Изменчивость, ее формы. Мутагенез. Антимутагенные механизмы.

Изменчивость – общее свойство живых организмов приобретать новые или утрачивать прежние признаки.

Изменчивость отражает взаимосвязь организма с внешней средой, обеспечивает способность адаптироваться и существовать в различных жизненных формах, порождать многообразие живого.

Различают фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

Изменчивость и наследственность тесно взаимосвязаны. Явление наследственности базируется на способности генов к точной ауторепродукции, что обеспечивает в поколении организмов наличие материальной базы генетической информации и в результате этого воспроизведение сходных форм обмена веществ. При этом материал для синтеза генов черпается извне, в конечном счете из пищи. Завися от внешней среды, от предшественников, которые синтезируются в клетке, гены, как и все в мире, изменяются. Эти изменения получили название мутаций. Термин «мутации» принадлежит Де Фризу.

Мутации – это внезапные скачкообразные непредсказуемые и дискретные изменения наследственного материала.

Мутации, будучи новыми молекулярными состояниями генов, столь же стойки, как и гены, из которых они возникают. Путем ауторепродукции мутации передаются потомкам в бесчисленном ряду клеточных поколений.

Место мутации в любой точке гена называют сайтом. Разные сайты могут быть объединены в одном гене и разъединены. Сущность локальных внутригенных изменений может быть сведена к четырем типам: 1) замена пар оснований в молекуле ДНК; 2) делеция одной пары или группы оснований; 3) вставка одной пары или группы пар оснований; 4) перестановка положений нуклеотидов внутри гена.

Мутации, связанные с заменой пары комплементарных нуклеотидов двухцепочной молекулы ДНК на другую пару нуклеотидов, приводят к изменению структуры отдельных триплетов кодирующей нити этой молекулы.

слайд № 2. Замена одной пары нуклеотидов на другую может так изменить смысл соответствующего триплета в 3^I – 5^I – нити ДНК, что он приобретает способность кодировать другую аминокислоту. Такие мутации часто называют миссенс-мутациями (от англ. miss – потеря, отсутствие + sens – смысл, значение). Например, триплет ЦГТ кодирующей нити ДНК, определяет в полипептиде аминокислоту аланин. Если этот триплет заменяется триплетом ЦАТ, то вместо аланина будет другая аминокислота – валин.

В отдельных случаях при замене нуклеотидов возникают мутации, называемые нонсенс-мутации (от англ. nonsense - бессмыслица), при которых обычный кодон той или иной аминокислоты превращается в стоп-кодон (например, замена триплета ЦАА в молекуле мРНК, кодирующего глицин, на стоп-триплет УАА). Такая мутация вызывает преждевременное прекращение (терминацию) процесса транскрипции информации соответствующего гена.

Принципиально иной характер имеют генные мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания генетической информации. Они возникают при включении (вставке, инсерции) либо выпадении (делеции) одной или нескольких пар нуклеотидов. Слайд № 3. ( вставка )

При этом изменяется структура всех триплетов исходной нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК, начиная с точки, в которой произошло нарушение, и заканчивая стоп-кодоном на 5^I – конце такой последовательности. Следовательно, нарушится и вся аминокислотная последовательность кодируемого полипептида, т.е. в клетке будет синтезироваться “бесмысленный” белок.

Таким образом изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам списывания с него генетической информации, нужной для протекания биохимических процессов в клетке, и в конечном итоге приводят к появлению новых свойств в клетке и в организме в целом.

Громадное количество мутаций открыто у человека. Они касаются его морфологии, биохимии, склонностей поведения, умственных способностей, некоторых специальных форм одаренности (музыкальный талант) и т.д. Основой всех этих явлений служат изменения в материальных основах генетической информации. Мутации меняют элементы этой информации, поэтому любое проявление жизни может быть изменено под действием мутаций. Именно это их свойство и делает мутации исходным материалом для эволюции и селекции. Генные или точковые мутации классифицируются на 3 категории. Выделяют так называемые видимые мутации, то есть мутации, изменяющие видимые морфологические или физиологические свойства организмов. Второй крупной категорией являются биохимические мутации, изменяющие течение биосинтеза в клетках. Третьей категорией служат мутации, нарушающие жизнеспособность особей, так называемые летальные, полулетальные и сублетальные мутации. У человека обнаружены так называемые летальные гены ( доминантные или рецессивные), которые вызывают гибель плода во время беременности и в ранние сроки после рождения. Например, гибель зародыша на ранних стадиях развития обуславливается доминантным аллелем гена брахидактилии (слайд № 4), который в гомозиготном состоянии вызывает развитие аномалии костной системы и внутренних органов, несовместимых с жизнью. В гетерозиготном состоянии этот ген не вызывает таких серьезных нарушений и приводит к развитию брахидактилии. Аналогично наследуется аненцефалия или отсутствие головного мозга. В гомозиготном состоянии развивается отсутствие головного мозга – уродство несовместимое с жизнью, а в гетерозиготном состоянии развивается незаращение задней стенки невральной пластинки.

По рецессивному типу наследуются несовместимые с жизнью заболевания, как ихтиоз и амовратическая идиотия Тея-Сакса. При ихтиозе верхние слои эпидермиса приобретают вид роговых чешуй, с кровоточащими трещинами. При идиотии Тея-Сакса в клетках мозга откладываются жироподобные вещества, больные обычно умирают в возрасте 2-3 лет.

Генные мутации подразделяются на генеративные и соматические. Генеративные мутации возникают в половых клетках и передаются потомству.

Чем раньше возникает мутация при образовании яйцеклеток или сперматозоидов, тем большее число ее потомков будет нести эту мутацию. Мутация, возникшая на стадии зрелой яйцеклетки или сперматозоида, остается единичной. Последствием таких мутаций являются возникновения различных генных или хромосомных заболеваний.

Соматические мутации возникают в соматических клетках и не передаются по наследству. В процессе эволюции соматические мутации не играют никакой роли, однако в индивидуальном развитии они влияют на формирование признака. Чем раньше в онтогенезе возникает соматическая мутация, тем большее число потомков несут данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Например, мозаиками являются люди, у которых разный цвет глаз, наличие родинок и родимых пятен, прядь волос другого цвета
(слайд № 5). Соматические мутации не всегда безвредные для организма. Они могут нарушать метаболизм, являются причинами старения и злокачественных опухолей.

Хромосомные аберрации или структурные мутации хромосом выражаются в наличии межхромосомных и внутрихромосомных мутаций. К внутрихромосомным мутациям относятся: 1) делеции или нехватки - потери того или иного участка хромосом от одного гена до блока генов разной величины; 2) дупликации- добавление отдельных генов или блоков генов к основному набору;

3) инверсии- поворот блока генов внутри хромосом на 180 градусов. К межхромосомным мутациям относится явление транслокации, т.е. обмен участками между хромосомами, что приводит к образованию двух новых хромосом.

слайд № 6. Делеции и дупликации могут изменять численность отдельных генов в генотипе индивидуума, что приводит к соответствующим фенотипическим проявлениям. Значительные по размерам делеции обычно бывают летальными в гомозиготном состоянии, когда как очень мелкие делеции чаще всего не являются непосредственной причиной гибели гомозигот.

Инверсия возникает в результате полного разрыва двух краёв хромосомного участка с последующим поворотом этого участка на 180^о и воссоединением разорванных концов. Появляющиеся при этом перестановки в расположении генов отдельной хромосомы (перестройки группы сцепления) также могут сопровождаться нарушениями экспрессии соответствующих генов.

Перестройки, изменяющие порядок и (или) содержание генных локусов в группах сцепления, происходят и в случае транслокаций. Наиболее часто встречаются реципрокные транслокации, при которых наблюдается взаимный обмен предварительно разорванными участками между двумя негомологичными хромосомами. В случае нереципрокной транслокации происходит перемещение (транспозиция) повреждённого участка в пределах той же хромосомы либо в хромосому другой пары, но без взаимного (реципрокного) обмена.

Геномные мутации или мутации числа хромосом выражаются наличием ряда типов: 1) полиплоидия – когда в ядре происходит увеличение количества геномов. Полиплоидные формы могут быть триплоидами (3n), тетраплоидами (4n), пентаплоидами (5n) и т.д. В том случае, когда умножение касается набора одного и того же вида, мы имеем дело с аутополиплоидией. В случае удвоения числа хромосом у гибридов, полученных от скрещивания разных видом, мы имеем дело с аллополиплоидностью; 2) гаплоидия – когда каждая хромосома представлена в наборе в единичном числе; 3) изменение числа хромосом за счет добавления или утерь отдельных хромосом – анеуплоидия, которая может быть представлена тремя основными типами изменений: а) моносомия при потере одной хромосомы из набора; для диплоидов это будет 2n-1, для тетраплоидов 4n-1 и т.д.; б) полисомия - при добавлении одной из некоторых хромосом в наборе, у диплоидов 2n+1; для тетраплоидов 4n+1 и т.д.; в) нулисомия – при потере обоих гомологов пары хромосом (2n-2, 4n-4 и т.д.).

В начале текущего столетия появление наследственных уклонений рассматривалось как явление полностью случайное и независимое от факторов внешней среды. Развитие генетики показало ошибочность теории автогенеза. Установлено, что появление мутаций детерминируется изменениями в молекулах ДНК, возникающими на основе нарушений в метаболизме организма и под прямым влиянием факторов среды. Эти принципы современной теории мутаций показывает всю опасность загрязнения среды мутагенами.

Причины появления мутаций могут корениться в естественных условиях среды, в особенностях обмена веществ. Мутации, возникающие от этих причин, получили название естественных, или спонтанных, мутаций. В наше время обнаружено много факторов, с помощью которых мутации могут быть вызваны искусственно. Мощным мутагеном является действие разных видов радиации, химические мутагены и другое. Мутации, получаемые под их воздействием, называют индуцированными мутациями.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Факторы окружающей среды называются экзомутагены, а продукты метаболизма в организме, способные вызвать мутации, называются эндомутагенами.

Экзомутагены поступают в организм человека из атмосферы, с водой, пищей, с лекарственными препаратами. Ежедневно мы получаем около 2-3г. мутагенных соединений.

Экзомутагены классифицируются на физические, химические и биологические.

К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующего излучения (электромагнитные и корпускулярные).

Ионизирующие излучения воздействуют на наследственный материал ядра двумя путями: непосредственно - ионизируя и возбуждая атомы и молекулы ДНК и через воздействие на них ионизированных молекул воды. При косвенном действии чаще возникают генные мутации, а при прямом - хромосомные перестройки.

К более слабым физическим мутагенам относятся колебания t^o, давления, ультразвук, инфразвук, вибрация, шум (производственный).

Химические мутагены характеризуются большим многообразием и имеют природное и антропогенное происхождение.

Особые опасения вызывают искусственно синтезированные химические соединения - ксенобиотики.

По данным мировой статистики, в настоящий момент существует свыше 3,5 млн химических веществ и около 3 млн находится в стадии разработки. Ежегодно синтезируется до 25 тыс новых химических препаратов, примерно 1000 из которых внедряется в практику.

Большое количество ксенобиотиков различного происхождения мы получаем с пищей. Согласно заключению Международной организации по исследованию канцерогенного риска, пища давно уже перестала быть источником только белков, жиров, углеводов, витаминов и минералов. Она представляет собой сложную смесь мутагенов и канцерогенов различной природы: микотоксинов, нитрозосоединений, растительных алкалоидов, гетероциклических аминов, флавоноидов, отдельных ароматических углеводородов и т.д..

Пищевое сырье может быть загрязнено мутагенами при длительном хранении или мутагены такие как полициклические ароматические углеводороды, гетероциклические амины могут образовываться при термической обработке пищи.

Микробиологическими методами показана мутагенная активность бренди, некоторых ликеров, кофе, некоторых видов быстрой пищи ( гамбургеры, хот-доги), пищевых добавок ( консервантов, красителей, ароматизаторов, подсластителей, загустителей и др.), (всего насчитывается около 2500). В процессе метаболизма пищевых добавок образуются промежуточные продукты, которые могут обладать тератогенными и канцерогенными свойствами, вплоть до повреждения молекул ДНК.

Мутагенной активностью обладают более 50% пестицидов (например, фосфорорганические, хлорорганические инсектициды и др.). У сельскохозяйственных рабочих, имеющих профессиональный контакт с пестицидами, значительно увеличивается уровень хромосомных аберраций и число микроядер в лимфоцитах периферической крови. Мутагенным эффектом обладают препараты, используемые для стимуляции роста и лечения животных.

Негативное влияние на генетические структуры оказывает курение. В состав табачного дыма входят около 400 химических веществ, из которых около 50 (полициклические углеводороды, табачные смолы, нитрозамины и др) обладают генотоксическим и канцерогенным эффектами. У курящих лиц существенно повышен уровень хромосомных аберраций.

К биологическим мутагенам относятся вирусы, простейшие, бактерии, гельминты. Вирусы - «живые» мутагены, они приносят в клетки собственную генетическую информацию, изменяя хромосомный аппарат (онкогенные вирусы, ретровирусы оспы, гриппа, коревой краснухи). Ретровирусы например вызывают лейкозы у людей, увеличивают число аутоиммунных болезней (эритематозная волчанка, аутоиммунный гломерулонефрит).

В процессе эволюции в организме выработались антимутагенные механизмы, к ним относятся: диплоидный набор хромосом, двойная спираль ДНК, вырожденный генетический код, повторы некоторых генов, механизмы репарации или коррекции молекулярных нарушений структуры ДНК.

Для борьбы против влияния мутагенов среды на наследственность человека большие перспективы открывают исследования по антимутагенам. Такое название получили соединения, нейтрализующие сам мутаген до его реакции с молекулой ДНК или снимающие повреждения с молекулы ДНК, вызванные мутагенами.

При разработке и анализе антимутагенных свойств вещества возникают три важные вопроса:

1) может ли данное вещество- протектор быть эффективным, когда его применяют до воздействия мутагенов ( т.е. может ли он стабилизировать генетические структуры);

2) эффективен ли данный протектор, когда он применяется одновременно с мутагеном;

3) сохраняет ли данный протектор эффективность , когда применяется после мутагенного воздействия, т.е. влияет ли он на репаративные процессы.

Выяснение этих вопросов играет важную роль и с теоретической и практической стороны, поскольку позволяет выбрать в каждом конкретном мутационном процессе нужный протектор.

В настоящее время известно большое количество веществ обладающих антимутагенным действием, но лишь в немногие из них обладают универсальным действием и эффективны и при воздействии радиации, при воздействии химических мутагенов.

К таким протекторам относятся: производные тиолового ряда ( цистеин, цистеамин, глутатион и др), серотонин, спермин, предшественники нуклеиновых кислот, некоторые аминокислоты (гистидин, аргинин, метионин), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин), провитамины и ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза), комплексные соединения (растительного и животного происхождения), фармакологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена).

Таким образом, в условиях возрастающего антропогенного загрязнения окружающей среды и массового контакта населения с огромным количеством ксенобиотиков особую актуальность приобретает задача охраны наследственности человека от мутагенного действия физических, химических и биологических факторов.

К концу 20-го столетия, после того, как существование гена было установлено, дальнейшее его изучение шло по 2-м направлениям:

во-первых, путём комбинирования с другими генами и изменениями внешних условий, подробно изучаются свойства гена как фактора онтогенеза, во-вторых, параллельно с этим должен ставиться вопрос о локализации гена:

· в какой хромосоме локализован ген;

· на каких расстояниях он расположен от других генов, ранее локализованных в этой хромосоме;

· в каком порядке эти гены расположены.

Такая постановка вопроса важна по следующим причинам:

· суждение о гене по его фенотипическим проявлениям не всегда надёжно;

· фенотипическое проявление различных генов может быть до неразличимости сходным;

· точная локализация гена важна и для целей генетического анализа, например, установив, что ген А локализован в такой-то хромосоме, мы получаем хорошее орудие для дальнейшего изучения прилегающих к нему остальных участков этой хромосомы. Ген А становится сигнальным и позволяет решать целый ряд дальнейших задач генетического анализа, в частности, в области сцепленного наследования, имеющего большое значение для решения многих проблем генетики человека и медицинской генетики.

Особое значение имеет решение вопроса о том, не локализован ли ген в половой хромосоме? Лишь по получении отрицательного ответа на этот вопрос, возможны исследования локализации генов аутосом.

Для человека уже определены все группы сцепления и полностью составлены генетические карты 11, 17, 19, 21 и X – хромосом. Установлена локализация многих генов, контролирующих развитие нормальных и патологических признаков. Так ген определяющий резус – принадлежность локализован в 1-ой хромосоме, ген повышенной чувствительности к палочке Коха – в 16, гены, контролирующие синтез поверхностных эритроцитарных агглютиногенов – в 9-ой хромосоме и т.д.

Изучение гибридологических и цитологических аспектов сцепления генов и кроссинговера позволяет установить один из источников комбинативной изменчивости, представляющей важнейший фактор эволюции.

Определённую роль в передаче наследственной информации играют гены цитоплазмы. Через ДНК цитоплазмы наследуется целый ряд признаков: устойчивость к антибиотикам и другим лекарственным веществам, синтез гемолизина и энтеротоксина у бактерий. У человека через гены митохондрий передаются некоторые заболевания – митохондриальные миопатии и энцефалопатии, атрофия зрительного нерва Лебера, старческое слабоумие, паркинсонизм и другие.

В настоящее время разработаны критерии, позволяющие идентифицировать тип наследования через гены цитоплазмы для ряда наследственных заболеваний человека. Это имеет большое практическое значение для уточнения диагноза, назначения адекватного лечения и определение прогноза относительно потомства.

2. Цель занятия:

Изучить особенности передачи из поколения в поколение признаков, наследование которых не подчиняется Менделевским законам. Сформировать представление о единстве наследственной системы ядра и цитоплазмы.

Студент должен знать:

· основные положения хромосомной теории Т.Моргана

· особенности наследования признаков при полном и неполном сцеплении генов

· механизм, виды и биологическое значение кроссинговера

· принципы составления генетических карт

· особенности картирования хромосом человека

· природу и виды плазмагенов, их свойства

· методы изучения цитоплазматической наследственности

· особенности наследования через цитоплазму

· виды наследования через цитоплазму

· биологическое и медицинское значение цитоплазматической наследственности

Студент должен уметь:

· решать ситуационные задачи на полное и неполное сцепление генов

· определять расстояние между генами в группе сцепления, основываясь на данных о количестве рекомбинантных форм в потомстве

· анализировать результаты реципрокных скрещиваний и идентифицировать наследование через цитоплазму.

3. Место проведения:

Кафедра медицинской биологии, генетики и экологии.

4. Время:

135 минут

5. Оснащение:

а) слайды:

- полное сцепление генов

- неполное сцепление генов

- генетические карты

- кроссинговер

- пластидная наследственность

- предетерминация цитоплазмы.

Блок информации.

Сцепление генов.

В начале 20-го века (1902-1907гг.) американским учёным У.Сеттоном и немецким эмбриологом Т.Бовери был обнаружен параллелизм в наследовании признаков и поведении хромосом клеточного ядра в процессе гаметогенеза и при оплодотворении. Это подтвердило локализацию наследственной информации в хромосомах. Установлено, что число генов значительно превышает число хромосом. Так у человека – 46 хромосом, а генов от 70 000 до 100 000. Следовательно, в каждой хромосоме локализовано большое количество генов. Гены одной хромосомы наследуются совместно (сцеплено). Экспериментальное исследование этого явления проведено американским генетиком Т.Морганом и его сотрудниками: А.Стертевантом, А.Бриджесом и Г.Мёллером в 1910-1916гг. Эти исследования подтвердили хромосомную локализацию генов и легли в основу хромосомной теории наследственности.