Практические занятия / Дополнительные материалы / Биология и генетика / Лекции / Genetica 8

5

Genetica 8

На лекции расcматриваются следующие вопросы:

1. Модификационная изменчивость

2. Комбинативная изменчивость

3.Мутационная изменчивость : классификация мутаций и их виды

4. Биологические антимутационные механизмы

Ненаследственные фенотипические изменения, возникающие на основе одного и того же генотипа в разных условиях среды, называются модификационной изменчивостью или модификациями

Пределы возможных изменений признака называются нормой реакции. Она определяется генотипом и передается по наследству потомкам.

Для разных групп признаков характерна большая или меньшая зависимость от внешних условий.

Например, формирование окраски и формы семян у гороха, антигенов групп крови по системе АВО и окраски радужной оболочки глаза у человека мало зависит от условий среды и всецело определяются сочетаниями генов в организме. Иными словами, эти признаки имеют очень узкую норму реакции. В то же время многие количественные признаки, например рост и масса тела у человека подвержены значительному влиянию среды и имеют широкую норму реакции.

Поскольку в течение всей жизни организмы подвергаются действию самых разнообразных факторов среды, изменчивость отдельного количественного признака, определяемого данным генотипом, образует непрерывный вариационный ряд. Частота встречаемости каждого варианта признака в таком ряду различна и, в общем, определяется следующей зависимостью: чем дальше признак отстоит от среднего значения тем, реже он наблюдается.

Модификационная изменчивость носит направленный, групповой характер и не наследуется в ряду поколений. Для модификаций характерна определенная направленность, имеющая адаптивный и обратимый характер.

Комбинативная изменчивость возникает в результате рекомбинации генов у организмов, размножающихся половым путем. В основе этой « перетасовки» генов лежат три процесса, происходящие при половом размножении:

1. Независимое, случайное расхождение хромосом в анафазе мейоза I и хроматид во время анафазы II. Число возможных комбинаций аллелей в образующихся при этом гаметах можно определить по общей формуле 2n

2. Обмен генами между хроматидами гомологичных хромосом в профазе мейоза I вследствие кроссинговера, благодаря этому создаются новые группы сцепления и, как следствие, резко возрастает разнообразие гамет

3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении, приводящее к объединению двух гаплоидных наборов хромосом в диплоидном ядре зиготы.

Классификация мутаций

По причинам, вызывающим мутации:

• спонтанные

• индуцированные (вызванные воздействием определенных веществ - мутагенов)

По типу клеток, в которых они возникают:

• генеративные

• соматические

По влиянию на организм:

• летальные ( семилетальные)

• нейтральные

• полезные

По характеру нарушения генетического аппарата:

-геномные:

а)полиплоидия

б)анеуплоидия (трисомия, моносомия, нуллисомия)

-хромосомные:

а)делеции

б)дупликации

в)инверсии

г)инсерции

д)транслокации (реципрокные, нереципрокные (робертсоновские)

-генные (точечные)

а) по механизму возникновения:

-замены одной или нескольких пар азотистых оснований на другие

-выпадения или добавления нескольких пар оснований, (внутригенные

перестройки):

- делеции

- дупликации

- инверсии

- инсерции

- перемещения мобильных элементов

-Alu - повторов (300-500 п.о. - до 100 000 копий на геном)

- длинных вствочных элементов (6500 п.о. - до 50 000 копий на геном)

- динамические мутации (CAG)n (GGG)n

- мутации сайта сплайсинга

б) по влиянию на биосинтез белка

-нейтральные замены, например, ОНП через каждые 1000 п. о.

-нонсенс - стоп-кодон

-миссенс - другой кодон

- беспорядочная последовательность аминокислот (сдвиг рамки

считывания

в) по влиянию на биологическую (функциональную) активность белка

-утрата функции

- появление новой функции

- снижение функции

- усиление функции

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях в результате ошибок в процессе репликации, которая никогда не происходит с абсолютной точностью. У прокариот частота мутаций отдельного гена колеблется от 10-9 – 10-8 в расчете на клеточное деление. Для эукариот она составляет 10-6 – 10-5 на одно поколение.

Индуцированные мутации вызываются направленным воздействием разнообразных факторов химической, физической или биологической природы. Эти факторы получили название мутагенов.

Соматические мутации происходят в соматических клетках;

не передаются в ряду поколений

Генеративные мутации происходят в половых клетках; передаются в ряду поколений

По влиянию на организм мутации подразделяют на :

- нейтральные;

• летальные и семилетальные;

• полезные

Геномные мутации характеризуются изменением числа хромосом в кариотипе клеток организма. Существует два типа таких мутаций: полиплоидия и гетероплоидия или анеуплоидия

Полиплоидия - кратное увеличение числа гаплоидных наборов хромосом в клетках организма. Например, в клетках пшеницы разных сортов можно обнаружить 14, 28, или 42 хромосомы (при n=7, это соответствует 2n, 4n и 6n). В зависимости от количества хромосомных наборов различают формы триплоидные (3n), тетраплоидные (4n), пентаплоидные (5n), гексаплоидные (6n) и т.д.

Анеуплоидия или гетероплоидия обусловлена изменением в геноме количества отдельных хромосом. При гетероплоидии в нормальном хромосомном наборе либо отсутствуют или имеются в избыточном количестве одна или более хромосом. Различают моносомию (2n-1), нуллисомию (2n-2),трисомию ( 2n+1) и полисомию ( 2n+х) по отдельным хромосомам.

Хромосомные мутации - хромосомные перестройки или аберрации характеризуются изменениями структуры хромосом. Они разделяются на внутри хромосомные перестройки, когда изменяется структура одной хромосомы, (делеции, дупликации, инверсии), и межхромосомные аберрации, затрагивающие одновременно две негомологичные хромосомы (транслокации)

Делеция - потеря какого-либо участка хромосомы – промежуточного или концевого. Делеция одних и тех же локусов в обеих гомологичных хромосомах обычно летальны, так как утрачивается значительный объем генетической информации

Дупликация (повторение) – присутствие одного и того же участка хромосомы более чем в одном экземпляре в одной хромосоме или в разных негомологичных хромосомах

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

Транслокации характеризуются обменом участками в пределах хромосомы (нереципрокные транслокации) , или между негомологичными хромосомами (реципрокные и робертсоновкие траслокации).

Короткие плечи акроцентрических хромосом содержат гены рРНК и их потеря фенотипически никак не проявляется, так как копии этих генов содержатся также в других хромосомах

Генными или точковыми мутациями называют изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последующих циклах репликации. Генные мутации возникают в результате замены одной или нескольких пар азотистых оснований в структуре ДНК на другие, а также выпадения или добавления пар оснований, что приводит к нарушению порядка считывания генетической информации

Частота возникновения спонтанных мутаций у человека составляет 10-7 на один нуклеотид при каждом делении клетки.

Мутации, встречающиеся в популяции с частотой 1 % и выше называются полиморфизмами.

Классификация генных мутаций

а) по механизму возникновения:

-замены одной или нескольких пар азотистых оснований на другие

-выпадения или добавления нескольких пар оснований, (внутригенные

перестройки):

- делеции

- дупликации

- инверсии

- инсерции

- перемещения мобильных элементов

-Alu - повторов (300-500 п.о. - до 100 000 копий на геном)

- длинных вствочных элементов (6500 п.о. - до 50 000 копий на геном)

- динамические мутации (CAG)n (GGG)n

- мутации сайта сплайсинга

Мутации по типу замены азотистых оснований могут возникать либо спонтанно, либо под влиянием химических факторов результатом чего служит изменение структуры основания уже включенного в спираль ДНК

Таутомеризация – изменение положения протона, меняющего химические свойства молекулы

В результате таутомеризации аденини приобретает свойства гуанина , гунин-аденина, цитозин –тимина , а тимин-цитозина.

«Динамические» мутации характеризуются нарастанием числа триплетных (а в некоторых случаях и более протяженных) повторов в кодирующих или некодирующих частях генов. Увеличение числа повторов по-разному сказывается на функциях соответствующих генов. В случае нейроде-генеративных заболеваний, например, таких как хорея Гентинггона, нарастание числа кодонов CAG ведет к синтезу белков с необычно длинными участками, состоящими из глутаминовой аминокислоты. Такие белки, обладают токсичным действием, вызывая избирательную гибель нервных клеток.

При других наследственных заболеваниях, например, синдроме ломкой Х-хромосомы, увеличение числа триплетных повторов (CGG, CTG, GAA) нарушает транскрипцию и приводит к дефициту соответствующих белков

Молчащие мутации представляют собой замену нуклеотидов, при которых не изменяется смысл кодонов, так как образующиеся кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту.

Миссенс мутации представляют собой замену одной или двух нуклеотидов в кодоне, в результате чего изменяется аминокислотная последовательность в молекуле белка – замена одной аминокислоты на другую.

Нонсенс мутации – это такие мутации, которые приводят к появлению стоп-кодона и преждевременной остановке синтеза белка. В результате образуется белок с укороченной полипептидной цепью.

В результате генной мутации изменение биологической активности белка может проявляться:

- утратой функции

- появлением новой функции

- снижением функции

- усилением функции

- возникновением «токсичных» свойств

Природные антимутационные механизмы

1. Низкая реакционная способность молекулы ДНК

2. Система самокоррекции в ходе репликации ДНК и

система репарации ( молекулярного восстановления )

исходной структуры молекулы ДНК

3. Вырожденность биологического кода

4. Экстракопирование генов

5. Функциональная неравнозначность замены аминокислот

в молекуле белка

6. Парность хромосом

Эксцизионная репарация заключается в узнавании поврежденного участка одной цепочки молекулы ДНК и вырезании его при помощи нескольких ферментов. Образовавшийся разрыв при участии фермента ДНК – полимеразы заполняется нуклеотидами, комплементарными нуклеотидам противоположной цепочки. Фермент лигаза восстанавливает непрерывность сахарофосфатного остова поврежденной цепочки

Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации ( обмена фрагментами ) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК.

Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из цепей осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующим участком нормальной материнской цепи другой дочерней ДНК. При этом образовавшийся в материнской цепи дефект затем заполняется путем синтеза соответствующей полинуклеотидной последовательности на неизмененной цепи.