29.Мутационная изменчивость. Классификация мутаций. Мутация в половых и соматических клетках. Понятие о хромосомных и генных болезнях.

Мутации –это наследственные  изменения,  которые приводят к увеличению или уменьшению количества генетического материала , к изменению нуклеотидов или их  последовательности  Организмы с такими изменениями  называются мутантами  Различают следующие типы мутаций:

А) изменения плоидности ,то есть числа хромосом (геномные  мутации, или численные хромосомные  аберрации)

Б)хромосомные мутации – изменения структуры хромосом (структурные  хромосомные аберрации);

В) генные мутации –изменения в отдельных генах

Г) мутации во внеядерном  генетическом материале

Изменения плоидности происходят при нарушении расхождения хромосом В отличие от этого хромосомные и генные мутации вызываются  факторами, действующими на сами хромосомы Они различаются  по масштабам  структурных изменений

То, что произошла  мутация , устанавливают обычно по изменению признака Однако признак может различным образом изменяться  и под влиянием окружающей среды, так что наряду с наследственными изменениями (мутациями) возможны и ненаследственные  изменения признаков(модификации) Поэтому при отборе мутантов необходимо прежде всего исключить наличие модификаций С этой целью измененные организмы и соответствующие нормальные организмы наблюдают в одинаковых условиях среды или изучают наследование изменений Если измененный признак сохраняется  в ряду поколений или если при скрещивании наблюдается  типичное расщепление по данному  признаку ,то речь идет о мутации

Мутации могут возникать спонтанно, и их можно также вызывать путем экспериментальных воздействий

Изменения плоидности

Каждый вид живых организмов имеет характерное  число хромосом Например, у человека соматические клетки содержат 2n=46 хромосом, а половые –n= 23 Организмы  с отклонениями  от нормального числа хромосом называют хромосомными мутантами По наборам хромосом различают  следующие формы:

1Эуплоиды – организмы  с нормальным числом хромосом или с изменениями  числа целых хромосомных  наборов Сюда относится:

А) гаплоиды –организмы с одним набором хромосом (что нормально для многих низших организмов  и  для половых клеток);

Б) диплоиды –организмы с двумя наборами хромосом (что нормально для высших  организмов);

В)полиплоиды  -организмы с тремя или большим числом хромосомных наборов

2 Анэуплоиды –организмы с частично измененным набором хромосом ( с увеличенным или уменьшенным числом отдельных  хромосом)

Полиплоидия играет значительную роль в эволюции растений Среди растений Средней Европы около 50% полиплоидов , а  в северных , климатически  неблагоприятных  областях их доля возрастает  даже до 70-85% Многие культурные растения принадлежат к полиплоидам , например  рапс , хлопчатник , земляника , некоторые сорта яблонь и трав Пшеница с 2n-=42  хромосомами  гексаплоидна (основное число хромосом b=7) Эти полиплоиды  возникли спонтанно в результате  слияния нередуцированных  гамет: в мейозе 1 из-за нарушения конъюгации  хромосом (асинапсис ) или их распределения (нерасхождения) гомологичные  хромосомы могут не разделяться  В этом случае вместо двух клеток с гаплоидным  набором хромосом в конце мейоза 1 оказывается только одна клетка с диплоидным  набором , из которой образуются  диплоидные (нередуцированные)  гаметы При слиянии мужских  и женских  нередуцированных  гамет получаются  полиплоидные  зиготы Это могут быть аутополиплоиды  с одинаковыми  наборами  хромосом или аллополиплоиды  с различными наборами хромосом

123

 

В эксперименте полиплоидные формы получают обычно с помощью колхицина , который подавляет  функцию веретена в делящихся  клетках В митозе каждая хромосома  после метафазы  разделяется  на две хроматиды , однако они не могут расходиться  к полюсам ,и  поэтому  число хромосом удваивается

Анэуплоидия У анэуплоидов  нормальное  число хромосом  увеличивается  или уменьшается  менее чем на целый их набор Анэуплоиды  возникают тогда, когда  не расходятся  хроматиды  отдельных хромосом  в митозе или отдельные гомологичные  хромосомы  в мейозе (нерасхождение) В большинстве  случаев у таких организмов обнаруживаются более и менее выраженные аномалии

Важнейшие виды анэуплоидии –это моносомия (2n-1)  , нуллисомия (2n-2), трисомия (2n+1) и полисомия (2n+x)

Некоторые формы патологии у человека могут быть обусловлены анэуплоидностью  Чаще всего встречаются  аномалии  половых хромосом (синдром Тёрнера (ХО), синдром трипло-Х, синдром Клайнфельтера (ХХY) , синдром Дауна (трисомия 21)

Наличие анэуплоидных рядов как у диких и культурных  растений , так и у животных указывает  на большое значение анэуплоидии для видообразования  Анэуплоидные формы часто используют  в селекции растений Скрещивая растения с нуллисомиками  и моносомиками ,в геном можно вводить  определенную хромосому с желательными  генами (хромосомные манипуляции)

Хромосомные мутации

Для индукции мутаций особенно широко применяются  ионизирующие  излучения или алкилирующие агенты Хромосомные  мутации возникают и спонтанно , без вмешательства  человека

Различают следующие типы хромосомных мутаций

  • Делеции (выпадение участка хромосомы);
  • Дупликации (удвоение участка);
  • Инверсии (поворот участка  на 180град);
  • Транслокации (перенос участка на другую хромосому)

При делециях  и дупликациях  изменяется  количество  генетического материала  Степень фенотипического  изменения зависит от того, насколько велики соответствующие  участки хромосом и содержат ли они важные гены

12345

Дупликации могут служить материалом  для возникновения новых генов, так как в каждом  из двух ранее идентичных  участков могут происходить различные мутационные изменения

При инверсиях и транслокациях  общее количество  генетического материала остается  прежним , изменяется  только его расположение Такие мутации тоже играют значительную роль  в эволюции , так как скрещивание мутантов с исходными формами затруднено , а их гибриды F1 чаще всего стерильны Поэтому здесь возможно только скрещивание исходных  форм между собой или мутантов между собой Если у таких мутантов окажется  благоприятный фенотип , они могут стать исходным пунктом для возникновения новых видов

Структурные  изменения могут происходить на уровне хроматид или на уровне хромосом  Хромосомные мутации  возникают  до репликации ДНК, а хроматидные –после репликации

Генные мутации и репаративные  процессы

При генных мутациях изменяется  нормальная последовательность нуклеотидов , свойственная  дикому типу Возникает новая, мутантная  последовательность  Нормальный ген и возникшие  из него мутантные гены называют аллелями Аллели  можно распознать благодаря  тому, что они занимают  в гомологичных  хромосомах  одинаковое положение и их нуклеотидные  последовательности  в значительной  части совпадают

При генных мутациях могут происходить следующие структурные  изменения:

1 Замена оснований  – вместо одного основания появляется  другое

  1. Изменение числа нуклеотидов :

А) вставка новой  для данного гена последовательности ;

Б) дупликация  -удвоение участка;

В) делеция -: потеря  одного или нескольких нуклеотидов

  1. Инверсия –поворот участка гена на 180град

Замена оснований происходят  спонтанно с частотой  от 10 ^-5  до 10^-10  Это один  из наиболее частых типов мутаций, имеющий большое значение как для эволюции ,так и при получении мутантов для практических и исследовательских  целей

Хорошо изучены, например, мутации в генах , содержащих информацию для синтеза полипептидных  компонентов  красного пигмента крови –гемоглобина  ,так как они важны для диагностики  ряда заболеваний Например,  серповидноклеточная  анемия  представляет  собой результат замены одного основания в бета-цепи глобина По сравнению с нормальной бета-цепью  здесь изменена только одна аминокислота –в положении 6 Если мы выпишем для всех аминокислот  кодоны mРНК  и соответствующие  триплеты ДНК, то для гена в данном участке получим последовательность, представленную на рис 10.3 Нормальный ген должен  отличаться  от мутантного только одной парой нуклеотидов : аденин заменен  в результате мутации тимином  Анализ последовательности ДНК подтвердил  этот вывод

333

Мутации с изменением числа нуклеотидов  Вставка дополнительных или удаление имеющихся  нуклеотидов  сдвигает  последовательность триплетов , начиная от места мутации до конца гена Возникают мутанты со «сдвигом рамки», то есть смещением границ  между кодонами

«Сдвиг рамки» в результате вставки или делеции одного  нуклеотида  приводит к тому,  что, начиная  с места мутации,  изменяются  все последующие аминокислоты Часто  в результате  этого внутри гена получаются  триплеты-терминаторы , что приводит к обрыву  полипептидной  цепи

Изменение развития признака после генной мутации Генные мутации проявляются  в признаках  в результате синтеза соответствующих белков

1

 

 

Изменение может привести либо к снижению или повышению активности , либо к полной ее потере , но может и не оказывать влияния на признак (в последнем случае мутацию большей частью не удается  выявить) Как изменяется  признак , зависит от места мутации в гене и от структуры измененной полипептидной цепи Мутации могут происходить в различных участках гена Из аллеля  дикому типа а+ образуются  мутантные аллели а1 ,а2,а3…аn и вместо  фермента а соответственно синтезируются  ферменты а1, а2 и т.д.

Большинство генных мутаций дают отрицательный эффект и обусловливают  выпадение какой-либо ферментативной активности В зависимости от молекулярной основы дефекта степень его проявления может быть различной Поэтому больные , страдающие одним и тем же наследственным заболеванием, могут сильно различаться  по выраженности симптомов болезни

У диплоидов  мутации возникают только в одном из двух аллелей В результате получаются  гетерозиготы ,у которых фенотип определяется взаимодействием аллелей

Репаративные  процессы В интактных клетках существуют  различные «ремонтные» системы, устраняющие повреждения, вызванные облучением или химическими мутагенами Различают фотореактивацию , эксцизионную  репарацию и пострепликативную  репарацию

Лучше всего  изучена репарация  повреждений, вызванных  ультрафиолетовыми  лучами (репарация  других повреждений частично происходит аналогичным образом) При облучении  ультрафиолетом  между соседними пиримидиновыми  основаниями  одной цепи  возникают димеры , чаще всего димер Т-Т, то есть вместо водородных связей между Т и А двух нуклеотидных  цепей образуются  связи Т-Т внутри одной цепи

2

 

Фотореактивация  происходит  при воздействии видимого света При этом репаративный  фермент разделяет димер на мономеры и опять восстанавливает водородные связи Т-А между комплементарными  цепями

Эксцизионная  и пострепликативная репарация не зависит от света, и поэтому ее называют также темновой репарацией

При эксцизионной репарации вырезается  поврежденный участок ДНК Сначала эндонуклеаза –удаляет измененную часть, а ДНК-полимераза вновь синтезирует в направлении 5->3  недостающий участок, комплементарный  к антипараллельной цепи ДНК (Обе ступени могут катализироваться  одним ферментом, например у Escherichia coli –полимеразой  Корнберга (полимеразой 1)И наконец, свободные концы старой части цепи соединяются  с концами вновь синтезированного участка при помощи лигазы Фотореактивация  и описанная здесь эксцизионная  репарация коротких  участков ДНК протекают без ошибок и, следовательно, не ведут к мутациям

Значение генных мутаций  Большинство мутантов уступают дикому типу в приспособленности , менее жизнеспособны  и поэтому отсеиваются  в процессе отбора Для селекции и эволюции  большое значение имеют сравнительно редкие мутанты с благоприятными  или нейтральными изменениями Селекционер имеет возможность отбирать в популяции подходящие для его целей мутантные формы Чтобы иметь достаточное число мутантов , можно с помощью мутагенов повышать частоту мутаций до 10^-2

Человек, напротив, должен оберегать себя от неблагоприятных изменений ,к которым могут приводить мутации Каждая мутация, затрагивающая  ткань, из которой образуются  половые клетки , будет передаваться  последующим поколениям

 

Рубрики: Биология

Комментарии

No Комментарии

Leave a reply

Союз образовательных сайтов