Мутация: изменение в генетическом материале. Урок 9

Мутации

Мутация (лат. mutation) – это изменения в генетическом материале, которые происходят под действием мутагенных факторов внешней и внутренней среды в клетках всех живых организмов от вирусов до человека. Возможны разные мутации, но только в пределах реальности. Простое изменение в структуре одной аминокислоты может привести к изнурительному заболеванию. Это хорошо прослеживается на примере серповидноклеточной анемии. В результате замены одного нуклеотида аденозина на тимин в шестом кодоне  β-цепи гемоглобина глутаминовая кислота заменяется валином. Замещение неполярным валином приводит к агрегации β-цепей в полимеры и изменяет форму клеток.

Многие психические заболевания также могут быть вызваны генными сбоями. Это доказывается тем, что однояйцовые близнецы, имеющие одни и те же гены, с вероятностью в 50% страдают одинаковыми душевными недомоганиями. В случае же с биполярными расстройствами вероятность возрастает до 75%. Шизофрения также имеет генетическую природу. Считается, что в мире ею болен 1% населения. Но точно определить гены, которые являются непосредственными виновниками психических заболеваний, крайне трудно. Правда, ученым удалось идентифицировать один из многих генов, связанных с возникновением депрессии, – он блокирует поступление в организм серотонина, что, как полагают, и есть одна из причин депрессии. Однако до полного прояснения ситуации еще очень далеко.

Мутация эритроцитов, серповидная форма фото
Серповидная форма эритроцитов.
Автор: Maksim
Мутагенные факторы — причины мутаций
ФизическиеХимическиеБиологические
1.   Ионизирующее излучение (гамма и рентгеновское);

2.   Электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, иногда видимый свет);

3.   Радиоактивный распад.

1. Некоторые алкалоиды: колхицин, винкамин, подофиллотоксин;

2. Окислители и восстановители: нитраты, азотистая кислота и её соли – нитриты, активные формы кислорода;

3. Алкилирующие агенты: иодацетамид, эпоксибензантрацен и др.;

4. Нитропроизводные мочевины: нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина, нитрозодиметилмочевина;

5. Некоторые пестициды;

6. Некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды (бензол и т.п.), цикламаты);

7. Продукты переработки нефти;

8. Органические растворители;

9. Некоторые лекарственные препараты: иммунодепрессанты, цитостатики, препараты ртути и др.

1.   «Прыгающие гены» (транспозоны);

2.   Некоторые вирусы (краснухи, гриппа, кори, герпеса);

3.   Продукты обмена веществ (липидов, белков);

4.   Антигены некоторых микроорганизмов.

 

Отличие наследственной изменчивости от модификационной

В отличие от ненаследственной (модификационной, или фенотипической) изменчивости мутации:

  • передаются по наследству;
  • устойчивы;
  • могут быть как вредными, так и полезными;
  • возникают внезапно, не развиваются постепенно, не имеют непрерывных рядов изменчивости и нормы реакции;
  • ненаправлены (неопределённы) – могут возникать в генах, хромосомах и геноме. Нельзя предсказать, где и когда они появятся и к каким последствиям для организма приведут. Однако есть закономерность в сходном характере наследственной изменчивости у генетически близких видов и родов (см. закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова);
  • проявляются индивидуально, не нося массового характера;
  • одинаковые или близкие мутации могут возникать многократно.
Трёхухий квокка фото
Трёхухий квокка.
Автор: Moondyne

Виды мутаций

Существует несколько подходов к классификации мутаций.

  1. По типу возникновения различают спонтанные (возникающие произвольно) и индуцированные (вызванные искусственно в процессе экспериментов или биотехнологических потребностей).
  2. По месту возникновения. Соматические мутации возникают в неполовых (соматических) клетках, проявляются у данного организма и не передаются при половом размножении, но передаются вегетативно. Примеры мутаций: раковые клетки у человека и животных, капы на деревьях, появление чёрного пятна посреди коричневой окраски шерсти у овец.
    Мутация: капы фото
    Дерево со многими наростами (капами) в национальном парке Олимпик.
    Автор: Dar-Ape

    При помощи соматической почковой мутации (почковой вариации, или спорты) Мичурин методом прививки вывел сорт яблок Антоновка 600-граммовая, таким же способом размножают бессемянные апельсины. Генеративные мутации – генетические изменения в гаметах, не влияют на признаки данного организма, но передаются при половом размножении и проявляются у потомков.

  3. По силе воздействия на жизнеспособность и плодовитость выделяют следующие типы мутаций:
    1. летальные – вызывают гибель особи. Например, отсутствие Х-хромосомы ведёт к гибели плода на третьем месяце эмбрионального развития;
    2. полулетальные – снижают жизнеспособность организмов (гемофилия, врождённая форма сахарного диабета);
    3. нейтральные – не оказывающие влияния на жизнеспособность особи (появление веснушек);
      Мутация: веснушки фото
      Изображение Pezibear с сайта Pixabay
    4. полезные – повышают жизнеспособность (невосприимчивость к возбудителям болезней – малярийному плазмодию, ВИЧ и др.). Степень полезности и вредности мутаций относительна. Например, гетерозиготы по признаку серповидноклеточной анемии вполне жизнеспособны и имеют незначительно изменённые эритроциты. В таких эритроцитах не могут размножаться малярийные плазмодии, поэтому люди с таким генотипом выживают во время массовых эпидемий малярии.
  4. По характеру изменения фенотипа:
    1. биохимические – изменению подвергаются белки-ферменты, которые могут ускорить синтез структурных белков или совсем прекратить его. Например, одна из форм альбинизма вызвана мутацией, при которой в организме отсутствует фермент, ответственный за синтез меланина;
    2. физиологические – мутации, вызывающие изменение процессов жизнедеятельности: фотосинтеза у растений, свёртывания крови у человека (гемофилия);
    3. анатомо-морфологические – вызывают аномалии в формировании органов или систем органов. Много таких мутаций исследовано у дрозофилы. Примеры мутаций такого вида: короткопалость (брахидактилия) у человека, низкорослость у растений, изменение окраски глаз.Морфологические мутации дрозофилы фото
  5. По характеру проявления в гетерозиготе:
    1. доминантные;
    2. рецессивные – большинство мутаций.
  6. По уровню изменения генетического материала: генные, хромосомные, геномные. Уровни мутаций мы рассмотрим более подробно.
Виды мутаций по месту локализации фото
Виды мутаций по месту расположения

Мутация генов

Генные мутации – это наиболее распространённый тип наследственной изменчивости, они связаны с деформацией первичной структуры ДНК в пределах одного гена, происходят на молекулярном уровне организации живого. Возникают они в процессе удвоения ДНК. Происходит это нечасто, примерно одна мутация на 10-100 тыс. копий. Но в генотипах они постепенно накапливаются, создавая разнообразие всего живого. Именно благодаря таким мутациям возникли разные аллели одного гена.

Мутация, при которой изменяется одна пара оснований, называется точечной или однонуклеотидной. Нуклеотид может быть заменён на другой, добавлен или удалён.

Точечная мутация, серповидноклеточная анемия фото
Серповидноклеточная анемия, точечная мутация.
Автор: ACC-BioinnovationLab

Мутация: замена азотистых оснований

Замена одной пары оснований в ДНК на другую называется мутацией замещения. Из-за вырожденной природы генетического кода замена основания может не привести к замещению закодированной аминокислоты. Если окажется, что новый триплет кодирует ту же аминокислоту, то мутация будет молчащей.

Часто при замене основания меняется кодируемая аминокислота в белке, получаемом при транскирипции мутантного гена. Замены делятся на две группы:

  • транзакции;
  • трансверсии.

Транзакция не заменяет типа оснований в гене, пиримидин замещается пиримидином, а пурин – пурином. Напротив, трансверсия изменяет тип оснований в паре (приримидин – пурин). Различные заболевания вызваны трансверсией, в том числе серповидно-клеточная анемия.

гетерохромия глаз фото
Полная гетерохромия, вызвана нехваткой тирозина.
Автор: Shannernanner

Чёрная кошка с разными глазами фото

Бессмысленные (нонсенс-мутации)

Особая категория замены оснований вызывает смену транскрибируемого (кодирующего белок) кодона в стоп-кодон. Он приводит к преждевременному прекращению трансляции и к усечению белка. Насколько коротким получится белок зависит от того, где в гене установится стоп-кодон.

Может быть и наоборот, когда стоп-кодон в результате мутации становится активным геном и способствует синтезированию необычно длинных молекул белка.

Мутация сдвига рамки считывания

Добавление или удаление пары комплементарных оснований имеет гораздо большие последствия, чем замена одного основания на другое. Такие нарушения сдвигают рамки считывания в мРНК ниже от мутации. Это связано с тем, что считывание информации происходит триплетами без знаков препинания внутри тройки. Обычно такие мутации приводят к полному выключению функционирования гена. Этот тип деформаций был использован Криком и Бреннером для того, чтобы сделать вывод о триплетной природе генетического кода.

Изменение рамки считывания в гене на ранней стадии означает изменение части белка. Смена кадров также может привести к преждевременному завершению транскрипции, так как 3 из 64 кодонов являются стоп-кодонами.

Мутация сдвига кадров фото
Мутация сдвига кадров.
Автор: Blythwood

Генная мутация: удвоение триплета

Учитывая долгую историю молекулярной генетики и относительно короткое время молекулярного анализа у человека, удивительно, что новый вид мутации был обнаружен у людей.

Один из первых генов, связанных с нарушением у человека – болезни Хантингтона – был мутантным. При этом ген, кодирующий белок хантингтин, содержит повторяющийся триплет. Болезнь Хантингтона — дегенеративное расстройство нервной системы, которое приводит к совершению неконтролируемых движений, утрате интеллектуальных способностей и эмоциональному возбуждению. При болезни Хантингтона белок, кодируемый мутировавшим геном, убивает нервные клетки в определённых частях мозга, следствием чего становится гибель нервов, которые регулируют движения.

Болезнь Хантингтона обнаруживается во взрослом возрасте (в то время как остальные генетически обусловленные болезни обычно проявляются в детстве), и поэтому те, кто болен ею, часто успевают произвести на свет детей. Мутация гена, обуславливающая болезнь Хантингтона, передается как через мужские, так и через женские хромосомы, и поэтому существует очень большая вероятность, что ребёнок обязательно унаследует заболевание от больного родителя.

Теперь известно не менее 20 заболеваний, связанных с такой мутацией. Такой тип аномалий пока был найден только у людей и мышей. Предполагают, что он характерен только для позвоночных или даже исключительно для млекопитающих. Например, у дрозофилы её не обнаруживали никогда.

Расширение триплета может происходить в области кодирования или транскрибирования. В случае болезни Хантингтона единица повтора находится в кодирующей области триплета, кодирующего глутамин, и расширение приводит к полиглутаминовой области в белке. В случае синдрома Мартина-Белла наследственная форма умственной отсталости вызвана повтором в некодирующей части ДНК.

Хромосомные мутации

Некоторые хромосомные мутации фото
Некоторые мутации хромосом.
Автор: Abogomazova

Генные мутации влияют на один ген, большие изменения могут менять структуру всей хромосомы. Хромосомные и геномные мутации чаще связаны с нарушением процессов мейоза: конъюгации, кроссинговера и расхождения хромосом во время анафазы. Они происходят на клеточном уровне организации живого. Мутация хромосом связана с разрывами хромосомы, которые со временем могут восстанавливаться, так как в клетке есть специальные механизмы репарации. Но восстановление исходного строения хромосом происходит не всегда.

С хромосомными аномалиями связаны многие виды рака человека, поэтому они имеют большую клиническую значимость. Мы кратко рассмотрим возможные изменения в хромосомах, которые суммированы в диаграмме.

Делеция (исключение)

Делеция – это потеря части хромосомы. Теряться могут небольшие участки и большие, в середине хромосомы и по её краям. При потере большого количества хромосомы организм может погибнуть. Делецией вызван синдром кошачьего крика у детей, при этом теряется большая часть 5 хромосомы. Обычно это приводит к ранней смерти, хотя некоторые пострадавшие демонстрируют нормальную продолжительность жизни. Мутация имеет различные дефекты, в том числе проблемы с дыханием.

Дупликация (дублирование)

Удвоение участка хромосомы  может быть или не быть причиной фенотипических изменений. Эффект зависит от места положения дублирования. Дублирование в области, находящейхся за пределами генов, не приводит ни к каким последствиям. Если дублирование происходит рядом с исходным участком, его называют тандемным. Тондемные дубликации сыграли важную роль в эволюции семейств родственных генов, таких как глобины, кодирующие гемоглобин.

Инверсии

Инверсии происходят, когда сегмент хромосомы ломается в двух местах, а участок между разломами переворачивается и в таком виде возвращается на своё место. Если разрыв происходит не внутри гена, то инверсии не оказывают влияния на фенотип. Хотя все люди имеют одинаковый геном, порядок генов в них разный из-за инверсий, которые происходят в семьях.

Транслокации

При транслокации кусок одной хромосомы отламывается и присоединяется к другой негомологичной хромосоме. Транслокации сложны, они могут вызвать проблемы образования половых клеток. Во время мейоза транслокационные гомологичные хромосомы не могут осуществить конъюгацию из-за появившихся различий между ними.

Транслокации могут перемещать гены из одной хромосомы в другую и менять их выраженность. Две формы лейкемии связаны с транслокациями, которые перемещают онкогены в участки хромосом, где они выражаются в неадекватные кровяные тельца.

Геномная мутация

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом.

  • Полиплоидия – вид геномной мутации, связанный с увеличением хромосомного набора. У полиплоидов гаплоидный (n) набор хромосом повторяется не два раза, как у диплоидов, а три, четыре или более. Возникновение такого вида мутации связано с нарушением митоза или мейоза.

 

Полиплоидия часто встречается среди растений, у животных она тоже может быть, но встречается крайне редко. Растения-полиплоиды с кратным увеличением набора (4n, 6n, 8n и т. д.) отличаются крупными размерами, объёмными плодами, что делает их ценными продуктами питания и незаменимыми объектами для селекции. Организмы с некратным набором хромосом из-за нарушения мейоза (3n, 5n …) наоборот становятся малоплодовитыми. Некоторые виды, например пшеница, иногда могут мутировать с образованием гаплоидного набора, такие растения не способны размножаться половым путём.

Мутация: полиплоидия фото
Полиплоидия

Полиплоиды у которых повторяется собственный генотип называют автополиплоидами, а возникшие в результате межвидовой гибридизации (с разными наборами хромосом) – аллополиплоидами.

  • Гетероплоидия, или анеуплоидия – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору. Трисомия – набор 2n+1, возникает в случае нерасхождения пары гомологичных хромосом, они отходят в гамету вместе. Другая же гамета наоборот будет лишена этой хромосомы и её генотип будет 2n-1 – моносомия. Например, люди с синдромом Дауна трисомики с лишней 21-й хромосомой. Анеуплоидия по большему числу хромосом встречается очень редко. Хотя при таком нарушении присутствуют все гены, иногда совместная работа лишнего числа аллелей приводит к несовместимым с жизнью эффектам.

Синдром Кляйнфельтера, являющийся причиной мужской импотенции, обусловлен тем, что у мужчины появляется лишняя хромосома X. Синдром Тернера – отсутствие у женщины внешних женских признаков – связан с наличием лишь одной хромосомы X вместо положенных двух.

У человека была измерена частота мутаций

В течение многих лет мы могли оценивать уровень мутаций человека только при помощи косвенных методов. Первая попытка их подсчёта предпринята в 1930 г. Дж. Б. С. Холдейном в работе по гемофилии. Теперь с помощью быстрого и дешёвого способа секвенирования целых геномов мы можем непосредственно измерять частоту мутаций человека, сравнивая геномы родителей и потомства.

Недавнее исследование семьи из Исландии говорит о том, что у каждого человека в течение жизни происходит примерно 70 мутаций и 76% из них абсолютно новые. Они наблюдаются в отцовском геноме, и их количество увеличивается с возрастом отца. Другие методы, включая оригинальный метод Холдейна, нашли причину отцовского уклона. Вероятнее всего это отражение популяции стволовых клеток, которые дают начало сперматозоидам, мутирующим с возрастом.

Вставки и удаления не менее 50 оснований встречаются с частотой примерно от 1/5 до 1/10 новых мутаций. Удаления и дублирования происходят гораздо медленнее (1 новая мутация на 42 новорождённых). Некоторые из них – мобильные генетические элементы, засоряющие наш геном, могут активно передвигаться. Скорость вставки мобильного элемента равна 1 на 20 родов.

Если бы со временем в генах не происходило никаких изменений, то эволюции бы не случилось. Однако слишком много изменений вредны для особи. Нужно соблюдение хрупкого баланса между количеством новых вариаций, возникающих у всего вида, и здоровьем отдельных особей.

 

 

Мутация: изменение в генетическом материале. Урок 9

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Яндекс.Метрика