Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза.
К ним относятся полиплоидия, гаплоидия и анеуплоидия.
Полиплоидия – это кратное гаплоидному увеличение числа хромосом (3n, 4n, 5n). Полиплоидия, как правило, используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. Для этого обычно используют колхицин, который разрушает нити веретена деления и приводит к образованию полиплоидных геномов. У млекопитающих и человека это летальные мутации.
Гаплоидия (1n) – одинарный набор хромосом, например, у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как в данном случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека – это летальная мутация. Это уменьшение полных гаплоидных наборов хромосом.
Анеуплоидия или гетероплоидия – это некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+1; 2n+2; 2n-1 и т.д.). Разновидности анеуплоидии:
а) трисомия (2n+1) – три гомологичных хромосомы в кариотипе, например, при синдроме Дауна (трисомия по 21-ой хромосоме);
б) моносомия (2n-1) – в наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия Х). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека летальными мутациями.
в) нулисомия (2n-2) – отсутствие пары хромосом.
Синдром (болезнь) Дауна (СД) - синдром трисомии 21 - самая частая форма хромосомной патологии у человека (1:750). Цитогенетически синдром Дауна представлен простой трисомией (94% случаев), транслокационной формой (4%) или мозаицизмом (2% случаев). У мальчиков и девочек патология встречается одинаково часто.
Синдром Шерешевского-Тернера - хромосомная болезнь, связанная с моносомией, сопровождающаяся характерными аномалиями физического развития, низкорослостью и половым инфантилизмом. Характеризуется своеобразным физическим развитием и отставанием в половом развитии. Частота заболевания среди новорожденных девочек - 1 : 3000.
Значение: из-за геномных мутаций у человека существенно снижает уровень жизни или появляется смерть. Для растений-новые сорта, повышенная выживаемость. Встречается в основном у человека и растений. Большинство мутантов отличаются пониженной жизнеспособностью или не имеют хозяйственно ценных признаков. Все же часть мутаций вызывает благоприятные изменения отдельных признаков и свойств, не снижая жизнеспособности, а иногда даже повышая ее. Встречаются мутанты, проявляющие более высокую продуктивность, чем исходные сорта. Такие формы были получены у ячменя, овса, гороха, люпина, льна, арахиса, горчицы и других культур.
Мутагенез — это процесс изменений в структуре ДНК, вследствие чего происходит мутация организма.
Чаще всего мутагенез возникает при допущении ошибок при удвоении и восстановлении цепей ДНК, при нарушении в расхождениях хромосом к полюсам при мейозе. Вообще, в каждой клетке идет постоянное восстановление нарушенных цепочек ДНК. Однако, если восстановление целостности ДНК не происходит, то все ошибки в генетическом коде будут накапливаться, что в конечном счете и приведет к мутационному процессу.
Выделяют два вида мутагенеза: искусственный (индуцированный) и естественный (спонтанный)
Естественный (спонтанный)- Он возникает при естественных условиях развития, когда извне не действуют никакие мутагены. Какие могут быть причины появления такого его вида:
Экзогенные (или внешние): радиационные излучения, экстремально низкие или высокие температуры.
Эндогенные (или внутренние). К таким относятся внезапно образующиеся в организме метаболиты, которые пробуждают образование мутационных процессов. Так, например, в зонах арктического холода растительность обладает полиплоидной формой. Это зависит от того, что в период вегетации при аномально низких температурах у растений образуется ряд геномных мутаций
Продолжительное время ученые считали, что факторами возникновения естественного мутагенеза являются космические волны и природные радиационные излучения. Однако в ходе проведенных исследований было установлено, что лишь незначительная доля спонтанного мутагенеза образуется под действием радиации. Установлено, что причиной являются местные небольшие отклонения теплового движения частиц
Искусственный (индуцированный). Мутагенез искусственного типа представляет собой процесс создания искусственных мутаций, для получения необходимого материала. Например, в селекции растений ученые применяют мутагенные факторы, которые преобразуют исходный генотип. В ходе этого получаются видоизмененные виды растений с новыми признаками и формами, которых нет у первоначальных их видов. Поэтому можно сказать, что индуцированный мутагенез в селекции играет немаловажную роль в получении новых сортов.
Его механизм выглядит, как нарушение фрагмента ДНК. Если оно было проведено с погрешностями, то образование мутации неизбежно. Если нарушение произошло в маловажном участке ДНК, или наоборот, в значащем фрагменте, то мутация появится, но единожды и больше проявляться не будет
Мутагены-факторы, вызывающие стойкие наследственные изменения в организме.
Виды мутагенов |
||
Физические -Все виды ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, радиация), высокие и низкие температура |
Химические -Химические соединения (иприт, азотистая кислота, формальдегид), некоторые биополимеры, токсины, лекарства и ядохимикаты |
Биологические -Вирусы, бактерии, болезни |
Существенной чертой всех мутаций является то, что любое мутационное изменение, хотя и влияет на какую-то одну особенность организма, в совокупности с другими факторами и условиями изменяет целый ряд признаков особи.
МОДИФИКАЦИЯ в генетике — ненаследуемые изменения морфологических и физиологических свойств организмов, формирующиеся под влиянием факторов окружающей среды (температуры, влажности, характера питания и т. п.) и возникающие в результате изменения внутренней среды организмов в процессе онтогенеза.
Возрастные – изменения происходят в результате жизненного цикла организма. Особенно ярко проявляются у организмов, которые в ходе развития претерпевают метаморфозы – земноводные проводят часть жизни в виде головастиков, насекомые – в виде личинок, и лишь затем они принимают облик взрослой особи.
Сезонные изменения тесно связаны с изменениями температурного режима. Так, к примеру, зимой у некоторых животных изменяется цвет шерсти – это пигменты волос реагируют на холод.
Экологические – возникают в ответ на изменившиеся условия окружающей среды. Модификации этого вида могут сохраняться на протяжении всей жизни организма, если продолжится воздействие факторов, вызвавших изменение фенотипа.
Свойства:
не наследуется;
обратима;
имеет приспособительный (адаптивный) характер;
однотипные изменения всех особей данного вида на определённое изменение среды.
Значение: Образование модификационных изменений имеет приспособительное значение в жизни организма.
Например, кожа, темнея при загаре, ограничивает проникновение ультрафиолетовых лучей внутрь тела, что позволяет дольше находиться на солнце без отрицательных последствий.
Характер изменений, вызываемых двумя группами факторов, часто бывает сходным: фактор внешней среды и аномальные гены вызывают порой сходные эффекты. Например, у женщин, перенесших краснуху на ранних стадиях беременности, часто родятся глухонемые дети или дети с врожденной катарактой. Фенотипы этих отклонений неотличимы от соответствующих генетических аномалий.
Такие изменения относят к фенокопиям. Фенокопия — изменение признака под влиянием внешних факторов в процессе его развития, зависящего от определенного генотипа, ведущего к копированию признаков, характерных для другого генотипа или его отдельных элементов. Такие изменения вызваны факторами внешней среды, однако их фенотип напоминает (копирует) проявление наследственных синдромов. Возникшие фенотипические модификации не наследуются (генотип не изменяется). Фенотипическая идентичность эффекта мутаций и фенокопии не всегда указывает на прямую связь между действием внешних условий и данной мутацией, т.к. развитие признака идет через ряд связанных между собой звеньев. Конечный фенотипический эффект может не зависеть от того, какое из звеньев цепи было выключено или изменено. Установлено, что возникновение фенокопии связано с влиянием внешних условий на определенную ограниченную стадию развития (воздействия до или после прохождения такой чувствительной фазы не приводят к развитию фенокопии). Более того, один и тот же агент в зависимости от того, на какую фазу он действует, может копировать разные мутации, или же одна стадия реагирует на один агент, другая на другой. Для вызывания одной и той же фенокопии могут быть использованы разные агенты, что указывает на отсутствие связи между результатом изменения и воздействующим фактором. Относительно легко воспроизводятся сложнейшие генетические нарушения развития, тогда как копировать признаки значительно труднее.
Это указывает на то, что легче изменить вторичные реакции, чем повлиять непосредственно на действие гена.
Примером проявления фенокопий могут служить заболевания, приводящие к кретинизму, которые могут обусловливаться наследственными и средовыми (в частности, отсутствием йода в рационе ребенка, независимо от его генотипа) факторами.
В подавляющем большинстве случаев модификации представляют собой полезные для организмов приспособления, т.к. являются основой механизмов адаптации, но в ряде случаев они не имеют приспособительного значения, представляя собой аномалии и уродства. Такие модификации называются морфозами. Морфозы — неадаптивные, ненаследуемые тератологические изменения организма под влиянием внешних факторов. Это экспериментально индуцированные фенокопии. Радиация, высокие температуры, химические вещества, лекарственные препараты в ранние периоды развития действуют как тератогенные факторы — они вызывают уродства. 32 % детей у матерей алкоголиков страдают карликовостью, микроцефалией, умственной отсталостью, имеют дефекты конечностей, суставов, пороки сердца, аномалии головы и лица. Женщины, которые употребляли снотворное талидомид во время беременности (критический день — тридцатый), родили тысячи уродов. Дети были с короткими деформированными конечностями, дефектами ушей, внутренних органов. Эти уроды — морфозы, индуцированные талидомидом, — копировали наследственно обусловленную фокемию (наследственное заболевание, которое встречается в отдельных семьях в Бразилии). Из личинок, которые развиваются при 15° С, вылупляются дрозофилы с зачаточными крыльями, как У особей гомозиготных по рецессивному гену зачаточности крыльев. Если яйца рыб или амфибий поместить в раствор, в котором много хлорида магния, развивается циклопия, так как магний хлор тормозит развитие переднего мозгового пузыря зародыша.
Трансформация – способ передачи генетической информации от клеток-доноров к клеткам-реципиентам с помощью химически чистой ДНК. Явление трансформации кратко освещено при изложении доказательств роли ДНК в наследственности.
В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки: донор и реципиент. Трансформирующий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не соприкасаются друг с другом. Механизм переноса генетического материала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК.
Явление трансформации впервые было обнаружено у пневмококков еще в 1928 году Ф.Гриффитсом. Из его опытов следовало, что погибшие от нагрева (60-80°С) клетки вирулентного пневмококка могли передавать свои вирулентные и антигенные свойства живым авирулентным клеткам другого серотипа. Только в 1944 году 0.Звери, К.МакЛеод, М.МакКарти доказали, что это превращение – трансформацию – осуществляет не белок, не полисахарид, а высокополимерная ДНК вирулентного штамма (как было показано позднее, ДНК сохраняет свою двуспиральную структуру и полимерность при описанных условиях тепловой обработки). В 1957 году Л.Лерман и Л.Толмач непосредственно продемонстрировали, что клетки бактерий способны поглощать нативную (двухцепочечную) полимерную молекулу ДНК.
Трансформация в настоящее время воспроизведена на многих видах бактерий, число которых непрерывно умножается, и является основным методом введения векторной ДНК в клетки бактерий при генно-инженерных работах. Для некоторых видов (пневмококков, стрептококков, сенной палочки и гемофильных бактерий) она является естественным способом обмена генетической информацией, выработанным в процессе эволюции. Для других (бактерии кишечной группы) такой способ обмена не происходит в естественных условиях, но его можно воспроизвести в лаборатории. Трансформацию удалось получить не только между бактериями одного вида, но также и между бактериями, принадлежащими к разным видам.
Изучение процессов рекомбинации у бактерий имеет важное значение для ветеринарного врача, так как ведет к пониманию причин высокой изменчивости бактерий, их способности к приобретению свойств патогенности, устойчивости к лекарственным веществам.
Процесс трансформации, начиная с момента добавления ДНК из клеток донорного штамма к культуре реципиента, в общих чертах включает следующие этапы, или стадии:
1. Адсорбцию донорной ДНК на поверхности реципиентной клетки. На этом этапе ДНК чувствителен к ДНКазе.
2. Поглощение донорной ДНК реципиентной клеткой. Причем ДНК может поглощаться только теми клетками, которые находятся в состоянии компетентности. На этой стадии ДНК уже нечувствительна к действию ДНКазы.
3. Образование в реципиентной клетке однонитевых фрагментов донорной ДНК.
4. Синапсис одноцепочечной донорной ДНК с двухцепочечной хромосомой реципиента.
5. Интеграцию части донорной молекулы ДНК в реципиентную ДНК в результате рекомбинации.
6. Репликацию рекомбинантной молекулы ДНК.
7. Экспрессию генов, переданных от донора, т. е. образование рекомбинантов, называемых трансформантами. Количество переносимой при трансформации ДНК составляет около 10 т. п. н. (тысяч пар нуклеотидов).
Трансформация имеет практическое использование:
• для картирования бактериальной хромосомы;
• для конструирования промышленно-полезных штаммов микроорганизмов;
• для введения в геном бактерий определенных маркеров или элиминирования нежелательных мутаций;
• как один из этапов получения трансгенных растений (гибриды с измененным набором генов; изменения производят для придания растению некоторых полезных свойств);
• может выступать в качестве модели в различных генетических и молекулярно-биологических экспериментах на изолированной ДНК.
14. Важное значение для ограничения неблагоприятных последствий генных мутаций имеют естественные антимутационные барьеры. Одним из них является парность хромосом в диплоидных наборах хромосом эукариот, которая препятствует проявлению рецессивных мутаций у гетерозиготных особей. Главным антимутационным барьером рассматривается выработавшая в процессе эволюции способность к репарации наследственного материала. Её сущность - в устранении из наследственного материала клетки изменённого участка.