Мутационная изменчивость

НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Изменение фенотипа, не затрагивая генотипа (в результате воздействия генотипа с условиями внешней среды).

Модификации – фенотипические изменения, вызываемые известными факторами внешней среды.

Особенности модификацонной изменчивости:

• массовый характер изменений;
• адекватность изменений воздействиям среды;
• кратковременность;
• модификации не наследуются.

Норма реакции – предел модификационной изменчивости, обусловленный генотипом (жирность молока при хорошем кормлении коров – широкая норма реакции).

Факторы внешней среды (температура, свет, влажность) – оказывают влияние на развитие организма: кролик при обычной температуре ® выбрили часть шерсти ® при низкой температуре ® участок пигментированной шерсти; цветок примула – при темп. 180 – 20⁰ – цветки красные, при 30-35 и влажности – цветы белые (ген подавляется). Семена, собранные от красных и белых дадут потомство в зависи-мости от условий выращивания. У альпинистов при подъеме в горы увеличивается количество эритроцитов почти вдвое в 1 мм³, т.к. в высокогорной местности дефицит О₂.

Т.о. наследуется не признак, а тип биохимической реакции на условиях внешней среды. Признаки бывают:

1. Пластичные (количественные: масса тела, окраска цветов – широкая норма реакции, их можно измерить и построить вариационный ряд). Методы вариационной статистики позволяют изучить особенности изменчивости частей тела, массы, органов и т.д.
2. Непластичные

Морфозы – модификации, вызванные физическими или химическими факторами,

вызывающие уродства.

Фенокопии – модификации, приводящие к появлению фенотипа, напоминающего

то или иное аллельное состояние гена (катаракта 1 вызвана

специфическим геном, а 2 – появляется в результате действия на

хрусталик каких-то факторов среды). Фенокопии по наследству не

передаются.

НАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНИВОСТЬ

При наследственной изменчивости возникают изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Различают:

Комбинативная

Мутационная

Комбинативная изменчивость

Широко распространена в природе, является важнейшим источником наследственного разнообразия. Новые комбинации появляются в результате полового размножения (сочетание генов в генотипе). Объем комбинативной изменчивости значителен: за счет комбинации 23 пар хромосом число возможных гамет составит 2²³.

Механизм образования комбинативной изменчивости:

• независимое расхождение хромосом при мейозе;
• случайное сочетание при оплодотворении;
• рекомбинация генов в результате кроссинговера;
• взаимодействие генов.

Сами гены при этом не изменяются. Отличие детей от своих родителей связано с комбинированием генов родителей в генотипе детей.

Селекционеры часто используют разные сорта для получения новых – гетерозис(у гибридов увеличивается число доминантных генов, влияющих на развитие признака: рост растения – гены А и В ® Аавв х ааВВ ® АаВв - высокий).

Мутационная изменчивость

Мутации – внезапные наследственные изменения генетического материала, возникающие спонтанно или могут быть индуцированы внешним воздействие на организм.

Мутагены – факторы, вызывающие мутации.

Мутагенез – процесс возникновения мутаций.

Мутант – организм, приобретший новый признак в результате мутаций.

 

МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Факторы бывают:

1. Физические.
2. Химические.
3. Биологические.

Среди физических – наиболее опасное – рентгеновские лучи, альфа -, бета – гамма – лучи: они вызывают образование в организме свободных радикалов ОН или НО₂ из воды, которые обладают большой реакционной способностью (могут расщеплять нуклеиновые кислоты и т.д.). Доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека (при однократном облучении – эффект гораздо выше. чем при хроническом).

Большую опасность представляют химические мутагены. В мире известно 5 – 7 млн. химических соединений: кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, формальдегид, колхицин. Супермутагенной активностью обладают нитрозосоединения (иприт, диэтилнитрозамин, уретан и др.)

В народном хозяйстве, в быту, на производстве применяется 50-60 тыс. хим-их веществ. Из них 5 – 10% - мутагены (300 тыс.).+ лекарственные соединения (цитостатики – в организме превращается в мутагены), среди пестицидов – 50%.

Биологические факторы: вирусы (оспы, кори, ветряной оспы, гепатита, краснухи, эпидемического паротита).

С целью снижения действия мутагенных факторов используются около 200 природных и синтетических соединений:

• Аминокислоты (гистидин, метионин и др.);
• Витамины (токоферол, каротин, ретинол, аскорбиновая кислота и др.);
• Ферменты (оксидаза, каталаза и др.);
• интерферон

Свойства мутаций:

1. возникают внезапно, скачкообразно;
2. наследственны;
3. ненаправленны – может мутировать любой локус хромосом;
4. возникают повторно;
5. могут быть полезными и вредными; доминантными и рецессивными.

Большинство мутаций рецессивно, у гетерозигот не проявляются Þ накапливаются в генофонде, уклоняясь от естественного отбора. Мутации могут быть летальные и полулетальные. Прямые мутации – от нормального гена к патологическому (обратные).

По месту возникновения:

1. Генеративные (возникают в половых клетках и проявляются в следующих поколениях).

2. Соматические (по наследству не передаются, только при бесполом размножении). Возникают часто и оказываются незамеченными, но если образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления, то дают начало опухоли.

По уровню возникновения:

· Генные – изменение структуры гена.

· Хромосомные – изменение структуры хромосом.

· Геномные – изменение числа хромосом.

 

ГЕННЫЕ МУТАЦИИ

Возникают в результате замены одной или нескольких пар азотистых оснований; сдвиг рамки считывания информации, связанный с выпадением или вставкой одного или нескольких азотистых оснований.

Эти мутации образуются наиболее часто.

Точковые мутации – затрагивают одну пару оснований Þ замена на другую, удвоение, делеция и т.д. Т.о. происходит нарушение последовательности нуклеотидов в ДНК Þ изменяется строение белка Þ изменяются биохимические признаки.

Транзиции - пуриновые основания (А, Г) меняются между собой или пиримидиновые (Ц, Т). Возникают при репликации ДНК.

Трансверсии – пуриновые на пиримидиновые и наоборот.

Замены оснований приводят к появлению в и-РНК двух кодонов, приводящих к мутациям:

1. Миссенс мутация (с измененным смыслом) – одна аминокислота заменена на

другую.

Например: при серповидно-клеточной анемии появляется аномальный гемоглобин (в его молекуле глутаминовая кислота заменена валином) Þ гемоглобин S кристализуется при низкой концентрации кислорода, а в венозной крови такие эритроциты становятся серповидными и быстро разрушаются Þ анемия.

Это рецессивная мутация.

Такие мутации влияют на активность ферментов (снижают их активность или количество) и приводят к появлению заболеваний, связанных нарушением обмена веществ:

• Ферментопатии – «фенилкетонурия» - отсутствие ферменты фенилаланингидроксилазы; гликогенозы (мутация ферментов углеводного обмена); липидозы (ненормальный обмен жиров).
• Нарушение обмена аминокислот – «гистидинемия», «оротовая ацидурия» - блокада пиримидиновых нуклеотидов, «синдром Леш-Найхана» - дефект синтеза пуриновых оснований (подагра).

1. Нонсенс – мутации (без смысла) – нонсенс-кодон появляется не в конце гена, а раньше Þ обрыв полипептидной цепи.
• Мутации со сдвигом рамки-считывания (вставка или выпадение нуклеотидов).

Если условия обитания не изменяются, то генные мутации могут снижать выживаемость вида, а если изменяются условия обитания, то мутации могут повышать жизнестойкость.

Появление генных мутация связано с изменением структуры ДНК, которая спо-собна к восстановлению или к репарации – ферментативное разрушение изменен-ного участка ДНК с восстановлением комплементарных последовательностей.

При удвоении ДНК ошибки возникают в среднем с частотой 1 х 10^-6 комплементарных пар оснований. Важная роль в поддержании высокой точности репликации принадлежит ДНК-полимеразе (или редактирующей эндонуклеазе): «механизм самокоррекции »: отщепление ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей Þ снижение частоты ошибок в 10 раз (с 10^-5 до 10^-6). В некоторых случаях фермент может разрушить фрагмент нормальной цепи, комплементарной поврежденной Þ образуется двойная мутантная спираль.

«Механизм репарации »- молекулярное восстановление исходной нуклеотидной последовательности:

1. Фотореактивация – действие УФ – излучения приводит к снижению летального эффекта в несколько раз (расщепляются пиримидиновые димеры: Г=Ц и восстанавливается водородная связь А-Т):

А Г А А Ц Т Видимый свет А Г А А Ц Т

фермент

Т Ц Т Т Г А Т Ц Т Т Г А

2. Эксцизионная (дорепликативная) или темновая репарация – ф-т эндонуклеаза – узнает повреждение, разрывает фосфоэфирную связь Þ ф-т экзонуклеаза – удаляет поврежденный участок, ДНК – полимераза – восстанавливает в соотетствии с информацией комплементарной цепи.

А Г А А Ц Т А Г А А Ц Т А Г А А Ц Т

® ®

Т Ц Т Т Г А Т Ц Т Т Г А Т Ц Т А

Г

­ Т

эндонуклеаза Т

Ц

3. Пострепликативная репарация (в синтетическом периоде митоза) – обмен фрагментами между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК: тимидиновые димеры –Т-Т- не редуплицируются, на их месте образуются бреши Þ недостающие фрагменты достраиваются по принципу комплементарности.

Ферменты ДНК-гликозилазы (20 шт.) – восстанавливают исходную структуру ДНК.

Если в клетке, несмотря на репарацию, количество пораженной ДНК остается высоким, то в ней блокируются процессы репликации Þ клетка не делится. Т.о. с помощью процессов репарации осуществляется непрерывный «осмотр» ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности клеточного материала.

При размере генома млекопитающих 3 х 10⁹ нуклеотидных пар и частоте ошибок в ДНК 1 х 10^-9 это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном Þ этот уровень достаточен для образования значительного генетического разнообразия в виде генных мутаций за время существования жизни на Земле.

ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ

Возникают в результате нарушения структуры хромосом (разрывы): внутрихромосомные и межхромосомные.

Эти мутации изменяют дозу генов, перераспределяют гены между группами сцепления, меняют локализацию их в группе сцепления.

1. Внутрихромосомные:
• Делеция – утрата части хромосомы: концевые – «дефишенси», интерстециальные (в результате выпетливания внутреннего участка хромосомы):

 

• Дупликация – удвоение генетического материала. Ей предшествует делеция; могут возникать при неравномерном кроссинговере Þ локус гена в одной из гомологичных хромосом удваивается, а в другой – не хватает.

 

 

• Инверсия – изменение порядка расположения генов (в результате образования петли и поворота ее на 180⁰):

перицентрическая инверсия – в инвертированный участок попадает центромера; парацентрическая – затронуто только одно плечо хромосомы.

2. Межхромосомные:

· Транслокации – обмен сегментами между хромосомами:

- реципрокная – две хромосомы взаимно обмениваются сегментами;

- нереципрокная – сегменты одной хромосомы переносятся в другую;

- робертсоновская (типа центрического соединения) – после разрыва в околоцентромерном участке соединяются два фрагмента, соединяясь центромерами, образуя одну (с.Дауна–46,t 21/15, с.Патау –46,t13/15).

 

ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

Эти мутации связаны с нарушением числа хромосом в геноме.

 

Механизм образования геномных мутаций:

Нарушения возникают во время 1-го и 2-го мейотического деления в гаметогенезе или при первых дроблениях оплодотворенной яйцеклетки, а в частности:

· во время анафазы – при расхождении редуплицированной хромосомы Þ эта удвоенная хромосома попадает в дочернюю клетку;

· в анафазе: при расхождении хромосом – отставание Þ утрата хромосомы

· нарушение коньюгации гомологичных хромосом Þ нарушается правильность расхождения гомологов по дочерним клеткам;

Механизм возникновения анеуплоидии половых хромосом:

Рисунок:

 

Ими обусловлено появление полиплоидных организмов:

1. Полиплоидия (триплоидия – 3 набора хромосом, тетраплоидия – 4 набора хромосом и т.д.) – т.е. кратное увеличение гаплоидного набора. Полиплоиды с многократным повторением одного и того же основного набора называются аутополиплоидными.

Механизм образования аутополиплоидов:

· хромосомы делятся без последующего деления клетки;

· участие в оплодотворении половых клеток с нередуцированным числом хромосом;

· слияние соматических клеток или их ядер.

Полиплоидизация возникает при воздействии ряда факторов: колхицин, аценафтен, наркотики.

При полиплоидизации и при аутополиплоидизации происходит блокада митотического веретена деления Þ нерасхождение в ходе митоза хромосом в дочерние клетки и объединение их в одном ядре.

Аутополиплоидия в основном распространена среди растений, т.к. у животных она ведет к нарушению хромосомных механизмов определения пола.

Аллополиплоидия – кратное увеличение генома у гибридов (в результате отдаленной гибридизации).

1. Гетерополиплоидия (анеуплоидия)

– изменение числа отдельных хромосом в диплоидном наборе хромосом

моносомия - утрата гомолога в одной паре хромосом или трисомия (тетрасомия) – приобретение дополнительной хромосомы в паре.

Пример: трисомия – с. Дауна (47, ХХ, +21); с Патау (47, ХХ, +13); с.Эдвардса (47, ХХ, + 18); по 8, 9 и 22 хромосомам описаны синдромы.

Некоторые анеуплоидии несовместимы с жизнью.

Среди гоносомных синдромов (по половым хромосомам) различают:

С.Шершевского – Тернера (45, Х0); с.Клайнфельтера (47, ХХУ); с.трипло – Х (47, ХХХ).

МОЗАИЦИЗМ

Это присутствие в организме клона клеток как с нормальным числом хромосом, так и с аномальным. Чем раньше происходит нарушение деления соматических клеток (нерасхождение дочерних хромосом к полюсам ахроматинового веретена деления), тем более выраженной будет симптоматика заболевания. Нарушение митоза на более поздних стадиях развития приводит к локальному мозаицизму, который не сопровождается выраженными отклонениями от нормы. Наиболее опасным является мозаицизм клеток генеративных тканей (большая вероятность образования гамет с аномальным числом хромосом).

Пример: