Виды мутаций. Геномные и хромосомные мутации

Нарушения в системе хромосом могут быть разного типа. Они происходят на молекулярном (субмикроскопическом) уровне, не сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосом и заключаются в замене (выпадении) одного или нескольких оснований в молекуле ДНК. Это так называемые генные или точковые мутации . Они приводят к возникновению различных сложных нарушений обмена веществ и являются причиной ряда патологических синдромов.

Генные мутации возникают в результате выпадения одного основания в молекуле ДНК, вставки лишнего основания или замены одного другим. Сейчас твёрдо установлено, что генные мутации происходят в периоде удвоения структуры ДНК (репликация), когда снимается копия с генов или целого блока генов (транскрипция). Генные мутации затрагивают структуру самого гена и влекут за собой изменение свойств организма (гемофилия, дальтонизм, альбинизм). Генные мутации возникают как в соматических, так и в половых клетках. Мутации, возникающие в половых клетках, передаются по наследству. Их называют генеративными мутациями. Изменения в соматических клетках вызывают соматические мутации, распространяющиеся на ту часть тела, которая развивается из изменившейся клетки.

Генные мутации не сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосомы. Предполагается, что эти изменения, происходящие на молекулярном уровне, столь невелики, что их нельзя обнаружить под микроскопом. Поскольку считается, что наследственный материал – это молекулы ДНК, имеющие структуру двойной спирали, а специфичность гена обусловлена специфической последовательностью нуклеотидов, точковые мутации можно рассматривать как какие-то изменения в последовательности нуклеотидов внутри определённого участка ДНК. Однако для определения последовательности нуклеотидов в цепи молекулы ДНК не существует методов, сравнимых с изящными биохимическими методами, служащими для определения последовательности аминокислот в пептидной цепи. Поэтому в настоящее время не представляется возможным выяснить, вызывает ли точковая мутация изменение в самом составе нуклеотидов или в порядке их расположения.

Генные мутации возникают в результате действия на клетку излучения: рентгеновские лучи, гамма – лучи, космические лучи, ультрафиолетовые лучи и все виды излучений, испускаемые при атомном распаде, а также некоторых химических соединений: азотистые аналоги иприта, азотистая кислота, окиси двухатомных радикалов, алкилирующие агенты. Они влияют на специфические основания в молекуле ДНК, это приводит к «ошибкам» при соединении нуклеотидов в пары в процессе последующих репликаций. Мутация действительно произошла лишь в том случае, если изменения, внесенные в молекулу ДНК, обнаруживают способность воспроизводиться неопределенно большое число раз.

Мутации возникают и спонтанно, с низкими, но измеримыми частотами, характерными для каждого вида и каждого гена, некоторые гены значительно «мутабильнее» других. Частоты спонтанных мутаций различных генов человека лежат в пределах от 1*10 -5 до 1*10 -3 на ген на поколение. Поскольку у человека в общей сложности имеется примерно 2,3*10 4 генов, общая частота его мутаций оказывается порядка одной мутации на каждого индивидуума в каждом поколении. Другими словами, у каждого из нас в среднем имеется какой-либо мутантный ген, которого не было ни у одного из наших родителей.

Хромосомные и геномные мутации заключаются в изменении структуры или количества хромосом. Их объединяют в группу хромосомных аберраций.

Определенные хромосомные аберрации вызывают патологические состояния – хромосомные и полихромосомные болезни . Примером полихромосомных болезней может служить сочетание болезни Дауна и лейкозов.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом или числа. Изменение числа хромосом может быть кратное или некратное гаплоидному набору (у человека - гетероплодия). Хромосомные мутации, обусловленные изменением структуры, также могут быть нескольких видов: дупликация (удвоение какого-либо участка хромосомы), делеция (выпадение какого – либо участка хромосомы), инверсия (поворот какого - либо участка внутри хромосомы на 180 о) и транслокация (обмен негомологичных хромосом отдельными участками).

Геномные мутации возникают вследствие кратного изменения наборов хромосом или геномов.

Таким образом, наследственная информация любого организма записана в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК, которая служит матрицей, как для самой себя, так и для синтеза белков. Ошибки синтеза ДНК называются мутациями, а особи, у которых проявляется изменённая генетическая информация – мутантами. Элементарной единицей наследственной информации является ген. Гены собраны в хромосомы, которые находятся в ядрах клеток. Два цитологических механизма митоз и мейоз обеспечивают точную передачу хромосом в процессе формирования соматических и половых клеток.

Одни мутации приводят к изменению последовательности нуклеотидов (генные мутации), другие обусловливают появление неодинакового количества хромосом во вновь образованных клетках, третьи нарушают нормальную работу митотического или мейотического деления, что ведёт к нерасхождению отдельных пар хромосом по дочерним клеткам.

Частота появления указанных типов мутаций разная и очень низкая, но если учесть количество клеток, составляющих организм человека, то в целом она значительна. Естественно, что мутации должны произойти не в обычных клетках, соматических, а в половых, чтобы быть переданными следующим поколениям.

Допустим, что в результате синтеза ДНК конкретного гена получено изменение, то есть произошла генная мутация. Будет ли это изменение в гене гарантией видимой мутации? Тщательное изучение показало, что на пути репликации имеется ряд барьеров, которые должны быть преодолены, только тогда мутация от первичного изменения в ДНК проявится в фенотипе, т.е. на уровне признака организма.

В 1908 году математик из Англии Г. Харди и врач из Германии В. Вайнберг независимо друг от друга, проведя математический анализ распределения генов в популяции, обнаружили закономерность, хорошо описывающуюся формулой, отражающей количественную сторону генотипов и фенотипов в популяции. По закону Харди-Вайнберга, свободно существующие популяции при любом соотношении аллелей из поколения в поколение сохраняют их концентрации постоянными. Но это справедливо для идеальных условий, а в реальной жизни количество аллелей постоянно изменяется. Последнее происходит при родственных браках, мутировании генов, отборе, а также при таких социальных явлениях, как изоляция, миграция и др.

Процесс отбора по устранению нежелательных генов из популяции наиболее эффективен в том случае, когда он направлен против доминантных мутаций при условии их полного выражения и проявления (экспрессивность и пенетрантность). В качестве примера можно привести болезнь ахондроплазию (доминантная карликовость). Когда болезнь проявляется в более позднем возрасте и носитель летального гена уже имеет потомство, то, естественно, такой доминантный ген уже передан потомкам (например, хорея Гантингтона). Бороться с переходом этой и аналогичных болезней от данного поколения к следующим, можно лишь избегая деторождений в этих семьях.

Вырожденность генетического кода также значительно снижает частоту вызванных мутаций.

Представим себе такую ситуацию. При облучении или при обработке химическими мутагенами удалось изменить очерёдность нуклеотидов в гене таким образом, что вместо триплета АГУ образовался один из триплетов типа УЦЦ, УЦА, УЦГ, УЦУ или АГЦ. Тогда при сборке (синтез) белка на нить информационной РНК встанет та же аминокислота, как и у неизменённого, исходного триплета, а именно серин. Возникшая новая очерёдность нуклеотидов в гене не сможет реализоваться, дойти до генетических последствий из-за вырожденности генетического кода. Следовательно, не каждое изменение в очерёдности оснований в гене приводит к мутации.

Таким образом, вырожденность генетического кода является одной из гарантий стабильности работы генетического материала.

Предположим, однако, что вызванное изменение в очерёдности оснований ДНК не было нейтрализовано, не было сведено на нет вырожденности генетического кода.

Именно в процессе репликации и транскрипции нуклеотиды оказываются наиболее доступными для химических соединений, которые изменяют их, что и приводит к ошибкам репликации, или, как ещё их называют ошибками считывания. В результате меняется очерёдность нуклеотидов в ДНК дочерних клеток по сравнению с материнской.

Большинство мутаций приводит к такому искажению генетической информации, которое несовместимо с нормальной жизнедеятельностью. Всё-таки пусть мало, но есть опечатки, которые имеют смысл, причём смысл, отличный от исходного. Вот они-то и являются причиной той самой неопределённой изменчивости, о которой писал Дарвин.

Литература

1. Бердышев Г.Д., Криворучко И.Ф. Генетика человека с основами медицинской генетики. – Киев: «Вища школа», 1979. – 487с.

2. Биология/ Под ред. В.А. Мотузного. – Киев, 1985. – С.43-65.

3. Биология/ Под ред. Д.И. Трайтака. – М.: «Просвещение», 1988. – С 110-122; С 161-176.

4. Бородин П.М. Этюды о мутантах. – Москва: «Знание», 1983. – 112с.

5. Гуляев Г.В. Генетика. – Москва: «Колос», 1977. – 360с.

6. Гуляев Г.В. Генетика. – Москва: «Колос», 1984. – 351с.

7. Гуляев Г.Д. Задачник по генетике. – Москва: «Колос», 1984. – 74с.

8. Дубинин Н.П. Общая генетика. – Москва: «Наука», 1970. – 487с.

9. Дубинин Н.П. Вечное движение. – Москва: «Мир», 1973. – 446с.

10. Нейфах А.А., Лозовская Е.Р. Гены и развитие организма. – Москва: «Наука», 1984. – 192с.

11. Попов Е.Б. За семью замками наследственности. – Москва: ВО «Агропромиздат», 1991. – 271с.

12. Соколовская Б.Х. Сто задач по генетике и молекулярной биологии. – Новосибирск: «Наука», 1971. – 64с.

13. Тарасенко Н.Д., Лушанова Г.И. Что вы знаете о своей наследственности. – Новосибирск, 1991. – 109с.

15. Фогель Ф. Мотульски А. Генетика человека. – Москва: «Мир», 1990. – Т.2. – 387с.

16. Фогель Ф. Мотульски А. Генетика человека. – Москва: «Мир»,

Автор статьи - Л.В. Окольнова.

Сразу на ум приходят Люди Х… или Человек - Паук …

Но это в кино, в биологии тоже так, но немного более научно, менее фантастично и более обыденно.

Мута́ция (в переводе - изменение) - устойчивое, передающееся по наследству изменение ДНК, происходящее под влиянием внешних или внутренних изменений.

Мутагенез - процесс появления мутаций.

Обыденность в том, что эти изменения (мутации) происходят в природе и у человека постоянно, почти каждодневно.

В первую очередь, мутации подразделяются на соматические - возникают в клетках тела, и генеративные - появляются только в гаметах.

Разберем сначала виды генеративных мутаций.

Генные мутации

Что такое ген? Это участок ДНК (т.е. несколько нуклеотидов), соответственно, это и участок РНК, и участок белка, и какой-либо признак организма.

Т.е. генная мутация - это выпадение, замена, вставка, удвоение, изменение последовательности участков ДНК.

Вообще, это не всегда ведет к болезни. Например, при удвоении ДНК случаются такие “ошибки”. Но они возникают редко, это очень малый процент от всего количества, поэтому они незначительны, что практически не влияют на организм.

Бывают и серьезные мутагенезы:
- серповидно-клеточная анемия у человека;
- фенилкетонурия - нарушение обмена веществ, вызывающее довольно серьезные нарушения умственного развития
- гемофилия
- гигантизм у растений

Геномные мутации

Вот классическое определение термина “геном”:

Геном -

Совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма;
- геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК;
- совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида в парах нуклеотидов ДНК на гаплоидный геном.

Для понимания сути мы очень сильно упростим, получится такое определение:

Геном - это количество хромосом

Геномные мутации - изменение числа хромосом организма. В основном, их причина - нестандартное расхождение хромосом в процессе деления.

Синдром Дауна - в норме у человека 46 хромосом (23 пары), однако при этой мутации образуются 47 хромосом
рис. синдром Дауна

Полиплойдия у растений (для растений это вообще норма - большинство культурный растений - полиплойдные мутанты)

Хромосомные мутации - деформации самих хромосом.

Примеры (некоторые перестройки такого рода есть у большинства людей и вообще никак не отражаются ни внешне, ни на здоровье, но есть и неприятные мутации):
- синдром кошачьего крика у ребенка
- задержка в развитии
и т.д.

Цитоплазматические мутации - мутации в ДНК митохондрий и хлоропластов.

Есть 2 органеллы со своими собственными ДНК (кольцевыми, в то время как в ядре - двойная спираль) - митохондрия и растительные пластиды.

Соответственно, есть мутации, вызванные изменениями именно в этих структурах.

Есть интересная особенность - этот вид мутации передается только женским полом, т.к. при образовании зиготы остаются только материнские митохондрии, а “мужские” отваливаются с хвостом при оплодотворении.

Примеры:
- у человека - определенная форма сахарного диабета, туннельное зрение;
- у растений - пестролистность.

Соматические мутации.

Это все описанные выше виды, но возникают они в клетках тела (в соматических клетках).
Мутантных клеток обычно намного меньше, чем нормальных, и они подавляются здоровыми клетками. (Если не подавляются, то организм перерождаться или болеть).

Примеры:
- у дрозофилы глаз красный, но может иметь белые фасеты
- у растения это может быть целый побег, отличающийся от других (И.В. Мичурин таким образом выводил новые сорта яблок).

Раковые клетки у человека

Примеры вопросов ЕГЭ:

Синдром Дауна является результатом мутации

1))геномной;

2) цитоплазматической;

3)хромосомной;

4) рецессивной.

Генные мутации связаны с изменением

А) числа хромосом в клетках;

Б) структуры хромосом;

B) последовательности генов в аутосоме;

Г) нуклеогидов на участке ДНК.

Мутации, связанные с обменом участками негомологичных хромосом, относят к

А) хромосомным;

Б) геномным;

В) точковым;

Г) генным.

Животное, в потомстве которого может появиться признак, обусловленный соматической мутацией

Мутационная изменчивость обусловлена возникновением мутаций. Мутации - это внезапные, скачкообразные изменения наследственного материала, которые передаются по наследству. Мутации характеризуются рядом свойств:

1. возникают внезапно, скачкообразно;

2. изменения наследственного материала происходят ненаправленно - мутировать может любой ген, приводя к изменению любого признака;

3. по проявлению в фенотипе могут быть доминантными и рецессивными;

4. передаются по наследству.

По уровню нарушения наследственного материала мутации классифицируются на генные, хромосомные и геномные.

Генные мутации связаны с изменением структуры гена (структуры молекулы ДНК). К нарушению структуры гена могут привести: а) замена, б) вставка, в) выпадение нуклеотида. При замене нуклеотида в молекуле ДНК происходит замена одной аминокислоты в белковой молекуле. Это ведет к синтезу белка с измененными свойствами. Вставка или выпадение нуклеотида ведет к изменению всей последовательности аминокислот в молекуле белка. Генные мутации являются причиной развития многих болезней обмена веществ (фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия, альбинизм).

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Хромосомные мутации подразделяют на внутрихромосомные и межхромосомные. К внутрихромосомным мутациям относятся:

а) Делеция - выпадение участка хромосомы. Делеция концевого участка хромосомы имеет собственное название – дефишенси. У человека делеция короткого плеча 5-хромосомы - синдром «кошачьего крика».

б) Дупликация - удвоение участка хромосомы.

в) Инверсия - поворот участка хромосомы на 180°.

К межхромосомным мутациям относится транслокация - перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому.

ABCDEF - исходная хромосома;

ABEF - делеция;

CDEF - дефишенси;

ABCDDEF - дупликация;

ACBDEF - инверсия;

ABCDEFMN - транслокация.

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом в кариотипе. Геном - это содержание наследственного материала в гаплоидном наборе хромосом. Выделяют:

а) полиплоидия - это кратное гаплоидному набору увеличение числа хромосом (3n, 4n, 6n и т.д.). Полиплоидию подразделяют на автополиплоидию и аллополиплоидию.

Автополиплоидия - кратное увеличение числа наборов хромосом одного вида. Широко встречается у растений и используется в селекции для выведения новых сортов растений, поскольку полиплоиды имеют более крупные размеры, они более стойки к неблагоприятным условиям среды. Полиплоидными являются: рожь (тетраплоидные сорта), ячмень, пшеница, яблоня, груша, хризантемы и многие др. Возникновение полиплоидов связано с нарушением мейоза. Мутаген колхицин, разрушая веретено деления, приводит к полиплоидии.

Аллополиплоидия - увеличение числа наборов хромосом двух разных видов. Аллополиплоидия используется для преодоления бесплодия межвидовых гибридов (капустно-редечный гибрид).

б) гетероплоидия - это изменение числа хромосом некратное гаплоидному (2n+1 - трисомия, 2n-1 - моносомия). Нарушения расхождения хромосом во время мейоза приводит к изменению числа хромосом у организма. Так,

Синдром Дауна – это трисомия по 21 хромосоме;

Синдром Шерешевского-Тернера - моносомия по Х-хромосоме: Х0 у женщины;

Синдром Клайнфельтера - трисомия по половым хромосомам: лишняя Х-хромосома у мужчин - ХХУ).

Гетероплоидии приводят к нарушению хода нормального развития организма, изменениям в его строении и снижению жизнеспособности.

Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом.

Классификация геномных мутации (гетероплоидия, полиплоидия). Значение и селекции в

медицине.

Разные виды геномных мутаций называют гетероплоидией и полиплоидией.
Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом. Например, у растений довольно часто обнаруживается явление полиплоидии — кратного изменения числа хромосом. У полиплоидных организмов гаплоидный набор хромосом n в клетках повторяется не 2, как у диплоидов, а значительно большее число раз 3n, 4п, 5п и до 12n. Полиплоидия - следствие нарушения ходамитоза или мейоза: при разрушении веретена деления удвоившиеся хромосомы не расходятся, а остаются внутри неразделившейся клетки. В результате возникают гаметы с числом хромосом 2n. При слиянии такой гаметы с нормальной n потомок будет иметь тройной набор хромосом. Если геномная мутация происходит не в половых, а в соматических клетках, то в организме возникают клоны линии полиплоидных клеток. Нередко темпы деления этих клеток опережают темпы деления нормальных диплоидных клеток 2n. В этом случае быстро делящаяся линия полиплоидных клеток образует злокачественную опухоль. Если она не будет удалена или разрушена, то за счет быстрого деления полиплоидные клетки вытеснят нормальные. Так развиваются многие формырака. Разрушение митотического веретена может быть вызвано радиацией, действием ряда химических веществ — мутагенов.
Геномные мутации в животном и растительном мире многообразны, но у человека обнаружены только 3 типа геномных мутаций:тетраплоидия, триплоидия и анеуплоидия. При этом из всех вариантов анеуплоидий встречаются только трисомии по аутосомам,полисомии по половым хромосомам три-, тетра- и пентасомии, а из моносомий встречаются только моносомия-Х

Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом ( рис. 118 , Б). Разные виды геномных мутаций называют гетероплоидией и полиплоидией .

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом. Например, у растений довольно часто обнаруживается явление полиплоидии - кратного изменения числа хромосом. У полиплоидных организмов гаплоидный набор хромосом n в клетках повторяется не 2, как у диплоидов, а значительно большее число раз (3n, 4п, 5п и до 12n). Полиплоидия - следствие нарушения хода митоза или мейоза : при разрушении веретена деления удвоившиеся хромосомы не расходятся, а остаются внутри неразделившейся клетки. В результате возникают гаметы с числом хромосом 2n. При слиянии такой гаметы с нормальной (n) потомок будет иметь тройной набор хромосом. Если геномная мутация происходит не в половых, а в соматических клетках, то в организме возникают клоны (линии) полиплоидных клеток. Нередко темпы деления этих клеток опережают темпы деления нормальных диплоидных клеток (2n). В этом случае быстро делящаяся линия полиплоидных клеток образует злокачественную опухоль. Если она не будет удалена или разрушена, то за счет быстрого деления полиплоидные клетки вытеснят нормальные. Так развиваются многие формы рака. Разрушение митотического веретена может быть вызвано радиацией, действием ряда химических веществ - мутагенов .

Геномные мутации в животном и растительном мире многообразны, но у человека обнаружены только 3 типа геномных мутаций: тетраплоидия , триплоидия и анеуплоидия . При этом из всех вариантов анеуплоидий встречаются только трисомии по аутосомам , полисомии по половым хромосомам (три-, тетра- и пентасомии), а из моносомий встречаются только моносомия-Х.