Частота мутацій та їх причини

Мутації виникають випадковим чином і спонтанно, тобто будь-який ген може мутувати у будь-який момент. Частота виникнення мутацій у різних організмів різна, але, мабуть, пов'язана з тривалістю життєвого циклу: у організмів з коротким життєвим циклом вона вища. В результаті робіт Р. Дж. Меллера в двадцяті роки ХХІ століття було встановлено, що частоту мутацій можна підвищити в порівнянні з їх спонтанним рівнем, впливаючи на організми рентгенівськими променями. Надалі з'ясувалося, що частоту мутацій можна також значно підвищити за допомогою ультрафіолетових променів і гамма-променів. Частинки високої енергії, такі як a і b -частинки, нейтрони і космічне випромінювання, струм - мутагенні, тобто здатні викликати мутації. Мутагенною дією володіють і різноманітні хімічні речовини, зокрема іприт, кофеїн, формальдегід, колхицин, деякі компоненти тютюну і все зростаюче число лікарських препаратів, харчових консервантів і пестицидів.

Хромосомні мутації

Хромосомні мутації включають зміни числа хромосом і їх макроструктури. Деякі типи хромосомних мутацій змінюють дію деяких генів і мають на фенотип набагато глибший вплив, ніж генні мутації. Зміні числа хромосом зазвичай відбуваються в результаті помилок при мейозі, але вони можливі і при порушеннях митозу. Ці зміни виражаються або в анеуплоїдії - втраті або додаванні окремих хромосом, або в поліплоїдії - додаванні цілих гаплоїдних наборів хромосом.

Анеуплоїдія

Анеуплоїдія може виражатися, наприклад, в наявності додаткової хромосоми (п + 1, 2 п + 1 і т.п.) або в браку якої-небудь хромосоми (п – 1, 2 п – 1 і т.п.). Анеуплоїдія може виникнути, якщо в анафазі I мейозу гомологічні хромосоми однієї або декількох пар не розійдуться. В цьому випадку обидва члени пари прямують до одного і того ж полюса клітини, і тоді мейоз приводить до утворення гамет, що містять на одну або декілька хромосом більше або менше, ніж в нормі (рисунок 12.12). Це явище відоме під назвою нерозбіжності. Коли гамета з бракуючою або зайвою хромосомою зливається з нормальною гаплоїдною гаметою, утворюється зигота з непарним числом хромосом: замість яких-небудь двох гомологів в такій зиготі їх може бути три або тільки один.

 

 

Рисунок 12.12 – Нерозходження хромосом при гаметогенезі та результати злиття аномальних гамет, що при цьому утворилися, з нормальними гаплоїдними гаметами. Це призводить до різних форм полісемії, при якій число хромосом може дорівнювати 2 п +1 (трисомія), 2 п +2 (тетрасомія), 2 п +3 (пентасомія) і т.д. або ж 2 п -1 (моносомія) в залежності від числа гомологічних хромосом, що не розійшлися нормальним чином

 

Зигота, в якій число хромосом менше диплоїдного, зазвичай не розвивається, проте зиготи із зайвими хромосомами іноді здібні до розвитку. З таких зигот в більшості випадків розвиваються особи з різко вираженими аномаліями. Одна з таких хромосомних мутацій, що найчастіше зустрічається та виникає у людини в результаті нерозбіжності, - трисомия-21, або синдром Дауна (2п = 47). Ця аномалія, що була названа на честь ім’я лікаря, який вперше описав її в 1866 р., викликається нерозбіжністю хромосом 21 (рисунок 12.13). Нерозходження хромосом G21 в одній з гамет призвело до трисомії по цій хромосомі. Повний набір хромосом індивідуму, що подібний до представленого на цьому рисунку, називають каріотипом.

 

 

Рисунок 12.13 – Хромосоми жінки із синдромом Дауна

 

До симптомів синдрому Дауна належать затримка розумового розвитку, знижений опір хворобам, природжені серцеві аномалії, короткий коренастий тулуб і товста шия, а також характерні складки шкіри над внутрішніми кутами очей, що створює зовнішню схожість з представниками раси монголоїда. Синдром Дауна та інші схожі хромосомні аномалії частіше зустрічаються у дітей, що народжені немолодими жінками. Точна причина цього невідома, але, мабуть, вона якось пов'язана з віком яйцеклітин матері.

Можлива також нерозбіжність чоловічих і жіночих статевих хромосом, яка приводить до анеуплоїдії, що впливає на вторинні статеві ознаки і плодючість, а іноді й на розумовий розвиток (таблиця 12.4).

Таблиця 12.4 - Фенотипічні відхилення, обумовлені нерозбіжністю статевих хромосом у людини

Синдром, генотип	Симптоми	Частота серед населення в країнах Заходу %
Синдром Клайнфельтеpa, XXY	Чоловік має деякі вторинні жіночі статеві ознаки; безплідний; яєчка слабо розвинені, волосся на обличчі мало; іноді розвиваються молочні залози; зазвичай низький рівень розумового розвитку	0,02
Синдром Тернера, Х0	У жінок відсутні звичайні вторинні статеві ознаки; низький зріст, соски зближені	0,03
XXX	Жінки зовні нормальні, плодовиті, але мають гостро виражену розумову відсталість	0,12
XYY	Чоловіки високого зросту з різним рівнем розумового розвитку; іноді мають психопатичні риси або проявляють схильність до дрібних правопорушень	0,1

Очевидно, що виникає трисомія й по інших хромосомах, але її носії нежиттєздатні і гинуть в ранньому ембріогенезі.

Поліплоїдія

Гамети і соматичні клітини із збільшеним числом хромосом, кратним гаплоїдному числу, називають поліплоїдними; приставки три-, тетра- і т.д. указують, у скільки разів збільшено число хромосом, тобто ступінь плоїдності:
3 п - триплоїд, 4 п - тетраплоїд, 5 п - пентаплоїд і т.д. У рослин поліплоїдія зустрічається набагато частіше, ніж у тварин. Наприклад, з 300 тисяч відомих видів покрито сім’яних приблизно половина - поліплоїди. Відносна рідкість поліплоїдії у тварин пояснюється тим, що збільшене число хромосом значно підвищує вірогідність помилок при мейозі під час гаметогенезу. Що стосується рослин, то більшість з них здібна до вегетативного розмноження, тому вони можуть ефективно відтворюватися і в поліплоїдному стані. Поліплоїдні організми часто мають сприятливі ознаки - крупніші розміри, витривалість, стійкість до захворювань. Існують дві форми поліплоїдії - аутополіплоїдія і аллополіплоїдія.

Аутополіплоїдія може виникати як природним, так і штучним шляхом в результаті збільшення числа хромосомних наборів у даного виду. Наприклад, якщо відбудеться реплікація хромосом (у інтерфазі) і хроматіди нормально розійдуться в (анафазі), але цитоплазма не розділиться, то утворюється тетраплоїдна (4 п) клітина з великим ядром. Така клітина потім ділиться і дає тетраплоїдні дочірні клітини. Кількість цитоплазми в цих клітинах зростає, щоб збереглася постійність ядерно-плазмового відношення, і це веде до збільшення загальних розмірів рослини або якої-небудь їїї частини. Штучно аутополіплоїдізацію можна викликати за допомогою алкалоїду колхицину. У концентрації близько 0,01% колхицин пригнічує утворення веретена ділення, руйнуючи мікротрубочки, так що хромосоми не розходяться під час анафази. Колхицин і близькі до нього речовини використовували для виведення певних сортів господарсько цінних культур, таких як тютюн, томати і цукровий буряк. Аутополіплоїди зазвичай менш плодовиті, ніж диплоїди, оскільки під час мейозу гомологічні хромосоми повинні об'єднуватися більш ніж по дві.

У тварин іноді спостерігається видозмінена форма поліплоїдії, при якій утворюються окремі поліплоїдні клітини і тканини. Це зазвичай відбувається при подвоєнні хромосом, що не супроводжується розділенням клітини. Гігантські хромосоми в клітинах слинних залоз дрозофіли виникають в результаті багатократної реплікації ДНК без переходу до митозу.

Алополіплоїдією називають подвоєння числа хромосом у стерильного гібрида, внаслідок чого він стає плодовитим. Гібриди Fl5 отримувані при схрещуваннях між різними видами, зазвичай стерильні, оскільки їх хромосоми не можуть утворити гомологічні пари під час мейозу. Якщо, проте, число хромосом стає кратним початковому гаплоїдному їх числу, наприклад рівним 2(п ₁ + п ₂), 3(п ₁ + п ₂) і т.д. (де п ₁ і п ₂ - гаплоїдні числа хромосом у батьківських видів), то виникає новий вид, який дає плодовитих гібридів при схрещуванні з такими ж поліплоїдами, але стерильний при зхрещуванні з будь-яким з батьківських видів.

Більшість алополіплоїдних рослин відрізняються за своїми ознаками від обох батьківських видів; до них відноситься багато з вельми цінних культур, що вирощуються людиною. У тварин алополиплоидия майже невідома, оскільки у них міжвидові схрещування відбуваються рідко. В результаті поліплоїдії генофонд не отримує нових генів, але створюються нові генні комбінації.