генетика. Лекция Введение. Молекулярные основы наследственности
 Скачать 238.64 Kb.
|
|
4.2 Наследственная изменчивость Генотипическая (наследственная) изменчивость – это наследственные изменения признаков организма, определяемые генотипом и сохраняемые в ряду поколений. Она представлена двумя видами - комбинативной и мутационной. Генотипическая изменчивость имеет следующие свойства:
Изменчивость, обусловленная только за счет образования новых комбинаций аллей вследствие кроссинговера в мейозе и рекомбинации генов, называется комбинативной. Комбинация генов при наличии взаимодействия между ними может привести к появлению новых признаков или к новому их сочетанию. Комбинативная изменчивость наследуется согласно правилам Менделя. Комбинативная изменчивость – важнейший источник бесконечно большого наследственного разнообразия, которое наблюдается у живых организмов. В основе комбинативной изменчивости лежит половое размножение живых организмов, вследствие которого возникает огромное разнообразие генотипов. Число генов у каждого организма исчисляется тысячами, поэтому комбинирование генов при половом размножении приводит к формированию нового уникального генотипа и фенотипа. У любого ребенка можно обнаружить признаки, типичные для его матери и отца. Тем не менее даже среди близких родственников не найти двух абсолютно одинаковых людей. Исключение составляют однояйцевые близнецы, степень идентичности которых очень велика. Причина такого разнообразия – комбинативная изменчивость. Основные ее источники:
Мутационная изменчивостьобусловливается не перекомбинацией генов, а нарушением их структуры. О возможности мутаций говорил еще Ч. Дарвин, называя их неопределенной изменчивостью. Он обратил внимание на внезапность их появления. Сам термин «мутация» был предложен в 1889 г. Г. де Фризом. Ш. Ауэрбах (1978 г.) в развитии теории мутаций различает несколько периодов:
4.3 Мутационная изменчивость Мутация– это скачкообразное, устойчивое изменение генетического материала под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передающееся по наследству. Организм, наследственно измененный в результате мутации, называется мутантом. В 1901 г. Хуго Де Фриз ввел в науку термин «мутация» и создал мутационную теорию, а Т. Морган с 1910 г. начал изучать мутации у дрозофилы. К причинам мутации относятся:
Факторы среды, вызывающие мутации, называются мутагенами. Свойства мутаций (основные положения мутационной теории):
Процесс образования мутации называется мутагенезом, а факторы, их вызывающие, – мутагенами. Мутагены первоначально воздействуют на генетический материал особи, вследствие чего может измениться фенотип. Это могут быть экзомутагены (факторы внешней среды) и эндомутагены (продукты метаболизма самого организма). Мутагенные факторы подразделяют на: физические, химические и биологические. К физическим мутагенам относятся различные виды излучений (преимущественно ионизирующие - альфа-, бета- и гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи), температура, влажность и др. Механизмы их действия: 1) нарушение структуры генов и хромосом; 2) образование свободных радикалов, вступающих в химическое взаимодействие с ДНК; 3) разрушение нитей ахроматинового веретена деления; 4) образование димеров – соединение между собой ("сшивка") соседних пиримидиновых оснований одной цепи ДНК (чаще Т-Т). К химическим мутагенам относятся:
Химические мутагены обладают большой проникающей способностью, вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК. Механизм их действия: 1) дезаминирование и алкилирование нуклеотидов; 2) замена азотистых оснований их аналогами; 3) ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот и др. К биологическим мутагенам относятся:
Невирусные и вирусные агенты могут быть причиной инфекционного мутагенеза. Они способны нарушить течение митоза, вызвать разрывы хромосом и хроматид, встроить свою ДНК в ДНК клеток хозяина. Продукты жизнедеятельности паразитов – возбудителей болезней могут действовать как химические мутагены. Супермутагены – это факторы, чаще химической природы, повышающие частоту мутаций в сотни – десятки тысяч раз (например, колхицин, этиленимин, иприт). Они используются для получения индуцированных мутаций в селекции. 4.4 Классификация мутаций Мутационная изменчивость проявляется в фенотипе, и лишь по наличию качественно новых признаков и свойств организма можно предполагать ее возникновение. Изменения фенотипа вызываются нарушением наследственных структур, которое, обусловливается влиянием различных факторов внешней среды. То есть, внешняя среда, воздействуя на генотип, Схема 3 Классификация мутаций
вызывает его структурные изменения, приводящие к формированию новых признаков и свойств организма. Поэтому, исследование мутаций проходило с разных позиций: с точки зрения характера изменений в генотипе, локализации их в различных клетках и тканях, фенотипического выражения и эволюционной роли мутаций, а также с точки зрения природы причинного фактора. Существует много классификаций мутаций. Наиболее удобна классификация, разработанная польским исследователем С. Мушинским в 1972 г. Она дает представление о мутации на молекулярном и цитологическом уровнях, о ее локализации в клетках и тканях, о фенотипическом проявлении и судьбе в популяции (схема 3). Молекулярный механизм мутаций Мутации, связанные с изменением структуры молекулы ДНК, называются генными. Они представляют собой выпадение или вставку одного, или нескольких азотистых оснований, либо то и другое одновременно, а также замену азотистых оснований. Последние описаны Э. Фризом (1963). Он различал два типа замен: транзиции и трансверзии. При транзиции одно пуриновое или пиримидиновое основание заменяется соответственно другим пуриновым или пиримидиновым основанием: Г - Ц А - Т Трансверзии встречаются чаще транзиций. При трансверзии пуриновое основание заменяется пиримидиновым и наоборот: Г - Ц Г- Ц А - Г А - Г Ц - Г Г - А Т - А Ц - Г Все генные мутации приводят к изменению смысла кодона и к нарушению считывания информации в цепи ДНК. Различают три типа таких изменений.
Миссенс- и нонсенс-мутации обычно происходят при замене азотистых оснований. К изменению смысла кодонов приводят и выпадения или вставки азотистых оснований. Все эти мутации возникают спонтанно и могут быть вызваны любыми мутагенными факторами среды.
Хромосомные мутации. В клетке под обычным световым микроскопом можно рассмотреть хромосомные мутации, или аберрации. Они являются более грубыми нарушениями наследственных структур, чем генные, и касаются структуры и количества хромосом в клеточном наборе. Структурные хромосомные мутации связаны с нарушением целостности структуры хромосомы, групп сцепления генов, с процессом ее фрагментации. Эти мутации бывают двух типов:
Для формирования структурной мутации требуются два и более разрыва хромосомы. Различают хромосомные и хроматидные аберрации. Если разрыв затрагивает одну хроматиду, перестройка называется хроматидной, но после репликации она может стать хромосомной.
Транслокация –это обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают:
Иногда может происходить поперечный, а не продольный разрыв хроматид в области центромер; в этом случае образуются изохромосомы (рис. 24), представляющие собой зеркальное отображение двух одинаковых плеч (длинных или коротких).
При одностороннем переносе фрагмента одной хромосомы на другую возникает нереципрокная транслокация. Грубые транслокации могут привести к резкому снижению жизнеспособности клетки и организма в целом. Мутации, происходящие вследствие изменения количества хромосом, составляют группу количественных хромосомных мутаций или геномных. Они называются геномными, поскольку представляют собой на-
рушение геномного числа хромосом. В основе этого нарушения лежат механизмы нерасхождения хромосом в момент деления клеток, особенно в мейозе. Изменение числа хромосом осуществляется в двух направлениях: в сторону – увеличения, или уменьшения их количества, кратного гаплоидному (полиплоидия), и в сторону потери или включения отдельных хромосом или их пар в клеточном наборе (гетероплоидия). Гаплоидия (1n)–одинарный набор хромосом в соматических клетках, например у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как в этом случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека это летальная мутация. Полиплоидия–это кратное гаплоидному увеличение числа хромосом в соматических клетках (Зп, 4п, 5п). Полиплоидия используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации. Полиплоидия в свою очередь подразделяется наавтополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет умножения геномов одного вида) и аллополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет слияния геномов разных видов) Автополиплоидия встречается часто у высших растений и широко используется в селекции растений, т.к. увеличение числа хромосом в клеточном наборе приводит к усилению хозяйственно полезных признаков. Например, к увеличению размеров клеток, цветов, плодов, количества зерна, зеленой массы, содержания белка, сахара в плодах и корнеплодах, иногда к повышению устойчивости к вредным воздействиям и заболеваниям. У позвоночных и многих беспозвоночных полиплоидия встречается редко. Она может привести к гибели организма уже на ранних стадиях развития. Первые исследования полиплоидии были проведены И.И. Герасимовым в 1898-1901 гг. Ему удалось получить тетраплоидные клетки у водоросли спирогиры. Аллополиплоидия впервые была описана советским ученым Г.Д. Карпеченко в 1927 г. Ему удалось получить плодовитый гибрид редьки и капусты. В клетках этих растений содержится одинаковый по количеству набор хромосом, но они негомологичны. Гетероплоидия, или анеуплоидия, некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2п+1). Впервые была обнаружена К. Бриджесом (1916 г.) у дрозофилы. В настоящее время она известна у многих видов животных и растений. Возникает гетероплоидия в результате нерасхождения отдельных пар гомологичных хромосом в мейозе. При этом в одной гамете могут оказаться сразу две хромосомы из пары, а в другую не попадет ни одной. Существует несколько разновидностей анеуплоидии:
Гетероплоидия сопровождается значительными фенотипическими изменениями. У людей при этом обнаруживаются множественные дефекты физического и умственного развития. Описана гетероплоидия у растений (пшеница, табак, кукуруза) и некоторых домашних животных. У гетероплоидов также нарушен гаметогенез, но вместе с тем у них могут образовываться нормальные гаплоидные половые клетки. Геномные мутации всегда проявляются фенотипически и легко обнаруживаются цитогенетическими методами. Характеристика мутаций на тканевом уровне Соматические мутациипроисходят в соматических клетках, передаются по наследству только при вегетативном размножении и проявляются у самой особи (разный цвет глаз у одного человека, белая прядь волос, опухоли).Эти мутации затрагивают лишь часть клеток и мозаично проявляются в фенотипе. Потомство одной мутантной соматической клетки называется клоном. Особи, несущие соматическую мутацию называются мозаиками или химерами.Соматические мутации не играют какой-либо роли в процессе эволюции, поскольку при размножении половым путем не закрепляются в потомстве. Однако в селекции часто используют такие мозаики, у которых проявились хозяйственно полезные признаки и свойства. Например, И.В. Мичурин из соматической мутации (на дереве обычной антоновки развилась ветвь с очень крупными плодами) вывел сорт Антоновки шестисотграммовой. Нарушения наследственных структур в половых клетках на разных стадиях гаметогенеза называются генеративными мутациями (гемофилия, фенилкетонурия). При их возникновении на ранних стадиях гаметогенеза мутантная клетка может размножиться и в потомстве появится ряд особей с одинаковым мутантным фенотипом. Несколько одинаковых мутаций можно наблюдать у особей, дающих многочисленное потомство (растения, насекомые, мыши, кролики и др.). Такие мутации называют «пучковыми». Генеративные мутации наследуются при половом размножении и играют роль в эволюции. Они изменяют физиологические и биохимические свойства организма и оказывают влияние на его жизнеспособность. Мутация на уровне организма По характеру изменения фенотипа все мутации можно разделить на следующие группы.
Мутации гена, затрагивающие морфологические, физиологические и биохимические признаки, могут идти в двух направлениях: от дикого типа к мутантному(прямая мутация) и от мутантного к дикому (обратная мутация). Чаще происходят прямые мутации. В 1928 г. В. Бэтсон выдвинул теорию «присутствия - отсутствия», согласно которой все мутации обусловливаются потерей (нехваткой) отдельных генов. Такой механизм мутаций наблюдается, когда обратные мутации вообще не возникают. Иногда обратную мутацию одного гена имитирует мутация другого гена, подавляющая действие ранее возникшей мутации. Это явление называется супрессией. Прямые мутации чаще всего рецессивны. Фенотипически они проявляются не сразу, для этого требуется выщепление их в гомозиготном состоянии. Обратные и небольшая часть прямых мутаций обычно доминантны, т.е. имеют фенотипическое выражение в гетерозиготном состоянии у особей или в их потомстве. Фенотипическое выражение мутации зависит прежде всего от индивидуальных особенностей организма и его генотипа, а также от факторов внешней среды. Варьирование степени выраженности мутации в зависимости от генотипа и факторов внешней среды называется экспрессивностью мутации. В группе особей, несущих одинаковую мутацию, экспрессивность мутации может быть различной - от четкой фенотипической выраженности до полного ее отсутствия. Процент особей с фенотипическим выражением мутации по отношению к общему числу всех особей, несущих такую мутацию, называетсяпенетрантностью мутации. Мутации на популяционном уровне Считается, что любая мутация вредна, так как нарушает взаимодействие организма со средой. Однако некоторые мутации вызывают незначительные изменения в организме и не представляют особой опасности для жизни. Такие мутации не препятствуют размножению особей и способны накапливаться в популяциях. По исходу для организма мутации бывают:
По причинам, вызвавшим мутации, их подразделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные (самопроизвольные) мутациипроисходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека, например наследственные болезни обмена веществ. Их причинами являются ошибки репликации и репарации ДНК, действие перекисей и альдегидов, образующихся в организме, различные виды естественных излучений. Индуцированные мутации–результат направленного воздействия определенных мутагенных факторов. Впервые они были получены в 1925 г. Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым при облучении грибов радием. |