Типы мутации кариотипа эукариот

Хотя мы и говорим о законе постоянства числа и формы хромосом в наборе клетки для каждого вида организмов, од­нако следует отметить, что это постоянство относительно. Клетки разных тканей даже одного организма в зависимо­сти от выполняемой функции могут содержать разное число хромосом. Так, например, в клетках печени животных бывает большее, чем два, число наборов хромосом (т. е. 4n, 8n).

Некоторые виды растений могут быть представлены фор­мами, отличающимися числом хромосом, кратным гаплоидному. Так, рожь (Secale cereale) может иметь 2n (14 хромосом) или 4n (28 хромосом). При этом все видовые признаки у обеих форм ржи сохраняются. Такое явление - увеличение числа хромосом в организмах одного биологического вида сверх диплоидного числа (2n), кратно гаплоидному числу хромосом: 3n, 4n и т. д. называется полиплоидией. Полиплоидия была открыта Э. Страстбургером (Германия) в 1910 году. Полиплоидия регулярно встречается у растений и редко у животных (только у холоднокровных).

Различают автополиплоидию (удвоение собственного набора хромосом) и аллополиплоидию — соединение в одном биологическом виде диплоидных хромосомных наборов двух видов-предшественников. Существует также анеуплоидия — некратное изменение числа хромосом: потеря или добавление в хромосомном наборе отдельных хромосом. Все типы изменения числа хромосом объединяются понятием геномные перестройки.

Помимо них существуют и играют важную роль в наследственности хромосомные перестройки. Различают следующие типы структурных изменений хромосом: транслокация - обмен участками в пределах одной хромосомы или между разными хромосомами; инверсия - перевертывание участков хромосом на 180°; дупликация - удвоение участков хромосом, инсерция - вставка в каком-либо участке нуклеотидной последовательности, делеция - потеря отдельных участков и дефишенси – выпадение концевого участка хромосом. В некоторых случаях хромосомные перестройки могут приводить к изменению числа хромосом или хромосомных плеч. Такие типы перестроек хромосом, центрические слияния и разделения, названы по имени цитогенетика К. Робертсона (Великобритания), который в 1916 году впервые их описал. Их называют робертсоновскими транслокациями.

Хромосомные аберрации обозначаются дополнительными символами: делеция обозначается del, инверсия -inv, дупликация - dup, транслокация - t, инсерция – ins, r – кольцевая хромосома.

У многих животных хромосомный аппарат изучен детально, однако, у рыб изучение цитологического строения хромосом отстаёт от других видов животных. Основная причина отставания в изучении кариотипов рыб заключается в том, что исследователи ещё не освоили многообразия форм этого класса и до настоящего времени ещё описываются десятки новых видов рыб ежегодно. По данным разных авторов, описано свыше 20 000 видов рыб, что превышает общее количество видов пресмыкающихся, земноводных, птиц и млекопитающих, вместе взятых. При этом, каждый вид несёт свой генетический материал, то есть характерный только ему набор генов и, следовательно, обладают своим уникальным кариотипом.

Невысокая степень изученности кариотипов рыб связана также с особенностями их среды обитания, недоступностью глубоководной ихтиофауны для экспериментальных исследований в широком смысле слова.

Многочисленность рыб с одной стороны усложняет изучение генетической структуры этого класса, а с другой - обеспечивает эволюционную лабильность этой группы. В настоящее время считается, что рыбы являются бурно развивающейся группой и отдельные этапы генетических изменений, например, у лососевых, прослеживаются в течение нескольких десятилетий.

В целом, рыбы отличаются большим разнообразием кариотипов. Диплоидное число хромосом варьирует у разных видов от 12 до 250.

Хромосомы удобнее всего звучать на стадиях метафазы и анафазы митоза. Для этой цели у рыб берутся кусочки половых желез, мазки крови, в которых необходимо найти делящиеся лимфоциты. Наиболее полные исследования хромосом проведены на семействах карповых и лососевых рыб, а также на американских семействах ушастых окуней и зубастых карпов.

Кариотип белуги, где встречаются все типы хромосом, представлен на (Рис. 12).

2n = 116±3 NF = (180 ±4) ±3

Рисунок 12. Хромосомный комплекс белуги, 1-30 пары хромосом.

Кариотип радужной форели представлен на рис. 13. Плечи хромосом соединены центромерой, участком, к которому прикрепляются нити веретена. В метафазе хромосома состоит из двух внешне одинаковых частей хроматид, а каждая хроматида состоит из 2-х тонких -нитей хромонем, которая деспирализуются после деления.

Рисунок 13. Метафазная пластинка (а) и кариотип (б) радужной форели (2n=60) (Уено, Миллер, 1971)

Число хромосом в кариотипах некоторых видов рыб представлены ниже:

Карповые:

- Серебряный карась 2n = 100

- Карп обыкновенный 2n = 100

- Карасекарп 2n = 100

- Возвратные гибриды 3n = 150

Осетровые:

- Осетр русский (многохромосомный вид – тетраплоиды) 2n = 247 ± 6

- Сибирский осетр (многохромосомный вид – тетраплоид) 2n = 238 ± 7, NF = (308 ±4) ±8

- Стерлядь (малохромосомный вид) 2n = 118 ± 3, NF = (176 ± 4)± 3

- Белуга (малохромосомный вид) 2n = 116±3 NF = (180 ±4) ±3

Гибриды:

- Бестер Бурцевский 2n = 117±3 NF = (174 ±7) ±3

(бестер товарный- 5-8 кг, 58 - метацентрических,

производство икры) 6 – акроцентрических, 54 ± 3 микрохромосомы

Кариотип бестера Бурцевского – базовая

цитогенетическая характеристика родительских видов: белуги и стерляди

- Бестер Аксайский 2n = 117±7 NF = 174 -175

(бестер стерляжий – 2-5 кг)

- Бестер Внировский2n = 117±1 NF = 176 -177

(бестер белужий – 15-30 кг)

Как уже отмечалось, диплоидное число хромосом у рыб сильно варьирует, но характер распределения по этому признаку показывает, что около 70 % видов имеют 42-50 хромосом (рис. 14).

Рис. 14. Распределение рыб по числу хромосом (Кирпичникова, 1987)

Считается, что именно такие значения диплоидных чисел были характерны для предков современных рыб. В процессе эволюции наблюдались существенные преобразования кариотипов, которые приводили или к уменьшению, или к значительному увеличению числа хромосом. Наблюдаемую в настоящее время большую изменчивость по кариотипам объясняют тем, что рыбы представляют собой древнюю, очень гетерогенную группу животных, эволюция которой длится несколько сотен миллионов лет.

Рассмотрим более подробно механизмы мутаций, ведущих к изменению кариотипа у рыб.

У рыб, как и у других организмов, возможны различные типы мутаций. Генные, или точечные, му­тации изменяют строение гена. Это может быть замена на опреде­ленном участке гена одного из нуклеотидов другим (например, гуанинового на тиминовый) в результате ошибки в момент реплика­ции, выпадение одного или нескольких нуклеотидов из длинной цепочки ДНК или, наоборот, вставка нуклеотидов (и то и другое возможно при случайных разрывах цепи). Если при одном из таких изменений в середине гена образуется триплет (три нуклеотида) из числа бессмысленных кодонов, то на этом месте обрывается синтез белка и синтезируемая белковая молекула окажется укороченной, неспособной к нормальному функционированию. В остальных слу­чаях меняется только порядок аминокислот в белке. Замена всего одной или двух аминокислот может оказаться по своим послед­ствиям не очень существенной для жизнедеятельности особи, и му­тация может сохраниться в популяции или даже может быть под­хвачена отбором.

Данных о спонтанной частоте генных мутаций у рыб изучены не достаточно. Очевидно, она невелика: так, у карпа при просмотре 260 000 особей не удалось найти ни одной мутации генов чешуйного покрова (Цой и др., 1974б). Даже если принять, что в этом стаде возникла одна (незамеченная) мутация, частота мутирования составила бы всего 4 х 10^-6. Мы можем судить о наличии мутационного процесса у рыб в природе только по косвенным наблюдениям. Об этом говорит наличие большой генетической изменчивости по морфологическим и физиологическим признакам в природных популяциях рыб.

Хромосомные перестройки составляют вторую большую группу мутаций. Как уже отмечалось, к их числу относятся транслокации, инверсии, дупликации и нехватки.

Транслокации, по-видимому, происходят достаточно часто, так даже близкие виды рыб отличаются по структуре кариотипа и эти отличия во многих случаях являются результатом эволюционного закрепления транслокаций. Вполне жизнеспособны индивиды с реципрокными транслокациями - взаимным обменом участками хромосом без потери или добавления генетического материала (рис. 15, а-в). Взаимные хромосомные транслокации имеют большое эволюционное значение и могут сопровождаться (хотя и не всегда) уменьшением или увеличением числа плеч. Иногда выживают и особи с добавочными участками хромосом.

Рис. 15. Хромосомные перестройки (транслокации и инверсии) у рыб (схема): а - межхромосомная транслокация без изменения числа плеч; б - то же с уменьшением числа плеч; в - то же с увеличением числа плеч; г - центрическое слияние (fusion) робертсоновского типа с уменьшением числа хромосом; д - центрическое разделение (fission) с увеличением числа хромосом; е - неразличимая парацентрическая инверсия; ж - перицентрическая инверсия с уменьшением числа плеч; з - то же с увеличением числа плеч; и - неразличимая перицентрическая инверсия.

Еще более важны и, очевидно, довольно часты так называемые робертсоновские транслокации, или центрические слияния. Разрыв одной акроцентрической хромосомы происходит около центромеры, к месту разрыва присоединяется целая (или почти целая) другая хромосома, также акроцентрическая. Один или два незначительных околоцентромерных участка хромосом (с одной из центромер) теряются, и в результате две акроцентрические хромосомы превращаются в одну метацентрическую. Число плеч при этом остается неизменным (рис. 15, г). Реже происходит обратный процесс - центрическое разделение (рис. 15, д), для его осуществления нужна лишняя центромера. По недавним сообщениям, возможно и прямое деление центромеры на две дочерние (Imai, 1978).

Инверсии (рис. 15, е-и) могут быть отнесены к двум основным типам. Парацентрические инверсии, не захватывающие центральный участок, обнаружить трудно. Они возникают, вероятно, у рыб достаточно часто, но установить их наличие можно только при анализе наследования сцепленных генов. Перицентрические инверсии, включающие центромеру, широко распространены. Если два разрыва произошли в хромосомных плечах на равном расстоянии от центромеры, инверсию (без анализа маркерных генов) найти невозможно. При асимметричном расположении разрывов соотношение или даже число плеч в хромосомах изменяется.

Дупликации хромосомных участков у рыб безусловно происходят, хотя, вероятно, не часто. Наличие дуплицированных генов установлено чисто генетическими методами: под микроскопом дупликации заметить невозможно. Наиболее вероятным механиз­мом дупликации является неравный кроссинговер - обмен час­тями неточно конъюгировавших хромосом. Многие исследователи придают дупликациям особенно большое значение в эволюции рыб.

Нехватки, несомненно, также наблю­даются - и, вероятно, чаще, чем дупликации, - но подавляющее большинство нехваток резко снижает жизнеспособность их носи­телей и благодаря этому особи, несущие такие нехватки, быстро выбрасываются из популяций.

Спонтанная частота возникновения хромосомных перестроек у рыб неизвестна.

Третью группу мутаций составляют изменения плоидности - появление у нормально диплоидных видов рыб (2n) особей с уменьшенным вдвое (гаплоидным) кариотипом (n) или, наоборот, с увеличенными наборами - триплоидным (3n), тетраплоидным (4n) и другими, а также с увеличенным или уменьшенным числом отдельных хромосом (анэуплоидия).

Гаплоиды у рыб нежизнеспособны. При стимуляции развития яйцеклеток спермиями с предварительно разрушенным ядром почти все начавшие развиваться зародыши оказываются гаплоид­ными, развитие сопровождается уродствами и заканчивается гибелью эмбрионов в конце эмбриогенеза.

Чаще всего появляются триплоиды. По-видимому, у всех рыб с довольно большой частотой образуются диплоидные гаметы. Основной причиной их появления у самок служит слияние ядер яйцеклетки и второго направительного тельца; редукции числа материнских хромосом в этом случае не происходит. Слияние такой яйцеклетки с нормальным спермием (а также проникновение в нормальную яйцеклетку диплоидного спермия или двух спермиев одновременно - полиспермия) приводит к возникновению триплоидов. Они могут быть вполне жизнеспособными; так, триплоидами являются некоторые разновидности серебряного карася Carassius auratus gibelio (рис. 16) и отдельные расы живородящих рыбок Poeciliopsis и Poecilia.

Рис. 16. Триплоидия у серебряного карася Carassius auratus gibelio (no: Kobayashi et al., 1970). A - диплоидный набор хромосом (2n=100); Б - триплоидный набор (2n = 156).

Триплоидные особи найдены у радужной форели, у калифорнийской карповой рыбы Hesperoleucus symmetricus и у щиповок Cobitis taenia. Пониженная плодовитость триплоидов у двуполых рыб (связанная с неправильным распределением хромосом в мейозе), а иногда и полное их бесплодие являются, очевидно, причиной их отсутствия в популяциях большинства видов. Триплоиды нередко появля­ются при отдаленной гибридизации рыб. Тетраплоиды, вероятно, изредка также появляются в результате слияния диплоидных гамет, но о частоте их возникновения в природе никаких сведений нет.

Возможность анэуплоидии у рыб еще недавно ставилась под сомнение. Обнаружение особи с 85 хромосомами у гольца (2n =84), в том числе с тремя хромосомами, несущими маркерный ген Ldh-В2, позволяет предположить, трисомики могут в отдельных случаях выживать, во всяком случае у рыб, прошедших в прошлом через полиплоидизацию генома (лососевые, чукучановые и др.).

Ключевые слова и понятия:

А- и В-хромосомы, аутосомы, гоносомы, тельца Барра, кариотип;

Диплоидное и гаплоидное число хромосом, хроматиды, хромонемы, центромера, спутничные хромосомы, плечо хромосомы, теломера;

Метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, телоцентрические хромосомы;

Гомологичные хромосомы, гемилогичные хромосомы;

Полиплоидия, автополиплоидия, аллоплоидия, анеуплоидия, вторичная диплоидизация;

Политения, политенные хромосомы;

Хромосомы «типа ламповых щеток»;