Геном как высший уровень организации наследственного материала благодаря мейозу и оплодотворению сохраняет свои видовые характеристики. Но одновременно эти же процессы обеспечивают индивидуальные наследственные различия особей, в основе которых лежит рекомбинация генов и хромосом, т.е. комбинативную изменчивость. Комбинативная изменчивость, проявляющаяся в генотипическом разнообразии особей, повышает выживаемость вида в изменяющихся условиях его существования.
КИ изменчивость является мощным фактором, повышающим гетерогенность популяций. Подсчитано, что около 98% всех наследственных изменений в популяции обязано своим распространением процессу генетической комбинаторики первично сравнительно редких мутаций. Возможность комбинативной изменчивости зависит от наличия разнообразного исходного материала, поставляемого мутационным процессом.
Система браков:
Случайный подбор пар – панмиксия. ограничена социальными и религиозными причинами,
но могут быть отклонения в направлении инбридинга и аутбридинга.
Инбридинг – Родственный брак
Аутбридинг – Неродственный брак
Браки между родственниками имеют большое значение с точки зрения медицины, так как вероятность обладания супругами рецессивными генами будет выше если люди состоят в близком родстве.
Близкородственные браки чаще встречались на ранних стадиях человечества.
4 группы инбридинга:
Запретные - первая степень родства, сейчас в подобные браки в вступают психически больные люди
Браки в изолированных популяциях. Имеют близкородственный характер.
Кровно родственные браки (троюродные).
Поощряемые близкородственные браки по социальным, религиозным и другим соображениям.
Мутационная изменчивость. Способы классификации мутаций
Мутационная изменчивость - это форма наследственной изменчивости, которая связана с изменениями генотипа вследствие мутаций.
1. По способу возникновения.
Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. В настоящие время очевидно, что спонтанный мутационный процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов, которые называют мутационным давлением среды.
Индуцированный мутагенез – это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Индуцированные мутации возникают при воздействии на человека мутагенами – факторами, вызывающими мутации. Мутагены же бывают трех видов:
1) Физические (радиация, электро – магнитное излучение, давление, температура)
2) Химические (цитостатики, спирты, фенолы и т.д.)
3) Биологические (бактерии и вирусы)
2. По отношению к зачатковому пути.
Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и поэтому не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета участвовала в оплодотворении. Генеративные мутации передаются потомству, соматические проявляются у самой особи. Они передаются по наследству только при вегетативном размножении.
Соматические мутации – мутации, возникающие в клетках тела и обусловливающие мозаичность организма, т. е. образование в нём отдельных участков тела, тканей или клеток с отличным от остальных набором хромосом или генов (например, разный цвет глаз у одного человека). В клетках развивающегося организма могут возникать соматические мутации всех тех типов, которые наблюдаются в половых клетках. Чем раньше в процессе развития организма возникает соматические мутации, тем большее количество клеток-потомков её унаследует при условии, что мутация не убивает клетку-носительницу и не снижает темпов её размножения. Генные соматические мутации проявляются относительно редко, т.к. в подавляющем большинстве случаев функция мутантного гена или выпавшего участка хромосомы компенсируется наличием нормального гомологичного гена или нормального участка в партнёре - гомологе мутантной хромосомы. Наконец, соматические мутации может не проявиться в силу того, что в данной ткани соответствующий участок хромосомы неактивен.
3. По адаптивному значению.
Положительные мутации появляются редко. Они повышают жизнеспособность организма и имеют значение для эволюции (например, мутации, приводящие к появлению четырехкамерного сердца в процессе эволюции хордовых). Нейтральные мутации практически не влияют на процессы жизнедеятельности (например, мутации, приводящие к наличию веснушек). Отрицательные мутации делят на полулетальные и летальные. Полулетальные мутации снижают жизнеспособность организма, сокращают срок его жизни (например, мутации, приводящие к болезни Дауна). Летальные мутации вызывают смерть организма до рождения или в момент рождения (например, мутации, приводящие к отсутствие головного мозга).
4. По изменению фенотипа.
Морфологические мутации - нарушающие признаки физического строения (шестипалость, карликовость у человека; бескрылость у мух; изменение формы цветка, листа, высоты растения).
Физиологические мутации - изменяющие некоторые физиологические свойства особей (вальсирующие мыши, вертячка у овец) и понижающие или повышающие жизнеспособность и плодовитость особей. Биохимические мутации - тормозящие или изменяющие в той или иной степени превращения и синтез некоторых веществ в организме. Они выражаются, как правило, в отсутствии какого-либо фермента, участвующего в цепи биохимических реакций. Например, отсутствие фермента, разрушающего фенилаланин, приводит к развитию у человека фенилкетонурии.
5. По изменению генотипа. Мутации бывают генные, хромосомные и геномные.
Генные, или точковые, мутации — результат изменения нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК. Это наиболее распространённый вид мутаций и важнейший источник наследственной изменчивости организмов. Возникшее изменение последовательности нуклеотидов в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре иРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах. Существуют разные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой нуклеотидов в гене.
1) Мицесс-мутации – замена триплета в результате замены нуклеотида с заменой аминокислоты.
2) Сеймсенс-мутации (молчащие) — замена триплета без замены аминокислоты.
3) Фреймшифты – мутации со сдвигом рамки считывания – вставка или выпадение нуклеотида.
4) Нонсенс-мутации – замена смыслового кодона на нонсенс-кодон.
5) Трансзиции – замена пуриновых(А-Г) или пиримидиновых(Т-Ц) нуклеотидов.
6) Трансверсии – замена пуриновых на пиримидиновые и наоборот.
Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» аллелю и могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в фенотипе. Однако известен ряд случаев, когда изменение лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидно-клеточная анемия — заболевание, вызываемое у человека заменой нуклеотидов в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Это приводит к тому, что в крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. При этом развивается острая анемия и снижается количество кислорода, переносимого кровью.
Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации возникают под воздействием ультрафиолетовых лучей, ионизирующего излучения, химических мутагенов и других факторов. Особенно отрицательно сказывается фон ионизирующей радиации нашей планеты. Даже небольшое повышение естественного фона радиации (на 1/3), например в результате испытаний ядерного оружия, может привести к появлению в каждом поколении дополнительно 20 млн человек с тяжелыми наследственными нарушениями.
Мутон - минимальное количество наследственного материала, способное, изменяясь, приводить к появлению вариантов признака, соответствует элементарной единице мутационного процесса Рассмотренные выше примеры генных мутаций свидетельствуют о том, что достаточно заменить одну пару комплементарных оснований в гене, чтобы изменились свойства кодируемого им белка. Таким образом, мутон соответствует одной паре комплементарных нуклеотидов.
Рекон - элементарная единица генетической рекомбинации, т.е. минимум участка генетического материала, в пределах которого возможна рекомбинация. Часть генных мутаций по типу вставок и выпадений нуклеотидных пар происходит вследствие неравноценного обмена между молекулами ДНК при кроссинговере, т.е. при нарушении рекомбинации между ними.
Генокопии - ряд сходных по фенотипическому проявлению признаков, в том числе и патологических, может вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называется генокопией. Генокопии обусловливают генетическую неоднородность ряда заболеваний. Примером генокопий могут служить различные виды гемофилии, клинически проявляющиеся понижением свертываемости крови на воздухе, а также различные формы талассемии - заболевания, сопровождающегося распадом эритроцитов, желтухой, увеличением селезенки.
Хромосомные мутации
Хромосомные мутации – это структурные изменения отдельных хромосом, как правило, видимые в световом микроскопе. В хромосомную мутацию вовлекается большое число генов, что приводит к изменению нормального диплоидного набора. Изменение числа копий генов в геноме приводит к генетическому дисбалансу вследствие недостатка или избытка генетического материала. Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные
К внутрихромосмным относятся:
Дубликация – многократное удвоение какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по короткому плечу 9-й хромосомы обуславливает множественные пороки, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития).
Делеция – утрата одного из участков хромосомы, внутреннего или терминального. Это может обусловить нарушение эмбриогенеза и формирование множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча 5-й хромосомы приводит к недоразвитию гортани, порокам сердца, отставанию умственного развития. Этот симптомокомплекс известен как синдром "кошачьего крика", поскольку у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье).
Дефишенси (терменальные или концевые нехватки). Если разрыв происходит в одном из плеч хромосомы таким образом, что один из ее концов утрачивается, то данное плечо укорачивается. Оторвавшийся фрагмент вместе с содержащимися в нем генами теряется при ближайшем делении ядра, поскольку он лишен центромеры.
Инверсия – В результате двух точек разрывов хромосомы образовавшийся фрагмент встраивается на прежнее место после поворота на 180о. В результате нарушается только порядок расположения генов;
Межхромосомные перестройки:
Транслокация — изменение положения какого-либо участка хромосомы в хромосомном наборе. К наиболее распространённому типу транслокаций относится обмен участками между двумя негомологичными хромосомами. Участок хромосомы может изменить своё положение и без обмена, оставаясь в той же хромосоме или включаясь в какую-то другую.
Реципрокные – обмен участками негомологичных хромосом.
Нереципрокные – односторонний перенос участка одной хромосомы на другую.
Робертсоновская транслокация - две негомологичные хромосомы объединяются в одну.
Транспозиция - перенос участка хромосомы на другое место на той же хромосоме.
Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны - 24. Таким образом различие составляет всего одна хромосома. Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.
Геномные мутации
Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом. Эти мутации так же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.
Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Например: 2п – диплоид, 3п – триплоид, 4п – тетраплоид и т.д. Полиплоидия приводит к изменению признаков организма. Широко используется в селекции.
1) Автополиплоидия - формы, возникающие на основе умножения геномов одного вида. Возникают в естественных условиях. Долгое время сохранятся лишь у видов при вегетативном размножении. Полиплоидные формы очень крупные, имеют большой запас питательных веществ.
2) Аллополиплоидия – формы возникают при умножении геномов разных видов. Межвидовые гибриды часто бесплодны.
3) Триплоидия – одна из наиболее частых спонтанных аномалий набора хромосом в эмбриогенезе человека (20%). Триплоидный зародыш погибает в начале второго месяца внутриутробного развития.
4) Тетраплоидия у человека встречается редко (5%), сопровождается серьезными пороками развития. Зародыш гибнет в первые два месяца эмбриогенеза.
Анеуплоидные мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, некратное гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают особи с аномальным числом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти еще на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе. В результате возникают особи с аномальным числом хромосом:
Моносомики (2п-1)
Полисомики (2п+1-трисомики(дауна, клаентфельтера, 2п+2-тетрасомики)
Нуллисомики (2п-2).
Механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.
Синдром Дауна - В клетках большинства больных содержится 47 хромосом (одна лишняя хромосома 21 пары). Синдром Дауна - одно из наиболее распространенных тяжелых наследственных заболеваний; он встречается примерно у одного из каждых 700 живых новорожденных. Вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна возрастает с возрастом матери. У женщин старше 40 лет дети с синдромом Дауна рождаются в 40 раз чаще, чем у двадцатилетних. Трисомия возникает при слиянии нормальной гаметы с гаметой, содержащей две гомологичные хромосомы в результате неправильного расхождения хромосом в мейозе. Зависимость доли новорожденных с синдромом Дауна от возраста матери связана, вероятно, с увеличением частоты нерасхождения хромосом в мейозе.
Значение мутационной изменчивости:
Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости. При длительном действии определенных факторов среды может произойти существенное и необратимое изменение генофонда на длительный промежуток времени, то есть элементарное эволюционное явление Некоторые из них увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влияние. Мутационные изменения наследуются, поскольку происходит перестройка генетического аппарата особей.
Причины мутаций
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая рекомбинация.
Связь мутаций с репликацией ДНК
Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации. Например, из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).
Связь мутаций с рекомбинацией ДНК
Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер. Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация, а в другой — делеция.
Связь мутаций с репарацией ДНК
Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальные репарационные механизмы (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений. Мутации, возникающие в генах, кодирующих белки, ответственные за репарацию, могут приводить к многократному повышению (мутаторный эффект) или понижению (антимутаторный эффект) частоты мутирования других генов.
Общими свойствами мутационной изменчивости являются:
1) универсальность (известны у всех классов животных, растений, грибов, бактерий и вирусов)
2) ненаправленность (один и тот же мутагенный фактор может вызывать различные мутации)
3) неопределенность (в неродственных организмах могут возникать подобные мутации и наоборот);
4) индивидуальность (определенный мутаген может вызывать появление различных мутаций и организмов);
5) независимость (степень выраженности мутаций в фенотипе не зависит от интенсивности и продолжительности действия мутагенного фактора);
6) постоянство (мутации не исчезают в течение жизни особи);
7) на ранних этапах онтогенеза организмов их чувствительность к мутагенным факторам выше, чем у взрослых;
8) не имеют приспособительного характера (могут быть вредными, нейтральными, полезными).