Биологическая изменчивость. Общая характеристика мутагенеза

Тема лекции:
Биологическая
изменчивость.
Общая характеристика
мутагенеза
ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА
изучает организацию наследственного материала
и универсальные для всех живых
существ законы наследственности и изменчивости
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ
сохранять
приобретать
из поколения в поколение
новые признаки,
сходные признаки
отличающие их от
свойство родительских форм
и обеспечивать
живых
специфический характер
систем
индивидуального
развития в определенных
условиях среды
(от греч. γενητως — происходящий от кого-то)
Наследственная изменчивость
организмов (генотипическая)
= способность к изменению
самого генетического
материала =
состоит из
комбинативной изменчивости,
мутационной изменчивости
КОМБИНАТИВНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
обеспечивается перекомбинированием
генов,хромосом и их сегментов,
несущих различные аллели, что
выражается в разнообразии организмовпотомков, получивших новые
(иные, чем у родителей) комбинации
аллелей в результате случайного
сочетания при оплодотворении и
вследствие кроссинговера
МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
является результатом
возникающих стойких изменений
генов и/или хромосом, которые
обусловливают заметные
качественные
изменения наследственных
признаков
(подвергаясь отбору, они либо
сохраняются в популяциях, либо
элиминируются).
Термин «мутация» предложил
голландский ботаник
Гуго де Фриз в своем
классическом труде
«Мутационная теория» (1901—
1903 гг.), основные положения
которого до сих пор не утратили
значения.
МУТАЦИИ —
элементарные,
внезапные,
качественные,
устойчивые
изменения единиц наследственности
В 1901-1903 гг. Г. де Фриз
сформулировал мутационную теорию.
• мутации возникают внезапно,
дискретно, без переходов;
• они константны в своем
проявлении;
• мутации наследуются;
• они могут быть как полезными, так и
вредными (добавим, а также —
нейтральными);
• выявление мутаций зависит от
количества проанализированных
особей;
• одни и те же мутации могут
возникать повторно, хотя и с низкой
частотой.
под мутациями
подразумеваются
дискретные, стабильные
изменения наследственного
материала, приводящие к
изменению фенотипа
Процесс
возникновения мутаций
называют мутационным,
или мутагенезом
(последний термин чаще
употребляют в отношении
индуцированных мутаций).
Организм, приобретший какойлибо новый признак и тем
самым изменивший свой
фенотип в результате мутации,
называют мутантом
а - мутации формы глаз и крыльев у
дрозофилы.
(Из: Griffiths etal., 2000) Bar - узкие глаза; cut вырезанные крылья; rudimentary - маленькие
(рудиментарные) крылья; vestigial редуцированные крылья; Curly - загнутые вверх
крылья; bithorax - удвоенный грудной отдел;
б - бульдогообразный теленок норвежского
телемарковского скота.
(Из: Натали, 1937) Гомозиготные формы нежизнеспособны
вследствие специфического строения черепа,
обусловленного действием рецессивного гена;
в - нормальная и короткопалая кисть руки человека.
(Из: Натали, 1937).
На рентгенограмме видно, что у пораженного
индивида не только укорочены фаланги, но и ре-дуцировано
их число у II-V пальцев.
Короткопалость (брахидактилия) обусловлена
аутосомным доминантным геном.
особая важность детального изучения
мутационного процесса обусловлена тем,
что
именно мутации служат
первоосновой многих
наследственных болез-ней
человека.
Следовательно, проблема профилактики
наследственной патологии хотя бы частично
может быть решена только при выяснении
механизма становления мутаций.
Впервые теорию непрерывно идущего в
органическом мире мутационного процесса, в
результате которого от константных видов
«временами отщепляются новые формы», выдвинул
С.И. Коржинский — российский академик, директор
ботанического сада при Петербургском
университете.
Книга С.И. Коржинского «Гетерогенезис и
эволюция»,
изданная в России в 1899 г. и переведенная на
немецкий язык в 1901 г.,
стала известна Г. де Фризу в процессе его
работы над «Мутационной теорией» и
послужила объектом цитирования и
обсуждения.
Томас Гент Морган первым обнаружил сцепленное наследование
признаков (вначале сцепление с полом, а затем и признаков друг с другом) и
генетическую рекомбинацию между ними. Это явилось генетической основой
хромосомной теории наследственности, за что ему была присуждена
Нобелевская премия.
Герман Д. Мюллер (Мёллер)- радиоактивный мутагенез
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
МУТАЦИЙ
1) по происхождению:
спонтанные
(возникают
самопроизвольно),
индуцированные
(возникают при
экспериментальном
воздействии на генетический
материал);
2) по проявлению
в гетерозиготном
состоянии:
доминантные,
рецессивные;
3) по направлению:
прямые
(переводят состояние
дикого типа в качественно
иное состояние),
обратные
(иначе — реверсии,
возвращают мутантное
состояние к дикому типу);
4) по уровню организации
изменяемого
генетического материала:
геномные,
хромосомные,
генные;
5) по силе проявления аллелей:
гиперморфные
(приводят к усилению действия
гена за счет увеличения
количества синтезируемого под его
контролем продукта),
гипоморфные
(ослабляют действие гена за счет
уменьшения количества
биохимического продукта,
кодируемого аллелем дикого типа),
5) по силе проявления аллелей:
неоморфные
(кодируют синтез продукта,
отличающегося от синтезируемого
под контролем аллеля дикого типа, и
не взаимодействуют с ним),
аморфные
(инактивируют действие гена),
антиморфные
(действуют противоположно аллелям
дикого типа);
6)
по влиянию на жизнеспособность
и/или плодовитость особей:
летальные
(обусловливают гибель мутанта),
полулетальные
(снижают жизнеспособность,
мутанты обычно не доживают до
репродуктивного возраста; согласно
другому подходу, полулетальные мутации
обусловливают гибель половины несущих
их особей),
условно летальные
(мутации не проявляются в одних —
пермиссивных - условиях и детальны в
других — непермиссивных — условиях),
по влиянию на жизнеспособность и/или
плодовитость особей:
стерильные
(не влияют на жизнеспособность, но резко
снижают плодовитость),
нейтральные
(не влияют на жизнеспособность и
плодовитость),
повышающие жизнеспособность
и плодовитость особей
жизнеспособность
количественно характеризует уровень
выживаемости выборки рассматриваемого
фенотипического класса по сравнению с
другой выборкой в идентичных
условиях внешней среды;
плодовитость -способность
организмов приносить жизнеспособное
потомство; часто плодовитость
характеризует число потомков одной особи
женского пола, родившихся на протяжении
ее репродуктивного периода;
7) по характеру регистрируемого
проявления:
морфологические,
физиологические,
поведенческие (этологические),
биохимические и другие
(подобное деление мутаций
весьма условно: любой
признак имеет биохимическую
основу, физиологический механизм
и морфологическое выражение);
8) по локализации
изменяемого
генетического
материала:
цитоплазматические
(митохондриальные,
пластидные),
ядерные;
9)
по месту возникновения и характеру
наследования:
генеративные (возникают в клетках
полового зачатка и в половых клетках
и передаются по наследству.
При этом мутация, появившаяся на стадии
яйцеклетки или сперматозоида, останется
единичной, а мутация, возникшая на
ранней стадии оогенеза или
сперматогенеза, размножится в количестве,
пропорциональном числу прошедших
клеточных делений, при этом часть зрелых
половых клеток будет нести мугантный
аллель, а у другой части генотип останется
неизмененным);
соматические
(возникают в соматических клетках и либо
приводят к появлению мозаиков/химер у
организмов, размножающихся исключительно
половым путем,
либо наследуются у организмов, имеющих
бесполое размножение.
Если из мутировавшей соматической клетки
растения развивается почка,
а из нее — побег, то он будет нести мугантный
признак и в перспективе может
дать начало новому виду, а в случае селекции
- новому сорту).
по уровню
организации изменяемого
генетического
материала:
геномные,
хромосомные,
генные;
ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ
изменения кариотипа,
выражающиеся в
уменьшении/увеличении числа
хромосомных наборов либо
числа отдельных хромосом
Типы геномных мутаций:
1. гаплоидия;
2. полиплоидия;
3. анеуплоидия
1. Гаплоидия — уменьшение
числа хромосом в кариотипе
вдвое.
Соматические клетки
гаплоидного организма
содержат одинарный
(гаплоидный)
набор хромосом (n).
Фенотип гаплоидов имеет следующие
особенности:
у них проявляются рецессивные гены;
гаплоидные организмы мельче диплоидных,
поскольку их клетки вследствие
уменьшения дозы генов имеют меньший размер;
гаплоиды почти бесплодны, поскольку хромосомы
не имеют гомологов, и в процессе мейоза
образуются несбалансированные гаметы.
У
растений слияние таких гамет в процессе
самоопыления или при искусственной
полиплоидизации дает диплоидную гомозиготу по
всем генам, что весьма ценно
для решения определенных селекционных задач.
Экспериментально гаплоидные формы были получены
у пшеницы, кукурузы и некоторых других растений при
опылении их либо пыльцой отдаленного вида, либо
пыльцой, хромосомный аппарат которой был инактивирован
облучением (оба способа стимулировали
партеногенетическое развитие яйцеклетки).
Гаплоидных зародышей удавалось получить и у животных.
Для этого яйцеклетки либо охлаждали, что иногда
заставляет их развиваться партеногенетически, либо
оплодотворяли спермиями, хромосомы которых были
предварительно инактированы облучением.
У человека гаплоидный набор хромосом
содержится в норме только в гаметах.
2. Полиплоидия — кратное
увеличение числа хромосомных
наборов в клетке.
Обычно соматические клетки
содержат диплоидный набор
хромосом (2n), но иногда
возникают триплоидные (Зn),
тетраплоидные (4n) и т.д. клетки и
даже целые организмы.
Полиплоиды с повторенным
несколько раз одним и тем же
набором хромосом называют
аутополиплоидами,
а полученные от скрещивания
организмов, принадлежащих к
различным видам, —
аллополиплоидами.
Полиплоидия может возникнуть в
результате
1) нарушения расхождения
хромосом в митозе;
Полиплоидия может возникнуть в
результате
1) нарушения расхождения
хромосом в митозе;
2)слияния клеток соматических
тканей либо их ядер;
3) нарушений мейоза, приводящих
к образованию гамет с
нередуцированным числом
хромосом.
Исключительно велика роль полиплоидии в
происхождении культурных растений и их селекции.
Полиплоидными являются все или большинство
культивируемых сортов пшеницы, овса, риса, сахарного
тростника, арахиса, свеклы, картофеля, сливы, яблони,
груши, апельсина, лимона, земляники, малины.
Межвидовое скрещивание можно наблюдать у
близкородственных животных: осла с лошадью – мул, или у
коня с ослицей – лошак, они более выносливы, хоть и
бесплодны.
Вероятность появления
потомства у мулов и лошаков (а
это зависит от того, отойдут ли
при делении все хромосомы
правильно к одному полюсу)
равна одной второй в степени
n, где n – гаплоидное число
хромосом.
С такой частотой будут
образовываться яйцеклетки и
сперматозоиды,
соответствующие по
хромосомному составу
родителям – ослу или лошади.
Видно, что вероятность эта
очень мала.
У человека более 20% всех спонтанных
абортусов с аномальным кариотипом имеют
триплоидный набор хромосом.
Среди описанных в литературе немногим
бо-лее ipex десятков индивидов, имеющих
триплоидный набор хромосом, есть девочки
с кариотипом 69,ХХХ и мальчики — 69,XXY.
Продолжительность жизни детей с триплоидным набором хромосом крайне мала.
Практически все они погибают в первые
часы или дни после рождения.
3. Анеуплоидия (анеусомия)
— не кратное гаплоидному
набору изменение числа
хромосом в клетках организма
за счет потери или добавления
отдельных хромосом.
Нуллисомия — отсутствие
обоих гомологов какой-либо
одной
(или, весьма редко —
большего числа) пар хромосом;
общее число хромосом в такой
клетке равно (2n-2).
механизм
возникновения
нуллисомии — потеря в
процессе мейоза
хромосомы, не
имеющей партнера.
У других растений
нуллисомики являются
нежизнеспособными.
Случаев нуллисомии у
человека не описано.
Колосья нуллисомиков пшеницы Triticum aestivum сорта «Чайниз спринг». (Из:
Гершензон, 1983)Изменения вызваны отсутствием одной из 21 пары гомологичных
хромосом; цифры указывают номер отсутствующей пары
Моносомия — утрата одного из
гомологов по одной или
большему числу пар хромосом,
число хромо-сом равно (2n-1).
Этот вариант анеусомии хорошо изучен на
растениях табака Nicotiana tabacum,
у которого найдено 24 разных моносомика
соответственно 24 парам хромосом, а
также установлена связь между
определенными хромосомами и
признаками растения.
Полисемия — избыточное
число гомологичных хромосом
на одну, реже — на большее
число хромосом в наборе.
Наличие одной
дополнительной гомологичной
хромосомы приводит
к трисомии (2n+1),
двух — к тетрасомии (2n+2).
Трисомные формы хорошо
изучены у растений и животных.
Так, в процессе изучения 12 пар
хромосом дурмана
Datura stramonium
были обнаружены растения, у
которых одна из хромосом
представлена не в двойном, а в
тройном количестве.
Позже были найдены трисомики
по каждой из 12 пар хромосом,
причем каждое из растений
имело совершенно
определенный фенотип
ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ
(хромосомные аберрации или
хромосомные перестройки)
характерно изменение структуры
хромосом:
уменьшение или увеличение их
размеров или изменение
положения их частей
ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ
1. Делеции — утрата участка
хромосомы с образованием
центрического
(содержащего центромеру)
и ацентрического
(бесцентромерного)
фрагментов.
Делеции — результат
разрывов хромосом.
Делеция Notch у дрозофилы. (Из: Дубинин, 1986)
а - делеция на участке С2-С11 у одного из гомологов Х-хромосомы, несущей мутацию
Notch,
«заставляет» нормальную хромосому в этом районе при конъюгации формировать
петлю;
б -крыло с вырезками по дистальному краю у дрозофилы, гетерозиготной
по доминантному гену
Notch
Делеция, получившая название мутации Notch, феноти-пически
проявляющаяся в зазубренности края крыла у дрозофилы (рис. 13.4) и
об-наруженная К. Бриджесом в 1917г., является первым
описанным примером хромосомной перестройки.
В зависимости от локализации утерянного
участка хромосомы делеции делят на:
интерстициалъные — отсутствует
внутренний участок, не затрагивающий
теломеру;
концевые (дефишенси, или нехватки) —
отсутствует теломерный район и
прилежащий к нему участок
У человека описаны синдромы частичных
моносомий, возникших в результате делеций
различных участков в хромосомах 4, 5, 9, 11, 13, 18,
21 и 22.
2. Дупликации —локальное
удвоение (повторение)
определенного участка
хромосомы (известны также
случаи многократных
повторений, или
мультипликаций какого-либо
участка).
Одной из причин дупликаций является
неравный кроссинговер, имеющий место в
том случае, если на некотором участке
хромосомы гомологичные локусы при
конъюгации в профазе I мейоза сдвигаются
друг относительно друга на некоторое
расстояние.
К наиболее хорошо изученным у
человека дупликациям относятся
синдромы частичных трисомий по
хромосомам 4, 7, 9, 12 и 14.
3. Инверсии — перестройки,
суть которых — поворот на
180° участка,
образовавшегося в
результате двух разрывов,
с соответствующим
изменением расположения
генов.
Инверсии могут быть
1) парацентрическими
(не включают центромеру в
инвертированный участок, так
как происходят в одном плече
хромосомы)
2) перицентрическими
(захватывают центромеру).
Инверсии в хромосомах человека приводят к
нарушению гаметогенеза.
4. Транслокации —
перемещения участков
хромосомы в новое положение
в ее пределах или обмен
участками между разными
хромосомами.
Различают транслокации:
симметричные (реципрокные)
1)
— соединение центрического фрагмента одной
хромосомы с ацентрическим фрагментом другой,
т.е. взаимный обмен
участками между двумя негомологичными
хромосомами (именно реципрокную
транслокацию клиницисты часто обнаруживают в
семьях, где встречается более одной хромосомной аномалии).
У зиготы со
сбалансированной
транслокацией в двух
хромосомах будут
комплементарные
структурные аномалии
Реципрокная транслокация. (Из: Фогель и Мотульски, 1989)
асимметричные — соединения
центрических или ацентрических
фрагментов,
в
результате которых образуются
дицентрики, трицентрики и т.д.;
робертсоновские — слияние негомологичных
акроцентрических хромосом в области их
центромер с образованием одной
метацентрической хромосомы
Принцип центрического слияния
(робертсоновская транслокация).
(Из: Фогель и Мотульски, 1989)
Две акроцентрические хромосомы утратили свои
короткие плечи, а длинные плечи слились.
У сбалансированной гетерозиготы количество
хромосом будет на одну меньше, чем в
нормальном наборе.
Таким образом, перестройки, происходящие в
соматических клетках, влияют только на нас, а на
следующее поколение не влияют.
ГЕННЫЕ МУТАЦИИ
Генные (точковые) мутации — это
изменения числа и/или последовательности
нуклеотидов в структуре ДНК (вставки,
выпадения, перемещения, замещения
нуклеотидов) в пределах отдельных генов,
приводящие к изменению количества или
качества соответствующих белковых
продуктов.
Индуцированный мутагенезвозникновение мутаций под
влиянием направленных
специальных факторов
внешней среды- мутагенов
Физические
ИИ, УФ,
температура
Химические
Лекарственные
препараты,
никотин, алкоголь,
гербициды,
пестициды,
Кислоты, соли и др.
Биологические
Вирусы,
живые вакцины
МУТАГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
В 1925 г. отечественные ученые
ГА. Надсон и Г.С. Филиппов обнаружили
повреждающее действие лучей радия на
клетки дрожжей.
В 1928 г. Г. Мёллер разработал методы
количественного учета мутаций у
дрозофилы, что позволило ему перейти от
констатации мутагенного эффекта
рентгеновских лучей к подробному изучению
этого феномена.
1937
1938
Николай
Владимирович
Тимофеев-Ресовский
Учение о микроэволюции
К ионизирующим излучениям относят
электромагнитные рентгеновские, гаммаи космические лучи, а также
высокоэнергетические и корпускулярные
излучения (альфа, бета).
Проходя через клетку, они выбивают электроны из внешней
оболочки атомов или молекул, превращая их в положительные
ионы; освободившиеся электроны продолжают это процесс и
выбивают электроны из других атомов и молекул. Атомы,
захватившие такие электроны, приобретают отрицательный заряд.
Биологическое действие радиации всех типов зависит от
локализации источника по отношению к объекту (внутри или вне),
типа излучения, энергии излучения и ряда физико-хими-ческих
свойств поглощающего объекта
уже в первых экспериментах на дрозофиле при
использовании разных доз облучения было
установлено, что частота сцепленных с полом
рецессивных летальных мутаций находится в
линейной зависимости от дозы радиации
Линейное увеличение частоты
точковых мутаций у
дрозофилы.
(Из: Фогель и Мотульски, 1989)
Возникновение хромосомных аберраций-событий с
двумя разрывами. (Из: Фогель и Мотульски, 1989)
наиболее важные характеристики
радиационного мутагенеза:
генетический эффект облучения
наблюдается при любой дозе;
специфика этого эффекта зависит от вида и
дозы облучения, состояния репаративной
системы ДНК, видоспецифической
радиочувствительности, стадии и
локализации воздействия.
В отличие от рентгеновских, ультрафиолетовые
(УФ) лучи не действуют на половые клетки
большинства многоклеточных организмов,
поскольку проникают в ткани очень слабо, не
обладают достаточной энергией для индукции
ионизации атомов
и
только возбуждают электронные оболочки.
Их мутагенный эффект (возникновение генных
мутаций и хромосомных перестроек)
обнаруживается лишь в клетках, образующих
монослой: микроорганизмах, пыльце и др.
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ХИМИЧЕСКОГО МУТАГЕНЕЗА:
1.зависимость от дозы и
продолжительности обработки;
2.более высокая частота генных
мутаций по сравнению с
хромосомными перестройками;
3.задержанный мутагенез (проявление
мутации через ряд клеточных
поколений);
4.региональная специфичность при действии
на хромосомном уровне (большая
поражаемость гетерохроматина);
5.специфичность действия на уровне
генов (одни гены мутируют чаще
других);
6.неаддитивность эффекта при
комбинированном воздействии
разными мутагенами;
7.канцерогенность и тератогенность
большинства химических мутагенов
Лекция составлена на основе источников:
1. Генетика. Учебник для вузов/под ред. Академика РАМН
В.И. Иванова М.:2006.-638 с.
2. Жимулев И.Ф.Общая и молекулярная генетика.
Новосибирск:2002.-459 с.
3. Клаг Уильям С., Каммингс Майкл Р. Основы генетики. М.:
Техносфера, 2007.- 896 с.
4. Фаллер Д., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки.
Руководство для врачей. М.:Изд-во БИНОМ»- 2006.- 256 с.
5. Медицинская биология.- под ред. В.П. Пишака, Ю.И.
Бажоры. Учебник. Винница: Нова Книга, 2004.-656 с.
6. Интернет-ресурсы