X Міжнародна студентська наукова конференція Студентський науковий форум – 2018

МУТАЦІЙНА ЗМІННІСТЬ ЯК РУХОВА СИЛА ЕВОЛЮЦІЇ.

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Мутація (Лат. mutatio - Зміна) - стійка (тобто така, яка може бути успадкована нащадками даної клітини або організму) зміна генотипу, що відбувається під впливом зовнішнього або внутрішнього середовища Теорія мутацій становить одну з основ. генетикиЇї основні положення були розроблені голландським ученим Гуґо де Фрізом ще на початку XX ст.

Генетика (Від грец. γενητως - породжує, що походить від когось) - наука про закономірності спадковості і мінливості. -19 століть були зроблені спроби оцінити спадковість людей Мопертюї в 1750 році вперше припустив, що різні патології можуть передаватися у спадок. і австрійський учений Чермак "переглянули" закони Менделя, що й дало поштовх до розвитку генетичних досліджень.де Фрізом була створена мутаційна теорія, постулати якої справедливі і сьогодні: мутації виникають раптово, стійкі, можуть бути прямими та зворотними і, нарешті, можуть виникати повторно.

Мінливість та її значення в еволюції

Мінливість - одна із чудових властивостей живих організмів. Явище мінливості було помічено давно, відколи людина стала займатися виведенням культурних сортів рослин і порід свійських тварин.

Через війну мінливості у процесі еволюції виникають різні форми організмів, які можуть співіснувати у тому самому просторі (внаслідок різноманітності потреб). Так зростає "сума життя", що довів ще великий англійський натураліст Чарлз Роберт Дарвін.

Дарвін розрізняв два основних типи мінливості - певну і невизначену. На його думку, певна мінливість - це та, яка прямо пов'язана з впливом факторів довкілля. Така мінливість називається також груповою, оскільки всі особини даного виду, що підпадають під дію будь-якого фактора, змінюються подібним чином (наприклад, багато тварин середніх широт біліють з настанням зими, всі рослини при хорошому мінеральному та органічному харчуванні виростають більшими і т.п. .).

Невизначена мінливість залежить прямо від дії зовнішніх чинників, чи, за образним висловом Ч. Дарвіна, залежить від нього трохи більше, ніж характер полум'я залежить від характеру іскри, якої був запалений вогонь. Дарвін зібрав багато прикладів таких раптово виникаючих, іноді корисних, частіше - непотрібних для виду, невизначених змін, які потім закріплювалися в наступних поколіннях (завдяки природному відбору).Механізм виникнення таких змін, а також вчення його сучасника Менделя про спадковість, про домінування одних ознак з інших Дарвіну були відомі.

Мінливість, яку Ч. Дарвін називав певною, згодом отримала назву модифікаційної мінливості. Те, що в термінології Ч. Дарвіна називалося невизначеною мінливістю, у сучасних термінах є спадковою, чи генотипною, мінливістю.

Різноманітні поєднання модифікаційної і генотипічної мінливостей дають величезний простір дії найголовнішого чинника еволюції - природного добору. Відбору завжди є із чого вибирати. У природі під впливом відбору будь-який вид живих організмів може згодом змінитися або дати початок новим видам, з іншими ознаками та властивостями.

Генотипова мінливість - зміни, що відбулися в структурі генотипу і передаються у спадок. До цього типу мінливості відносять комбінативну та мутаційну мінливості, які ведуть до збільшення внутрішньовидового розмаїття у природі. Передбачалося, що саме мінливості таких типів мутацій і відіграли важливу роль світової еволюції.

Комбінативна мінливість виникла з появою статевого розмноження, вона пов'язана з різними варіантами перекомбінації батьківських задатків і є джерелом нескінченного розмаїття ознак, що поєднуються. Так, діти, народжені у час у однієї батьківської пари, схожі, але завжди відрізняються низкою ознак. Кобінативна мінливість обумовлюється імовірнісною участю гамет у заплідненні, що мають різні перекомбінації хромосом батьків.При цьому мінімальне число можливих сортів гамет у чоловіків і жінок величезне, воно дорівнює 223 (без урахування кросинговеру). Тому ймовірність народження землі двох однакових людей мізерно мала.

Великий внесок у комбінативну мінливість робить саме кросинговер, що призводить до утворення нових груп зчеплення завдяки рекомбінації алелів. При цьому можлива кількість генотипів (g) дорівнює:

g=[r(r+1)] n r – число алелів

Цей закон остаточно був сформульований в 1908 англійським математиком Харді та німецьким лікарем-біологом Венбергом. І тепер цей закон має ім'я закон Харді-Венберга.

Мутаційна мінливість - це стрибкоподібні та стійкі зміни генетичного матеріалу, що передаються у спадок, вона принципово відрізняється від комбінативної, тому що при цьому відбувається зміна генетичного матеріалу, тоді як комбінативна мінливість - це нове поєднання батьківських генів у зиготі.

Англійським ученим вдалося показати, що мутації, спричинені радіаційним випромінюванням, було виявлено у третьому поколінні лабораторних мишей. В експерименті вчені піддавали опроміненню рентгенівськими променями групу мишей-самців двох різних ліній. Після цього вчені схрещували опромінених самців з неопроміненими самками та визначали рівень мутацій у їхнього потомства. Було показано, що і діти, і онуки опромінених самців несли зміни у послідовності ДНК і демонстрували вищий рівень мутацій проти мишами дикого типу. Вчені вважають, що факт успадкування мутацій викликає певні побоювання, оскільки це може збільшити ризик розвитку раку чи інших захворювань. У людей генетична різноманітність набагато вища, ніж у мишей, що використовуються в експерименті.Тому те, що успадкування мутацій у людей досі не виявлено, не означає, що його немає. Хоча попередні дослідження, проведені серед сімей, які постраждали під час ядерного бомбардування Хіросіми та аварії на ЧАЕС, не виявили успадкування мутацій, але на думку вчених, картування людського геному може допомогти виявити мутації, що наслідують.

Мутаційна теорія була створена Гуго де Фрізом у 1901-1903 роках. На основних її положеннях будується сучасна генетика: мутації, дискретні зміни спадковості в природі спонтанні, мутації передаються у спадок, зустрічаються досить рідко і можуть бути різних типів. Залежно від того, яка ознака покладена в основу, на сьогоднішній день існує кілька систем класифікації мутацій.

Класифікація мутацій

1. За способом виникнення. Розрізняють спонтанні та індуковані мутації Спонтанні відбуваються в природі вкрай рідко з частотою 1-100 на мільйон екземплярів даного гена. В даний час очевидно, що спонтанний мутаційний процес залежить як від внутрішніх, так і зовнішніх факторів, які називають мутаційним тиском середовища.

Індуковані мутації виникають при впливі на людину мутагенами-факторами, що викликають мутації. Мутагени ж бувають трьох видів:

· Фізичні (радіація, електро - магнітне випромінювання, тиск, температура і т.д.)

· Хімічні (цитостатики, спирти, феноли і т.д.)

· Біологічні (бактерії та віруси)

2. По відношенню до зародкового шляху. Існують соматичні та генеративні мутації. Генеративні мутації виникають у репродуктивних тканинах і тому не завжди виявляються.Для того щоб виявилася генеративна мутація, необхідно, щоб мутантна гамета брала участь у заплідненні.

3. За адаптивним закінченням. Виділяють позитивні, негативні та нейтральні мутації. Ця класифікація пов'язана з оцінкою життєздатності мутанта, що утворився.

4. За зміною генотипу. Мутації бувають генні, хромосомні та геномні.

5. По локалізації у клітині. Мутації поділяються на ядерні та цитоплазматичні. Плазматичні мутації виникають в результаті мутацій в плазмогенах, що знаходяться в мітохондріях. Вважають, що саме вони призводять до чоловічої безплідності. Причому такі мутації переважно успадковуються по жіночій лінії.

Існує кілька класифікацій мутацій за різними критеріями. Меллер запропонував ділити мутації характером зміни функціонування гена: на гіпоморфні (змінені алелі діють у тому напрямі, як і алелі дикого типу; синтезується лише менше білкового продукту), аморфні (мутація виглядає як повна втрата функції гена, наприклад, мутація white у Drosophila), антиморфні (мутантна ознака змінюється, наприклад, забарвлення зерна кукурудзи змінюється з пурпурової на буру) і неоморфні.

У сучасній навчальній літературі використовується більш формальна класифікація, заснована на характері зміни структури окремих генів, хромосом і геному в цілому. У межах цієї класифікації розрізняють такі види мутацій:

● Генні мутації

Генні (точкові) мутації торкаються, як правило, одного або декількох нуклеотидів, при цьому один нуклеотид може перетворитися на інший, може випасти (делеція), продублюватися, а група нуклеотидів може розгорнутися на 180 градусів.Наприклад, широко відомий ген людини, відповідальний за серповидно-клітинну анемію, який може призвести до смерті. Відповідний нормальний ген кодує один з поліпептидних ланцюгів гемоглобіну. У мутантного гена порушено лише один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результаті в ланцюзі гемоглобіну одна амінокислота замінена на іншу (замість глутаміну - валін). Здавалося б нікчемна зміна, але вона тягне у себе фатальні наслідки: еритроцит деформується, набуваючи серповидно – клітинну форму, і не здатний транспортувати кисень, що призводить до загибелі організму. Генні мутації призводять до зміни послідовності амінокислотної білка. Найбільш ймовірне мутація генів відбувається при спарюванні тісно пов'язаних організмів, які успадкували мутантний ген у загального предка. Тому ймовірність виникнення мутації підвищується у дітей, чиї батьки є родичами. Генні мутації призводять до таких захворювань, як амавротична ідіотія, альбінізм, дальтонізм та ін.

Цікаво, що значущість нуклеотидних мутацій усередині кодону нерівнозначна: заміна першого і другого нуклеотиду завжди призводить до зміни амінокислоти, третій зазвичай не призводить до заміни білка. Наприклад, "Мовча мутація"- зміна нуклеотидної послідовності, яка призводить до утворення схожого кодону, в результаті амінокілотна послідовність білка не змінюється.

● Хромосомні мутації

Хромосомні мутації призводять до зміни числа, розмірів та організації хромосом, тому їх іноді називають хромосомними перебудовами. Хромосомні перебудови поділяються на внутрішньо- та міжхромосомні. До внутрішньохромосмних належать:

· Публікація - одна з ділянок хромосоми представлений більше одного разу.

· Делеція - втрачається внутрішня ділянка хромосоми.

· Інверсія - повороти ділянки хромосоми на 180 градусів.

Міжхромосомні перебудови (їх ще називають транслокації) поділяються на:

· Реципрокні – обмін ділянками негомологічних хромосом.

· Нереципрокні - зміна положення ділянки хромосоми.

· Дицентричні - злиття фрагментів негомологічних хромосом.

· Центричні - злиття центромір негомологічних хромосом.

Хромосомні мутації проявляються у 1% новонароджених. Проте цікаво дослідження показали, що нестабільність соматичних клітин здорових донорів не виняток, а норма. У зв'язку з цим було висловлено гіпотезу у тому, що нестабільність соматичних клітин слід розглядати як як патологічний стан, а й як адаптивну реакцію організму на змінені умови внутрішнього середовища. Хромосомні мутації можуть мати фенотипічні явища. Найбільш поширений приклад - синдром "Котячого крику" (плач дитини нагадує нявкання кішки). Зазвичай носії такої делеції гинуть у дитинстві. Хромосомні мутації часто спричиняють патологічні порушення в організмі, але в той же час хромосомні перебудови зіграли одну з провідних ролей в еволюції. Так, у людини 23 пари хромосом, а у мавпи - 24. Таким чином, відмінність складає всього одна хромосома. Вчені припускають, що в процесі еволюції відбулася хоча б одна перебудова. Підтвердженням цього може бути і той факт, що 17 хромосома людини відрізняється від такої ж шимпанзе хромосоми лише однією перецентричною інверсією. Такі міркування багато в чому підтверджують теорію Дарвіна.

● Геномні мутації

Головна відмінність геномних мутацій пов'язана з порушенням числа хромосом в каріотипі. Ці мутації також поділяються на два види: поліплоїдні анеуплоїдні.

Поліплоїдні мутації ведуть до зміни хромосом у каріотипі, яка кратна гаплоїдному набору хромосом. Цей синдром вперше був лише виявлений у 60-х роках. Взагалі поліплодія характерна в основному для людини, а серед тварин зустрічається дуже рідко. При поліплоїдії число хромосом у клітині налічується по 69 (трипліддя), а іноді і по 92 (тетраплідність) хромосоми. Така зміна веде майже до 100% смерті зародка. Триплід має не лише численні вади, а й призводить до втрати життєздатності. Тетрапліддя зустрічається ще рідше, але так само часто призводить до смерті.

Анеуплоїдні ж мутації призводять до зміни числа хромосом у каріотипі, неразове гаплоїдному набору. Внаслідок такої мутації виникають осиби з аномальним чилом хромосом. Як і триплідність, анеуплодія часто призводить до смерті ще на ранніх етапах розвитку зародка. Причиною таких наслідків є втрата цілої групи зчеплення генів у каріотипі.

В цілому ж механізм виникнення геномних мутацій пов'язаний з патологією порушення нормального розходження хромосом в мейозі, в результаті чого утворюються аномальні гамети, що і веде до мутації. Зміни в організмі пов'язані із присутністю генетично різнорідних клітин. Такий процес називається мозаїцизм.

Геномні мутації одні з найстрашніших. Вони ведуть до таких захворювань, як синдром Дауна (трисомія, що виникає з частотою 1 хворий на 600 новонароджених), синдром Клайнфельтера та ін.

Висновок

Мутаційний процес є основним джерелом змін, що призводить до різних патологій. Завдання науки на найближчі час визначаються як зменшення генетичного вантажу шляхом запобігання або зниження ймовірності мутацій і усунення змін, що виникли в ДНК, за допомогою генної інженерії. Генна інженерія - новий напрямок у молекулярній біології, що з'явився останнім часом, який може в майбутньому звернути мутації на користь людині, зокрема ефективно боротися з вірусами. Вже зараз існують речовини, які називаються антимутагенами, які призводять до послаблення темпів мутування. Успіхи сучасної генетики знаходять застосування у діагностиці, профілактиці та лікуванні низки спадкових патологій. Так, у 1997 році в США було отримано рекомбінативну ДНК. За допомогою генної інженерії вже сконструйовано штучні гени інсуліну, інтерферону та інших речовин.

Література

1. Біологія / Упоряд. З.А.Власової. - М., Філологічне товариство "Слово",

2. Компанія "Ключ-С", ТКО АСТ, Центр гуманітарних наук при факультеті журналістики

3. МДУ ім. М,В,Ломоносова, 1995 - 576 с.

4. Біологія. Великий енциклопедичний словник/Гол. ред. М.В.Гіларов. - 3-тє вид. - М., Велика Російська енциклопедія, 1998. - 864 с., іл., 30 л цв.

5. Заєць Р.Г. та ін. Посібник з біології для абітурієнтів / Р.Г. Заєць, І.В.

6. Рачковська, В.М. Стамбрівська. - 4-те вид. – Мінськ, Вища школа, 1998 – 510 с.

7. Навчальний посібник з основ генетики/І.П. Карузіна. – М., Медицина, 1976. – 224 с., іл.

8. Енциклопедія дітей: т.2 Біологія. - 4-те вид., Випр. – М., Аванта Плюс, 1997. – 668 с., іл.

9. Основи генетики людини Н.Н.приходченко, Т.П.Шкурат. "Фенікс" 1997р.

10. Айала Ф., Кайгер Дж.Сучасна генетика 3 томи. М., " Світ " ,1988г.

11. Гілберт З. Біологія розвитку 3 томам., " Світ " , 1993г.

12. Головачов Г.Д. Спадковість людини., Т., " Наука " , 1983г.

13. Дубінін Н.П. Нове у сучасній генетики М, " Наука " , 1989г.

14. Грін Н., Стаут У., Тейлор Д., Біологія 3 томи, М, "Світ", 1990р.

Мутаційна мінливість

Дослідниками давно було помічено, що в організмів іноді виникають раптові, не спричинені схрещуванням, зміни ознак, що передаються у спадок. Слово мутація у перекладі з латинської (mutatio) і означає зміну. Ці зміни відбуваються з усіма видами та мають велике значення як фактор еволюції.

Мутаційна теорія

Мутаційна мінливість була вивчена наприкінці 19 – на початку 20 століть Гуго де Фрізом. Він спостерігав рослину ослинник і зауважив, що він порівняно часто виникають нові властивості. Де Фріз ввів для позначення цих змін термін "мутація".

Спочатку було відомо, які структури клітини перебудовуються при мутаційної мінливості. Але пізніше було виявлено, що у великих форм ослинника 28 хромосом, тоді як у звичайних лише 14.

Стало ясно, що мутації - це зміни в генотипі і тому є видом спадкової мінливості.

Закріплення зміни у потомстві при мутаціях – головна відмінність від модифікаційної мінливості, коли зміни проявляються лише у фенотипі.

які читають разом з цією

З іншого боку, у разі мутаційної мінливості значно розширюється норма реакції, т. е. межа прояви ознаки. Як наслідок, частіше відбуваються шкідливі мутації, що викликають зміни, які не сумісні з життям.

Мутації також можуть бути корисними та нейтральними.

Причини мутацій

Чинник, що викликає мутації, називається мутагеном. Організм, що має мутацію – мутант.

До мутагенів відноситься:

• радіація (зокрема, природна);
• деякі хімічні речовини;
• коливання температури.

Види мутацій

Виділяють три види мутацій:

Генні

Генні мутації викликають порушення білкового синтезу, оскільки змінюють або обезмислюють кодони.
При цих мутаціях відбувається:

• заміна азотистих основ у ДНК;
• випадання або вставка азотистої основи у ДНК.

Хромосомні

До цього виду мутацій відносять:

• втрату ділянки хромосоми;
• подвоєння фрагмента хромосоми;
• переміщення фрагментів хромосом за їх довжиною;
• перехід фрагмента однієї хромосоми до складу іншої;
• поворот ділянки у хромосомі

Як правило, такі зміни знижують життєздатність та плідність особин.

У всіх тварин сімейства котячих 36 хромосом. Відмінності між видами генотипу обумовлені поворотами ділянок хромосом.

Геномні

При геномних мутаціях відбувається кратне збільшення числа хромосом. Такі мутанти називаються поліплоїдами і широко використовуються в сільському господарстві, тому що більш продуктивні.

Багато сортів зернових, які ми вживаємо в їжу, є поліплоїдами.

У Новосибірській та Нижегородській областях Росії росте триплоїдна (3n) осика, яка відрізняється від звичайної швидкістю зростання, великими розмірами, а також міцністю деревини та її стійкістю до дії грибів.

Значення мутацій

Здатність до мутаційної мінливості - природна властивість будь-якого виду. Мутації є джерелами спадкової мінливості, важливим чинником еволюції.

Особливо часто корисні прояви мутацій спостерігаються у рослин.На думку деяких генетиків, більшість видів рослин є поліплоїдами.

Людина використовує мутації у боротьбі зі шкідниками сільського господарства та виведення продуктивних порід та сортів.

Багато сортів культурних рослин є прикладами мутаційної мінливості, що цілеспрямовано проводиться людиною.

Деякі спадкові захворювання є результатом мутацій.

Що ми дізналися?

Вивчаючи у 10 класі генетику, ми дали характеристику мутаційної мінливості. Мутації відбуваються у різних видів під впливом мутагенів. Зміни ознак іноді надають перевагу мутантові. Мутаційна мінливість, як із видів спадкової мінливості, є чинником еволюції.

Мутаційна мінливість - СПАДЧА (ГЕНОТИПІЧНА) ЗМІННІСТЬ - ЗМІННІСТЬ - ГЕНЕТИКА

На відміну від комбінативної мінливості, обов'язковою умовою мутаційної мінливості є якісна зміна спадкового субстрату. Через війну відбувається освіту нових алелей чи, навпаки, втрата вже існуючих. Це призводить до появи у нащадків нових ознак, відсутніх у батьків.

Основні положення теорії мутацій виклав Г. де Фріз (1901 – 1903). Саме він ввів термін мутація для позначення

стрибкоподібної, перервної зміни спадкової ознаки. Основні положення його теорії багато в чому зберегли своє значення. Тезово вони виглядають так: 1. Мутації виникають раптово, без проміжних стадій, як стрибкоподібна зміна ознаки. 2. Нові форми, що з'явилися, виявляють стійкість і передаються у спадок. 3.Мутації відрізняються від неспадкових змін тим, що не утворюють безперервних рядів і не групуються навколо певного середнього типу; мутації – це якісні зміни. 4. Мутації дуже різноманітні, серед них є як корисні для організму та виду, так і шкідливі. 5. Можливість виявлення мутацій залежить від кількості проаналізованих особин. 6. Однакові мутації можуть виникати неодноразово.

Фактичний матеріал для теорії мутацій де Фріз отримав у серії дослідів з рослиною ослинник, або енотера.

Надалі Ст. Йогансен отримав незаперечні докази появи мутацій у дослідах на чистих (гомозиготних) лініях квасолі та ячменю (1908 – 1913). Всі наступні роки мутації активно досліджувалися багатьма видатними вченими, що призвело до широкого практичного використання отриманих даних у медицині та господарській діяльності людини. Виявлено, що мутаційної мінливості схильні до всіх форм клітинних організмів, а також вірусів. В даний час терміном «мутація» прийнято означати будь-які зміни спадкового матеріалу, що передаються у спадок. Ознака, яка була до зміни, називається дикою, і змінена - мутантною.

Класифікація мутацій. Єдиної класифікації мутацій немає, і поділ спадкових змін на групи здійснюється за багатьма показниками.

За характером зміни спадкового матеріалу мутації поділяються на генні, хромосомні та геномні. Залежно від напрямку мутації бувають прямими (з дикого типу виникає мутантний) і зворотними (реверсії), коли мутація призводить до дикого типу, що існував раніше.При цьому важливо пам'ятати, що строго дикого типу в природі взагалі не буває, оскільки будь-який нині дикий аллель колись також з'явився в результаті мутації алелі раннього дикого типу, який, у свою чергу, виник подібним чином. За проявом у гетерозиготному стані генотипу мутації може бути домінантними (якщо мутантний аллель завжди проявляється) і рецесивними (якщо мутантний аллель проявляється лише у гомозиготному стані; більшість мутацій, що збереглися під час природного відбору, є саме рецесивними). Залежно від участі людини розрізняють спонтанні мутації, що виникають у природних умовах без впливу з боку людини, та індуковані (лат. inductio - наведення, спонукання) мутації, що виникли і натомість спрямованого впливу будь-яких чинників на генетичний матеріал за задумом експериментатора. За ступенем впливу на життєдіяльність організму мутації ділять на корисні, нейтральні та шкідливі (крайнім виразом такого роду мутацій є летальні мутації). Такі властивості мутацій є універсальними, т.е. е. вони застосовуються до всіх організмів.

Для окремих форм також застосовні конкретніші класифікації. Залежно від локалізації у клітині мутації можуть бути ядерними та цитоплазматичними (зміни ДНК мітохондрій та пластид у еукаріотів, а у прокаріотів – плазмід). Залежно від типу клітин: мутації, що відбуваються в соматичних клітинах, називаються соматичними (слід зазначити, що цей тип мутацій не передається потомству при статевому розмноженні), що відбуваються в статевих клітинах - генеративними.За фенотиповим проявом мутації поділяються на морфологічні, фізіологічні, біохімічні, поведінкові та ін. Крім перерахованих вище, існує чимало приватніших класифікацій мутацій, заснованих на якомусь вузькому показнику, проте ми їх залишимо поза увагою, оскільки це предмет спеціальної літератури. Нижче ми докладніше розглянемо найважливіші мутації.

Генні (точкові) мутації, або трансгенації є невизначеними цитологічними методами хімічні зміни нуклеїнової кислоти в межах окремих генів. Ці зміни можуть виражатися у порушенні пар нуклеотидів та зсуві рамки зчитування. В результаті транскрипції з'являється змінена тРНК і, відповідно, поліпептид з іншою послідовністю амінокислот при трансляції. Нагадуємо, що саме певна послідовність амінокислот визначає спеціальне структурне укладання молекули поліпептиду, що забезпечує специфічні властивості білка. Зміна послідовності нуклеотидів при генній мутації таким чином призводить до появи іншого білка з іншими функціями. Генні мутації часто є причиною спадкових хвороб, пов'язаних із зміною обміну речовин.

Найменша частина молекули нуклеїнової кислоти, зміна якої призводить до появи нової ознаки (або перетворення вже існуючого), називається мутоном. Встановлено, що мутон відповідає парі нуклеотидів у дволанцюжковій молекулі ДНК або одному нуклеотиду в одноланцюжковій молекулі нуклеїнової кислоти у вірусів. Відповідно до цього генні мутації, що охоплюють один сайт генного локусу, називаються односайтовими, кілька - багатосайтовими.В результаті генних мутацій відбувається зміна алелів генів та їх кількість у генофонді популяції (і виду загалом) зростає. Це призводить до множинного алелізму. Нагадуємо, що це поняття відноситься виключно до генофонду, оскільки окрема особина не може одночасно містити більше двох різних алелів окремого гена в гетерозиготному стані, а в гомозиготному стані обидва алелі одного гена однакові. Прикладом цього є серія алелів, що визначають забарвлення очей у дрозофіли - червона (дикий тип), біла, вишнева, абрикосова, еозинова, кольори слонової кістки і т. д. (всього більше десяти).

Генні мутації є найпоширенішими - до 10% статевих клітин у рослин та тварин мають їх. Однак ймовірність мутації окремого гена дуже мала - в середньому 10-5 - 10-7, тому високу відносну частку гамет, що несуть змінений генетичний матеріал, слід віднести до величезної кількості генів у геномі.

Як ми вже зазначали вище, генні мутації виражаються двома способами: при зміні пар нуклеотидів та при зсуві рамки зчитування. Зміна нуклеотидної послідовності може бути транзиції або трансверсії. У разі транзиції одна пуринова основа в парі нуклеотидів замінюється на іншу пуринову, а піримідинову, відповідно, на іншу піримідинову. Наприклад:

При трансверсії, навпаки, пуринова основа заміщається піримідиновим, а піримідінова, відповідно, пуриновим:

Мутації, що супроводжуються зміною або заміною основ у нуклеїновій кислоті, становлять приблизно 20% загальної кількості генних мутацій. Значно частіше відбуваються мутації, зумовлені зсувом рамки зчитування.Їх механізм полягає у випаданні наявних (делеція) чи вставки зайвих пар нуклеотидів.

Хромосомні мутації (перебудови, або аберації) є внутрішньохромосомні зміни або міжхромосомні обміни. Хромосомні перебудови зустрічаються тільки в еукаріотів, оскільки лише вони мають дискретні лінійні хромосоми. У прокаріотів і тим більше вірусів генетичний матеріал має іншу структурну організацію (див. розділи, присвячені прокаріотичній клітині та вірусам). Вони можуть виникати як спонтанно, так і під впливом мутагенів, що ініціює. У ході будь-яких хромосомних перебудов спочатку відбувається розрив хромосоми, а потім здійснюється з'єднання фрагментів. Причому виділені фрагменти або видаляються і втрачаються, або вбудовуються в ту чи іншу хромосому.

Внутрішньохромосомні перебудови є різного типу структурні зміни в межах однієї хромосоми (рис. 392). Втрата ділянки хромосоми називається делецією (або нестачею) - ABCDEFGH → ABCEFGH (виділено втрачений ген). Вперше делецію однієї з хромосом у дрозофіли виявив К. Бріджес (1917), причому це було першим відкриттям явища хромосомних мутацій взагалі. Внаслідок цієї делеції у мух з'являються вирізки краю крила. Нестача кінцевої ділянки хромосоми називається дефішенсі - ABCDEFGH → ABCDEFG (виділено втрачений ген). Нестачі хромосом можуть бути великими та малими. Великі зазвичай летальні у гомозиготному стані (або гемізиготному стані, якщо відсутня ділянка єдиної Х-хромосоми у чоловіків).Причина цього, очевидно, у тому, що з делеції втрачається дуже багато генів, визначальних розвиток органів прокуратури та реалізацію життєво важливих функцій організму. Життєздатність гетерозигот пояснюється тим, що є можливість прояву генів, локалізованих у неушкодженій гомологічній хромосомі.

У людини делеція в короткому плечі п'ятої хромосоми в гетерозиготному стані спричиняє хворобу «котячого крику». Це захворювання супроводжується характерним «м'якаючим» криком немовлят, а також малим розміром голови (мікроцефалія) та розумовою відсталістю. Хворі діти дуже рідко доживають до 10 – 12 років. Відомі також інші важкі захворювання, які розвиваються у людини при делеції хромосом (також у гетерозиготному стані).

Виникнення делецій пов'язані з розривами в хромосомі. Якщо це відбувається не на кінці, а в середній частині хромосоми, розірвані ділянки з'єднуються і хромосома коротшає. Випадання одночасно обох кінцевих ділянок призводить до утворення кільцевої молекули (нагадуємо, що на кожному кінці хромосом розташовуються теломери, які, крім інших функцій, також перешкоджають злипання кінців хромосоми, як це має місце у прокаріотів). Якщо з хромосоми виділяється велика ділянка, то вона, у свою чергу, може замкнутися в кільце. Втрачені фрагменти хромосом неминуче руйнуються при розподілі клітини, оскільки вони не мають центроміри. Нагадуємо, що центроміри є місцем ініціації зростання кінетохорних мікротрубочок і, не маючи їх, ділянки хромосом будь-яких розмірів не здатні вбудовуватися в метафазну платівку і, відповідно, розподілятися по дочірніх клітин при анафазі.

Делеції можна виявити цитологічними методами - зазвичай за наявності петлі, яка утворюється при кон'югації гомологічних хромосом у зиготені профази першого поділу мейозу (рис. 393).

Дуплікації (або повтори) є повторенням будь-якої ділянки хромосоми. Участки, що повторюються, утворюють тандеми, які можуть бути прямими, якщо послідовність генів у них йде в одному напрямку - ABCBCDEFGH, або зверненими (інвертовані), якщо послідовність генів у повторюваних ділянках протилежна - ABCCBDEFGH (рис. 394). Дуплікація, розташована на кінці хромосоми, називається кінцевою – ABABCDEFGH. Багаторазові повтори (більше двох разів) називаються мультиплікаціями (або ампліфікаціями) - ABCDCDCDEFGH (у всіх прикладах виділені ділянки, що повторюються).

Прикладом фенотипічного прояву дуплікації може бути зменшення розмірів очей у дрозофіли (у зв'язку зі зменшенням числа омматидіїв у складних фасеткових очах комахи). Найбільше зменшення очей проявляється у гомозиготних самок і самців, оскільки мутація відбувається у Х-хромосомі. Однак і у гетерозиготних самок очі менше дикого типу, оскільки успадкування цієї ознаки йде за принципом неповного домінування.

Основною причиною появи дуплікацій (і делецій також!) є розрив хромосом. До цього можуть призвести різні чинники: іонізуюча радіація, хімічні мутагени, віруси та ін. Однак основною причиною розривів та подальших мутацій генетики вважають нерівний кросинговер. Він виникає при неправильній кон'югації гомологічних хромосом у фазі зиготен профази першого поділу мейозу.

Дуплікації значно менш небезпечні для життєдіяльності організму, ніж делеції, оскільки не відбувається втрати генетичної інформації. Понад те, повтори генів можуть бути корисні. Наприклад, парні гени визначають синтез поліпептидів гемоглобіну людини. Ці мутації дуже часті - приблизно 10% геному миші є повторювані ділянки (значна їх частина залишається в гетерохромтатині, що не транскрибується).

Інверсії є внутрішньохромосомними перебудовами, в процесі яких відбувається поворот ділянки хромосоми на 180° - ABCDEFGH → ABCFEDGH (виділена інвертована ділянка - див. рис. 392). Залежно від того, чи захоплюється область центроміри, інверсії поділяються на парацентричні (якщо центроміра не включається в ділянку хромосоми, що обертається) і перицентричні (якщо центроміра також розвертається). Такі перебудови, зазвичай, відбуваються у середній частині хромосом і захоплюють область теломеры. Очевидно, це з тим, що теломера перешкоджає злипання хромосом, а серединні ділянки, розірвавшись, демонструють високу здатність злипатися кінцями.

Часто інверсії призводять до смерті в рецесивному стані. Крім того, ці мутації пригнічують кросинговер у гетерозигот (точніше утворені в результаті кросинговеру рекомбінації гетерозигот роблять організм нежиттєздатним), що може вказувати на наявність інверсій. У гомозигот інверсії не перешкоджають кросинговеру.

Цитологічно інверсії виявляються за наявності у гетерозигот характерних петель, які виникають між гомологічними хромосомами (нормальною та зміненою), у процесі кон'югації.У хромосомі може бути не одна, а дві інверсії, що повністю перекриваються, частково або не перекриваються зовсім. У разі одиночного кросинговеру при парацентричній інверсії утворюється одна хроматида з двома центромірами та одна без центроміру. Обидві структури втратяться під час анафази, у результаті мейозу утворюються не чотири гамети, а дві гамети.

При перицентричній інверсії (також у гетерозигот) перенесення центроміру не відбувається і розходження хромосом в анафазі не порушується. Однак у частини хромосом відбуваються делеції, що також зменшує кількість гамет із повним набором генів.

Міжхромосомні перебудови є одно- або двостороннє переміщення ділянок з однієї хромосоми на іншу, а також взаємодія негомологічних хромосом. Взаємний (або реципрокний) обмін фрагментами між негомологічними хромосомами називається транслокаціями (рис. 395). Це явище вперше було виявлено Дж. Беллінгом (1915) у дослідах на оксамитових бобах. Пізніше К. Штерн (1926) виявив перенесення фрагмента Y-хромосоми на Х-хромосому у дрозофілу.

Схематично обмін генів при транслокації виглядає так: якщо одна хромосома має послідовність генів ABCDEFGH, а інша MNOPQR, то після реципрокного обміну послідовність генів у хромосомах буде MNOCDEFGH і ABPQR (виділені переміщені гени). Наведений випадок демонструє обмін фрагментами однакової довжини, однак може відбуватися перенесення нерівних по довжині ділянок (один менше, а інший більше).При деяких транслокаціях можливе перенесення фрагмента, що містить центромір, тоді з'являється хромосома з двома центромірами, а також фрагменти без центромір, які згодом втратяться в процесі поділу клітини.

Наслідком транслокацій є зміна груп зчеплення генів. е. гени, які раніше знаходилися в різних хромосомах і, відповідно, в різних групах зчеплення, при транслокаціях виявляються зчепленими. Це призводить до того, що гени негомологічних хромосом успадковуються зчеплено. При цьому життєздатними виявляються ті гамети тварин і суперечки рослин, які несуть батьківські поєднання хромосом. Порушення груп зчеплення уможливлює виявлення цих мутацій генетичними методами.

Нагадуємо, що на стадії зигонеми профази першого поділу мейозу гомологічні хромосоми (кожна з яких складається з двох сестринських хроматид) притягуються один до одного і, кон'югуючи, утворюють бівалент за допомогою синаптонемального комплексу (докладно про це розповідається в розділі, присвяченому мейозу). При цьому важливо пам'ятати, що ділянки гомологічних хромосом, що несуть алелі однакових генів, у біваленті розташовуються один навпроти іншого, саме вони притягуються один до одного. Якщо відбулася транслокація, кон'югація хромосом відбувається інакше. Вся справа в тому, що в результаті взаємного обміну ділянками між негомологічними хромосомами у гетерозигот транслокації притягуються не тільки дві гомологічні хромосоми, але також дві інші, з однієї з яких відбувся обмін. Це відбувається через те, що гомологічні ділянки в групах зчеплення, що змінилися, виявляються у всіх чотирьох хромосомах і вони, як їм і належить, взаємно притягуються.Таким чином, по гомологічним ділянкам у гетерозигот по транслокаціям кон'югують не дві, а чотири хромосоми. фігуру у вигляді хреста, яку можна візуально спостерігати у світловому Транслокації пригнічують кросинговер.

На відміну від кросинговера, коли обмінюються гомологічними ділянками гомологічні хромосоми, транслокації приводять до утворення хромосом з порушеними (зміненими) послідовностями не алелей, а окремих генів. і лише дві з них з повноцінними. Цим пояснюється той факт, що гетерозиготи з транслокацій часто бувають стерильними - більшість гамет, що продукуються ними, дефектні.

Транспозиції є переміщення ділянки в межах однієї хромосоми, що призводить до зміни послідовності генів у групі зчеплення, або односторонній перенесення цієї ділянки в іншу хромосому. рухливих генетичних елементів належить Б. Мак-Клінтоку (1947), який вивчав хромосомні розриви у кукурудзи.

Робертсонівські перебудови являють собою злиття двох негомологічних хромосом, внаслідок чого утворюється одна більша хромосома.Вважають, що протилежний процес – поділ хромосоми на дві – зустрічається значно рідше.

Геномні мутації характеризуються зміною числа хромосом, які можуть бути кратними або кратними.

Неразова зміна числа хромосом у диплоїдному наборі називається гетероплоїдією, або анеуплоїдією. Це може супроводжуватися відсутністю однієї з хромосом - моносомія за цією парою хромосом або всієї пари гомологічних хромосом - нулісомія. Наявність однієї або декількох зайвих хромосом називається полісомією, яку, у свою чергу, поділяють на трисомію, якщо одна зайва хромосома, тетрасомію - за наявності двох зайвих хромосом і т. д. Назва в даному випадку визначається кількістю гомологічних хромосом, наприклад, якщо до двох наявним додається одна зайва, то це трисомія, якщо зайвих дві, то всього таких гомологічних хромосом чотири і порушення називається тетрасомією і т. д. Всі ці зміни відбиваються і на фенотипі, оскільки супроводжуються або недоліком, або, відповідно, надлишком генів. Причиною виникнення гетероплоїдії є порушення розбіжності хромосом у процесі мейозу. Якщо гомологічні хромосоми чи хроматиди не розійшлися, то одну з гамет потраплять відразу дві хромосоми, а іншу жодної. Відповідно, за участю таких гамет у заплідненні утворюється зигота зі зміненим числом хромосом. Явище гетероплоїдії вперше було виявлено К. Бріджес в дослідах з вивчення успадкування зчеплених зі статтю ознак у дрозофіли.

Гетероплоїдія можлива як у аутосом, так і у статевих хромосом. Дуже часто вона супроводжується серйозними захворюваннями і навіть може бути причиною летального результату.Зокрема моносомія (відсутність однієї з гомологічних хромосом) у спорофітів рослин зазвичай летальна. У дрозофілу моносомія по четвертій хромосомі призводить до появи більш дрібних і менш фертильних мух. Однак моносомія по другій або третій хромосомах у тих же мух викликає летальний кінець, що вказує на нерівноцінність розташованих у цих хромосомах генів. Вплив полісомії на суперечки рослин неоднаковий. Так, у мікроспорах гаметофіт не розвивається, а в мегаспорах зайва хромосома не впливає на розвиток жіночого гаметофіту.

Неправильне розбіжність хромосом можливе у процесі мейозу, а й мітозу (рис. 396). Подальше розподіл таких клітин призводить до збільшення їх числа. Результатом цього буде багатоклітинний організм, частина клітин якого матиме змінене число хромосом і виявляти різні властивості. Знаходження в організмі клітин одного типу з різними властивостями називається мозаїцизмом. Відносна частка змінених клітин залежить від того, на якій стадії дроблення відбулося неправильне розходження хромосом - чим це сталося раніше, тим більше буде змінених клітин у організмі, що розвивається. Тоді, як у випадках порушення розходження хромосом при мейозі, утворюються гамети, подальша участь яких у заплідненні призведе до утворення організму, всі клітини якого буде змінено.

Кратні зміни числа наборів хромосом виражаються в гаплоїдії та поліплоїдії. При гаплоїдії всі хромосоми в каріотипі представлені в однині. Нагадаємо, що у диплоїдних організмів кожна хромосома має гомологічну пару з тими самими генами, але, можливо, з іншими алелями цих генів.Слід зазначити, що зміна числа наборів хромосом далеко не завжди говорить про мутацію. Багато дослідників взагалі не вважають мутаціями хромосомні зміни. Наприклад, у вищих рослин обов'язково відбувається закономірне чергування гаплоїдного покоління (гаметофіт) і диплоїдного (спорофіт, докладніше про це йдеться в розділі, присвяченому вищим рослинам). Відомі гаплоїдні форми у грибів та водоростей. У багатьох найпростіших (джгутиконосці, споровики) перший поділ зиготи є мейозом, в результаті якого утворюються гаплоїдні клітини. Навіть серед високоорганізованих багатоклітинних організмів можуть бути особини з гаплоїдним набором хромосом (самці перетинчастокрилих - бджіл, мурах та ін.). Нарешті гаплоїдні клітини (гамети) утворюються у всіх організмів, що розмножуються статевим шляхом.

Індуковане отримання гаплоїдних організмів має прикладне значення, оскільки в гаплоїдних клітинах легше диференціювати корисні та шкідливі мутації. А подальший переведення гаплоїдів у диплоїди дозволяє отримувати рослини з потрібними якостями. Для отримання індукованих гаплоїдних організмів використовують різні методи: штучне запилення пилком з ядрами, попередньо вбитими проникаючою радіацією або пилком іншого виду; затримкою запилення (для стимуляції поділу незаплідненої яйцеклітини). Зрідка в насінні рослин розвивається два зародки (за аналогією з тваринами їх називають близнюками), один з яких є нормальним диплоїдним, а другий - гаплоїдним.

Поліплоїдія призводить до збільшення кількості наборів хромосом. Поліплоїдними вважаються організми, що мають понад два набори хромосом.При цьому розрізняють збалансовані поліплоїди, що містять парну кількість наборів - 4n, 6n, 8n, 10n і т.п. д., і незбалансовані з непарною кількістю наборів - 3n, 5n, 7n, 9n тощо. буд. При цьому у незбалансованих поліплоїдних організмів часто мають місце дефекти в процесі мейозу через неможливість правильної кон'югації непарної кількості хромосом та порушень при їх розбіжності.

Як і гаплоїдія, поліплоїдія значно більш поширена у рослин, особливо квіткових, де їхня частка становить майже половину (більшість культурних рослин поліплоїдні). Для голонасінних рослин поліплоїдія нехарактерна.

Макронуклеуси гетероядерних найпростіших (інфузорій) високополіплоїдні. У багатоклітинних тварин поліплоїдія всього організму зустрічається лише в деяких гермафродітів (наприклад, у земляних черв'яків) і у форм, що розмножуються партеногенетично (деякі лускокрилі, жорсткокрилі, напівжорсткокрилі, ракоподібні, риби та земноводні). Крім того, у багатьох тварин має місце поліплоїдія клітин окремих органів (наприклад, печінки ссавців, слинних залоз та мальпігієвих судин деяких комах), що отримало назву ендополіплоїдії.

Встановлено, що клімат впливає на ступінь поширеності поліплоїдних організмів - їх стає більше в міру наближення до арктичних та антарктичних широт, а також в умовах високогір'я.

Збільшення числа однакових геномів називається автополіплоїдією. Прикладом цього є багаторазове збільшення наборів хромосом у макронуклеусі інфузорій (понад тисячу разів). Автополіплоїдія може виникати спонтанно та штучно.Спонтанна може відбуватися у випадках порушень розбіжності хромосом у процесі мейозу при спорогенезі. Утворені внаслідок цього не гаплоїдні, а диплоїдні суперечки згодом продукують також диплоїдні гамети. Якщо плоїдність збільшується в соматичних клітинах, це призводить до появи мозаїцизму, коли в організмі одночасно присутні і диплоїдні і поліплоїдні клітини. Причиною цього може бути реплікація хромосом, яка не супроводжується подальшим розподілом клітин.

Індуковане збільшення плоїдності викликає живий інтерес селекціонерів, оскільки дозволяє отримати високопродуктивні рослини. На відміну від гаплоїдних (які мають менші розміри, ніж диплоїди), поліплоїдні форми вищих рослин мають більші розміри. Однак збільшення плоїдності призводить до зростання продуктивності лише до певних меж, перевищення яких може призвести до зворотного результату – появі слабкіших рослин. Зазвичай для цього використовують речовини, що перешкоджають розходженню d-хромосом, наприклад, колхіцин, який здатний зв'язуватися з тубуліном і тим самим блокувати полімеризацію необхідних для утворення веретена поділу мікротрубочок. Експериментально можна досягти появи триплоїдності у тритонів, якщо впливати на яйця аномально високою або, навпаки, низькою температурою.

Наявність кількох наборів хромосом вносить певні зміни у процесі мейозу. Нагадаємо, що обов'язковим етапом цього процесу є кон'югація гомологічних хромосом з утворенням бівалентів (див. розділ, присвячений мейозу). Однак у поліплоїдних організмів гомологічних хромосом не дві, а більше (пропорційно до кратності геному).Внаслідок цього виникають не біваленти, а, наприклад, квадриленти (якщо геном тетраплоіден). У незбалансованих поліплоїдних форм набагато частіше виявляються порушення мейозу, через що вони майже завжди виявляються стерильними. Ця обставина, безумовно, шкідлива для рослини, може виявитися дуже корисною для споживчих потреб людини. Як приклади можна навести триплоїдні банани з плодами без насіння або штучно отримані триплоїдні кавуни (також позбавлені кісточок).

На відміну від автополіплоїдних організмів, у алополіплоїдних множиться геном не одного виду, а різних. Вони виникають у результаті гібридизації різних видів та пологів - віддаленої гібридизації. Отримані при цьому гібриди з різними наборами хромосом називаються віддаленими гібридами, а їх поліплоїдні форми, відповідно, є аллополіплоїдами. Поліплоїдні віддалені гібриди можуть бути безплідними, але це трапляється рідше, ніж у автополіплоїдних. На початку 20-х років XX ст. Вітчизняний цитогенетик Г.Д. Карпеченко вперше отримав плідний міжродовий гібрид, схрещуючи редьку з капустою. Обидві рослини, що схрещуються, мають у диплоїдному наборі по 18 хромосом (у гаплоїдному, відповідно, по 9). Спорофітне покоління гібриду, названого рафанобрасікою, мало в соматичних клітинах 36 хромосом, половина з яких рідше і половина капустяні. Фенотип рафанобрасіки поєднував ознаки обох батьків, але, на жаль, у неприйнятному для сільського господарства поєднанні, оскільки втеча була близька до редьки, а корінь - до капусти. Тому, незважаючи на грандіозний науковий успіх, цей гібрид у відсутності споживчої цінності не отримав господарського поширення.

Хромосомні захворювання людини. Людина відома велика кількість спадкових захворювань. Чимало їх ми викликані зміною чисельності хромосом (як статевих, і аутосом). На жаль, у новонароджених вони трапляються дуже часто. Зокрема, з кожних 1000 новонароджених (маються на увазі живі!) 3 – 4 мають хромосомні порушення. Причиною 35 – 40% випадків вроджених вад розвитку «винні» саме такі мутації. На щастя, далеко не всі ембріони з хромосомними порушеннями благополучно народжуються – у середньому через них відбувається 40% спонтанних абортів, а також 6% усіх мертвонароджених. Викликає тривогу, що останнім часом, незважаючи на досягнення науки, частка дітей із хромосомними аномаліями не лише не зменшується, а, навпаки, прогресивно зростає. Це з впливом хімічних речовин, проникаючої радіації, курінням, алкоголізмом батьків та багатьма іншими чинниками. Синдром, що зазвичай проявився, називають на ім'я дослідника, який першим його описав. Найбільш поширені захворювання представлені у табл. 40.

Мутагенез. Залежно від природи походження всі мутації поділяють на спонтанні та індуковані. Спонтанні мутації виникають у природних умовах існування організму. Вважається, що на їх появу не виявляється ніякої дії ззовні, вони завжди несподівані та непередбачувані та дійсні причини таких мутацій багато в чому залишаються невідомими. Характерною особливістю спонтанних мутацій є те, що вони вкрай рідкісні, причому певну складність представляє визначення їх частоти.Зазвичай при цьому порівнюють частоту появи в популяції, обробленої будь-яким мутагеном, з контрольною популяцією, яку не чинилося зовнішнє вплив. Виявилося, що у різних генів частота спонтанних мутацій неоднакова. Крім того, виявлені гени, здатні впливати на появу мутацій в інших генах, їх назвали мутаторними.

Індуковані мутації виникають під впливом зовнішніх факторів. Такі фактори називаються мутагенними, або мутагенами. Залежно від природи їх поділяють на фізичні, хімічні та біологічні.

Фізичні мутагени становлять високоенергетичні частинки вкрай малої величини, через що вони мають високу здатність глибоко проникати в тканини і викликати молекулярні порушення. Наслідком цього є поява в тканинах заряджених частинок - іонів, що мають високу реакційну активність і здатні викликати вторинні зміни генетичного матеріалу.

Хромосомні хвороби людини

Назва

синдрому