Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

A B C D E F G

Нормальная

хромосома

A B E F G A B E D C F G

Рисунок 1 – Схематическое изображение перестроек разного типа

Транслокации. Если разрывы оказывают я в двух хромосомах, то при воссоединении возможен обм н фрагм нтами. При симметричном воссоединении образуются новые хромо омы, в которых произошел обмен дистальными участками н гомологичных хромосом. Такие транслокации называются реципрокными.

Участок хромосомы мож т также изменять свое положение и без реципрокного обмена, оставаясь в той же хромосоме, или включаясь в какуюнибудь другую. Такие нереципрокные транслокации иногда называют

робертсоновская транслокация.

Изменения индивидуальных генов (внутригенные изменения, или мутации в наиболее узком смысле этого слова). Более точное название внутригенных мутаций – точковые мутации, так как очень сложно отличить истинные внутригенные мутации от малых структурных изменений.

Генетика с основами биометрии

5.2 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МУТАГЕНЕЗА, ГЕННЫЕ И ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ

ПЛАН

1. Классификация генных мутаций.

2. Причины генных мутаций.

3. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма.

4. Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций.

5. Цитологические и генетические методы обнаружения.

6.ÏолесÃÓЗначение хромосомных перестроек в эволюции.

1. Классификация генных мутаций

Генные мутации – нарушения последовательности нуклеотидов. Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублировать я, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно-клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соотв тствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В р зультате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вм сто глутамина - валин). Казалось бы, ничтожное изменение, но оно в ечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, при бретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортир вать ки р д, что и приводит к гибели организма. Генные мутации прив дят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вер ятн е мутация генов происходит при спаривание тесно связанных рганизм в, к т рые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, молчащая мутация – изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется.

По характеру изменений в составе гена различают следующие типы мутаций:

Делеции – утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена.

Генетика с основами биометрии

Дупликации – удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов.

Инверсии – поворот на 180 градусов сегмента ДНК размером от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов.

Инсерции – вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Трансверсии – замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот в одном из кодонов.

Транзиции – замена одного пуринового основания на другое пуриновое или одного пиримидинового на другое в структуре кодона.

ТочковыеÏолесÃÓмутации можно разделить на несколько типов в зависимости от характера молекулярного изменения в гене:

1. Missense-мутация. К этому типу принадлежит мутация, описанная в предыдущем разделе. В одном из триплетов происходит замена одного основания (например, ЦТТ→ГТТ), в результате чего измененный триплет кодирует аминокислоту, отличную от той, которую кодировал прежний триплет.

2. Мутация со сдвигом рамки. Е ли в последовательность ДНК включается новое основание или пара о нований, то все лежащие за ними триплеты изменяются, что вл ч т за обой изменение синтезируемого полипептида. Возьмем, наприм р, по л доват льно ть АТТ–ТАГ–ЦГА, перед которой включилось основание Т. В результате получится новая последовательность ТАТ–ТТА–ГЦГ–А. К такому же результату приведѐт утрата одного из имеющихся оснований.

3. Nonsense-мутация. В резу ьтате замены одного основания возникает новый триплет, представ яющий собой терминирующий кодон. В генетическ м к де имеется три таких триплета. При такой замене синтез полипептидн й цепи прекращается в новой (т. е. другой) точке, и соответственно эта цепь тличается своим свойствам от полипептида, который синтез прежде.

4. Синонимическая missence-мутация. Генетический код обладает значительной избыточностью: два или несколько его триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Поэтому можно ожидать, что в некоторых случаях при замене оснований один триплет заменяется другим – синонимическим, кодирующим ту же аминокислоту. В этом случае, вследствие избыточности кода мы имеем дело молекулярным изменением в пределах данного гена, которое не вызывает фенотипического эффекта. Такие синонимические мутации, вероятно, довольно обычны.

Генетика с основами биометрии

2. Причины генных мутаций

В наше время ученые обнаружили главные факторы, приводящие к мутациям – мутагены (рисунок 1).

МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Рисунок 1 – Мутагенные факт ры вызывающие мутации у различных организмов

3. Значим сть генных мутаций для жизнедеятельности организма

1. Генные мутации увеличивают количество генетического материала и тем самым ткрывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами.

2. Хромосомные и генные мутации оказывают разнообразные воздействия на организм. Во многих случаях эти мутации летальны, так как нарушают развитие; у человека, например, около 20% беременностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии.

3. Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости.

4. Некоторые из генных мутаций увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влияние. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному»

Генетика с основами биометрии

аллелю, который, успешно выдержав отбор на протяжении многих поколений, достиг генетического равновесия с остальным генотипом. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся встретиться, т. е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в фенотипе. Время от времени могут возникать и доминантные мутантные аллели, которые немедленно дают фенотипический эффект.

4. Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций

Хромосомные мутации (аберрации) характеризуются изменением структурыÏолесÃÓотдельных хромосом. При них последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов при аберрациях может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма. Виды аберраций и их механизмы представлены на схеме:

Различают внутрихр м сомные, межхромосомные и изохромосомные аберрации.

Внутрихр м мные аберрации – аберрации, в пределах одной хромосомы. К ним относятся делеции, инверсии и дупликации.

Делеция – утрата одного из участков хромосомы (внутреннего или терминального), что может стать причиной нарушения эмбриогенеза и формирования множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча хромосомы 5, обозначаемое как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, ВПР сердца, отставанию умственного развития) (рисунок 2). Этот симптомокомлекс обозначен как синдром кошачьего крика, поскольку у больных детей из-за аномалий гортани плачь, напоминает кошачье мяуканье.

Инверсия – встраивание фрагмента хромосомы на прежнее место после поворота на 1800. В результате нарушается порядок расположения генов (рисунок 3).

Генетика с основами биометрии

ÏолесÃÓРисунок 2 – Образование делеций

Рисунок 3 – Схематическое обозночение инверсии:

А – нормальная хромосома; Б – инвертированная хромасома

Дупликация – удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по которому плечу хромосомы 9 приводит к появлению множественных ВПР, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития) (рисунок 4).

Генетика с основами биометрии

ÏолесÃÓРисунок 4 – схематическое обозначение дупликации:

А – нормальная хромосома; Б – дуплицированная хромосома

Межхромосомные аберрации – обмен фрагментами между негомологичными хромосомами (рисунок 5).

Рисунок – 5.Схематическое изображение транслокации хромосом. А – нормальные хромосомы, Б – транслоцированные хромосомы.

Они получили название транслокации. Различают 3 варианта транслокации:

реципрокные (обмен фрагментами двух хромосом);нереципрокные (перенос фрагмента одной хромосомы на другую);

робетсоновские (соединение двух акроцентирических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч, в результате образуется одна метацентрическая хромосома вместо двух акроцентрических).

Изохромосомные аберрации – образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через

Генетика с основами биометрии

центромеры (отсюда другое название – центрическое соединение).

5. Цитологические и генетические методы обнаружения хромосомных мутаций

Метод цитологических карт основан на использовании хромосомных перестроек. При облучении и действии других мутагенов в хромосомах часто наблюдаются потери (делеции) или вставки (дупликации) небольших фрагментов, сравнимых по величине с одним или несколькими локусами.

Например, можно использовать гетерозиготы по хромосомам, одна из

Если в хромосоме с доминантными генами произошла утрата отдельных генов, например, DE, то у гетерозиготы ABC/abcde будет проявляться рецессивные признаки de.

которых будет нести группу следующих друг за другом доминантных аллелей, а гомологичнаяÏолесÃÓей – группу рецессивных аллелей тех же генов ABCDE/abcde.

На этом принципе основан метод перекрывающихся делеций,

используемые при построении цитологических карт.

Например, у дрозофилы со тавлены цитологические катры политенных хромосом. При окраске этих хромо ом, в ты ячу раз превышающих по размерам митотические хромосомы, на препаратах выявляются темноокрашенные и диски и св тлые уча тки – междиски. При этом каждая хромосома имеет свой индивидуальный ри унок чередования различных дисков (толстых, тонких, пунктирных) и м ждисков, что позволяет отличить одну хромосому от другой и разные участки одной хромосомы. На

политенных хромосомах можно ч тко опр д лять концы делеций.

Генетическ картир вание – это определение группы сцепления и

положения картируем го гена относительно других генов данной хромосомы. Чем больше ген в известно у данного вида, тем точнее результаты этой процедуры. Как правило, число генов в группах сцепления зависят от

линейных размер в с тветствующих хромосом. Однако, протяженные

области конститутивного гетерохроматина (в районе центромеры и теломерных участков) практически не содержат генов и, таким образом, нарушают эту зависимость.

На первом этапе картирования определяют принадлежность гена к той или иной группе сцепления. Как известно, у D. melanogaster в диплоидном наборе четыре пары хромосом: первая пара – половые хромосомы (XX – у самок, XY – у самцов), вторая, третья и четвертая – аутосомы. Число генов в Y-хромосоме самцов очень мало. Для локализации вновь возникшей мутации

необходимо располагать набором маркерных генов для каждой хромосомы. Картирование мутаций основывается на анализе еѐ сцепления с этими

маркерами. Например, если интересующая нас мутация наследуется незаваисимо от маркеров второй хромосомы, делается вывод о еѐ принадлежности к другой группе сцепления. Скрещивания проводятся до тех

Генетика с основами биометрии

пор, пока не удастся выявить сцепленное наследование анализируемой мутации с маркерными мутациями какой-либо хромосомы.

Второй этап картирования подразумевает определение положения гена на хромосоме. Для этого подсчитывают расстояние между этим геном и уже известными, маркерными генами. Для подсчета генетических расстояний проводят специальные скрещивания, в потомстве которых учитывают частоты кроссоверных и некроссоверных особей.

Предполагается, что расстояние между двумя генами пропорционально частоте кроссинговера между ними. Следует иметь ввиду, что, чем дальше

расположены друг от друга гены, тем чаще между ними происходят множественные перекресты и тем больше искажается истинное расстояние между этими генами.

генетическÏолесÃÓрасст яние между генами, лежащими в разных концах хромосомы 2, став яет 107 марганид.

Частая рекомбинация между расположенными далеко друг от друга генами может привести к увеличению числа кроссоверных организмов в потомстве анализирующего скрещивание до 50%, имитируя независимое наследование изучаемых признаков. Поэтому при составлении карт, расстояние между далеко рассположенными генами следует использовать не

непосредственный подсчет числа кро оверных о обей в анализирующих

скрещиваниях, а сложение ра тояний между многими близко расположенными друг от друга г нами, можно у тановить по их сцепленному

наследованию промежуточно-ра полож нными генами, которые в свою

очередь сцеплены между собой.

В результате такого м тода опр д л ния расстояний между генами длины карт хромосом могут пр вышать 50 морганид. Так у дрозофилы

6. Значение хр м с мных перестроек в эволюции

С пом щью хр м с мных перестроек возможно:

1. изучать взаимодействие генов при изменении их положения в хромосоме;

2. выяснять влияние расположения эухроматинового и гетерохроматинового материала на фенотипический эффект гена;

3. исследовать межхромосомные отношения в генотипе организма;

4. получать новые группы сцепления.

Иначе говоря, ту структуру кариотипа и генотипа видов, которая

отрабатывалась в ходе эволюции в течение сотен тысяч и миллионов лет, генетик имеет возможность перестроить в течение нескольких поколений. С помощью хромосомных перестроек можно создавать новые системы генотипов.

Хромосомные перестройки, происходящие как внутри одной хромосомы, так и между негомологичными хромосомами, являются очень

Генетика с основами биометрии

важным механизмом перекомбинации генов внутри хромосомного набора каждого вида.

Перестройки хромосом могут изменять поведение хромосом в мейозе, действие генов, свойств доминирования генов, характер рекомбинации генов, гаметогенез и т. д. Поскольку естественный отбор контролирует все процессы в организме, очевидно, что потомство организмов с разными хромосомными перестройками будет иметь разные шансы на выживаемость.

В генетике накоплено большое количество фактов, дающих основание признать, что одним из основных механизмов, обусловливающим

полиплоидия в процессе дифференциации вида на расы, подвиды и новые виды играют роль изолирующих факторов одной группы индивидуумов от другой. Указанные хромосомные перестройки вызывают нескрещиваемость особей в популяции, а также снижение плодовитости и жизнеспособности зигот вследствие нарушения генного баланса. Но в случаях возникновения жизнеспособной формы, гомозиготной по тран локации, инверсии или дупликации, она может оказаться при по обленной к определенным условиям существования и свободно размножить я, а затем обособиться в новый вид. У этого нового вида сохраняются пр жние г ны, но либо они окажутся в других группах сцепления, либо в иной по л довательно ти расположения. Такие гены могут мутировать в том же направл нии, что и у исходного вида, и таким образом обусловливать возникнов ние гомологичных рядов мутаций. Как показывают генетические исс дования родственных видов, особенно в роде Drosophila, их генетические системы оказываются очень сходными, а различия касаются г авным бразом расположения отдельных генов.

возникновение гомологических рядов мутаций у близких видов, является процессÏолесÃÓхромосомных перестроек. Транслокации, инверсии, дупликации и

Роль хр м с мных перестроек важна и для эволюции генотипа. Как было показано, в результате транслокаций, дупликаций и инверсий гены вследствие эффекта пол жения изменяют характер Доминирования. Если

полезная мутация гена является рецессивной, то помощью эффекта

положения она может проявиться в гетерозиготном состоянии и стабилизироваться в жизни вида. Значение транслокаций особенно велико в переносе отдельных участков аутосом на половые хромосомы. Эти перестройки являются важным фактором в определении нескрещиваемости видов животных.

Результаты исследования хромосомных перестроек убеждают, во-

первых, в наличии линейной дискретности хромосом и, во-вторых, в том, что генотип представляет целостную систему, не сумму отдельных генов.

Рассмотрение хромосомных перестроек приводит к выводу, что они:

1.лежат в основе изменений групп сцепления генов;

2.изменяют характер наследования признаков и свойств в поколениях;