Kromosomaalsed, geeni- ja genoommutatsioonid ning nende omadused. Mutatsioonide tüübid inimestel

Raku pärilik teave registreeritakse DNA nukleotiidjärjestuse kujul. On olemas mehhanismid DNA kaitsmiseks välismõjude eest, et vältida geneetilise informatsiooni kahjustamist, kuid selliseid rikkumisi esineb regulaarselt, neid nimetatakse nn. mutatsioonid.

Mutatsioonid- muutused, mis on tekkinud raku geneetilises informatsioonis, need muutused võivad olla erineva ulatusega ja jagunevad tüüpideks.

Mutatsiooni tüübid

Genoomsed mutatsioonid- muutused, mis puudutavad tervete kromosoomide arvu genoomis.

Kromosomaalsed mutatsioonid- muutused, mis on seotud sama kromosoomi piirkondadega.

Geenimutatsioonid- ühes geenis toimuvad muutused.

Genoomimutatsioonide tulemusena toimub genoomisiseste kromosoomide arvu muutus. Selle põhjuseks on jagunemisspindli talitlushäire, mistõttu homoloogsed kromosoomid ei lahkne raku erinevatele poolustele.

Selle tulemusena omandab üks rakk kaks korda rohkem kromosoome, kui peaks (joonis 1):

Riis. 1. Genoomne mutatsioon

Haploidne kromosoomide komplekt jääb samaks, muutub ainult homoloogsete kromosoomide komplektide arv (2n).

Looduses on sellised mutatsioonid sageli fikseeritud järglastel, kõige sagedamini esinevad need taimedes, aga ka seentes ja vetikates (joonis 2).

Riis. 2. Kõrgemad taimed, seened, vetikad

Selliseid organisme nimetatakse polüploidseteks, polüploidsed taimed võivad sisaldada kolme kuni saja haploidset komplekti. Erinevalt enamikust mutatsioonidest on polüploidsus kõige sagedamini kehale kasulik, polüploidsed isikud on tavalisest suuremad. Paljud taimesordid on polüploidsed (joonis 3).

Riis. 3. Polüploidsed põllukultuurid

Inimene saab kunstlikult esile kutsuda polüploidsust, mõjutades taimi kolhitsiiniga (joonis 4).

Riis. 4. Kolhitsiin

Kolhitsiin hävitab spindli kiud ja viib polüploidsete genoomide moodustumiseni.

Mõnikord võib jagunemise ajal meioosi mittedisjunktsioon tekkida mitte kõigis, vaid ainult mõnes kromosoomis, selliseid mutatsioone nimetatakse nn. aneuploidne. Näiteks mutatsiooni trisoomia 21 on inimesele tüüpiline: sel juhul kahekümne esimene kromosoomipaar ei lahkne, selle tulemusena saab laps mitte kaks kahekümne esimest kromosoomi, vaid kolm. See viib Downi sündroomi väljakujunemiseni (joonis 5), mille tagajärjel on laps vaimse ja füüsilise puudega ning steriilne.

Riis. 5. Downi sündroom

Mitmesugused genoomsed mutatsioonid on ka ühe kromosoomi jagamine kaheks ja kahe kromosoomi liitmine üheks.

Kromosomaalsed mutatsioonid jagunevad tüüpideks:

- kustutamine- kromosoomi segmendi kaotus (joonis 6).

Riis. 6. Kustutamine

- dubleerimine- mõne kromosoomi osa dubleerimine (joon. 7).

Riis. 7. Dubleerimine

- inversioon- kromosoomi piirkonna pöörlemine 180 0 võrra, mille tulemusena paiknevad selles piirkonnas olevad geenid normiga võrreldes vastupidises järjestuses (joon. 8).

Riis. 8. Inversioon

- translokatsioon- kromosoomi mis tahes osa teisaldamine teise kohta (joonis 9).

Riis. 9. Translokatsioon

Deletsioonide ja dubleerimisega muutub geneetilise materjali koguhulk, nende mutatsioonide fenotüübilise avaldumise määr sõltub muutunud alade suurusest, samuti sellest, kui olulised geenid nendesse piirkondadesse sattusid.

Inversioonide ja translokatsioonide käigus geneetilise materjali hulk ei muutu, muutub ainult selle asukoht. Sellised mutatsioonid on evolutsiooniliselt vajalikud, kuna mutandid ei saa sageli enam algsete isenditega ristuda.

Bibliograafia

1. Mamontov S.G., Zahharov V.B., Agafonova I.B., Sonin N.I. Bioloogia, 11. klass. Üldine bioloogia. Profiili tase. - 5. trükk, stereotüüpne. - Bustard, 2010.
2. Beljajev D.K. Üldine bioloogia. Põhitase. - 11. trükk, stereotüüpne. - M.: Haridus, 2012.
3. Pasechnik V.V., Kamensky A.A., Kriksunov E.A. Üldbioloogia, 10-11 klass. - M.: Bustard, 2005.
4. Agafonova I.B., Zakharova E.T., Sivoglazov V.I. Bioloogia 10-11 klass. Üldine bioloogia. Põhitase. - 6. väljaanne, lisa. - Bustard, 2010.

1. Interneti-portaal "genetics.prep74.ru" ()
2. Interneti-portaal "shporiforall.ru" ()
3. Interneti-portaal "licey.net" ()

Kodutöö

1. Kus on genoomi mutatsioonid kõige levinumad?
2. Mis on polüploidsed organismid?
3. Millised on kromosomaalsete mutatsioonide tüübid?

Peaaegu igasugune muutus kromosoomide struktuuris või arvus, mille puhul rakul säilib võime end taastoota, põhjustab organismi omadustes päriliku muutuse. Genoomi muutuse olemuse järgi, s.o. haploidses kromosoomikomplektis sisalduvad geenikomplektid eristavad geeni-, kromosomaalseid ja genoomseid mutatsioone. pärilik mutantne kromosomaalne geneetiline

Geenimutatsioonid on molekulaarsed muutused DNA struktuuris, mis pole valgusmikroskoobis nähtavad. Geenimutatsioonid hõlmavad kõiki muutusi DNA molekulaarstruktuuris, olenemata nende asukohast ja mõjust elujõulisusele. Mõned mutatsioonid ei mõjuta vastava valgu struktuuri ja funktsiooni. Teine (enamik) osa geenimutatsioonidest viib defektse valgu sünteesini, mis ei suuda oma funktsiooni täita.

Molekulaarsete muutuste tüübi järgi eristatakse:

Kustutused (ladina keelest deletio – hävitamine), s.o. DNA segmendi kadu ühest nukleotiidist geenini;

Dubleerimised (ladinakeelsest duplicatio duublimisest), s.o. DNA segmendi dubleerimine või taasdublikatsioon ühest nukleotiidist terveteks geenideks;

Inversioonid (ladina keelest inversio - ümberpööramine), s.o. DNA segmendi, mille suurus ulatub kahest nukleotiidist, 180° pööre mitut geeni sisaldava fragmendini;

Inserdid (ladinakeelsest insertio - manus), s.o. DNA fragmentide sisestamine, mille suurus ulatub ühest nukleotiidist kuni terve geenini.

Just geenimutatsioonid põhjustavad enamiku pärilike patoloogiavormide arengut. Sellistest mutatsioonidest põhjustatud haigusi nimetatakse geeni- või monogeenseteks haigusteks, s.t. haigused, mille arengu määrab ühe geeni mutatsioon.

Geenimutatsioonide mõju on äärmiselt mitmekesine. Enamik neist ei ilmne fenotüüpiliselt, kuna nad on retsessiivsed. See on liigi olemasolu jaoks väga oluline, kuna enamik äsja tekkivatest mutatsioonidest on kahjulikud. Kuid nende retsessiivne olemus võimaldab neid kaua aega püsib liigi isenditel heterosügootses olekus ilma organismi kahjustamata ja avaldub tulevikus homosügootsesse olekusse üleminekul.

Praegu on üle 4500 monogeense haiguse. Kõige levinumad neist on: tsüstiline fibroos, fenüülketonuuria, Duchenne-Beckeri müopaatiad ja mitmed muud haigused. Kliiniliselt väljenduvad need kehas esinevate ainevahetushäirete (ainevahetuse) tunnustena.

Samas on teada mitmeid juhtumeid, kui ainult ühe aluse muutus konkreetses geenis avaldab fenotüübile märgatavat mõju. Üks näide on geneetiline anomaalia, nagu sirprakuline aneemia. Seda pärilikku haigust homosügootses olekus põhjustav retsessiivne alleel väljendub ainult ühe aminohappejäägi asendamises (hemoglobiini molekuli B-ahelas (glutamiinhape? ?> valiin). See viib selleni, et punaveres sellise hemoglobiiniga rakud deformeeruvad veres (ümmargustest muutuvad sirbikujuliseks) ja hävivad kiiresti.Samal ajal tekib äge aneemia ja väheneb verega kaasaskantava hapniku hulk.Aneemia põhjustab füüsilist nõrkust, südame- ja neerufunktsiooni häired ning võivad mutantse alleeli suhtes homosügootsetel inimestel põhjustada varajase surma.

Kromosomaalsed mutatsioonid on kromosomaalsete haiguste põhjused.

Kromosomaalsed mutatsioonid on struktuurimuutused üksikutes kromosoomides, mis on tavaliselt nähtavad valgusmikroskoobi all. Kromosomaalses mutatsioonis osaleb suur hulk (kümnetest kuni mitmesajani) geene, mis viib normaalse diploidse komplekti muutumiseni. Kuigi kromosomaalsed aberratsioonid ei muuda üldiselt spetsiifiliste geenide DNA järjestust, põhjustab geenide koopiate arvu muutmine genoomis geneetilise tasakaalustamatuse, mis on tingitud geneetilise materjali puudumisest või ülemäärast. Kromosomaalseid mutatsioone on kaks suurt rühma: kromosomaalsed ja kromosomaalsed mutatsioonid (vt joonis 2).

Intrakromosomaalsed mutatsioonid on aberratsioonid ühes kromosoomis (vt joonis 3). Need sisaldavad:

Kustutused - kromosoomi ühe, sisemise või terminali sektsiooni kaotus. See võib põhjustada embrüogeneesi rikkumist ja mitmete arenguanomaaliate teket (näiteks deletsioon 5. kromosoomi lühikese käe piirkonnas, mida tähistatakse kui 5p-, põhjustab kõri alaarengut, südamerikkeid, vaimset alaarengut Seda sümptomite kompleksi tuntakse "kassi nutu" sündroomina, kuna haigetel lastel meenutab nutt kõri anomaaliate tõttu kassi mjäu);

Inversioonid. Kahe kromosoomi katkestuspunkti tulemusena sisestatakse saadud fragment pärast 180° pööramist oma algsele kohale. Selle tulemusena rikutakse ainult geenide järjekorda;

Dubleerimine - kromosoomi mis tahes osa kahekordistumine (või paljunemine) (näiteks 9. kromosoomi lühikese õla trisoomia põhjustab mitmeid defekte, sealhulgas mikrotsefaalia, füüsilise, vaimse ja intellektuaalse arengu hilinemine).

Riis. 2.

Interkromosomaalsed mutatsioonid ehk ümberkorraldusmutatsioonid on fragmentide vahetus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Selliseid mutatsioone nimetatakse translokatsioonideks (ladina keelest trans - for, through ja locus - koht). See:

Vastastikune translokatsioon – kaks kromosoomi vahetavad oma fragmente;

Mittevastastikune translokatsioon – ühe kromosoomi fragment transporditakse teise;

? "tsentriline" fusioon (Robertsoni translokatsioon) - kahe akrotsentrilise kromosoomi ühendamine nende tsentromeeride piirkonnas koos lühikeste käte kadumisega.

Kromatiidi põiksuunalise purunemisega läbi tsentromeeride muutuvad õdekromatiidid kahe erineva kromosoomi peegelharuks, mis sisaldavad samu geenikomplekte. Selliseid kromosoome nimetatakse isokromosoomideks.

Riis. 3.

Translokatsioonid ja inversioonid, mis on tasakaalustatud kromosoomide ümberkorraldused, ei oma fenotüüpseid ilminguid, kuid meioosis ümberkorraldatud kromosoomide segregatsiooni tulemusena võivad need moodustada tasakaalustamata sugurakke, mis toob kaasa kromosoomianomaaliatega järglaste tekkimise.

Genoomsed mutatsioonid, nagu ka kromosomaalsed, on kromosomaalsete haiguste põhjused.

Genoomsed mutatsioonid hõlmavad aneuploidsust ja muutusi struktuurselt muutumatute kromosoomide ploidsuses. Genoomsed mutatsioonid tuvastatakse tsütogeneetiliste meetoditega.

Aneuploidsus on kromosoomide arvu muutus (vähenemine - monosoomia, suurenemine - trisoomia) diploidses komplektis, mitte haploidse komplekti mitmekordne (2n + 1, 2n-1 jne).

Polüploidsus - kromosoomikomplektide arvu suurenemine, haploidse mitmekordne (3n, 4n, 5n jne).

Inimestel on polüploidsus, nagu ka enamik aneuploidiaid, surmavad mutatsioonid.

Kõige levinumad genoomsed mutatsioonid on järgmised:

Trisoomia - kolme homoloogse kromosoomi olemasolu karüotüübis (näiteks Downi tõvega 21. paaril, Edwardsi sündroomi 18. paaril, Patau sündroomi 13. paaril; sugukromosoomidel: XXX, XXY, XYY);

Monosoomia on kahest homoloogsest kromosoomist ainult ühe olemasolu. Mis tahes autosoomi monosoomia korral ei ole embrüo normaalne areng võimalik. Ainus monosoomia inimestel, mis ühildub eluga – monosoomia X-kromosoomis – viib Shereshevsky-Turneri sündroomini (45,X).

Aneuploidsuse põhjustajaks on kromosoomide mittelahkumine raku jagunemisel sugurakkude moodustumisel või kromosoomide kadumine anafaasi mahajäämuse tagajärjel, kui üks homoloogsetest kromosoomidest võib liikumisel teistest mittehomoloogsetest kromosoomidest maha jääda. poolus. Mõiste mittedisjunktsioon tähendab kromosoomide või kromatiidide eraldumise puudumist meioosi või mitoosi korral.

Kromosoomide mitteeraldamist täheldatakse kõige sagedamini meioosi ajal. Kromosoomid, mis tavaliselt peaksid meioosi ajal jagunema, jäävad omavahel liitunuks ja liiguvad anafaasis raku ühele poolusele, nii tekib kaks sugurakku, millest ühel on lisakromosoom ja teisel seda kromosoomi ei ole. Kui normaalse kromosoomikomplektiga sugurakku viljastatakse sugurakuga ekstra kromosoom tekib trisoomia (st rakus on kolm homoloogset kromosoomi), ühe kromosoomita sugurakuga viljastamisel tekib monosoomiaga sügoot. Kui mis tahes autosoomsel kromosoomil moodustub monosoomne sügoot, siis organismi areng peatub varajased staadiumid arengut.

Pärimise tüübi järgi domineeriv ja retsessiivne mutatsioonid. Mõned teadlased eristavad pooldomineerivaid, kaasdomineerivaid mutatsioone. Dominantseid mutatsioone iseloomustab otsene mõju organismile, pooldominantsete mutatsioonide puhul on fenotüübis heterosügootne vorm AA ja aa vormide vahepealne ning kodominantseid mutatsioone iseloomustab asjaolu, et A 1 A 2 heterosügootidel on mõlema tunnused. alleelid. Retsessiivseid mutatsioone heterosügootides ei esine.

Kui domineeriv mutatsioon esineb sugurakkudes, väljendub selle mõju otse järglastes. Paljud mutatsioonid inimestel on domineerivad. Need on levinud loomadel ja taimedes. Näiteks generatiivne domineeriv mutatsioon põhjustas Ancona lühikese jalaga lammaste tõu.

Pooldominantse mutatsiooni näide on Aa heterosügootse vormi mutatsiooniline moodustumine, mis on AA ja aa organismide vahelise fenotüübi vahepealne. See toimub biokeemiliste tunnuste puhul, kui mõlema alleeli tunnuse panus on sama.

Kodominantse mutatsiooni näiteks on I A ja I B alleelid, mis määravad IV veregrupi.

Retsessiivsete mutatsioonide korral on nende mõju peidetud diploidides. Need ilmuvad ainult homosügootses olekus. Näiteks võib tuua retsessiivsed mutatsioonid, mis määravad inimese geenihaigused.

Seega ei ole peamised tegurid mutantse alleeli avaldumise tõenäosuse määramisel organismis ja populatsioonis ainult staadium. paljunemistsükkel, vaid ka mutantse alleeli domineerimine.

Otsesed mutatsioonid? need on mutatsioonid, mis inaktiveerivad metsiktüüpi geene, st. mutatsioonid, mis muudavad DNA-s kodeeritud informatsiooni otsesel viisil, mille tulemuseks on muutus algse (metsik) tüüpi organismist, lähevad otse mutantset tüüpi organismile.

Selja mutatsioonid on pöördumised algsetele (metsikutele) tüüpidele mutantidest. Neid reversioone on kahte tüüpi. Mõned pöördumised on tingitud sarnase saidi või lookuse korduvatest mutatsioonidest algse fenotüübi taastamisega ja neid nimetatakse tõelisteks tagasimutatsioonideks. Teised reversioonid on mutatsioonid mõnes teises geenis, mis muudavad mutantse geeni ekspressiooni algtüübi suunas, s.t. kahjustus mutantses geenis säilib, kuid see taastab kuidagi oma funktsiooni, mille tulemusena fenotüüp taastub. Sellist fenotüübi taastamist (täielikku või osalist) algse geneetilise kahjustuse (mutatsiooni) säilimisest hoolimata nimetati supressiooniks ja selliseid tagamutatsioone supressoriks (ekstrageeniks). Reeglina tekivad supressioonid tRNA ja ribosoomide sünteesi kodeerivate geenide mutatsioonide tagajärjel.

AT üldine vaade mahasurumine võib olla:

? intrageenne? kui juba mõjutatud geeni teine ​​mutatsioon muudab otsese mutatsiooni tulemusena defektset koodonit selliselt, et polüpeptiidi sisestatakse aminohape, mis suudab taastada selle valgu funktsionaalse aktiivsuse. Samas ei vasta see aminohape algsele (enne esimese mutatsiooni ilmnemist), st. tõelist pöörduvust ei täheldatud;

? panustanud? tRNA struktuuri muutumisel, mille tulemusena sisaldab mutantne tRNA sünteesitud polüpeptiidis defektse tripleti (tulenevalt otsesest mutatsioonist) poolt kodeeritava aminohappe asemel mõnda teist aminohapet.

Fenotüübi supressioonist tingitud mutageenide toime kompenseerimine ei ole välistatud. Seda võib eeldada, kui rakku mõjutab tegur, mis suurendab translatsiooni ajal mRNA lugemise vigade tõenäosust (näiteks mõned antibiootikumid). Sellised vead võivad viia vale aminohappe asendamiseni, mis aga taastab otsese mutatsiooni tagajärjel kahjustunud valgu funktsiooni.

Mutatsioonid iseloomustavad lisaks kvalitatiivsetele omadustele ka nende esinemisviisi. Spontaanne(juhuslikud) - normaalsetes elutingimustes esinevad mutatsioonid. Need on tulemus looduslikud protsessid rakkudes esinevad tekivad Maa loodusliku radioaktiivse fooni tingimustes kosmilise kiirguse, Maa pinnal olevate radioaktiivsete elementide, neid mutatsioone põhjustavate organismide rakkudesse liidetud radionukliidide või DNA replikatsioonivigade tulemusena. Inimestel esinevad spontaansed mutatsioonid somaatilistes ja generatiivsetes kudedes. Spontaansete mutatsioonide määramise meetod põhineb asjaolul, et lastel ilmneb domineeriv tunnus, kuigi tema vanematel seda pole. Taanis läbiviidud uuring näitas, et ligikaudu üks 24 000 suguraku kohta kannab domineerivat mutatsiooni. Iga liigi spontaansete mutatsioonide sagedus on geneetiliselt määratud ja seda hoitakse teatud tasemel.

indutseeritud mutagenees on mutatsioonide kunstlik tekitamine, kasutades erinevat laadi mutageene. On füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi mutageenseid tegureid. Enamik neist teguritest reageerib otseselt DNA molekulide lämmastikualustega või on lülitatud nukleotiidjärjestustesse. Indutseeritud mutatsioonide sagedus määratakse mutageeniga töödeldud ja töötlemata organismide rakkude või populatsioonide võrdlemise teel. Kui mutatsioonimäär populatsioonis suureneb mutageeniga töötlemise tulemusena 100 korda, siis arvatakse, et populatsioonis on ainult üks mutant spontaanne, ülejäänud indutseeritakse. Taimede, loomade ja mikroorganismide valikul on praktilise tähtsusega uurimistöö meetodite loomise kohta erinevate mutageenide suunatud toimeks konkreetsetele geenidele.

Vastavalt rakutüübile, milles mutatsioonid esinevad, eristatakse generatiivseid ja somaatilisi mutatsioone (vt joonis 4).

Generatiivne mutatsioonid esinevad suguelundite rakkudes ja sugurakkudes. Kui genitaalrakkudes toimub mutatsioon (generatiivne), võib mutantse geeni korraga vastu võtta mitu sugurakku, mis suurendab potentsiaalset võimet pärida seda mutatsiooni mitme isendi (isendi) poolt järglastel. Kui mutatsioon toimus gameetis, siis tõenäoliselt saab selle geeni ainult üks isend (isend) järglastest. Mutatsioonide esinemissagedust sugurakkudes mõjutab organismi vanus.

Riis. neli.

Somaatiline mutatsioonid esinevad organismide somaatilistes rakkudes. Loomadel ja inimestel püsivad mutatsioonimuutused ainult nendes rakkudes. Kuid taimedes, kuna neil on võime vegetatiivselt paljuneda, võib mutatsioon ulatuda somaatiliste kudede piiridest kaugemale. Näiteks kuulus talvesort Delicious õunad pärineb somaatilise raku mutatsioonist, mis jagunemise tulemusena viis haru tekkeni, millel olid mutantse tüübi tunnused. Sellele järgnes vegetatiivne paljundamine, mis võimaldas saada selle sordi omadustega taimi.

Mutatsioonide klassifitseerimise sõltuvalt nende fenotüübilisest mõjust pakkus esmakordselt välja 1932. aastal G. Möller. Klassifikatsiooni järgi eraldati:

amorfsed mutatsioonid. See on seisund, mille korral ebanormaalse alleeli poolt kontrollitud tunnust ei esine, kuna ebanormaalne alleel ei ole normaalse alleeliga võrreldes aktiivne. Need mutatsioonid hõlmavad albinismi geeni ja umbes 3000 autosoomset retsessiivset haigust;

antimorfsed mutatsioonid. Sel juhul on patoloogilise alleeli poolt kontrollitava tunnuse väärtus vastupidine normaalse alleeli poolt kontrollitava tunnuse väärtusele. Need mutatsioonid hõlmavad umbes 5-6 tuhande autosomaalse domineeriva haiguse geene;

hüpermorfsed mutatsioonid. Sellise mutatsiooni korral on patoloogilise alleeli poolt kontrollitav tunnus rohkem väljendunud kui normaalse alleeli poolt kontrollitav tunnus. Näide? genoomi ebastabiilsuse haiguse geenide heterosügootsed kandjad. Nende arv on umbes 3% maailma elanikkonnast ja haiguste arv ise ulatub 100 nosoloogiani. Nende haiguste hulgas: Fanconi aneemia, ataksia telangiektaasia, pigment-kseroderma, Bloomi sündroom, progeroidsed sündroomid, paljud vähivormid jne. Samal ajal on nende haiguste geenide heterosügootsete kandjate vähi esinemissagedus 3-5 korda kõrgem kui normis ja patsientidel endil (nende geenide homosügootid) on vähki haigestumus normist kümme korda kõrgem.

hüpomorfsed mutatsioonid. See on seisund, mille korral patoloogilise alleeli poolt kontrollitava tunnuse ekspressioon on nõrgenenud võrreldes normaalse alleeli kontrollitava tunnusega. Need mutatsioonid hõlmavad mutatsioone pigmendi sünteesi geenides (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), aga ka rohkem kui 300 vormi autosomaalsed retsessiivsed haigused.

neomorfsed mutatsioonid. Selline mutatsioon on väidetavalt siis, kui patoloogilise alleeli poolt kontrollitav tunnus on normaalse alleeli kontrollitava tunnusega võrreldes erineva (uue) kvaliteediga. Näide: uute immunoglobuliinide süntees vastusena võõrantigeenide tungimisele organismi.

Rääkides G. Mölleri klassifikatsiooni püsivast tähtsusest, tuleb märkida, et 60 aastat pärast selle avaldamist jagati punktmutatsioonide fenotüübilised mõjud erinevatesse klassidesse sõltuvalt nende mõjust struktuurile. valgu toode geeni ja/või selle ekspressioonitaseme.

Geenimutatsioonid on molekulaarsed muutused DNA struktuuris, mis pole valgusmikroskoobiga nähtavad. Geenimutatsioonid hõlmavad kõiki muutusi DNA molekulaarstruktuuris, olenemata nende asukohast ja mõjust elujõulisusele. Mõned mutatsioonid ei mõjuta vastava valgu struktuuri ja funktsiooni. Teine (enamik) osa geenimutatsioonidest viib defektse valgu sünteesini, mis ei suuda oma funktsiooni täita. Just geenimutatsioonid määravad ära enamiku pärilike patoloogiavormide arengu.

Kõige levinumad monogeensed haigused inimestel on: tsüstiline fibroos, hemokromatoos, adrenogenitaalne sündroom, fenüülketonuuria, neurofibromatoos, Duchenne-Beckeri müopaatiad ja mitmed muud haigused. Kliiniliselt väljenduvad need kehas esinevate ainevahetushäirete (ainevahetuse) tunnustena. Mutatsioon võib olla:

1) alusasenduses koodonis on see nn missense mutatsioon(inglise keelest mis - vale, vale + lat. sensus - tähendus) - nukleotiidasendus geeni kodeerivas osas, mis viib polüpeptiidis aminohappe asenduseni;

2) sellises koodonite muutuses, mis toob kaasa info lugemise seiskumise, on see nn. mõttetu mutatsioon(ladina keelest non - no + sensus - tähendus) - nukleotiidi asendus geeni kodeerivas osas viib terminaatorkoodoni (stoppkoodoni) moodustumiseni ja translatsiooni lõpetamiseni;

3) lugemisinfo rikkumine, lugemisraami nihe, nn kaadrivahetus(ingliskeelsest raamist - kaader + nihe: - nihe, liikumine), kui DNA molekulaarsed muutused põhjustavad polüpeptiidahela translatsiooni käigus kolmikute muutumist.

Samuti on teada muud tüüpi geenimutatsioonid. Molekulaarsete muutuste tüübi järgi eristatakse:

jaotus(lad. deletio - hävitamine), kui toimub DNA segmendi kadu, mille suurus ulatub ühest nukleotiidist kuni geenini;

dubleerimised(lat. duplicatio - kahekordistamine), s.o. DNA segmendi dubleerimine või taasdublikatsioon ühest nukleotiidist terveteks geenideks;

inversioonid(lat. inversio - ümberpööramine), s.o. DNA segmendi 180° pööre, mille suurus ulatub kahest nukleotiidist mitut geeni sisaldava fragmendini;

sisestusi(lat. insertio - manus), s.o. DNA fragmentide sisestamine, mille suurus ulatub ühest nukleotiidist kuni terve geenini.

Molekulaarseid muutusi, mis mõjutavad ühte kuni mitut nukleotiidi, peetakse punktmutatsioonideks.

Geenimutatsiooni põhiline ja eristav omadus on see, et see 1) viib geneetilise teabe muutumiseni, 2) saab edasi kanduda põlvest põlve.

Teatud osa geenimutatsioonidest võib liigitada neutraalsete mutatsioonide hulka, kuna need ei too kaasa mingeid muutusi fenotüübis. Näiteks geneetilise koodi degeneratsiooni tõttu võivad sama aminohapet kodeerida kaks kolmikut, mis erinevad ainult ühe aluse poolest. Teisest küljest võib sama geen muutuda (muteerida) mitmesse erinevasse olekusse.

Näiteks geen, mis kontrollib AB0 süsteemi veregruppi. on kolm alleeli: 0, A ja B, mille kombinatsioonid määravad 4 veregruppi. AB0 veregrupp on klassikaline näide inimese normaalsete tunnuste geneetilisest varieeruvusest.

Just geenimutatsioonid määravad ära enamiku pärilike patoloogiavormide arengu. Sellistest mutatsioonidest põhjustatud haigusi nimetatakse geeni- ehk monogeenseteks haigusteks ehk haigusteks, mille arengu määrab ühe geeni mutatsioon.

Genoomsed ja kromosomaalsed mutatsioonid

Genoomsed ja kromosomaalsed mutatsioonid on kromosomaalsete haiguste põhjused. Genoomsed mutatsioonid hõlmavad aneuploidsust ja muutusi struktuurselt muutumatute kromosoomide ploidsuses. Tuvastatakse tsütogeneetiliste meetoditega.

Aneuploidsus- kromosoomide arvu muutus (vähenemine - monosoomia, suurenemine - trisoomia) diploidses komplektis, mitte haploidse mitmekordne (2n + 1, 2n - 1 jne).

Polüploidsus- kromosoomikomplektide arvu suurenemine, haploidse mitmekordne (3n, 4n, 5n jne).

Inimestel on polüploidsus, nagu ka enamik aneuploidiaid, surmavad mutatsioonid.

Kõige levinumad genoomsed mutatsioonid on järgmised:

trisoomia- kolme homoloogse kromosoomi olemasolu karüotüübis (näiteks 21. paaril Downi sündroomiga, 18. paaril Edwardsi sündroomi korral, 13. paaril Patau sündroomi korral; sugukromosoomide puhul: XXX, XXY, XYY);

monosoomia- kahest homoloogsest kromosoomist ainult ühe olemasolu. Mis tahes autosoomi monosoomia korral on embrüo normaalne areng võimatu. Ainus monosoomia inimestel, mis ühildub eluga – monosoomia X-kromosoomis – viib (Shereshevsky-Turneri sündroomini (45, X0).

Aneuploidsuse põhjustajaks on kromosoomide mittelahkumine raku jagunemisel sugurakkude moodustumise ajal või kromosoomide kadumine anafaasi mahajäämuse tagajärjel, kui üks homoloogsetest kromosoomidest võib tsükli ajal kõigist teistest mittehomoloogsetest kromosoomidest maha jääda. liikumine poolusse. Mõiste "mittelahknevus" tähendab kromosoomide või kromatiidide eraldumise puudumist meioosi või mitoosi korral. Kromosoomide kaotus võib viia mosaiiksuseni, mille puhul esineb üks e üleslaaditud(tavaline) rakuliin ja muu monosoomne.

Kromosoomide mitteeraldamist täheldatakse kõige sagedamini meioosi ajal. Kromosoomid, mis tavaliselt jagunevad meioosi ajal, jäävad kokku ja liiguvad anafaasis raku ühele poolusele. Seega tekib kaks sugurakku, millest ühel on lisakromosoom ja teisel seda kromosoomi pole. Kui normaalse kromosoomikomplektiga sugurakku viljastatakse lisakromosoomiga sugurakuga, tekib trisoomia (see tähendab, et rakus on kolm homoloogset kromosoomi), ühe kromosoomita suguraku viljastamisel tekib monosoomiga sügoot. Kui monosoomne sügoot moodustub mis tahes autosomaalsel (mitte-sugu)kromosoomil, siis organismi areng peatub kõige varasemates arengustaadiumides.

Kromosomaalsed mutatsioonid- Need on struktuurimuutused üksikutes kromosoomides, mis on tavaliselt nähtavad valgusmikroskoobis. Kromosomaalses mutatsioonis osaleb suur hulk (kümnetest kuni mitmesajani) geene, mis viib normaalse diploidse komplekti muutumiseni. Kuigi kromosomaalsed aberratsioonid ei muuda üldiselt spetsiifiliste geenide DNA järjestust, põhjustab geenide koopiate arvu muutmine genoomis geneetilise tasakaalustamatuse, mis on tingitud geneetilise materjali puudumisest või ülemäärast. Kromosomaalseid mutatsioone on kaks suurt rühma: kromosomaalsed ja kromosomaalsed mutatsioonid.

Intrakromosomaalsed mutatsioonid on aberratsioonid ühes kromosoomis. Need sisaldavad:

—kustutamised(lad. deletio - hävitamine) - ühe kromosoomi, sisemise või terminali sektsiooni kaotus. See võib põhjustada embrüogeneesi rikkumist ja mitmete arenguanomaaliate teket (näiteks jagunemine 5. kromosoomi lühikese käe piirkonnas, mida tähistatakse kui 5p-, põhjustab kõri alaarengut, südamerikkeid, vaimset alaarengut) . Seda sümptomite kompleksi tuntakse "kassi nutu" sündroomina, kuna haigetel lastel meenutab nutt kõri anomaaliate tõttu kassi mjäu;

—inversioonid(lat. inversio - ümberpööramine). Kahe kromosoomi katkestuspunkti tulemusena sisestatakse saadud fragment pärast 180° pööramist oma algsele kohale. Selle tulemusena rikutakse ainult geenide järjekorda;

— dubleerimised(sõnast Lat duplicatio - kahekordistumine) - kromosoomi mis tahes osa kahekordistamine (või paljunemine) (näiteks 9. kromosoomi ühe lühikese haru trisoomia põhjustab mitmeid defekte, sealhulgas mikrotsefaalia, füüsilise, vaimse ja intellektuaalse arengu hilinemine).

Kõige sagedasemate kromosoomaberratsioonide skeemid:
Jaotus: 1 - terminal; 2 - vaheleht. Inversioonid: 1 - peritsentriline (koos tsentromeeri hõivamisega); 2 - paratsentriline (ühe kromosoomi käe sees)

Interkromosomaalsed mutatsioonid või ümberkorraldusmutatsioonid- fragmentide vahetus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Selliseid mutatsioone nimetatakse translokatsioonideks (ladina keelest tgans - for, through + locus - koht). See:

Vastastikune translokatsioon, kui kaks kromosoomi vahetavad oma fragmente;

Mittevastastikune translokatsioon, kui ühe kromosoomi fragment transporditakse teise;

- "tsentriline" fusioon (Robertsoni translokatsioon) - kahe akrotsentrilise kromosoomi ühendamine nende tsentromeeride piirkonnas koos lühikeste harude kadumisega.

Kromatiidide põikirebenemisel läbi tsentromeeride muutuvad "õde" kromatiidid kahe erineva kromosoomi "peegelharudeks", mis sisaldavad samu geenikomplekte. Selliseid kromosoome nimetatakse isokromosoomideks. Nii intrakromosomaalsed (deletsioonid, inversioonid ja dubleerimised) kui ka kromosoomidevahelised (translokatsioonid) aberratsioonid ja isokromosoomid on seotud füüsilised muutused kromosoomide struktuurid, sealhulgas need, millel on mehaanilised katkestused.

Pärilik patoloogia päriliku varieeruvuse tagajärjel

Ühiste liigiomaduste olemasolu võimaldab ühendada kõik inimesed maa peal üheks Homo sapiens'i liigiks. Sellegipoolest suudame ühe pilguga hõlpsasti rahvahulgast tuttava näo välja tuua. võõrad. Inimeste erakordne mitmekesisus nii rühma sees (näiteks etnilise rühma sees) kui ka rühmade vahel tuleneb nende geneetilisest erinevusest. Praegu arvatakse, et kogu liigisisene varieeruvus on tingitud erinevatest genotüüpidest, mis tekivad ja mida säilitab looduslik valik.

Teadaolevalt sisaldab inimese haploidne genoom 3,3x10 9 paari nukleotiidijääke, mis võimaldab teoreetiliselt omada kuni 6-10 miljonit geeni. Samal ajal näitavad tänapäevaste uuringute andmed, et inimese genoom sisaldab ligikaudu 30-40 tuhat geeni. Umbes kolmandikul kõigist geenidest on rohkem kui üks alleel, see tähendab, et nad on polümorfsed.

Päriliku polümorfismi mõiste sõnastas E. Ford 1940. aastal, et selgitada populatsioonis kahe või enama erineva vormi olemasolu, kui neist haruldasemate esinemissagedust ei saa seletada ainult mutatsiooniliste sündmustega. Kuna geenimutatsioon on haruldane sündmus (1x10 6), saab mutantse alleeli esinemissagedust, mis on üle 1%, seletada ainult selle järkjärgulise kuhjumisega populatsiooni, mis on tingitud selle mutatsiooni kandjate selektiivsetest eelistest.

Lõhenevate lookuste paljusus, alleelide paljusus neist igaühes koos rekombinatsiooni fenomeniga loob inimese ammendamatu geneetilise mitmekesisuse. Arvutused näitavad, et kogu inimkonna ajaloo jooksul ei ole olnud, ei ole ega ka nähtavas tulevikus ei toimu maakeral geneetilist kordumist, s.t. iga sündinud inimene on ainulaadne nähtus universumis. Geneetilise konstitutsiooni ainulaadsus määrab suuresti iga inimese haiguse arengu tunnused.

Inimkond on arenenud isoleeritud populatsioonide rühmadena, kes elavad pikka aega samades tingimustes. keskkond, sealhulgas kliima- ja geograafilised omadused, toitumise olemus, patogeenid, kultuuritraditsioonid jne. Selle tulemusel fikseeriti populatsioonis igaühe jaoks normaalsete alleelide spetsiifilised kombinatsioonid, mis on keskkonnatingimustele kõige sobivamad. Seoses elupaiga järkjärgulise laienemise, intensiivsete rändete, rahvaste ümberasumisega tekivad olukorrad, kus teatud tingimustel teistes tingimustes kasulikud spetsiifiliste normaalsete geenide kombinatsioonid ei taga mõne kehasüsteemi optimaalset talitlust. See viib selleni, et osa pärilikust varieeruvusest saab inimese mittepatoloogiliste geenide ebasoodsa kombinatsiooni tõttu aluseks nn päriliku eelsoodumusega haiguste tekkele.

Lisaks toimus inimesel kui sotsiaalsel olendil looduslik valik aja jooksul üha spetsiifilisemates vormides, mis avardas ka pärilikku mitmekesisust. Säilis see, mida sai loomadel kõrvale pühkida, või, vastupidi, läks kaduma see, mida loomad päästsid. Seega viis C-vitamiini vajaduse täielik rahuldamine evolutsiooni käigus askorbiinhappe sünteesi katalüüsiva L-gulonodaktoonoksüdaasi geeni kadumiseni. Evolutsiooni käigus omandas inimkond ka ebasoovitavaid märke, mis on otseselt seotud patoloogiaga. Näiteks inimestel ilmnesid evolutsiooni käigus geenid, mis määravad tundlikkuse difteeriatoksiini või poliomüeliidi viiruse suhtes.

Seega ei ole inimestel, nagu ka teistel bioloogilistel liikidel, teravat piiri päriliku varieeruvuse vahel, mis põhjustab tunnuste normaalseid variatsioone, ja päriliku varieeruvuse vahel, mis põhjustab pärilike haiguste esinemist. Inimene, kes on saanud Homo sapiens'i bioloogiliseks liigiks, justkui maksis oma liigi "mõistuse" eest patoloogiliste mutatsioonide kuhjumisega. See seisukoht on aluseks meditsiinigeneetika ühele peamisele kontseptsioonile, mis käsitleb patoloogiliste mutatsioonide evolutsioonilist kuhjumist inimpopulatsioonides.

Inimpopulatsioonide pärilik varieeruvus, nii säilinud kui ka vähenenud loodusliku valiku abil, moodustab nn geneetilise koormuse.

Mõned patoloogilised mutatsioonid võivad populatsioonides püsida ja levida ajalooliselt pikka aega, põhjustades nn segregatsiooni geneetilist koormust; muud patoloogilised mutatsioonid tekivad igas põlvkonnas uute muutuste tagajärjel pärilikus struktuuris, tekitades mutatsioonikoormuse.

Geneetilise koormuse negatiivne mõju avaldub suremuse suurenemises (sugurakkude, sügootide, embrüote ja laste surm), viljakuse vähenemises (järglaste paljunemise vähenemine), eluea lühenemises, sotsiaalses kohanematus ja puudena ning põhjustab ka suurenenud vajaduse arstiabi järele. hoolitseda.

Inglise geneetik J. Hodden juhtis esimesena teadlaste tähelepanu geneetilise koormuse olemasolule, kuigi termini enda pakkus välja G. Meller juba 40ndate lõpus. Mõiste "geneetiline koormus" tähendus on seotud suure geneetilise varieeruvusega, mis on vajalik bioloogilisele liigile muutuvate keskkonnatingimustega kohanemiseks.

Mutatsioonist saadakse aru DNA koguse ja struktuuri muutus rakus või organismis. Teisisõnu, mutatsioon on genotüübi muutus. Genotüübi muutuse eripäraks on see, et seda mitoosi või meioosi tagajärjel tekkinud muutust saab üle kanda järgmistesse rakkude põlvkondadesse.

Kõige sagedamini mõistetakse mutatsioonide all väikest muutust DNA nukleotiidide järjestuses (muutused ühes geenis). Need on nn. Kuid lisaks neile on ka siis, kui muutused mõjutavad suuri DNA lõike või muutub kromosoomide arv.

Mutatsiooni tagajärjel võib organismis ootamatult ilmneda uus tunnus.

Hugh de Vries väljendas esmakordselt 1901. aastal mõtet, et põlvkondade kaupa edasi kanduvate uute tunnuste ilmnemise põhjuseks on mutatsioon. Hiljem uurisid Drosophila mutatsioone T. Morgan ja tema kooli töötajad.

Mutatsioon – kahju või kasu?

DNA "ebaolulistes" ("vaikivates") osades esinevad mutatsioonid ei muuda organismi omadusi ja neid saab kergesti põlvest põlve edasi anda (looduslik valik neid ei mõjuta). Selliseid mutatsioone võib pidada neutraalseks. Mutatsioonid on neutraalsed ka siis, kui geenisegment asendatakse sünonüümiga. Sel juhul, kuigi nukleotiidjärjestus teatud piirkonnas on erinev, sünteesitakse sama valk (sama aminohappejärjestusega).

Mutatsioon võib aga mõjutada olulist geeni, muuta sünteesitava valgu aminohappejärjestust ja sellest tulenevalt põhjustada muutusi organismi omadustes. Seejärel, kui mutatsiooni kontsentratsioon populatsioonis jõuab teatud tasemeni, toob see kaasa muutuse iseloomulik tunnus kogu elanikkond.

Looduses esinevad mutatsioonid DNA vigadena, seega on need kõik a priori kahjulikud. Enamik mutatsioone vähendab organismi elujõulisust, põhjustab erinevaid haigusi. Somaatilistes rakkudes esinevad mutatsioonid ei kandu üle järgmisse põlvkonda, vaid mitoosi tulemusena tekivad tütarrakud, mis moodustavad konkreetse koe. Sageli põhjustavad somaatilised mutatsioonid erinevate kasvajate ja muude haiguste teket.

Sugurakkudes esinevad mutatsioonid võivad kanduda edasi järgmisele põlvkonnale. Stabiilsetes keskkonnatingimustes on peaaegu kõik genotüübi muutused kahjulikud. Kuid kui keskkonnatingimused muutuvad, võib selguda, et varem kahjulik mutatsioon muutub kasulikuks.

Näiteks mutatsioon, mis põhjustab putukatel lühikesi tiibu, on tõenäoliselt kahjulik populatsioonis, mis elab kohtades, kus puudub tugev tuul. See mutatsioon on sarnane deformatsioonile, haigusele. Seda kandvatel putukatel on raskusi paaritumispartnerite leidmisega. Aga kui maastikul hakkavad puhuma tugevamad tuuled (näiteks hävis tulekahju tagajärjel metsaala), siis pikkade tiibadega putukad lendab tuul minema, neil on raskem liikuda. Sellistes tingimustes võivad lühikeste tiibadega isendid saada eelise. Nad leiavad partnereid ja toitu sagedamini kui pikatiivalised. Mõne aja pärast on populatsioonis rohkem lühitiivalisi mutante. Seega mutatsioon fikseeritakse ja muutub normiks.

Mutatsioonid on loodusliku valiku aluseks ja see on nende peamine eelis. Keha jaoks on suur hulk mutatsioone kahjulik.

Miks mutatsioonid tekivad?

Looduses esinevad mutatsioonid juhuslikult ja spontaanselt. See tähendab, et iga geen võib igal ajal muteeruda. Erinevate organismide ja rakkude mutatsioonide sagedus on aga erinev. Näiteks on see seotud kestusega eluring: mida lühem see on, seda rohkem mutatsioone esineb. Seega esinevad mutatsioonid bakterites palju sagedamini kui eukarüootsetes organismides.

Välja arvatud spontaansed mutatsioonid(toimuvad loomulikult) on indutseeritud(isiku poolt laboritingimustes või ebasoodsates keskkonnatingimustes) mutatsioonid.

Põhimõtteliselt tekivad mutatsioonid DNA replikatsiooni (kahekordistumise), DNA parandamise (taastamise) vigade, ebavõrdse ristumisega, kromosoomide ebaõige eraldamise meioosi korral jne.

Nii et rakkudes toimub pidevalt kahjustatud DNA lõikude taastamine (parandamine). Kui aga selle tulemusena erinevatel põhjustel parandusmehhanisme rikutakse, siis jäävad DNA-s vead alles ja kuhjuvad.

Replikatsioonivea tulemuseks on ühe nukleotiidi asendamine DNA ahelas teisega.

Mis põhjustab mutatsioone?

Täiustatud tase mutatsioonid põhjustavad röntgeni-, ultraviolett- ja gammakiirgust. Mutageenide hulka kuuluvad ka α- ja β-osakesed, neutronid, kosmiline kiirgus (kõik need on suure energiaga osakesed).

Mutageen on midagi, mis võib põhjustada mutatsioone.

Lisaks erinevatele kiirgustele palju keemilised ained: formaldehüüd, kolhitsiin, tubakakomponendid, pestitsiidid, säilitusained, mõned ravimid ja jne.

pärilik varieeruvus

Kombinatsiooni varieeruvus. Pärilik ehk genotüübiline varieeruvus jaguneb kombinatiivseks ja mutatsiooniliseks.

Variatiivsust nimetatakse kombinatiivseks, mis põhineb rekombinatsioonide ehk selliste geenide kombinatsioonide tekkel, mida vanematel ei olnud.

Kombinatiivne varieeruvus põhineb organismide sugulisel paljunemisel, mille tulemusena tekib tohutult erinevaid genotüüpe. Kolm protsessi on peaaegu piiramatud geneetilise varieeruvuse allikad:

Homoloogiliste kromosoomide sõltumatu lahknemine esimeses meiootilises jagunemises. See on kromosoomide sõltumatu kombinatsioon meioosi ajal, mis on Mendeli kolmanda seaduse aluseks. Roheliste siledate ja kollaste kortsusherneseemnete ilmumine teises põlvkonnas taimede ristamisel kollaste siledate ja roheliste kortsustega seemnetega on näide kombineeritud varieeruvusest.

Homoloogiliste kromosoomide lõikude vastastikune vahetus ehk ristumine (vt joonis 3.10). See loob uusi sidestusrühmi, see tähendab, et see toimib alleelide geneetilise rekombinatsiooni olulise allikana. Rekombinantsed kromosoomid, mis on kord sügoodis, aitavad kaasa märkide ilmnemisele, mis on iga vanema jaoks ebatüüpilised.

Sugurakkude juhuslik kombinatsioon viljastamise ajal.

Need kombineeritud varieeruvuse allikad toimivad sõltumatult ja samaaegselt, tagades samal ajal pideva geenide “segamise”, mis viib erineva genotüübi ja fenotüübiga organismide tekkeni (geenid ise ei muutu). Uued geenikombinatsioonid lagunevad aga põlvest põlve edasi kandes üsna kergesti laiali.

Kombinatiivne varieeruvus on kogu elusorganismidele iseloomuliku kolossaalse päriliku mitmekesisuse kõige olulisem allikas. Loetletud varieeruvuse allikad ei too aga kaasa stabiilseid ellujäämiseks hädavajalikke muutusi genotüübis, mis on evolutsiooniteooria järgi vajalikud uute liikide tekkeks. Sellised muutused tulenevad mutatsioonidest.

mutatsiooniline varieeruvus. Mutatsiooniline nimetatakse genotüübi enda varieeruvuseks. Mutatsioonid - need on äkilised pärilikud muutused geneetilises materjalis, mis põhjustavad organismi teatud tunnuste muutumist.

Mutatsiooniteooria põhisätted töötas välja G. De Vries aastatel 1901–1903. ja taandame järgmiseks:

Mutatsioonid tekivad järsult, järsult, tunnuste diskreetsete muutustena.

Erinevalt mittepärilikest muutustest on mutatsioonid kvalitatiivsed muutused, mida antakse edasi põlvest põlve.

Mutatsioonid avalduvad erineval viisil ja võivad olla nii kasulikud kui kahjulikud, nii domineerivad kui ka retsessiivsed.

Mutatsioonide tuvastamise tõenäosus sõltub uuritud isendite arvust.

Sarnased mutatsioonid võivad esineda korduvalt.

Mutatsioonid on mittesuunatud (spontaansed), st kromosoomi mis tahes osa võib muteeruda, põhjustades muutusi nii väiksemates kui ka elutähtsates näitajates.

Peaaegu igasugune muutus kromosoomide struktuuris või arvus, mille puhul rakul säilib võime end taastoota, põhjustab organismi omadustes päriliku muutuse. Muutuse olemuse järgi genoom, st. haploidses kromosoomikomplektis sisalduvate geenide kogum, eristada geeni-, kromosomaalseid ja genoomseid mutatsioone.

geneetiline, või punkt, mutatsioon- ühe geeni DNA molekuli nukleotiidjärjestuse muutuse tulemus. Selline muutus geenis reprodutseeritakse transkriptsiooni käigus mRNA struktuuris; see muudab järjestust aminohapped ribosoomidel translatsiooni käigus moodustunud polüpeptiidahelas. Selle tulemusena sünteesitakse veel üks valk, mis viib organismi vastava tunnuse muutumiseni. See on kõige levinum mutatsioonitüüp ja organismide päriliku varieeruvuse kõige olulisem allikas.

Geeni nukleotiidide lisamise, kadumise või ümberpaigutamisega on seotud erinevat tüüpi geenimutatsioonid. seda dubleerimised(geeniosa kordamine), lisad(täiendava nukleotiidipaari ilmumine järjestusse), kustutamised("ühe või mitme aluspaari kadumine") nukleotiidipaaride asendused (AT -> <- HZ; AT -> <- ; CG; või AT -> <- TA), inversioonid(geenilõike ümberpööramine 180° võrra).

Geenimutatsioonide mõju on äärmiselt mitmekesine. Enamik neist ei ilmne fenotüüpiliselt, kuna nad on retsessiivsed. See on liigi olemasolu jaoks väga oluline, kuna enamik äsja tekkivatest mutatsioonidest on kahjulikud. Kuid nende retsessiivne olemus võimaldab neil pikka aega püsida liigi isenditel heterosügootses olekus ilma organismi kahjustamata ja avalduda ka tulevikus, kui nad lähevad homosügootsesse olekusse.

Samas on teada mitmeid juhtumeid, kui ainult ühe aluse muutus konkreetses geenis avaldab fenotüübile märgatavat mõju. Üks näide on geneetiline anomaalia nagu sirprakuline aneemia. Retsessiivne alleel, mis põhjustab seda pärilikku haigust homosügootses olekus, väljendub ainult ühe aminohappejäägi asendamises B-hemoglobiini molekuli ahelad (glutamiinhape -» -> valiin). See toob kaasa asjaolu, et veres deformeeruvad sellise hemoglobiiniga punased verelibled (ümardatud poolkuukujuliseks) ja kiiresti hävivad. Sel juhul areneb äge aneemia ja täheldatakse verega transporditava hapniku hulga vähenemist. Aneemia põhjustab füüsilist nõrkust, südame ja neerude talitlushäireid ning võib mutantse alleeli suhtes homosügootsetel inimestel põhjustada varajase surma.

Kromosomaalsed mutatsioonid (ümberkorraldused, või kõrvalekalded)- Need on muutused kromosoomide struktuuris, mida saab valgusmikroskoobiga tuvastada ja uurida.

Tuntud perestroika erinevad tüübid(joonis 3.13):

puudus, või puudus,- kromosoomi terminaalsete osade kadu;

kustutamine- kromosoomi segmendi kaotus selle keskosas;

dubleerimine - geenide kahe- või mitmekordne kordumine, mis paiknevad teatud kromosoomi piirkonnas;

inversioon- kromosoomi lõigu pööramine 180°, mille tulemusena paiknevad selles sektsioonis olevad geenid tavapärasega võrreldes vastupidises järjekorras;

translokatsioon- kromosoomikomplektis oleva kromosoomi mis tahes osa asukoha muutus. Kõige levinumad translokatsioonid on vastastikused, mille käigus vahetatakse piirkondi kahe mittehomoloogse kromosoomi vahel. Kromosoomi segment võib oma asukohta muuta ka ilma vastastikuse vahetuseta, jäädes samasse kromosoomi või sattudes mõnda teise kromosoomi.

Kell puudused, kustutamised ja dubleerimised geneetilise materjali hulk muutub. Fenotüübimuutuse määr sõltub sellest, kui suured on kromosoomide vastavad lõigud ja kas need sisaldavad olulisi geene. Puuduste näiteid on teada paljudes organismides, sealhulgas inimestel. Raske pärilik haigus -sündroom "kassi nutt"(nii nimetatud haigete imikute poolt tekitatavate helide olemuse järgi), 5. kromosoomi puudulikkuse heterosügootsuse tõttu. Selle sündroomiga kaasneb raske düsplaasia ja vaimne alaareng. Tavaliselt surevad selle sündroomiga lapsed varakult, kuid mõned elavad täiskasvanuks.

3.13 . Kromosomaalsed ümberkorraldused, mis muudavad geenide asukohta kromosoomides.

Genoomsed mutatsioonid- kromosoomide arvu muutus keharakkude genoomis. See nähtus esineb kahes suunas: tervete haploidsete komplektide arvu suurenemise suunas (polüploidsus) ja üksikute kromosoomide kadumise või kaasamise suunas (aneuploidsus).

Polüploidsus- kromosoomide haploidse komplekti mitmekordne suurenemine. Erineva arvu haploidsete kromosoomikomplektidega rakke nimetatakse triploidideks (3n), tetraploidideks (4n), heksanoidideks (6n), oktaploidideks (8n) jne.

Kõige sagedamini moodustuvad polüploidid, kui meioosi või mitoosi ajal rikutakse kromosoomide lahknemise järjekorda raku poolustele. See võib olla tingitud füüsikaliste ja keemiliste tegurite mõjust. Kemikaalid nagu kolhitsiin pärsivad jagunema hakanud rakkudes mitootilise spindli teket, mille tulemusena dubleeritud kromosoomid ei lahkne ja rakk muutub tetragonaalseks.

Paljude taimede puhul on nn polüploidsed liinid. Need hõlmavad vorme 2 kuni 10n ja rohkem. Näiteks 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 ja 144 kromosoomiga komplektide polüploidne rida on perekonna Solanum (Solanum) esindajad. Perekond nisu (Triticum) on seeria, mille liikmetel on 34, 28 ja 42 kromosoomi.

Polüploidsus põhjustab muutusi organismi tunnustes ja on seetõttu evolutsiooni ja valiku varieeruvuse oluline allikas, eriti taimede puhul. See on tingitud asjaolust, et hermafroditism (isetolmlemine), apomiksis (partenogenees) ja vegetatiivne paljunemine on taimeorganismides väga levinud. Seetõttu on umbes kolmandik meie planeedil levinud taimeliikidest polüploidid ja kõrgmäestiku Pamiiri teravalt kontinentaalsetes tingimustes kasvab kuni 85% polüploididest. Peaaegu kõik kultuurtaimed on ka polüploidid, millel on erinevalt metsikutest sugulastest suuremad õied, viljad ja seemned ning säilitusorganitesse (vars, mugulad) koguneb rohkem toitaineid. Polüploidid kohanevad kergemini ebasoodsate elutingimustega, taluvad kergemini madalaid temperatuure ja põuda. Seetõttu on nad laialt levinud põhja- ja kõrgmäestikupiirkondades.

Kultuurtaimede polüploidsete vormide produktiivsuse järsk tõus põhineb nähtusel polümeerid(vt § 3.3).

Aneuploidsus või heteroplodia,- nähtus, mille korral keharakud sisaldavad muutunud arvu kromosoome, mis ei ole haploidse komplekti kordne. Aneuploidid tekivad siis, kui üksikud homoloogsed kromosoomid ei lahkne või kaovad mitoosi ja meioosi käigus. Kromosoomide mittelahutamise tulemusena gametogeneesi ajal võivad tekkida täiendavate kromosoomidega sugurakud, mis seejärel normaalsete haploidsete sugurakkudega ühinemisel moodustavad sügoodi 2n + 1 (trisoomne) konkreetsel kromosoomil. Kui gameetis on vähem kui üks kromosoom, siis järgnev viljastamine viib sügoodi 1n - 1 moodustumiseni. (monosoomne) mis tahes kromosoomil. Lisaks on olemas vormid 2n - 2 või nullisoomika, kuna puudub homoloogsete kromosoomide paar ja 2n + X, või polüsoomia.

Aneuploide leidub nii taimedes ja loomades kui ka inimestel. Aneuploidsed taimed on madala elujõulisuse ja viljakusega ning inimestel põhjustab see nähtus sageli viljatust ega ole sellistel juhtudel päritav. Üle 38-aastastel emadel sündinud lastel on aneuploidsuse tõenäosus suurem (kuni 2,5%). Lisaks põhjustavad aneuploidsuse juhtumid inimestel kromosoomihaigusi.

Kahekojalistel loomadel, nii looduslikes kui ka tehistingimustes, on polüploidsus äärmiselt haruldane. See on tingitud asjaolust, et polüploidsus, mis põhjustab muutusi sugukromosoomide ja autosoomide vahekorras, viib homoloogsete kromosoomide konjugatsiooni rikkumiseni ja raskendab seega soo määramist. Selle tulemusena osutuvad sellised vormid viljatuks ja elujõuetuks.

Spontaansed ja indutseeritud mutatsioonid. Spontaanne nimetatakse mutatsioonideks, mis tekivad tundmatute looduslike tegurite mõjul, enamasti geneetilise materjali (DNA või RNA) reprodutseerimise vigade tagajärjel. Iga liigi spontaansete mutatsioonide sagedus on geneetiliselt määratud ja seda hoitakse teatud tasemel.

indutseeritud mutagenees- see on mutatsioonide kunstlik saamine füüsikaliste ja keemiliste mutageenide abil. Järsk tõus mutatsioonisagedus (sadu kordi) toimub igat tüüpi ioniseeriva kiirguse (gamma- ja röntgenikiirgus, prootonid, neutronid jne), ultraviolettkiirguse, kõrge ja madala temperatuuri mõjul. Keemilised mutageenid hõlmavad aineid nagu formaliin, lämmastiksinep, kolhitsiin, kofeiin, mõned tubakakomponendid, ravimid, toit säilitusaineid ja pestitsiidid. Bioloogilised mutageenid on mitmete hallitusseente viirused ja toksiinid.

Praegu tegeletakse erinevate mutageenide suunatud toime meetodite loomisega konkreetsetele geenidele. Sellised uuringud on väga olulised, kuna soovitud geenides võib mutatsioonide kunstlikul tekitamisel olla suur praktiline tähtsus taimede, loomade ja mikroorganismide valikul.

Päriliku varieeruvuse homoloogsete ridade seadus. Suurim variatiivsuse uurimise tööde üldistus 20. sajandi alguses. sai päriliku varieeruvuse homoloogsete jadate seadus. Selle sõnastas väljapaistev vene teadlane N. I. Vavilov 1920. aastal. Seaduse olemus on järgmine: Geneetiliselt lähedased liigid ja perekonnad, mis on üksteisega päritoluühtsuse kaudu seotud, iseloomustavad sarnaseid päriliku varieeruvuse seeriaid. Teades, milliseid varieeruvuse vorme ühes liigis leidub, võib ette näha sarnaste vormide esinemist sugulasliigis.

Seotud liikide fenotüübilise varieeruvuse homoloogilise seeria seadus põhineb ideel nende päritolu ühtsusest ühest esivanemast loodusliku valiku protsessis. Kuna ühistel esivanematel oli kindel geenikomplekt, peaks nende järglastel olema ligikaudu sama komplekt.

Lisaks tekivad sarnased mutatsioonid sugulasliikides, millel on ühine päritolu. See tähendab, et võib leida sarnase geenikomplektiga erinevate sugukondade ja taimede ja loomade klasside esindajaid paralleelsus- morfoloogiliste, füsioloogiliste ja biokeemiliste omaduste ja omaduste järgi homoloogsed mutatsioonide seeriad. Seega esinevad sarnased mutatsioonid erinevates selgroogsete klassides: albinism ja sulgede puudumine lindudel, albinism ja karvutus imetajatel, hemofiilia paljudel imetajatel ja inimestel. Taimedel on pärilikku varieeruvust täheldatud selliste tunnuste puhul nagu kilejas või paljas tera, varikatus või karikata kõrv jne.

Homoloogiliste seeriate seadus, mis peegeldab organismide mutatsiooniprotsessi ja morfogeneesi üldist regulaarsust, annab rohkelt võimalusi selle praktiliseks kasutamiseks põllumajanduslikus tootmises, aretuses ja meditsiinis. Mitme sugulasliigi varieeruvuse olemuse tundmine võimaldab otsida tunnust, mis ühes neist puudub, kuid on omane teistele. Sel viisil koguti ja uuriti teravilja paljaid vorme, üheseemnelisi suhkrupeedi sorte, mida pole vaja murda, mis on eriti oluline mehhaniseeritud mullaharimisel. Arstiteadus on saanud kasutada homoloogsete haigustega loomi inimeste haiguste uurimise mudelitena: need on diabeet rotid; hiirte, koerte, merisigade kaasasündinud kurtus; katarakt hiirte, rottide, koerte jne silmis.

Homoloogiliste seeriate seadus võimaldab ette näha ka teadusele veel tundmatute mutatsioonide ilmnemise võimalust, mida saab aretuses kasutada uute majanduse jaoks väärtuslike vormide loomiseks.

Mutatsiooni tüübid

On tõenäoline, et Mulleri kiiritatud äädikakärbestel oli palju rohkem mutatsioone, kui ta suutis tuvastada. Definitsiooni järgi on mutatsioon mis tahes muutus DNA-s. See tähendab, et mutatsioonid võivad esineda kõikjal genoomis. Ja kuna suurem osa genoomist on hõivatud rämps-DNAga, mis ei kodeeri midagi, jääb enamik mutatsioone märkamatuks.

Mutatsioonid muutuvad füüsikalised omadused organism (tunnused) ainult siis, kui need muudavad DNA järjestust geeni sees (joonis 7.1).

Riis. 7.1. Need kolm aminohappejärjestust näitavad, kuidas väikesed muudatused võivad oluliselt muuta. Normaalse valgu ühe aminohappeahela algus on näidatud ülemises reas. Allpool on toodud hemoglobiinivalgu ebanormaalse variandi aminohapete ahel: kuuendal positsioonil asendatakse valiin glutamiinhappega. See üksik asendus, mis muteerib GAA koodoni GUA koodoniks, on sirprakulise aneemia põhjus, mille sümptomid ulatuvad kergest aneemiast (kui isikul on muteerunud geeni normaalne koopia) kuni surmani (kui isikul on kaks muteerunud geeni). geeni koopiad)

Kuigi Muller tekitas puuviljakärbestes mutatsioone, eksponeerides neid suurte kiirgusdoosidega, toimuvad mutatsioonid kehas kogu aeg. Mõnikord on need lihtsalt rakus toimuvate normaalsete protsesside vead ja mõnikord on need tingitud keskkonnamõjudest. Sellised spontaansed mutatsioonid esinevad teatud organismile iseloomulikel sagedustel, mida mõnikord nimetatakse spontaanseks taustaks.

Kõige tavalisemad esinevad punktmutatsioonid, mis muudavad normaalses DNA järjestuses vaid ühte aluspaari. Neid saab hankida kahel viisil:

1. DNA-d muudetakse keemiliselt nii, et üks alus muutub teiseks. 2. DNA replikatsioon töötab vigadega, sisestades DNA sünteesi käigus ahelasse vale aluse.

Olenemata nende ilmnemise põhjusest võib punktmutatsioonid jagada kahte tüüpi:

1. Üleminekud. Kõige tavalisem mutatsiooni tüüp. Üleminekul asendatakse üks pürimidiin teise pürimidiiniga või üks puriin teise puriiniga: näiteks G-C paarist saab A-T paar või vastupidi.

2. Transversioonid. Haruldast tüüpi mutatsioon. Puriin asendatakse pürimidiiniga või vastupidi: näiteks paar A-T muutub paariks T-A või C-G.

Lämmastikhape on mutageen, mis põhjustab üleminekuid. See muudab tsütosiini uratsiiliks. Tsütosiin paaritub tavaliselt guaniiniga, uratsiil aga adeniiniga. Tulemusena paar C-G muutub T-A paariks, kui A paaritub järgmises replikatsioonis T-ga. Lämmastikhappel on sama mõju adeniinile, muutes A-T paari C-G paariks.

Teine üleminekute põhjus on kokkusobimatu põhjustel. See juhtub siis, kui DNA ahelasse sisestatakse mingil põhjusel vale alus, siis paaritub see vale partneriga (mittekomplementaarne alus) selle asemel, millega peaks siduma. Selle tulemusena muutub paar järgmise replikatsioonitsükli jooksul täielikult.

Punktmutatsioonide mõju oleneb sellest, kus alusjärjestuses need moodustuvad. Kuna muutus ühes aluspaaris muudab ainult ühte koodonit ja seega ühte aminohapet, võib tekkiv valk kahjustuda, kuid võib kahjustusest hoolimata säilitada osa oma normaalsest aktiivsusest.

Punktmutatsioonidest palju tugevam kahjustab DNA-d kaadrinihke mutatsioonid. Tuletame meelde, et geneetilist alusjärjestust (järjestust) loetakse mittekattuvate kolmikute (kolme aluse) jadana. See tähendab, et aluste jada lugemiseks (lugemisraamideks) on kolm viisi, olenevalt lugemise alguspunktist. Kui mutatsioon eemaldab või lisab täiendava aluse, põhjustab see kaadri nihke ja kogu baasjada loetakse valesti. See tähendab, et kogu aminohapete järjestus muutub ja saadud valk on suure tõenäosusega täiesti mittetoimiv.

Põhjuseks on kaadrinihke mutatsioonid akridiinid, kemikaalid, mis seostuvad DNA-ga ja muudavad selle struktuuri nii palju, et DNA-le saab selle paljunemisel aluseid lisada või sealt eemaldada. Selliste mutatsioonide mõju sõltub alusjärjestuse asukohast, kus sisestamine toimub ( sisestamine) või väljalangevus ( kustutamine) aluseid, samuti nende suhtelist asukohta saadud järjestuses (joonis 7.2).

Riis. 7.2. Üks viise, kuidas kaadrinihke mutatsioon võib mõjutada DNA alusjärjestuse lugemist

Teist tüüpi mutatsioonid on täiendava geneetilise materjali pikkade fragmentide sisestamine (sisestamine) genoomi. Manustatud transponeerivad (mobiilsed geneetilised) elemendid, või transposoonid, on järjestused, mis võivad liikuda ühest DNA saidist teise. Transposoonid avastas esmakordselt geneetik Barbara McClintock 1950. aastatel. Need on lühikesed DNA elemendid, mis võivad hüpata ühest genoomi punktist teise (sellepärast nimetatakse neid sageli "hüppavateks geenideks"). Mõnikord võtavad nad endaga kaasa lähedalasuvaid DNA järjestusi. Tavaliselt koosnevad transposoonid ühest või mitmest geenist, millest üks on ensüümgeen. transposaadid. Seda ensüümi vajavad transposoonid, et liikuda rakus ühest DNA saidist teise.

Samuti on olemas retrotransposoonid, või retroposoonid kes ei saa ise liikuda. Selle asemel kasutavad nad oma mRNA-d. Esmalt kopeeritakse see DNA-sse ja viimane sisestatakse genoomi teise punkti. Retrotransposoonid on seotud retroviirustega.

Kui geeni sisestatakse transposoon, katkeb aluse kodeeriv järjestus ja geen lülitatakse enamikul juhtudel välja. Transposoonid võivad kanda ka transkriptsiooni või translatsiooni terminatsioonisignaale, mis blokeerivad tõhusalt teiste geenide ekspressiooni allavoolu. Sellist efekti nimetatakse polaarne mutatsioon.

Retrotransposoonid on tüüpilised imetajate genoomidele. Tegelikult koosneb umbes 40% genoomist sellistest järjestustest. See on üks põhjusi, miks genoom sisaldab nii palju "rämpsu" DNA-d. Retrotransposoonid võivad olla mitmesaja aluspaari pikkused SINE-d (lühikesed vaheelemendid) või 3000 kuni 8000 aluspaari pikkused LINE-d (pikad vaheelemendid). Näiteks sisaldab inimese genoom umbes 300 000 ühte tüüpi SINE järjestust, millel ei näi olevat muud funktsiooni kui iseseplikatsioon. Neid elemente nimetatakse ka "isekaks" DNA-ks.

Erinevalt punktmutatsioonidest ei saa mutageenid esile kutsuda transposoonide põhjustatud mutatsioone.

Punktmutatsioonid võivad pöörduda tagasi, naasta algse järjestuse juurde nii algse DNA järjestuse taastamisega kui ka geeni muudes kohtades toimuvate mutatsioonidega, mis kompenseerivad esmase mutatsiooni mõju.

Täiendava DNA elemendi sisestamine võib ilmselt ümber pöörata, lõigates sisestatud materjali välja - punkti välistamine. Geeni osa kustutamist ei saa aga tagasi pöörata.

Mutatsioonid võivad esineda ka teistes geenides, mille tulemusena moodustub möödaviigu, mis parandab esialgse mutatsiooni tekitatud kahjustusi. Tulemuseks on normaalse või peaaegu normaalse fenotüübiga topeltmutant. Seda nähtust nimetatakse mahasurumine, mida on kahte tüüpi: ekstrageenne ja intrageenne.

Ekstrageeni supressori mutatsioon pärsib teises geenis paikneva mutatsiooni toimet, mõnikord muutes füsioloogilisi tingimusi, milles allasurutud mutandi poolt kodeeritud valk saab uuesti toimida. Juhtub, et selline mutatsioon muudab mutantse valgu aminohappejärjestust.

Intrageenne supressormutatsioon pärsib mutatsiooni mõju geenis, kus see paikneb, mõnikord taastades kaadrinihke mutatsiooni poolt katkise lugemisraami. Mõnel juhul muudab mutatsioon aminohappeid kohas, mis kompenseerib primaarsest mutatsioonist põhjustatud aminohappe muutust. Nähtust nimetatakse ka tagasipöördumine teisel saidil.

Mitte kõik geeni alusjärjestused ei ole võrdselt muutuvad. Mutatsioonid kipuvad koonduma geenijärjestuse kuumade kohtade ümber – kohtadesse, kus mutatsioonide tekkimise tõenäosus on juhusliku jaotuse korral oodatust 10 või 100 korda suurem. Nende kuumade kohtade asukoht on erinevat tüüpi mutatsioonide ja neid esile kutsuvate mutageenide puhul erinev.

bakterites E. coli Näiteks tekivad levialad seal, kus asuvad modifitseeritud alused, mida nimetatakse 5-metüültsütosiiniks. See põhjus on mõnikord läbib tautomeerse nihke- vesinikuaatomi ümberpaigutamine. Selle tulemusena paaritub G C asemel T-ga ja pärast replikatsiooni moodustub metsiktüüpi G-C paar ja mutantne A-T paar (geneetikas metsik tüüp mida nimetatakse tavaliselt looduses leiduvateks DNA järjestusteks).

Paljudel mutatsioonidel pole nähtavat mõju. Neid kutsutakse vaiksed mutatsioonid. Mõnikord on mutatsioon vaikne, kuna muutus ei mõjuta aminohapete tootmist, mõnikord aga seetõttu, et vaatamata aminohappe asendamisele valgus ei mõjuta uus aminohape selle funktsiooni. Seda nimetatakse neutraalne asendus.

Mutatsiooni, mis lülitub välja või muudab geeni funktsiooni, nimetatakse otsene mutatsioon. Mutatsiooni, mis taasaktiveerib või taastab geeni funktsiooni, pöörates ümber algse mutatsiooni või avades möödaviigu (nagu ülalkirjeldatud teise saidi ümberpööramisel), nimetatakse nn. selja mutatsioon.

Nagu näete, on mutatsioonide klassifitseerimiseks palju erinevaid viise ja sama mutatsioon võib olla erinevat tüüpi. Tabeli andmed. 7.1 saab selgitada mutatsioonide iseloomustust.

Mutatsioonide klassifikatsioon

Mutatsioonide klassifikatsioon (jätkub)