Спонтанные и индуцированные мутации
Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства. Она выражается в двух видах: генотипической и модификационной.
Генотипическая изменчивость связана с изменением клеточных структур, обеспечивающих воспроизведение новообразований, с изменением генотипа организма. Генотипическая изменчивость делится на комбинативную и мутационную.
Комбинативная, или гибридная, изменчивость характеризуется появлением новообразований в результате сочетания и взаимодействия генов родительских форм. Источниками комбинативной изменчивости являются: 1) независимое расхождение гомологичных хромосом в первом мейотическом делении и их случайное сочетание при оплодотворении; 2) рекомбинация генов в результате кроссинговера.
В процессе комбинативной изменчивости молекулярная структура генов не изменяется. Однако новые сочетания аллелей в генотипах приводят к появлению организмов с новыми сочетаниями.
Мутационная изменчивость возникает в результате мутаций. Мутации вызывают структурные изменения генов и хромосом ведущие к появлению новых наследственных признаков и свойств организма. Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом, который делится на естественный, или спонтанный, и искусственный, или индуцированный. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, в подавляющем большинстве случаев с очень небольшой частотой. Мутации могут затрагивать морфологические, физиологические и биохимические признаки.
Существует несколько принципов классификации мутаций:
I) по характеру изменения генотипа: а) генные или точечные; б) хромосомные; в) геномные;
2) по изменению фенотипа: а) морфологические; б) биохимические; в) физиологические; г) летальные и др.;
3) по отношению к генеративному пути: а) соматические; б) генеративные;
4) по проявлению в гетерозиготе: а) доминантные; б) рецессивные;
5) по локализации в клетке: а) ядерные, б) цитоплазматические;
6) по причинам возникновения: а) спонтанные, б) индуцированные.
Генные мутации происходят на молекулярном уровне и затрагивают один или несколько нуклеотидов внутри отдельного гена. Существует два механизма генных мутаций: замена одного нуклеотида на другой и выпадение или вставка одного из них. В результате происходит изменение в транскрипции РНК и синтезе белков, что обуславливает появление новых или измененных признаков. Вставка или выпадение нуклеотидов приводит к более значительным последствиям, чем их замена, так как происходит сдвиг триплетов и изменяется не одна аминокислота, а вся дальнейшая последовательность аминокислот.
ДНК ТТЦ - ТГТ - ААА - ТГТ- ЦАГ Исходная ДНК
ААГ- АЦА – ТГТ – ААА-ГТЦ
Полипептид фен - цис - лиз – фен – гли
ДНК ТТЦ- ТГТ - ААЦ - ТТТ – ЦАГ замена пары А-Т
ААГ- АЦА – ТТГ –ААА –ГТЦ на Ц-Г
Полипептид фен - цис – тир – фен - гли
ДНК ТТЦ –ТГТ - ААЦ – АТТ –ТЦА – Г вставка пары Ц-Г
ААГ –АЦА –ТТГ – ТАА –АГТ- Ц
Полипептид фен - цис - аси - иле - сер
ДНК ТТЦ - ТГТ – АА1Т –ТТЦ – АГ выпадение пары А-Т
ААГ – АЦА – ТТА – ААГ - ТЦ
Полипептид фен - цис - тир - фен
Хромосомные мутации связаны с перемещением участков хромосом. В изменении структуры хромосом могут быть задействованы участки одной хромосомы или разных, негомологичных хромосом. Различают разные виды хромосомных мутаций:
А Б В Г Д Е исходный участок генов
А Б В Г Д утрата участка (делеция)
А Б Б В Г Д Е удвоение участка (дупликация)
А Б Г В Д Е поворот участка на 180° (инверсия)
А Б В М Н О обмен участков между негомологичными хромосомами
(транслокация)
А Б В Г М Д Е перемещение участка внутри одной хромосомы
(транспозиция)
Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом.
Различают полиплоидию и гетероплоидию.
Полиплоидия - изменение числа хромосом, когда присутствует более двух гаплоидных наборов (3n – триплоиды,4n тетраплоиды). Термин был введен Е.Страсбургером в 1910 году.
Гаплоидный набор хромосом с локализованными в нем генами Г.Винклер в 1920 г. предложил называть геномом.
Причины полиплоидии: неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе; деление ядра без деления клетки; удвоение хромосом без их отделения друг от друга.
Полиплоиды, возникающие на основе увеличения числа наборов хромосом внутри рода, называют автополиплоидами.
Аллополиплоидией называют удвоение или многократное умножение хромосомных наборов различной структуры. Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию: изменение температуры, радиация, действие наркотиков, механические воздействия – пасынкование, декапитация. Для получения полиплоидов особенно популярен колхицин – алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего – Colchicum autumnale. Большинство новых сортов растений тетраплоидны, т.е они произошли вследствие удвоения всего генома.
Гаплоидия – это явление уменьшения числа хромосом, в наборе соматической или половой клетки, каждая пара гомологичных хромосом представлена лишь одной из них. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор гомологичных хромосом.
Гетероплоидия – изменение числа хромосом не кратное гаплоидному. Умножение или утрата отдельной хромосомы приводит к образованию анеуплоидного организма с набором хромосом 2n + 1, 2n – 1. В случае, когда в диплоидном наборе недостает одна хромосома (моносомия) или присутствуют три гомологичные хромосомы (трисомия). Анеуплоиды по половым хромосомам выживают и даже имеют относительно нормальный фенотип. Однако аутосомные имеют настолько сложную и хрупкую структуру, это практически во всех случаях приводит к летальному исходу. Даже если некоторые анеуплоидные эмбрионы и выживают во время развития, то обладают явно выраженными уродствами. Самый известный случай трисомии по 21–й хромосоме, или синдром Дауна, при котором у ребенка развиваются характерные внешние черты.
Модификационная (фенотипическая) изменчивость не вызывает изменений генотипа. Она связана с реакцией одного и того же генотипа на изменение внешних условий, в которых протекает развитие организмов, и которые создают различия в формах его проявления. Фенотипические ненаследственные различия, возникающие под влиянием преобладающих условий среды у одинаковых в наследственном отношении организмов, назвают модификациями. В зависимости от условий среды признак может проявляться в различной степени. Границы варьирования признака называют нормой реакции. Для оценки признака строят вариационную кривую и находят среднюю величину признака. От взаимодействия генов в генотипе и влияния окружающей среды зависит степень выраженности и частоты проявления отдельных генов в фенотипе.
Экспрессивность - степень проявления варьирующего признака. Экспрессивность характеризует степень отклонения признака от его средней величины.
Пенетрантность – степень пробиваемости генов в признак. Измеряется в процентном отношении числа особей, несущих данный признак, к числу особей, несущих ген, потенциально способный реализоваться в признак. Пенетрантность какого – либо гена может быть полной (100%), если данный признак отмечен у всех особей, и неполной. Если он проявляется только у части популяции.
Репарация
Под действием физических и химических агентов, а также при нормальном биосинтезе ДНК в ней могут возникать повреждения. Оказалось, что клетки имеют механизмы исправление повреждений в нитях ДНК. Способность клеток к исправлению повреждений в молекулах ДНК получила название репарации (от. лат. reparatio - восстановление).
Это процесс удаления поврежденного участка и восстановления правильной структуры ДНК
Характерен только для ДНК и обусловлен особенностями ее структуры, а именно: комплементарностью и антипараллельностью цепей.
Обеспечивает сохранение генетического материала.
Происходит при участии специальных ферментов
Причины повреждений ДНК
Причина |
Тип повреждения |
Отсутствие основания |
Кислотная или тепловая апуринизация |
Неправильное основание |
Спонтанное или индуцированное дезаминирование |
Нарушенное основание |
Ионизирующая радиация, алкилирующие агенты |
Димеры УФ-облучение |
Неспецифические связи |
Митомицин С |
Разрывы Ионизирующая радиация, перекиси, нуклеазы |
Типы повреждений ДНК
На уровне одного нуклеотида:
• Отсутствие основания (депуринизация)
• Некомплементарное основание
• Нарушенное основание (дезаминирование)
Структурные:
• Одноцепочечные разрывы
• Образование неспецифических
связей между цепями (тиминовые димеры и поперечные сшивки)
• Двухцепочечные разрывы
Рисунок Основные типы повреждений, обнаруженные в ДНК (Smit K., 1972)
Ферменты репарации
Эндонуклеазы – расщепляют связи внутри ДНК.
Экзонуклеазы – расщепляют связи с концов, могут быть специфичными для 5‘ и 3‘ концов ДНК.
ДНК-полимеразы – заполняют брешь, используя комплементарнуюцепь в виде матрицы.
Лигаза – катализирует образование фосфорнодиэфирных связей, используя энергию гидролиза АТФ.
ДНК-гликозилаза – расщепляет N-гликозидную связь.
АР-эндонуклеза – разрезает ДНК в апуриновых или апиримидиновых участках с образованием 5‘ конца
Типы и механизмы репарации.
Прямая репарация ДНК
Прямое восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения (структура поврежденного нуклеотида восстанавливается без его вырезания)
Фотореактивация пиримидиновых димеров;
репарацию ДНК за счет 3’-5’-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы;
репарацию одноцепочечных разрывов ДНК с помощью полинуклеотидлигазы;
генетическую репарацию повреждений, вызванных алкильными или метильными группами, путем удаления этих групп специфическими ферментами. Метилтрансферазнаяактивность(гликозилаз удаляют метильные группы)
Эксцизионная репарация
Репарация с удалением поврежденных
оснований
удаление одного нуклеотида
удаление фрагмента ДНК
мисмэтч репарация
Индуцируемая репарация
SOS-репарация
Рекомбинативная репарация
Фотореактивация
– прямая репарация,происходит у бактерий на свету при участии специального фермента – фотолиазы,
Этапы:
1. Активация фотолиазы под действием света (путем дестабилизации ее электронов)
2. Перенос электронов в пиримидиновый цикл и ослабление связи с пентозой
3. Освобождение азотистого основания и замена на новое
Репарация путем удаления нуклеотидов - (NER)
восстановление достаточно длинных фрагментов ДНК.
Этапы:
Белковый комплекс (XPA-PRA) распознает дефектный участок;
Нуклеаза производит разрыв на расстоянии 5 пнот 3’ конца и 8 пн от 5’конца;
Образованная брешь заполняется при помощи ДНК-полимераз δ и ε;
ДНК-лигаза сшивает концы.
Репарация двухцепочечных повреждений
Происходит при участии протеинкиназы Ku,
Механизм заключается в следуюшем:
протеинкиназа узнает разрыв и предотвращает действие эндонуклеаз, после чего катализирует соединение при участии лигазы.
Рекомбинативная репарация
Репарация во время рекомбинации
Заключается в удалении поврежденного фрагмента и замене его нормальным гомологичным участком
SOS-репарация
Механизм быстрого, но не всегда точного
реагирования, на стресс. Обеспечивается специальными белками – LexA и RecA-протеазой.
• Механизм:
- в ответ на повреждение происходит активация протеазной активности белка RecA, который расщепляет белок LexA, блокирующий гены ферментов репарации,
- активированные гены транскрибируются и синтезируются ферменты репарации, которые
исправляют повреждение.
Мismatch (MMR)- репарация
Происходит в ходе репликации и обеспечивает исправление
неверных спариваний, аномальных гетеродуплексов и палиндромов.
Этапы:
Узнавание и удаление неверных нуклеотидов эндонуклеазами;
Заполнение бреши при помощи ДНК-полимеразы;
Сшивание концов лигазами.
Присоединение метильной группы к цитозину и аденину происходит при участии специального фермента метилтрансферазы.
Метилированные участки устойчивы к действию эндонуклеаз
Биологическая роль:
- у прокариот: защита собственной ДНК,
- у эукариот: инактивация генов (в гетерохроматиновых участках много метилированных последовательностей ДНК)