Сжатая ZIP-папка / ЛК_ген_11

Лекция 11

ЛЕКЦИЯ 11

ГЕННЫЕ, ХРОМОСОМНЫЕ И ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

ВИДЫ ГЕННЫХ МУТАЦИЙ

Из курса биохимии вспомним, что молекула ДНК представляет собой спираль, образованную двумя цепями, в которых азотистые основания нуклеотидов комплементарно взаимодействую за счёт водородных связей: А – Т, Г – Ц. Спонтанное или индуцированное изменение нуклеотида в одной из цепей и соответствующее изменение комплементарного нуклеотида называют точковой мутацией. Точковые мутации образуют целый класс генных мутаций, которые делят на:

1. Транзиции – замена пары нуклеотидов АТ на ГЦ, причём пурин меняется на пурин, пиримидин – на пиримидин;

2. Трансверсии – замена пары нуклеотидов АТ на ЦГ, АТ на ТА, ГЦ на ЦГ;

3. Вставка лишней пары нуклеотидов;

4. Выпадение пары нуклеотидов.

ФОРМУЛЫ

РИСУНОК

При этом иногда говорят, что мутации возникают в результате ошибок трёх «Р»: репликации, репарации, рекомбинации. Ошибки возникают спонтанно или под влиянием внешних факторов.

Механизмы замен связаны с таутомерными превращениями кето-енольных форм азотистых оснований в составе ДНК при изменении условий среды, что нарушает взаимодействие с противоположной цепью, в которую может быть включён уже другой нуклеотид. Прямым доказательством такого пути мутагенеза стало открытие механизма действия 5-бромурацила и 2-аминопурина на процессы синтеза ДНК у бактериофагов и бактерий. Так, 5-бромурацил включался во вновь синтезированную ДНК вместо тимина, и поскольку он мог находиться в енол-форме, то способен образовывать три водородные связи. Это вызывало включение в противоположную цепь – гуанина, т.е. образовывалась пара 5-бромурацил-Г. При новых клеточных делениях в нормальной питательной среде в первую цепь включался цитозин и, таким образом, первоначальная пара ТА заменялась в новых клетках на ГЦ-пару.

Другой механизм возникновения ошибок может быть связан с изменением соотношения полимеразной и экзонуклеазной активностей ДНК-полимеразы в процессе репликации, т.е. изменением специфичности действия фермента, обусловленного временным нарушением структуры активного центра в связи с изменениями в окружающей фермент среде.

Вероятность возникновения мутации в одной точке (сайте) подчиняется статистическим законам и распределению Пуассона. Однако было замечено, что порой в одних сайтах может возникать одна, две, три мутации, а в других – ни одной. В некоторых участках молекулы ДНК оказывается намного больше мутаций, чем ожидается при их нормальном распределении. При этом число мутаций в одном месте ДНК может быть в 10, 100 и даже 1000 раз выше случайного. Такие сайты стали называть «горячими точками». Также было установлено, что «горячие точки» для спонтанных или индуцированных мутаций, вызываемых разными мутагенами, - разные.

Природа этого явления долгое время оставалась неясной. Далее было установлено, что главной причиной точковых мутаций являются необычные (метилированные, вспомним курс биохимии) основания в молекуле ДНК. Напр., 5-метилцитозин способствует возникновению спонтанных мутаций в содержащих их сайтах ДНК.

Показано, что предварительная обработка молекул ДНК ферментом метилазой, удаляющей метильные группы, приводила к резкому снижению числа спонтанных мутаций в этих сайтах. Другим прямым доказательством является то, что «горячие точки» обнаружить не удаётся в штаммах кишечной палочки, у которых нарушено метилирование оснований.

Считается, что повышенный мутагенез в таких точках ДНК – это своеобразная плата организма за существование, поскольку именно особенное метилирование оснований собственной ДНК позволяет внутриклеточным ферментам не разрушать её.

Таким образом, экспериментальное исследование изменчивости бывает весьма проблематичным. Тем не менее, подбор соответствующих методов позволяет решить и эту задачу.

ИЗМЕНЕНИЯ ХРОМОСОМ

В основе изменчивости организмов лежат не только мутационные изменения отдельных генов, но и изменения более крупных участков хромосом. Часто их называют хромосомными мутациями. Они также дают наследственный фенотипический эффект. При этом хромосомные перестройки могут происходить как в пределах хромосомы, так и осуществляться между негомологичными хромосомами. В первом случае происходит выпадение или умножение участка хромосомы, либо изменение порядка расположения генов в ней. При межхромосомных перестройках происходит изменение расположения генов по группам сцепления.

Внутрихромосомные изменения представляют собой:

1. Нехватки или потери участков хромосомы (дефишенси и делеции).

2. Удвоение (дупликация) или умножение (мультипликация) отдельных участков хромосомы.

3. Изменение порядка расположения генов в хромосоме вследствие переворачивания участка на 180 ^о (инверсия).

4. Перестановки генов в пределах хромосомы (инсерции).

Хромосомные перестройки у диплоидных организмов характерны как для гомо-, так и гетерозигот. Если перестройка происходит внутри одного плеча хромосомы, то её называют ПАРАЦЕНТРИЧЕСКОЙ. Если перестройки происходят вследствие разломов по обе стороны центромеры, то их называют ПЕРИЦЕНТРИЧЕСКИМИ.

ДЕФИШЕНСИ И ДЕЛЕЦИИ

РИСУНОК

Терминальные (концевые) нехватки хромосом называют дефишенси, а потерю внутренних участков – делециями. Оторвавшийся участок хромосомы, не содержащий центромеры, в ходе митоза утрачивается и, таким образом, полностью теряется наследственная информация, содержавшаяся в нём. Такие изменения хромосом приводят к фенотипическому проявлению, если затрагиваются их активные участки, и легко обнаруживаются на препаратах гигантских хромосом, а если они достаточно велики, то и даже на препаратах обычных хромосом.

Мелкие нехватки при гомозиготном состоянии часто дают фенотипический эффект, имитирующий генную мутацию, поскольку ДНК содержит как активные, так и неактивные участки. У гетерозигот в таких случаях фенотипический признак определяется оставшимся аллелем (доминантным или рецессивным). Напр., у дрозофилы целый ряд доминантных мутаций на деле оказался нехватками, что выяснилось благодаря микроскопическим исследованиям гигантских хромосом.

Фенотипический эффект нередко носит плейотропный (множественный) характер и часто проявляется в понижении общей жизнеспособности и плодовитости особей. Большие нехватки обычно летальны, поскольку нарушают генный баланс организма.

ДУПЛИКАЦИИ

Внутри хромосомы некоторые участки, содержащие одни и те же гены, могут умножаться. Это явление называют дупликацией или, в более сложных случаях, - мультипликацией. Оно имеет фенотипические проявления в более выраженном проявлении признаков, определяемых такими генами. При этом значительно чаще наблюдается умножение не отдельных генов (АВС  ABBC  ABBBC), а участков, содержащих группу генов (ABC  ABCABC  ABCABCABC). Примером подобного рода служат фенотипические изменения формы глаз или «волосатые» крылья у мушки дрозофилы.

ИНВЕРСИИ

При таких нарушениях порядок расположения генов меняется на противоположный. Напр., норма характеризуется расположением генов в порядке АВСЕК, а при инверсии она выглядит как АЕСВК. Для осуществления таких изменений хромосома должна быть разорвана в двух местах. Разрыв называют парацентрическим, если он происходит в пределах одного плеча хромосомы, и перицентрическим, если разрыв происходит по разные стороны от центромеры.

В результате меняется сцепление отдельных генов, что может сказываться на их функционировании и, следовательно, фенотипическом проявлении. С другой стороны, инверсии приводят к подавлению кроссинговера между гомологичными участками. При этом на цитологических препаратах у конъюгирующих хромосом наблюдают появление разного рода петель. Кроссинговер между гомологичными хромосомами в рассматриваемых случаях может привести к образованию хроматиды с двумя центромерами, которая будет разорвана в анафазе при расхождении хромосом к полюсам. Хроматида без центромеры будет потеряна.

Инверсии могут служить факторами изоляции и способствовать дивергенции новых форм видов.

ИНСЕРЦИИ

Перестановки участков в пределах одной хромосомы считаются наиболее безобидными, хотя свойства генов при этом могут измениться в зависимости от положения и окружения новыми генами. В результате нарушается не только порядок расположения генов в группе сцепления, но и конъюгация хромосом в мейозе, что уменьшает возможность рекомбинации генов.

ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ

Часто перестройки в хромосомах приводят к изменению фенотипа из-за того, что переместившиеся гены начинают функционировать в новом окружении. Эффект положения чаще всего сказывается на изменении доминирования гена таким образом, что он может не проявлять своего фенотипического действия.

Эффект положения может быть стабильным или нестабильным в зависимости от того, восстановится ли его обычное фенотипическое проявление при возвращении генов на своё бывшее место.

Современные знания позволяют объяснить изменение фенотипического проявления доминантного гена тем, что при транслокации нарушаются регуляторные компоненты, обеспечивающие определённое функционирование как отдельных генов, так и целых комплексов генов.

ТРАНСПОЗИЦИИ

Они представляют собой перемещение небольших участков генетического материала в пределах одной хромосомы или между разными хромосомами. Транспозиции происходят при участии особых так называемых подвижных генетических элементов.

Впервые на них обратила внимание Б.МакКлинток ещё в середине 40-х годов ХХ века при изучении кукурузы, у которой были обнаружены разрывы хромосом. Было показано наличие мигрирующего локуса (участка хромосомы), обозначенного как Ds и связанного с проявлением окрашенных пятен на не окрашенных семенах кукурузы.

Об этих исследованиях научная общественность вспомнила лишь в конце 60-х годов ХХ века в связи с открытием мигрирующих элементов генома у кишечной палочки, у которой были получены необычные мутантные формы по лактозному оперону, т.е. участку ДНК, обеспечивающему синтез фермента – лактазы, расщепляющего дисахарид лактозу на составные части – глюкозу и галактозу.

Работа проводилась с использованием бактериофага «лямбда», который вначале встраивается в геном бактерии, а при изменении внешних условий выщепляется в виде свободного фага, захватывая при этом из генома мутантов E.coli лактозные опероны плюс дополнительную генетическую информацию. Это было установлено по высокому содержанию ДНК в освободившихся частицах фага.

Дальнейшие исследования показали, что такие лишние кусочки ДНК имели различную длину. Их стали называть инсерциями (вставочными элементами и обозначать сочетанием букв IS-элементы (incertain sequences). Такие элементы имели длину от 200 до 6 тыс. пар нуклеотидов и обладали следующими особенностями:

1. На концах IS-элементов содержались неидентичные нуклеотидные последовательности;

2. Большинство IS-элементов содержат ген фермента ТРАНСПОЗАЗЫ, ответственной за перемещение указанных элементов;

3. IS-элементы могут содержать по нескольку сигналов начала и конца трансляции, а также нуклеотидные последовательности, похожие на сигналы терминации транскрипции;

4. В точке внедрения каждого IS-элемента по краям всегда обнаруживаются дупликации длиной от 4 до 9 пар нуклеотидов. Они не являются частью IS-элементов, но повторяют участки-мишени молекулы ДНК, богатые АТ-последовательностями, в которые внедряются эти IS-элементы.

Хромосома кишечной палочки имеет несколько IS-элементов, существующих в виде нескольких копий. Элементы перемещаются по хромосоме с частотой около 10 ^–6 – 10 ^–8 на одно клеточное деление.

Позднее у бактерий были обнаружены более сложные мигрирующие элементы ТРАНСПОЗОНЫ, которые содержат ряд генов, не имеющих прямого отношения к процессу транспозиции (напр., гены устойчивости к антибиотикам, тяжёлым металлам, ряду специфических ингибиторов). Транспозоны обычно содержат на обоих концах (фланкированы) длинные повторы, представляющие собой IS-элементы, т.е. транспозоны – более сложные нуклеотидные последовательности.

Механизмы миграции IS-элементов и транспозонов многообразны и отличаются от механизма классической гомологичной рекомбинации. Так, транспозон создаёт в новом месте в геноме собственную копию, оставаясь сам на прежнем месте. При этом перемещения мигрирующих элементов, по-видимому, не направлены и достаточно редки. Изменяя условия эксперимента можно значительно увеличить частоту перемещения транспозонов по геному. При этом такие перемещения перестают быть случайными, и можно выяснить определённую направленность указанных перемещений.

МЕХАНИЗМ РЕКОМБИНАЦИЙ ПОЧИТАТЬ У ИНГЕ-ВЕЧТОМОВА – СРС

Завершая рассмотрение изменений структуры отдельных хромосом следует сказать о существовании необъятных перспектив в этом направлении, поскольку манипуляции хромосомными перестройками значительно расширяют поле экспериментальной работы. В частности, они позволяют:

1. Изучать взаимодействие генов при изменении их положения в хромосоме;

2. Выявлять влияние расположения эухроматина (активной части генома) и гетерохроматина (неактивной части) на фенотипическое проявление гена;

3. Исследовать межхромосомные отношения в генотипе организма;

4. Получать новые группы сцепления.

Если учесть, что число активных генов в организме составляет около 30 тысяч, то величина возможности их комбинаций представляет собой невероятную по величине цифру. Поэтому основные исследования в указанном направлении ведутся лишь по таким разделам, которые могут принести практические результаты в обозримом будущем.

МЕЖХРОМОСОМНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ

Такие изменения затрагивают одновременно две или более негомологичные хромосомы. К подобным перестройкам относят транспозиции, о которых говорилось выше, а также транслокации, в результате чего меняются группы сцепления генов. Это также приводит к нарушениям конъюгации гомологичных хромосом и кроссинговера. Иногда такие перестройки вызывают разную степень стерильности у потомков.

У животных реципрокные транслокации встречаются редко, у растений – достаточно широко. Ярким примером являются различные виды растения ослинника – Oenothera. Напр., у O.lamarkiana из 14 хромосом 12 вовлечены в реципрокные транслокации. При мейозе наблюдают 1 бивалент и мультивалент из 12 хромосом, образующих своеобразную кольцевую структуру. В результате нарушается процесс расхождения хромосом в мейозе, и часть семян оказывается стерильной.

В эволюционном плане этот механизм обеспечивает изоляцию новых форм и способствует дивергенции в пределах вида.

В природе наблюдается ещё один тип транслокации по имени исследователя – Робертсоновский. Фактически в результате взаимодействия хромосом происходит их слияние, что приводит к изменению общего числа хромосом в клетке.

ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ:

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЗА СЧЁТ ВАРИАЦИЙ В ЧИСЛЕ ХРОМОСОМ

К геномным мутациям относят изменения в числе хромосом в кариотипе особи. Но начнём с рассмотрения наименее возможного – гаплоидного содержания наследственного материала.

ГАПЛОИДИЯ

Для некоторых организмов это состояние является нормальным, в силу чего они являются излюбленным объектом генетических исследований из-за относительной простоты интерпретации результатов. Именно по этой причине для различных манипуляций исследователи даже диплоидные организмы временно переводят в гаплоидное состояние, обеспечивая их существование в специальных условиях, часто в виде культуры клеток или ткани. После исследований таких форм, их переводят вновь в нормальное (диплоидное) состояние и продолжают с ними экспериментальную работу.

Этим путём изучают наследственные механизмы, которые в таком случае намного легче понять и объяснить.

Поскольку большинство окружающих нас организмов – диплоидны, поэтому мутации геномного характера касаются именно этого набора хромосом.

В строгом смысле, виды геномной изменчивости – это повторение одного и того же генома или отдельных хромосом, т.е. никаких новых генов здесь не создаётся, а только меняется число всех или отдельных генов. В этом случае уместно провести параллель с транспозонами, как аналогичной, но относительно меньшей изменчивостью.

АНЕУПЛОИДИЯ

Этот тип хромосомных изменений связан с увеличением числа хромосом, не кратного гаплоидному набору. Тогда могут возникать трисомики (2n +1) или нуллисомики (2n – 1). У человека в обоих случаях наблюдаются тяжёлые аномалии развития и функционирования организма. При этом ряд моносомных изменений может приводить к гибели организма ещё в зиготе.

Процесс анеуплоидии дал в руки исследователей важный инструмент по созданию новых организмов путём замещения и дополнения хромосом в генотипе. При этом хромосомы одного вида растения или животного можно замещать или дополнять хромосомами другого близкого вида, что позволяет придать исследуемому организму какие-либо новые свойства. Однако такие относительно грубые манипуляции часто приводят к неудачам, и прогнозировать положительные результаты подобных исследований весьма трудно.

ПОЛИПЛОИДИЯ

Это, пожалуй, - наиболее известный тип геномных мутаций, при котором у организмов по каким-либо причинам увеличен набор хромосом в целое число раз относительно гаплоидного: 3n, 4n и т.д.

Полиплоидия по-разному представлена среди объектов растительного и животного мира. Известны полиплоиды эукариотических водорослей и грибов, покрытосеменных (но не голосеменных!).

У животных полиплоидия редка. Однако в ряде тканей животных такое явление наблюдается, напр., в клетках печени, кишечника, слюнных желёз и т.д. Относительная редкость полиплоидии у животных связывают, прежде всего, с ограничениями, которые накладывает хромосомный механизм определения пола. Поэтому полиплоидия чаще встречается у гермафродитов и животных, размножающихся неполовым путём. Она возникает вследствие нарушений митоза, мейоза и гибридизации клеток.

Число полиплоидных организмов увеличивается при движении от экватора к обоим полюсам и в высокогорье, что связывают с лучшей адаптивной способностью таких организмов к специфическим условиям окружающей среды.

АВТОПОЛИПЛОИДИЯ

Повторение в клетке одного и того же набора хромосом может составлять 2n, 3n … 10n. Автополиплоидия может возникать спонтанно при полиплоидизации соматических клеток. В этом случае разные ткани одной особи будут различаться по хромосомному набору. При вегетативном размножении таких особей от одного организма можно получить разные по плоидности формы, которые будут отличаться друг от друга и фенотипически.

Автополиплоиды можно получить химическим путём, действуя на митотически делящиеся клетки веществом – колхицином, который блокирует расхождение удвоившихся хромосом к разным полюсам клетки.

Другой путь возникновения автополиплоидов у растений – образование нередуцированных микро- и макроспор под влиянием химических веществ или экстремальных температур.

Различают сбалансированные полиплоиды с чётным гаплоидным числом хромосом (2n, 4n, 6n …) и не сбалансированные – 3n, 5n, 7n. Последние имеют пониженную фертильность из-за препятствий к регулярной попарной конъюгации хромосом и последующего распределения в мейозе.

Полиплоиды, особенно сбалансированные, отличаются более крупными фенотипическими характеристиками, напр., по величине, размеру органов, биохимическим характеристикам. Однако превышение некоторый величины плоидности приводит, напротив, к уменьшению этих показателей организма. Т.е. существует некий относительный оптимум генетического материала в клетке, который обеспечивает наилучшие (для нас или природных условий) фенотипические свойства организма. Наиболее ярким примером служат крупные по форме и яркие по окраске декоративные цветы.

При этом не всегда возможно определить возникли те или иные природные полиплоидные формы путём автополиплоидии или они возникли в результате аллополиплоидии, о которой будем говорить чуть позже.

Процесс мейоза у автополиплоидов часто нарушен, что в конечном итоге сказывается на снижении жизнеспособности семян или спор. Генетический анализ у таких организмов также ограничен и затруднён, во-1-х, из-за того, что, напр., у тетраплоидов признак присутствует в виде сразу четырёх аллелей (АААА) и, во-2-х, соотношение типов гамет, несущих определённую комбинацию пары аллелей, определяется таким механизмом их образования, который приводит к изменению менделевских соотношений наследования признаков.

В частности, при гаметогенезе процесс расхождения хромосом нарушается таким образом, что получаются клетки с их разным количественным набором. Так, у тетраплоидов, наряду с нормальными для такого организма гаметами, содержащими по 2 гаплоидных набора хромосом, также образуются гаметы вовсе не содержащие хромосом, содержащие только один, три или даже все 4 гаплоидных набора. Понятно, что эти причины значительно снижают фертильность полиплоидов, что может сказаться на их дальнейшей эволюции.

АЛЛОПОЛИПЛОИДИЯ

Часто природные полиплоиды – это результат объединения различных геномов посредством гибридизации. В таком случае говорят об амфи(оба)гаплоиде. Однако для нормального протекания митоза и мейоза необходима конъюгация гомологичных хромосом. Поэтому гораздо большей жизнеспособностью будут обладать амфидиплоиды, содержащие по 2 различных кариотипа. Примером известного искусственного гибрида является амфидиплоид между капустой и редькой (Карпеченко). Поэтому такую алло(другой)полиплоидию рассматривают в качестве важного пути естественного образования ряда видов растений.

Таким образом, мутации имеют разнообразный характер, который отражается на морфофизиологии, метаболизме и биологической продуктивности организма, а следовательно, и его судьбе в свете эволюции.

7