Внутрихромосомные изменения и их последствия для организма. Дефишенси, делеции, дупликации, инверсии, инсерции, транспозиции. Эффект положения гена

Внутрихромосомные изменения разделяются на три группы: 1) нехватки, 2) дупликации и 3) инверсии. Нехватка выражается в утрате хромосомой какого-нибудь ее участка, несущего определенную наследственную информацию. Дупликация представляет собой прямо противоположный процесс, заключающийся в том, что одновременно с потерей участка одной хромосомой у другой, гомологичной хромосомы может появиться новый участок, идентичный уже имеющемуся. В результате происходит удвоение участка. При инверсии участок хромосомы меняет свою ориентацию. Предполагается, что инверсия наступает после двух разрывов одной хромосомы, когда внутренний участок хромосомы разворачивается на 180° и разрывы воссоединяются.

Межхромосомные перестройки протекают по типу, транслокации.

При транслокации участки двух хромосом обмениваются местами. Такой обмен может произойти в результате перекреста двух гомологичных или негомологич­ных хромосом, при котором возникают разрывы, после чего разорванные концы хромосом соединяются по-новому.

Выявление различных типов хромосомных изменений проливает свет на причины возникновения гомологичных и аналогичных рядов наследственной изменчивости. Закон гомологичных рядов был открыт Н. И. Вавиловым на основе изучения фенотипов. В настоящее время становится очевидным, что одним из основных механизмов, обусловливающих формирование гомологичных рядов мутаций у близких видов, является сходство в процессах хромосомных перестроек.

Экспериментальное изучение причин мутационного процесса показывает его зависимость как от влияния нарушений в метаболизме, так и от прямого воздействия факторов внешней среды. Впервые возможность изменения наследственности внешними факторами была выявлена в 1925 г., когда Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов показали влияние лучей радия на наследственную изменчивость у грибов. В 1927 г. Г. Меллер на дрозофиле установил, что облучение увеличивает частоту возникновения мутаций по сравнению с частотой спонтанных мутаций, т. е. наблюдаемых в естественных условиях.

В опытах было показано, что влияние ионизирующего излучения на мутационный процесс не сводится только к хромосомным мутациям. Облучение, глубоко затрагивая обмен веществ, ведет к химическому изменению молекул ДНК. Сущность этого процесса выяснилась тогда, когда впервые были обнаружены хи­мические вещества, обладающие мутагенными свойствами.

Среди химических мутагенов имеются как неорганические (азотистая кислота, хлористый алюминий, перекись водорода), так и органические вещества. Из последних особый интерес представляют аналоги азотистых оснований, так как проведенные с ними опыты показали один из возможных путей мутационного изменения молекулы ДНК. Само название «аналоги» показывает, что они имеют общие черты строения с нормальными основаниями ДНК, что видно, например, из сравнения структурных формул тимина (Т) и его аналога - бромурацила (БУ): Тимин 5-бромурацил

ОН ОН

i X

/ -СН3 N7 СН-Вг

но-с сн но-с сн

V V

Подобные аналоги обычно отсутствуют в организмах, поэтому их называют антиметаболитами. При введении их в клетку аналоги оснований во время синтеза молекул ДНК становятся на место соответствующих нормальных оснований: так, бром-урацил (БУ), будучи введен в клетку бактерии (Salmonella), может занять место тимина (Т). Возникает ненормальная пара оснований (БУ-А вместо Т-А). Само включение БУ в цепь еще не представляет собой мутации, так как ген, включивший БУ, не может производить копии, содержащие это необычное основание, если оно больше не поступает в клетку из среды. При репликации БУ обычно присоединяет аденин (А), и тогда при второй репликации восстанавливается исходная структура (Т-А). Однако в некоторых случаях при второй репликации против БУ встает другое основание - гуанин (Г); тогда в третьей репликации против гуанина встанет его нормальный партнер- цитозин (Ц). Произойдет типичная генная мутация: в молекуле ДНК исходная пара оснований (Т-А) в данном локусе будет заменена новой (Ц-Г). Описанный процесс можно представить следующей схемой:

Т-А+БУ

/

Т-А БУ-А

обычно редко

БУ-А Т-А БУ-Г Т-А

/ S

БУ-А Ц-Г мутант

Схема показывает, что в результате «ошибки репликации» изменяется структура одного звена в гене, а это, как мы знаем, приводит к изменению кода, регулирующего синтез определенного белка.

Такого рода «ошибки репликации» учащаются при воздействии внешних факторов, например при повышении температуры;.оп^тиг. итп трп.ппяпй шок вызывает мутации. Увеличение числа мутаций вследствие повышения температуры происходит не только в экспериментах, но и в природе. Было показано, что у некоторых видов Crepis, растущих в диком состоянии в Швейцарии, семена растений из более высоко расположенных мест дают большую частоту мутаций (в структуре побегов), чем семена растений из более низких мест. На высоко расположенных участках поверхность почвы часто очень сильно прогревается солнцем (до 50°), и это усиливает мутационный процесс в семенах, которые долго лежат в почве, прежде чем начнут прорастать.

Стимулирующее влияние температурного фактора на мутационный процесс объясняется тем, что при повышении температуры в организме ускоряется течение всех химических процессов; ускоряются и химические реакции в хромосомах. Высокая температура может явиться причиной как хромосомных перестроек, так и внутримолекулярных изменений.

Многочисленные исследования последних лет убеждают, что любые условия, выводящие организм из оптимального состояния, могут быть в той или иной степени мутагенными.

Хромосомные мутации (перестройки, или аберрации) — это изменения в структуре хромосом, которые можно выявить и изучить под световым микроскопом.

Известны перестройки разных типов (рис. 3.13):

1. нехватка, или дефишенси, — потеря концевых участков хромосомы;

2. делеция — выпадение участка хромосомы в средней ее части;

3. дупликация — двух- или многократное повторение генов, локализованных в определенном участке хромосомы;

4. инверсия — поворот участка хромосомы на 180°, в результате чего в этом участке гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с обычной;

5. Инсерция - тип хромосомной перестройки, заключающийся в появлении вставки в каком-либо участке нуклеотидной последовательности.

6. транслокация — изменение положения какого-либо участка хромосомы в хромосомном наборе. К наиболее распространенному типу транслокаций относятся реципрокные, при которых происходит обмен участками между двумя негомологичными хромосомами. Участок хромосомы может изменить свое положение и без реципрокного обмена, оставаясь в той же хромосоме или включаясь в какую-то другую.

При дефишенси, делециях и дупликациях изменяется количество генетического материала. Степень фенотипического изменения зависит от того, насколько велики соответствующие участки хромосом и содержат ли они важные гены. Примеры дефишенси известны у многих организмов, включая человека. Тяжелое наследственное заболевание —синдром «кошачьего крика» (назван так по характеру звуков, издаваемых больными младенцами), обусловлен гетерозиготностью по дефишенси в 5-й хромосоме. Этот синдром сопровождается сильным нарушением роста и умственной отсталостью. Обычно дети с таким синдромом рано умирают, но некоторые доживают до зрелого возраста.

Изменчивость за счет вариаций в числе хромосом и их последствия для организмов. Гаплоиды и полиплоиды, сбалансированные и несбалансированные полиплоиды. Практическое использование этого явления.

Геномные мутации затрагивают геном клетки и вызывают изменение числа хромосом в геноме. Это может происходить за счет увеличения или уменьшения числа гаплоидных наборов или отдельных хромосом. К геномным мутациям относят полиплоидию и анеуплоидию.

Полиплоидия — геномная мутация, состоящая в увеличении числа хромосом, кратному гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются: 3n — триплоидами, 4n тетраплоидами и т.д. Полиплоидия приводит к изменению признаков организма: увеличению плодовитости размеров клеток, биомассы. Используется в селекции растений. Полиплоидия известна и у животных, например, у инфузорий, тутового шелкопряда, земноводных.

Анеуплоидия - изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору: 2n + 1; 2n — 1; 2n — 2; 2n +2. У человека такие мутации вызывают патологии: синдром трисомии по Х-хромосоме, трисомия по 21-й хромосоме (болезнь Дауна), моносомия по Х-хромосоме и т.д. Явление анеуплоидии показывает, что нарушение числа хромосом приводит к изменению в строении и снижению жизнеспособности организма.

Гаплоидные клетки — живые клетки, в отличие от диплоидных клеток содержащие одинарный набор хромосом. Каждая хромосома представлена в таких клетках единственной копией, а каждый ген - одним аллелем. Поэтому у гаплоидных организмов проявляются все вновь возникшие мутации (нет явления доминантности и рецессивности). Частным случаем гаплоидных клеток являются гаметы.

Пло́идность — число одинаковых наборов хромосом, находящихся в ядре клетки или в ядрах клеток многоклеточного организма.

Чрезвычайно велико значение П. в становлении новых видов растений. Близкородственные виды растений одного рода часто укладываются в так называемые полиплоидные ряды (пшеницы с 14 или 28, или 42 хромосомами и др.). Морфологические и физиологические преимущества полиплоидных видов позволяют им иногда заселять новые ареалы, недоступные из-за суровых условий для других видов. Установлено, что и в селекции сельскохозяйственных растений человек, не подозревая того, веками вел искусственный отбор полиплоидных форм, от которых ныне получают основную массу пищевых и кормовых белков, жиров и углеводов. Освоение метода экспериментального создания полиплоидов уже привело к внедрению некоторых из них в сельскохозяйственную практику (триплоидные сахарная свекла, перечная мята и др.).
Перспективный метод получения полиплоидных форм часто сочетают с искусственной гибридизацией. Полиплоидия — единственный метод преодоления бесплодия гибридов, полученных в результате скрещивания отдаленных видов.
В эволюции животных полиплоидия не получила такого значения, как у растений. Этому, по-видимому, препятствовал сложный механизм определения пола (см.) у животных. Однако там, где этот барьер снят, где имеет место партеногенетическое размножение, возникли полиплоидные виды, завоевавшие более или менее обширные ареалы.
Случаи возникновения спонтанной полиплоидии у животных наблюдаются так же, как и у растений; освоено и их получение в эксперименте. Это ставит вопрос и об их практическом использовании. Первые шаги уже сделаны в нашей стране В. Л. Астауровым, получившим размножающиеся полиплоиды шелкопряда. Отдельные случаи П. обнаружены и у человека.

Понятие о спонтанном и индуцированном мутагенезе. Сходство и различия. Частота появления спонтанных и индуцированных мутаций. Гомологические ряды наследственности. Важность для научного познания наследственности и изменчивости.

Спонтанный мутагенез, т.е. процесс возникновения мутаций в организме в отсутствие намеренного воздействия мутагенами, представляет собой конечный результат суммарного воздействия различных факторов, приводящих к повреждениям генетических структур в процессе жизнедеятельности организма.

Причины возникновения спонтанных мутаций можно разделить на:
• экзогенные (естественная радиация, экстремальные температуры и др.);
• эндогенные (спонтанно возникающие в организме химические соединения-метаболиты, вызывающие мутагенный эффект; ошибки репликации, репарации, рекомбинации; действие генов-мутаторов и антимутаторои; транспозиция мобильных генетических элементов и др.).

Основным источником спонтанных мутаций служат эндогенные факторы, приводящие к повреждению генов и хромосом в процессе нормального клеточного метаболизма. Результат их действия — ошибки генетических процессов репликации, репарации и рекомбинации.