Типы геномных мутаций и их причины. Полиплоидия

Геномные мутации - это аномальное изменение числа хромосом в клетках организма. Изменение числа хромосом может происходить за счет увеличения или уменьшения числа целых гаплоидных наборов или отдельных хромосом.

Полиплоидия - это геномная мутация, которая состоит в изменении числа хромосом, кратномгаплоидному (числу).

В свою очередь гаплоиднымназывают такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Наследственная информация, заключенная в гаплоидном наборе, называется геномом(Г. Винклер, 1920 г.).

Известное всем число n –это гаплоидное число, или плоидность; например, у человека n = 23, у дрозофилы n = 4 и т. д.

Организмы, у которых произошло увеличение количества (умножение) гаплоидных наборов, называют полиплоидами, или эуплоидами.

Другие типы геномных мутаций – это анеуплоидияи гаплоидия.О них будет сказано отдельно.

Причины геномных мутаций - нарушения механизмов митоза и мейоза, а именно: нарушение функций (или повреждение) микротрубочек веретена деления, центромер или центриолей, значительное увеличение вязкости цитоплазмы; другие изменения физиологического состояния клетки.

Возможны следующие последствия этих нарушений:

1. Неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе.

2. Удвоение хромосом без их отделения друг от друга.

Около 30% всех покрытосеменных растений, в том числе культурных, являются полиплоидами. Полиплоиды лучше приспособлены к произрастанию в суровых условиях: среди цветковых растений в арктических широтах полиплоиды составляют более 70%, на Памире - 86%, на Алтае – 65%. Интересно отметить, что «живые ископаемые» растения — представители древних растительных групп - оказываются часто полиплоиднымипо отношению к их родственникам значительно менее древнего происхождения (т.е. именно полиплоидность помогла им выжить).

Важнейший для жизни человека пример полиплоидии: род пшеница(Triticum) состоит из нескольких видов, которые разделяются на три группы как по числу хромосом, так и по признакам растений. Гаплоидное число у пшениц п=7, при этом однозернянки T. monococcum являются диплоидами (7x2=14), твердые пшеницы T. durum — тетраплоидами (7x4=28), а мягкие T. aestivum — гексаплоидами (7x6=42). Такой же ряд полиплоидов известен внутри рода овса (Avena) и у многих других растений (пырея, розы, земляники; у всех у них n=7).

Группа родственных видов, у которых наборы хромосом составляют ряд с возрастающим числом хромосом, кратным гаплоидному, называется полиплоидным рядом. Полиплоидный ряд может быть двучленным и многочленным.

Автополиплоидия

Полиплоиды, возникающие в результате умножения числа геномов одного вида, называют автополиплоидами.

Например, тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную мaccy (листья, стебли, семена, плоды), размеры клеток увеличены. Однако у них может резко уменьшиться плодовитость из-за нарушения расхождения поливалентов в мейозе.

В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с четным числом хромосомных наборов, но полностью стерильные. Под руководством А. Н. Луткова в середине 60-х гг. было создано несколько сортов триплоидной сахарной свеклы. По содержанию сахара они на 15% превышают стандартные диплоидные сорта. Ценные качества триплоидов способствовали их широкому внедрению в практику (до 80% посевных площадей свеклы в Краснодарском крае). Экономический эффект от их внедрения в производство к началу 70-х гг. перекрыл расходы, связанные со строительством новосибирского Академгородка.

Аллополиплоидия

Аллополиплоидия - это сложение хромосомных наборов разных видов или родов.

Полиплоиды, возникающие в результате сложения геномов разных видов, называются аллополиплоидами, или амфиплоидами. Они образуются в результате скрещиваний различных видов.

Часто отдаленные гибриды оказываются бесплодными (например, гибриды ржи с пшеницей, редьки с капустой и др.). Это связано с особенностями мейоза у аллополиплоидов. Например, объединены геномы S (рожь) и Т (пшеница). У гибрида будет два генома — Т и S, по 7 хромосом в каждом. В мейозе образуются 14 унивалентов, поскольку хромосомы одного вида не имеют гомологии с хромосомами другого. В анафазе они будут беспорядочно расходиться к полюсам.

Гаметы могут иметь от 0 до 14 хромосом (7Т+7S). Большинство из них являются несбалансированными, т.к. число хромосом в них некратно n, а потому и нежизнеспособными. Однако у такого гибрида часть как мужских, так и женских гамет будут нести оба набора хромосом (7Т+7S). Такие гаметы называются сбалансированными. При их объединении образуется зигота с удвоенным набором хромосом каждого вида — амфидиплоид. Он является фертильным.

В 1925 г. два американских генетика Т. Гудспид и Дж. Клаусен получили вид табака с 72 хромосомами в результате гибридизации двух видов с 48 и 24 хромосомами.

Фертильный межродовойгибрид(амфидиплоид) впервые в мире получилполучил Георгий Дмитриевич Карпеченков 1927 г. Аллополиплоид уживотных от межвидового скрещивания шелкопрядовВотbiх mori и В. mandarina впервые получили Б. Л. АстауровиВ. Н. Верейская в 1961 г.

Г. Д. Карпеченко использовал в скрещиваниях два вида из разных родов — Brassica olerасеа (капуста) и Raphanus sativus (редька). У обоих видов диплоидное число хромoсом 2n = 18 (рис.). Гибрид BR имел 18 хромосом (9R+9B), был мощным, сильно цвел, но семян не образовывал. Отдельные гаметы были нередуцированными, т. e. имели 9R + 9В хромосом. В результате их слияния получились устойчивые фертильные амфидиплоидные растения с 4n = 36, которым автор дал новое видовое название — Рафанобрассика. Его генотип имеет формулу BBRR.

Аллополиплоидия широко распространена в природе. Известны многие полиплоидные виды и у культурных растений. Вернемся к примеру с пшеницами. Естественный аллополиплоид (2n = 42) Triticum aestivum (пшеница мягкая, или хлебная) является одним из основных хлебных растений мира. Она имеет генотип AABBDD. Для 35 % населения Земли – это основной продукт питания.

Эволюция геномов пшеницы посредством полиплоидизации представлена на рисунке.

Донором генома А (разновидность А^u) является обнаруженная на территории Армении дикая однозернянка Т. иrartu (пшеница урарту). Донор другой разновидности генома А – А^b – Т. boeoticum(беотийская дикая форма пшеницы) — предок культурной однозернянки Т. moпососсит.

Второй геном у одних пшениц был обозначен В, у других — G. Их наиболее вероятными донорами послужили разные расы эгилопса Aegilops speltoide.

Донором генома Dявляется вид Aegilops squarrosa, точнее, его подвид strangulatа, объединившийся в результате амфиполиплоидии с тетраплоидной пшеницей, имевшей геном A^uA^uBB.

Анеуплоидия

Анеуплоидия — это геномная мутация, состоящая в изменении числа хромосом, некратном гаплоидному.

Причина этого явления - нерасхождение гомологичных хромосом в мейозе, после образования бивалентов. Бивалент целиком может отойти в одну клетку, и тогда в другой клетке эта пара гомологичных хромосом отсутствует.

Если гамета, имеющая дополнительную хромосому (п+1),сочетается с нормальной, гаплоидной (п),то зигота оказывается с одной лишней хромосомой; число хромосом у нее будет равно 2п+1. При сочетании гаметы, утратившей одну хромосому, с нормальной, т. е. гаплоидной гаметой образуется зигота с неполным диплоидным числом, с нехваткой одной хромосомы 2п-1.

Организм с набором хромосом 2п+1называется трисомиком, 2п-1 – моносомиком,а 2п-2 – нуллисомиком.В некоторых редких случаях одна и та же пара хромосом может иметь дополнительно не одну хромосому, а две (2п+2) – тетрасомик, три (2п+3) – пентасомики т.д.

Известно, что анеуплоидия у растений менее сказывается на жизнеспособности, чем у животных. Поэтому удалось получить коллекции нуллисомиков, моно-, три- и тетрасомиков многих растений (пшеницы, шпината, дурмана) и изучить влияние этих мутаций на свойства. Например, у дурмана прибавка по одной хромосоме к каждой из 12 пар ведет к изменению фенотипа — формы или размера семенной коробки.

У животных анеуплоиды жизнеспособны, как правило, только в том случае, если анеуплоидия затрагивает половые хромосомы.

При нормальном течении мейоза у женского организма образуется один тип гамет, содержащий Х-хромосому. Однако при нерасхождении половых хромосом могут образовываться ещё два типа гамет, ХХ и О (не содержащая половых хромосом). У мужского организма в норме образуется два сорта гамет, содержащих Х- или Y-хромосому. При нерасхождении половых хромосом возможны варианты гамет XY и 0. Составим таблицу возможных комбинаций половых хромосом в зиготе у человека (их получится 12) и проанализируем каждый вариант.

Таблица - Возможные комбинации половых хромосом в зиготе

♀ ♂	Х	ХХ	О
Х	ХХ	ХХХ	ХО
Y	XY	XXY	YO
XY	XXY	XXXY	XY*
O	XO	XX*	OO

1) XX — нормальный женский организм.

2) XXX — синдром трисомии X. Частота встречаемости 1:800 — 1:1000. Кариотип 47, XXX. Женский организм с мужеподобным телосложением. Недоразвиты первичные и вторичные половые признаки. В 75% случаев наблюдается умственная отсталость. У таких женщин нарушена функция яичников, но иногда они могут иметь детей. Повышен pиск заболевания шизофренией.

3)ХО — синдром Шерешевского-Тернера (моносомия X). Частота встречаемости 1:2000 — 1:3000. Кариотип 45,Х. Фенотип женский. Соматические признаки: рост 135-145 см, крыловидная кожная складка на шее (от затылка к плечу), низкое расположение ушей, недоразвитие первичных и вторичных половых признаков. В 25% случаев имеются пороки сердца и аномалии работы почек. Интеллект страдает редко. Недоразвитие яичников приводит к бесплодию. Эффективно раннее гормональное лечение.

4) XY — нормальный мужской организм.

5) ХXY и XXXY — синдром Кляйнфельтера. Частота встречаемости 1:400 -1:500. Кариотип — 47, XXY; 48, XXXY и др. Фенотип мужской. Женский тип телосложения, гинекомастия. Высокий рост, относительно длинные руки и ноги. Слабо развит волосяной покров. Интеллект снижен. Вследствие недоразвития семенников слабо развиты первичные и вторичные половые признаки, нарушено течение сперматогенеза. Половые рефлексы сохранены. Иногда эффективно раннее лечение мужскими половыми гормонами.

6) YO и OO — зиготы нежизнеспособны.

7) XY* - нормальный мужской организм. Его особенность заключается в том, что обе половые хромосомы он получил от отца.

8) ХХ*- нормальный женский организм, но обе половые хромосомы получены от матери.

Иногда возможны случаи увеличения количества Y хромосом: XYY и др. Эти больные имеют признаки синдрома Кляйнфельтера, высокий рост (в среднем 186 см) и агрессивное поведение. Могут быть аномалии зубов и костной системы. Половые железы развиты нормально.

Гаплоидия

Гаплоидия — это явление уменьшения числа хромосом, когда в соматической клетке присутствует только гаплоидный набор хромосом. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор хромосом.

Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле пчел (трутень), спорообразующих грибов и одноклеточных водорослей.

У высших растений гаплоид впервые был обнаружен у дурмана в 1921 г., затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы. В настоящее время гаплоидия известна у 71 вида.

Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

1. Проявляются рецессивные гены, так как их не прикрывают доминантные аллели.

2. По внешнему виду, как правило, онисходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их. Исключение – трутень.

3. Клетки имеют меньший размер, что может объясняться уменьшением дозы генов.

4. Гаплоиды почти бесплодны, так как у них в мейозе не образуются полноценные гаметы: хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно, образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет образуется диплоид, гомозиготный по всем генам.

Растения, полученные от гаплоида путем вегетативного размножения, имеют фенотип, полностью соответствующий генотипу. Изучая гаплоидные растения, можно выявлять полезные и вредные рецессивные мутации.

Лекция № 10

Тема лекции: Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК

План лекции:

1. Механизмы точковых мутаций

2. Экспансия тринуклеотидных повторов

3. Прямая коррекция мутационных повреждений

3.1. Репарация ДНК-полимеразой

3.2. Световая репарация

3.3. Репарация алкилирующих повреждений

3.4. Репарация лигазой

4. Эксцизионная репарация

4.1. Темновая репарация

4.2. Репарация неспаренных оснований

4.3. Пострепликативная репарация

4.4. SOS - репарация