Получение мутаций

- химические мутагены (радиация)

- мобильные элементы

- инсерции векторных молекул в геном при трансформации (трансгенные технологии)

В.В. Сахаров 1932 г – открытие химических мутагенов.

1946 г – открытие супермутагенов (этиленимин) мутагенез позволяет получать широкий спектр изменений у хозяйственно-ценных и декоративных культур

Более тонкие методы внесения изменений в гены (мутаций) – генный нокаут - внесение направленных изменений в нуклеотидную последовательностьнужного гена (Марио Капекки, Оливер Смитис, Мартин Эванс).

"Генный нокаут" выключение определенного гена путем целенаправленного внесения изменений в его нуклеотидную последовательность. «Генный нокаут» использует рекомбинацию ДНК в стволовых клетках.

Метод генного нокаута:

1.Нужно получить измененную (неработающую) форму гена, который изучается

2.Ввести ее вместо нормального (работающего) гена в стволовую клетку

3. Получить клон таких клеток с измененным геном

4.Получить из них многоклеточные организмы

3. Гомеозисные гены

Они определяют процессы роста и дифференцировки организма у растений и животных, мутации в них приводят к превращению одних органов в другие. Гомеозисные гены животных содержат участок-гомеобокс- почти одинаковый у всех видов. Их называют Hox («хокс») – гены, т.к. это гомеобокс - содержащие гены. Это древние гены, появившиеся >1000 млн лет назад. Консервативные гомеозисные гены животных размечают разные участки тела в эмбриогенезе разных видов животных. Они расположены на одной или нескольких хромосомах тесными группами (до 45 у млекопитающих). Их функция состоит во «включении» и «выключении» других генов. Линейный порядок генов внутри кластера соответствует времени и месту работы гена в ходе эмбрионального развития. Нох-гены найдены у всех исследованных организмов (в геномах губок, гидры, пиявок, нематод, амфибий, рыб, млекопитающих).

Пример 1. Ген Hox c-6 контролирует образование грудного отдела позвоночника. У курицы ген Hoxc-6 отвечает за образование 7 грудных позвонков, образующих ребра. У змеи домен его экспрессии начинается от головы и простирается до клоаки → тело змеи = сплошная грудь. Вывод: Hox-гены действительно детерминируют разные отделы тела эмбриона вдоль переднее-задней оси. НОХ-гены включаются в онтогенезе несколько раз. Они не только размечают участки тела вдоль передне-задней оси, но играют важную роль в развитии многих органов.

Пример 2. Гомеозисные мутанты арабидопсис. ABC-модель развития органов цветка АВС –модель – современная парадигма генетики развитии:

дифференциация органов цветка определяется работой 3 классов регулирующих генов: гены класса А отвечают за развитие чашелистиков, в сумме с генами класса В они определяют формирование лепестков, совместная работа генов класса В и С ведет к развитию тычинок, а гены С сами по себе контролируют появление пестика в центре цветка. При нарушении работы этих генов одни части цветка превращаются в другие (тычинки в лепестки или лепестки в чашелистики).

Фолиарная (классическая) теория морфогенеза цветка Иоганна Вольфганга Гете: Цветок – видоизмененный побег с укороченными междоузлиями. Органы цветка – преобразованные листья.

1790г. «Опыт о метаморфозе растений» 1810г. «Учение о цветке»

Фенотип тройного мутанта – убедительное свидетельство в пользу фолиарной теории морфогенеза цветка Гете.

Пример 3. гомеозисные мутации найдены и у Дрозофилы антенна - нога (доминантная мутация) - трансформация передних разделов в задние из-за того, что у этого мутанта ген ANTP экспрессируется в голове, а не груди.

4. Внешняя среда и геном

Внешняя среда вступает в диалог с геномом уже во время внутриутробного развития. Алкоголь через РК влияет на экспрессию многих генов, которые важны как на ранних этапах эмбриогенеза, так и на стадии гаструляции и органогенеза (например, на развитие конечностей). Эти данные объясняют, почему употребление алкоголя во время беременности ведет к выраженным аномалиям у новорожденных, которые получили название эмбрионального алкогольного синдрома. Алкоголь через РК влияет на экспрессию многих НОХ-генов, которые важны не только на самых ранних этапах эмбриогенеза, но и на стадии гаструляции и органогенеза

Изменения экспрессии регуляторных генов, контролирующих развитие, приводят к нарушению развития (уродства). Однако эти нарушения, как правило, не наследуются, т.к. не связаны с мутациями (модификации).Влияние рациона матери на эпигенотип. Наш образ жизни может помешать реализации генетических программ развития у детей и внуков. Мы пока далеки от управления эпигенетической информацией. Но того что мы знаем уже достаточно, чтобы понимать как важно не помещать реализации генетической информации - предотвратить те эпигенетические изменения, которые могут быть вызваны нашими вредными привычками.

Однако есть и особый тип модификаций, которые могут передаваться через деления клеток и даже сохраняться потомками. Это эпигенетические изменения, т.е. длительно сохраняющиеся изменения экспрессии генов, не связанные с изменениями последовательностей ДНК и РНК. Именно эти механизмы используются для того, чтобы вызвать молчание 90% генов в каждом типе специализированных клеток.

Эпигенетические изменения связаны главным образом с процессами метилирования ДНК и гистоновых белков, которое осуществляется специальными ферментами.

Главное отличие эпигенетических механизмов регуляции работы генов от других механизмов, которые используются в регуляции развития, заключается в долговременности их действия, что создает впечатление закрепления изменений на уровне генетического кода. Эпигенетические механизмы объясняют многие удивительные феномены.

Пример 1. кастовая структура общественных насекомых связана с эпигенетическими механизмами. У пчел матка (царица), нянька и сборщица меда имеют одинаковый генотип, но разный эпигенотип, что связано с характером кормления

Пример 2. Холодовое воздействие также может вызвать эпигенетическое замолкание генов в растениях. Растение капусты, которое не яровизировалась 5 лет. Оно не цветет, т.к. активен ген FLC – репрессор цветения.

Пример 3. Монозиготные близнецы имеют одинаковый генотип, но у каждого есть своя пуповина и плацента. Микроусловия разные → различие эпигенетических меток (это механизм адаптации к условиям среды).Именно эпигенетическими изменениями объясняют различия между монозиготными близнецами.