют аберрации хромосомного и хроматидного типа, которые, в свою очередь, могут быть обменными и простыми, стабильными и нестабильными.

Геномные мутации. Полиплоидия и анеуплоидия. Полиплоидия, ее типы

Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом. У человека известны полиплоидия (в том числе тетраплоидия и триплоидия) и анеуплоидия.

Полиплоидия -- увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (Зn, 4n, 5n и т.д.). Причины: двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического деления. У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий приводят к формированию леталей.

Анеуплоидия -- изменение (уменьшение -- моносомия, увеличение -- трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, т.е. не кратное гаплоидному (2n+1, 2n-1 и т.д.). Механизмы возникновения: нерасхождение хромосом (хромосомы в анафазе отходят к одному полюсу, при этом на каждую гамету с одной лишней хромосомой приходится другая -- без одной хромосомы) и «анафазное отставание» (в анафазе одна из передвигаемых хромосом отстаёт от всех других). Трисомия -- наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна; по 18-й паре -- синдрома Эдвардса; по 13-й паре -- синдрома Патау). Моносомия -- наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека -- по хромосоме X -- приводит к развитию синдрома Шерешевского--Тернера (45,Х0).

Полиплоидия возникает в следующих случаях: неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе; деление ядра без деления клетки и удвоение хромосом без их разделения в силу того, что центромеры утрачивают свойство взаимного отталкивания.

Полиплоиды подразделяют на два основных типа: автополиплоиды и аллополиплоиды. У первых увеличение числа наборов хромосом происходит за счет одного и того же генома (например, АА + АА = АААА), у вторых -- путем суммирования геномов разных видов (А + В = АВ, затем удвоение числа хромосом -- ААВВ). Морфологически автополиплоид сходен с родительской формой, тогда как аллополиплоид занимает промежуточное положение между родительскими видами и похож на гибрид между ними. Первый происходит от фертильного материнского растения, второй -- от стерильного межвидового гибрида. У аллополиплоидов степень несоответствия геномов, происходящих от разных видов, неодинакова. Промежуточные между автополиплоидами и аллополиплоидами формы, у которых хромосомы разных геномов различаются не по всей длине, а лишь частично, получили название сегментных аллополиплоидов. Полиплоидизация может возникать в результате митоза - это соматическая полиплоидия. Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы - такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными. Соматическая полиплоидия распространена у всех видов, а зиготическая - главным образом у растений. У животных она встречается у червей (земляных и аскарид), а так же очень редко у некоторых амфибий.

Искусственное получение автополиплоидов. Использование автополиплоидов в селекции растений

В селекции, особенно в растениеводстве широко используются геномные мутации -- авто- и аллополиллоидию. Автополиплоиды обычно обладают повышенными размерами и массой (урожайностью), но имеют пониженную фертильность. Существуют триплоидные и тетраплоидные формы многих культурных растений - свеклы, мака, кукурузы и др. При автополиплоидии наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного -- в половых. При автополиплоидии могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n) -- триплоидные, четырежды (4 n) -- тетраплоидные, пять раз (5 n)-- пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом -- плоидности -- в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом -- полиплоидами.

Кратное увеличение числа хромосом в клетках может возникать под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, а также в результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к нарушению расхождения хромосом в митозе или мейозе и образованию клеток с кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Из химических агентов, вызывающих нарушение правильного расхождения хромосом, наиболее эффективен алкалоид колхицин, препятствующий образованию нитей веретена деления клетки. (Воздействуя разбавленным раствором колхицина на семена и почки, легко получают экспериментальные полиплоиды у растений.) Автополиплоидия может возникать и вследствие эндомитоза -- удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая автополиплоидии) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая автополиплоидии) -- половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (т. н. нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n) -- при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n) -- при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.

Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья, пыльники, семена). Увеличены размеры клеток. Однако, может резко уменьшиться плодовитость (до 5% от нормы) из-за нарушения расхождения поливалентов в мейозе. В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с кратными числами хромосом (например, сахарная свекла), но полностью стерильные. Недостаток этих гибридов заключается в том, что в результате скрещивания тетра- и диплоидов в потомстве получается только около 55% триплоидов.

Сбалансированные и несбалансированные полиплоиды (аллополиплоиды и анеуполиплоиды). Фертильность и особенности мейоза у полиплоидов. Полиплоидные ряды

Сбалансированными полиплоидами называются полиплоиды с чётным числом хромосомных наборов, а несбалансированными - полиплоиды с нечетным числом хромосомных наборов, например:

Для многих растений известны так называемые полиплоидные ряды. Они включают формы от 2 до 10n и более. Например, полиплоидный ряд из наборов в 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 и 144 хромосомы составляют представители рода паслен (Solanum); род пшеница (Trilicum) представляет ряд, члены которого имеют 14, 28 и 42 хромосомы.

Мейоз полиплоидов. Все автополиплоиды характеризуются различными нарушениями в мейозе, что приводит к пониженной фертильности (пониженной плодовитости) или стерильности (полному бесплодию). У диплоидных организмов в профазе мейоза I образуются биваленты, а у полиплоидов - структуры, состоящие из множества хромосом - поливаленты, или мультиваленты. К поливалентам относятся триваленты (состоят из трех хромосом), квадриваленты (из четырех хромосом) и т.д. При этом в одной точке могут конъюгировать только две хромосомы. При наличии унивалентов первое деление мейоза может быть эквационным, то есть к полюсам могут расходиться однохроматидные хромосомы. В этих случаях правильная сегрегация хромосом (в соотношении 1:1, 2:2, 3:3 и т.д.) нарушается, а плодовитость таких организмов сильно снижена. У несбалансированных полиплоидов хромосомы представлены нечетным числом гомологов. Например, у триплоидов каждая хромосома представлена тремя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами образуются структуры, состоящие из одной хромосомы (униваленты) или из трех хромосом (триваленты). Вероятность того, что у одного полюса окажутся два полных хромосомных набора 2n, а у другого полюса - один полный хромосомный набор n, очень мала. Поэтому несбалансированные автополиплоиды практически бесплодны (стерильны). У сбалансированных автополиплоидов хромосомы представлены четным числом гомологов. Например, у тетраплоидов каждая хромосома представлена четырьмя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами, унивалентами и тривалентами образуются структуры, состоящие из четырех хромосом (квадриваленты). Тогда у тетраплоидов гомологи могут образовывать следующие комбинации: 2+2 (два бивалента), 3+1 (тривалент и унивалент), 4 (квадривалент), а также 2+1+1 (бивалент и два унивалента) или 1+1+1+1 (четыре унивалента). В большинстве случаев нормальная сегрегация хромосом оказывается невозможной. Нормальное распределение хромосом по дочерним клеткам в соотношении 2:2 наблюдается только у тех организмов, у которых преимущественно образуются биваленты, например, у свеклы, арбуза. В последнем случае образуются гаметы, содержащие удвоенное основное хромосомное число (2х). Аллополиплоиды первично бесплодны, поскольку из-за отсутствия гомологов невозможна конъюгация хромосом и образование бивалентов в профазе мейоза I