Изменчивость, формы изменчивости Изменчивость
 Скачать 0.49 Mb.
|
5. Классификация и характеристика мутаций. Классификация мутаций
Соматические мутации по своей природе ничем не отличаются от генеративных, но их эволюционная ценность различна и определяется типом размножения организма. Соматические мутации играют роль у организмов с бесполым размножением. Так, у вегетативно размножающихся плодовых и ягодных растений соматическая мутация может дать растения с новым мутантным признаком. Наследование соматических мутаций в настоящее время приобретает важное значение для изучения причин возникновения рака у человека. Предполагают, что для злокачественных опухолей превращение нормальной клетки в раковую происходит по типу соматических мутаций. Генные или точковые мутации - это цитологически невидимые изменения хромосом. Генные мутации могут быть как доминантными, так и рецессивными. Молекулярные механизмы генных мутаций проявляются в изменении порядка нуклеотидных пар в молекуле нуклеиновой кислоты в отдельных сайтах. Сущность локальных внутригенных изменений может быть сведена к четырем типам нуклеотидных перестроек: Замена пары оснований в молекуле ДНК: а) Транзиция: замена пуриновых оснований на пуриновые или пиримидиновых на примидиновые; б) Трансверзия: замена пуриновых оснований на пиримидиновые. Делеция (выпадение) одной пары или группы оснований в молекуле ДНК; Вставка одной пары или группы оснований в молекуле ДНК; Дупликация – повтор нуклеотидной пары; Перестановка положения нуклеотидов внутри гена. Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам списывания с него генетической информации, нужной для протекания биохимических процессов в клетке, и приводит к появлению новых свойств в клетке и организме в целом. По-видимому, точковые мутации являются наиболее важными для эволюции. По влиянию на характер кодируемых полипептидов точковые мутации могут быть представлены в виде трех классов: 1. Миссенс-мутации - возникают при замене нуклеотида внутри кодона и обусловливают подстановку в определенном месте в цепи полипептида одной неверной аминокислоты. Физиологическая роль белка изменяется, что создает поле для естественного отбора. Это основной класс точковых, внутригенных мутаций, которые появляются в естественном мутагенезе под воздействием радиации и химических мутагенов. 2. Нонсенс-мутации - появление внутри гена терминальных кодонов за счет изменения отдельных оснований в пределах кодонов. В результате процесс трансляции обрывается в месте появления терминального кодона. Ген оказывается способным кодировать только обрывки полипептида до места появления терминального кодона. 3. Мутации сдвига рамки чтения возникают при появлении внутри гена вставок и делеций. В этом случае после измененного сайта изменяется все смысловое содержание гена. Это вызывается новой комбинацией нуклеотидов в триплетах, поскольку триплеты после выпадения или вставки приобретают новый состав в силу сдвига на один нуклеотид. В результате вся цепь полипептида после места точковой мутации приобретает другие неверные аминокислоты. Хромосомные перестройки возникают в результате разрыва участков хромосомы и их перекомбинаций. Различают: Дефишенси и делеции – нехватка, соответственно концевого и срединного участка хромосомы; Дупликации - удвоение или умножение тех или иных участков хромосомы; Инверсии - изменение линейного расположения генов в хромосоме вследствие переворота на 180 отдельных участков хромосомы. Межхромосомные перестройки связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами. Такие перестройки получили название транслокации. 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. Мутаген. Факторы и классификация Мутагенные факторы — факторы внешней и внутренней среды, способные вызывать мутации. К физическим факторам относят ионизирующее излучение, ультрафиолетовое излучение, повышенную температуру. Под их воздействием происходит повреждение молекул ДНК, что приводит к появлению мутаций. Мутагены принято делить на физические, химические и биологические. Физические мутагены — давление, температура, ионизирующие излучения, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи и др. Химические мутагены. Мощными мутагенами (супермутагенами) оказались формалин, иприт, уретан, этиленимин. К настоящему времени известны сотни тысяч химических мутагенов. Ежегодно через коммерческий рынок в практику внедряется более 500 вновь синтезированных соединений (а создается их ежегодно 2,5 х 105), в ежедневном пользовании человечества находится 63 000 химических соединений. Среди них есть и мутагены. Мутагенным эффектом обладают нитраты — источник многих удобрений — алкилирующие агенты (применяются в промышленности как органические растворители), отработавшие газы автомобильных двигателей; многие ядохимикаты, применяемые в борьбе с насекомыми, цитостатики, спирты, фенолы, циклические ароматические соединения, консерванты, фармакологические препараты, наркотики и многое другое. Биологические мутагены. Некоторые бактерии и вирусы (оспы, кори, ветряной оспы, эпидемического паратита, гриппа, гепатита и др.); мигрирующие генетические элементы (МГЭ, или прыгающие гены). Индуцированный мутационный процесс - возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды. Все факторы мутагенеза могут быть разбиты на три вида: физические, химические и биологические. Среди физических факторов наибольшее значение имеют ионизирующие излучения. Ионизирующие излучения: электромагнитные (волновые), к ним относят рентген-лучи с длиной волны от 0, 005 до 2 нм, гамма-лучи и космические лучи; корпускулярные излучения - бета-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны (быстрые и тепловые), альфа-частицы (ядра атомов гелия) и др. Проходя через живое вещество, ионизирующие излучения выбивают электроны из внешней оболочки атомов и молекул, что ведет к химическим превращениям живого вещества. Различные животные характеризуются различной чувствительностью к ионизирующим излучениям, которая колеблется от 700 р для человека до сотен тысяч и миллионов р для бактерий и вирусов. Ионизирующие излучения вызывают в первую очередь изменения в генетическом аппарате клетки. Показано, что ядро клетки в 100 тыс. раз чувствительнее к радиации, чем цитоплазма. Значительно чувствительнее к радиации незрелые половые клетки (сперматогонии), чем зрелые (сперматозоиды). ДНК хромосом наиболее чувствительна к действию радиации. Развивающиеся изменения выражаются в генных мутациях и перестройках хромосом. Показано, что частота мутаций зависит от общей дозы радиации и прямо пропорциональна дозе облучения, т.е. при увеличении дозы возникает в два раза больше таких мутаций и т.д. Ионизирующие излучения действуют на генетический аппарат не только прямо, но и косвенно. Они вызывают радиолиз воды. Возникающие при этом радикалы (Н, ОН) оказывают повреждающее действие. К сильным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовые лучи (длина волны до 400 нм), которые не ионизируют атомы, а только возбуждают их электронные оболочки. В итоге в клетках развиваются химические реакции, которые могут приводить к мутации. Частота возникновения мутаций увеличивается с увеличением длины волны до 240-280 нм (соответствует спектру поглощения ДНК). УФ лучи вызывают генные и хромосомные перестройки, но в значительно меньшем количестве, чем ионизирующее излучение. Гораздо более слабым физическим мутагеном является повышенная температура. Повышение температуры на 10 увеличивает частоту мутации в 3-5 раз. При этом возникают в основном генные мутации у низших организмов. На теплокровных животных с постоянной температурой тела и человека этот фактор не влияет. Химические мутагены насчитывают множество разнообразных веществ и их список непрерывно пополняется. Самыми сильными химическими мутагенами являются: алкилирующие соединения: диметилсульфат; иприт и его производные - этиленимин, нитрозоалкил-нитрометил, нитрозоэтилмочевина и др. Иногда эти вещества являются супермутагенами и канцерогенами. Вторую группу химических мутагенов составляют аналоги азотистых оснований (5-бромурацил, 5-бромдезоксиуродин, 8-азогуанин, 2-аминопурин, кофеин и др.). Третью группу составляют акридиновые красители (акридин желтый, оранжевый, профлавин). Четвертую группу составляют разные по строению вещества: азотистая кислота, гидроксиламин, разные перекиси, уретан, формальдегид. Химические мутагены могут индуцировать как генные, так и хромосомные мутации. Они вызывают больше генных мутаций, чем ионизирующие излучения и УФ-лучи. К биологическим мутагенам относят некоторые виды вирусов. Показано, что все испытывавшиеся вирусы человека, животных и растений индуцируют у дрозофилы мутации. Допускается, что молекулы ДНК-вирусов представляют мутагенный элемент. Способность вирусов вызывать мутации обнаружены у бактерий и актиномицетов. По-видимому, все мутагены, как физические, так и химические, в принципе универсальны, т.е. могут вызывать мутации у любых форм жизни. Для всех известных мутагенов не существует нижнего порога их мутагенного действия. Мутации вызывают врожденные уродства и наследственные болезни человека. Поэтому насущной задачей является ограждение людей от действия мутагенов. Огромное значение в этом отношении имело осуществленное запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере. Очень важно соблюдать меры защиты людей от радиации в атомной индустрии, при работе с изотопами, рентген-лучами. Определенную роль могут сыграть антимутагены - вещества, снижающие эффект действия мутагенов (цистеамин, хинакрин, некоторые сульфаниламиды, производные пропионовой и галловой кислот). ГЕННЫЕ мутации классификация молекулярные механизмы возникновение генных мутация Генная мутация представляет собой стойкое изменение последовательности ДНК, образующей ген. Такие мутации могут затрагивать от одного структурного элемента ДНК (пары оснований) до крупного сегмента хромосомы, содержащей целый ряд генов. Выделяют два вида генных мутаций: генеративные мутации наследуются от родителя и сохраняются в каждой клетке организма на всем протяжении жизни человека. Такие мутации возникают в яйцеклетке или сперматозоидах родителя и передаются как наследственные мутации; соматические мутации возникают на каком-то этапе жизни человека и затрагивают лишь некоторые клетки, а не каждую клетку организма. Такие изменения могут быть вызваны воздействием факторов окружающей среды, например ультрафиолетовым солнечным излучением, или ошибкой копирования ДНК при делении клетки. Подобные приобретенные мутации не передаются потомству. Генные мутации вызываются изменением структуры ДНК. Это приводит к нарушению синтеза полипептидных цепей белковых молекул, структурных, транспортных белков или белков-ферментов. Почти половина наследственных заболеваний - это следствие генных мутаций. Мутации бывают спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают примерно с частотой 10-15 и 10-10 на ген в течение 30 лет. Спонтанные мутации имеют большое значение для эволюции, многие из них подхватываются отбором. Индуцированные мутации вызываются лучевой, тепловой и механической энергией, а также химическими веществами, в том числе и медикаментозными средствами, и некоторыми биологическими факторами. Нейтральная мутации(молчащаямутация)—мутацияне имеет фенотипи-ческого выражения (например, в результате вырожденности генетического кода). Миссенс-мутация— замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к замене аминокислоты в полипептиде. Нонсенс-мутация— замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции. Регуляторная мутация—мутацияв 5'- или З'-нетранслируемых областях гена, такаямутациянарушает экспрессию гена. Динамические мутации—мутации, обусловленные увеличением числа три-нуклеотидных повторов в функционально значимых частях гена. Такиемутациимогут привести к торможению или блокаде транскрипции, приобретению белковыми молекулами свойств, нарушающих их нормальный метаболизм. Сейменс-мутация вырожденный кодон замещается на другой. поскольку нас 20 аминокислот, а число кодонов 3^4=64, следовательно несколько кодонов выделяет одну аминокислоту -вырожденность кодонов и замена одного вырожденного кодона на другой вырожденный кодон не приводит к изменению белка сдвиг рамки считывания- вставка или выпадение нескольких нуклиновых кислот, что приводит к изменению во всей дальнейшей последовательности кодонов Транзиции- тип мутаций, заключающихся в замене азотистого основания в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При Т. одно пуриновое основание заменяется на др. пуриновое (аденин на тимин, или наоборот), а пиримидиновое основание на др. пиримидиновое (гуанин на цитозин, или наоборот). Трансверсии- тип мутаций, заключающихся в замене азотистого основания в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При Т. пуриновое основание (аденин, тимин) заменяется пиримидиновым (гуанин, цитозин) или пиримидиновое основание — пуриновым. Хромосомные мутации классификация механизмы возникновения Хромосомные мутации - перестройки хромосом, изменение их строения. Отдельные участки хромосом могут теряться, удваиваться, менять свое положение Классификация Делеция — утрата одного из участков хромосомы (внутреннего или терминального), что может стать причиной нарушения эмбриогенеза и формирования множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча хромосомы 5, обозначаемая как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, ВПР сердца, отставанию умственного развития). Этот симптомокомплекс обозначен как синдром кошачьего крика Инверсия — встраивание фрагмента хромосомы на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается порядок расположения генов. Дупликация — удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по короткому плечу хромосомы 9 приводит к появлению множественных ВПР, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития). Различают три варианта транслокаций: реципрокные (обмен фрагментами двух хромосом), нереципрокные (перенос фрагмента одной хромосомы на другую), робертсоновские (соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч, в результате образуется одна метацентри-ческая хромосома вместо двух акроцентрических). Изохромосомные аберрации — образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через центромеры (отсюда другое название — центрическое соединение). Механизм возникновения Хромосомные мутации характеризуются изменением структуры отдельных хромосом. При них последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов при аберрациях может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма. |