ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра биологии имени академика Е.Н.Павловского
"УТВЕРЖДАЮ"
Заведующий кафедрой биологии
профессор
А.Ф.НИКИТИН
" "_________ 2013г.
Доктор медицинских наук профессор
Никитин А.Ф.
Л Е К Ц И Я N12
по биологии тему
«ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ЕЕ ФОРМЫ. АНТИМУТАЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ»
для курсантов и слушателей I курса 2 факультета
по специальности «Медико-профилактическое дело»
Обсуждена на заседании кафедры
" " ________________ 2013 г.
Протокол N__________________
САНКТ - ПЕТЕРБУРГ
2013 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
На предшествуюших лекциях мы познакомились с современными редставлениями о природе такого фундаментального свойства живого каким служит наследственность.Рассмотрелди также закономерности наследования качественных и количественных признаков в ряду поколений.Содержание настоящей лекции будет посвяшено изучению изменчивости, которую можно определить как свойство организмов изменять свою морфофизиологическую организацию, благодаря которому достигается разнообразие индивидов, популяций и т.д. Изменчивости подврежены любые признаки организма, проявляющиеся на разных уровнях организации от молекулярного до онтогенетического. В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы среды , либо изменения самого генотипа в результате мутаций генов и хромосом или рекомбинаций.В соответствии с этим выделяют модификационную (ненаследственную) и наследственную изменчивость.
На лекции расматриваются следующие вопросы
;
1. Фенотипическая изменчивость
2. Комбинативная изменчивость
3. Мутационная изменчивость: классификация мутаций
4. Биологические антимутационные механизмы
5. Биологические основы классификации наследственных болезней
1. Благодаря влиянию факторов среды на формирование фенотипааже генетически идентичные организмы в различных условиях существования в большей или меньшей степени различаются по своим признакам. Фенотипические изменения,возникающие на основе одного и того же генотипа в разных условиях его реализации, называют модификациями. Примером модификационной изменчивости служат различия, наблюдаемые у генетически идентичных монозиготных близнецов или потомков одного растения, полученных путем вегетативного размножения, но развивавшихся в разных условиях среды.Другим примером модификаций могут служить изменения количества эритроцитов у человаека в зависимости от парциального давления кислорода в воздухе , изменения темпа роста растения при разной освещенности.
Модификации отдельного признака, имеющего количествннную природу, или свойства, формируемого данным генотипом, образуют непрерывный ряд. Частота встречаемости каждого варианта в таком вариационном ряду различна. Чаще обнаруживаются средние значения признака. Чем дальше признак отстоит от среднего значения, тем реже он наблюдается . Так как фенотипическое проявление наследственной информации может модифицироваться условиями среды, в генотипе организма запрограммировано не конкретное значение отдельных его характеристик, а лишь возможность их формирования в определенных пределах, называемых нормой реакции. Таким образом, норма реакции представляет собой пределы модификационной изменчивости признака, допустимой при данном генотипе. Некоторые признаки характеризуются широкой нормой реакции. Обычно, это количественные признаки, контролируемые полигенами (масса и тела, рост человека , пигментация кожи и т.д.), другие свойства характеризуются узкой нормой реакции и слабо или почти не модифицируются в разных условиях.
Модификационная изменчивость имеет направленный характер и не наследуется в ряду поколений.
2. Мейоз и оплодотворение обеспечивают получение организмами нового поколения сбалансированного по дозам генов наследственного материала. Благодаря этим двум механизмам в ряду поколении обеспечивается постоянство количества хромосом, один из важных видовых признаков. Так как при половом размножении у многих видов в воспроизведении потомства участвуют две особи,и набор их генов
может быть представлен разными аллелями, то очевидно, что в результате оплодотворения разные зиготы будут получать неодинаковый набор аллелей. Таким образом основой комбинативной изменчивости служит независимое поведение хромосом в процессе мейоза, когда гомологичные хромосомы расходятся в разные гаметы,и эти последние,сливаясь при половом размножении друг с другом случайным образом, дают начало новым организмам с иными комбинация генов и аллелей. Существенному увеличению генотипического разнообразия организмов в результате комбинативной изменчивости способствует рекомбинация генов в процессе кроссинговера,в результате чего образуются новые группы сцепления с иными сочетаниями аллелей.
Заметим также , что кроссинговер происходит не только в клетках предшественницах половых клеток , но у некотрорых организмов , например дрозофилы, встречается также в соматических клетках при митозе. Однако частота его встречаемости вэтом случаев 10 000 раз меньше чем при мейотическом кроссинговере.
Очевидно,что разнообразие гамет, обусловленное независимым поведением хромосом в мейозе, будет тем больше,чем больше групп сцепления имеется в геноме данного вида.В общем случае это разнообразие может быть выражено формулой 2 , где п -число хромосом в гаплоидном наборе. Так у человека п - 23, и если принять , что каждая хромосома отличается лишь по одной паре аллелей, то и тог-
да возможно образование 8388608 потенциально отличающихся гамет. Учитывая , что число генов в геноме человека достигает 100000, многие из которых представлены разными аллелями ( по разным данным от 6,7 до 30% ) становится понятным, что генетическое разнообразие потенциально отличающихся гамет у человека поистине бесконечно: 2 , что превыщает число известных атомов в пределах вселенной. Во почему появление на Земле двух генотипически одинаковых людей, за исключнием однояйцевых близнецов - факт невозможный как в бывшей, так и в будущей истории человечества. Это заставляет нас признать неповторимость и индивидуальность каждого человека, что служит биологическим обоснованием непреходящей ценности гаманистических идеалов.
3. В основе мутационной изменчивости лежат изменениями генетического аппарата клетки, называемые мутациями. По характеру изменений генетического аппарата выделяют три вида мутаций : геномные , хромосомные и генные, а по локализации их в клетках: соматические и генеративные.
Геномные мутации возникают в результате изменения числа хромосом.При измененниях такого рода в одних случаях ( полиплоидия, анеуплоидия , моноплоидия) общее количество наследственного материала изменяется, а в других ( при слиянии и разрывах хромосом в результате робертсоновских транслокаций )- остается неизменным.
Полиплоидия харктеризуется увеличением в кариотипе зиготы числа наборов хромосом.Полиплоидные формы могут быть триплоидами (3n ) тетраплоидами (4 n) и т.д.Такие структурные изменения наследственного материала довольно часто встречаются в природе у растений, что обеспечивает у них относительно быстрые темпы видообразования. Полиплоидизацию путем искусственного разрушения веретена деления с помощью колхицина широко применяют в селекции при выведении новых сортов растений.
Анеуплоидия обусловлена изменением в геноме количества отдельных хромосом.При этом в нормальном хромосомном наборе либо отсутствует одна или более хромосом , либо присутствует одна или более добавочных хромосом. Организмы, у которых отсутствует одна пара хромосом называют " нуллисомиками" ,и "моносомиками" , если отсутвует одна хромосома.
Понятия трисомик , тетрасомик и т.д означают , что в хромосомном наборе присутствует соответственно одна , две и т.д.лишние хромосомы.
Обычно причиной указанных геномных мутаций служит нарушения расхождения хромосом в анафазе первого мейотического деления. Например, нерасхождение отдельного бивалента приводит к появлению гаметы, лишенной данной хромосомы, и другой гаметы,имеющей эту хромосому в двойном количестве.При оплодотворении таких гамет нормальными половыми клетками появляются особи, в кариотипе которых изменено общее число хромосом за счет уменьшения (моносомия)или увеличения (трисомия) числа отдельных хромосом.
Геномные мутации, при которых количество генетического материала не изменяется происходят либо в результате сляиния двух негомологичных хромосом в одну,( центрическое сляиние), либо при разделении одной хромосомы на две с сохранением в каждой из них центромеры. ( центрическое разделение).Возникновение таких мутаций связано с особым типом хромосомных аберраций, известных как робертсоновская транслокация.
Хромосомные мутации или аберрации обусловлены изменениями структуры хромосом. Выделяют внутрихромосомные аберрации ( делеции , дупликации, нверсии) и межхромосомные мутации ( транслокации) Делеция характеризуется утратой участка хромосомы , Именно делеция была первым примером хромосомной перестройки, обнаруженной в 1917 г. Бриджесом.
Дупликаций называют удвоение участка хромосомы. Инверсией обозначают поворот участка хромосомы на 180 градусов.В зависимости от того имеется ли в данном участке область центромеры или нет, различают перицентрические ( включающие центромеру ) и парацентрические ( не содержащие центромеру ) инверсии.
При трансклокакция происходит обмен участками между негомологичными хромосомами.Выделяют также реципрокную транслокацию, при которой две негомологиченые хромосомы взаимно обмениваются своими участками, и транспозицию , когда происходит присоединение своейго же участка хромосомы но на новом месте.
Делеции и дупликации сопровождаются изменением числа генов в хромосомах. Инверсии и транслокации характеризуются изменением локализации генов в хромосомах.
Хромосомные мутации обычно возникают в результате воздействия различных мутагенных факторов, (ионизирующего и других видов излучений), некоторых химических соединений, вирусов. Воздействие указанных факторов вызывает нарушения процесса кроссинговера, когда хромосомы обмениваются неравноценным генетическим материалом,так обычно возникают делеции и транслокации а
Нарушение целостности хромосомы может сопровождаться поворотом ее участка, находящегося между двумя разрывами, на 180 - инверсия. В зависимости от того, включает ли данный участок область центромеры или нет, различают перицентрические и парацентрические инверсии.
Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом, что можно наблюдать в световой микроскоп. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и акроцентрические и наоборот , появляются кольцевые и полицентрические хромосомы.
Особую категорию хромосомных мутаций представляют аберрации, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом, когда две негомологичные структуры объединяются в одну –робертсоновская транслокация, или одна хромосома образует две самостоятельные хромосомы. При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.
Указанные выше структурные изменения хромосом, как правило, сопровождаются изменением генетической программы, получаемой клетками нового поколения после деления материнской клетки, так как при этом изменяется количественное соотношение генов (при делециях и дупликациях), меняется характер их функционирования в связи с изменением взаимного расположения в хромосоме (при инверсии и транспозиции) или с переходом в другую группу сцепления (при транслокации). Обычно структурные изменения хромосом отрицательно сказываются на жизнеспособности отдельных соматических клеток организма, но особенно серьезные нарушения возникают , если ромосомные перестройки, происходят в клетках предшественниках гамет. Изменения структуры хромосом в предшественниках гамет сопровождаются нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делеции или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал . Реципрокная транслокация между двумя негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста, благодаря притягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах. Участие в реципрокных транслокациях большего числа хромосом с образованием поливалента сопровождается формированием еще более сложных структур при конъюгации .
В случае инверсии бивалент, возникающий в профазе I мейоза, образует петлю, включающую взаимно инвертированный участок. Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных измененными хромосомами, приводит к появлению новых хромосомных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наследственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этого является нарушение соотно
шения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения. Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делеции могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делеции, являются дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма. Нередко жизнеспособными оказываются робертсоновские транслокации, часто не связанные с изменением объема наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Например, у разных видов дрозофилы количество хромосом в гаплоидном наборе колеблется от 3 до 6,что объясняется процессами слияния и разделения хромосом. Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные изменения хромосом у его обезьяноподобного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных человекообразных
обезьян (12-й и 13-й - шимпанзе, 13-й и 14-й гориллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом. К существенному варьированию морфологии хромосом, лежащему в основе их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и инверсии. Анализ хромосом человека показал, что
его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями. Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определенной вероятностью могут быть перспективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации наследственного материала.
3. Генными мутациями называют нескорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репликации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, Выделяют три группы генных мутаций: мутации по типу замены азотистых оснований,мутации со сдвигом рамки считывания, когда происхоидт изменении количества нуклеотидных пар в составе гена, и мутации потипу инверсий , при которых измененяется порядок нуклеотидных последовательностей в пределах гена. (инверсии).
Мутации по типу замены основания составляют около 20% спонтанно возникающих генных изменений.Эти мутации вызываются разными причинами и могут происходить как до так и во время репликации.
До репликации мутации возникают в результате изменения структуры основания уже включенного в спираль ДНК.Если такая измененная форма основания остается не замеченной ферментами репарации, то при ближайшем цикле репликации она может присоединять к себе другой нуклеотид. Примером этого может служить самопроизвольное или под влиянием азотистой кислоты дезаминирование цитозина и превращение его в урацил.Образующийся урацил, при репликации соединяется с аденином, который впоследствии присоединяет тимидиловый нуклеотид. В результате пара Ц-Г замещается в ДНК парой Т-А .
После репликации мутации происходят в результате азошибочного включения в синтезируемую цепь ДНК нуклеотида, несущего химически измененную форму основания или его аналог.Это может происходить вследствие таутомеризации т.е. изменения положения протона, в нуклеотидных основаниях изменяющих их способность образовывать водородны связи , так , что аденин приобретает свойства гуанина, гуанин -аденина, цитозин -тимина , а тимин -циитозина.Если эта ошибка остается не замеченной ферментами репликации и репарации,
измененное основание включается в процесс репликации, что нередко приводит к замене одной пары на другую.
Возможно также включение в цепь ДНК химического аналога основания. Примером этого может служить присоединение в ходе репликации к аденину материнской цепи нуклеотида с 5- бромурацилом (5-БУ), аналогичного тимидиловому нуклеотиду. При последующей репликации 5- БУ охотнее присоединяет к себе не аденин, а гуанин. Гуанин в ходе дальнейшего удвоения образует комплементарную пару с цитози-ном. В итоге пара А-Т заменяется в молекуле ДНК парой Г-Ц . Из приведенных примеров видно, что изменения структуры молекулы ДНК по типу замены оснований возникают либо до, либо впроцессе репликации первоначально в одной полинуклеотидной цепи. Если такие изменения не исправляются в ходе репарации, то при последующей репликации они становятся достоянием обеих цепей ДНК. Следствием замены одной пары комплементарных нуклеотидов на другую является образование нового триплета в нуклеотидной последовательности ДНК, кодирующей последовательность аминокислот в пептидной цепи.
Таким образом важное значение в возникновении таких мутаций принадлежит нарушениям процессов репликации и репарации.
Мутации по типу сдвига рамки считывания происходят вследствие выпадения или вставки в нуклеотидную последовательность ДНК одной или нескольких пар комплементарных нуклеотидов. Большая часть изученных мутаций, вызывающих сдвиг рамки, обнаружена в последовательностях, состоящих из одинаковых нуклеотидов.Факторами вызывающими мутации служат химические агенты, ионизирующие излучения,вирусы и т.д.
Мутаций по типу вставок неркдко происходят вследствие включения в последовательность нуклеотидов подвижных генетическихэлементов. Подвижные генетические элементы - это достаточно протяженные нуклеотидные последовательности, встроенные в геномы эуи прокариотических клеток, способные самопроизвольно менять свое положение.
Сдвиг рамки считывания может возникать в результате ошибок рекомбинации при неравноценном внутригенном кроссинговере.
Мутации по типу инверсии нуклеотидных последовательностей в гене происходят вследствие поворота участка ДНК на 180°. Обычно этому предшествует образование молекулой ДНК петли, в пределах которой репликация идет в обратном направлении в результате чего изменяется аминокислотная последовательность белка.
Единицей мутации на молекулярном аровне служит мутон, под которым понимают минимальное изменнние наследственного материала, приводящее к возникновению матации т.е. к появлению нового признака. Мутон равен одной паре нуклеотидных оснований.
Часть генных мутаций возникает за счет нервноценного обмена между молекулами ДНК при кроссинговере. Единицей рекомбинации на молекулярном уровне служит рекон , который , так же как и мутон ,соответствует одной паре нуклеотидов.
Изменения структуры гена, как правило, являются неблагоприятными для организма и во многих случаях приводят их либо к гибели (летальные мутации), либо к уменьшению их жизнеспособности (семилетальные мутации) . Реже мутации не отражаются на жизнеспособности организмов ( нейтральные мутации)и , наконец, крайне редко они оказывают благоприятное действие (полезные мутации). Важная роль в ограничении неблагоприятных последствий мутаций
принадлежит антимутационным механизмам.
4.Антимутационные природные механизмы весьма разнообразныи включают :
1.Низкую реакционную способность ДНК
2.Систему самокоррекции в ходе репликации ДНК и систему ре-
парации ( молекулярного восстановления) исходной структуры
молекулы ДНК
3. Вырожденность биологического кода
4. Экстракопирование генов.
5. Функционаяльную неравнозначность замены аминокислот в мо-
лекуле белка.
6. Парность хромосом
Расмотрим перечисленные механизмы более детально.
1.Низкая реакционная способность ДНК
Низкая реакционная способность молекулы ДНК во многом определяется тем , что в ее состав, в отличие от РНК входит дезоксирибоза,а не рибоза. Поэтому молекулы ДНК по их реакционной способности относятк категории химически инертных веществ.
2.Система самокоррекции в ходе репликации ДНК и система репарации ( молекулярного восстановления) исходной структуры молекулы ДНК.
Частота включения неправильных нуклеотидов в ходе репликации молекулы ДНК составляет 1 _ 10"5 пар оснований. Такие ошибки в работе ДНК-полимеразы связаны с возникновением измененных форм азотистых оснований, которые образуют <незаконные> пары с основаниями материнской цепи в результате чего появляется неспаренный 3'-ОН-конец растущей цепи ДНК. В этом случае фермент -редактирующая эндонуклеаза, осуществляет самокоррекцию возникшей ошибки путем отщепления неправильно включенного в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей. Самокоррекция снижает частоту ошибок при репликации в 10 раз. (с 10*5 до 10*6).
Большинство изменений возникающих в молекуле ДНК , в том числе и в ходе ее репликации, устраняется благодаря действию механизма репарации , который основанван на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем поврежденный участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК. Такую репарацию называют экс
цизионной, т.е. с "вырезанием". Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной. Например , восстановление структуры ДНК при утрате пуриновых оснований одной из ее цепей включает обнаружение дефекта с помощью фермента эндонуклеазы, которая разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения цепи. Затем измененный участок с несколькими примыкающими к нему нуклеотидами удаляется ферментом экзонуклеазой, а на его месте в соответствии с порядком оснований комплементарной цепи образуется правильная нуклеотидная последовательность.
Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Примером такой пострепликативной репарации может служить восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т-Т), когда они не устраняются самопроизвольно под действием видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации.
Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина, делают их не способными к связыванию с комплементарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи ДНК появляются разрывы (бреши), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел затем заполняется путем синтеза на комплементарной ей полинуклеотид ной цепи.
В ходе дорепликативной и пострепликативной репарации восстанавливается большая часть повреждений структуры ДНК. Однако, если в наследственном материале клетки возникает слишком много повреждений и часть из них не ликвидируется, включается система индуцируемых (побуждаемых) ферментов репарации (SOS-система). Эти ферменты заполняют бреши, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплементарности. Вот почему иногда сами процессы репарации могутслужить источником стойких изменений в структуре ДНК (мутаций). Названная реакция также относится к SOS-системе. Если в клетке, несмотря на осуществляемую репарацию, количество повреждений структуры ДНК остается высоким, в ней блокируются процессы репликации ДНК. Такая клетка перестает делиться,
Таким образом, обширный набор различных ферментов репарации осуществляет непрерывный "осмотр" ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности наследственного материала. Совместное действие ферментов репликации (ДНК-полимераза и редактирующая эндонуклеаза) и ферментов репарации обеспечивает достаточно низкую частоту ошибок в молекулах ДНК, которая поддерживается на уровне 1 10 9 пар измененных нуклеотидов на геном. При размере генома млекопитающих 3 _ 109 нуклеотидных пар это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном.
3. Вырожденность биологического кода
Благодаря вырожденности гентического кода образование нового триплета в нуклеотиной последовательности ДНК может и не отразится на структуре кодируемого пептида в том случае , если новый триплет будет синонимом прежнего, то есть будет кодировать ту же аминокислоту. Например, аминокислота валин шифруется четырьмя триплетами: ЦАА, ЦАГ, ЦАТ, ЦАЦ. Замена третьего основания в любом из этих триплетов не изменит его смысла. Подсчитано,например, что замены нуклеотидов в одном триплете приводят к образованию триплетов-синонимов в 25% случаев.