Мутационная изменчивость
Лекция 6. Мутационная изменчивость
Ч.Дарвин справедливо считал, что одним из ведущих факторов эволюции является неопределенная наследственная изменчивость, которая в современном понимании соответствует мутационной изменчивости. Все признаки и свойства живых организмов могут быть подвержены мутационной изменчивости. Они могут усилить или уменьшить проявление любого признака, изменить характер его проявления, обусловить возникновение нового признака или свойства. Детальное изучение любого вида животных показывает наличие у них различного рода мутационных изменений. У дрозофилы в каждом поколении 25% откладываемых яиц содержат те или иные мутации. Не всякая мутация может проявиться, так как большинство из них рецессивные и в гетерозиготном состоянии не проявляются, а накапливаются в панмиктических популяциях в скрытом состоянии.
Н.П.Дубинин считает, что важную роль в наследственной изменчивости играют мутации структурных генов, а также преобразования в регуляторной области и в избыточной части ДНК. Все это способствует возникновению малых мутаций, накапливающихся в геноме. Частота возникновения малых мутаций значительно больше, чем макромутаций, возникающих в результате хромосомных перестроек. В целом хромосомные мутации имеют меньшее значение в эволюции, так как часто являются причиной стерильности особей из-за нарушения коньюгации гомологичных хромосом в мейозе. Важное значение в эволюции растений имеют геномные мутации – ауто- и аллополиплоидия.
Термин «мутация» был введен в генетику Г.де Фризом, голландским ученым, который в течение многих лет (1886-1901) изучал явление наследственной изменчивости у растения энотеры. Мутациями (от лат.mutatio – изменение, перемена) называют наследственные изменения признака, органа или свойства, обусловленные изменениями наследственных структур.
Мутации (Гершензон С.М., 1991) – это внезапные изменения генетического аппарата организма, приводящие к тем или иным изменениям его морфологических, физиологических или биохимических признаков (в совокупности называемых фенотипом организма). Мутации, возникающие в половых клетках (генеративные мутации), передаются по наследству, а мутации происходящие в клетках тела (соматические мутации), нередко приводят к генетической мозаичности (мозаичность эритроцитов вследствие анастомозов кровеносных сосудов, что вызывает бесплодие телочек – фримартинки). Те части развивающегося организма, которые образовались из несущей мутацию клетки (мутантной), оказываются измененными, другие же его части остаются неизменными. Соматические мутации у животных по наследству не передаются. Все мутации обязаны изменениям, происходящим в генетическом аппарате организма, в первую очередь в хромосомах клеточного ядра и находящихся в них генах, а также в генетическом аппарате внеядерных цитоплазматических структур (митохондрии, плазмиды), имеющихся в клетках.
Ф. Хатт в книге «Генетика животных»(1969) описывает мутации у различных видов сельскохозяйственных животных и птиц. В разведении животных особое внимание уделяют появлению нежелательных, вредных, летальных или полулетальных мутаций. Это бесшерстность, беззубость, укорочение позвоночника, укорочение нижней челюсти, сращение ноздрей, недоразвитие мозжечка - у крупного рогатого скота. Изогнутость передних конечностей, частичное отсутствие кожи, бесшерстность - у лошадей. Отсутствие конечностей, волчья пасть, паралич задних конечностей, дефекты строения копыт - у свиней. Уродливый череп, отсутствие конечностей, бесшерстность, дефекты строения копыт - у овец. Особенно много летальных мутаций описано у кур: коротконогость (ползающие куры), карликовость, отсутствие верхней или нижней части клюва, двупалость, отсутствие оперения, слепота. Большая часть мутаций у животных обусловливает патологическое развитие органов. Вместе с тем некоторые мутации используются человеком при создании новых пород норок, имеющих ценную окраску меха, разведение курчавоперых кур, серых каракульских овец и т.д.
Н.И.Вавиловым в 1935 г. был установлен закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости:
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 виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости.
2. Целые семейства растений, в общем, характеризуются определенным циклом изменчивости, входящей через все роды и виды, составляющее семейство»
Этот закон полностью соответствует характеру мутационной изменчивости и у животных. Особое значение имеет этот закон при получении индуцированных мутаций.
Рекомендуемые материалы
Мутагенез- это процесс возникновения мутаций. Мутагенез может быть спонтанным (без вмешательства человека) и индуцированным (вызывают искусственно, воздействуя на организм специальными факторами, называемыми мутагенами). Растение, животное, микроорганизм у которого произошла мутация, называют мутантом.
Индуцированные мутации были изучены в 1927 г. американским генетиком Г.Меллером (при воздействии ультрафиолетовыми лучами на плодовую мушку дрозофилу), в СССР Сахаровым В.В., Лобашовым М.Е., Гершензоном С.М., Раппопортом И.А. Ультрафиолетовые лучи вызывают разнообразные повреждения нуклеиновых кислот, из которых наибольшее мутагенное значение имеют гидратация пирамидинов, особенно цитозина, и образование димеров пиримидинов, главным образом тимина. Гидратация цитозина, заключающаяся в присоединении воды к двойной связи между атомами углерода, приводит к появлению урацила, спаривающегося не с гуанином, а с аденином. Кроме того, гидратированные пиримидины образуют сшивки с белками, следствием чего может быть потеря отдельных нуклеотидов. Димеры пиримидинов ведут к таким же мутациям, потому что димер не спаривается ни с одним основанием и при репликации ДНК в синтезируемой новой нити напротив димера остается незаполненная брешь. Имеют место разрывы углеводно-фосфатного остова и некоторые другие изменения структуры молекул нуклеиновых кислот.
Мутагены делят на физические – это ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы (электроны и протоны), нейтроны, альфа-частицы) и химические – это алкилирующие соединения (диметилсульфат, иприт – горчичный газ, этиленимин, N-нитрозоалкилмочевина, нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочесина), аналоги азотистых оснований, акридиновые красители, уретан, формальдегид. Мутагенны некоторые лекарства – кофеин, тиотэф, актиномицин, гикантон; некоторые инсектициды и гербициды – ДДТ, каптан, линдан, гидразин малеиновой кислоты, отдельные косметические средства – химические красители для волос и лаки для волос содержащие винилхлорид. К слабым мутагенным добавкам относится нитрит натрия, афлотоксин, производные нитрофурана. Ионизирующие излучения вызывают необратимые изменения генетического аппарата. Летальная доза для мыши составляет 600Р, для человека – 700Р. Еще различают критическую и стимулирующую дозы. Химические мутагены вызывают образование злокачественных опухолей у животных и человека.
Установлено, что мутагенными свойствами обладают вирусы. При патологических изменениях в зараженных вирусами клетках животного особенно часто встречаются хромосомные аберрации, главным образом разрывы хромосом, а также генные мутации. Данные показали значительное повышение частоты наследственных дефектов у детей, рожденных матерями, болевшими краснухой (вирусная болезнь) перед зачатием или в начале беременности. Сходные данные получены и для вируса гриппа.
Мутагенными свойствами обладают аттенуированные (ослабленные, потерявшие заразность) вирусы, используемые в качестве живых вирусных вакцин, которыми ежегодно иммунизируются многие миллионы детей для предотвращения их заражения полиомиелитом, корью. Но поскольку есть веские основания считать, что мутагенность вирусов определяется содержащейся в них нуклеиновой кислотой, а не вирусными белками, было бы очень желательно освобождать вирусные вакцины от нуклеиновой кислоты.
Особенности мутаций
1. Мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными;
2. Мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, могут быть рецессивными и доминантными;
3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными. Мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций (Ригер Р., Михаэлис А., 1967). В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции;
4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
Классификация мутаций
1. Геномные (полиплоидия)
А) Гаплоидия
Б)Эуплоидия
- автополиплоидия
- аллоплоидия
В). Гетероплоидия
2. Хромосомные аберации
- делеция
- дефишенси
- инверсия
- дупликация
- фрагментация
- транслокация
- транспозиция
3. Генные
- замена нуклеотидов в ДНК
- вставка или выпадение нуклеотидов в ДНК
Полиплоидия – это геномная мутация, обусловленная изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Полиплоидия чаще встречается у растений и является защитной реакцией организма (в горах больше полиплоидных растений). Полиплоиды отличаются от диплоидов плодовитостью. Гаплоиды – это организмы, которые имеют одинарный набор хромосом. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (п), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках – гаметах. Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении.
Эуплоиды (истинные полиплоиды) – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Автополиплоиды – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду (триплоиды (3 п число хромосом), тетраплоиды (4п), пентаплоиды (5п), гексаплоиды (6п) и т.д.). Автополиплоидия обуславливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным типам. У полиплоидов увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Аллополиплоиды – межвидовые полиплоиды, в кариотипе которых содержаться удвоенные наборы хромосом разных видов. Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и межродовые гибриды, как правило бесплодны.
Гетероплоиды – или анеуплоиды – это организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов может быть отсутствие разделения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. В зависимости от числа дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п-112 – моносомик, 2п-212 – нуллисомик, 2п+15 – трисомик, 2п+25 – тетрасомик. Нижний индекс указывает номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.
Полиплоидия у животных встречается крайне редко. Например, золотистый хомячок в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. У аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. Бычий гипогонадизм характеризуется трисомией по половой Х-хромосоме. Такие бычки отстают в росте и развитии, характеризуются недоразвитием вторичных половых признаков и сниженным уровнем спермопродукции вплоть до ее отсутствия.
У людей установлены и описаны следующие болезни (синдромы полиплоидии): синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. Характерна многопалость (полидактилия), пороки внутренних органов (перегородки сердца), головного мозга и высокая ранняя смертность. Синдром Дауна обусловлен трисомией по 21-1 хромосоме. Частота встречаемости 1:700-800 рождений. Характерна умственная отсталость, разболтанность суставов, пороки формы головы и лица. Моносомия по Х-хромосоме обуславливает синдром Шершевского-Тернера. Характерно бесплодие ( так как у таких женщин нет яичников), недоразвитие половых признаков, низкий рост. Отмечены случаи рождения мужчин только с одной Х-хромосомой, а У-хромосома отсутствует в результате анеуплоидной мутации. В медицине этот синдром называется Клайнфелтера. Характерно недоразвитие семенников, евнухоидное телосложение. Трисомия по хромосоме 8 приводит к ряду аномалий – косоглазию, дефектам в строении ногтей, увеличению носа и ушей, умственной отсталости. Нуллисомия (полное отсутствие какой-либо хромосомы) для человека смертельно. Нуллисомия по той или иной хромосоме может привести к гибели, и связана с фенотипическими изменениями.
Огромное большинство генов организма строго локализовано, каждый ген находится в определенном месте одной из хромосом. С помощью генетических и цитологических методов для каждой хромосомы можно составить ее генную карту. Только некоторые так называемые мобильные генетические элементы («прыгающие гены») могут быть разбросаны в разных местах хромосом и способны время от времени перемещаться в другие места той же или другой хромосомы.
Рассмотрим хромосомные аберрации (перестройки).
Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. Если хромосома находится в состоянии одиночной нити (период G1 интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации. Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити (период G2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки.
Различают внутри- и межхромосомные аберрации.
Внутрихромосомные аберрации.
Делеция – выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка возникает концевая делеция – дефишенси. Когда делеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, например желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делеции вызывают гибель организма. Иллюстрацией вредного действия крупных делеций может служить хронический миелоз у человека. Это тяжелая форма белокровия, характеризующаяся безудержным размножением некоторых видов лейкоцитов, вызывается очень крупной делецией в одной из аутосом 21-й пары.
Инверсия – возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180 о. Инверсия не влияет на фенотип особи. Гетерозиготность по инверсии сильно мешает в мейозе нормальной коньюгации и образуются анеуплоидные половые клетки. У гомозиготных по инвертированной хромосоме особей коньюгация в мейозе протекает нормально. Результатом инверсии могут быть гетероплоидные потомки или бесплодие. Инверсии часто встречаются в природе. Особенно много получено данных о распространении инверсий в популяциях разных видов мух, комаров и мошек, у которых инверсии легко обнаружить в хромосомах слюнных желез, где они имеют огромные размеры и ясно выраженную структуру.
Дупликация – удвоение участка хромосомы. Характерны слабые фенотипические проявления. В эволюционном плане дупликации обогащают генотипы новыми генами (полосковидные глаза у дрозофилы при дупликации гена Bar).
Межхромосомные аберрации.
Транслокация- обмен участками между негомологичными хромосомами. У особей гетерозиготных по транслокации нарушается коньюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы (или ранняя эмбриональная смертность). Такие особи характеризуются пониженной плодовитостью или образуются гетероплоидные потомки (мутанты тутового шелкопряда, где самцы выводятся только из белых яичек и образуют более крупные коконы для шелководства).
Транспозиция (инсерция)- это вставка в какое-либо место хромосомы мобильного генетического элемента (мгэ), перенесенного туда из другого места той же или другой хромосомы. В геноме организма может присутствовать несколько разных мгэ в сумме они могут составлять 10-15 % генома. Мутации, вызываемые транспозицией, иногда нестойки (ревертируемы). Для бактерий показано, что транспозиции мгэ могут происходить между близкими видами, а также между бактериальной хромосомой и геномом заразившего ее вируса (фага).
Фрагментация – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно. Обуславливает возникновение летальных мутантов.
Информация в лекции "Эпоха дворцовых переворотов" поможет Вам.
Генные, или толчковые мутации – это изменение структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы (или стойкие изменения отдельных генов). У любого организма генные мутации приводят к чрезвычайно разнообразным изменениям всевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков. У бактерий генные мутации изменяют цвет и форму колоний, подвижность клеток, темп их деления, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к высокой температуре, лекарственным веществам, восприимчивость к заражению фагами, способность расти на неполноценной питательной среде, токсичность и т.д. У дрозофилы в результате генных мутаций изменяются цвет, размер и строение глаз, размер, форма и жилкование крыльев, строение брюшка, груди, ног и усиков, число, толщина и форма щетинок, плодовитость, продолжительность жизни, быстрота выработки условных рефлексов. Картина генных мутаций в общих чертах универсальна для всех живых существ.
Генные мутации могут быть доминантными, рецессивными или полудоминантными. Примером может служить доминантная мутация у дрозофилы, вызывающая развитие щетинок на жилках крыльев мухи. Различный характер редукции щетинок на теле дрозофилы вызывали множественные аллели гена scut – sc1,sc2,sc3. Впервые множественный аллелизм был установлен в 1930 г. А.С.Серебровским, Н.П.Дубининым и Б.П.Сидоровым у дрозофилы. Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же локуса (гена), обусловленное толчковыми мутациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате толчковой мутации, называют множественными аллелями. Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина – белка, необходимого для образования сложных молекул гемоглобина крови. Известно 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множественных аллелей. В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое наследственное заболевание – серповидно-клеточную анемию.
Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация. Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолетовыми лучами. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии четырех типов ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК (эндонуклеаза-обследует, эндонуклеаза-расширяет участок ДНК, ДНК-полимераза - синтезирует, лигаза – скрепляет синтезированные ДНК).
Генетические различия в активности репарирующих ДНК-ферментов представляет одну из главных причин разной устойчивости организмов к действию мутагенов, в частности ионизирующей радиации и ультрафиолетовых лучей. Подобные различия существуют не только между генотипически неодинаковыми особями в пределах вида, но и между равными видами. Так, у человека известна врожденная болезнь, называемая пигментной ксеродермией. Кожа таких людей ненормально чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментными пятнами, изъязвляется, а иногда процесс приобретает злокачественный характер (рак кожи). Пигментная ксеродермия вызывается мутацией, инактивирующей ген, ответственный за синтез фермента, репарирующего повреждения ДНК кожных клеток ультрафиолетовой частью солнечных лучей.
Знание разных типов мутаций и причин их возникновения необходимо для практической селекции микроорганизмов, возделываемых растений и домашних животных, а также для ветеринарной медицины и медицины с целью диагностики, предупреждения и изыскания способов лечения болезней животных и человека.
Наиболее разительны успехи в селекции бактерий и грибов – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 – повысилась в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Искусственное вызывание мутаций используется и экономически оправданно в селекции растений. Пшеница, рожь, кукурузу, ячмень и другие культуры превосходят исходные формы по урожайности, содержанию белка, скороспелости, устойчивости к полеганию, к разным болезням. Советским генетиком Струнниковым В.А. разработан пригодный для практического шелководства и широко теперь внедренный способ получения у тутового шелкопряда только мужского потомства. Коконы самцов содержат на 25-30% больше шелка, чем коконы самок.
