Генетика клеток

 

В зависимости от характера  изменений в генетическом материале  различают следующие мутации: точковые, инсерции, хромосомные перестройки  или аберрации, и мутации, заключающиеся  в изменении числа хромосом.

 

Точковые мутации представляют собой вставки или выпадения, а также изменения (транзиции  и трансверсии) пары нуклеотидов  ДНК (или нуклеотида РНК). Они могут  изменять функцию отдельных генов, а также нескольких соседних генов  одного оперона в случае полярного  эффекта, т.е. выключения всех генов, расположенных  дистально от оператора по отношению  к возникшей мутации (полярные мутации).

 

Инсерции - вставки молекул  ДНК в ген, приводящие чаще всего  к его инактивации или сильному полярному эффекту в оперонах.

 

Хромосомные перестройки  возникают в основном, по-видимому, за счёт "незаконной" рекомбинации, т.е. рекомбинации негомологичных участков генетического материала. К ним  относятся:

 

Ø           делеции, в том числе дефишенси (концевые нехватки хромосом);

 

Ø           инверсии, дупликации, транслокации, транспозиции - перемещения участков генетического  материала, соизмеримых по длине  с геном, между хромосомами или  в пределах одной хромосомы.

 

Изменения числа хромосом в клетках организма могут  быть кратными гаплоидному набору (анеуплоидия).

 

В зависимости от возникновения  выделяют три главные группы мутаций: генные, хромосомные и геномные. К генным относят все точковые мутации, к геномным - изменения числа  хромосом. Хромосомные аберрации  могут быть отнесены как к генным, так и к хромосомным мутациям, в зависимости от размера участка, затрагиваемого аберрацией.

 

Если рассмотреть эти  группы мутаций (генные, хромосомные  и геномные) более подробно, то становится ясно следующее: мутировать может часть  гена или весь ген целиком, благодаря  чему ген может существовать в  виде двух или многих аллелей. В опытах с дрозофилой получено множество  генных мутаций, касающихся цвета глаз, тела, формы крыльев и других признаков. Однако, мутировать могут и более  крупные единицы - части хромосом, целые хромосомы или даже геномы. Среди хромосомных мутаций встречаются  два основных типа: межхромосомные мутации (транслокации) и структурные  изменения хромосом (инверсии, делеции  и дупликации). Примером хромосомной  мутации может служить дупликация гена Bar - плосковидные глаза Ultra Bar у  дрозофилы.

 

Генные (точковые) мутации  затрагивают, как правило, один или  несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть(делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов  может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно – клеточную  анемию, который может привести к  летальному исходу. Соответствующий  нормальный ген кодирует одну из полипептидных  цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую( вместо глутамина – валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно – клеточную форму, и  уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению  аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов  происходит при спаривании 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 приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

 

Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и  организации хромосом, поэтому их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся  на внутри- и межхромосомные. К внутрихромосмным относятся:

 

·        Дубликация – один из участков хромосомы представлен  более одного раза.

 

·        Делеция  – утрачивается внутренний участок  хромосомы.

 

·        Инверсия –повороты участка хромосомы  на 180 градусов.

 

Межхромосомные  перестройки (их еще называют транслокации) делятся  на:

 

·        Реципрокные  – обмен участками негомологичных хромосом.

 

·        Нереципрокные  – изменение положения участка  хромосомы.

 

·        Дицентрические – слияние фрагментов негомологичных хромосом.

 

·        Центрические – слияние центромер негомологичных хромосом.

 

Хромосомные мутации проявляются  у 1% новорожденных. Однако интересно, исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что  нестабильность соматических клеток следует  рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию  организма на измененные условия  внутренней среды. Хромосомные мутации  могут обладать фенотипическими  явлениями. Наиболее распостраненный  пример - синдром "Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяукание кошки). Обычно носители такой делеции  погибают в младенчестве. 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.

 

Последняя группа - геномные мутации, при некоторых происходит изменение числа хромосом. Главная  отличительная черта геномных мутаций  связана с нарушением числа хромосом в кариотипе. Эти мутации так  же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.

 

 

Полиплоидные мутации  ведут к  изменению хромосом в  кариотипе, которое кратно гаплоидному  набору хромосом. Этот синдром впервые  был лишь обнаружен в 60-ых годах. Вообще полиплодия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии  число хромосом в клетке насчитывается  по 69 (триплодие) , а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение  ведет практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается еще  реже, но так же зачастую приводит к  летальному исходу.

 

Полиплоидия - наличие в  клетках увеличенного в кратное  число раз гаплоидного набора. Полиплоидия может быть естественной и искусственной и придавать  возникающим особям новые свойства и качества. Среди животных как  в естественных, так и в искусственных  условиях, полиплоидия наблюдается  сравнительно редко. Зато в мире растений полиплоидия широко распространена. Около трети видов растений, произрастающих на нашей планете - полиплоиды. Почти  все культурные растения, в том  числе и цветы, украшающие наши сады, тоже полиплоиды. В эволюции растений полиплоидия являлась как стимулятором, так и тормозом прогресса. Многие древние растения, например, древовидные  папоротники, магнолии и др., были полиплоидами. Мутации могут изменять поведение, коснуться любых физиологических  особенностей и затрагивать строение особи. Большинство изученных мутаций  касается именно изменения морфологических  признаков. Существуют биохимические  мутации, которые выражаются в изменении  какого-либо фермента.

 

Анеуплоидные же мутации  приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, некратное гаплоидному  набору. В результате такой мутации  возникают осыби с аномальным чилом 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 цело же, 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.

 

Геномные мутации одни из самых страшных. Они ведут к  таким заболеваниям, как синдром  Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600 новорожденных), синдром  Клайнфельтера и др.

 

По влиянию на жизнеспособность особи мутации могут быть летальными, полулетальными, сублетальными, снижающими в большей или меньшей степени  жизнеспособность организма. Большинство  из мутаций вредны для организма, нередко мутантный ген может  обусловить наследственное заболевание, уродство или даже гибель развивающегося организма. Могут быть мутации практически  нейтральные в данных условиях, прямо  не влияющие на жизнеспособность.

 

 Очень редко возникают  генные мутации, улучшающие те  или иные свойства (полезные мутации). Именно они дают основной материал  для естественного и искусственного  отбора, являясь необходимым условием  эволюции в природе и селекции  полезных форм растений, животных  и микроорганизмов. 

 

Мутации различают по способу  их возникновения: спонтанные и индуцированные. 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. Проведенное в Дании  исследование показали, что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн  рассчитал среднюю вероятность  появления спонтанных мутаций, которая  оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а  именно: число мутаций разделить  на удвоенное количество обследованных  индивидов.

 

Индуцированный мутагенез  – это искусственное получение  мутаций с помощью мутагенов  различной природы. Впервые способность  ионизирующих излучений вызывать мутации  была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается  с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли  существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения  ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов  на человека может служить эндомитоз  – удвоение хромосом с последующим  делением центромер, но без расхождения  хромосом.

 

 

 

Таблица. Приблизительная  частота мутаций различных генов  у человека.

Характер наследования 

Заболевание 

Частота мутаций 

Число мутаций на 10 в 6 гамет

 

 

 

Аутосомно– доминантный 

Туберкулезный склероз 

8*10-4 

800

 

Талассемия 

4*10-4 

400

 

Ретинобластома 

2.3*10-5 

23

 

Аниридия 

5*10-6  

---

 

Аутосомно- рецессивный 

Альбинизм 

2.8*10-5 

28

 

Цветовая слепота 

2.8*10-5 

28

 

Ихтиоз 

1.1*10-5 

11

 

Рецессивный 

Гемофилия 

3.2*10-5 

32

 

 

 

 

4. Мутационная теория

 

 

 

В 1898 г. русский ботаник  Сергей Иванович Коржинский (1861 - 1900 гг.), а спустя два года нидерландский  ботаник Хуго де Фриз (1848 - 1935 гг.) делают независимо друг от друга чрезвычайно  важное генетическое обобщение, получившее название мутационной теории.

 

Мутационная теория утверждает, что из двух категорий изменчивости - непрерывной и прерывистой, только последняя передаётся по наследству.

 

Основные положения этой теории:

 

Ø           мутация возникает внезапно, без  всяких переходов;

 

Ø           мутантные формы вполне устойчивы;

 

Ø           мутации - изменения качественные и  в отличие от ненаследственных изменений (флуктуаций) не образуют непрерывных  рядов, не группируются вокруг среднего типа;

 

Ø           мутации возникают в разных направлениях и могут быть как полезными, так  и вредными;

 

Ø           выявление мутаций зависит от числа проанализированных особей;

 

Ø           одни и те же мутации могут возникать  повторно.

 

Основной ошибкой в  мутационной теории Де Фриза было утверждение, что в результате мутации  без участия естественного отбора могут сразу возникать новые  виды. В действительности мутационная  изменчивость наряду с комбинативной  создаёт материал для естественного  отбора, который формирует виды в  процессе эволюции. В дальнейшем выяснилось, что ошибка Де Фриза была связана  с тем, что растение энотера, с  которым он работал, представляло собой  сложную полигетерозиготу, а изменения, которые Де Фриз принял за мутации, - результат расщепления этой гетерозиготы. Тем не менее реальность мутационной  изменчивости была в дальнейшем доказана многочисленными исследователями, и основные положения мутационной  теории получили развитие и экспериментальные  подтверждения.

 

 

5. Мутации как материал  для отбора.

 

 

 

Под влиянием условий среды  в популяциях постоянно происходят мутации, что обусловливает их генетическую неоднородность. Большинство новых  мутаций носит рецессивный характер и, следовательно, начинает проявляться  фенотипически только после накопления их в популяции и появления  рецессивных гомозигот, которые  сразу же подвергаются действию естественного  отбора. В конкретных условиях среды  мутации, способствующие приспособлению организма, поддерживаются и закрепляются естественным отбором, а мутации, снижающие  приспособленность, элиминируются (устраняются). Каждый вид и популяция насыщены различными мутантными генами, составляющими  резерв наследственной изменчивости. Таким образом, мутации поставляют элементарный материал, который в  дальнейшем подвергается действию естественного  отбора.

 

Индуцированные мутации  широко используются в селекционной работе для быстрого получения разнообразия исходного материала с последующим  применением искусственного отбора в направлении, представляющем интерес  для человека. В последние десятилетия  в народном хозяйстве всех стран  широко применяются различные химические соединения и радиоактивные вещества, обладающие в определённых концентрациях  мутагенным действием. В сельском хозяйстве  используют минеральные удобрения, инсектициды, гербициды, дефолианты, в  промышленности - формалин, аммиак, кислоты, щёлочи и другие химические соединения. Среди мутантов, индуцированных химическими  мутагенами, большой интерес представляют формы с комплексом положительных  признаков. Нередки случаи получения  таких форм у пшеницы, гороха, томатов, картофеля и других культур.