Mutații cromozomale, genice și genomice și proprietățile acestora. Tipuri de mutații la om

Informația ereditară a unei celule este înregistrată sub forma unei secvențe de nucleotide ADN. Există mecanisme pentru a proteja ADN-ul de influențele externe pentru a evita deteriorarea informațiilor genetice, dar astfel de încălcări apar în mod regulat, sunt numite mutatii.

Mutații- modificări care au avut loc în informația genetică a unei celule; aceste modificări pot avea diferite scale și sunt împărțite în tipuri.

Tipuri de mutații

Mutații genomice- modificări privind numărul de cromozomi întregi din genom.

Mutații cromozomiale- modificări care afectează zonele dintr-un cromozom.

Mutații genetice- modificări care apar în interiorul unei gene.

Ca urmare a mutațiilor genomice, numărul de cromozomi din genom se modifică. Acest lucru se datorează perturbării funcției fusului, astfel încât cromozomii omologi nu diverg către diferiți poli ai celulei.

Ca rezultat, o celulă dobândește de două ori mai mulți cromozomi decât ar trebui (Fig. 1):

Orez. 1. Mutația genomică

Setul haploid de cromozomi rămâne același, se modifică doar numărul de seturi de cromozomi omologi (2n).

În natură, astfel de mutații sunt adesea fixate la descendenți, ele se găsesc cel mai adesea în plante, precum și în ciuperci și alge (Fig. 2).

Orez. 2. Plante superioare, ciuperci, alge

Astfel de organisme sunt numite poliploide; plantele poliploide pot conține de la trei până la o sută de seturi haploide. Spre deosebire de majoritatea mutațiilor, poliploidia beneficiază cel mai adesea organismul; indivizii poliploizi sunt mai mari decât de obicei. Multe soiuri de plante cultivate sunt poliploide (Fig. 3).

Orez. 3. Plante de cultură poliploide

Oamenii pot induce poliploidie în mod artificial prin expunerea plantelor la colchicină (Fig. 4).

Orez. 4. Colchicina

Colchicina distruge firele fusului și duce la formarea genomilor poliploizi.

Uneori, în timpul diviziunii, nedisjuncția în meioză poate apărea nu a tuturor, ci numai a unor cromozomi; astfel de mutații sunt numite aneuploid. De exemplu, o persoană este caracterizată de mutația trisomia 21: în acest caz, perechea a douăzeci și unu de cromozomi nu diverge, ca urmare, copilul primește nu doi cromozomi douăzeci și unu, ci trei. Acest lucru duce la dezvoltarea sindromului Down (Fig. 5), în urma căruia copilul este cu dizabilități psihice și fizice și steril.

Orez. 5. Sindromul Down

Un tip de mutație genomică este, de asemenea, împărțirea unui cromozom în două și fuziunea a doi cromozomi într-unul singur.

Mutațiile cromozomiale sunt împărțite în tipuri:

- ştergere- pierderea unei secțiuni de cromozom (Fig. 6).

Orez. 6. Ștergere

- duplicare- dublarea unei părți a cromozomilor (Fig. 7).

Orez. 7. Dublare

- inversiune- rotația unei secțiuni de cromozom cu 180 0, ca urmare a căreia genele din această secțiune sunt situate în secvența inversă față de normă (Fig. 8).

Orez. 8. Inversiunea

- translocare- deplasarea oricărei părți a cromozomului în alt loc (Fig. 9).

Orez. 9. Translocarea

Cu ștergeri și duplicări, cantitatea totală de material genetic se modifică; gradul de manifestare fenotipică a acestor mutații depinde de dimensiunea zonelor modificate, precum și de cât de importante sunt genele în aceste zone.

Cu inversiuni și translocări, cantitatea de material genetic nu se modifică, se schimbă doar locația acestuia. Astfel de mutații sunt necesare din punct de vedere evolutiv, deoarece mutanții adesea nu se mai pot încrucișa cu indivizii originali.

Bibliografie

1. Mamontov S.G., Zakharov V.B., Agafonova I.B., Sonin N.I. Biologie, clasa a XI-a. Biologie generală. Nivel de profil. - Ediția a 5-a, stereotip. - Dropia, 2010.
2. Belyaev D.K. Biologie generală. Un nivel de bază de. - ediția a 11-a, stereotip. - M.: Educație, 2012.
3. Pasechnik V.V., Kamensky A.A., Kriksunov E.A. Biologie generală, clasele 10-11. - M.: Dropia, 2005.
4. Agafonova I.B., Zakharova E.T., Sivoglazov V.I. Biologie clasa 10-11. Biologie generală. Un nivel de bază de. - Ed. a VI-a, add. - Dropia, 2010.

1. Portalul de internet „genetics.prep74.ru” ()
2. Portalul de internet „shporiforall.ru” ()
3. Portalul de internet „licey.net” ()

Teme pentru acasă

1. Unde sunt cele mai frecvente mutații genomice?
2. Ce sunt organismele poliploide?
3. În ce tipuri de mutații cromozomiale sunt împărțite?

Aproape orice modificare a structurii sau a numărului de cromozomi, în care celula își păstrează capacitatea de a se reproduce, provoacă o modificare ereditară a caracteristicilor organismului. În funcție de natura modificării genomului, i.e. se disting seturi de gene cuprinse într-un set haploid de cromozomi, mutații genice, cromozomiale și genomice. genetică cromozomială mutantă ereditară

Mutații genetice sunt modificări moleculare în structura ADN-ului care nu sunt vizibile la microscopul cu lumină. Mutațiile genelor includ orice modificări ale structurii moleculare a ADN-ului, indiferent de locația lor și efectul asupra viabilității. Unele mutații nu au niciun efect asupra structurii sau funcției proteinei corespunzătoare. O altă parte (mare) a mutațiilor genetice duce la sinteza unei proteine ​​defecte care nu își poate îndeplini funcția inerentă.

Pe baza tipului de modificări moleculare, există:

Ștergeri (din latinescul deletio - distrugere), adică. pierderea unui segment de ADN de la o nucleotidă la o genă;

Duplicări (din latinescul duplicatio doubleling), i.e. duplicarea sau reduplicarea unui segment de ADN de la o nucleotidă la gene întregi;

Inversiuni (din latinescul inversio - inversie), i.e. o rotație de 180 de grade a unui segment de ADN cu dimensiuni variind de la două nucleotide la un fragment care include mai multe gene;

Inserții (din latinescul insertio - atașament), adică. inserarea de fragmente de ADN cu dimensiuni variind de la o nucleotidă la o întreagă genă.

Mutațiile genetice sunt cele care provoacă dezvoltarea celor mai multe forme ereditare de patologie. Bolile cauzate de astfel de mutații se numesc boli genetice sau monogenice, de exemplu. boli a căror dezvoltare este determinată de o mutație a unei gene.

Efectele mutațiilor genetice sunt extrem de variate. Majoritatea nu apar fenotipic deoarece sunt recesive. Acest lucru este foarte important pentru existența speciei, deoarece majoritatea mutațiilor care apar recent sunt dăunătoare. Cu toate acestea, natura lor recesiva le permite perioadă lungă de timp persistă la indivizii speciei într-o stare heterozigotă fără a afecta organismul și apar în viitor la trecerea la o stare homozigotă.

În prezent, există peste 4.500 de boli monogenice. Cele mai frecvente dintre ele sunt: ​​fibroza chistică, fenilcetonuria, miopatiile Duchenne-Becker și o serie de alte boli. Din punct de vedere clinic, ele se manifestă ca semne ale unor tulburări metabolice (metabolism) în organism.

În același timp, există o serie de cazuri în care o modificare a unei singure baze într-o anumită genă are un efect vizibil asupra fenotipului. Un exemplu este anomalia genetică a anemiei falciforme. Alela recesivă, care provoacă această boală ereditară în stare homozigotă, se exprimă prin înlocuirea unui singur reziduu de aminoacizi în lanțul B al moleculei de hemoglobină (acid glutamic? ?> valină), ceea ce duce la faptul că în globulele roșii din sânge cu astfel de hemoglobină sunt deformate (din cele rotunjite devin în formă de seceră) și se prăbușesc rapid.În același timp, se dezvoltă anemie acută și se observă o scădere a cantității de oxigen transportată de sânge.Anemia provoacă slăbiciune fizică , tulburări în funcționarea inimii și a rinichilor și poate duce la moarte timpurie la persoanele homozigote pentru alela mutantă.

Mutații cromozomiale sunt cauzele bolilor cromozomiale.

Mutațiile cromozomiale sunt modificări structurale ale cromozomilor individuali, de obicei vizibile la microscop cu lumină. O mutație cromozomială implică un număr mare (de la zeci la câteva sute) de gene, ceea ce duce la o modificare a setului diploid normal. Deși aberațiile cromozomiale, în general, nu modifică secvența ADN a unor gene specifice, modificările numărului de copii ale genelor din genom conduc la dezechilibru genetic din cauza lipsei sau excesului de material genetic. Există două grupe mari de mutații cromozomiale: intracromozomiale și intercromozomiale (vezi Fig. 2).

Mutațiile intracromozomiale sunt aberații în interiorul unui cromozom (vezi Fig. 3). Acestea includ:

Delețiile sunt pierderea uneia dintre secțiunile cromozomiale, interne sau terminale. Acest lucru poate provoca o întrerupere a embriogenezei și formarea de anomalii multiple de dezvoltare (de exemplu, o ștergere în regiunea brațului scurt al cromozomului 5, denumit 5p-, duce la subdezvoltarea laringelui, defecte cardiace, retard mental. complexul de simptome este cunoscut sub numele de sindromul „strigătul pisicii”, deoarece la copiii bolnavi, din cauza unei anomalii a laringelui, plânsul seamănă cu miaunatul unei pisici);

Inversiunile. Ca urmare a două puncte de ruptură a cromozomilor, fragmentul rezultat este introdus în locul său original după o rotație de 180 de grade. Ca urmare, doar ordinea genelor este perturbată;

Dublările sunt dublarea (sau multiplicarea) oricărei părți a unui cromozom (de exemplu, trisomia de pe brațul scurt al cromozomului 9 provoacă defecte multiple, inclusiv microcefalie, întârzierea dezvoltării fizice, mentale și intelectuale).

Orez. 2.

Mutațiile intercromozomiale, sau mutațiile de rearanjare, sunt schimbul de fragmente între cromozomi neomologi. Astfel de mutații sunt numite translocații (din latinescul trans - pentru, prin și locus - loc). Acest:

Translocarea reciprocă - doi cromozomi își schimbă fragmentele;

Translocarea non-reciprocă - un fragment dintr-un cromozom este transportat la altul;

? Fuziunea „centrică” (translocarea robertsoniană) este unirea a doi cromozomi acrocentrici în regiunea centromerilor lor cu pierderea brațelor scurte.

Când cromatidele sunt rupte transversal prin centromeri, cromatidele „surori” devin brațe „oglindă” a doi cromozomi diferiți care conțin aceleași seturi de gene. Astfel de cromozomi se numesc izocromozomi.

Orez. 3.

Translocațiile și inversiunile, care sunt rearanjamente cromozomiale echilibrate, nu au manifestări fenotipice, dar ca urmare a segregării cromozomilor rearanjați în meioză, pot forma gameți dezechilibrati, ceea ce va duce la apariția descendenților cu anomalii cromozomiale.

Mutații genomice, ca si cele cromozomiale, sunt cauzele bolilor cromozomiale.

Mutațiile genomice includ aneuploidii și modificări ale ploidiei cromozomilor nemodificați structural. Mutațiile genomice sunt detectate prin metode citogenetice.

Aneuploidia este o modificare (scădere – monosomie, creștere – trisomie) a numărului de cromozomi dintr-un set diploid, nu un multiplu al celui haploid (2n+1, 2n-1 etc.).

Poliploidia este o creștere a numărului de seturi de cromozomi, un multiplu al celui haploid (3n, 4n, 5n etc.).

La om, poliploidia, precum și majoritatea aneuploidiilor, sunt mutații letale.

Cele mai frecvente mutații genomice includ:

Trisomia - prezența a trei cromozomi omologi în cariotip (de exemplu, a 21-a pereche în sindromul Down, a 18-a pereche în sindromul Edwards, a 13-a pereche în sindromul Patau; pentru cromozomii sexuali: XXX, XXY, XYY);

Monozomia este prezența doar a unuia dintre cei doi cromozomi omologi. Cu monosomie pentru oricare dintre autozomi, dezvoltarea normală a embrionului nu este posibilă. Singura monosomie la om care este compatibilă cu viața - monosomia pe cromozomul X - duce la sindromul Shereshevsky-Turner (45,X).

Motivul care duce la aneuploidie este nedisjuncția cromozomilor în timpul diviziunii celulare în timpul formării celulelor germinale sau pierderea cromozomilor ca urmare a decalajului anafazei, când în timpul deplasării către pol unul dintre cromozomii omologi poate rămâne în urmă cu alți cromozomi non- cromozomi omologi. Termenul nondisjuncție înseamnă absența separării cromozomilor sau cromatidelor în meioză sau mitoză.

Nedisjuncția cromozomală apare cel mai adesea în timpul meiozei. Cromozomii, care în mod normal ar trebui să se dividă în timpul meiozei, rămân uniți și se deplasează la un pol al celulei în anafază, producând astfel doi gameți, dintre care unul are un cromozom în plus, iar celălalt nu are acest cromozom. Când un gamet cu un set normal de cromozomi este fertilizat de un gamet cu un cromozom suplimentar apare trisomia (adică există trei cromozomi omologi în celulă); atunci când este fertilizat cu un gamet fără un cromozom, apare un zigot cu monosomie. Dacă se formează un zigot monosomic pe orice cromozom autozomal, atunci dezvoltarea organismului se oprește chiar la primele etape dezvoltare.

După tipul de moștenire se disting dominantȘi recesiv mutatii. Unii cercetători identifică mutații semi-dominante și codominante. Mutațiile dominante sunt caracterizate printr-un efect direct asupra organismului, mutațiile semi-dominante înseamnă că forma heterozigotă este intermediară ca fenotip între formele AA și aa, iar mutațiile codominante sunt caracterizate prin faptul că heterozigoții A 1 A 2 prezintă semne ale ambelor. alele. Mutațiile recesive nu apar la heterozigoți.

Dacă apare o mutație dominantă în gameți, efectele acesteia sunt exprimate direct la descendenți. Multe mutații la om sunt dominante. Sunt comune la animale și plante. De exemplu, o mutație dominantă generativă a dat naștere rasei Ancona de oi cu picioare scurte.

Un exemplu de mutație semi-dominantă este formarea mutațională a formei heterozigote Aa, intermediară ca fenotip între organismele AA și aa. Acest lucru se întâmplă în cazul trăsăturilor biochimice când contribuția ambelor alele la trăsătură este aceeași.

Un exemplu de mutație codominantă sunt alelele I A și I B, care determină grupa IV de sânge.

În cazul mutațiilor recesive, efectele acestora sunt ascunse în diploide. Apar doar în stare homozigotă. Un exemplu sunt mutațiile recesive care determină boli ale genelor umane.

Astfel, principalii factori în determinarea probabilității de manifestare a unei alele mutante într-un organism și populație nu sunt doar etapa ciclu reproductiv, dar și dominanța alelei mutante.

Mutații directe? Acestea sunt mutații care inactivează genele de tip sălbatic, adică. mutații care modifică informațiile codificate în ADN într-un mod direct, rezultând o schimbare de la organismul de tip original (sălbatic) la un organism de tip mutant.

Mutații din spate reprezintă reveniri la tipurile originale (sălbatice) de la mutanți. Aceste reversiuni sunt de două tipuri. Unele dintre reversiuni sunt cauzate de mutații repetate ale unui loc sau loc similar cu restaurarea fenotipului original și sunt numite mutații inverse adevărate. Alte reversiuni sunt mutații ale unei alte gene care schimbă expresia genei mutante către tipul original, de exemplu. deteriorarea genei mutante rămâne, dar pare să-și restabilească funcția, rezultând restabilirea fenotipului. O astfel de restaurare (completă sau parțială) a fenotipului în ciuda păstrării leziunii genetice originale (mutația) se numește supresie, iar astfel de mutații inverse sunt numite supresoare (extragenice). De regulă, suprimarea are loc ca urmare a mutațiilor genelor care codifică sinteza ARNt și a ribozomilor.

ÎN vedere generala suprimarea poate fi:

? intragenic? când o a doua mutație într-o genă deja afectată modifică un codon defect ca urmare a unei mutații directe în așa fel încât un aminoacid este inserat în polipeptidă care poate restabili activitatea funcțională a acestei proteine. Mai mult, acest aminoacid nu corespunde cu cel inițial (înainte de apariția primei mutații), adică. nu s-a observat o reversibilitate adevărată;

? introdus? când structura ARNt se modifică, în urma căreia ARNt-ul mutant include în polipeptida sintetizată un alt aminoacid în locul celui codificat de un triplet defect (rezultat dintr-o mutație directă).

Nu este exclusă compensarea efectului mutagenilor din cauza suprimării fenotipice. Se poate aștepta atunci când celula este expusă la un factor care crește probabilitatea de erori în citirea ARNm în timpul translației (de exemplu, unele antibiotice). Astfel de erori pot duce la înlocuirea aminoacidului greșit, care, totuși, restabilește funcția proteică afectată ca urmare a mutației directe.

Mutațiile, pe lângă proprietățile lor calitative, se caracterizează și prin metoda apariției lor. Spontan(aleatorie) - mutații care apar în condiții normale de viață. Ei sunt rezultatul procese naturale, care apar în celule, apar în condițiile fondului radioactiv natural al Pământului sub formă de radiații cosmice, elemente radioactive de pe suprafața Pământului, radionuclizi încorporați în celulele organismelor care provoacă aceste mutații sau ca urmare a ADN-ului. erori de replicare. Mutațiile spontane apar la om în țesuturile somatice și generative. Metoda de determinare a mutațiilor spontane se bazează pe faptul că copiii dezvoltă o trăsătură dominantă, deși părinții lor nu o au. Un studiu danez a arătat că aproximativ unul din 24.000 de gameți poartă o mutație dominantă. Frecvența mutațiilor spontane la fiecare specie este determinată genetic și menținută la un anumit nivel.

Induse mutageneza este producerea artificială de mutații folosind mutageni de diferite naturi. Există factori mutageni fizici, chimici și biologici. Majoritatea acestor factori fie reacţionează direct cu bazele azotate din moleculele de ADN, fie sunt incluşi în secvenţele de nucleotide. Frecvența mutațiilor induse este determinată prin compararea celulelor sau populațiilor de organisme tratate și netratate cu mutagenul. Dacă frecvența unei mutații într-o populație crește de 100 de ori ca urmare a tratamentului cu un mutagen, atunci se crede că doar un mutant din populație va fi spontan, restul va fi indus. Cercetările privind crearea de metode pentru efectul țintit al diverșilor mutageni asupra genelor specifice este de importanță practică pentru selecția plantelor, animalelor și microorganismelor.

Pe baza tipului de celule în care apar mutațiile, se disting mutațiile generative și somatice (vezi Fig. 4).

Generativ mutațiile apar în celulele primordiului reproductiv și în celulele germinale. Dacă apare o mutație (generativă) în celulele genitale, atunci mai mulți gameți pot primi gena mutantă deodată, ceea ce va crește capacitatea potențială a mai multor indivizi (indivizi) de a moșteni această mutație la descendenți. Dacă apare o mutație într-un gamet, atunci probabil doar un individ (individ) din descendență va primi această genă. Frecvența mutațiilor în celulele germinale este influențată de vârsta organismului.

Orez. 4.

Somatic mutațiile apar în celulele somatice ale organismelor. La animale și la oameni, schimbările mutaționale vor persista doar în aceste celule. Dar la plante, datorită capacității lor de a se reproduce vegetativ, mutația se poate răspândi dincolo de țesuturile somatice. De exemplu, celebrul soi de măr de iarnă „Delicious” provine dintr-o mutație într-o celulă somatică, care, ca urmare a diviziunii, a dus la formarea unei ramuri care avea caracteristicile unui tip mutant. A urmat înmulțirea vegetativă, care a făcut posibilă obținerea de plante cu proprietățile acestui soi.

Clasificarea mutațiilor în funcție de efectul lor fenotipic a fost propusă pentru prima dată în 1932 de G. Möller. Conform clasificării, au fost identificate următoarele:

Mutații amorfe. Aceasta este o condiție în care trăsătura controlată de alela patologică nu este exprimată deoarece alela patologică este inactivă în comparație cu alela normală. Astfel de mutații includ gena albinismului și aproximativ 3.000 de boli autozomale recesive;

Mutații antimorfe. În acest caz, valoarea trăsăturii controlate de alela patologică este opusă valorii trăsăturii controlate de alela normală. Astfel de mutații includ gene a aproximativ 5-6 mii de boli autozomale dominante;

Mutații hipermorfe. În cazul unei astfel de mutații, trăsătura controlată de alela patologică este mai pronunțată decât trăsătura controlată de alela normală. Exemplu? purtători heterozigoți ai genelor pentru bolile de instabilitate a genomului. Numărul lor este de aproximativ 3% din populația lumii, iar numărul bolilor în sine ajunge la 100 de nosologii. Printre aceste boli: Anemia Fanconi, ataxie telangiectazie, xeroderma pigmentosum, sindromul Bloom, sindroame progeroidiene, multe forme de cancer etc. Mai mult, frecvența cancerului la purtătorii heterozigoți ai genelor acestor boli este de 3-5 ori mai mare decât în ​​mod normal, iar la pacienții înșiși (homozigoți pentru aceste gene), incidența cancerului este de zeci de ori mai mare decât în ​​mod normal.

Mutații hipomorfe. Aceasta este o condiție în care expresia unei trăsături controlate de o alelă patologică este slăbită în comparație cu trăsătura controlată de o alelă normală. Astfel de mutații includ mutații ale genelor de sinteză a pigmentului (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), precum și mai mult de 3000 forme. boli autosomal recesive.

Mutații neomorfe. Se spune că o astfel de mutație apare atunci când trăsătura controlată de alela patologică este de o calitate diferită (nouă) în comparație cu trăsătura controlată de alela normală. Exemplu: sinteza de imunoglobuline noi ca răspuns la pătrunderea antigenelor străine în organism.

Vorbind despre semnificația durabilă a clasificării lui G. Möller, trebuie menționat că la 60 de ani de la publicarea acesteia, efectele fenotipice ale mutațiilor punctuale au fost împărțite în diferite clase în funcție de efectul lor asupra structurii. produs proteic gena și/sau nivelul de expresie al acesteia.

Mutațiile genelor sunt modificări moleculare ale structurii ADN-ului care nu sunt vizibile la microscopul cu lumină. Mutațiile genelor includ orice modificări ale structurii moleculare a ADN-ului, indiferent de locația lor și efectul asupra viabilității. Unele mutații nu au niciun efect asupra structurii sau funcției proteinei corespunzătoare. O altă parte (mare) a mutațiilor genetice duce la sinteza unei proteine ​​defecte care nu își poate îndeplini funcția inerentă. Mutațiile genetice sunt cele care determină dezvoltarea celor mai multe forme ereditare de patologie.

Cele mai frecvente boli monogenice la om sunt: ​​fibroza chistică, hemocromatoza, sindromul adrenogenital, fenilcetonuria, neurofibromatoza, miopatiile Duchenne-Becker și o serie de alte boli. Din punct de vedere clinic, ele se manifestă ca semne ale unor tulburări metabolice (metabolism) în organism. Mutația poate fi:

1) în înlocuirea unei baze într-un codon, acesta este așa-numitul mutație missens(din engleză, mis - fals, incorect + lat. sensus - sens) - înlocuirea unei nucleotide în partea de codificare a unei gene, ceea ce duce la înlocuirea unui aminoacid într-o polipeptidă;

2) într-o astfel de schimbare a codonilor care va duce la oprirea citirii informațiilor, acesta este așa-numitul mutație aiurea(din latină non - no + sensus - sens) - înlocuirea unei nucleotide în partea de codificare a unei gene duce la formarea unui codon terminator (codon stop) și încetarea translației;

3) o încălcare a citirii informațiilor, o schimbare a cadrului de citire, numită deplasarea cadrului(din cadrul englezesc - frame + shift: - deplasare, mișcare), când modificările moleculare ale ADN-ului duc la modificări ale tripleților în timpul translației lanțului polipeptidic.

Sunt cunoscute și alte tipuri de mutații genetice. Pe baza tipului de modificări moleculare, există:

Divizia(din latină deletio - distrugere), atunci când se pierde un segment de ADN cu dimensiunea de la o nucleotidă la o genă;

dublari(din latinescul duplicatio - dublare), i.e. duplicarea sau reduplicarea unui segment de ADN de la o nucleotidă la gene întregi;

inversiuni(din latinescul inversio - intoarcere), i.e. o rotație de 180° a unui segment de ADN cu dimensiuni variind de la două nucleotide la un fragment care include mai multe gene;

inserții(din latinescul insertio - atașament), adică. inserarea de fragmente de ADN cu dimensiuni variind de la o nucleotidă la o întreagă genă.

Modificările moleculare care afectează una până la mai multe nucleotide sunt considerate o mutație punctuală.

Trăsătura fundamentală și distinctivă a unei mutații genetice este că 1) duce la o schimbare a informațiilor genetice, 2) poate fi transmisă de la o generație la alta.

O anumită parte a mutațiilor genelor poate fi clasificată ca mutații neutre, deoarece nu duc la nicio modificare a fenotipului. De exemplu, din cauza degenerării codului genetic, același aminoacid poate fi codificat de două triplete care diferă doar într-o singură bază. Pe de altă parte, aceeași genă se poate schimba (muta) în mai multe stări diferite.

De exemplu, gena care controlează grupa sanguină a sistemului AB0. are trei alele: 0, A și B, ale căror combinații determină 4 grupe sanguine. Grupa sanguină ABO este un exemplu clasic de variație genetică a caracteristicilor umane normale.

Mutațiile genetice sunt cele care determină dezvoltarea celor mai multe forme ereditare de patologie. Bolile cauzate de astfel de mutații sunt numite boli genetice sau monogenice, adică boli a căror dezvoltare este determinată de o mutație a unei gene.

Mutații genomice și cromozomiale

Mutațiile genomice și cromozomiale sunt cauzele bolilor cromozomiale. Mutațiile genomice includ aneuploidii și modificări ale ploidiei cromozomilor nemodificați structural. Detectat prin metode citogenetice.

aneuploidie- o modificare (scădere - monosomie, creștere - trisomie) a numărului de cromozomi dintr-un set diploid, nu un multiplu al setului haploid (2n + 1, 2n - 1 etc.).

Poliploidie- o creștere a numărului de seturi de cromozomi, un multiplu al celui haploid (3n, 4n, 5n etc.).

La om, poliploidia, precum și majoritatea aneuploidiei, sunt mutații letale.

Cele mai frecvente mutații genomice includ:

trisomie- prezența a trei cromozomi omologi în cariotip (de exemplu, pe a 21-a pereche în sindromul Down, pe a 18-a pereche în sindromul Edwards, pe a 13-a pereche în sindromul Patau; pe cromozomii sexuali: XXX, XXY, XYY);

monosomie- prezența doar a unuia dintre cei doi cromozomi omologi. Cu monosomie pentru oricare dintre autozomi, dezvoltarea normală a embrionului este imposibilă. Singura monosomie la om care este compatibilă cu viața, monosomia pe cromozomul X, duce la sindromul Shereshevsky-Turner (45, X0).

Motivul care duce la aneuploidie este nedisjuncția cromozomilor în timpul diviziunii celulare în timpul formării celulelor germinale sau pierderea cromozomilor ca urmare a decalajului anafazei, când în timpul deplasării către pol unul dintre cromozomii omologi poate rămâne în urmă cu toți ceilalți cromozomi neomologi. Termenul „nedisjuncție” înseamnă absența separării cromozomilor sau cromatidelor în meioză sau mitoză. Pierderea cromozomilor poate duce la mozaicism, în care există unul uploid linie celulară (normală) și cealaltă monosomic.

Nedisjuncția cromozomală apare cel mai adesea în timpul meiozei. Cromozomii care s-ar împărți în mod normal în timpul meiozei rămân uniți și se deplasează la un pol al celulei în timpul anafazei. Astfel, apar doi gameți, dintre care unul are un cromozom suplimentar, iar celălalt nu are acest cromozom. Când un gamet cu un set normal de cromozomi este fertilizat de un gamet cu un cromozom suplimentar, apare trisomia (adică există trei cromozomi omologi în celulă); când un gamet fără un cromozom este fertilizat, apare un zigot cu monosomie. Dacă se formează un zigot monozomal pe orice cromozom autozomal (non-sexual), atunci dezvoltarea organismului se oprește în primele etape de dezvoltare.

Mutații cromozomiale- Acestea sunt modificări structurale ale cromozomilor individuali, de obicei vizibile la microscop cu lumină. O mutație cromozomială implică un număr mare (de la zeci la câteva sute) de gene, ceea ce duce la o modificare a setului diploid normal. Deși aberațiile cromozomiale, în general, nu modifică secvența ADN a unor gene specifice, modificările numărului de copii ale genelor din genom conduc la dezechilibru genetic din cauza lipsei sau excesului de material genetic. Există două grupe mari de mutații cromozomiale: intracromozomiale și intercromozomiale.

Mutațiile intracromozomiale sunt aberații în interiorul unui cromozom. Acestea includ:

—stergeri(din latină deletio - distrugere) - pierderea uneia dintre secțiunile cromozomului, intern sau terminal. Acest lucru poate provoca perturbarea embriogenezei și formarea de anomalii multiple de dezvoltare (de exemplu, diviziunea în regiunea brațului scurt al cromozomului 5, desemnat ca 5p-, duce la subdezvoltarea laringelui, defecte cardiace și retard mintal). Acest complex de simptome este cunoscut sub numele de sindromul „strigătul pisicii”, deoarece la copiii bolnavi, din cauza unei anomalii a laringelui, plânsul seamănă cu miaunatul unei pisici;

—inversiuni(din latinescul inversio - inversio). Ca urmare a două puncte de rupere a cromozomilor, fragmentul rezultat este introdus în locul său original după o rotație de 180°. Ca urmare, doar ordinea genelor este perturbată;

— dublari(din latină duplicatio - dublare) - dublarea (sau multiplicarea) oricărei părți a unui cromozom (de exemplu, trisomia pe unul dintre brațele scurte ale cromozomului al 9-lea provoacă defecte multiple, inclusiv microcefalie, întârzierea dezvoltării fizice, mentale și intelectuale).

Modele ale celor mai frecvente aberații cromozomiale:
Diviziune: 1 - terminal; 2 - interstițial. Inversiuni: 1 - pericentric (cu captarea centromerului); 2 - paracentric (în cadrul unui braț de cromozom)

Mutații intercromozomiale sau mutații de rearanjare- schimb de fragmente între cromozomi neomologi. Astfel de mutații se numesc translocații (din latinescul tgans - pentru, prin + locus - loc). Acest:

Translocarea reciprocă, când doi cromozomi își schimbă fragmentele;

Translocarea nereciprocă, când un fragment dintr-un cromozom este transportat la altul;

- fuziune „centrică” (translocare robertsoniană) - legătura a doi cromozomi acrocentrici în regiunea centromerilor lor cu pierderea brațelor scurte.

Când cromatidele se sparg transversal prin centromeri, cromatidele „surori” devin brațe „oglindă” a doi cromozomi diferiți care conțin aceleași seturi de gene. Astfel de cromozomi se numesc izocromozomi. Atât aberațiile și izocromozomii intracromozomiali (deleții, inversiuni și duplicări) cât și intercromozomiale (translocații) sunt asociate cu modificări fizice structuri cromozomiale, inclusiv cele cu rupere mecanice.

Patologia ereditară ca urmare a variabilității ereditare

Prezența unor caracteristici comune ale speciilor ne permite să unim toți oamenii de pe pământ într-o singură specie, Homo sapiens. Cu toate acestea, scoatem cu ușurință, dintr-o singură privire, chipul unei persoane pe care o cunoaștem în mulțime străini. Diversitatea extremă a oamenilor – atât în ​​cadrul grupurilor (de exemplu, diversitatea în cadrul unui grup etnic) cât și între grupuri – se datorează diferențelor lor genetice. În prezent, se crede că toate variațiile intraspecifice se datorează unor genotipuri diferite care apar și sunt menținute prin selecția naturală.

Se știe că genomul uman haploid conține 3,3x10 9 perechi de reziduuri de nucleotide, ceea ce permite, teoretic, până la 6-10 milioane de gene. În același timp, datele cercetărilor moderne indică faptul că genomul uman conține aproximativ 30-40 de mii de gene. Aproximativ o treime din toate genele au mai mult de o alele, adică sunt polimorfe.

Conceptul de polimorfism ereditar a fost formulat de E. Ford în 1940 pentru a explica existența într-o populație a două sau mai multe forme distincte atunci când frecvența celor mai rare dintre ele nu poate fi explicată numai prin evenimente mutaționale. Deoarece mutația genei este un eveniment rar (1x10 6), frecvența alelei mutante, care este mai mare de 1%, poate fi explicată doar prin acumularea sa treptată în populație, datorită avantajelor selective ale purtătorilor acestei mutații.

Multiplicitatea locilor segregatori, multiplicitatea alelelor din fiecare dintre ele, împreună cu fenomenul de recombinare, creează o diversitate genetică umană inepuizabilă. Calculele arată că în întreaga istorie a omenirii nu a existat, nu există și nu va avea loc în viitorul apropiat, repetiție genetică, adică. Fiecare persoană născută este un fenomen unic în Univers. Unicitatea constituției genetice determină în mare măsură caracteristicile dezvoltării bolii la fiecare persoană în parte.

Omenirea a evoluat ca grupuri de populații izolate care trăiesc în aceleași condiții pentru perioade lungi de timp mediu inconjurator, inclusiv caracteristicile climatice și geografice, modelele nutriționale, agenții patogeni, tradițiile culturale etc. Aceasta a condus la consolidarea în populație a combinațiilor de alele normale specifice fiecăreia dintre ele, cele mai adecvate condițiilor de mediu. Datorită extinderii treptate a habitatului, migrațiilor intensive și strămutării popoarelor, apar situații când combinațiile de gene normale specifice care sunt utile în anumite condiții nu asigură funcționarea optimă a anumitor sisteme corporale în alte condiții. Acest lucru duce la faptul că o parte din variabilitatea ereditară, cauzată de o combinație nefavorabilă de gene umane nepatologice, devine baza pentru dezvoltarea așa-numitelor boli cu predispoziție ereditară.

În plus, la oameni ca ființă socială, selecția naturală a decurs de-a lungul timpului în forme din ce în ce mai specifice, care au extins și diversitatea ereditară. Ceea ce putea fi aruncat de animale a fost păstrat, sau, dimpotrivă, ceea ce animalele au reținut s-a pierdut. Astfel, satisfacerea pe deplin a nevoilor de vitamina C a condus in procesul de evolutie la pierderea genei L-gulonodactonei oxidazei, care catalizeaza sinteza acidului ascorbic. În procesul de evoluție, umanitatea a dobândit și caracteristici nedorite care sunt direct legate de patologie. De exemplu, în procesul de evoluție, oamenii au dobândit gene care determină sensibilitatea la toxina difterice sau la virusul poliomielitei.

Astfel, la om, ca la orice altă specie biologică, nu există o linie ascuțită între variabilitatea ereditară care duce la variații normale ale caracteristicilor și variabilitatea ereditară care provoacă apariția bolilor ereditare. Omul, devenind specia biologică Homo sapiens, părea să plătească pentru „rezonabilitatea” speciei sale prin acumularea de mutații patologice. Această poziție stă la baza unuia dintre principalele concepte ale geneticii medicale despre acumularea evolutivă a mutațiilor patologice în populațiile umane.

Variabilitatea ereditară a populațiilor umane, atât menținută, cât și redusă prin selecție naturală, formează așa-numita încărcătură genetică.

Unele mutații patologice pot persista și se pot răspândi în populații o perioadă îndelungată istoric, provocând așa-numita încărcătură genetică de segregare; alte mutații patologice apar în fiecare generație ca urmare a noilor modificări ale structurii ereditare, creând o încărcătură mutațională.

Efectul negativ al încărcăturii genetice se manifestă prin creșterea mortalității (moartea gameților, zigoților, embrionilor și copiilor), scăderea fertilității (reducerea reproducerii descendenților), scăderea speranței de viață, dezadaptarea socială și dizabilitate și, de asemenea, provoacă o nevoie crescută de îngrijire medicală. .

Geneticistul englez J. Hoddane a fost primul care a atras atenția cercetătorilor asupra existenței încărcăturii genetice, deși termenul în sine a fost propus de G. Meller încă de la sfârșitul anilor '40. Sensul conceptului de „încărcare genetică” este asociat cu gradul ridicat de variabilitate genetică necesar unei specii biologice pentru a se putea adapta la condițiile de mediu în schimbare.

Mutație înseamnă modificarea cantității și structurii ADN-uluiîntr-o celulă sau organism. Cu alte cuvinte, mutația este o modificare a genotipului. O caracteristică a unei modificări a genotipului este că această schimbare ca urmare a mitozei sau meiozei poate fi transmisă la generațiile ulterioare de celule.

Cel mai adesea, mutațiile înseamnă o mică modificare a secvenței nucleotidelor ADN (modificări într-o singură genă). Acestea sunt așa-numitele. Cu toate acestea, pe lângă ele, există și când modificările afectează secțiuni mari de ADN sau se modifică numărul de cromozomi.

Ca urmare a mutației, organismul poate dezvolta brusc o nouă trăsătură.

Ideea că mutația este cauza apariției de noi trăsături transmise de-a lungul generațiilor a fost exprimată pentru prima dată de Hugo de Vries în 1901. Mai târziu, mutațiile la Drosophila au fost studiate de T. Morgan și școala sa.

Mutație - rău sau beneficiu?

Mutațiile care apar în secțiuni „nesemnificative” („tăcute”) ale ADN-ului nu modifică caracteristicile organismului și pot fi transmise cu ușurință din generație în generație (selecția naturală nu va acționa asupra lor). Astfel de mutații pot fi considerate neutre. Mutațiile sunt, de asemenea, neutre atunci când o secțiune a unei gene este înlocuită cu una sinonimă. În acest caz, deși secvența de nucleotide dintr-o anumită regiune va fi diferită, se va sintetiza aceeași proteină (cu aceeași secvență de aminoacizi).

Cu toate acestea, o mutație poate afecta o genă semnificativă, poate modifica secvența de aminoacizi a proteinei sintetizate și, în consecință, poate provoca o schimbare a caracteristicilor organismului. Ulterior, dacă concentrația mutației în populație atinge un anumit nivel, aceasta va duce la o schimbare trăsătură caracteristică intreaga populatie.

În natura vie, mutațiile apar ca erori în ADN, deci toate sunt a priori dăunătoare. Majoritatea mutațiilor reduc viabilitatea organismului și provoacă diverse boli. Mutațiile care apar în celulele somatice nu sunt transmise generației următoare, dar, ca urmare a mitozei, se formează celule fiice care alcătuiesc un anumit țesut. Adesea, mutațiile somatice duc la formarea diferitelor tumori și a altor boli.

Mutațiile care apar în celulele germinale pot fi transmise generației următoare. În condiții de mediu stabile, aproape toate modificările genotipului sunt dăunătoare. Dar dacă condițiile de mediu se schimbă, se poate dovedi că o mutație dăunătoare anterior va deveni benefică.

De exemplu, o mutație care provoacă aripi scurte la o insectă este probabil să fie dăunătoare unei populații care trăiesc în zone în care nu există vânt puternic. Această mutație va fi asemănătoare cu o deformare sau o boală. Insectele care o posedă vor avea dificultăți în a găsi parteneri de împerechere. Dar dacă în zonă încep să bată vânturi mai puternice (de exemplu, o zonă de pădure a fost distrusă în urma unui incendiu), atunci insectele cu aripi lungi vor fi împinse de vânt și le va fi mai greu să se miște. În astfel de condiții, indivizii cu aripi scurte pot obține un avantaj. Vor găsi parteneri și hrană mai des decât aripile lungi. După ceva timp, în populație vor fi mai mulți mutanți cu aripi scurte. Astfel, mutația va avea loc și va deveni normală.

Mutațiile sunt baza selecției naturale și acesta este principalul lor beneficiu. Pentru organism, numărul copleșitor de mutații este dăunător.

De ce apar mutațiile?

În natură, mutațiile apar în mod aleatoriu și spontan. Adică, orice genă poate muta oricând. Cu toate acestea, frecvența mutațiilor variază între diferitele organisme și celule. De exemplu, este legat de durata ciclu de viață: cu cât este mai scurt, cu atât apar mai des mutații. Astfel, mutațiile apar mult mai des în bacterii decât în ​​organismele eucariote.

Cu exceptia mutatii spontane(care apar în condiții naturale) există induse(de o persoană în condiții de laborator sau condiții de mediu nefavorabile) mutatii.

Practic, mutațiile apar ca urmare a erorilor în timpul replicării (dublării), reparării ADN-ului (restaurării), încrucișării inegale, divergenței incorecte a cromozomilor în meioză etc.

Acesta este modul în care secțiunile de ADN deteriorate sunt în mod constant restaurate (reparate) în celule. Totuși, dacă drept consecință diverse motive mecanismele de reparare sunt perturbate, apoi erorile în ADN vor rămâne și se vor acumula.

Rezultatul unei erori de replicare este înlocuirea unei nucleotide dintr-un lanț de ADN cu alta.

Ce cauzează mutații?

Nivel crescut provoacă mutații radiații cu raze X, raze ultraviolete și gamma. Mutagenii includ, de asemenea, particule α și β, neutroni, radiații cosmice (toate acestea sunt particule de înaltă energie).

Mutagen- acesta este ceva care poate provoca mutații.

Pe lângă diferitele radiații, multe au un efect mutagen. substanțe chimice: formaldehidă, colchicină, componente ale tutunului, pesticide, conservanți, unele medicamentele si etc.

Variabilitatea ereditară

Variabilitatea combinativă. Variabilitatea ereditară sau genotipică este împărțită în combinativă și mutațională.

Variația combinativă se numește variabilitate, care se bazează pe formarea recombinărilor, adică astfel de combinații de gene pe care părinții nu le-au avut.

Baza variabilității combinative este reproducerea sexuală a organismelor, în urma căreia ia naștere o mare varietate de genotipuri. Trei procese servesc ca surse practic nelimitate de variație genetică:

Segregarea independentă a cromozomilor omologi în prima diviziune meiotică. Combinația independentă de cromozomi din timpul meiozei este baza celei de-a treia legi a lui Mendel. Apariția semințelor de mazăre verzi netede și galbene ridate în a doua generație din încrucișarea plantelor cu semințe galbene netede și verzi ridate este un exemplu de variabilitate combinativă.

Schimb reciproc de secțiuni de cromozomi omologi sau încrucișare (vezi Fig. 3.10). Creează noi grupuri de legătură, adică servește ca o sursă importantă de recombinare genetică a alelelor. Cromozomii recombinanți, odată ajunși în zigot, contribuie la apariția unor caracteristici atipice pentru fiecare dintre părinți.

Combinație aleatorie de gameți în timpul fertilizării.

Aceste surse de variabilitate combinativă acționează independent și simultan, asigurând o „amestecare” constantă a genelor, ceea ce duce la apariția unor organisme cu genotip și fenotip diferit (genele în sine nu se schimbă). Cu toate acestea, noile combinații de gene se descompun destul de ușor atunci când sunt transmise din generație în generație.

Variabilitatea combinativă este cea mai importantă sursă a întregii diversități ereditare colosale caracteristice organismelor vii. Cu toate acestea, sursele de variabilitate enumerate nu generează modificări stabile ale genotipului care sunt semnificative pentru supraviețuire, care, conform teoriei evoluției, sunt necesare pentru apariția de noi specii. Astfel de modificări apar ca urmare a mutațiilor.

Variabilitatea mutațională. Mutațional numită variabilitatea genotipului însuși. Mutații - Acestea sunt schimbări ereditare bruște ale materialului genetic, care duc la modificări ale anumitor caracteristici ale corpului.

Principalele prevederi ale teoriei mutației au fost dezvoltate de G. De Vries în 1901-1903. și se reduce la următoarele:

Mutațiile apar brusc, spasmodic, ca modificări discrete ale caracteristicilor.

Spre deosebire de modificările neereditare, mutațiile sunt modificări calitative care se transmit din generație în generație.

Mutațiile se manifestă în moduri diferite și pot fi atât benefice, cât și dăunătoare, atât dominante, cât și recesive.

Probabilitatea de a detecta mutații depinde de numărul de indivizi examinați.

Mutații similare pot apărea în mod repetat.

Mutațiile sunt nedirecționate (spontane), adică orice parte a cromozomului poate suferi mutații, provocând modificări atât în ​​semnele minore, cât și în cele vitale.

Aproape orice modificare a structurii sau a numărului de cromozomi, în care celula își păstrează capacitatea de a se reproduce, provoacă o modificare ereditară a caracteristicilor organismului. După natura schimbării genomul, adică un set de gene conținute într-un set haploid de cromozomi, distinge între mutațiile genice, cromozomiale și genomice.

Genetic, sau mutații punctuale- rezultatul unei modificări a secvenței de nucleotide într-o moleculă de ADN dintr-o genă. O astfel de modificare a genei este reprodusă în timpul transcripției în structura ARNm; duce la o schimbare a succesiunii aminoaciziîn lanţul polipeptidic format în timpul translaţiei pe ribozomi. Ca urmare, se sintetizează o altă proteină, ceea ce duce la o schimbare a caracteristicii corespunzătoare a organismului. Acesta este cel mai comun tip de mutație și cea mai importantă sursă de variabilitate ereditară în organisme.

Există diferite tipuri de mutații genetice care implică adăugarea, ștergerea sau rearanjarea nucleotidelor într-o genă. Acest dublari(repetarea unei secțiuni de gene), inserții(apariția unei perechi suplimentare de nucleotide în secvență), stergeri("pierderea uneia sau mai multor perechi de nucleotide") substituirea perechilor de nucleotide (AT -> <- GC; LA -> <- ; CG; sau LA -> <- TA), inversiune(întoarceți secțiunea genei cu 180°).

Efectele mutațiilor genetice sunt extrem de variate. Majoritatea nu apar fenotipic deoarece sunt recesive. Acest lucru este foarte important pentru existența speciei, deoarece majoritatea mutațiilor care apar recent sunt dăunătoare. Cu toate acestea, natura lor recesivă le permite să persistă mult timp la indivizii speciei într-o stare heterozigotă fără a afecta organismul și să se manifeste în viitor la trecerea la o stare homozigotă.

În același timp, există o serie de cazuri în care o modificare a unei singure baze într-o anumită genă are un efect vizibil asupra fenotipului. Un exemplu este următoarea anomalie genetică: ca anemia cu celule falciforme. Alela recesivă, care provoacă această boală ereditară în stare homozigotă, se exprimă prin înlocuirea unui singur rest de aminoacizi în ( B-lanţuri ale moleculei de hemoglobină (acid glutamic -" -> valină). Acest lucru duce la faptul că, în sânge, globulele roșii din sânge cu o astfel de hemoglobină sunt deformate (de la rotunde la forma de seceră) și rapid distruse. În acest caz, se dezvoltă anemie acută și se observă o scădere a cantității de oxigen transportată de sânge. Anemia cauzează slăbiciune fizică, probleme cu inima și rinichii și poate duce la moarte timpurie la persoanele homozigote pentru alela mutantă.

Mutații cromozomiale (rearanjamente, sau aberatii)- Acestea sunt modificări ale structurii cromozomilor care pot fi identificate și studiate la microscop cu lumină.

Perestroika cunoscută tipuri diferite(Fig. 3.13):

o lipsa de, sau sfidare,- pierderea secțiunilor terminale ale cromozomului;

ştergere- pierderea unei secțiuni a unui cromozom în partea sa mijlocie;

duplicare - repetarea dublă sau multiplă a genelor localizate într-o anumită regiune a cromozomului;

inversiune- rotația unei secțiuni de cromozom cu 180°, în urma căreia genele din această secțiune sunt situate în secvența inversă față de cea obișnuită;

translocare- modificarea poziției oricărei părți a unui cromozom din setul de cromozomi. Cel mai frecvent tip de translocații sunt reciproce, în care regiunile sunt schimbate între doi cromozomi neomologi. O secțiune a unui cromozom își poate schimba poziția fără schimb reciproc, rămânând în același cromozom sau fiind inclusă în altul.

La deficiențe, ștergeriȘi dublari cantitatea de modificări ale materialului genetic. Gradul de modificare fenotipică depinde de cât de mari sunt regiunile cromozomiale corespunzătoare și dacă acestea conțin gene importante. Exemple de deficiențe sunt cunoscute la multe organisme, inclusiv la oameni. Boală ereditară severă - sindromul „strigătul pisicii”.(numit după natura sunetelor emise de bebelușii bolnavi) este cauzată de heterozigozitate pentru deficiența cromozomului 5. Acest sindrom este însoțit de tulburări severe de creștere și retard mintal. Copiii cu acest sindrom mor de obicei devreme, dar unii supraviețuiesc până la vârsta adultă.

3.13 . Rearanjamente cromozomiale care modifică locația genelor pe cromozomi.

Mutații genomice- modificarea numărului de cromozomi din genomul celulelor corpului. Acest fenomen are loc în două direcții: spre creșterea numărului de seturi haploide întregi (poliploidie)şi spre pierderea sau includerea cromozomilor individuali (aneuploidie).

Poliploidie- creşterea multiplă a setului haploid de cromozomi. Celulele cu numere diferite de seturi haploide de cromozomi se numesc triploide (3n), tetraploide (4n), hexanloide (6n), octaploide (8n) etc.

Cel mai adesea, poliploizii se formează atunci când ordinea divergenței cromozomilor către polii celulari este perturbată în timpul meiozei sau mitozei. Acest lucru poate fi cauzat de factori fizici și chimici. Substanțele chimice precum colchicina suprimă formarea fusului mitotic în celulele care au început să se divizeze, drept urmare cromozomii duplicați nu se separă și celula devine tetraedrică.

Pentru multe plante așa-numitele serie poliploidă. Acestea includ forme de la 2 la 10n și mai mult. De exemplu, o serie poliploidă de seturi de 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 și 144 de cromozomi este formată din reprezentanți ai genului Solanum. Genul grâu (Triticum) reprezintă o serie ai cărei membri au 34, 28 și 42 de cromozomi.

Poliploidia are ca rezultat modificări ale caracteristicilor unui organism și, prin urmare, este o sursă importantă de variație în evoluție și selecție, în special la plante. Acest lucru se datorează faptului că hermafroditismul (autopolenizarea), apomixisul (partenogeneza) și propagarea vegetativă sunt foarte răspândite în organismele vegetale. Prin urmare, aproximativ o treime din speciile de plante comune pe planeta noastră sunt poliploide, iar în condițiile puternic continentale ale Pamirului montan înalt, până la 85% dintre poliploide cresc. Aproape toate plantele cultivate sunt și poliploide, care, spre deosebire de rudele lor sălbatice, au flori, fructe și semințe mai mari, iar în organele de depozitare (tulpini, tuberculi) se acumulează mai mulți nutrienți. Poliploizii se adaptează mai ușor la condițiile nefavorabile de viață și tolerează mai ușor temperaturile scăzute și seceta. De aceea sunt răspândite în regiunile nordice și montane înalte.

Baza pentru creșterea bruscă a productivității formelor poliploide ale plantelor cultivate este fenomenul polimeri(vezi § 3.3).

aneuploidie, sau heteroploidie,- un fenomen în care celulele corpului conţin un număr alterat de cromozomi care nu este un multiplu al setului haploid. Aneuploizii apar atunci când cromozomii omologi individuali nu se separă sau se pierd în timpul mitozei și meiozei. Ca urmare a nedisjuncției cromozomilor în timpul gametogenezei, pot apărea celule germinale cu cromozomi suplimentari și apoi, la fuziunea ulterioară cu gameți haploizi normali, formează un zigot 2n + 1. (trisomic) pe un anumit cromozom. Dacă există un cromozom mai puțin în gamet, atunci fertilizarea ulterioară duce la formarea unui zigot 1n - 1 (monozomic) pe oricare dintre cromozomi. În plus, există forme 2n - 2 sau nullisomice, deoarece nu există o pereche de cromozomi omologi și 2n + X, sau polisomice.

Aneuploizii se găsesc la plante și animale, precum și la oameni. Plantele aneuploide au viabilitate și fertilitate scăzute, iar la om acest fenomen duce adesea la infertilitate și în aceste cazuri nu este moștenit. La copiii născuți din mame peste 38 de ani, probabilitatea de aneuploidie este crescută (până la 2,5%). În plus, cazurile de aneuploidie la om provoacă boli cromozomiale.

La animalele dioice, atât în ​​condiții naturale, cât și artificiale, poliploidia este extrem de rară. Acest lucru se datorează faptului că poliploidia, care provoacă o modificare a raportului dintre cromozomii sexuali și autozomii, duce la întreruperea conjugării cromozomilor omologi și, prin urmare, complică determinarea sexului. Ca urmare, astfel de forme se dovedesc a fi sterile și mai puțin viabile.

Mutații spontane și induse. Spontan sunt mutații care apar sub influența unor factori naturali necunoscuți, cel mai adesea ca urmare a erorilor de reproducere a materialului genetic (ADN sau ARN). Frecvența mutațiilor spontane la fiecare specie este determinată genetic și menținută la un anumit nivel.

Mutageneză indusă este producerea artificială de mutații folosind mutageni fizici și chimici. Creștere bruscă frecvența mutațiilor (de sute de ori) apare sub influența tuturor tipurilor de radiații ionizante (raze gamma și X, protoni, neutroni etc.), radiații ultraviolete, temperaturi ridicate și scăzute. Mutagenii chimici includ substanțe precum formaldehida, muștarul cu azot, colchicina, cofeina, unele componente ale tutunului, medicamentele, alimentele. conservanti si pesticide. Mutagenii biologici sunt viruși și toxine ale unui număr de mucegaiuri.

În prezent, se lucrează pentru a crea metode pentru efectele direcționate ale diverșilor mutageni asupra genelor specifice. Astfel de studii sunt foarte importante, deoarece obținerea artificială a mutațiilor genelor dorite poate avea o mare importanță practică pentru selecția plantelor, animalelor și microorganismelor.

Legea seriei omologice în variabilitatea ereditară. Cea mai mare generalizare a lucrărilor privind studiul variabilității la începutul secolului al XX-lea. a devenit legea seriei omologice în variabilitatea ereditară. A fost formulată de remarcabilul om de știință rus N.I. Vavilov în 1920. Esența legii este următoarea: speciile și genurile care sunt apropiate genetic, înrudite între ele printr-o unitate de origine, se caracterizează prin serii similare de variabilitate ereditară.Știind ce forme de variabilitate apar la o specie, se poate prezice prezența unor forme similare la o specie înrudită.

Legea seriei omologice de variabilitate fenotipică la speciile înrudite se bazează pe ideea unității originii lor de la un strămoș în procesul de selecție naturală. Deoarece strămoșii comuni aveau un set specific de gene, descendenții lor ar trebui să aibă aproximativ același set.

Mai mult, mutații similare apar la speciile înrudite care au o origine comună. Aceasta înseamnă că la reprezentanții diferitelor familii și clase de plante și animale cu un set similar de gene, se poate găsi paralelism- serii omoloage de mutații în funcție de caracteristicile și proprietățile morfologice, fiziologice și biochimice. Astfel, mutații similare apar la diferite clase de vertebrate: albinism și absența penelor la păsări, albinism și lipsă de păr la mamifere, hemofilie la multe mamifere și oameni. La plante, variabilitatea ereditară este remarcată pentru caracteristici cum ar fi boabele peliculoase sau goale, urechile înțepate sau fără șuruburi etc.

Legea seriei omologice, care reflectă modelul general al procesului de mutație și al formării organismelor, oferă ample oportunități pentru uz practicîn producția agricolă, creșterea, medicină. Cunoașterea naturii variabilității mai multor specii înrudite face posibilă căutarea unei caracteristici care este absentă la una dintre ele, dar este caracteristică altora. În acest fel, au fost colectate și studiate forme goale de cereale și soiuri cu o singură sămânță de sfeclă de zahăr care nu necesită săpare, ceea ce este deosebit de important pentru cultivarea mecanizată a solului. Știința medicală are posibilitatea de a folosi animalele cu boli omoloage ca modele pentru studierea bolilor umane: aceasta Diabetșobolani; surditatea congenitală la șoareci, câini, cobai; cataracta ochilor la șoareci, șobolani, câini etc.

Legea seriei omoloage face, de asemenea, posibilă prevederea posibilității apariției unor mutații încă necunoscute științei, care pot fi folosite în reproducere pentru a crea noi forme valoroase pentru economie.

Tipuri de mutații

Este probabil ca muștele de fructe pe care le-a iradiat Mueller să fi dezvoltat mult mai multe mutații decât a fost capabil să detecteze. Prin definiție, o mutație este orice modificare a ADN-ului. Aceasta înseamnă că mutațiile pot apărea oriunde în genom. Și, din moment ce cea mai mare parte a genomului este ocupată de ADN „junk” care codifică nimic, majoritatea mutațiilor rămân nedetectate.

Mutațiile se schimbă proprietăți fizice organism (trăsături) numai dacă modifică secvența ADN în cadrul unei gene (Fig. 7.1).

Orez. 7.1. Aceste trei secvențe de aminoacizi arată cât de mici modificări pot avea efecte mari. Începutul unuia dintre lanțurile de aminoacizi dintr-o proteină normală este afișat în rândul de sus. Mai jos este lanțul de aminoacizi al unei variante anormale a proteinei hemoglobinei: valina este înlocuită cu acid glutamic în poziția a șasea. Această substituție unică, care are ca rezultat mutația codonului GAA în codonul GUA, este cauza anemiei falciforme, care are ca rezultat o serie de simptome variind de la anemie ușoară (dacă individul păstrează o copie normală a genei mutante) până la moarte. (dacă individul are două copii mutante ale genei)

Deși Müller a indus mutații la muștele de fructe prin expunerea acestora la doze mari de radiații, mutațiile apar în organism tot timpul. Uneori acestea sunt pur și simplu erori în procesele normale care au loc în celulă, iar uneori sunt rezultatul influențelor mediului. Astfel de mutații spontane apar la frecvențe caracteristice unui anumit organism, uneori numite fundal spontan.

Cele mai frecvente mutații punctuale sunt cele care modifică doar o pereche de baze în secvența normală de ADN. Ele pot fi obținute în două moduri:

1. ADN-ul este modificat chimic astfel încât una dintre baze este schimbată în alta. 2. Replicarea ADN-ului funcționează cu erori, inserând o bază eronată în catena în timpul sintezei ADN-ului.

Indiferent de motivul apariției lor, mutațiile punctuale pot fi împărțite în două tipuri:

1. Tranziții. Cel mai frecvent tip de mutație. Într-o tranziție, o pirimidină este înlocuită cu o altă pirimidină sau o purină este înlocuită cu o altă purină: de exemplu, o pereche G-C devine o pereche A-T sau invers.

2. Transversiuni. Un tip mai rar de mutație. Purina este înlocuită cu pirimidină sau invers: de ex. perechea A-T devine o pereche T-A sau C-G.

Acidul azot este un mutagen care provoacă tranziții. Acesta transformă citozina în uracil. Citozina de obicei se împerechează cu guanina, dar uracilul se asociază cu adenina. Ca urmare perechea C-G devine o pereche T-A când A se împerechează cu T în următoarea replicare. Acidul azot are același efect asupra adeninei, transformând perechea A-T într-o pereche C-G.

Un alt motiv pentru tranziții este nepotrivire temeiuri. Acest lucru se întâmplă atunci când, dintr-un motiv oarecare, o bază incorectă este inserată într-o catenă de ADN, apoi se asociază cu partenerul greșit (bază necomplementară) în locul celui cu care ar trebui să se împerecheze. Ca rezultat, în timpul următorului ciclu de replicare, perechea este complet schimbată.

Efectul mutațiilor punctuale depinde de locul în care apar ele în secvența de bază. Deoarece schimbarea unei perechi de baze schimbă doar un codon și, prin urmare, un aminoacid, proteina rezultată poate fi deteriorată, dar poate, în ciuda daunelor, să-și păstreze o parte din activitatea sa normală.

Mult mai dăunătoare pentru ADN decât mutațiile punctuale mutații de deplasare a cadrelor. Amintiți-vă că secvența genetică a bazelor (secvența) este citită ca o secvență de tripleți care nu se suprapun (trei baze). Aceasta înseamnă că există trei moduri de a citi (cadre de citire) o secvență de baze, în funcție de punctul în care începe lectura. Dacă o mutație îndepărtează sau inserează o bază suplimentară, aceasta provoacă o schimbare de cadre și întreaga secvență de baze este citită incorect. Aceasta înseamnă că întreaga secvență de aminoacizi se va schimba, iar proteina rezultată va fi cel mai probabil complet nefuncțională.

Mutațiile frameshift sunt cauzate de acridine, substanțe chimice care se leagă de ADN și își schimbă structura atât de mult încât bazele pot fi adăugate sau îndepărtate din ADN în timpul replicării sale. Efectul unor astfel de mutații depinde de locația secvenței de baze la care are loc inserția ( inserare) sau pierdere ( ştergere) baze, precum și poziția relativă a acestora în succesiunea rezultată (Fig. 7.2).

Orez. 7.2. Un mod în care o mutație de deplasare a cadrelor poate afecta citirea unei secvențe de baze ADN

Un alt tip de mutație este inserția de fragmente lungi de material genetic suplimentar în genom. Încorporat elemente de transpunere (genetice mobile)., sau transpozoni, - secvențe care se pot muta dintr-un loc în ADN în altul. Transpozonii au fost descoperiți pentru prima dată de geneticianul Barbara McClintock în anii 1950. Acestea sunt elemente scurte de ADN care pot sări dintr-un punct al genomului în altul (de aceea sunt adesea numite „gene de săritură”). Uneori iau cu ei secvențe de ADN din apropiere. De obicei, transpozonii constau din una sau mai multe gene, dintre care una este o genă enzimatică transpuse. Această enzimă este necesară de către transpozoni pentru a se muta dintr-un loc al ADN-ului în altul în interiorul unei celule.

Există, de asemenea retrotranspozoni, sau retropozonii care nu se pot mișca singuri. În schimb, își folosesc ARNm-ul. Mai întâi este copiat în ADN, iar acesta din urmă este introdus într-un alt punct al genomului. Retrotranspozonii sunt legați de retrovirusuri.

Dacă un transpozon este inserat într-o genă, secvența de codificare a bazelor este întreruptă și gena este oprită în majoritatea cazurilor. Transpozonii pot transporta, de asemenea, semnale de terminare a transcripției sau a translației care blochează în mod eficient expresia altor gene în aval de ele. Acest efect se numește mutație polară.

Retrotranspozonii sunt tipici genomului mamiferelor. De fapt, aproximativ 40% din genom constă din astfel de secvențe. Acesta este unul dintre motivele pentru care genomul conține atât de mult ADN nedorit. Retrotranspozonii pot fi SINE (elemente intermediare scurte) lungi de câteva sute de perechi de baze sau LINE (elemente intermediare lungi) lungi de 3000 până la 8000 de perechi de baze. De exemplu, genomul uman conține aproximativ 300 de mii de secvențe ale unui tip de SINE, care par să nu aibă altă funcție decât auto-replicarea. Aceste elemente sunt numite și ADN „egoist”.

Spre deosebire de mutațiile punctiforme, mutațiile cauzate de transpozoni nu pot fi induse de mutageni.

Mutațiile punctuale pot reveni, revenind la secvența originală atât datorită restabilirii secvenței ADN originală, cât și datorită mutațiilor din alte locuri ale genei care compensează efectul mutației primare.

Inserarea unui element suplimentar de ADN se poate inversa aparent prin tăierea materialului inserat - excluderea punctului. Cu toate acestea, ștergerea unei părți a genei nu poate reveni.

Mutațiile pot apărea în alte gene, ducând la formarea unei căi de ocolire care corectează daunele cauzate de mutația inițială. Rezultatul este un dublu mutant cu un fenotip normal sau aproape normal. Acest fenomen se numește suprimare, care vine în două tipuri: extragenicȘi intragenic.

Mutație supresoare extragenă suprimă efectul unei mutații localizate într-o altă genă, uneori prin modificarea condițiilor fiziologice în care proteina codificată de mutantul suprimat poate funcționa din nou. Se întâmplă ca o astfel de mutație să modifice secvența de aminoacizi a proteinei mutante.

Mutație supresoare intragenică suprimă efectul unei mutații în gena în care se află, restabilind uneori cadrul de citire perturbat de o mutație de schimbare a cadrelor. În unele cazuri, o mutație modifică aminoacizii la un loc care compensează schimbarea de aminoacizi cauzată de mutația primară. Fenomenul mai este numit revenire în al doilea loc.

Nu toate secvențele de baze dintr-o genă sunt la fel de susceptibile la mutație. Mutațiile tind să se grupeze în jurul punctelor fierbinți într-o secvență de gene - locații în care mutațiile sunt de 10 sau 100 de ori mai probabil să se formeze decât se aștepta prin distribuție aleatorie. Locația acestor puncte fierbinți variază pentru diferite tipuri de mutații și mutagenii care le induc.

În bacterii E. coli De exemplu, punctele fierbinți apar acolo unde se află baze modificate numite 5-metil-citozină. Acesta este motivul uneori suferă o schimbare tautomerică- rearanjarea atomului de hidrogen. Ca rezultat, G se împerechează cu T în loc de C, iar după replicare se formează o pereche de tip sălbatic G-C și o pereche mutantă A-T (în genetică Genul mai sălbatic sunt secvențe de ADN care se găsesc în mod obișnuit în natură).

Multe mutații nu au niciun efect vizibil. Sunt chemați mutații tăcute. Uneori mutația este tăcută deoarece modificările nu afectează producția de aminoacizi, iar uneori pentru că, în ciuda înlocuirii unui aminoacid în proteină, noul aminoacid nu îi afectează funcția. Se numeste înlocuire neutră.

Se numește o mutație care dezactivează sau modifică funcția unei gene mutație directă. O mutație care reactivează sau restabilește funcția genei prin inversarea mutației inițiale sau prin deschiderea unei căi de ocolire (ca în al doilea loc de inversare descris mai sus) este numită mutație inversă.

După cum puteți vedea, există multe moduri diferite de a clasifica mutațiile și aceeași mutație poate fi clasificată în diferite tipuri. Date din tabel 7.1 poate clarifica caracterizarea mutațiilor.

Clasificarea mutațiilor

Clasificarea mutațiilor (continuare)