мутагенез. 1 билет 1 вопрос молекулярные и цитологические основы наследственности
 Скачать 123.35 Kb.
|
|
3 вопрос-Основные типы мутаций и принципы их классификации. Мутации – это наследуемые изменения генетического материала. Ген может быть охарактеризован по его структуре и действию. Соответственно этому мутации можно классифицировать по тем признакам и свойствам, на которые действует ген, т.е. по фенотипу и по характеру изменений в хромосомах. Классификация мутаций по локализации в клетке: Следует различать цитоплазматические и ядерные мутации. Ядерные мутации в отличие от цитоплазматических сегрегируют и рекомбинируют согласно законам Менделя. Цитоплазматические возникают в органеллах цитоплазмы и передаются более сложными механизмами. Различают генеративные и соматические мутации. Первые возникают в клетках полового зачатка и в половых клетках. Соматические – в клетках других тканей тела. Если генеративная мутация возникает в одной клетке на ранней стадии зачаткового пути или деления сперматогониев или оогониев, то она размножиться пропорционально количеству делений – т.е. половина половых клеток будет нести мутантную аллель, а половина – нормальную. Особь с такими половыми клетками будет нести «пучек» мутаций – по сути одна и та же, но размноженная. Соматические мутации проявляются мозаично. Особи, несущие участки мутантной ткани, называют мозаиками, или химерами. Необходимо отметить, что поскольку клетки соматических тканей диплоидны, такие мутации могут проявиться только в случае их доминантности, или гомозиготной рецессивы. Мутаций можно классифицировать по фенотипу: Поскольку гены определяют последовательную цепь процессов при развитии организма, т.е. морфологическую, физиологическую и биохимическую дифференциацию тканей и составляющих их клеток, то классификация мутаций по их действию полезна при изучении закономерностей осуществления наследственности в ходе индивидуального развития организма. По действию мутантного гена, т.е. по его проявлению, чисто условно мутации разделяют на - Морфологические (изменяют характер роста и формирования органов у животных или растений. Например, коротконогость у с/х животных, бескрылость у насекомых) - Физиологоческие (повышают или понижают жизнеспособность организмов) - Биохимические (собственно мутации, тормозящие или изменяющие синтез определенных химических веществ в организме (следует отметить, что в основе всякого действия генов и всех мутаций лежат биохимические процессы) Классификация мутаций по действию: Данная классификация впервые была предложена Мёллером в 1932г. В ее основу положены направление и сила действия мутантной аллели в сравнении с действием нормальной аллели (дикого типа). Согласно этой классификации мутации подразделяют на: - Гипоморфные (мутации, действующие в том же направлении, что и ген дикого типа, но дающие несколько ослабленный эффект) - Аморфные (мутации, неактивные в отношении типичного эффекта нормального аллеля, например альбинизм – пигмент не синтезируется) - Антиморфные (мутации, действие которых является противоположным дикому типу) - Неоморфные (такие мутации, действие которых совершенно отлично от действия генов дикого типа); - Гиперморфные (мутация, в результате которой ген становится более активным). События, приводящие к возникновению мутаций, называют мутационным процессом (мутагенезом). Различают спонтанный и индуцированный мутагенез. Разделение мутационного процесса на спонтанный и индуцированный в определенной степени условно. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно, в ходе естественного метаболизма клеток и организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Спонтанные мутации могут возникать, например, в результате действия химических соединений, образующихся в процессе метаболизма; воздействия естественного фона радиации или УФ-излучения; ошибок репликации и т.д. Индуцированные мутации — это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды Индуцированный мутационный процесс может быть контролируемым (например, в эксперименте с целью изучения механизмов действия и/или их последствий) и неконтролируемым (например, в результате облучения при выбросе радиоактивных элементов в среду обитания). Билет 3 1. Естественный (спонтанный мутагенез Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены. Мутагенез — это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. 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 антимутаторов; транспозиция мобильных генетических элементов и др.). К генам-мутаторам относятся многие гены системы репарации ДНК и гены, кодирующие ферменты матричного синтеза нуклеиновых кислот. Описаны мутационные замены отдельных аминокислотных остатков в ДНК-полимеразах , которые понижают специфичность выбора дезоксирибонуклеозидтрифосфатов из внутриклеточного пула в соответствии с последовательностью матричной ДНК, что приводит к повышению частоты включения некомплементарных матрице нуклеотидов в строящиеся цепи ДНК. Сам процесс включения некомплементарных матрице нуклеотидов является лишь одной из стадий, критических для контроля точности репликации ДНК. Благодаря наличию у ДНК-полимераз корректирующей 3'-5'-экзонуклеазной активности ошибочно включенные некомплементарные матрице нуклеотиды удаляются из строящейся цепи ДНК, что защищает ее от точковых мутаций, возникающих по такому механизму. 2. Физические мутагены Физическими мутагенами называются любые физические воздействия на живые организмы, которые оказывают либо прямое влияние на ДНК или вирусную РНК, либо опосредованное влияние через системы репликации, репарации, рекомбинации Первые физические мутагены, открытые учеными,- это разные виды излучений: ионизирующее излучение, радиоактивный распад, ультрафиолетовое излучение. ультрафиолет. Мутаген физической природы, который особенно часто встречается в районе экватора и в областях озоновых дыр — ультрафиолетовый свет в диапазоне 260–280 нм. Основания ДНК поглощают ультрафиолет в этом диапазоне, что может приводить к разрыву связи между двумя цепями ДНК. Свободные нуклеотиды попарно сшиваются с соседними, как показано на картинке. К этой группе мутагенов относятся различные типы излучений, температура. К ионизирующим излучениям относят электромагнитные, рентгеновские и гамма-лучи, а также элементарные частицы (альфа, бета, нейтроны и др.). В процессе воздействия ионизирующих излучений на организм компоненты клетки, в том числе молекулы ДНК, поглощают определённое количество (дозу) энергии. При этом одна и та же доза может быть достигнута при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо путём кратковременного облучения с высокой интенсивностью. Последствием облучения могут быть разрыв водородных связей в двойной спирали молекулы ДНК, разрывы одной или двух цепей ДНК, образование новых устойчивых связей (сшивок) между двумя цепями одной молекулы ДНК, между различными молекулами ДНК или между ДНК и молекулами белков. Экспериментально был получен следующий вывод. Частота возникновения (индукции) мутаций пропорциональна дозе облучения. С увеличением дозы возрастает вероятность поражения.  В отличие от рентгеновских, ультрафиолетовые лучи не обладают достаточной энергией ионизации. Однако она поглощается входящими в состав ДНК азотистыми основаниями (пуринами и пиримидинами), переводя их в энергетически неустойчивое, возбуждённое состояние. Это приводит к ошибкам при репликации ДНК. Мутагенным фактором также является повышенная температура. Например, при выращивании мушек-дрозофил при температуре на 10 °С выше обычной число мутаций увеличивается втрое. Радиационное повреждение генетического материала не является прямым источником возникновения изменений в клетках организма, повреждённых облучением. Дело в том, что у любых организмов в клетках присутствует вода. Поэтому излучение не только непосредственно “ударяет” по чувствительным генетическим структурам, но и действует на них косвенно за счёт разложения воды. Этот процесс приводит к образованию короткоживущих, так называемых свободных радикалов (водорода Н+ и гидроксила ОН-), объединяющихся с образованием либо воды, либо химически активных, а следовательно, биологически очень опасных молекул -- перекиси водорода и атомарного кислорода. В свою очередь, они способны вызвать несколько новых актов ионизации. Таким образом, происходит лавинообразное увеличение частоты попаданий в “мишени”. Поэтому соединения, способные взаимодействовать со свободными радикалами (антиоксиданты), защищают молекулы-мишени от непрямого действия радиации. К числу таких антиоксидантов, например, относятся токоферол (витамин Е), микроэлемент селен и др. 3. мутагенез и репарация днк Репарация ДНК — это ее починка, т. е. исправление ошибок, возникающих в структуре молекулы. Слово «репарация» происходит от английского «repair», переводимого как «ремонт», «починка» и т. п. Под ошибками в структуре ДНК, которые могут быть репарированы, чаще всего понимают нарушение последовательности нуклеотидов — структурных единиц, из которых состоит каждая цепь ДНК. Молекула ДНК состоит из двух цепей-нитей, комплементарных друг другу. Это значит, что если повреждения возникают в одной из цепей, то по второй неповрежденной можно восстановить испорченный участок первой. Кроме этого, в клетках эукариот каждая хромосома имеет гомологичную, т. е. содержащую тот же набор генов (но не аллелей). В крайнем случае, когда поврежден участок на обеих нитях молекулы, он может копироваться с гомологичной хромосомы. Также после S-фазы клеточного цикла, когда произошла репликация (самокопирование), каждая хромосома состоит из двух двухцепочечных идентичных друг другу хроматид, т. е. по-сути из двух идентичных молекул ДНК. Это также может быть использовано для восстановления исходной структуры поврежденной молекулы. В процессе эволюции появилось много различных клеточных молекулярных механизмов, ответственных за репарацию ДНК. В основном это различные ферменты и их комплексы. Часть из них участвует также в репликации. Особо опасны повреждения генов, которые кодирую такие ферменты. Это приводит к утрате того или иного репарационного механизма. В этом случае в клетках происходит более быстрое накопление повреждений и мутаций. Нередко это служит причиной возникновения бесконтрольно делящихся клеток, т. е. появления опухолей. Следует иметь в виду, что не все ошибки исправляются, относительно мелкие и не критичные могут передаваться следующему поколению клеток и организмов. Их нельзя назвать повреждениями, скорее — мутациями. Большинство мутаций вредны, однако те, что нейтральны или полезны в данных условиях окружающей среды, служат материалом для эволюции. Таким образом несовершенство механизмов репарации ДНК обеспечило разнообразие жизни на нашей планете. Типы репарации: Прямая, эксцизионная и пострепликативная Прямая репарация — наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Пострепликативная репарация осуществляется в . тех случаях, когда повреждение доживает до фазы репликации (слишком много повреждений, или повреждение возникло непосредственно перед репликацией) или имеет такую природу, которая делает невозможным его исправление с помощью эксцизионной репарации (например, сшивка цепей ДНК). • Эта система играет особенно важную роль у эукариот, обеспечивая возможность копирования даже с поврежденной матрицы (хотя и с увеличенным количеством ошибок). Одна из разновидностей этого типа репарации ДНК - рекомбинационная репарация. Билет 4 1. Химические мутагены Химические мутагены – это вещества химической природы, способные индуцировать мутации: * алкилирующие соединения (диметил- и диэтилсульфат, фотрин), * аналоги азотистых оснований и нуклеиновых кислот (кофеин), * красители (акридин желтый и оранжевый), * азотистая кислота, * пероксиды, * пестициды, * минеральные удобрения (нитраты). Химические мутагены индуцируют генные и хромосомные мутации. Химические мутагены делят на: * мутагены прямого действия (соединения, реакционная способность которых достаточна для химической модификации ДНК, РНК и некоторых белков), * мутагены непрямого действия (промутагены - вещества, которые сами по себе инертны, но превращаются в организме в мутагены, в основном в результате ферментативного окисления). Мишенью действия мутагенов в клетке являются ДНК и некоторые белки. Ряд мутагенов вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного и возникают мутации. Мутации, как правило, вредны для организма. Поэтому новые химические вещества, с которыми может соприкасаться человек (лекарства, пищевые консерванты, красители для волос и др. косметика, средства бытовой химии, пестициды и др.), проверяют (тестируют) на мутагенную активность. Для этого разработаны стандартные методы и тест-объекты (микроорганизмы, культуры клеток животных и человека, некоторые растения и животные), позволяющие быстро определять чувствительность генетического аппарата к тем или иным агентам. Установлено, что многие мутагены являются одновременно и канцерогенами, т. е. веществами, вызывающими развитие злокачественных опухолей. В связи с этим одна из важнейших задач охраны природы и обеспечения генетической безопасности человека – мониторинг окружающей среды и выявление загрязнителей, обладающих мутагенной и канцерогенной активностью. Вредное действие мутагенов на организм в ряде случаев может быть предотвращено или уменьшено применением химических факторов – антимутагенов. 2. Мутагенное действие ионизирующих излучений. К ионизирующим излучениям относятся электромагнитные рентгеновские и гамма-лучи, а также элементарные частицы (альфа, бета, нейтроны и др.). При взаимодействии ионизирующих излучений с организмом компоненты клетки, в том числе молекулы ДНК, поглощают определённое количество (дозу) энергии. При этом одна и та же доза может быть получена при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо при кратковременном облучении с высокой интенсивностью. Последствиями облучения могут быть разрыв водородных связей в двойной спирали ДНК, разрывы одной и двух цепей ДНК, образование новых устойчивых связей («сшивок») между двумя цепями одной молекулы ДНК, между различными молекулами ДНК или между ДНК и белками. Частота возникновения (индукции) мутаций пропорциональна дозе облучения. С увеличением дозы возрастает вероятность поражения. Характер зависимости частоты генных мутаций от дозы указывает на то, что они образуются практически одномоментно, т. е. один акт ионизации («попадание»), возникающий вдоль пути следования элементарной частицы, вызывает одну мутацию. При этом повреждение происходит непосредственно в месте ионизации, а вся реакция протекает внутри определённого объёма клетки («мишени»), т. е. в самом гене либо в непосредственной близости от него. Частота указанных изменений прямо зависит от дозы, но не зависит от её количества в единицу времени (мощности дозы) и от вида (длины волны) излучения. Каждое «попадание» в «мишень» приводит к возникновению делеций, одиночных разрывов хромосом и генных мутаций. 3. Прикладное значение мутаций В связи с исследованиями мутационного процесса перед генетиками и селекционерами возник ряд принципиально важных проблем: 1) получение мутаций, ведущих к созданию хозяйственно ценных форм различных организмов; 2) снижение возможности возникновения вредных мутаций; 3) разработка оптимальных систем скрининга для обнаружения генетически опасных мутагенных факторов в окружающей среде; 4) использование мутаций для генетического анализа. Первая проблема касается селекции мутантов растений, микроорганизмов, животных, характеризующихся одним или несколькими новыми ценными в практическом отношении признаками. Проблема снижения числа вредных мутаций особенно актуальна для человека в связи с массовым выбросом физических и химических мутагенов в окружающую среду. В случае радиоактивного облучения даже в малых дозах (0,0005 Гр или ниже) немедленных повреждений в ДНК не возникает, но возможны такие опасные последствия, как заболевание раком крови, снижение общей продолжительности жизни, возникновение генеративных мутаций. Об этом свидетельствуют исследования детей, чьи родители пережили атомную бомбардировку в Нагасаки и Хиросиме. В потомстве таких людей отмечен выраженный сдвиг соотношения полов - результат индукции сцепленных с полом летальных мутаций. Развитие химической промышленности резко увеличило потенциальную опасность появления химических мутагенов в атмосфере, в воде, в пищевых продуктах, в различных лекарственных препаратах, красителях и т.д. В этой связи особое значение приобретает проблема генетического мониторинга, т.е. слежение за накоплением и проявлением вредных мутаций у человека. С другой стороны, возникает необходимость оценки различных химических соединений, особенно полученных путем искусственного синтеза на мутагенную активность для своевременного обнаружения их генетической опасности. С этой целью разработан комплекс методов оценки мутагенного присутствия различных факторов. Для такого скрининга используются как про-, так и эукариотические объекты. |