Лекция 8-9. Изменчивость генетического материала

Изменчивость представляет собой результат реакции генотипа в процессе индивидуального развития организма (онтогенеза) на условия внешней среды.

Изменчивость является одним из главных факторов эволюции. Она служит источником естественного и искусственного отбора.

Различают наследственную и ненаследственную изменчивость. К наследственной изменчивости относятся такие изменения признаков, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Наследственная изменчивость возникает в результате мутаций (мутационная изменчивость) или в результате рекомбинации генетического материала двух особей, например, родителей (комбинативная изменчивость).

Комбинативная изменчивость представляет собой результат перекомбинации генов и перекомбинации хромосом, несущих различные аллели, и выражается в появлении разнообразия организмов – потомков, получивших новые комбинации генов, уже существовавших у родительских форм.

У эукариотических организмов комбинативная изменчивость возникает за счет перекомбинации генетического материала родителей при половом размножении. Рекомбинация генов осуществляется различными способами. Этот процесс может быть связан с перераспределением целых хромосом. Такой механизм в соответствии с третьим законом Менделя обеспечивает независимое наследование несцепленных генов и признаков. Чаще всего рекомбинацию в узком смысле слова связывают с кроссинговером, то есть с перекомбинацией генов, локализованных в гомологичных хромосомах.

У бактерий найдено три механизма объединения и рекомбинации генетического материала: трансформация, конъюгация и трансдукция.

К ненаследственной изменчивости относят изменения признаков организма, не сохраняющиеся при половом размножении. Это так называемая модификационная изменчивость - свойство организмов менять свой фенотип в зависимости от условий среды при сохранении стабильности генотипа. Модификационные изменения имеют массовый приспособительный характер и исчезают при изменении условий. Они не представляют интереса для эволюции, поскольку не наследуются. Пределы, в рамках которых организм способен реагировать на условия окружающей среды, называются нормой реакции. Широкая норма реакции обеспечивает хорошую адаптационную способность организма. Норма реакции определяется генотипом особи.

Эпигенетическая изменчивость связана с изменением экспрессии генов без изменения их структуры. Набор работающих генов меняется в процессе индивидуального развития и в ответ на внешние воздействия. Эти изменения могут быть как ненаследуемыми, так и сохраняться на протяжении нескольких поколений.

Мутационная изменчивость.

Термин «мутация» был предложен в начале XX века Г. Де Фризом. В результате многолетних исследований растения энотеры он обнаружил ряд форм, которые отличались от основной массы, причем эти отличия сохранялись из года в год. Обобщив свои наблюдения, Де Фриз сформулировал мутационную теорию: «мутация – это явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака».

Основные положения мутационной теории.

1. Мутации возникают внезапно как дискретные изменения признаков.
2. Новые формы устойчивы.
3. В отличие от модификаций мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они представляют собой качественные изменения.
4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными.
5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.
6. Сходные мутации могут возникать неоднократно.

В дальнейшем все положения этой теории, кроме пункта 3, подтвердились.

В современном понимании мутации это наследуемые изменения генетического материала.

Существует несколько типов классификации мутаций

1. По характеру изменения генома: геномные, хромосомные, генные.
2. По проявлению в гетерозиготе: доминантные рецессивные.
3. По уклонению от нормы (дикого типа): прямые, обратные.
4. В зависимости от причин, вызвавших мутацию: спонтанные, индуцированные.
5. По локализации в клетке: ядерные, митохондриальные, хлоропластные.
6. По отношению к возможности наследования: генеративные, соматические.

К геномным мутациям относят изменения числа хромосом. Минимальный набор хромосом, когда каждая хромосома представлена одной копией, называется гаплоидным. Гаплоидными являются гаметы. Гаплоидный набор хромосом обозначается буквой n. В соматических клетках обычно присутствует диплоидный набор хромосом, содержащий двойной по сравнению с гаплоидным набор хромосом (2 n). В жизненных циклах эукариот встречаются случаи сверхнормального умножения числа хромосом. Если такие изменения пропорциональны (кратны) гаплоидному набору, то говорят о полиплоидизации. Если изменяется число экземпляров только одной или нескольких хромосом набора, то говорят об анеуплоидии.

Полиплоидия широко и неравномерно распределена в природе. Известны полиплоидные грибы и водоосли, часто встречаются полиплоиды среди цветковых растений. Макронуклеусы инфузорий в высокой степени полиплоидны (более 100 n).

Автополиплоидия – повторение в клетке одного и того же хромосомного набора. Один из путей возникновения полиплоидов - образование нередуцированных гамет. Удвоение числа хромосом может быть результатом эндоредупликации генетического материала: клетки, находившиеся в исходном растении в G2 фазе, вместо митоза повторно вступают в S фазу. Затем такие клетки с удвоенным числом хромосом делятся и дают начало полиплоидным клонам. Другой причиной появления полиплоидных клеток является эндомитоз – процесс нерасхождения хромосом в анафазе из-за нарушения функции веретена деления. Для искусственного получения полиплоидов применяют агенты, блокирующие расхождение удвоившихся хромосом, например, колхицин, вырабатываемый растением безвременником, винбластин, получаемый из другого растения – барвинка, камфора.

Аллополиплоиды – организмы, содержащие наборы хромосом двух или нескольких видов, полученные в результате гибридизации и полиплоидизации. Природными аллополиплоидами являются некоторые виды растений, например, геном мягкой пшеницы включает два генома родственных диплоидных пшениц и геном эгилопса. Примером искусственного аллополиплоида является гибрид редьки и капусты, полученный в 1927 г. Г.Д.Карпеченко.

Полиплоидия часто ведет к появлению более мощных и продуктивных организмов. Однако фертильность полиплоидов понижена из-за неправильной конъюгации хромосом в мейозе и неравномерного расхождения хромосом по гаметам, триплоиды не дают потомства

Хромосомные мутации связаны с перестройками хромосом – аберрациями. Выделяют аберрации внутрихромосомные (вовлечены участки одной хромосомы) и межхромосомные (вовлечены участки разных негомологичных хромосом).

Внутрихромосомные перестройки:

Дефишенси – концевые нехватки;

Делеции – выпадение частей хромосомы, не затрагивающее теломеру;

Дупликации – удвоение (умножение) части хромосомы;

Инверсии – изменения чередования генов в хромосоме в результате поворота участка хромосомы на 180 градусов.

Межхромосомные перестройки - транслокации – перемещения части одной хромосомы на другую, не гомологичную ей.

Особое положение занимают транспозиции, или инсерции – изменения локализации небольших участков генетического материала, включающих один или несколько генов. Транспозиции могут происходить как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Поэтому транспозиции занимают промежуточное положение между внутрихромосомными и межхромосомными перестройками.

Генные (точковые) мутации это изменения последовательности нуклеотидов в ДНК. Точковые мутации подразделяются на следующие группы:

а) транзиции – замена пурина на пурин; пиримидина на пиримидин;

б) трансверсии – замена пиридина на пурин и обратно;

в) вставка лишней пары нуклеотидов;

г) выпадение пары нуклеотидов.

Основная причина возникновения мутаций – «ошибки трех Р»: репликации, репарации и рекомбинации. Такие ошибки происходят при нарушении регуляции этих трех процессов. Показана положительная корреляция между частотой мутаций и дефектами ДНК полимераз и других ферментов репликации и репарации.

Основания ДНК могут существовать в нескольких таутомерных формах. Если аденин находится в обычной аминной форме, он спаривается с тимином. Будучи в редкой иминной форме, аденин образует пары с цитозином. Этот таутомерный переход аденина при последующей репликации может привести к транзиции АТ—ГЦ. Редкий енольный таутомер тимина способен образовывать пару с гуанином, а это также приведет к замене пары нуклеотидов. Все транзиции и трансверсии можно объяснить некоторой неоднозначностью соответствия между нуклеотидами в комплементарных цепях ДНК.

Частота спонтанных, то есть возникших без воздействия внешних факторов мутаций варьирует от 10^-4 до 10^-10. Например, мутации устойчивости к стрептомицину у кишечной палочки наблюдаются с частотой 4 ^. 10^-10, а появление белых глаз у дрозофилы – 4^.10^-5. У различных микроорганизмов – бактерий, бактериофагов, грибов – общая частота спонтанного мутирования в пересчете на репликацию генома приблизительно одинакова – около 1%. Одновременно может мутировать несколько (много) генов.

В 1925-1927 гг. было открыто мутагенное действие рентгеновских лучей. В 30-е годы ХХ века обнаружили мутагенный эффект ряда химических веществ. К физическим мутагенам относятся кроме рентгеновского ультрафиолетовое и гамма- излучение, быстрые нейтроны. Химические мутагены очень разнообразны по химической структуре и механизму действия. Например, азотистая кислота вызывает дезаминирование оснований нуклеиновых кислот, а алкилирующие супермутагены – присоединение к ним метильной или этильной групп. Это приводит к неправильному спариванию. Акридиновые соединения способствуют появлению вставок нуклеотидов.

В геномах многих организмов обнаружены особо подвижные мигрирующие генетические элементы. Впервые их обнаружила американская исследовательница Б.Мак Клинток в 1940 г. Изучая мутацию окраски зерновок у кукурузы, она нашла нестабильную мутацию, которая ревертировала к дикому типу с повышенной частотой. Нестабильные мутации часто сопровождались хромосомными нарушениями. Гены, вызывающие разрывы хромосом, были названы мобильными элементами, поскольку могли перемещаться с одного участка хромосомы на другой. Эти элементы характеризуются следующими свойствами:

1. они могут перемещаться из одного сайта в другой;
2. их встраивание в данный район влияет на активность генов, расположенных рядом;
3. утрата МЭ в данном локусе превращает прежде мутабильный локус в стабильный;
4. в сайтах, в которых присутствуют МЭ, могут возникать хромосомные аберрации и разрывы хромосом.

Геном кукурузы содержит несколько семейств мобильных элементов. Члены каждого семейства могут быть подразделены на два класса:

- автономные элементы, которые способны вырезаться и транспозироваться. Их внедрение ведет к появлению нестабильных аллелей.

- неавтономные элементы, которые могут быть активированы к танспозициям только определенными автономными элементами (членами того же семейства).

У кукурузы лучше всего изучены семейства Ac-Ds (активатор-диссоциатор), Spm (супрессор-мутатор) и Dt. Ac-элемент имеет длину 4563 пн, на концах у него инвертированные повторы. Он кодирует фермент транспозазу, обеспечивающий перемещение Ac и Ds. Элементы Ds возникают в результате делеций внутренних участков гена Ac.

В настоящее время мобильные элементы открыты у множества видов растений, животных и микроорганизмов. У E.coli были найдены IS-элементы (insertion sequences – вставные последовательности). Они характеризуются следующими характерными особенностями:

1) на концах IS-элементы несут инвертированные (повернутые на 180 градусов относительно друг друга) повторы от нескольких пар до нескольких десятков пар нуклеотидов.

2) большинство IS-элементов содержит ген транспозазы, контролирующий синтез фермента, ответственного за их перемещение.

3) в точке внедрения каждого IS-элемента, на его флангах всегда обнаруживается дупликация в прямой ориентации длиной 4-9 пар нуклеотидов.

Обычно хромосома E.coli содержит несколько IS-элементов.

В дальнейшем у бактерий были обнаружены более сложные МЭ – транспозоны, которые отличаются от IS-элементов тем, что в них включены некоторые гены, не имеющие отношения к самому процессу транспозиции, например, гена устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и другим ингибиторам. Транспозоны обычно фланкированы длинными прямыми или инвертированными повторами, в роли которых часто выступают IS-элементы.

Сходно устроены и МЭ эукариот, например, Ty 1 дрожжей, множественные диспергированные гены дрозофилы.

По механизмам транспозиции МЭ делятся на два класса. Элементы первого класса перемещаются, используя обратную транскриптазу, то есть на РНК-матрице мобильного элемента синтезируется ДНК. Обратная транскриптаза (ревертаза) не только ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити ДНК, а ЗНК матрица распадается и удаляется. Двунитевая ДНК синтезируется в цитоплазме, а затем перемещается в ядро и может встроиться в геном. Такие мобильные элементы называются ретротранспозонами. Ретротранпозоны составляют более 2% генома у дрозофилы и до 40% у растений. Элементы второго класса перемещаются непосредственно как ДНКовые элементы и называются транспозонами. Все они имеют короткие инвертированные повторы на концах.

Функциональное значение мобильных элементов.

1. Перемещения и внедрение МЭ в гены может вызвать мутации. Около 80% спонтанных мутаций в разных локусах дрозофилы вызвано инсерциями МЭ. Внедряясь в ген, МЭ может повредить экзон, разорвав его. В таком случае ген перестанет кодировать белок. Попадая в район протоморов или энхансеров, мобильный элемент может повредить регуляторную зону гена, изменить его экспрессию. Инсерция в район интрона может оказаться безвредной.

2. Может измениться состояние активности гена. Длинные концевые повторы ретротранспозонов и сами ретротранспозоны содержат нуклеотидные последовательности, являющиеся энхансерами транскрипции. Поэтому перемещение этих сигналов в геноме может изменить регуляцию активности генов.

3. В результате кроссинговера между одинаково ориентированными элементами возникает дупликация и делеция материала, расположенного между инсерциями. Если МЭ ориентированы в противоположных направлениях, возникает инверсия.

В последние десятилетия произошел огромный прогресс в изучении эпигенетической изменчивости, под которой понимают разнообразные наследуемые, хотя, возможно, и обратимые изменения экспрессии генов, не связанные с нарушением структуры генетического материала. Сейчас очевидно, что эпигенетические факторы играют значительную роль в онтогенетической дифференцировке, и нарушение этой системы ассоциировано со многими патологическими состояниями. Регуляция работы многих генов осуществляется путем ДНК-белковых взаимодействий. Это относится, в частности, к контролю экспрессии генов транскрипционными факторами, обратной регуляции работы гена его продуктом или продуктами других генов при достижении ими определенных концентраций. Если под влиянием каких-то внешних воздействий произойдут изменения в подобных белках-регуляторах, их последствия будут выражаться в виде нарушения экспрессии определенных генов.

Эпигенетические изменения могут наследоваться не только на клеточном уровне, но и на уровне целого организма. На экспрессию генов влияет характер гетерохроматинизации хромосом, который зависит не только от эндогенных, но и от экзогенных факторов. Это феномен впервые был изучен А. А. Прокофьевой-Бельговской, которая в материалах своей докторской диссертации убедительно показала, что «развитие признака в организме не определяется только наличием на участке хромосомы определенного гена, а контролируется еще состоянием данного участка, обнаруживаемого на микроскопическом уровне, то есть находится ли этот участок хромосомы в интерфазе в деконденсированном состоянии или он конденсирован». Активность многих белков определяется их посттрансляционными модификациями – фосфорилированием, ацетилированием, метилированием. В частности, подобные модификации, касающиеся гистоновых белков или белков, участвующих в регуляции работы генов, могут существенно влиять на их транскрипцию. Важную роль в регуляции экспрессии генов играют пространственные взаимоотношения между генами и соответствующими регуляторными комплексами. Все эти особенности работы генов определяют хорошо известное генетикам явление, получившее название «эффект положения» - то есть разный характер фенотипического проявления гена в зависимости от его локализации в специфических районах генома. Список явлений, которые могут быть объяснены с позиций эпигенетической изменчивости, может быть продолжен.

Одним из наиболее хорошо изученных эпигенетических механизмов является метилирование ДНК, проходящее, чаще всего, по 5-му углероду цитозина. Эта модификация ДНК играет значительную роль в регуляции экспрессии генов эукариот. 5’-нетранслируемые области генов содержат последовательности, обогащенные CpG-парами, так называемые CpG-островки. Во многих случаях инактивация гена достигается за счет метилирования этих последовательностей, причем такое состояние может стабильно поддерживаться в течение многих поколений клеток. Метильные группы нарушают взаимодействия между ДНК и белками, препятствуя тем самым связыванию транскрипционных факторов. Кроме того, метилированные районы ДНК могут взаимодействовать с репрессорами транскрипции.