Хромосомные мутации

Хромосомные перестройки могут приводить к изменению числа генов в хромосомах (дефишенси, делеции, дупликации) или их локализации (инверсии, транслокации).

Дефишенси и делеции вызывают укорочение хромосом. В первом случае утрачивается концевой участок хромосомы, во втором – срединная часть. Физическое отсутствие участка у одного из гомологов приводит к гемизиготному состоянию генов, находящихся в нормальном гомологе. Если гетерозигота теряет доминантные аллели, то наблюдается фенотипическое проявление рецессивных аллелей. Нехватки могут изменять состояние организма. Например, у человека гетерозиготность по делеции в коротком плече 5 хромосомы приводит к синдрому кошачьего крика. Крупные дефишенси и делеции в гомозиготном состоянии – летальны.

Дупликации – это двукратное повторение одного и того же участка хромосомы. Известны случаи многократного повторения – мультипликация, или амплификация. Дупликации появляются в результате неравного кроссинговера между конъюгирующими в процессе мейоза хромосомами или в результате ошибки репликации в интерфазе. Дуплицированные участки часто образуют тандем, т. е. расположены друг за другом. Дупликации могут привести к усилению признака. Такой гигантски умноженный материал выявляется или в хромосомах устойчивых клеток, или в виде большого количества бесцентромерных мини хромосом или кольцевых хромосом. Амплификация, достигнутая в клетке путем накопления бесцентромерных мини-хромосом, быстро утрачивается, если снимается отбирающий фактор. Таким образом, амплификация может обеспечивать динамичное состояние генома, связанное с адаптацией к меняющимся условиям среды. Большим количеством копий представлены гены, кодирующие рибосомную и транспортную РНК. Копии структурно и функционально тождественны друг другу. Функция дополнительных участков генома может быть изменена в результате мутаций. Постепенно дивергенция дуплицированных генов приводит к тому, что они приобретают в процессе эволюции различные, хотя и родственные функции. Существуют гены, близкие по нуклеотидному составу, но кодирующие различные продукты. К ним относятся гены, кодирующие трипсин и хемотрипсин, миоглобин и гемоглобин и т. д. Последовательности ДНК этих генов настолько похожи, что можно говорить об их происхождении от одного гена-предшественника путем его дупликации. В процессе эволюции гены дивергировали настолько, что стали кодировать отдельные генные продукты. Дупликации считаются важным источником генетической изменчивости в процессе эволюции.

Инверсия – это изменение порядка расположения генов в результате перевертывания на 180° участка внутри хромосомы. Если инвертированный участок, включает центромеру, то инверсия называется перицентрической, если не включает – парацентрической.

Инверсия приводит: 1) к изменению линейной последовательности и сцепления генов; 2) при перицентрической инверсии меняется конфигурация хромосом. Акроцентрическая хромосома может превратиться в метацентрическую и наоборот; 3) блок генов, захваченных инверсией, изолируется. При этом у гетерозигот на участке инверсии в мейозе прекращается обмен генами. На цитологических препаратах видны петли. Нарушение кроссинговера при инверсии может привести к снижению плодовитости; 4) в инвертированном участке кроссинговер «заперт», поэтому в нем могут формироваться блоки мутаций, отличные от тех, которые локализованы в гомологичном, но не инвертированном фрагменте хромосомы. При независимом возникновении в пределах ареала вида сходных мутаций может происходить образование новых форм, репродуктивно изолированных от других представителей вида. Данный тип перестроек наиболее часто встречается в природных популяциях. Группа генов, локализованных в инвертированном участке, передается из поколения в поколение как единый блок, не разрываемый кроссинговером. Если в инвертированном участке произойдет одиночный кроссинговер, то при парацентрической инверсии возникает хроматида с двумя центромерами, которые разорвут ее при расхождении в анафазе. В результате бесцентромерный фрагмент будет утерян. Двойной кроссинговер у гетерозигот по инверсиям может приводить к образованию жизнеспособных гамет. Дубинин, Соколов и Тиняков в серии работ 30–40-х гг. XX в. представили результаты анализа хромосомной изменчивости в 20 популяциях Drosophila melanogaster из разных мест бывшего Советского Союза. Среди 34,5 тыс. изученных хромосом свыше 5 % содержали инверсии. Установлена зависимость изменений частот инверсий от экологических факторов. На основе цитогенетического анализа было показано, что пара- и перицентрические инверсии играли существенную роль в дивергенции кариотипов животных.

Транслокации относятся к межхромосомным перестройкам. Они представляют собой обмен участками между негомологичными хромосомами. При транслокации изменяются группы сцепления генов. Транслокации могут быть реципрокными и нереципрокными. При реципрокной транслокации две негомологичные хромосомы обмениваются какими-либо сегментами. При нереципрокной – участок одной хромосомы переносится на другую. У гомозигот по транслокации меняется характер сцепления генов. Гетерозиготы обладают пониженной плодовитостью из-за формирования дефектных гамет. У них в процессе мейоза часто образуются не биваленты, а квадриваленты. У растений гетерозиготы по реципрокным транслокациям закрепляются в потомстве при размножении самооплодотворением или вегетативным путем. Транслокации, как и инверсии, обеспечивают изоляцию новых форм и способствуют дивергенции в пределах вида.