мутагенез. 1 билет 1 вопрос молекулярные и цитологические основы наследственности
 Скачать 123.35 Kb.
|
|
Билет 10 Подавляющее большинство мутационных изменений генома нежелательно и сопровождается развитием различных патологических состояний мутантной особи или отдельной соматической клетки. Жестко действующий естественный отбор, в частности, через систему иммунного надзора элиминирует мутантные соматические клетки, опасные для существования многоклеточного организма, например, предотвращая иногда развитие онкологических или аутоиммунных заболеваний. Генетическая информация любого организма защищена от мутационных повреждений, что делает мутации в жизненно важных локусах генома очень редкими. Защита осуществляется на нескольких уровнях. Прежде всего, организм старается не допустить попадания химических мутагенов в жизненно важные локусы своего генома. Это достигается двумя путями. Во-первых, избыточные последовательности нуклеотидов ДНК, экранируя кодирующие последовательности нуклеотидов в геноме эукариот, принимают удар большей части химических мутагенов на себя. Те же цели могут быть достигнуты за счет особой пространственной организации ДНК в конкретных участках генома. Во-вторых, в клетках имеются многочисленные высоко- и низкомолекулярные ловушки мутагенов, важнейшими из которых являются: маннит, энкефалины, индолы, желчные кислоты и их производные, альфа-токоферол, аскорбиновая кислота, тирозин, серотонин, а также ряд других соединений экзогенного и эндогенного происхождения. К сожалению, обе системы защиты не обладают 100%-й эффективностью. То же можно сказать и о точности функционирования ферментных систем, осуществляющих воспроизведение генетической информации. Поэтому нарушения первичной структуры ДНК неизбежны, но большинство первичных повреждений не превращается в мутации благодаря функционированию систем репарации ДНК . 2. Мутационная селекция растений – это процесс, который состоит из облучения семян растений, побегов или измельченных листьев таким излучением, как гамма-лучи, и последующего высаживания семян или выращивание облученного материала в стерильном субстрате, в результате чего появляется росток. Затем отдельные растения размножаются и проводится исследование их характеристик. Для ускорения селекции растений, которые имеют представляющие интерес гены (желательные признаки), используется селекция с помощью молекулярных маркеров – часто ее называют маркерной селекций. Маркерная селекция сопряжена с использованием молекулярных маркеров для селекции растений, имеющих определенные гены, которые демонстрируют желательные признаки. Далее выращиваются те растения, которые обладают такими желательными признаками. Мутационная селекция растений не связана с модификацией генов, а скорее она использует собственные генетические ресурсы растения и воспроизводит естественный процесс спонтанной мутации, которая является двигателем развития, – процесс, на который иначе потребовалось бы сотни миллионов лет. 3 Мутагенез – процесс образования мутаций. Факторы, вызывающие мутации – это мутагены. Мутагены воздействуют на генетический материал особи, вследствие чего может измениться фенотип. Канцерогенез – процесс образования опухолей. Установлено, что при канцерогенезе изменения происходят на молекулярно-генетическом уровне и затрагивают механизмы, отвечающие за размножение, рост и дифференцировку клеток. Мутагенные факторы: физические (излучение, температура), химические, биологические (вирусы, вирусные паразитарные агенты) 11 билет 1.Анеуплоидия, ее значение. Анеуплоидией называют изменение кариотипа, когда число хромосом некратно гаплоидному набору. Это приводит к нарушению эмбрионального развития, является частой причиной самопроизвольных выкидышей, может вызывать некоторые наследственные синдромы. Причины анеуплоидии Изменение кариотипа вызывают нарушения сегрегации хромосом в митозе или мейозе. В случае если гомологичные хромосомы одной или нескольких пар в анафазе I мейоза не расходятся, то развивается врожденная анеуплоидия. Если половая клетка с лишней или недостающей хромосомой сливается с нормальной гаплоидной гаметой, то образовавшаяся зигота несет клетки с нечетным количеством хромосом. Зигота, имеющая число хромосом, меньше нормального диплоидного набора, обычно не развивается. Плодное яйцо с лишними хромосомами способно к развитию, но в большинстве случаев развитие сопровождается серьезными аномалиями. Формы нарушения По типу вовлеченных хромосом различают анеуплоидию половых хромосом и аутосомную. Первая характеризуется более мягкими фенотипическими проявлениями. Синдромы, связанные с анеуплоидией Моносомия по Х-хромосоме является причиной синдрома Шерешевского-Тернера. Таким нарушением страдают исключительно женщины. Они имеют нормальное интеллектуальное развитие и ведут полноценный образ жизни, однако для больных характерны бесплодие, пороки развития внутренних органов и другие внешние признаки хромосомной патологии. Жизнеспособная форма трисомии возможна только по хромосоме 21, однако она приводит к развитию синдрома Дауна. Трисомия по хромосоме 13 является причиной синдрома Патау, по хромосоме 18 — синдрома Эдвардса. Они характеризуются ранней постнатальной смертностью. Трисомии половых хромосом встречаются чаще. Одной из форм подобного типа анеуплоидии является синдром Клайнфельтера. Для него характерно наличие мужской Y-хромосомы при одной или двух лишних Х-хромосомах. Страдающие синдромом Клайнфельтера вследствие анеуплоидии — мужчины, имеющие некоторые женские вторичные половые признаки. Обычно они бесплодны и имеют низкий уровень интеллектуального развития. 2. Теория нейтральных мутаций Кимура и молекулярные часы. Нейтральная теория молекулярной эволюции (Нейтрализм Кимуры) — теория эволюции, которая утверждает, что подавляющее большинство мутаций на молекулярном уровне носит нейтральный по отношению к естественному отбору характер. Как следствие, значительная часть внутривидовой изменчивости (особенно в малых популяциях) объясняется не действием отбора, а случайным дрейфом мутантных аллелей, которые нейтральны или почти нейтральны. Теория была разработана Мото Кимурой в конце 1960-х годов. Теория нейтральной эволюции хорошо согласуется с фактом постоянной скорости закрепления мутаций на молекулярном уровне, что позволяет, например, оценивать время дивергенции видов. Теория нейтральной эволюции не отрицает решающей роли естественного отбора в эволюции. Дискуссия ведется по части мутаций, имеющих приспособительное значение. Большинство биологов признает ряд результатов теории нейтральной эволюции, хотя и не разделяет некоторые сильные утверждения, сначала высказанные М. Кимурой. Концепция "молекулярных часов" была выдвинута Цукеркандлом и Полингом в 1965 г. "Давней мечтой специалистов по генетике популяций было определение скорости замещения генов в процессе эволюции видов. Эта величина должна более однозначно характеризовать темпы эволюции, чем любая другая мера скорости, основан-ная на сравнении фенотипов" (Кимура, 1985). Экспериментальные данные по-казывают, что замены аминокислот в белке происходят более-менее регуляр-но, хотя для каждого конкретного типа белка характерны свои темпы эволюции: например, вероятность замены произвольной аминокислоты в α-цепи гемоглобина - 1,2·10-9 в год, а в инсулине - 0,44·10-9 в год. Поскольку (на первый взгляд) аминокислотные замены происходят регулярно, как взмахи маятника, постольку они могут быть использованы для отсчета времени эволюции. Первые проверки этой гипотезы дали неплохие результаты (см. рис. 1), которые подтверждали концепцию молекулярных часов, но еще не имели никакой ценности для эволюционистов - перед нами грубая оценка времени расхождения таксонов, которое более точно определяется палеонтологическими методами. Однако в тех случаях, когда ископаемых остатков интересующих нас организмов нет, молекулярные часы являются единственным источником данных о родстве таксонов и времени их расхождения. 3. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Изучение наследственной изменчивости у различных систематических групп растений позволило Н. И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов. Этот закон гласит: «1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны (виды) у тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство». В настоящее время с полным основанием можно сказать, что у родственных видов, имеющих общее происхождение, возникают и сходные мутации. Более того, даже у представителей разных классов и типов животных мы встречаем параллелизм — гомологические ряды мутаций по морфологическим, физиологическим и особенно биохимическим признакам и свойствам. Так, например, у разных классов позвоночных животных встречаются сходные мутации: альбинизм и бесшерстность у млекопитающих, альбинизм и отсутствие перьев у птиц, отсутствие чешуи у рыб, короткопалость у крупного рогатого скота, овец, собак, птиц и т. д. 12 билет 1. Определение уровня спонтанного и индуцированного мутагенеза на биологических объектах Спонтанные – это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора. Индуцированные – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторов мутагенеза. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации – мутагенами. Мутагенные факторы подразделяются на: * физические, * химические, * биологические. Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызывает естественный фон ионизирующих излучений. Однако оказалось, что это не так. Например, у дрозофилы естественный радиационный фон вызывает не более 0,1% спонтанных мутаций. С возрастом последствия от воздействия естественного радиационного фона могут накапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим. Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов. Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию. Американский генетик М. Грин показал, что около 80% мутаций, которые были открыты как спонтанные, возникли в результате перемещения мобильных элементов. Индуцированнные мутации впервые обнаружили в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после восьми последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. В 1927 г. Г. Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который стал классическим. В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза. 2. Молекулярные основы наследственности Молекулярная генетика исследует процессы, связанные с наследственностью, на молекулярном уровне. Ген — это участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), ответственный за формирование какого-то определенного признака. Однако ген не превращается в признак, и от гена до признака существует серия промежуточных реакций. Ген определяет лишь первичную структуру белка, т. е. последовательность расположения в нем аминокислот, от которой и зависит его функция. Белки-ферменты управляют биохимическими реакциями в организме. Для каждой реакции существует свой специфический белок-фермент. Ход биохимических реакций обусловливает проявление того или иного признака. Например, если у человека есть ген, ответственный за присоединение иода к тирозину, то будет нормально синтезироваться гормон щитовидной железы тироксин, если же этого гена нет, то иод не сможет присоединиться к тирозину, гормон не будет синтезироваться и человек будет страдать тяжелейшим заболеванием. Таким образом, функцию гена можно представить следующей схемой: ген — белок-фермент — биохимическая реакция — признак. В молекулярной генетике наиболее изучена первая ступень этой цепи — каким образом ген управляет формированием специфических белков.’Молекула ДНК — полимер, состоящий из двух цепочек нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, моносахарида дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в ДНК бывают четырех типов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Вдоль нити ДНК азотистые основания прочно связаны между собой через моносахарид и остаток фосфорной кислоты, между цепочками — через водород. В общей схеме ДНК своим строением напоминает лестницу Между двумя цепочками азотистые основания располагаются строго закономерно: аденин всегда против тимина, гуанин — против цитозина. Аденин комплементарен тимину, гуанин — цитозину. Расположение азотистых оснований вдоль цепочки может быть разнообразным, но всегда строго специфичным для конкретного случая. Именно в этом чередовании азотистых оснований закодирована последовательность аминокислот в белковой молекуле, а вместе с тем и специфичность самого белка. Место положения каждой аминокислоты в белковой цепи предопределяется триплетами, т. е. тремя рядом стоящими азотистыми основаниями в одной из цепочек ДНК. Расшифровка же кода осуществляется с помощью рибонуклеиновых кислот (РНК). Весь процесс расшифровки начинается с синтеза информационной РНК (иРНК). Информационная РНК — полимер, состоящий из одной цепочки нуклеотидов. В состав ее нуклеотидов тоже входят азотистые основания, моносахарид рибоза и остаток фосфорной кислоты. Азотистых оснований в РНК также четыре: аденин, урацил (У), гуанин, цитозин. Синтез иРНК происходит на участке одной из цепочек ДНК, который называется структурным геном. Построение ее осуществляется таким образом, что комплементарные азотистые основания РНК встают против соответствующих азотистых оснований ДНК, при этом урацил комплементарен аденину. Например, если цепь ДНК, кодирующая какой-то полипептид, начинается: аденин — цитозин — цитозин — аденин — тимин — аденин, то иРНК будет, построена соответственно: урацил — гуанин — гуанин — урацил — аденин — урацил (рис. 2). иРНК копирует чередование азотистых оснований ДНК, но как бы в негативном изображении. Этот процесс называется транскрипцией. Естественно, что иРНК копирует не только чередование азотистых оснований ДНК, но и триплетов. Триплеты иРНК называются кодонами. 3. Мутации: полезные и вредные (летальные); прямые и обратные; нейтральные и усиливающие. Мутации — это стойкие внезапно возникшие изменения структуры наследственного материала на различных уровнях его организации, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Термин «мутация» введен в науку Де Фризом. Им же создана мутационная теория, основные положения которой не утратили своего значения по сей день. 1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, без всяких переходов. 2. Мутации наследственны, т.е. стойко передаются из поколения в поколение. 3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (как при модификационной изменчивости), они являются качественными изменениями. 4. Мутации ненаправленны — мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении. 5. Одни и те же мутации могут возникать повторно. 6. Мутации индивидуальны, то есть возникают у отдельных особей. По адаптивному значению выделяют: полезные, вредные (летальные, полулетальные) и нейтральные мутации. Полезные — повышают жизнеспособность, летальные — вызывают гибель, полулетальные — снижают жизнеспособность, нейтральные — не влияют на жизнеспособность особей. Следует отметить, что одна и та же мутация в одних условиях может быть полезной, а в других — вредной. Мутации гена от состояния дикого типа к новому состоянию называют прямыми, а от мутантного к дикому — обратными Прямые мутации чаще являются рецессивными, а обратные — доминантными. Исходный ген мутирует без промежуточных ступеней в новое состояние и, соответственно, обратно. У разных генов прямые и обратные мутации могут возникать с разной частотой: * с равной вероятностью в обоих направлениях, * преимущественно в прямом, * преимущественно в обратном направлениях (это более редкое явление). 13 билет 1.Классификация химических мутагенов. Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды. +По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические: Физические мутагены • ионизирующее излучение (рентгеновское- и гамма-излучения); • электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, в некоторых случаях - видимый свет); • радиоактивный распад;. Химические мутагены Химические мутагены являются самыми распространёнными в группе. К ним относятся следующие группы соединений: • некоторые алкалоиды: колхицин — один из самых распространённых в селекции мутагенов, винкамин, подофиллотоксин; • окислители и восстановители (нитраты, азотистая кислота и её соли — нитриты, активные формы кислорода); • алкилирующие агенты (например, иодацетамид, эпоксибензантрацен); • нитропроизводные мочевины: нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина, нитрозодиметилмочевина — часто применяются в сельском хозяйстве; • этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат; • некоторые пестициды (пестициды группы альдрина, гексахлоран); • некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды (бензол и т.п.), цикламаты); • продукты переработки нефти; • органические растворители; • лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты). К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК). Биологические мутагены • специфические последовательности ДНК — транспозоны; • некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); • продукты обмена веществ (продукты окисления липидов); • антигены некоторых микроорганизмов. 2. Дорепликативная репарация (фотореактивация, темновая эксцизионная репарация). Тип репарации ДНК, не связанный с процессом репликации и происходящий согласно механизмам разъединения пиримидиновых димеров (фотореактивация) или вырезания поврежденных участков ДНК (эксцизионная репарация). Фотореактивация Фотореактивирующее действие видимого света связано с активностью фермента дезоксириботидпиримидинфотолиазы, специфично связывающейся с УФ-облученной ДНК и расщепляющей на мономеры основные УФ-фотопродукты - димеры двух соседних пиримидинов в одной цепи ДНК, объединенных циклобутановым кольцом. Фермент присоединяется к пиримидиновым димерам в ДНК в темноте, но реакция расщепления связей, объединяющих две молекулы пиримидина, энергетически зависима от видимого света. Особенно эффективен свет, лежащий в голубой части спектра. Подсчитано, что за 1 мин молекула фотолиазы может расщепить 2,4 димера. Фотолиазы, различающиеся по своим размерам (Мr 35 000-50 000), обнаружены у E.coli, некоторых дрожжей, в лимфоцитах человека. Все они относятся к ферментам типа флавопротеинов. Темновая эксцизионная репарация В отличие от фотореактивации другие пути репарации повреждений ДНК не нуждаются в энергии видимого света и поэтому относятся к темновой репарации. Гипотеза о существовании темновой репарации повреждений, индуцированных УФ-лучами, была высказана в 1961 г. Э. Виткин и М. Либ на основе анализа двух взаимосвязанных явлений, обнаруженных при изучении мутагенеза у бактерий: фиксации мутаций и снижения частоты мутаций. Оба они касаются фактов замедленного проявления мутагенного действия УФ-лучей. Эта особенность наблюдалась еще в 30-х годах Л. Стадлером при анализе спектра индуцированных УФ-лучами генетических изменений у растений. Л. Стадлер построил модель действия УФ-лучей, в соответствии с которой повреждения хромосомы в виде ее разрыва или мутации - не одномоментный акт, а растянутый во времени процесс, в ходе которого фиксируются потенциальные мутационные повреждения. Такое отсроченное возникновение мутаций у бактерий выражено еще сильнее, чем у растений. Замедленный мутационный ответ характерен и для химического мутагенеза, особенно для действия алкилирующих агентов. 3. Мутации микроорганизмов и проблема Антибио́тикорезисте́нтности Фенотипическим проявлением мутаций могут быть: изменение морфологии бактериальной клетки, возникновение потребностей в факторах роста (например, в аминокислотах, витаминах), т.е. ауксотрофностью; появление устойчивости к антибиотикам; изменение чувствительности к температуре; снижение вирулентности (аттенуация). Мутации могут быть спонтанными, т.е. возникающими самопроизвольно, без воздействия извне, ииндуцированными. Спонтанные мутации проявляются в результате ошибок репликации ДНК и вследствие перемещения подвижных генетических элементов в процессе роста и размножения бактерий. Индуцированные мутации возникают под влиянием внешних факторов, которые называются мутагенами. Если мутантная бактериальная клетка лучше приспособлена к условиям окружающей среды, чем исходные особи, то потомство ее при размножении культуры будет занимать все большую часть популяции и постепенно вытеснит исходные клетки. В результате произойдет изменение генотипического состава и соответственно свойств данной культуры микроорганизма. |