Между видами мутаций и их характеристиками. Мутации - материалы для подготовки к егэ по биологии

Определённая последовательность ДНК хранит наследственную информацию, которая может меняться (искажаться) в течение жизни. Такие изменения называются мутациями. Существует несколько видов мутаций, затрагивающих разные участки генетического материала.

Определение

Мутации - изменения генома, передающиеся по наследству. Геном - это совокупность гаплоидных хромосом, присущая виду. Процесс возникновения и закрепления мутаций называется мутагенезом. Термин «мутация» был введён Гуго де Фризом в начале ХХ века.

Рис. 1. Гуго де Фриз.

Мутации возникают под действием факторов внешней среды.
Они могут быть двух типов:

• полезные;
• вредные.

Полезные мутации способствуют естественному отбору, выработке приспособлений к меняющейся окружающей среде и, как следствие, возникновению нового вида. Встречаются редко. Чаще в генотипе накапливаются вредные мутации, которые выбраковываются в ходе естественного отбора.

По причине возникновения выделяют два вида мутаций:

• спонтанные - возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни, часто имеют нейтральный характер - не влияют на жизнь индивида и его потомства;
• индуцированные - возникают при неблагоприятных условиях среды - радиоактивном излучении, химическом воздействии, влиянии вирусов.

Нервные клетки человеческого мозга за жизнь накапливают около 2,4 тысяч мутаций. Однако мутации редко затрагивают жизненно важные участки ДНК.

Виды

Изменения происходят на определённых участках ДНК. В зависимости от обширности мутаций и их расположения выделяют несколько видов. Их описание приведено в таблице видов мутаций.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Вид	Характеристика	Примеры
	Изменения одного гена. Нуклеотиды, составляющие ген, могут «выпадать», меняться местами, заменять А на Т. Причинами становятся ошибки репликации ДНК	Серповидная анемия, фенилкетонурия
Хромосомные	Затрагивают участки хромосом или целые хромосомы, меняют структуру, форму. Происходят при кроссинговере - перекрёсте гомологичных хромосом. Существует несколько видов хромосомных мутаций: Делеция - потеря участка хромосомы; Дупликация - удвоение хромосомного участка; Дефишенси - потеря концевого участка хромосомы; Инверсия - поворот хромосомного участка на 180° (если содержит центромеру - перицентрическая инверсия, не содержит - парацентрическая); Инсерция - вставка лишнего хромосомного участка; Транслокация - перемещение участка хромосомы на другое место. Виды могут сочетаться	Синдром кошачьего крика, болезнь Прадера-Вилли, болезнь Вольфа-Хиршхорна - наблюдается задержка физического и умственного развития
Геномные	Связаны с изменением числа хромосом внутри генома. Часто происходят при ошибочном выстраивании веретена деления в мейозе. В результате хромосомы неправильно распределяются по дочерним клеткам: одна клетка приобретает в два раза больше хромосом, чем вторая. В зависимости от количества хромосом в клетке различают: Полиплоидию - кратное, но неправильное количество хромосом (например, 24 вместо 12); Анеуплоидию - некратное количество хромосом (одна лишняя или недостающая)	Полиплоидия: увеличение объёма сельскохозяйственных культур - кукуруза, пшеница. Анеуплоидия у человека: синдром Дауна - одна лишняя, 47 хромосома
Цитоплазматические	Нарушения в ДНК митохондрий или пластид. Опасными являются мутации в материнской митохондрии половой клетки. Такие нарушения приводят к митохондриальным заболеваниям	Митохондриальный сахарный диабет, синдром Лея (поражение ЦНС), нарушение зрения
Соматические	Мутации в неполовых клетках. По наследству при половом размножении не передаются. Могут передаваться при почковании и вегетативном размножении	Появление тёмного пятна на шерсти овцы, частично окрашенные глаза дрозофилы

Рис. 2. Серповидная анемия.

Главный источник накапливания мутаций в клетке - неправильная, местами ошибочная репликация ДНК. При следующем удвоении ошибка может быть исправлена. Если ошибка повторяется и затрагивает важные участки ДНК, мутация передаётся по наследству.

Рис. 3. Нарушение репликации ДНК.

Что мы узнали?

Из урока 10 класса узнали, какие бывают мутации. Изменения ДНК могут затрагивать ген, хромосомы, геном, проявляться в соматических клетках, пластидах или митохондриях. Мутации накапливаются в течение жизни и могут передаваться по наследству. Большинство мутаций нейтральное - не отражается на фенотипе. Редко встречаются полезные мутации, помогающие приспосабливаться к окружающей среде и передающиеся по наследству. Чаще проявляются вредные мутации, которые влекут за собой заболевания и нарушения развития.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 195.

Наследственная информация клетки записана в виде нуклеотидной последовательности ДНК. Существуют механизмы защиты ДНК от внешних воздействий, чтобы избежать нарушения генетической информации, однако подобные нарушения регулярно происходят, их называют мутациями .

Мутации - изменения, возникшие в генетической информации клетки, эти изменения могут иметь разный масштаб и подразделяются на виды.

Типы мутаций

Геномные мутации - изменения, касающиеся числа целых хромосом в геноме.

Хромосомные мутации - изменения, касающиеся участков внутри одной хромосомы.

Генные мутации - изменения, происходящие внутри одного гена.

В результате геномных мутаций происходит изменение числа хромосом внутри генома. Это связано с нарушением работы веретена деления, таким образом, гомологичные хромосомы не расходятся к разным полюсам клетки.

В результате одна клетка приобретает в два раза больше хромосом, чем положено (рис. 1):

Рис. 1. Геномная мутация

Гаплоидный набор хромосом остается прежним, изменяется только количество комплектов гомологичных хромосом(2n).

В природе такие мутации нередко закрепляются в потомстве, они встречаются чаще всего у растений, а также у грибов и водорослей (рис. 2).

Рис. 2. Высшие растения, грибы, водоросли

Такие организмы называются полиплоидными, полиплоидные растения могут содержать от трех до ста гаплоидных наборов. В отличие от большинства мутаций полиплоидность чаще всего приносит пользу организму, полиплоидные особи крупнее обычных. Многие культурные сорта растений являются полиплоидными (рис. 3).

Рис. 3. Полиплоидные культурные растения

Человек может вызывать полиплоидность искусственно, воздействуя на растения колхицином (рис. 4).

Рис. 4. Колхицин

Колхицин разрушает нити веретена деления и приводит к образованию полиплоидных геномов.

Иногда при делении может происходить нерасхождение в мейозе не всех, а только некоторых хромосом, такие мутации называются анеуплоидными . К примеру, для человека характерна мутация трисомия 21: в этом случае не расходится двадцать первая пара хромосом, в результате ребенок получает не две двадцать первые хромосомы, а три. Это приводит к развитию синдрома Дауна (рис. 5), в результате чего ребенок получается умственно и физически неполноценным и стерильным.

Рис. 5. Синдром Дауна

Разновидностью геномных мутаций является также разделение одной хромосомы на две и слияние двух хромосом в одну.

Хромосомные мутации подразделяются на виды:

- делеция - выпадение участка хромосомы (рис. 6).

Рис. 6. Делеция

- дупликация - удвоение какого-то участка хромосом (рис. 7).

Рис. 7. Дупликация

- инверсия - поворот участка хромосомы на 180 0 , в результате чего в этом участке гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с нормой (рис. 8).

Рис. 8. Инверсия

- транслокация - перемещение какого либо участка хромосомы в другое место (рис. 9).

Рис. 9. Транслокация

При делециях и дупликациях изменяется общее количество генетического материала, степень фенотипического проявления этих мутаций зависит от размеров изменяемых участков, а также от того, насколько важные гены попали в эти участки.

При инверсиях и транслокациях изменение количества генетического материала не происходит, изменяется лишь его расположение. Подобные мутации нужны эволюционно, так как мутанты часто уже не могут скрещиваться с исходными особями.

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология, 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. - 5-е издание, стереотипное. - Дрофа, 2010.
2. Беляев Д.К. Общая биология. Базовый уровень. - 11 издание, стереотипное. - М.: Просвещение, 2012.
3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Общая биология, 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2005.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010.

1. Интернет портал «genetics.prep74.ru» ()
2. Интернет портал «shporiforall.ru» ()
3. Интернет портал «licey.net» ()

Домашнее задание

1. Где чаще всего встречаются геномные мутации?
2. Что такое полиплоидные организмы?
3. На какие виды подразделяются хромосомные мутации?

Виды генных мутаций:

Генные мутации возникаю чаще, чем хромосомные и геномные, но менее значительно меняют структуру ДНК, в основном касаются только химической структуры отдельно взятого гена. Представляют собой замену, удаление или вставку нуклеотида, иногда нескольких. Также к генным мутациям относятся транслокации (перенос), дупликации (повторение), инверсии (переворот на 180°) участков гена, но не хромосомы.

Генные мутации происходят при репликации ДНК, кроссинговере, возможны в остальные периоды клеточного цикла. Механизмы репарации не всегда устраняют мутации и повреждения ДНК. Кроме того сами могут служить источником генных мутаций. Например, при объединении концов разорванной хромосомы часто теряется несколько нуклеотидных пар.

Если системы репарации перестают нормально функционировать, то происходит быстрое накопление мутаций. Если мутации возникают в генах, кодирующих ферменты репарации, то может нарушится работа одного или нескольких его механизмов, в результате чего количество мутаций сильно возрастет. Однако иногда бывает обратный эффект, когда мутация генов ферментов репарации приводит к снижению частоты мутаций других генов.

Помимо первичных мутаций в клетках могут происходить и обратные, восстанавливающие исходный ген.

Большинство генных изменений, как и мутаций двух других видов, вредны. Появление мутаций, обусловливающих полезные признаки для определенных условий среды, происходит редко. Однако именно они делают возможным процесс эволюции.

Генные мутации затрагивают не генотип, а отдельные участки гена, что, в свою очередь, обуславливает появление нового варианта признака, т. е. аллели, а не нового признака как такового. Мутон - это элементарная единица мутационного процесса, способная приводить к появлению нового варианта признака. Зачастую, для этого достаточно изменить одну пару нуклеотидов. С этой точки зрения мутон соответствует одной паре комплементарных нуклеотидов. С другой стороны, не все генные мутации являются мутонами с точки зрения последствий. Если изменение нуклеотидной последовательности не влечет за собой изменения признака, то с функциональной точки зрения мутации не произошло.

Одной паре нуклеотидов соответствует и рекон - элементарная единица рекомбинации. При кроссинговере в случае нарушения рекомбинации происходит неравный обмен участками между конъюгирующими хромосомами. В результате происходит вставка и выпадение нуклеотидных пар, что влечет сдвиг рамки считывания, в дальнейшем нарушение синтеза пептида с необходимыми свойствами. Таким образом для искажения генетической информации достаточно одной лишней или потерянной пары нуклеотидов.

Частота спонтанных генных мутаций находится в пределах от 10 -12 до 10 -9 на каждый нуклеотид ДНК на каждое деление клетки. Для проведения исследований ученые подвергают клетки воздействию химических, физических и биологических мутагенов. Вызванные таким образом мутации, называются индуцированными , их частота выше.

Замена азотистых оснований

Если происходит изменение только одного нуклеотида в ДНК, то такая мутация называется точечной . В случае мутаций по типу замены азотистых оснований одна комплементарная нуклеотидная пара молекулы ДНК заменяется в ряду циклов репликации на другую. Частота подобных происшествий составляет около 20% от общей массы всех генных мутаций.

Примером подобного является дезаминирование цитозина, в результате чего образуется урацил.

В ДНК образуется нуклеотидная пара Г-У, вместо Г-Ц. Если ошибка не будет репарирована ферментом ДНК-гликолазой, то при репликации произойдет следующее. Цепи разойдутся, напротив гуанина будет установлен цитозин, а напротив урацила - аденин. Таким образом, одна из дочерних молекул ДНК будет содержать аномальную пару У-А. При ее последующей репликации в одной из молекул напротив аденина будет установлен тимин. Т. е. в гене произойдет замена пары Г-Ц на А-Т.

Другим примером является дезаминирование метилированного цитозина, в результате которого образуется тимин. В последствии может возникнуть ген с парой Т-А вместо Ц-Г.

Могут быть и обратные замены: пара А-Т при определенных химических реакциях может заменяться на Ц-Г. Например, в процессе репликации к аденину может присоединиться бромурацил, который при следующей репликации присоединяет к себе гуанин. В следующем цикле гуанин свяжется с цитозином. Таким образом в гене пара А-Т заменится на Ц-Г.

Замена одного пиримидина на другой пиримидин или одного пурина на другой пурин называется транзицией . Пиримидинами являются цитозин, тимин, урацил. Пуринами - аденин и гуанин. Замена пурина на пиримидин или пиримидина на пурин называется трансверсией .

Точечная мутация может не привести ни к каким последствиям из-за вырожденности генетического кода, когда несколько кодонов-триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Т. е. в результате замены одного нуклеотида может образоваться другой кодон, но кодирующий ту же аминокислоту, что и старый. Такая замена нуклеотидов называется синонимической . Их частота около 25% от всех замен нуклеотидов. Если же смысл кодона меняется, он начинает кодировать другую аминокислоту, то замена называется мисенс-мутацией . Их частота около 70%.

В случае мисенс-мутации при трансляции в пептид будет включена не та аминокислота, в результате чего его свойства изменятся. От степени изменения свойств белка зависит степень изменения более сложных признаков организма. Например, при серповидно-клеточной анемии в белке заменена лишь одна аминокислота - глутамин на валин. Если же глутамин заменяется на лизин, то свойства белка меняются не сильно, т. е. обе аминокислоты гидрофильны.

Точечная мутация может быть такой, что на месте кодирующего аминокислоту кодона возникает стоп-кодон (УАГ, УАА, УГА), прерывающий (терминирующий) трансляцию. Это нонсенс-мутации . Иногда бывают и обратные замены, когда на месте стоп-кодона возникает смысловой. При любой подобной генной мутации функциональный белок уже не может быть синтезирован.

Сдвиг рамки считывания

К генным относятся мутации обусловленные сдвигом рамки считывания, когда происходит изменение количества нуклеотидных пар в составе гена. Это может быть как выпадение, так и вставка одной или нескольких нуклеотидных пар в ДНК. Генных мутаций по типу сдвига рамки считывания больше всего. Наиболее часто они возникают в повторяющихся нуклеотидных последовательностях.

Вставка или выпадение нуклеотидных пар может произойти в следствие воздействия определенных химических веществ, которые деформируют двойную спираль ДНК.

Рентгеновское облучение может приводить к выпадению, т. е. делеции, участка с большим количеством пар нуклеотидов.

Вставки нередки при включении в нуклеотидную последовательность так называемых подвижных генетических элементов , которые могут менять свое положение.

К генным мутациям приводит неравный кроссинговер. Чаще всего он происходит в тех участках хромосом, где локализуются несколько копий одного и того же гена. При этом кроссинговер происходит так, что в одной хромосоме возникает делеция участка. Этот участок переносится на гомологичную хромосому, в которой возникает дупликация участка гена.

Если происходит делеция или вставка числа нуклеотидов не кратного трем, то рамка считывания сдвигается, и трансляция генетического кода зачастую обессмысливается. Кроме того, может возникнуть нонсенс-триплет.

Если количество вставленных или выпавших нуклеотидов кратно трем, то, можно сказать, сдвиг рамки считывания не происходит. Однако при трансляции таких генов в пептидную цепь будут включены лишние или утрачены значащие аминокислоты.

Инверсия в пределах гена

Если инверсия участка ДНК происходит внутри одного гена, то такую мутацию относят к генным. Инверсии более крупных участков относятся к хромосомным мутациям.

Инверсия происходит вследствие поворота участка ДНК на 180°. Часто это происходит при образовании петли в молекуле ДНК. При репликации в петле репликация идет в обратном направлении. Далее этот кусок сшивается с остальной нитью ДНК, но оказывается перевернутым наоборот.

Если инверсия случается в смысловом гене, то при синтезе пептида часть его аминокислот будет иметь обратную последовательность, что скажется на свойствах белка.

Наследственная изменчивость

Комбинативная изменчивость. Наследственную, или геноти-пическую, изменчивость подразделяют на комбинативную и мутационную.

Комбинативной называют изменчивость, в основе которой лежит образование рекомбинаций, т. е. таких комбинаций генов, которых не было у родителей.

В основе комбинативной изменчивости лежит половое размножение организмов, вследствие которого возникает огромное разнообразие генотипов. Практически неограниченными источниками генетической изменчивости служат три процесса:

Независимое расхождение гомологичных хромосом в первом мейотическом делении. Именно независимое комбинирование хромосом при мейозе является основой третьего закона Менделя. Появление зеленых гладких и желтых морщинистых семян гороха во втором поколении от скрещивания растений с желтыми гладкими и зелеными морщинистыми семенами - пример комбинативной изменчивости.

Взаимный обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер (см. рис. 3.10). Он создает новые группы сцепления, т. е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей. Рекомбинантные хромосомы, оказавшись в зиготе, способствуют появлению признаков, нетипичных для каждого из родителей.

Случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Эти источники комбинативной изменчивости действуют независимо и одновременно, обеспечивая при этом постоянную «перетасовку» генов, что приводит к появлению организмов с другими генотипом и фенотипом (сами гены при этом не изменяются). Однако новые комбинации генов довольно легко распадаются при передаче из поколения в поколение.

Комбинативная изменчивость является важнейшим источником всего колоссального наследственного разнообразия, характерного для живых организмов. Однако перечисленные источники изменчивости не порождают существенных для выживания стабильных изменений в генотипе, которые необходимы, согласно эволюционной теории, для возникновения новых видов. Такие изменения возникают в результате мутаций.

Мутационная изменчивость. Мутационной называется изменчивость самого генотипа. Мутации - это внезапные наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Основные положения мутационной теории разработаны Г. Де Фризом в 1901-1903 гг. и сводятся к следующему:

Мутации возникают внезапно, скачкообразно, как дискретные изменения признаков.

В отличие от ненаследственных изменений мутации представляют собой качественные изменения, которые передаются из поколения в поколение.

Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными, как доминантными, так и рецессивными.

Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

Сходные мутации могут возникать повторно.

Мутации ненаправленны (спонтанны), т. е. мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

Почти любое изменение в структуре или количестве хромосом, при котором клетка сохраняет способность к самовоспроизведению, обусловливает наследственное изменение признаков организма. По характеру изменения генома, т. е. совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом, различают генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные, или точковые, мутации - результат изменения нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК в пределах одного гена. Такое изменение в гене воспроизводится при транскрипции в структуре иРНК; оно приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся при трансляции на рибосомах. В результате синтезируется другой белок, что ведет к изменению соответствующего признака организма. Это наиболее распространенный вид мутаций и важнейший источник наследственной изменчивости организмов.

Существуют разные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой нуклеотидов в гене. Это дупликации (повторение участка гена), вставки (появление в последовательности лишней пары нуклеотидов), делеции ("выпадение одной или более пар нуклеотидов), замены нуклеотид-ных пар (AT -> <- ГЦ; AT -> <- ; ЦГ; или AT -> <- ТА), инверсии (переворот участка гена на 180°).

Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть из них фенотипически не проявляется, поскольку они рецессивны. Это очень важно для существования вида, так как в большинстве своем вновь возникающие мутации оказываются вредными. Однако их рецессивный характер позволяет им длительное время сохраняться у особей вида в гетерозиготном состоянии без вреда для организма и проявиться в будущем при переходе в гомозиготное состояние.

Вместе с тем известен ряд случаев, когда изменение лишь одного основания в определенном гене оказывает заметное влияние на фенотип. Одним из примеров служит такая генетическая аномалия, как серповидноклеточная анемия. Рецессивный аллель, вызывающий в гомозиготном состоянии это наследственное заболевание, выражается в замене всего одного аминокислотного остатка в (B -цепи молекулы гемоглобина (глутаминовая кислота -» -> валин). Это приводит к тому, что в крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. При этом развивается острая анемия и наблюдается снижение количества кислорода, переносимого кровью. Анемия вызывает физическую слабость, нарушения деятельности сердца и почек и может привести к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю.

Хромосомные мутации (перестройки, или аберрации) - это изменения в структуре хромосом, которые можно выявить и изучить под световым микроскопом.

Известны перестройки разных типов (рис. 3.13):

нехватка, или дефишенси, - потеря концевых участков хромосомы;

делеция - выпадение участка хромосомы в средней ее части;

дупликация - двух- или многократное повторение генов, локализованных в определенном участке хромосомы;

инверсия - поворот участка хромосомы на 180°, в результате чего в этом участке гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с обычной;

транслокация - изменение положения какого-либо участка хромосомы в хромосомном наборе. К наиболее распространенному типу транслокаций относятся реципрокные, при которых происходит обмен участками между двумя негомологичными хромосомами. Участок хромосомы может изменить свое положение и без реципрокного обмена, оставаясь в той же хромосоме или включаясь в какую-то другую.

При дефишенси, делециях и дупликациях изменяется количество генетического материала. Степень фенотипического изменения зависит от того, насколько велики соответствующие участки хромосом и содержат ли они важные гены. Примеры дефишенси известны у многих организмов, включая человека. Тяжелое наследственное заболевание -синдром «кошачьего крика» (назван так по характеру звуков, издаваемых больными младенцами), обусловлен гетерозиготностью по дефишенси в 5-й хромосоме. Этот синдром сопровождается сильным нарушением роста и умственной отсталостью. Обычно дети с таким синдромом рано умирают, но некоторые доживают до зрелого возраста.

3.13 . Хромосомные перестройки, изменяющие расположение генов в хромосомах.

Геномные мутации - изменение числа хромосом в геноме клеток организма. Это явление происходит в двух направлениях: в сторону увеличения числа целых гаплоидных наборов (полиплоидия) и в сторону потери или включения отдельных хромосом (анеуплоидия).

Полиплоидия - кратное увеличение гаплоидного набора хромосом. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются триплоидными (Зn), тетраплоидными (4n), гексанло-идными (6n), октаплоидными (8n) и т. д.

Чаще всего полиплоиды образуются при нарушении порядка расхождения хромосом к полюсам клетки при мейозе или митозе. Это может быть вызвано действием физических и химических факторов. Химические вещества типа колхицина подавляют образование митотического веретена в клетках, приступивших к делению, в результате чего удвоенные хромосомы не расходятся и клетка оказывается тетрагшоидной.

Для многих растений известны так называемые полиплоидные ряды. Они включают формы от 2 до 10n и более. Например, полиплоидный ряд из наборов в 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 и 144 хромосомы составляют представители рода паслен (Solanum). Род пшеница (Triticum) представляет ряд, члены которого имеют 34, 28 и 42 хромосомы.

Полиплоидия приводит к изменению признаков организма и поэтому является важным источником изменчивости в эволюции и селекции, особенно у растений. Это связано с тем, что у растительных организмов весьма широко распространены гермафродитизм (самоопыление), апомиксис (партеногенез) и вегетативное размножение. Поэтому около трети видов растений, распространенных на нашей планете, - полиплоиды, а в резко континентальных условиях высокогорного Памира произрастает до 85% полиплоидов. Почти все культурные растения тоже полиплоиды, у которых, в отличие от их диких сородичей, более крупные цветки, плоды и семена, а в запасающих органах (стебель, клубни) накапливается больше питательных веществ. Полиплоиды легче приспосабливаются к неблагоприятным условиям жизни, легче переносят низкие температуры и засуху. Именно поэтому они широко распространены в северных и высокогорных районах.

В основе резкого увеличения продуктивности полиплоидных форм культурных растений лежит явление полимерии (см. § 3.3).

Анеуплоидия, или гетероплодия, - явление, при котором клетки организма содержат измененное число хромосом, не кратное гаплоидному набору. Анеуплоиды возникают тогда, когда не расходятся или теряются отдельные гомологичные хромосомы в митозе и мейозе. В результате нерасхождения хромосом при гамето-генезе могут возникать половые клетки с лишними хромосомами, и тогда при последующем слиянии с нормальными гаплоидными гаметами они образуют зиготу 2n + 1 (трисомик) по определенной хромосоме. Если в гамете оказалось меньше на одну хромосому, то последующее оплодотворение приводит к образованию зиготы 1n - 1 (моносомик) по какой-либо из хромосом. Кроме того, встречаются формы 2n - 2, или нуллисомики, так как отсутствует пара гомологичных хромосом, и 2n + х, или полисомики.

Анеуплоиды встречаются как у растений и животных, так и у человека. Анеуплоидные растения обладают низкой жизнеспособностью и плодовитостью, а у человека это явление нередко приводит к бесплодию и в этих случаях не наследуется. У детей, родившихся от матерей старше 38 лет, вероятность анеуплоидии повышена (до 2,5%). Кроме того, случаи анеуплоидии у человека вызывают хромосомные болезни.

У раздельнополых животных как в естественных, так и в искусственных условиях полиплоидия встречается крайне редко. Это обусловлено тем, что полиплоидия, вызывая изменение соотношения половых хромосом и аутосом, приводит к нарушению конъюгации гомологичных хромосом и тем самым затрудняет определение пола. В результате такие формы оказываются бесплодными и маложизнеспособными.

Спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанными называют мутации, возникающие под влиянием неизвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при воспроизведении генетического материала (ДНК или РНК). Частота спонтанного мутирования у каждого вида генетически обусловлена и поддерживается на определенном уровне.

Индуцированный мутагенез - это искусственное получение мутаций с помощью физических и химических мутагенов. Резкое увеличение частоты мутаций (в сотни раз) происходит под воздействием всех видов ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.), ультрафиолетового излучения, высоких и низких температур. К химическим мутагенам относятся такие вещества, как формалин, азотистый иприт, колхицин, кофеин, некоторые компоненты табака, лекарственных препаратов, пищевых консервантов и пестицидов. Биологическими мутагенами являются вирусы и токсины ряда плесневых грибов.

В настоящее время ведутся работы по созданию методов направленного воздействия различных мутагенов на конкретные гены. Такие исследования очень важны, поскольку искусственное получение мутаций нужных генов может иметь большое практическое значение для селекции растений, животных и микроорганизмов.

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Крупнейшим обобщением работ по изучению изменчивости в начале XX в. стал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Он был сформулирован выдающимся русским ученым Н. И. Вавиловым в 1920 г. Сущность закона заключается в следующем: виды и роды, генетически близкие, связанные друг с другом единством происхождения, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Зная, какие формы изменчивости встречаются у одного вида, можно предвидеть нахождение аналогичных форм у родственного ему вида.

В основе закона гомологических рядов фенотипической изменчивости у родственных видов лежит представление о единстве их происхождения от одного предка в процессе естественного отбора. Поскольку общие предки имели специфический набор генов, то их потомки должны обладать примерно таким же набором.

Более того, у родственных видов, имеющих общее происхождение, возникают и сходные мутации. Это означает, что у представителей разных семейств и классов растений и животных со сходным набором генов можно встретить параллелизм - гомологические ряды мутаций по морфологическим, физиологическим и биохимическим признакам и свойствам. Так, у разных классов позвоночных встречаются сходные мутации: альбинизм и отсутствие перьев у птиц, альбинизм и бесшерстность у млекопитающих, гемофилия у многих млекопитающих и человека. У растений наследственная изменчивость отмечена по таким признакам, как пленчатое или голое зерно, остистый или безостый колос и др.

Закон гомологических рядов, отражая общую закономерность мутационного процесса и формообразования организмов, представляет широкие возможности для его практического использования в сельскохозяйственном производстве, селекции, медицине. Знание характера изменчивости нескольких родственныхх видов дает возможность поиска признака, который отсутствует у одного из них, но характерен для других. Таким путем были собраны и изучены голозерные формы злаков, односемянные сорта сахарной свеклы, не нуждающиеся в прорывке, что особенно важно при механизированной обработке почв. Медицинская наука в качестве моделей для изучения болезней человека получила возможность использовать животных с гомологическими заболеваниями: это сахарный диабет крыс; врожденная глухота мышей, собак, морских свинок; катаракта глаз мышей, крыс, собак и др.

Закон гомологических рядов позволяет также предвидеть возможность появления мутаций, еще неизвестных науке, которые могут использоваться в селекции для создания новых ценных для хозяйства форм.

Типы мутаций

Вполне вероятно, что у плодовых мушек, которых облучал Мюллер, появлялось гораздо больше мутаций, чем он смог обнаружить. По определению, мутация - это любое изменение в ДНК. Это значит, что мутации могут происходить в геноме где угодно. А поскольку большую часть генома занимает «мусорная» ДНК, ничего не кодирующая, большинство мутаций остаются незамеченными.

Мутации изменяют физические свойства организма (признаки), только если они изменяют последовательность ДНК внутри гена (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Эти три аминокислотные последовательности показывают, как маленькие изменения могут приводить к большому эффекту. Начало одной из аминокислотных цепей в нормальном белке приведено в верхнем ряду. Ниже аминокислотная цепь ненормального варианта белка гемоглобина: валин замешен на глютаминовую кислоту в шестом положении. Эта единственная замена, приводящая к мутации кодона ГАА в кодон ГУА, является причиной серповидно-клеточной анемии, выражающейся в ряде симптомов: от слабой анемии (если у индивидуума остается нормальная копия мутировавшего гена) до смерти (если у индивидуума две мутировавшие копии гена)

Хотя Мюллер индуцировал мутации у плодовых мушек, подвергая их высоким дозам облучения, мутации случаются в организме все время. Иногда это просто ошибки нормальных процессов, происходящих в клетке, а иногда - результат воздействия окружающей среды. Такие спонтанные мутации встречаются с частотами, характерными для определенного организма, иногда называемыми спонтанным фоном.

Наиболее часто случаются точковые мутации, которые изменяют всего одну пару оснований в нормальной последовательности ДНК. Их можно получить двумя путями:

1. ДНК химически модифицируется, так что одно из оснований меняется на другое. 2. Репликация ДНК работает с ошибками, вставляя ошибочное основание в цепь при синтезе ДНК.

Какова бы ни была причина их появления, точковые мутации можно разделить на два типа:

1. Транзиции . Наиболее часто встречающийся тип мутаций. При транзиции один пиримидин замещается другим пиримидином или один пурин замещается другим пурином: например, пара Г-Ц становится парой А-Т, или наоборот.

2. Трансверзии . Более редкий тип мутаций. Пурин замещается пиримидином или наоборот: например, пара А-Т становится парой Т-А или Ц-Г.

Азотистая кислота - это мутаген, который вызывает транзиции. Она конвертирует цитозин в урацил. Цитозин обычно дает пару с гуанином, но урацил - с аденином. В результате пара Ц-Г становится парой Т-А, когда А спаривается с Т в следующей репликации. Азотистая кислота оказывает такой же эффект на аденин, превращая пару А-Т в пару Ц-Г.

Другой причиной транзиций является ошибочное спаривание оснований. Это происходит, когда по какой-то причине неправильное основание встраивается в нить ДНК, затем оно образует пару с неправильным партнером (некомплементарным основанием) вместо того, с которым должно эту пару образовать. В результате во время следующего цикла репликации пара полностью меняется.

Эффект точковых мутаций зависит от того, в каком месте последовательности оснований они образуются. Поскольку изменение одной пары оснований меняет только один кодон и, следовательно, одну аминокислоту, получающийся в результате белок может быть поврежден, но может, несмотря на повреждение, сохранить часть нормальной активности.

Гораздо сильнее, чем точковые мутации, повреждают ДНК мутации сдвига рамки . Вспомните, что генетическая последовательность оснований (секвенс) считывается как последовательность неперекрывающихся триплетов (трех оснований). Это значит, что существует три пути прочтения (рамки считывания) последовательности оснований, зависящих от точки начала прочтения. Если мутация убирает или встраивает лишнее основание, она вызывает сдвиг рамки, и вся последовательность оснований прочитывается неправильно. Это значит, что изменится вся последовательность аминокислот, а получающийся белок, с большой долей вероятности, будет полностью неработающим.

Мутации сдвига рамки вызываются акридинами , химическими веществами, которые связываются с ДНК и настолько изменяют ее структуру, что основания могут быть добавлены или убраны из ДНК во время ее репликации. Эффект таких мутаций зависит от места последовательности оснований, в котором произойдет вставка (инсерция ) или выпадение (делеция ) оснований, а также от их взаимного расположения в образующейся последовательности (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Один из способов, которым мутация сдвига рамки может влиять на считывание последовательности оснований ДНК

Еще одним типом мутаций является встраивание (инсерция) длинных фрагментов дополнительного генетического материала в геном. Встраиваются транспозирующиеся (мобильные генетические) элементы , или транспозоны , - последовательности, которые могут перемещаться из одного места ДНК в другое. Впервые транспозоны были открыты генетиком Барбарой МакКлинток (Barbara McClintock) в 1950-е годы. Это короткие элементы ДНК, которые из одной точки генома могут перепрыгнуть в другую (поэтому их часто называют «прыгающими генами»). Иногда они прихватывают с собой расположенные рядом последовательности ДНК. Обычно транспозоны состоят из одного или нескольких генов, один из которых представляет собой ген фермента транспозазы . Этот фермент требуется транспозонам для перемещения из одного места ДНК в другое внутри клетки.

Существуют также ретротранспозоны , или ретропозоны , которые сами передвигаться не могут. Вместо этого они используют свою мРНК. Она сначала копируется в ДНК, а последняя вставляется в другую точку генома. Ретротранспозоны родственны ретровирусам.

Если транспозон встраивается в ген, кодирующая последовательность оснований нарушается, и ген в большинстве случаев выключается. Транспозоны также могут нести сигналы для окончания транскрипции или трансляции, которые эффективно блокируют выражение других генов, расположенных вслед за ними. Такой эффект называется полярной мутацией .

Ретротранспозоны типичны для геномов млекопитающих. Фактически, около 40% генома состоит из таких последовательностей. Это одна из причин, по которой геном содержит так много «мусорной» ДНК. Ретротранспозоны могут быть SINE (короткими промежуточными элементами) длиной в несколько сот пар оснований пли LINE (длинными промежуточными элементами) длиной от 3000 до 8000 пар оснований. Например, человеческий геном содержит около 300 тыс. последовательностей одного типа SINE, у которых, кажется, нет другой функции, кроме саморепликации. Данные элементы также называются «эгоистической» ДНК.

В отличие от точковых мутаций мутации, вызываемые транспозонами, не могут индуцироваться мутагенами.

Точковые мутации могут ревертировать, возвращаться к исходной последовательности как за счет восстановления оригинальной последовательности ДНК, так и за счет мутаций в других местах гена, которые компенсируют действие первичной мутации.

Вставка дополнительного элемента ДНК, очевидно, может ревертировать за счет вырезания вставленного материала - точечного исключения . Делеция части гена, однако, ревертировать не может.

Мутации могут происходить в других генах, приводя к формированию обходного пути, исправляющего повреждение, вызванное начальной мутацией. В результате образуется двойной мутант, имеющий нормальный или почти нормальный фенотип. Этот феномен называется супрессией , бывающей двух типов: внегенной и внутригенной .

Внегенная супрессорная мутация подавляет действие мутации, расположенной в другом гене, иногда за счет изменения физиологических условий, при которых белок, кодируемый супрессируемым мутантом, может функционировать вновь. Бывает, что такая мутация меняет аминокислотную последовательность мутантного белка.

Внутригенная супрессорная мутация подавляет эффект мутации в гене, где она расположена, иногда восстанавливая рамку считывания, нарушенную мутацией сдвига рамки. В некоторых случаях мутация изменяет аминокислоты в сайте, который компенсирует изменение аминокислоты, вызванное первичной мутацией. Феномен также называется реверсией во втором сайте .

Не все последовательности оснований в гене подвержены мутациям в одинаковой мере. Мутации имеют тенденцию группироваться вокруг горячих точек в последовательности гена - местах, где вероятность образования мутаций в 10 или 100 раз выше, чем ожидаемая при случайном распределении. Расположение этих горячих точек различно для разных типов мутаций и мутагенов, индуцирующих их.

В бактерии E . coli , например, горячие точки встречаются там, где расположены модифицированные основания, называемые 5-метил-цитозином. Это основание иногда подвергается таутомерному сдвигу - перестройке атома водорода. В результате Г спаривается с Т вместо Ц, а после репликации образуется пара дикого типа Г-Ц и мутантная пара А-Т (в генетике диким типом называются последовательности ДНК, которые обычно встречаются в природе).

Многие мутации не дают видимого эффекта. Они называются молчащими мутациями . Иногда мутация молчит, потому что изменения не влияют на продукцию аминокислот, а иногда - поскольку, несмотря на замену аминокислоты в белке, новая аминокислота не влияет на его функцию. Это называется нейтральной заменой .

Мутация, выключающая или изменяющая функцию гена, называется прямой мутацией . Мутация, которая реактивирует или восстанавливает функцию гена за счет реверсии начальной мутации или за счет открытия обходного пути (как при реверсии во втором сайте, описанной выше), называется обратной мутацией .

Как видите, есть много различных способов классифицировать мутации, и одна и та же мутация может относиться к различным типам. Данные табл. 7.1 могут внести ясность в характеристику мутаций.

Классификация мутаций

Классификация мутаций (продолжение)

Мутации - стойкие изменения генетического аппарата, возникающие внезапно и приводящие к изменениям тех или иных наследственных признаков организма. Основы учения о мутации заложил нидерландский ботаник и генетик Де Фриз (1848-1935), который и предложил этот срок. Основными положениями мутационной теории являются:

■ мутации возникают внезапно;

■ изменения, вызванные мутациями, устойчивые и могут наследоваться;

■ мутации не направлены, то есть могут быть полезными, вредными или нейтральными для организмов;

■ одни и те же мутации могут возникать неоднократно;

■ способность образовывать мутации ε универсальным свойством всех живых организмов.

Мутации по типу клеток, в которых возникают изменения:

генеративные - возникают в половых клетках и наследуются при половом размножении;

соматические - возникают в неполовых клетках и наследуются при вегетативном или бесполом размножении.

Мутации по влиянию на жизнедеятельность:

летальные - вызывают гибель организмов еще до момента рождения или до наступления способности к размножению;

сублетальные - снижают жизнеспособность особей;

нейтральные - в обычных условиях не влияют на жизнеспособность организмов.

Мутации за изменениями в наследственном аппарате

Генные мутации - стойкие изменения отдельных генов, вызванные нарушением последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Эти мутации возникают вследствие выпадения определенных нуклеотидов, появления лишних, изменения порядка их расположения. Нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не происходит репарация.

Разнообразие генных мутаций:

1 ) доминантные, субдоминанты / (проявляются частично) и рецессивные,

2 ) потеря нуклеотида (делеция), удвоение нуклеотида (дупликации), изменение порядка расположения нуклеотидов (инверсия), изменение пары нуклеотидов (транзиции и трансверсии).

Значение генных мутаций заключается в том, что они составляют большинство мутаций, с которыми связана эволюция органического мира и селекция. Также генные мутации являются причиной такой группы наследственных болезней, как генные. Генные болезни обусловлены действием мутантного гена, и их патогенез связан с продуктами одного гена (отсутствие белка, фермента или нарушения строения). Примером генных болезней является гемофилия, дальтонизм, альбинизм, фенилкетонурия, галактоземия, серповидно клеточная анемия и др.

Хромосомные мутации (аберрации) - это мутации, возникающие в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосом с образованием фрагментов, которые затем объединяются. Могут возникать как в пределах одной хромосомы, так и между гомологичными и негомологические хромосомами.

Разнообразие хромосомных мутаций:

■ недостаток (делеция ) возникает вследствие потери хромосомой того или иного участка;

■ удвоение (дупликация ) связано с включением лишнего дублирующего отрезка хромосомы;

■ разворота (инверсия ) наблюдается при разрыве хромосом и разворачивании участка на 180 °;

■ перенос (транслокация ) -участок хромосомы одной пары прикрепляется к негомологичной хромосомы.

Хромосомные мутации в основном вызывают тяжелые аномалии, несовместимые с жизнью (недостачи и разворота), является главным источником увеличения генов (удвоение) и повышают изменчивость организмов за счет рекомбинации генов (перенос).

Геномные мутации - это мутации, связанные с изменением количества наборов хромосом. Основными видами геномных мутаций являются:

1) полиплоидия - увеличение количества хромосомных наборов;

2) уменьшение количества хромосомных наборов;

3) анэуплоидия (или гетероплоидия) - изменение числа хромосом отдельных пар

полисемия - увеличение числа хромосом на одну - трисомия, на две (тетрасомия) или более хромосом;

моносомий - уменьшение числа хромосом на одну;

нулисомия - полное отсутствие одной пары хромосом.

Геномные мутации является одним из механизмов видообразования (полиплоидия). их применяют для создания полиплоидных сортов, которые отличаются большей урожайностью, для получения форм, гомозиготных по всем генам (уменьшение количества наборов хромосом). Геномные мутации снижают жизнеспособность организмов, обусловливают такую группу наследственных болезней, как хромосомные. Хромосомные болезни - это наследственные болезни, обусловленные количественными (полиплоидии, анеуплоидии) или структурными (делеции, инверсии и др.) Перестройками хромосом (например, синдром "крика кошки" (46, 5), синдром Дауна (47, 21+), синдром Эдвардса (47,18+), синдром Тернера (45, ХО), синдром Патау (47,13+), синдром Клайнфельтера (47, XXY) и др.).