Практические занятия / Дополнительные материалы / Биология и генетика / Мутации

Мутационная теория (основы заложил Гуго де Фриз, 1901-1903 гг.) Современная мутационная теория содержит следующие положения:

1. Мутации - дискретные (прерывистые) изменения наследственного материала организмов.

2. Мутации возникают внезапно, в отличие от модификаций, они не образуют непрерывных рядов изменчивости, не группи-

руются вокруг среднего типа.

3. Мутации - редкие события; вероятность их возникновения составляет 1 на 10-1000 тысяч копий одного гена.

4. Одни и те же мутации в определенных условиях могут возникать неоднократно, накапливаясь в генофонде популяций.

5. Мутации не имеют направленного характера.

6. По воздействию на популяции мутации могут быть полезными, нейтральными, вредными (сублетальными) и летальными; чаще всего они снижают выживаемость мутантов.

7. Мутации могут передаваться по наследству, влияя, таким образом, на ход преобразовательных процессов.

Классификации мутаций

Группы мутаций	Характеристика
А. По характеру изменения генетического материала:
1. Генные	Изменение структуры генов
2. Хромосомные	Изменение структуры хромосом
3. Геномные	Изменение числа хромосом
Б. По проявлению в гетерозиготе розиготе
1. Доминантные	Проявляются в гетерозиготном состоянии
2. Рецессивные	Не проявляются в гетерозиготном состоянии
В. По уклонению от нормы (от дикого типа):
1. Прямые	Изменение обычного состояния генетического материала
2. Обратные (реверсии)	Возврат к исходному состоянию гена.
Г. В зависимости от причин, вызывающих мутации:
1. Спонтанные	Возникают без видимой причины, т.е. без каких-либо индуцирующих воздействий со сторо­ны экспериментатора, вследствие нарушения процессов репликации и репарации
2. Индуцированные	Возникают под действием мутагенных факторов (химических, физических и биологических мутагенов)
Д. По локализации в клетке
1. Ядерные	Мутации в генах, локализованных в ядерном геноме
2. Цитоплазматические	Мутации в генах митохондрии и пластид
Е. По отношению к возможности наследования
1. Генеративные	Происходят в половых клетках, передаются по наследству
2. Соматические	Происходят в соматических клетках
Ж. По значению (по воздействию на популяции)
1. Полезные	Повышают адаптацию к условиям среды
2. Нейтральные	Не влияют на адаптацию к условиям среды
3. Сублетальные	Снижают жизнеспособность
4. Летальные	Приводят к гибели организма

Хромосомные мутации - хромосомные перестройки (аберрации) (от лат. aberratio - уклоняться), изменяющие их структуру. Хромосомные мутации, или перестройки, характеризуются изменениями положения участков хромосом. Выде­ляют внутрихромосомные перестройки (делеции, дупликации, инверсии), когда изменяется одна хромосома, или хромосомы одной гомологичной пары; и межхромосомные аберрации (транслокации), когда в перестройки вовлечены участки разных негомологичных хромосом.

Делеция - потеря какого-либо участка хромосомы - промежуточного или концевого. Делеции одних и тех же локусов в обеих гомологичных хромосомах обычно легальны, так как утрачивается значительный объем генетической информации. Таким образом, делеции возникают вследствие потери хромосомой того или иного ее участка.

Дупликация (повторение) - присутствие одного и того же участка хромосомы более чем в одном экземпляре в одной хромосоме или в разных негомологичных хромосомах. При дупликации, в отличие от делеции, происходит удвоение участка хромосомы.

Многие дупликации вызывают появление новых фенотипических признаков, не снижающих жизнеспособность орга­низма. Участки с высокой и умеренной повторностью нуклеотидных последовательностей имеются в генотипах многих млекопитающих и других классов животных и растений. Например, около 10% генома мыши составляют тандемно повторяющиеся до 10 раз нуклеотидные последовательности, содержащие по 10 нуклеотидов. Дупликации многих генов повышают устойчивость организма к различным мутациям и увеличивают генетическое богатство популяции.

Многие дупликации и делеции возникают в результате разрывов хромосомы вследствие действия ионизирующей ра­диации, химических веществ или вирусов. Они могут также возникать при неравном кроссинговере, когда конъюгация гомо­логов происходит неточно, если в соседних участках хромосом находятся сходные последовательности ДНК.

Инверсия - поворот отдельного участка хромосомы на 180°; при этом число генов в хромосоме остается прежним, а изменяется лишь их последовательность. Инверсия может возникнуть при образовании хромосомой петли с последующим разрывом ее основания и растяжением петли в стороны. Таким образом, инверсией обозначают поворот участка хромосомы на 180 градусов.

Инверсия, действуя как «ингибитор кроссинговера», может нарушить процесс конъюгации во время мейоза и привес­ти к гибели гамет. Если этого не происходит, в фенотипе развивающегося из зиготы организма возникают изменения, как следствия зависимости действия генов от их последовательности в хромосоме (эффект положения).

Фенотипически генотипически нормальный N=46	Фенотипичес нормальный носитель транслокации N=45	Синдром Дауна N=46	Трисомик но хромосоме N=46 (не выявлены)		Моносомяк по хромосоме 14, N=45 (не выявлены)		Моносомик но хромосоме 21 , N=45 (не выявлены)

С

Гаметы

хема формирования гамет (I) и зигот (II) при нерасхождении пары хромосом в первом мейоти-ческом делении: А - трисомия, Б -моносомия в зиготе.

Фенотипически нормальный носитель транслокации (N = 45 )

Мейоз

Нормальные

гаметы

партнера

Рис. 21.28. Синдром Дауна обусловленный транслокацией хромосом 14-21. В потомстве фенотипически нормального носителя транслокации (имеющего 45 хромосом в наборе)

могут быть дети Нормальные фенотипически генотипически нормальные фенотипически, но явияющиеся ноcителями перестройки, и, наконец, больные с синдромом Дауна.

При умножении геномов диплоидных гибридов образуются аллополиплоиды (от греч. allos - другой, иной). При этом происходит восстановление плодовитости гибрида.

Часто отдаленные гибриды оказываются бесплодными. Так, например, редечно-капустный гибрид имеет в своих клет­ках 18 хромосом, которые образованы двумя разными геномами: R (редьки) и В (капусты), каждый из которых представлен девятью хромосомами. В мейозе эти негомологичные хромосомы не могут конъюгировать между собой. Они беспорядочно расходятся к полюсам, образуя гаметы с числом хромосом от 0 до 18. Большинство их нежизнеспособно. Лишь изредка фор­мируются мужские и женские гаметы, имеющие сбалансированное нередуцированное число хромосом 9R+9B. При их слиянии в процессе оплодотворения образуется зигота, из которой развивается аллотетраплоид с генотипом ♀(9R+9B) +, ♂(9R+ 9В). При созревании его половых клеток в мейозе каждая хромосома из R генома отца будет коньюгировать с гомо­логичной ей хромосомой R генома матери, а гомологичные хромосомы генотипов В отца и матери будут коньюгировать ме­жду собой. Процесс мейоза завершается нормально с образованием гамет с генотипом 9R +9В. Плодовитость редечно-капустного гибрида окажется восстановленной. Впервые межродовой плодовитый аллополиллоид при скрещивании редьки и капусты был получен Г.Д.Карпеченко в 1928 г. Он получил первый искусственным полиплоид.

Полиплойдные организмы, как правило, обладают повышенной жизнеспособностью, более крупными размерами, ус- тойчивостью к неблагоприятным факторам среды. Их генотипы обуславливают более широкую норму реакции, а при поло- вом размножении нередко наблюдается высокая степень изменчивости с образованием большого числа генотипических и фенотипических классов. Поэтому полиплоидия имеет большое значение в эволюции дикорастущих и культурных растений.

Около половины покрытосеменных растений являются полиплоидами. В северных широтах и высокогорных районах поли­плоиды составляют 80% произрастающих там растений.

Большинство культурных растений также полиплойды. К ним относятся, например, пшеница, кукуруза, сахарная свекла, картофель, плодовые культуры и др. Декоративные цветковые растения с очень крупными цветками: тюльпаны, нар­циссы, гладиолусы и др. - также полиплоиды.

Виды многих родов культурных растений представляют собой полиплоидные ряды. Например, наиболее, примитивная диплоидная форма культурных пшениц имеет 14 хромосом, твердая пшеница содержит 28 хромосом (тетраплоид), а мягкая -42 хромосомы (гексагоюид). Основное гаплоидное число хромосом в роде пшениц равно 7.

У животных полиплоидия встречается редко. В основном она наблюдается среди гермафродитов (например, у земля­ных червей) и у видов, самки которых размножаются путем партеногенеза (некоторые жуки, бабочки, клопы, ракообразные, рыбы и саламандры).

• Причинами, затрудняющими распространение полиплоидии у животных служат:

• нарушение баланса между половыми хромосомами и аутосомами, необходимого для определения пола;

• перекрестное оплодотворение у большинства животных, приводящее к нарушению конъюгации хромосом;

• более сложный процесс онтогенеза, который при полиплоидии чаще нарушается;

• нежизнеспособность или стерильность гибридов животных.

Анеуплоидия (от греч. an - отрицательная частица, ей - вполне, pllos - кратный и eidos - вид), гетероплоидия (от греч. heteros - иной, другой; означает разнородность) - геномная мутация, состоящая в изменении числа хромосом, некратным гаплойдному. В результате этой мутации в хромосомном наборе одна или несколько хромосом отсутствуют или, наоборот, имеются в избытке.

Таким образом, гетероплоидия обусловлена изменением в геноме количества отдельных хромосом. При гетероплои- дии в нормальном хромосомном наборе либо отсутствуют или имеются в избыточном количестве одна или более хромосом. Различают моносомию (2n-1), нуклисомию (2n-2), трисомию (2n+1) и полисомию (2n+х) по отдельным хромосомам. Утрата одной хромосомы в диплоидном наборе (2n-1) называется моносомией, а организм - моносомиком. Причиной указанных геномных мутаций служит нарушение расхождения хромосом в мейозе. При отсутствии двух негомологичных хромосом (2п-2) организм является двойным моносомиком, а при отсутствии пары гомологичных хромосом - нуллисомиком. Наличие в наборе трех гомологичных хромосом называется трисомией, а организм - трисомиком. Трисомия по двум негомологичным хромосомам (2п+2) наблюдается у двойных трисомиков. Тройные трисомики имеют генотип (2п+3). Термины тетрасрмик, пентасомик, полисомик означают, что в хромосомном наборе присутствуют соответственно, 4, 5 или большее число дащних хромосом.

При анеууплоидии 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 отсутствует одна хромосома. Таким образом, понятия трисомик, тетрасомик и т.д. означают, что э хромосомном наборе присутствует соответственно одна, две и т.д. лишние хромосомы.

Ануеплоиды могут возникнуть, если в анафазе I мейоза гомологичные хромосомы одной или нескольких пар не ра­зойдутся и вместе направятся к одному из полюсов клетки. Например, нерасхождение какой-то пары гомологичных хромо* сом может привести к появлению гаметы, лишенной данной хромосомы, и другой гаметы, имеющей эту-хромосому в двой­ном количестве. Аналогичные изменения могут наблюдаться при нерасхождении сестринских хроматид в анафазе второго мейотического деления. В результате образуются гаметы с избыточным или недостаточным числом хромосом. Когда такие гаметы сливаются с нормальными гаметами, образуются зиготы с нечетным числом хромосом. Таким образом, при оплодо­творении таких гамет нормальными половыми клетками образуются зиготы, в кариотипе которых изменено общее число хромосом за счет уменьшения (моносомия) или увеличения (трисомия) числа отдельных хромосом.

Геномные мутации изменяют баланс генов и тем самым нарушают процесс индивидуального развития организма. Большинство зигот с недостаточным числом хромосом обычно нежизнеспособны. Зиготы с лишними хромосомами иногда способны к развитию. Но развивающиеся из них анеуплоиды характеризуются пониженной жизнеспособностью и рядом резко выраженных аномалий. У человека такие мутации (приводят к анеуплоидии) являются причиной возникновения многих тяжелых болезней (синдром Дауна, синдром Эдварса, синдром Патау и др.)