Основы биохимической генетики

Классификация мутаций

Особенности мутаций

1. Мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными;

2. Мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, могут быть рецессивными и доминантными;

3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными. Мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций (Ригер Р., Михаэлис А., 1967). В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции;

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

1. Геномные (полиплоидия)

А) Гаплоидия

Б)Эуплоидия

- автополиплоидия

- аллоплоидия

В)Гетероплоидия

2. Хромосомные аберации

- делеция

- дефишенси

- инверсия

- дупликация

- фрагментация

- транслокация

- транспозиция

3. Генные

- замена нуклеотидов в ДНК

- вставка или выпадение нуклеотидов в ДНК

Полиплоидия – это геномная мутация, обусловленная изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Полиплоидия чаще встречается у растений и является защитной реакцией организма (в горах больше полиплоидных растений). Полиплоиды отличаются от диплоидов плодовитостью. Гаплоиды – это организмы, которые имеют одинарный набор хромосом. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (п), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках – гаметах. Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении.

Эуплоиды (истинные полиплоиды) – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Автополиплоиды – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду (триплоиды (3 п число хромосом), тетраплоиды (4п), пентаплоиды (5п), гексаплоиды (6п) и т.д.). Автополиплоидия обуславливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным типам. У полиплоидов увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Аллополиплоиды – межвидовые полиплоиды, в кариотипе которых содержаться удвоенные наборы хромосом разных видов. Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и межродовые гибриды, как правило бесплодны.

Гетероплоиды – или анеуплоиды – это организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов может быть отсутствие разделения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. В зависимости от числа дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п-1₁₂ – моносомик, 2п-2₁₂ – нуллисомик, 2п+1₅ – трисомик, 2п+2₅ – тетрасомик. Нижний индекс указывает номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.

Полиплоидия у животных встречается крайне редко. Например, золотистый хомячок в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. У аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. Бычий гипогонадизм характеризуется трисомией по половой Х-хромосоме. Такие бычки отстают в росте и развитии, характеризуются недоразвитием вторичных половых признаков и сниженным уровнем спермопродукции вплоть до ее отсутствия.

У людей установлены и описаны следующие болезни (синдромы полиплоидии): синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. Характерна многопалость (полидактилия), пороки внутренних органов (перегородки сердца), головного мозга и высокая ранняя смертность. Синдром Дауна обусловлен трисомией по 21-1 хромосоме. Частота встречаемости 1:700-800 рождений. Характерна умственная отсталость, разболтанность суставов, пороки формы головы и лица. Моносомия по Х-хромосоме обуславливает синдром Шершевского-Тернера. Характерно бесплодие (так как у таких женщин нет яичников), недоразвитие половых признаков, низкий рост. Отмечены случаи рождения мужчин только с одной Х-хромосомой, а У-хромосома отсутствует в результате анеуплоидной мутации. В медицине этот синдром называется Клайнфелтера. Характерно недоразвитие семенников, евнухоидное телосложение. Трисомия по хромосоме 8 приводит к ряду аномалий – косоглазию, дефектам в строении ногтей, увеличению носа и ушей, умственной отсталости. Нуллисомия (полное отсутствие какой-либо хромосомы) для человека смертельно. Нуллисомия по той или иной хромосоме может привести к гибели, и связана с фенотипическими изменениями.

Огромное большинство генов организма строго локализовано, каждый ген находится в определенном месте одной из хромосом. С помощью генетических и цитологических методов для каждой хромосомы можно составить ее генную карту. Только некоторые так называемые мобильные генетические элементы («прыгающие гены») могут быть разбросаны в разных местах хромосом и способны время от времени перемещаться в другие места той же или другой хромосомы.

Рассмотрим хромосомные аберрации (перестройки).

Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. Если хромосома находится в состоянии одиночной нити (период G₁ интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации. Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити (период G₂ или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки.

Различают внутри- и межхромосомные аберрации.

Внутрихромосомные аберрации.

Делеция – выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка возникает концевая делеция – дефишенси. Когда делеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, например желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делеции вызывают гибель организма. Иллюстрацией вредного действия крупных делеций может служить хронический миелоз у человека. Это тяжелая форма белокровия, характеризующаяся безудержным размножением некоторых видов лейкоцитов, вызывается очень крупной делецией в одной из аутосом 21-й пары.

Инверсия – возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180 о. Инверсия не влияет на фенотип особи. Гетерозиготность по инверсии сильно мешает в мейозе нормальной коньюгации и образуются анеуплоидные половые клетки. У гомозиготных по инвертированной хромосоме особей коньюгация в мейозе протекает нормально. Результатом инверсии могут быть гетероплоидные потомки или бесплодие. Инверсии часто встречаются в природе. Особенно много получено данных о распространении инверсий в популяциях разных видов мух, комаров и мошек, у которых инверсии легко обнаружить в хромосомах слюнных желез, где они имеют огромные размеры и ясно выраженную структуру.

Дупликация – удвоение участка хромосомы. Характерны слабые фенотипические проявления. В эволюционном плане дупликации обогащают генотипы новыми генами (полосковидные глаза у дрозофилы при дупликации гена Bar).

Межхромосомные аберрации.

Транслокация - обмен участками между негомологичными хромосомами. У особей гетерозиготных по транслокации нарушается коньюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы (или ранняя эмбриональная смертность). Такие особи характеризуются пониженной плодовитостью или образуются гетероплоидные потомки (мутанты тутового шелкопряда, где самцы выводятся только из белых яичек и образуют более крупные коконы для шелководства).

Транспозиция (инсерция) - это вставка в какое-либо место хромосомы мобильного генетического элемента (мгэ), перенесенного туда из другого места той же или другой хромосомы. В геноме организма может присутствовать несколько разных мгэ в сумме они могут составлять 10-15 % генома. Мутации, вызываемые транспозицией, иногда нестойки (ревертируемы). Для бактерий показано, что транспозиции мгэ могут происходить между близкими видами, а также между бактериальной хромосомой и геномом заразившего ее вируса (фага).

Фрагментация – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно. Обуславливает возникновение летальных мутантов.

Генные, или толчковые мутации – это изменение структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы (или стойкие изменения отдельных генов). У любого организма генные мутации приводят к чрезвычайно разнообразным изменениям всевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков. У бактерий генные мутации изменяют цвет и форму колоний, подвижность клеток, темп их деления, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к высокой температуре, лекарственным веществам, восприимчивость к заражению фагами, способность расти на неполноценной питательной среде, токсичность и т.д. У дрозофилы в результате генных мутаций изменяются цвет, размер и строение глаз, размер, форма и жилкование крыльев, строение брюшка, груди, ног и усиков, число, толщина и форма щетинок, плодовитость, продолжительность жизни, быстрота выработки условных рефлексов. Картина генных мутаций в общих чертах универсальна для всех живых существ.

Генные мутации могут быть доминантными, рецессивными или полудоминантными. Примером может служить доминантная мутация у дрозофилы, вызывающая развитие щетинок на жилках крыльев мухи. Различный характер редукции щетинок на теле дрозофилы вызывали множественные аллели гена scut – sc₁,sc₂,sc₃. Впервые множественный аллелизм был установлен в 1930 г. А.С.Серебровским, Н.П.Дубининым и Б.П.Сидоровым у дрозофилы. Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же локуса (гена), обусловленное толчковыми мутациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате толчковой мутации, называют множественными аллелями. Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина – белка, необходимого для образования сложных молекул гемоглобина крови. Известно 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множественных аллелей. В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое наследственное заболевание – серповидно-клеточную анемию.

Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация. Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолетовыми лучами. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии четырех типов ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК (эндонуклеаза-обследует, эндонуклеаза-расширяет участок ДНК, ДНК-полимераза - синтезирует, лигаза – скрепляет синтезированные ДНК).

Генетические различия в активности репарирующих ДНК-ферментов представляет одну из главных причин разной устойчивости организмов к действию мутагенов, в частности ионизирующей радиации и ультрафиолетовых лучей. Подобные различия существуют не только между генотипически неодинаковыми особями в пределах вида, но и между равными видами. Так, у человека известна врожденная болезнь, называемая пигментной ксеродермией. Кожа таких людей ненормально чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментными пятнами, изъязвляется, а иногда процесс приобретает злокачественный характер (рак кожи). Пигментная ксеродермия вызывается мутацией, инактивирующей ген, ответственный за синтез фермента, репарирующего повреждения ДНК кожных клеток ультрафиолетовой частью солнечных лучей.

Знание разных типов мутаций и причин их возникновения необходимо для практической селекции микроорганизмов, возделываемых растений и домашних животных, а также для ветеринарной медицины и медицины с целью диагностики, предупреждения и изыскания способов лечения болезней животных и человека.

Наиболее разительны успехи в селекции бактерий и грибов – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 – повысилась в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Искусственное вызывание мутаций используется и экономически оправданно в селекции растений. Пшеница, рожь, кукурузу, ячмень и другие культуры превосходят исходные формы по урожайности, содержанию белка, скороспелости, устойчивости к полеганию, к разным болезням. Советским генетиком Струнниковым В.А. разработан пригодный для практического шелководства и широко теперь внедренный способ получения у тутового шелкопряда только мужского потомства. Коконы самцов содержат на 25-30% больше шелка, чем коконы самок.

Лекция 7

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.

В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.

В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.

Колинеарность генетического кода

Нуклеотиды ДНК	ААА	ГГА	АТА	ТТТ	ЦАА	ТТА	ТГА
Кодоны мРНК	УУУ	ЦЦУ	УАУ	ААА	ГУУ	ААУ	АЦУ
Антикодоны ТРНК	ААА	ГГА	АУА	УУУ	ЦАА	УУА	УГА
Аминокислоты в полипеп. цепи	Фенилала-нин	Про Лин	Тиро-зин	Лизин	Валин	Аспа рагин	Трео нин