Причины мутаций таблица. Особенности мутационной изменчивости

Геномы живых организмов являются относительно стабильными, что необходимо для сохранения видовой структуры и преемственности развития. С целью поддержания стабильности в клетке работают различные системы репарации, исправляющие нарушения в структуре ДНК. Тем не менее, если бы изменения в структуре ДНК вообще не сохранялись, виды не могли бы адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды и эволюционировать. В создании эволюционного потенциала, т.е. необходимого уровня наследственной изменчивости, основная роль принадлежит мутациям.

Термином “мутация ” Г. де Фриз в своем классическом труде “Мутационная теория” (1901-1903) обозначил явление скачкообразного, прерывистого изменения признака. Он отметил ряд особенностей мутационной изменчивости :

• мутация — это качественно новое состояние признака;
• мутантные формы константны;
• одни и те же мутации могут возникать повторно;
• мутации могут быть полезными и вредными;
• выявление мутаций зависит от количества проанализированных особей.

В основе возникновения мутации лежит изменение структуры ДНК или хромосомы, поэтому мутации наследуются в последующих поколениях. Мутационная изменчивость универсальна; она имеет место у всех животных, высших и низших растений, бактерий и вирусов.

Условно мутационный процесс делят на спонтанный и индуцированный. Первый протекает под влиянием естественных факторов (внешних или внутренних), второй — при целенаправленном воздействии на клетку. Частота спонтанного мутагенеза очень низкая. У человека она лежит в пределах 10 -5 — 10 -3 на ген за поколение. В пересчете на геном это означает, что у каждого из нас имеется в среднем один ген, которого не было у родителей.

Большинство мутаций являются рецессивными, что очень важно, т.к. мутации нарушают сложившуюся норму (дикий тип) и поэтому оказываются вредными. Однако рецессивный характер мутантных аллелей позволяет им длительное время сохраняться в популяции в гетерозиготном состоянии и проявляться в результате комбинативной изменчивости. Если возникшая мутация оказывает благоприятное влияние на развитие организма, она будет сохраняться естественным отбором и распространяться среди особей популяции.

По характеру действия мутантного гена мутации делят на 3 вида:

• морфологические,
• физиологические,
• биохимические.

Морфологические мутации изменяют формирование органов и ростовые процессы у животных и растений. Примером данного вида изменений могут служить мутации по окраске глаз, форме крыла, окраске тела, форме щетинок у дрозофилы; коротконогость у овец, карликовость у растений, короткопалость (брахидактилия) у человека и др.

Физиологические мутации обычно понижают жизнеспособность особей, среди них много летальных и полулетальных мутаций. Примером физиологических мутаций являются дыхательные мутации у дрожжей, хлорофильные мутации у растений, гемофилия у человека.

К биохимическим мутациям относят такие, которые подавляют или нарушают синтез определенных химических веществ, обычно в результате отсутствия необходимого фермента. К этому типу относятся ауксотрофные мутации бактерий, определяющие неспособность клетки синтезировать какое-либо вещество (например, аминокислоту). Такие организмы способны жить только при наличии этого вещества в среде. У человека результатом биохимической мутации является тяжелое наследственное заболевание — фенилкетонурия, обусловленное отсутствием фермента синтезирующего тирозин из фенилаланина, в результате чего фенилаланин накапливается в крови. Если вовремя не установить наличие этого дефекта и не исключить фенилаланин из диеты новорожденных, то организму грозит гибель из-за сильного нарушения развития мозга.

Мутации могут быть генеративными и соматическими . Первые возникают в половых клетках, вторые — в клетках тела. Их эволюционная ценность различна и связана со способом размножения.

Генеративные мутации могут происходить на разных этапах развития половых клеток. Чем раньше они возникнут, тем большее количество гамет будет их нести, и, следовательно, увеличится шанс их передачи потомству. Аналогичная ситуация имеет место и в случае возникновения соматической мутации. Чем раньше она происходит, тем большее количество клеток будет ее нести. Особи, имеющие измененные участки тела, называются мозаиками, или химерами. Например, у дрозофилы наблюдается мозаицизм по окраске глаз: на фоне красной окраски в результате мутации возникают белые пятна (лишенные пигмента фасетки).

У организмов, размножающихся только половым способом, соматические мутации не представляют никакой ценности ни для эволюции, ни для селекции, т.к. они не наследуются. У растений, которые могут размножаться вегетативно, соматические мутации могут стать материалом для отбора. Например, почковые мутации, которые дают измененные побеги (спорты). От такого спорта И.В. Мичурин, используя метод прививки, получил новый сорт яблони Антоновка 600-граммовая.

Мутации разнообразны не только по своему фенотипическому проявлению, но и по тем изменениям, которые происходят в генотипе. Различают мутации генные , хромосомные и геномные .

Генные мутации

Генные мутации изменяют структуру отдельных генов. Среди них значительную часть составляют точковые мутации , при которых изменение затрагивает одну пару нуклеотидов. Чаще всего при точковых мутациях происходит замена нуклеотидов. Такие мутации бывают двух типов: транзиции и трансверсии. При транзициях в нуклеотидной паре пурин замещается на пурин или пиримидин на пиримидин, т.е. пространственная ориентация оснований не изменяется. При трансверсиях пурин замещается на пиримидин или пиримидин на пурин, что изменяет пространственную ориентацию оснований.

По характеру влияния замены оснований на структуру кодируемого геном белка выделяют три класса мутаций: missence-мутации, nonsence-мутации и samesence-мутации.

Missence-мутации изменяют смысл кодона, что приводит к появлению в составе белка одной неверной аминокислоты. Это может иметь очень серьезные последствия. Например, тяжелое наследственное заболевание — серповидно-клеточная анемия, одна из форм малокровия, вызвана заменой единственной аминокислоты в составе одной из цепей гемоглобина.

Nonsеnce-мутация — это появление (в результате замены одного основания) кодона-терминатора внутри гена. Если не включится система неоднозначности трансляции (см. выше), процесс синтеза белка будет прерван, и ген будет способен синтезировать только фрагмент полипептида (абортивный белок).

При samesence-мутации замена одного основания приводит к появлению кодона-синонима. В этом случае изменения генетического кода не происходит, и синтезируется нормальный белок.

Кроме замены нуклеотидов, точковые мутации могут быть вызваны вставкой или выпадением одной пары нуклеотидов. Эти нарушения приводят к изменению рамки считывания, соответственно, изменяется генетический код и синтезируется измененный белок.

К генным мутациям относят удвоение и потерю небольших участков гена, а также инсерции — вставки дополнительного генетического материала, источником которого чаще всего являются мобильные генетические элементы. Генные мутации являются причиной существования псевдогенов — неактивных копий функционирующих генов, у которых отсутствует экспрессия, т.е. не образуется функциональный белок. В псевдогенах мутации могут накапливаться. С активацией псевдогенов связывают процесс развития опухолей.

Для появления генных мутаций имеются две основные причины: ошибки в ходе процессов репликации, рекомбинации и репарации ДНК (ошибки трех Р) и действие мутагенных факторов. Примером ошибок в работе ферментных систем в ходе вышеуказанных процессов является неканоническое спаривание оснований. Оно наблюдается при включении в молекулу ДНК минорных оснований — аналогов обычных. Например, вместо тимина может включаться бромурацил, который достаточно легко соединяется с гуанином. Благодаря этому пара АТ замещается на GC.

Под действием мутагенов может происходить превращение одного основания в другое. Например, азотистая кислота путем дезаминирования превращает цитозин в урацил. В следующем цикле репликации он спаривается с аденином и исходная пара GC замещается на АТ.

Хромосомные мутации

Более серьезные изменения в генетическом материале происходят в случае хромосомных мутаций . Их называют хромосомными аберрациями, или хромосомными перестройками. Перестройки могут затрагивать одну хромосому (внутрихромосомные) или несколько (межхромосомные).

Внутрихромосомные перестройки могут быть трех типов: потеря (нехватка) участка хромосомы; удвоение участка хромосомы (дупликации); поворот участка хромосомы на 180° (инверсии). К межхромосомным перестройкам относятся транслокации — перемещение участка одной хромосомы на другую, не гомологичную ей хромосому.

Утрата внутреннего участка хромосомы, не затрагивающего теломеры, носит название делеции , а потеря концевого участка — дефишенси . Оторвавшийся участок хромосомы, если он лишен центромеры, теряется. Оба типа нехваток можно идентифицировать по характеру конъюгации гомологичных хромосом в мейозе. В случае концевой делеции один гомолог оказывается короче другого. При внутренней нехватке нормальный гомолог образует петлю против утраченного участка гомолога.

Нехватки приводят к утрате части генетической информации, поэтому они вредны для организма. Степень вредности зависит от размера утраченного участка и его генного состава. Гомозиготы по нехваткам редко бывают жизнеспособны. У низших организмов эффект нехваток менее ощутим, чем у высших. Бактериофаги могут терять значительную часть своего генома, замещая утраченный участок чужеродной ДНК, и при этом сохраняют функциональную активность. У высших даже гетерозиготность по нехваткам имеет свои пределы. Так, у дрозофилы утрата одним из гомологов участка, включающего более 50 дисков, имеет летальный эффект, несмотря на то, что второй гомолог нормален.

У человека с нехватками связан ряд наследственных заболеваний: тяжелая форма лейкемии (21-я хромосома), синдром кошачьего крика у новорожденных (5-я хромосома) и др.

Нехватки можно использовать для генетического картирования путем установления связи между утратой специфического участка хромосомы и морфологическими особенностями особи.

Дупликацией называют удвоение любого участка хромосомы нормального хромосомного набора. Как правило, дупликации приводят к усилению признака, который контролируется геном, локализованным в этом участке. Например, удвоение у дрозофилы гена Bar , вызывающего редукцию числа глазных фасеток, приводит к дальнейшему уменьшению их количества.

Дупликации легко выявляются цитологически по нарушению структурного рисунка гигантских хромосом, а генетически их можно выявить по отсутствию рецессивного фенотипа при скрещивании.

Инверсия — поворот участка на 180° — изменяет порядок расположения генов в хромосоме. Это очень распространенный вид хромосомных мутаций. Особенно много их обнаружено в геномах дрозофилы, хирономуса, традесканций. Различают два типа инверсий: парацентрические и перицентрические. Первые затрагивают только одно плечо хромосомы, не касаясь центромерного участка и не изменяя форму хромосом. Перицентрические инверсии захватывают район центромеры, включающий участки обоих плеч хромосом, и поэтому они могут значительно изменить форму хромосомы (если разрывы произойдут на разном расстоянии от центромеры).

В профазе мейоза гетерозиготную инверсию можно обнаружить по характерной петле, с помощью которой восстанавливается комплементарность нормального и инвертированного участков двух гомологов. Если в районе инверсии происходит одинарный перекрест, то он приводит к образованию аномальных хромосом: дицентрика (с двумя центромерами) и ацентрика (без центромеры). Если же инвертированный участок имеет значительную протяженность, то может осуществляться двойной кроссинговер, в результате которого образуются жизнеспособные продукты. При наличии двойных инверсий в одном участке хромосомы кроссинговер вообще подавляется, в связи с чем их называют “запирателями перекреста” и обозначают буквой С. Эту особенность инверсий используют при генетическом анализе, например при учете частоты мутаций (методы количественного учета мутаций Г. Меллера).

Межхромосомные перестройки — транслокации, если они имеют характер взаимного обмена участками между негомологичными хромосомами, носят название реципрокных . Если же разрыв затрагивает одну хромосому и оторвавшийся участок прикрепляется к другой хромосоме, то это — нереципрокная транслокация . Образующиеся хромосомы будут нормально функционировать при клеточном делении, если у каждой их них будет одна центромера. Гетерозиготность по транслокациям сильно изменяет процесс конъюгации в мейозе, т.к. гомологичное притяжение испытывают не две хромосомы, а четыре. Вместо бивалентов образуются квадриваленты, которые могут иметь различную конфигурацию в виде крестов, колец и др. Их неправильное расхождение часто приводит к образованию нежизнеспособных гамет.

При гомозиготных транслокациях хромосомы ведут себя как нормальные, при этом образуются новые группы сцепления. Если они сохраняются отбором, то возникают новые хромосомные расы. Таким образом, транслокации могут быть эффективным фактором видообразования, как это имеет место у некоторых видов животных (скорпионы, тараканы) и растений (дурман, пион, энотера). У вида Paeonia californica в транслокационный процесс вовлечены все хромосомы, и в мейозе образуется единый конъюгационный комплекс: 5 пар хромосом образуют кольцо (конъюгация “конец в конец”).

Мутации на генном уровне являются молекулярными, не видимыми в световом микроскопе структурными изменениями ДНК. К ним относят любые трансформации дезоксирибонуклеиновой кислоты, вне зависимости от их влияния на жизнеспособность и локализации. Некоторые виды генных мутаций не оказывают никакого воздействия на функции и структуру соответствующего полипептида (белка). Однако большая часть таких трансформаций провоцирует синтез дефектного соединения, утратившего способность выполнять свои задачи. Далее рассмотрим генные и хромосомные мутации более подробно.

Характеристика трансформаций

Наиболее распространенными патологиями, которые провоцируют генные мутации человека, являются нейрофиброматоз, адрено-генитальный синдром, муковисцидоз, фенилкетонурия. В этот список можно также включить гемохроматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и прочие. Это далеко не все примеры генных мутаций. Их клиническими признаками выступают обычно нарушения метаболизма (обменного процесса). Генные мутации могут состоять в:

• Замене в кодоне основания. Такое явление именуют миссенс-мутацией. При этом в кодирующей части происходит замена нуклеотида, что, в свою очередь, приводит к смене аминокислоты в белке.
• Изменении кодона таким образом, что приостанавливается считывание информации. Этот процесс называют нонсенсмутацией. При замене нуклеотида в данном случае происходит формирование стоп-кодона и прекращение трансляции.
• Нарушении считывания, сдвиге рамки. Этот процесс именуют "фреймшифтом". При молекулярном изменении ДНК трансформируются триплеты в ходе трансляции полипептидной цепочки.

Классификация

В соответствии с типом молекулярной трансформации существуют следующие генные мутации:

• Дупликация. В этом случае происходит повторное дублирование либо удвоение фрагмента ДНК от 1 нуклеотида до генов.
• Делеция. В этом случае имеет место утрата фрагмента ДНК от нуклеотида до гена.
• Инверсия. В этом случае отмечается поворот на 180 град. участка ДНК. Его размер может быть как в два нуклеотида, так и в целый фрагмент, состоящий из нескольких генов.
• Инсерция. В этом случае происходит вставка участков ДНК от нуклеотида до гена.

Молекулярные трансформации, захватывающие от 1 до нескольких звеньев, рассматриваются как точечные изменения.

Отличительные черты

Генные мутации имеют ряд особенностей. В первую очередь следует отметить их способность переходить по наследству. Кроме того, мутации могут спровоцировать трансформацию генетических сведений. Некоторые из изменений могут быть отнесены к так называемым нейтральным. Такие генные мутации не провоцируют каких-либо нарушений в фенотипе. Так, благодаря врожденности кода одна и та же аминокислота может кодироваться двумя триплетами, имеющими отличия только по 1 основанию. Вместе с тем определенный ген может мутировать (трансформироваться) в несколько разных состояний. Именно такого рода изменения провоцируют большую часть наследственных патологий. Если приводить примеры генных мутаций, то можно обратиться к группам крови. Так, у элемента, контролирующего их системы АВ0, присутствует три аллеля: В, А и 0. Их сочетание определяют группы крови. Относящаяся к системе АВ0 считается классическим проявлением трансформации нормальных признаков у людей.

Геномные трансформации

Эти трансформации имеют свою классификацию. В категорию геномных мутаций относят изменения в плоидности не измененных структурно хромосом и анеуплоидии. Такие трансформации определяются специальными методами. Анеуплоидия представляет собой изменение (увеличение - трисомию, уменьшение - моносомию) количества хромосом диплоидного набора, некратное гаплоидному. При кратном увеличении числа говорят о полиплоидии. Они и большая часть анеуплоидий у людей считаются летальными изменениями. Среди наиболее распространенных геномных мутаций выделяют:

• Моносомию. В этом случае присутствует только одна из 2 гомологичных хромосом. На фоне такой трансформации здоровое эмбриональное развитие невозможно по любой из аутосом. В качестве единственной совместимой с жизнью выступает моносомия по хромосоме Х. Она провоцирует синдром Шерешевского-Тернера.
• Трисомия. В данном случае в кариотипе выявляется три гомологичных элемента. Примеры таких генных мутаций: синдромы Дауна, Эдвардса, Патау.

Провоцирующий фактор

Причиной, по которой развивается анеуплоидия, считается нерасхождение хромосом в процессе клеточного деления на фоне формирования половых клеток либо утрата элементов вследствие анафазного отставания, в то время как при движении к полюсу гомологичное звено может отстать от негомологичного. Понятие "нерасхождение" указывает на отсутствие разделения хроматид либо хромосом в митозе либо мейозе. Это нарушение может привести к мозаицизму. В этом случае одна клеточная линия будет нормальной, а другая - моносомной.

Нерасхождение при мейозе

Такое явление считается наиболее частым. Те хромосомы, которые должны в норме делиться при мейозе, остаются соединенными. В анафазе они отходят к одному клеточному полюсу. В результате формируется 2 гаметы. В одной из них присутствует добавочная хромосома, а в другой не достает элемента. В процессе оплодотворения нормальной клетки с лишним звеном развивается трисомия, гаметы с недостающим компонентом - моносомия. При формировании моносомной зиготы по какому-нибудь аутосомному элементу развитие прекращается на начальных этапах.

Хромосомные мутации

Эти трансформации представляют собой структурные изменения элементов. Как правило, они визуализируются в световой микроскоп. В хромосомные мутации обычно вовлекается от десятков до сотен генов. Это провоцирует изменения в нормальном диплоидном наборе. Как правило, такие аберрации не вызывают трансформации последовательности в ДНК. Однако при изменении количества генных копий развивается генетический дисбаланс из-за недостатка либо переизбытка материала. Существует две большие категории данных трансформаций. В частности, выделяют внутри- и межхромосомные мутации.

Влияние среды

Люди эволюционировали в качестве групп изолированных популяций. Они достаточно долго проживали в одинаковых условиях среды. Речь, в частности, идет о характере питания, климатогеографических характеристиках, культурных традициях, возбудителях патологий и прочем. Все это привело к закреплению специфических для каждой популяции сочетаний аллелей, являвшихся наиболее соответствующими для условий проживания. Однако вследствие интенсивного расширения ареала, миграций, переселения стали возникать ситуации, когда бывшие в одной среде полезные сочетания определенных генов в другой перестали обеспечивать нормальное функционирование ряда систем организма. В связи с этим часть наследственной изменчивости обуславливается неблагоприятным комплексом непатологических элементов. Таким образом, в качестве причины генных мутаций в данном случае выступают изменения внешней среды, условий проживания. Это, в свою очередь, стало основой для развития ряда наследственных заболеваний.

Естественный отбор

С течением времени эволюция протекала в более специфичных видах. Это также способствовало расширению наследственного разнообразия. Так, сохранялись те признаки, которые могли исчезать у животных, и наоборот, отметалось то, что оставалось у зверей. В ходе естественного отбора люди приобретали также и нежелательные признаки, которые имели прямое отношение к болезням. К примеру, у человека в процессе развития появились гены, способные определять чувствительность к полиомиелиту либо дифтерийному токсину. Став Homo sapiens, биологический вид людей в некотором роде "заплатил за свою разумность" накоплением и патологических трансформаций. Данное положение считается основой одной из базовых концепций учения о генных мутациях.

1. Определение изменчивости. Классификация ее форм.

Изменчивость – есть общее свойство живых организмов, заключающееся в изменении наследственных признаков в ходе онтогенеза (индивидуального развития).

Изменчивость организмов делят на два крупных типа:

1. фенотипическую, не затрагивающую генотип и не передающуюся по наследству;

2. генотипическую, изменяющую генотип и поэтому передаю­щуюся по наследству.

Генотипическая изменчивость подразделяется на комбинативную и мутационную.

Мутационная изменчивость включает геномные, хромосомные и генные мутации.

Геномные мутации подразделяется на полиплоидию и анеуплоидию

Хромосомные мутации подразделяется на делеции, дупликации, инверсии, транслокации

2. Фенотипическая изменчивость. Норма реакции генетически детерминиро­ванных признаков. Адаптивный характер модификаций. Фенокопии.

Фенотипическая изменчивость (или ненаследственная, модификационная) – это изменение фенотипических признаков организма под действием факторов внешней среды, без изменения генотипа.

Например: окраска шерсти у гималайского кролика в зависимости от температуры среды обитания.

Норма реакции – это диапазон изменчивости, в пределах которого один и тот же генотип способен давать различные фенотипы.

1. широкая норма реакции – когда колебания признака идут в широких пределах (например: загар, количество молока).

2. узкая норма реакции – когда колебания признака незначительны (например: жирность молока).

3. однозначная норма реакции – когда признак не изменяется, ни при каких условиях (например: группы крови, цвет глаз, разрез глаз).

Адаптивный характер модификаций заключается в том, что модификационная изменчивость позволяет организму адаптироваться к изменяющимся условиям среды. Поэтому модификации всегда полезны.

Если во время эмбриогенеза на организм воздействуют неблагоприятные факторы, то могут появляться фенотипические изменения, выходящие за пределы нормы реакции и не носящие адаптивного характера, их называют морфозы развития. Например, ребёнок рождается без конечностей или с заячьей губой.

Фенокопии – это морфозы развития, которые очень трудно отличить от наследственных изменений (заболеваний).

Например: если беременная женщина переболела краснухой, у неё может родиться ребёнок с катарактой. Но эта патология может появиться и в результате мутации. В первом случае речь идет о фенокопии.

Диагноз «фенокопия» важен для будущего прогноза, так как при фенокопии генетический материал не изменяется, то есть остается в норме.

3. Комбинативная изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в обеспечении генетического разнообразия людей.

Комбинативная изменчивость – это возникновение у потомков новых комбинаций генов, которых не было у их родителей.

Комбинативная изменчивость связана:

с кроссинговером в профазу мейоза 1.

с независимым расхождением гомологичных хромосом в анафазу мейоза 1.

со случайным сочетанием гамет при оплодотворении.

Значение комбинативной изменчивости – обеспечивает генетическое разнообразие особей в пределах вида, что важно для естественного отбора и эволюции.

4. Мутационная изменчивость. Основные положения теории мутаций.

Гюго де Фриз голландский ученый ввел в 1901 году термин "мутация".

Мутация – это явление прерывистого скачкообразного изменения наследственного признака.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенез, а организм, который приобретает новые признаки в процессе мутагенеза, называется – мутант.

Основные положения теории мутаций по Гюго де Фризу.

1. мутации возникают внезапно без всяких переходов.

2. возникшие формы вполне устойчивы.

3. мутации являются качественными изменениями.

4. мутации происходят в различных направлениях. они могут быть как полезными, так и вредными.

5. одни и те же мутации могут возникать повторно.

5. Классификация мутаций.

I. По происхождению.

1. Спонтанные мутации. Самопроизвольные мутации или естественные, возникают в обычных природных условиях.

2. Индуцированные мутации. Вызванные мутации или искусственные, возникают при воздействии на организм мутагенных факторов.

а. физические (ионизирующее излучение, УФЛ, высокая температура и т.п.)

б. химические (соли тяжёлых металлов, азотистая кислота, свободные радикалы, бытовые и промышленные отходы, лекарства).

II. По месту возникновения .

а. Соматические мутации возникают в соматических клетках и наследуются потомками тех клеток, в которых возникли. Из поколения в поколение не передаются.

б. Генеративные мутации возникают в половых клетках и передаются из поколения в поколение.

III. По характеру изменений фенотипа .

1. Морфологические мутации, характеризующиеся изменением строения органа или организма в целом.

2. Физиологические мутации, характеризующиеся изменением ф-й органа или организма в целом.

3. Биохимические мутации связанные с изменением макромолекулы.

IV. По влиянию на жизнеспособность организма .

1. Летальные мутации в 100% случаев приводят к гибели организма из-за несовместимых с жизнью дефектов.

2. Полулетальные мутации приводят к гибели в 50-90% случаев. Обычно организмы с такими мутациями не доживают до репродуктивного периода.

3. Условно летальные мутации, в одних условиях организм погибает, а в других условиях выживает (галактоземия).

4. Полезные мутации повышают жизнеспособность организма и используются в селекции.

V. По характеру изменения наследственного материала .

1. Генные мутации.

2. Хромосомные мутации.

6. Генные мутации, определение. Механизмы возникновения спонтанных генных мутаций.

Генные мутации или точковые мутации – это мутации, которые возникают в генах на уровне нуклеотидов, при этом изменяется структура гена, изменяется молекула мРНК, изменяется последовательность аминокислот в белке, в организме изменяется признак.

Виды генных мутаций:

- миссенс мутации – замена 1 нуклеотида в триплете на другой приведет к тому, что в полипептидную цепь белка будет включаться другая аминокислота, которой в норме не должно быть, а это приведет к тому, что изменятся свойства и функции белка.

Пример: замена глутаминовой кислоты на валин в молекуле гемоглобина.

ЦТТ – глутаминовая кислота, ЦАТ – валин

Если такая мутация происходит в гене, который кодирует β цепь белка гемоглобина, то в β цепь вместо глютаминовой кислоты включается валин → в результате такой мутации изменяются свойства и функции белка гемоглобина и вместо нормального HbA появляется HbS, в результате у человека развивается серповидноклеточная анемия (форма эритроцитов изменяется).

- нонсенс мутации – замена 1 нуклеотида в триплете на другой приведет к тому, что генетически значащий триплет превратится в стоп кодон, что приводит к обрыву синтеза полипептидной цепи белка. Пример: УАЦ – тирозин. УАА – стоп кодон.

Мутации со сдвигом рамки считывания наследственной информации.

Если в результате генной мутации у организма будет появляться новый признак (например, полидактилия), то они называются неоморфные.

если в результате генной мутации организм утрачивает признак (например, при ФКУ исчезает фермент) то они называются аморфные.

- сеймсенс мутации – замена нуклеотида в триплете приводит к появлению триплета-синонима, который кодирует тот же самый белок. Это связано с вырожденностью генетического кода. Например: ЦТТ – глютамин ЦТЦ – глютамин.

Механизмы возникновения генных мутаций (замена, вставка, выпадение).

ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей. Сначала изменение возникает в 1-й цепи ДНК – это полумутационное состояние или “первичное повреждение ДНК”. Каждую секунду в клетке имеет место 1 первичное повреждение ДНК.

Когда повреждение переходит на вторую цепь ДНК то, говорят о том, что произошла фиксация мутации, то есть возникла “полная мутация”.

Первичные повреждения ДНК возникают при нарушении механизмов репликации, транскрипции, кроссинговера

7. Частота генных мутаций. Мутации прямые и обратные, доминантные и рецессивные.

У человека частота мутаций = 1х10 –4 – 1х10 –7 , то есть в среднем 20–30% гамет у человека в каждом поколении являются мутантными.

У дрозофилы частота мутаций = 1х10 –5 , то есть 1 гамета из 100 тысяч несет генную мутацию.

а. Прямая мутация (рецессивная) – это мутация гена из доминантного состояния в рецессивное состояние: А → а.

б. Обратная мутация (доминантная) – это мутация гена из рецессивного состояния в доминантное состояние: а → А.

Генные мутации встречаются у всех организмов, гены мутируют в различных направлениях, а также с различной частотой. Гены, которые редко мутируют называются – стабильные, а гены, которые часто мутируют называются – мутабельные.

8. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И.Вави­лова.

Мутирование происходит в самых различных направлениях, т.е. случайно. Однако эти случайности подчиняются закономерности, обна­руженной в 1920г. Вавиловым. Он сформулировал закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости.

"Виды и роды генетичес­ки близкие характеризуются сходными рядами наследственной измен­чивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одно­го вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов".

Этот закон позволяет предсказать наличие определённого признака у особей различных родов одного семейства. Так было предска­зано наличие в природе безалкалоидного люпина, т.к. в семействе бобовых есть роды бобов, гороха, фасоли, не содержащие алкалоиды.

В медицине закон Вавилова позволяет использовать животных, генетически близких человеку, в качестве генетических моделей. На них ставят эксперименты по изуче­нию генетических болезней. Например, катаракта изучается на мышах и собаках; гемофилия – на собаках, врождённая глухота – на мышах, морских свинках, собаках.

Закон Вавилова позволяет предвидеть появление индуцирован­ных мутаций, неизвестных науке, которые могут использоваться в се­лекции для создания ценных для человека форм растений.

9. Антимутационные барьеры организма.

- Точность репликации ДНК. Иногда в ходе репликации возникают ошибки, тогда включаются механизмы самокоррекции, которые направлены на устранение неправильного нуклеотида. Важную роль играет фермент ДНК-полимераза, и частота ошибок снижается в 10 раз (с 10 –5 до 10 –6).

- Вырожденность генетического кода . 1 аминокислоту могут кодировать несколько триплетов, поэтому замена 1 нуклеотида в триплете в ряде случаев не искажает наследственную информацию. Например, ЦТТ и ЦТЦ – глутаминовая кислота.

- Экстракопирование некоторых генов отвечающих за важные макромолекулы: рРНК, тРНК, белки гистоны, т.е. образуется много копий этих генов. Эти гены входят в состав умеренно повторяющихся последовательностей.

- Избыточность ДНК – 99% является избыточной и мутагенный фактор чаще попадает в эти 99% бессмысленных последовательностей.

- Парность хромосом в диплоидном наборе. В гетерозиготном состоянии многие вредные мутации не проявляются.

- Выбраковка мутантных половых клеток.

- Репарация ДНК.

10. Репарация генетического материала. .

Репарация ДНК – удаление первичных повреждений из ДНК и замена их нормальными структурами.

Выделяют две формы репарации: световую и темновую

А. Световая репарация (или ферментативная фотореактивация). Ферменты репарации активны только в присутствии света. Эта форма репарации направлена на удаление первичных повреждений ДНК вызванных действием УФЛ.

Под действием УФЛ в ДНК активируются пиримидиновые азотистые основания, что приводит к тому, что возникают связи между пиримидиновыми азотистыми основаниями, которые располагаются рядом в одной цепи ДНК, то есть образуются пиримидиновыедимеры. Чаще всего возникают связи: Т=Т; Т=Ц; Ц=Ц.

В норме в ДНК пиримидиновых димеров нет. Образование их приводит к тому, что искажается наследственная информация и нарушается нормальный ход репликации и транскрипции, что приводит впоследствии к генным мутациям.

Суть фотореактивации: в ядре существуют специальный (фотореактивирующий) фермент, который активен только в присутствии света, этот фермент разрушает пиримидиновые димеры, то есть разрывает связи, которые возникли между пиримидиновыми азотистыми основаниями под действием УФЛ.

Темновая репарация происходит в темноте и на свету, то есть активность ферментов не зависит от присутствия света. Она делится на дорепликативная репарацию и пострепликативную репарацию.

Дорепликативная репарация происходит до репликации ДНК, в этом процессе участвует много ферментов:

o Эндонуклеаза

o Экзонуклеаза

o ДНК- полимераза

o ДНК - лигаза

1 этап. Фермент эндонуклеаза находит поврежденный участок и разрезает его.

2 этап. Фермент экзонуклеаза удаляет поврежденный участок из ДНК (эксцизия) в результате образуется брешь.

3 этап. Фермент ДНК полимераза синтезирует недостающий участок. Синтез происходит по принципу комплементарности.

4 этап. Ферменты лигазы соединяют или сшивают вновь синтезированный участок с цепью ДНК. Таким образом, первичное повреждение в ДНК устраняется.

Пострепликативная репарация.

Допустим, в ДНК имеется первичное повреждение.

1 этап. Начинается процесс репликации ДНК. Фермент ДНК-полимераза синтезирует новую цепь полностью комплементарную старой неповрежденной цепи.

2 этап. Фермент ДНК полимераза синтезирует другую новую цепь, но участок, где находится повреждение, он обходит. В результате во второй новой цепи ДНК образовалась брешь.

3 этап. По окончании репликации фермент ДНК полимераза синтезирует недостающий участок комплементарно новой цепи ДНК.

4 этап. Затем фермент лигаза соединяют вновь синтезированный участок с цепью ДНК, где имелась брешь. Таким образом, первичное повреждение ДНК не перешло на другую новую цепь, то есть не произошла фиксация мутации.

В дальнейшем первичное повреждение ДНК может быть ликвидировано в ходе дорепликативной репарации.

11. Мутации, связанные с нарушением репарации ДНК и их роль в патологии.

Способность к репарации у организмов выработалась и закрепилась в ходе эволюции. Чем выше активность репарирующих ферментов, тем стабильнее наследственный материал. За ферменты репарации отвечают соответствующие гены, поэтому если происходит мутация в этих генах, то снижается активность репарирующих ферментов. У человека при этом возникают тяжелые наследственные заболевания, которые связаны со снижением активности репарирующих ферментов.

Таких заболеваний у человека больше 100. Некоторые из них:

Анемия Фанкони – уменьшение количества эритроцитов, потеря слуха, нарушения в ССС, деформация пальцев, микроцефалия.

Сидром Блума – малый вес новорождённого, замедление роста, повышенная восприимчивость в вирусной инфекции, повышенный риск онкологических заболеваний. Характерный признак: при непродолжительном пребывании на солнечном свету на коже лица появляется пигментация в форме бабочки (расширение кровеносных капилляров).

Пигментная ксеродермия – на коже от света появляются ожоги, которые скоро перерождаются в рак кожи (у таких больных рак возникает в 20.000 раз чаще). Больные вынуждены жить при искусственном освещении.

Частота заболевания – 1: 250.000 (Европа, США), и 1: 40.000 (Япония)

Два вида прогерий – преждевременное старение организма.

12. Генные болезни, механизмы их развития, наследования, частота воз­никновения.

Генные болезни (или молекулярные болезни) достаточно широко представлены у человека, их насчитывается более 1000.

Особую группу среди них составляют врожденные дефекты обмена веществ. Впервые эти заболевания описал А. Гарод в 1902 году. Симптоматика этих заболеваний различна, но всегда имеет место нарушение превращения веществ в организме. При этом одни вещества будут в избытке, другие в недостатке. Например, в организм поступает вещество (А) и превращается далее под действием ферментов в вещество (В). Далее вещество (В) должно превращаться в вещество (С), но этому мешает мутационный блок

(), в результате вещество (С) будет в недостатке, а вещество (В) в избытке.

Примеры некоторых болезней, обусловленных врожденным дефектом обмена веществ.

ФКУ (фенилкетонурия, врожденное слабоумие). Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:10.000. Фенилаланин является незаменимой аминокислотой для построения белковой молекулы и, кроме того, служит предшественником гормонов щитовидной железы (тироксина), адреналина и меланина. Аминокислота фенилаланин в клетках печени должна превращаться с помощью фермента (фенилаланин-4-гидроксилазы) в тирозин. Если отсутствует фермент, отвечающий за данное превращение, или снижена его активность то содержание фенилаланина в крови будет резко повышено, а содержание тирозина понижено. Избыток фенилаланина в крови приводит к появлению его производных (фенилуксусной, фенилмолочной, фенилпировиноградной и других кетоновых кислот), которые выделяются с мочой, а также оказывают токсическое воздействие на клетки центральной нервной системы, что приводит к слабоумию.

При своевременной постановке диагноза и переводе младенца на диету, лишенную фенилаланина, развитие заболевания можно предупредить.

Альбинизм общий. Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. В норме аминокислота тирозин участвует в синтезе тканевых пигментов. Если возникает мутационный блок, отсутствует фермент или снижена его активность, то тканевые пигменты не синтезируются. В этих случаях кожа имеет молочно-белый цвет, волосы очень светлые, вследствие отсутствия пигмента в сетчатке просвечивают кровеносные сосуды, глаза имеют красновато-розовый цвет, и повышенную чувствительность к свету.

Алькапнонурия . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 3-5:1.000.000. Заболевание связано с нарушением превращения гомогентизиновой кислоты, в результате чего эта кислота накапливается в организме. Выделяясь с мочой, эта кислота приводит к развитию заболеваний почек, кроме того, подщелоченная моча при этой аномалии быстро темнеет. Также заболевание проявляется окрашиванием хрящевых тканей, в пожилом возрасте развивается артрит. Таким образом, заболевание сопровождается поражением почек и суставов.

Генные болезни, связанные с нарушением обмена углеводов.

Галактоземия . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:35.000-40.000 детей.

В крови новорождённого содержится моносахарид галактоза, который образуется при расщеплении дисахарида молока лактозы на глюкозу и галактозу . Галактоза непосредственно не усваивается организмом, она должна быть переведена специальным ферментом в усваиваемую форму – глюкоза-1-фосфат.

Наследственная болезнь галактоземия обусловлена нарушением функции гена, контролирующего синтез белка-фермента, превращающего галактозу в усваиваемую форму. В крови больных детей будет очень мало этого фермента и много галактозы, что устанавливается биохимическим анализом.

Если диагноз поставлен в первые дни после рождения ребенка, то его кор­мят смесями, где нет молочного сахара, и ребёнок нормально развива­ется. В противном случае ребёнок вырастает слабоумным.

Муковисцидоз . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:2.000-2.500. Заболевание связано с мутацией гена, который отвечает за белок-переносчик, встроенный в плазматическую мембрану клеток. Этот белок регулирует проницаемость мембраны к ионам Na и Ca. Если нарушена проницаемость этих ионов в клетках экзокринных желез, то железы начинают вырабатывать густой, вязкий секрет, который закрывает протоки экзокринных желез.

Выделяют легочную и кишечную формы муковисцидоза.

Синдром Марфана. Генное заболевание, наследуется по аутосомно-доминантному типу. Связано с нарушением обмена белка фибриллина в соединительной ткани, что проявляется комплексом признаков: «паучьи» пальцы (арахнодактилия), высокий рост, подвывих хрусталика, пороки сердца и сосудов, повышенный выброс в кровь адреналина, сутулость, впалая грудь, высокий свод стопы, слабость связок и сухожилий и т.д. Впервые описано в 1896 году французским педиатром Антонио Марфаном.

ЛЕКЦИЯ 10 Структурные мутации хромосом.

1. Структурные мутации хромосом (хромосомные аберрации).

Выделяют следующие виды хромосомных аберраций.

– делеции

– дупликации

– инверсии

– кольцевые хромосомы

– транслокации

– транспозиции

При данных мутациях изменяется структура хромосом, изменяется порядок расположения генов в хромосомах, изменяется доза генов в генотипе. Эти мутации встречаются у всех организмов, они бывают:

Спонтанные (вызваны фактором неизвестной природы) и индуцированные (природа фактора, вызвавшего мутацию известна)

Соматические (затрагивающие наследственный материал соматических клеток) и генеративные (изменения наследственного материала гамет)

Полезные и вредные (последнее гораздо чаще)

Сбалансированные (система генотипа не изменяется, значит, не меняется и фенотип) и несбалансированные (изменяется система генотипа, а значит, изменяется и фенотип

Если мутация затрагивает две хромосомы, говорят о межхромосомных перестройках.

Если мутация затрагивает 1 хромосому, говорят о внутрихромосомных перестройках.

2. Механизмы возникновения структурных мутаций хромосом.

Гипотеза «разрыв-соединение». Предполагают, что в одной или нескольких хромосомах происходят разрывы. Образуются участки хромосом, которые затем соединяются, но в иной последовательности. Если разрыв происходит до репликации ДНК, то в этот процесс вовлекаются 2 хроматиды – это изохроматидный разрыв. Если разрыв происходит после репликации ДНК, то вовлекается в процесс 1 хроматида – это хроматидный разрыв.

Вторая гипотеза: между негомологичными хромосомами происходит процесс подобный кроссинговеру, т.е. негомологичные хромосомы обмениваются участками.

3. Делеции, их сущность, формы, фенотипический эффект. Псевдодоминирование..

Делеция (нехватка) – потеря участка хромосомы.

в хромосоме может произойти 1 разрыв, и она потеряет концевой участок, который будет разрушен ферментами (дефишенси)

в хромосоме может быть два разрыва с потерей центрального участка, который также будет разрушен ферментами (интерстициальная делеция).

В гомозиготном состоянии делеции всегда летальны, в гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития.

Выявление делеций:

Дифференциальное окрашивание хромосом

По фигуре петли, которая образуется во время коньюгации гомологичных хромосом в профазу мейоза 1. Петля возникает на нормальной хромосоме.

Впервые делеция была изучена у мушки дрозофилы, при этом произошла потеря участка Х хромосомы. В гомозиготном состоянии эта мутация летальна, а в гетерозиготном состоянии она проявляется фенотипически вырезкой на крыле (Notch-мутация). При анализе этой мутации было выявлено особое явление, которое получило название псевдодоминирование. При этом фенотипически проявляется рецессивный аллель, так как участок хромосомы с доминантным аллелем утрачен вследствие делеции.

У человека делеции чаще происходят в хромосомах с 1 по 18. Например, делеция короткого плеча пятой хромосомы в гетерозиготном состоянии проявляется фенотипически, как синдром "кошачьего крика". Ребёнок рож­дается с большим числом патологий, живет от 5 дней до месяца (очень редко до 10 лет), его плач напоминает резкое мяуканье кота.

В 21 или 22 хромосоме стволовых кроветворных клеток может произойти интерстициальная делеция. В гетерозиготном состоянии она проявляется фенотипически как злокачественная анемия.

4. Дупликации, инверсии, кольцевые хром-мы. Механизм возникновения. Фенотипическое проявление.

Дупликация – удвоение какого-то участка хромосомы (этот участок может повторяться многократно). Дупликации могут быть прямыми и обратными.

При данных мутациях увеличивается доза генов в генотипе, и в гомозиготном состоянии эти мутации летальны. В гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития. Однако эти мутации могли играть определенную роль в ходе эволюции. Таким образом могли возникнуть семейства генов гемоглобина.

Возможно, многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов ДНК появились в результате дупликаций.

Выявление дупликаций:

Фигура петли в профазу мейоза 1. Петля возникает на мутировавшей хромосоме.

Инверсия – отрыв участка хромосомы, поворот его на 180° и присоединение на старое место. При инверсиях доза генов не меняется, но изменяется порядок расположения генов в хромосоме, т.е. изменяется группа сцепления. Концевых инверсий не бывает.

В гомозиготном состоянии инверсии летальны, в гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития.

Выявление инверсий:

Дифференциальное окрашивание.

Фигура в виде двух противоположно расположенных петель в профазу мейоза 1.

Инверсии бывают 2 видов:

парацентрическая инверсия, которая не затрагивает центромеру, т.к. разрывы происходят в пределах одного плеча хромосомы

перицентрическая инверсия, которая затрагивает центромеру, т.к. разрывы происходят по обе стороны от центромеры.

При перицентрической инверсии может изменяться конфигурация хромосомы (если концы поворачиваемых участков не симметричны). А это делает невозможным в последующем конъюгацию.

Фенотипическое проявление инверсий наиболее мягкое по сравнению с другими хромосомными абберациями. Если рецессивные гомозиготы погибают, то у гетерозигот чаще всего наблюдается бесплодие.

Кольцевые хромосомы . В норме в кариотипе человека кольцевых хромосом нет. Они могут появляться при действии на организм мутагенных факторов, особенно радиоактивного облучения.

При этом в хромосоме происходит 2 разрыва, и образовавшийся участок замыкается в кольцо. Если кольцевая хромосома содержит центромеру, то образуется – центрическое кольцо. Если центромеры нет, то образуется – ацентрическое кольцо, оно разрушается ферментами и не наследуется.

Выявляются кольцевые хромосомы при кариотипировании.

В гомозиготном состоянии эти мутации летальны, а в гетерозиготном состоянии фенотипически проявляются, как делеции.

Кольцевые хромосомы являются маркерами радиоактивного облучения. Чем больше доза радиоактивного облучения, тем больше кольцевых хромосом, и тем хуже прогноз.

5. Транслокации, их сущность. Реципрокные транслокации, их характеристика и медицинское значение. Робертсоновские транслокации и их роль в наследственной патологии.

Транслокация – это перемещение участка хромосомы. Бывают взаимные (реципрокные) и не взаимные (транспозиции) транслокации.

Реципрокные транслокации происходят в тех случаях, когда две негомологичные хромосомы обмениваются своими участками.

Особую группу транслокаций составляют робертсоновские транслокации (центрические слияния). Им подвергаются акроцентрические хромосомы – они теряют короткие плечи, а их длинные плечи соединяются.

Типы яйцеклеток сперматозоид зигота Последствия

14 + 14, 21 14,14,21 моносомия 21 (леталь)

14/21,21 + 14, 21 14/21,21,14,21 трисомия 21 (дауник)

21 + 14, 21 21,14,21, моносомия 14 (леталь)

14,14/21 + 14, 21 14,14/21,14,21 трисомия 14 (леталь)

14/21 + 14, 21 14/21,14,21 фенотипически здоров

Как видим, женщина с робертсоновской транслокацией может родить здорового ребенка.

Потеря коротких плеч не влияет ни на что, так как там находятся ядрышкообразующие зоны, а они есть и в других хромосомах.

У больного с транслокационной формой синдрома Дауна в клетках 46 хромосом. В яичнике после транслокации будет 45 хромосом. Однако при сбалансированной мутации у женщины будет 45 хромосом.

Выявление транслокаций:

Дифференциальное окрашивание.

Фигура креста в профазу мейоза 1.

6. Траспозиции. Мобильные генетические элементы. Механизмы перемещения по геному и значение.

Если транслокации не носят характера взаимности, то говорят о транспозиции.

Особую группу транспозонов составляют Мобильные Генетические Элементы (МГЭ), или прыгающие гены, которые обнаружены у всех организмов. У мушки дрозофилы они составляют 5% генома. У человека МГЭ объединяют в семейство ALU.

МГЭ состоят из 300- 400 нуклеотидов, повторяющихся в геноме у человека 300 тыс. раз.

На МГЭ концах находятся повторы нуклеотидов, состоящие при из 50-100 нуклеотидов. Повторы могут быть прямыми и обратными. Повторы нуклеотидов, по-видимому, влияют на перемещение МГЭ.

Выделяют два варианта перемещения МГЭ по геному.

1. с помощью процесса обратной транскрипции. Для этого необходим фермент обратная транскриптаза (ревертаза). Этот вариант протекает в несколько этапов:

на ДНК фермент РНК-полимераза (другое название – транскриптаза) синтезирует иРНК,

на иРНК фермент обратная транскриптаза синтезирует одну цепь ДНК,

фермент ДНК-полимераза обеспечивает синтез второй цепочки ДНК,

синтезированный фрагмент замыкается в кольцо,

кольцо ДНК встраивается в другую хромосому или в другое место этой же хромосомы.

2. с помощью фермента транспозазы, который вырезает МГЭ и переносит его в другую хромосому или в другое место этой же хромосомы

В ходе эволюции МГЭ играли положительную роль, т.к. они осуществляли перенос генетической информации от одних видов организмов к другим. Важную роль в этом играли ретровирусы, которые содержат в качестве наследственного материала РНК, а также содержат обратную транскриптазу.

МГЭ перемещаются по геному очень редко, одно перемещение на сотни тысяч событий в клетке (частота перемещений 1 х 10 –5).

В каждом конкретном организме МГЭ положительной роли не играют, т.к. перемещаясь по геному, они изменяют работу генов, вызывают генные и хромосомные мутации.

7. Индуцированный мутагенез. Физические, химические и биологические мутагенные факторы.

Индуцированные мутации возникают при действии на организм мутагенных факторов, которые делятся на 3 группы:

Физические (УФЛ, рентгеновское и радиационное излучения, электромагнитные поля, высокие температуры).

Так ионизирующее излучение может действовать непосредственно на молекулы ДНК и РНК, вызывая в них повреждения (генные мутации). Косвенное воздействие этого

мутагена на наследственный аппарат клеток заключается в образовании генотоксических веществ (Н 2 О 2, ОН - , О 2 - ,).

Химические мутагенные факторы. Существует свыше 2 млн. химических веществ, способных вызывать мутации. Это соли тяжелых металлов, химические аналоги азотистых оснований (5-бромурацил), алкилирующие соединения (СН 3 , С 2 Н 5).

8. Радиационные мутации. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды.

Радиационные мутации это мутации, вызванные радиацией. В 1927 году американский генетик, Генрих Мелёр впервые показал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к существенному увеличению частоты мутаций у дрозофилы. Эта работа положила начало новому направлению в биологии – радиационной генетике. Благодаря многочисленным работам, проведенным за последние десятилетия, мы теперь знаем, что при попадании элементарных частиц (кванты, электроны, протоны и нейтроны) в ядро происходит ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов (ОН - , О 2 -). Обладая большой химической активностью, они вызывают разрывы ДНК, повреждение нуклеотидов или их разрушение; всё это приводит к возникновению мутаций.

Так как человек является открытой системой, то различные факторы загрязнения окружающей среды могут попадать в человеческий организм. Многие из этих факторов могут изменять или повреждать наследственный материал живых клеток. Последствия воздействия этих факторов столь серьезны, что человечество не может игнорировать загрязнение окружающей среды.

9. Мутагенез и канцерогенез.

Впервые мутационную теорию рака в 1901 году предложил Гюго Де Фриз. В наши дни существует много теорий канцерогенеза.

Одна из них генная теория канцерогенеза. Известно, что в геноме человека содержится более 60 онкогенов, способных регулировать клеточное деление. Они находятся в неактивном состоянии в виде протоонкогенов. Под действием различных мутагенных факторов протоонкогены активируются и переходят в состояние онкогенов, которые вызывают интенсивную пролиферацию клеток и развитие опухолей.

ЛЕКЦИЯ 11Мутации числа хромосом. Гаплоидия, полиплоидия,

Анеуплоидия.

1. Сущность мутаций числа хромосом, причины и механизмы возникновения.

Каждый вид организмов характеризуется своим кариотипом. Постоянство кариотипа в ряду поколений поддерживается благодаря процессам митоза и мейоза. Иногда в ходе митоза или мейоза нарушается расхождение хромосом, в результате возникают клетки с измененным числом хромосом. В клетках может изменяться число целых гаплоидных наборов хромосом, в таком случае возникают такие мутации как:

Гаплоидия – одинарный набор хромосом (n)

Полиплоидия – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному набору (3n, 4n и т.д.)

Анэуплоидия – изменение числа отдельных хромосом (46 +1).

Набор хромосом может измениться как в соматических клетках, так и в половых.

Причины нарушения расхождения хромосом:

увеличение вязкости цитоплазмы

изменение полярности клетки

нарушение функции веретена деления.

Все эти причины приводят к так называемому явлению “анафазного отставания”.

Это значит, что в анафазу митоза или мейоза хромосомы распределяются неравномерно, т.е. какая-то хромосома или группа хромосом не успевают за остальными хромосомами и теряется для одной из дочерних клеток.

2. Гаплоидия, характер изменения кариотипа, распространенность, феноти­пическое проявление.

Гаплоидия – это уменьшение числа хромосом в клетках организма до гаплоидного. В клетках резко уменьшается количество хромосом и доза генов, то есть изменяется система генотипа, а значит, изменяется и фенотип.

Различают генные мутации , затрагивающие лишь один или несколько нуклеотидов в пределах одного гена, и хромосомные мутации , приводящие к изменению числа хромосом в клетке либо числа или последовательности генов в хромосоме. Рассмотрим сначала генные мутации.

Генные, или точечные мутации возникают, когда последовательность оснований в ДНК гена несколько изменяется и потомству передается новая, искаженная нуклеотидная последовательность. Существуют два основных класса генных мутаций: 1)замены пар оснований , когда одна или несколько нуклеотидных пар в ДНК заменяются другими; 2) мутации со сдвигом рамки считывания , обусловленные вставкой (инсерция) или делецией одного или нескольких нуклеотидов.

Мутации, затрагивающие лишь одну пару оснований и приводящие к ее замене на другую, удвоению или делеции (отсутствию одного нуклеотида ДНК) называют точковыми мутациями.

Замены оснований возникают следующими путями:

1. Замена одного пурина на другой или одного пиримидина на другой – транзиции. Возможны 4 типа транзиций: A↔G, T↔C.

2. Замена пурина на пиримидин и наоборот. Такие замены называют трасверсиями. Он могут быть восьми типов: A↔T, G↔C, A↔C , G↔T.

Тип замены оснований зависит от особенностей мутагенного воздействия и от того, какая последовательность нуклеотидов окружает изменяющееся основание.

В научной литературе спонтанные мутации рассматриваются как побочные продукты нормальных процессов клеточной физиологии. В этой связи необходимо вспомнить концепцию Р. фон Борстела: “мутации возникают в результате ошибок трех «Р»: репликации, репарации, рекомбинации”.

Мутации замены оснований приводит к появлению двух типов мутантных кодонов в мРНК – с измененным смыслом (миссенс) и бессмысленного (нонсенс).

Рисунок. Точечные мутации.

Из таблицы генетического кода видно, что замены оснований во втором положении триплета всегда приводят к изменению кодируемой аминокислоты (или к образованию сигнала терминации), замены первого нуклеотида триплета почти всегда дают тот же эффект (исключения составляют лишь замены UUA или UUG на GUA или GUG и наоборот, поскольку все эти триплеты кодируют литцин, а также замены AGA и AGG на CGA или CGG и наоборот, так как все эти триплеты кодируют аргинин). Однако замена третьего нуклеотида триплета часто не вызывает изменения его смысла, поскольку большая часть избыточности генетического кода относится именно к третьему основанию триплета. Триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называется синонимами.

Следовательно, так как код вырожденный, не всякая мутация в кодоне приводит к замене аминокислоты (нейтральная мутация). Не всякая замена аминокислоты отразится на функциональной активности белка. Поэтому в обоих случаях ситуация останется не выявленной. Это объясняет, почему частоты мутаций в данном гене и встречаемость мутантов по нему могут не совпадать. Хотя в ряде случаев миссенс-мутация может иметь серьезные последствия для организма (например, появление гемоглобина S при серповидноклеточной анемии у человека). Гемоглобин S – вариант нормального гемоглобина А, состоящий из двух идентичных a-цепей и двух идентичных b-цепей. Лица, гомозиготные по мутантному аллелю, кодирующему синтез аномальной b-цепи, страдают тяжелой формой гемолитической анемии. В условиях недостатка кислорода гемоглобин S образует кристаллоподобные сцепления, нарушающие морфологию эритроцитов. Они удлиняются, принимая серповидную форму, аномальные клетки могут закупорить мелкие сосуды и прекратить доступ кислорода к тканям. Сравнение аминокислотных последовательностей b-цепей гемоглобинов А и S показало, что различие между ними определяется заменой только одной аминокислоты.

По характеру влияния на активность ферментов различают несколько типов миссенс-мутаций: растекающиеся (ликовые), снижающие уровень синтеза или образования менее активных ферментов; с нормальной активностью в одних условиях и слабоактивные в других (условно летальные мутации) и др.

К типу «нонсенс» относятся мутации, приводящие к замене пар оснований, при которой кодон, определяющий аминокислоту, превращается в один из нонсенс кодонов, не транслирующихся на рибосомах. Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции, т.е. к обрыву полипептидной цепи и сопровождается полным выключением функции фермента.

Такие замены переводят триплет, кодирующий ту или иную аминокислоту, в триплет-терминатор, и наоборот (например, мутация, вызывающая в мРНК изменение триплета UAU, кодирующего тирозин, - в триплет UAA, который служит терминирующим сигналом). Замены такого типа приводят к образованию белковых молекул с более короткими полипептидными цепями, поскольку после терминирующего сигнала считывание (трансляция) нуклеотидной последовательности прекращается.

Рисунок. Мутации со сдвигом рамки считывания вследствие утраты нуклеотида (А -) и включения (вставки) нуклеотида (G +).

Вставка или делеция одного или нескольких оснований (их число не должно быть кратно трем) сдвигает «рамку считывания» нуклеотидной последовательности, начиная от точки, где произошла вставка или делеция, и до конца молекулы (рис.).

Если в каком-то месте нуклеотидной последовательности возникла вставка одной нуклеотидной пары, а в другом месте – делеция одной пары, то исходная рамка считывания, а значит, и правильная последовательность аминокислот восстанавливается после этой второй мутации.

Мутация может касаться как структурных, так и регуляторных генов. Структурные изменения ДНК заключаются в разрыве одной или нескольких цепей, образовании диметров, появлении поперечных сшивок.

Различают спонтанную и индуцированную мутацию. Генные мутации могут возникать спонтанно вследствие молекулярных процессов, как связанных, так и не связанных с репликацией ДНК. Индуцированная мутация возникает под влиянием факторов внешней среды.

Мутагенные факторы (мутагены) – различной природы факторы, естественное наличие или искусственное применение которых вызывает появление мутаций.

Естественный мутагенез основан на действии автомутагенов (мутагенных факторов, возникающих в организме в процессе обмена веществ и способных вызывать генные и хромосомные мутации), генов-мутаторов и ряда природных факторов, включая экстремальные внешние условия. Однако частота спонтанного мутирования низка.

Мутагены, способные вызывать индуцированные мутации, делятся на физические, химические и биологические. Физические мутагены включают различные излучения, температуру, ультразвук и механические воздействия. Среди них лидирующее положение занимают ионизирующее и ультрафиолетовые излучения. К ионизирующему излучению относятся электромагнитные (рентгеновские, гамма-лучи) и корпускулярные радиоактивные излучения (электроны или b-частицы; протоны или a-частицы, нейтроны).

Действие ионизирующего излучения основано на образовании ионов в облученной ткани (первичное действие) и тепловом возбуждении молекул этой ткани (вторичное действие), вследствие чего пораженные молекулы претерпевают химические изменения, влекущие за собой генетические последствия. Ультрафиолетовые лучи производят только возбуждение молекул; проникающая способность их невелика и они являются причинами мутации лишь в соматических клетках. Если мутация произошла в соматической клетке, то последствия связаны лишь с судьбой данного организма. С его гибелью исчезают следы произошедшей мутации. Ионизирующие излучения способны вызывать мутации в половых клетках (гаметах). Если мутация произошла в гамете и яйцеклетка оплодотворилась, то последствия мутации сказываются на судьбе потомства. Таким образом, облучение способно изменить наследственность гамет и вызвать мутации в такой минимальной дозе радиации, которая не вызывает гибель или лучевое поражение организма. Потомство облученного при этом находится под угрозой развития наследственной болезни.

Установлено, что ионизирующие излучения индуцируют мутации рандомизированно как по отдельным хромосомам, так и по их длине. Инфракрасное излучение само по себе не способно вызывать повреждение генетического аппарата клеток, но в сочетании с ионизирующим усиливает мутагенный эффект.

Химические мутагены чаще повреждают гетерохроматиновые участки хромосом и в зависимости от принципа действия разграничиваются на пять групп: 1) цитостатические препараты, особенно ингибиторы азотистых оснований нуклеиновых кислот (теобромин, теофиллин и др.); 2) аналоги азотистых (пуриновых, пиримидиновых) оснований, включающиеся вместо них в нуклеиновые кислоты; 3) алкилирующие соединения (азотистый иприт, фенол, формальдегид); 4) окислители, восстановители и свободные радикалы; 5) акридиновые красители.

Наибольшей мутабильностью обладают алкилирующие соединения: этиленилены, диэтилсульфат, 1,4 бисдиазоацетилбутан, этилметансульфонат, N-нитрозоалкилмочевина и ряд других.

К биологическим мутагенам относятся вирусы, поражающие как соматические, так и половые клетки (вирусы краснухи, цитомегалин, гепатита В). Например, у женщин, перенесших краснуху или вирусный гепатит, наблюдаются спонтанные аборты, причем в клетках плода отличаются многочисленные хромосомные аберрации. У потомства таких женщин чаще встречаются хромосомные болезни.

Чувствительность клеток к мутагенам неодинакова в разных фазах клеточного цикла. Ионизирующие излучения наиболее эффективны при действии на стадии G 2 –фазы, а большинство химических мутагенов - G 1 -S-фазы.

Мутагенное воздействие, достигнув мишени, вызывает первичное повреждение: одно- и двунитевые разрывы ДНК; перекрестные сшивки ДНК – ДНК и ДНК – белок, алкилирование оснований и сахарофосфатного остова молекулы ДНК, образование пиримидиновых димеров.

Генные мутации оказывают на организм самое различное воздействие: от едва заметного и пренебрежимо малого до летального. Замены пар оснований, не приводящие к изменению аминокислотной последовательности кодируемого белка, если и влияют, то лишь незначительно на способность организма нормально функционировать и размножаться. Мутации, при которых изменяются одна или даже несколько аминокислот, также могут либо совсем не оказывать на организм никакого видимого вредного влияния, либо воздействовать на него лишь в слабой степени, если эти замены не затрагивают основных биологических функций кодируемого белка. Однако последствия замены одной – единственной аминокислоты могут быть очень существенными, если эта аминокислота входит в состав активного центра фермента или каким-либо иным образом влияет на биологически важные функции кодируемого белка (рис.).

Рисунок. Первые семь аминокислот в b - цепи гемоглобина человека. b - цепь состоит из 146 аминокислот. Замена глутаминовой кислоты валином в шестом положении ответственна за тяжелое наследственное заболевание – серповидноклеточную анемию.

Вред, причиняемый организму мутациями, часто зависит от конкретных внешних условий. Например, у людей при гомозиготности по одной из рецессивных мутаций возникает тяжелая болезнь фенилкетонурия (ФКУ) однако лица, гомозиготные по этой мутации, могут, тем не менее, нормально существовать на диете, при которой исключен фенилаланин, поскольку все проявления этой болезни связаны с неспособностью организма усваивать данную аминокислоту.

Антимутагенез. Репарация ДНК.

Не все первичные повреждения реализуются в мутации, этот процесс многоступенчатый и главное событие в нем – репарация ДНК.

Следствием ошибок репарации или ее отсутствия является «закрепление» мутации. Нужно помнить, что подавляющее большинство мутаций не имеет последствий для организма по той причине, что только 5 % всех генов функционируют в организме на данном этапе онтогенеза, остальные находятся в репрессивном состоянии и не транскрибируются.

Различают три основные возможности формирования предмутационных повреждений ДНК и возникновения мутаций:

1. мутаген может включиться в ДНК вместо нормального основания (например, 2-аминопурин, являющийся аналогом аденина, встраиваясь в ДНК, спаривается с тимином или цитозином, что приводит к возникновению транзиций типа AG ® GC и GC ® AT).

2. мутаген может сам не встраиваться в ДНК, но так модифицировать основания, что в ходе последующей репликации произойдет их ошибочное спаривание.

3. мутаген может, повредит одно или несколько оснований, затрудняя или делая невозможным их спаривание с обычным основанием.

Репарация – самовосстановление первичной структуры ДНК, следующее после нарушения ее физическими и химическими мутагенами.

Все известные в настоящее время способы репарации ДНК обеспечиваются постоянно действующими или индуцируемыми ферментами, удаляющими повреждения, возникшие в одной из цепей ДНК. Некоторые способы могут не вполне точно восстанавливать исходную последовательность оснований в ДНК, вследствие чего возникают мутации.

Возможность репарации ДНК была обнаружена в 1949 году, когда три автора – А. Кёльнер, Р. Дюльбенко и И. Ф. Ковалев – независимо друг от друга установили, что освещение видимым светом (с длиной волны свыше 400 нм) актиномицетов, бактериофага и парамеций восстанавливает их жизнеспособность после УФ – облучения в летальных дозах. Это явление названо фотореактивацией. Оно происходит вследствие активации фотореактивирующего фермента, расщепляющего димеры пиримидинов и восстанавливающего первичную структуру ДНК.

Основные механизмы репарации ДНК и ферменты, обеспечивающие этот процесс, были раскрыты к концу 70-х годов.

Для клеток млекопитающих и человека выявлено много типов репарации, которые осуществляются на разных стадиях клеточного цикла. Они отличаются, друг от друга не только по времени протекания, но и эффективностью. Если невозможна прямая реактивация, то работают механизмы эксцизионной репарации. Эксцизионная (темновая) репарация, протекающая в пресинтетической стадии (G 1) клеточного цикла, обладает высокой эффективностью. Она осуществляется путем «вырезания» эндонуклеазами поврежденных участков ДНК (димеров пиримидинов) и и последующего восстановления образующейся бреши с помощью ферментов ДНК - полимериз I и II - новыми нуклеотидами комплементарно к непораженной нити этой же молекулы ДНК. Практически все повреждения молекулы ДНК при этом могут полностью репарироваться без образования мутаций.

Если молекула ДНК с димерами реплицируется, против каждого из ее димеров образуется брешь. Последующий обмен между сестринскими полинуклеотидными цепями может восстанавливать первичную структуру молекулы ДНК. Такой тип репарации ДНК называется рекомбинационной (пострепликационной) репарацией.

Эта репарация осуществляется в тех случаях, когда повреждения в цепях ДНК по тем или иным причинам не были устранены до начала репликации. Последствия таких повреждений могут быть сведены к минимуму благодаря этому типу репарации. Иногда при нарушении пострепликативной репарации в противоположность эксцизионной возникают ошибки и как следствие образуются мутации. Например, один из типов пигментной ксеродермы у людей (XP VAR) связан с блоком пострепликативной репарации. Высокую частоту хромосомных аберраций, наблюдающихся в случае рецессивной болезни у человека – синдрома Блума , также объясняют нарушением рекомбинационной репарации.

Мутация может касаться генов контролирующих ферменты репарации ДНК. В таких случаях повышается чувствительность организма к лучевым и другим мутагенным воздействиям. Злокачественный рост, преждевременное старение, коллагенозы имеют в патогенезе именно такие механизмы.

Известны мутантные формы эукариот с ослабленным неплановым синтезом ДНК и поэтому с повышенной чувствительностью к УФ излучению и другим мутагенным факторам. Некоторые люди, гомозиготные по мутантному гену пигментной ксеродермы (xeroderma pigmentosum) , проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, склонны к аномальной пигментации кожи и к заболеванию кожным раком. Известно несколько разных генетических форм этой болезни, и, по крайней мере, некоторые из них объясняются неспособностью клеток к вырезанию тимидиновых димеров. Например, пигментная ксеродерма I (XPI) сопровождается чувствительностью клеток больных людей к действию УФ излучения в связи с их дефектностью по УФ – эндонуклеазе – ферменту, который первым распознает тимидиновые димеры и некоторые другие повреждения.

Репарация всегда осуществляется в первом после воздействия цикле. Наряду с антимутационным механизмом репарации обнаружены вещества, предупреждающие или снижающие действие мутагенов, а также уровень естественного мутирования. Такие вещества называются антимутагенами . Постоянно присутствующие в организме естественные антимутагены входят в единую буферную систему, удерживающую частоту спонтанного мутирования на естественном для вида уровне. Обнаружено, что антимутагенный эффект имеют: фермент каталаза, хлорофилл, пироксидаза капусты, витамины А и С (при одновременном употреблении обеспечивают устойчивость организма к действию γ-облучения), витамин Е, интерферон.

Вещества, снижающие генетическое и физиологическое действие радиации, называют радиопротекторами. Например, ультрафиолетовое облучение сразу после облучения лучами Рентгена снижает радиогенетическое действие последних. Действие ряда химических радиопротекторов (цистеамина, стрептомицина и др.) объясняется миграцией на их молекулы части энергии, поглощенной хромосомами во время облучения, вследствие чего частота мутаций понижается. Действие гипосульфита и некоторых других веществ основано на химическом связывании кислорода клетки и создании, таким образом, условий гипоксии, ведущих к снижению радиогенетического эффекта. Такое явление называется кислородным эффектом.

Кислородный эффект – изменение частоты индуцируемых радиацией (за исключением α-лучей и нейтронов) мутаций с изменением концентрации кислорода в среде. Он универсален, наблюдается при облучении растений, бактерий, животных. При полном отсутствии кислорода (аноксия) в среде радиоустойчивость клеток повышается в 2 – 3 раза. Сенсибилизирующий эффект кислорода возрастает до концентрации его в 21 %, характерной для атмосферы. Последующее повышение концентрации кислорода уже не увеличивает радиогенетического эффекта облучения.

Главная » Правила в английском языке » Причины мутаций таблица. Особенности мутационной изменчивости