Структурні зміни хромосом (хромосомні перебудови)

При кросинговері під час профази I мейоза відбувається реципрокний обмін генетичним матеріалом між гомологічними хромосомами. Це веде до зміни послідовності алелей в батьківських групах зчеплення, і в результаті виходять рекомбінанти, але без втрати яких-небудь генних локусів. Схожі ефекти виникають при таких хромосомних перебудовах, як інверсії і транслокації. При перебудовах інших типів - діленнях і дуплікаціях - число генних локусів в хромосомах змінюється, і це може мати глибокий вплив на фенотипи. Структурні зміни в хромосомах, пов'язані з інверсіями, делеціями, дуплікаціями, а в деяких випадках і транслокаціями, можна спостерігати під мікроскопом, коли в профазі I мейоза гомологічні хромосоми приступають до кон'югації. Гомологічні хромосоми кон’югують, а в тих ділянках, яких торкнулася перебудова, одна з гомологічних хромосом утворює петлю або ж перекручується. Яка з хромосом утворює петлю, і як розташуються її гени, залежить від типу перебудови.

 

 

Рисунок 12.14 – Інверсія та транс локація (схеми) та їх вплив на розташування генів: А – утворення петлі в профазі мейозу, яке викликане інверсією; Б – частина хромосоми, яка несе гени С, D та Е, що відірвалася та причепилася до хромосоми, яка несе гени К, L, M

 

Інверсія виникає в результаті вирізування ділянки хромосоми, яка повертається на 180°, а потім знов вбудовується на колишньому місці. При цьому ніяких змін генотипу не відбувається, але можливі фенотипічні зміни (рисунок 12.14, А). Це показує, що послідовність генів в даній хромосомі може бути важливою для їх впливу (так званий ефект положення).

При транслокації від однієї з хромосом відривається ділянка і приєднується або до іншого кінця тієї ж хромосоми, або до іншої, негомологічної хромосоми (рисунок 12.14, Б). І в цьому випадку у фенотипі може виявитися ефект положення. Реципрокна транслокация між негомологічними хромосомами приводить до утворення двох нових пар гомологічних хромосом. У тих випадках, коли при синдромі Дауна зберігається нормальне диплоїдне число хромосом, причиною цього служить транслокація надкомплектної хромосоми 21 на одну з крупніших хромосом, зазвичай 15.

Найпростіша форма хромосомної мутації - це делеція, яка виражається у втраті хромосомою якої-небудь ділянки, проміжної або кінцевої.

Генні мутації

Раптові спонтанні зміни фенотипу, які не можна пов'язати із звичайними генетичними явищами або мікроскопічними даними про наявність хромосомної аберації, можна пояснити тільки змінами в структурі окремих генів. Генна, або точкова (оскільки вона відноситься до визначеного генного локусу), мутація – це результат зміни нуклеотидної послідовності молекули ДНК в певній ділянці хромосоми. Така зміна послідовності основ в даному гені відтворюється при транскрипції в структурі тРНК і приводить до зміни послідовності амінокислот в поліпептидному ланцюзі, що утворюється в результаті трансляції, на рибосомах.

Мутації є зміни в первинній структурі ДНК, яка виражається в спадково закріпленій втраті або зміні якої-небудь ознаки (ознак).

Мутації можуть супроводжуватися випаданням (делеція) або додаванням (дуплікація) однієї основи або невеликої групи основ в молекулі ДНК, а також зміною послідовності нуклеотидів ДНК. До мінливості схильний ряд ознак: ауксотрофність по амінокислотах, пуринах, пиримідинам, вітамінам, чутливість або резистентність до антибіотиків, сульфаніламідів, фагів, ферментативна здатність і ін.

 

Рисунок 12.15 – Делеція та дуплікація та їх вплив на розташування генів

 

Генні мутації, що виникають в гаметах або в майбутніх статевих клітинах, передаються всім клітинам нащадків і можуть впливати на подальшу долю популяції. Соматичні генні мутації, що відбуваються в організмі, успадковуються тільки тими клітинами, які утворюються з клітини мутанта шляхом митоза. Вони можуть мати вплив на той організм, в якому вони виникли, але із смертю особи зникають з генофонду популяції. Соматичні мутації, ймовірно, виникають дуже часто і залишаються непоміченими, але в деяких випадках при цьому утворюються клітини з підвищеною швидкістю росту і ділення. Ці клітини можуть дати початок пухлинам - або доброякісним, які не мать особливого впливу на весь організм, або злоякісним, що приводять до ракових захворювань.

Ефекти генних мутацій надзвичайно різноманітні. Велика частина дрібних генних мутацій фенотипічно не виявляється, оскільки вони рецесивні, проте відомий ряд випадків, коли зміна всього лише однієї основи в певному гені здійснює глибокий вплив на фенотип. Одним з прикладів служить серповидноклітинна анемія – захворювання, яке у людини викликається заміною основи в одному з генів, що відповідають за синтез гемоглобіну. Молекула дихального пігменту гемоглобіну у дорослої людини складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів (два a- і два b-ланцюги), до яких приєднані чотири простетичні групи гема.

Від структури поліпептидних ланцюгів залежить здатність молекули гемоглобіну переносити кисень. Зміна послідовності основ в триплеті, що кодує одну певну амінокислоту з 146, що входять до складу р-ланцюгів, приводить до синтезу аномального гемоглобіну серповидних клітин (HBS). Послідовності амінокислот в нормальних і аномальних b- ланцюгах розрізняються тим, що в одній точці аномальних ланцюгів гемоглобіну S глутамінова кислота заміщена валяном. В результаті такої, здавалося б, незначної зміни гемоглобін S кристалізується при низьких концентраціях кисню; а це у свою чергу призводить до того, що у венозній крові еритроцити з таким гемоглобіном деформуються (з округлих стають серповидними) і швидко руйнуються. Фізіологічний ефект мутації полягає в розвитку гострої анемії і зниженні кількості кисню, що переноситься з кров'ю. Анемія не тільки викликає фізичну слабкість, але і може привести до порушень діяльності серця і нирок і до ранньої смерті людей, гомозиготних по мутантному алелю. У гетерозиготному стані цей алель викликає значно менший ефект: еритроцити виглядають нормальними, а аномальний гемоглобін складає тільки близько 40%. У гетерозигот розвивається анемія лише в слабкій формі, а зате в тих областях, де широко поширена малярія, особливо в Африці і Азії, носії алеля серповидно клітинності несприйнятливі до цієї хвороби. Це пояснюється тим, що її збудник - малярійний плазмодій - не може жити в еритроцитах, що містять аномальний гемоглобін.

 

Значення мутацій

Хромосомні і генні мутації мають різноманітні впливи на організм. У багатьох випадках ці мутації летальні, оскільки порушують розвиток; у людини, наприклад, близько 20% вагітностей закінчуються природним викиднем в терміни до 12 тижнів, і в половині таких випадків можна виявити хромосомні аномалії. В результаті деяких хромосомних мутацій певні гени можуть опинитися разом, і їх загальний ефект може привести до появи якої-небудь «сприятливої» ознаки. Крім того, зближення деяких генів один з одним робить менш вірогідним їх розділення в результаті кросинговера, а у разі сприятливих генів це створює перевагу.

Генна мутація може привести до того, що в певному локусі опиниться декілька алелей. Це збільшує як гетерозиготність даної популяції, так і її генофонд, і веде до посилення мінливості внутрі популяції.

Перетасовування генів як результат кросинговера, незалежного розподілу, випадкового запліднення і мутацій може підвищити безперервну мінливість, але її еволюційна роль часто виявляється скороминущою, оскільки зміни, що виникають при цьому, можуть швидко згладитися унаслідок «усереднювання».

Що ж до генних мутацій, то деякі з них збільшують дискретну мінливість, і це може зробити на популяцію глибший вплив. Більшість генних мутацій рецесивні по відношенню до «нормального» алелю, який, успішно витримавши відбір впродовж багатьох поколінь, досяг генетичної рівноваги з рештою генотипу. Будучи рецесивними, мутантні алели можуть залишатися в популяції протягом багатьох поколінь, поки їм не вдасться зустрітися, тобто опинитися в гомозиготному стані і виявитися у фенотипі. Час від часу можуть виникати і домінантні мутанти алелі, які негайно дають фенотипічний ефект.