Взаимодействие аллельных генов

 

При полном доминировании один ген полностью подавляет проявление другого гена (выполняются законы Менделя); при этом гомо- и гетерозиготы фенотипически не­отличимы. Например, ген желтого цвета семян гороха полно­стью подавляет ген зеленой окраски, а ген карего цвета глаз у человека — ген голубого их цвета.

При неполном доминировании (промежуточном наследовании) доминантный ген не полностью подавляет про­явление рецессивного гена. У гибридов первого поколения наблюдается промежуточное наследование, а во втором поко­лении расщепление по фенотипу и генотипу одинаково — 1:2:1. Например, если скрестить растения душистого горошка с красными и белыми цветками, первое поколение будет иметь розовые цветки:

При скрещивании гибридов первого поколения (с розовы­ми цветками) во втором поколении получим соотношение по фенотипу и генотипу 1:2:1. Доминантные гомозиготы (АА) бу­дут иметь красную окраску цветков, гетерозиготы (Аа) — розо­вую, а рецессивные гомозиготы (аа) — белую. Такое явление можно объяснить дозой гена. Доминантный ген (А) детерми­нирует синтез красного пигмента, при наличии его рецессив­ной аллели (а) пигмент не образуется (гомозиготы аа — бе­лые). У доминантных гомозигот (АА) два активных гена детер­минируют синтез большего количества пигмента, и растения имеют ярко окрашенные красные цветки. Гетерозиготы со­держат только один активный ген (А), у них вырабатывается вдвое меньше пигмента, чем у доминантных гомозигот, и окраска их цветков будет бледно-красная (розовая).

При сверхдоминировании доминантый ген в гете­розиготном состоянии проявляет себя сильнее, чем в гомози­готном. У мухи дрозофилы имеется рецессивный летальный ген (а) — гомозиготы (аа) погибают. Мухи, гомозиготные по гену А (АА), имеют нормальную жизнеспособность, а гетерозиготы (Аа) живут дольше и более плодовиты, чем доминант­ные гомозиготы. Такое явление можно объяснить взаимодей­ствием продуктов генной активности.

При кодоминировании гены одной аллельной пары равнозначны, ни один из них не подавляет действия другого; находясь в генотипе, оба проявляют свое действие. Типичным примером кодоминирования является наследование групп крови человека по системам АВ0 (группа АВ) и MN (группа MN). Четыре группы крови человека по АВ0-системе опреде­ляются наследованием трех аллелей одного гена: I⁰, I^А и I^В (пример множественного аллелизма, см. ниже). При этом 1(0) группа крови обусловлена рецессивным геном I⁰, П(А) — ге­ном I^А, III(Б) — геном I^B, a IV(AB) — генами I^А и I^В одновре­менно. Рецессивный ген I⁰ не детерминирует синтез специ­фических белков (антигенов) в эритроцитах. Ген I^А доминан­тен по отношению к гену I⁰ и детерминирует синтез в эритро­цитах антигена А. Ген I^В доминантен по отношению к гену I⁰ и детерминирует синтез в эритроцитах антигена В. Одновре­менное присутствие в эритроцитах генов I^А и I^В обусловлива­ет наличие в них антигенов А и В (IV группа крови). Таким об­разом, гены I^А и I^В не подавляют действия друг друга. Они яв­ляются равноценными — кодоминантными.

Кодоминирование имеет место и при наследовании у че­ловека групп крови по системе MN. Эта система обусловлена наличием двух аллелей — LM и L^N. Ген L^M обусловливает на­личие в эритроцитах человека антигена М (группа крови М), а ген L^N — антигена N (группа крови N). Одновременное при­сутствие в генотипе обеих аллелей обусловливает наличие в эритроцитах обоих антигенов M и N (группа крови MN).

Своеобразные внутриаллельные взаимодействия наблюда­ются в случае множественных аллелей. Множественными ал­лелями называются аллели, которые представлены в популя­ции более чем двумя аллельными состояниями. Они возника­ют в результате многократного мутирования одного и того же локуса (участка) хромосомы. При этом помимо доминантно­го и рецессивного генов появляются еще и промежуточные аллели, которые по отношению к доминантному ведут себя как рецессивные, а по отношению к рецессивному — как до­минантные. Так, например, у кроликов. сплошная темная - окраска шерсти обусловлена доминантным геном А, живот­ные с белой окраской шерсти — гомозиготы рецессивные (аа). Сплошная серая окраска (шиншилловая) проявляется у гомо­зиготных организмов по гену a^ch, а гималайская (основная масть белая, а кончики ушей, лап, хвоста и носа темные) — у гомозигот a^h. Ген А доминантен по отношению ко всем ал­лелям, ген a^ch рецессивен по отношению к гену А, но доми­нантен по отношению к генам а'1 и а; ген ah рецессивен по от­ношению к генам А и a^ch, но доминантен по отношению к ге­ну а. Кратко это можно записать следующим образом: A>a ch >a h >a.

К разновидностям внутриаллельного взаимодействия ге­нов относится и аллельное исключение, когда у гете­розиготного организма в одних клетках активна одна аллель, а в других — другая. Например, у человека и млекопитающих каждая плазматическая клетка синтезирует только одну (свою) цепь иммуноглобулинов (антител). Другим примером аллельного исключения является инактивация одной из двух Х -хромосом у женского организма (см. гл. 6). Случайный ха­рактер инактивации приводит к выключению функционирования в одних клетках материнской Z-хромосомы, а в других - от­цовской.

 

Взаимодействие генов

Отклонение от законов Менделя вызывают различные ви­ды взаимодействия генов (за исключением полного домини­рования), обусловленного геномным уровнем организации наследственного материала.

Различают взаимодействия аллельных и неаллельных генов.

Взаимодействие генов одной аллели называется внутриаллельным. Выделяют следующие его виды: полное доминиро­вание, неполное доминирование, сверхдоминирование, кодоминирование и аллельное исключение.

 

Взаимодействие генов разных аллелей называется межаллельным. Различают следующие его виды: комплементарность, эпистаз, полимерию и "эффект положения".

При комплементарности присутствие в одном ге­нотипе двух доминантных (рецессивных) генов из разных аллельных пар приводит к появлению нового варианта призна­ка. Различают три разновидности комплементарного взаимо­действия генов.

I. Два доминантных неаллельных гена по отдельности не имеют фенотипического проявления, а дополняя друг друга, обусловливают новый вариант признака.

Развитие слуха у человека. Для нормального слуха в генотипе человека должны присутство­вать доминантные гены из разных аллельных пар - D и Е. Ген D отвечает за нормальное развитие улитки, а ген Е - за нор­мальное развитие слухового нерва (DdEe). У рецессивных гомозигот dd будет недоразвита улитка, а при генотипе ее - слуховой нерв. Люди с генотипами D-ee, ddE- и ddee будут глухими.

У млекопитающих и человека для защиты от вирусов выра­батывается специфический белок интерферон. Его синтез в организме человека обусловлен комплементарным взаимо­действием двух неаллельных генов, локализованных в разных (второй и пятой) хромосомах.

Гемоглобин человека содержит 4 полипептидные цепи, каждая из которых кодируется отдельным независимым ге­ном. Следовательно, в синтезе гемоглобина участвуют 4 ком­плементарных гена.

II. Один из доминантных комплементарных генов имеет фенотипическое проявление, а второй не имеет; одновремен­ное их присутствие в генотипе обусловливает новый вариант признака. Так у мышей наследуется окраска шерсти агути (в основании и на конце волос — черный пигмент, а в средней части — желтое кольцо). Ген А детерминирует синтез черного пигмента, его аллель а не дает информации для синтеза пиг­мента. Ген В распределяет пигмент вдоль волоса неравномер­но, а его аллель b — равномерно:

 

Расщепление - в соотношении 9:3:4.

III. Каждый из комплементарных генов имеет собственное фенотипическое проявление; одновременное их присутствие в генотипе обусловливает развитие нового варианта признака. Так наследуется форма гребня у кур:

 

Расщепление - в соотношении 9:3:3:1.

При эпистазе доминантный (рецессивный) ген из од­ной аллельной пары подавляет действие доминантного (ре­цессивного) гена из другой аллельной пары. Это явление про­тивоположно комплементарности. Подавляющий ген назы­вается супрессором (ингибитором). Различают доминантный и рецессивный эпистаз. Примером доминантного эпистаза может служить полидактилилия. Иногда встречается у «совершенно здоровых» родителей. Предполагается, что действие данного аллеля у родителей подавлялось другими генеми.

Примером рецессивного эпистаза является "бомбейский фено­мен". У женщины, получившей от матери аллель I^В, фенотипиче-ски определялась 1(0) группа крови. При детальном исследова­нии было установлено, что действие гена I^В (синтез в эритроци­тах антигена В) было подавлено редким рецессивным геном, который в гомозиготном состоянии оказал эпистатическое дей­ствие. В проявлении некоторых наследственных болезней обме­на веществ (ферментопатий) основную роль играет эпистати­ческое взаимодействие генов, когда наличие или отсутствие продуктов реализации одного гена препятствует образованию активных ферментов, кодируемых другим геном.

При полимерии гены из разных аллельных пар влияют на степень проявления одного и того же признака. Полимер­ные гены принято обозначать одной буквой латинского ал фавита с цифровыми индексами, например A₁A₁A₂а₃а₃ и т.д. Признаки, детерминируемые полимерными генами, называются полигенными (мультифакториальными). Таким образом у животных и человека наследуются многие количественные и некоторые качественные признаки: рост, масса тела, величи­на артериального давления, цвет кожи и др. Степень проявле­ния этих признаков зависит от количества доминантных ге­нов в генотипе (чем их больше, тем сильнее выражен признак) и в значительной мере от влияния условий среды. У человека может наблюдаться предрасположенность к различным забо­леваниям: гипертонической болезни, ожирению, сахарному диабету, шизофрении и др. Данные признаки при благопри­ятных условиях среды могут и не проявиться или быть слабо­выраженными. Это отличает полигенно-наследуемые признаки от моногенных. Изменяя условия среды и проводя про­филактические мероприятия, можно значительно снизить ча­стоту и степень выраженности некоторых мультифакториальных заболеваний. Суммирование "доз" полимерных генов (ад­дитивное действие) и влияние среды обеспечивают существо­вание непрерывных рядов количественных изменений. Пиг­ментация кожи у человека определяется пятью или шестью полимерными генами. У коренных жителей Африки преобла­дают доминантные аллели, у представителей европеоидной расы — рецессивные. Мулаты являются гетерозиготами и име­ют промежуточную пигментацию. У родителей-мулатов рож­даются как белые, так и чернокожие дети. Минимальное ко­личество полимерных генов, при котором проявляется при­знак, называется пороговым эффектом.

Под "эффектом положения" понимают взаимное влияние генов разных аллелей, занимающих близлежащие локусы одной хромосомы. Оно проявляется в изменении их функциональной активности. Резус-принадлежность челове­ка определяется тремя генами, расположенными в коротком плече первой хромосомы на близком расстоянии друг от дру­га (тесно сцепленными). Каждый из них имеет доминантную и рецессивную аллели (С, D, Е и с, d, e). Организмы с набором генов CDE/cDe и CDe/cDE генетически идентичны (у них об­щий баланс генов одинаковый). Однако у лиц с первой ком­бинацией генов образуется много антигена Е и мало антигена С, а у лиц со второй комбинацией аллелей - наоборот, мало антигена Е и много антигена С. Вероятно, близкое соседство аллели Е с аллелью С (первый случай) снижает функциональ­ную активность последней.

 

Сцепленное наследование

В 1908 г. У. Сэттон и Р. Пеннет обнаружили отклонения от свободного комбинирования признаков согласно третьему закону Менделя. В 1911—1912 гг. Т. Морган с соавторами опи­сали явление сцепления генов — совместной передачи группы генов из поколения в поколение. Опыты проводились на му­хах дрозофилах с учетом двух пар альтернативных признаков — серый и черный цвет тела, нормальные и короткие крылья. При скрещивании гомозиготных особей с серым телом и нор­мальными крыльями и особей с черным телом и короткими крыльями получено единообразие первого поколения, особи которого имели доминантные признаки:

 

Для выяснения генотипа гибридов первого поколения Морган провел анализирующее скрещивание. Он скрестил рецессивную гомозиготную самку с дигетерозиготным сам­цом (I), затем провел реципрокное скрещивание (II):

При свободном комбинировании генов, согласно третьему закону Менделя, в поколении и I и II скрещивания должны были появиться мухи четырех разных фенотипов (по 25%). Поясним это схемой, приведенной на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема свободного комбинирования генов

 

При I скрещивании Морган получил мух только двух фе­нотипов (по 50%) с признаками родителей. Он пришел к вы­воду, что гены, детерминирующие цвет тела и длину крыльев, локализованы в одной хромосоме и передаются вместе, т. е. сцепленно. Объяснить это явление можно схемой, приведен­ной на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема образования гамет при полном сцепле­нии

 

Одна из пары гомологичных хромосом содержит 2 доми­нантных гена (BV), а другая — 2 рецессивных (bv). В процессе мейоза одна хромосома (с генами BV) попадет в одну гамету, а другая (с генами bv) — в другую. Таким образом, у дигетерозиготного организма образуется не 4, а только 2 типа гамет, и потомки будут иметь такое же сочетание признаков, что и родители. Явле­ние, при котором гены, локализо­ванные в одной хромосоме, всегда передаются вместе, называется полным сцеплением.

При изучении результатов II скрещивания было обнаружено нарушение полного сцепления ге­нов. Если дигетерозиготную сам­ку мухи дрозофилы скрестить с рецессивным самцом, то получа­ются 4 разновидности фенотипов потомков: 41,5% с серым телом и длинными крыльями, 41,5% с черным телом и короткими крыльями и по 8,5% гибридных форм — с серым телом и короткими крыльями и с черным те­лом и длинными крыльями. В данном случае сцепление ока­зывается неполным, т. е. происходит перекомбинация ге­нов, локализованных в одной хромосоме. Это объясняется кроссинговером — обменом участками гомологичных хроматид В процессе конъюгации хромосом в профазе мейоза I. Каждая из хроматид попадает в отдельную гамету. Образуется 4 типа га­мет, но в отличие от свободного комбинирования их процентное соотношение будет неравным, так как кроссинговер происходит не всегда (рис. 4.5).

 

Рис. 4.5. Схема образования гамет при кроссинговере

 

Сила сцепления между генами (частота кроссинговера) зависит от расстояния между ними: чем больше расстояние, тем меньше сила сцепления и тем чаще может про­исходить кроссинговер. Расстояние между генами определяет­ся в процентах кроссинговера. За единицу его берется 1 % кроссин­говера, а сама единица названа морганидой (в честь Моргана).

Гаметы, в которые попали хроматиды, не претерпевшие кроссинговера, называются некроссоверными; их обычно больше. Гаметы, в которые попали хроматиды, претерпевшие кроссинговер, называются кроссоверными; их обычно меньше.

Итак, если исследуемые гены расположены в разных парах хромосом, происходит их свободное комбинирование соглас­но третьему закону Менделя. При анализирующем скрещива­нии мы получим равное количество потомков с различными сочетаниями признаков. Если исследуемые гены локализова­ны в одной паре гомологичных хромосом и происходит крос­синговер, мы также получим потомков с различными сочетаниями признаков, но количество их будет неравным (рекомбинантных, или кроссоверных, особей будет меньше). Если исследуемые гены локализованы в одной паре гомологичных хромосом и кроссинговер не происходит, то гибридные фор­мы не образуются и потомки будут иметь такое же сочетание признаков, как у родителей. Кроссинговер при образовании гамет происходит у особей обоего пола большинства растений и животных, за исключением самца мухи дрозофилы и самки тутового шелкопряда.

Гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе (сцепленно) и составляют одну группу сцепле­ния. Так как в гомологичных хромосомах локализованы аллельные гены, то группу сцепления составляют две гомоло­гичные хромосомы и количество групп сцепления равно ко­личеству пар хромосом (или гаплоидному их числу). Так, у мухи дрозофилы 8 хромосом — 4 группы сцепления, у челове­ка 46 хромосом — 23 группы сцепления.

Перечислим основные положения хромосомной теории на­следственности (Т. Морган с соавторами, 1911):

1.Гены расположены в хромосомах линейно в определен­ных локусах. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

2.Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.

3.Между гомологичными хромосомами возможен обмен аллельными генами (кроссинговер).

4.Процент кроссинговера пропорционален расстоянию между генами; единица расстояния — морганида — равна 1 % кроссинговера.

Зная расстояние между генами, можно построить карту хромосомы. Генетическая карта хромосомы представляет собой отрезок прямой, на котором схематиче­ски обозначен порядок расположения генов и указано расстоя­ние между ними в морганидах. Она строится на основе ре­зультатов анализирующего скрещивания (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схемы генетической (а) к цитологической (б) карт хромосом

 

Цитологическая карта хромосомы представ­ляет собой фотографию или точный рисунок хромосомы, на котором отмечается последовательность расположения генов. Ее строят на основе сопоставления результатов анализирующего скрещивания и хромосомных перестроек. Например, ес­ли хромосома с доминантными генами будет последовательно терять отдельные локусы (при воздействии на нее мутагенов), то в гетерозиготе начнут проявляться рецессивные признаки. Порядок их появления будет указывать на последователь­ность расположения генов.

Картирование хромосом человека связано с определенными трудностями и проводится с использованием методов гибри­дизации соматических клеток и ДНК. В настоящее время во многих странах продолжает разрабатываться единая междуна­родная программа "Геном человека". В начале 2001 г. была полностью расшифрована нуклеотидная последовательность генома человека и выявлена локализация большинства генов. Дальнейшее картирование хромосом человека будет иметь не только важное научное, но и практическое значение: с помо­щью методов генной инженерии можно будет проводить про­филактику и лечение многих наследственных болезней.

 

ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Изменчивость — это свойство, противоположное наследст­венности; оно заключается в способности живых систем при­обретать под действием факторов внешней и внутренней сре­ды новые признаки (морфологические, физиологические, биохимические) и особенности индивидуального развития, отличающие их от родительских форм (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1. Классификация типов изменчивости

 

Генетическая информация определяет степень развития свойств и признаков организма, которые реализуются в опре­деленных условиях среды. Одна и та же наследственная ин­формация в различных условиях проявляется по-разному, Примером могут служить фенотипические различия однояй­цевых близнецов, воспитываемых в разных семьях. Окраска шерсти у гималайских кроликов и сиамских кошек зависит от температуры — более темная шерсть растет на участках тела, подверженных охлаждению. Таким образом, наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздейст­вия внешней среды.

Степень фенотипического проявления данного гена назы­вается экспрессивностью. Она зависит от факторов внешней среды и влияния других генов.

Частота проявления гена называется пенетрантностью. Пенетрантность выражается в процентном отношении числа особей, имеющих данный признак, к числу особей, имеющих данный ген.

Различная степень пенетрантности и экспрессивности ге­нов имеет большое значение для медицинской генетики. Отя­гощенная наследственность, наследственная предрасполо­женность к заболеванию проявляются при воздействии на организм определенных факторов среды.

Фенокопия — это явление, при котором признак под дейст­вием факторов среды изменяется и копирует признаки друго­го генотипа. Например, многократный прием алкоголя во время беременности может привести к развитию алкогольной эмбриопатии — комплексу нарушений развития зародыша, копирующему некоторые наследственные синдромы множе­ственных наследственных пороков (синдром Дубовица, бо­лезнь Дауна и др.).

Генокопия — это одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов. Примером генокопий могут служить различные виды гемофилии, которые клинически проявляются снижением свертываемости крови и вызваны недостаточнос­тью восьмого или девятого фактора свертывающей системы (гемофилия А и В соответственно).

 

Фенотипическая изменчивость

Фенотипическая, или модификационная, изменчивость — это изменения фенотипа без изменений генотипа. Она проте­кает при непосредственном воздействии факторов внешней среды на ферментативные реакции, происходящие в организ­ме, и носит массовый адаптивный (приспособительный) ха­рактер. Например, у растения "водяной лютик" листья имеют разнообразную форму: под водой — стреловидные, на границе воды и воздуха — рассеченные, над водой — в виде сплошной пластинки; монозиготные близнецы могут иметь фенотипи­ческие различия, если живут в разных условиях. Так как при модификациях не происходит изменения генетического мате­риала, то эта форма изменчивости является ненаследствен­ной. Дарвин называл ее определенной (предсказуемой, или групповой), потому что особи одного вида в одинаковых усло­виях внешней среды изменяются однотипно.

Свойства модификаций:

▪ не наследуются;

▪ предсказуемые;

▪ адаптивные;

▪ носят массовый характер.

Границы модификационнной изменчивости называются нормой реакции, которая определяется генотипом. Она мо­жет быть узкой, когда признак изменяется незначительно (например, жирность молока), и широкой, когда признак изменяется в широких пределах (например, количество мо­лока).

 

Генотипическая изменчивость

Основные понятия

Генотипическая изменчивость — это изменение фенотипа вследствие изменения генотипа. Понятно, что генотипическая изменчивость передается по наследству. Она подразде­ляется на комбинативную и мутационную.

 

Комбинативная изменчивость

 

Комбинативная изменчивость связана с перекомбинацией генов родителей у потомков без изменения структуры генети­ческого материала. Она обусловлена:

▪ перекомбинацией генов при кроссинговере;

▪ независимым расхождением хромосом и хроматид в ана­фазах мейоза-I и мейоза-П;

▪ случайным сочетанием гамет при оплодотворении!

Например, если у родителей I и IV группы крови, то у де­тей может быть либо II, либо III группа крови:

 

Разновидностью комбинативной изменчивости является гетерозис — повышение жизнеспособности и увеличение мас­сы различных пород, сортов и даже видов при гибридизации. Явление "гибридной силы" объясняется переходом большин­ства генов в гетерозиготное состояние, что увеличивает раз­нообразие белков организма и способствует его лучшей приспосабливаемости к изменяющимся условиям среды.

 

Мутационная изменчивость

Мутации. Мутагенные факторы

 

Мутация — это скачкообразное, устойчивое изменение ге­нетического материала под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передающееся по наследству.

Свойства мутаций:

▪ возникают внезапно;

▪ наследуются;

▪ ненаправленны;

▪ могут возникать повторно.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, их вызывающие, — мутагенами. Мутагены первона­чально воздействуют на генетический материал особи, вслед­ствие чего может измениться фенотип. Это могут быть экзомутагены (факторы внешней среды) и эндомутагены (продукты метаболизма самого организма).

Мутагенные факторы подразделяют на физические, хими­ческие и биологические.

К физическим мутагенам относятся различные виды излучений (преимущественно ионизирующие — альфа-, бета-и гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи), температура, влажность и др. Механизмы их действия: 1) нарушение струк­туры генов и хромосом; 2) образование свободных радикалов, вступающих в химическое взаимодействие с ДНК; 3) разру­шение нитей ахроматинового веретена деления; 4) образова­ние димеров — соединение между собой ("сшивка") соседних пиримидиновых оснований одной цепи ДНК (чаще Т-Т).

К химическим мутагенам относятся: природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.); продукты промыш­ленной переработки природных соединений (угля, нефти); синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, моющие средства, дезодоранты); лекарственные препараты, которые могут провоцировать врожденные пороки развития (иммуносупрессанты, некоторые антибиотики, наркотические веще­ства, синтетические кортикостероиды и др.). Химические му­тагены обладают большой проникающей способностью, вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК. Механизм их действия: 1) дезаминирование и алкилирование нуклеотидов; 2) замена азотис­тых оснований их аналогами; 3) ингибиция синтеза предше­ственников нуклеиновых кислот и др.

К биологическим мутагенам относятся: вирусы (краснухи, кори, гриппа); невирусные паразитарные агенты (микоплазмы, бактерии, риккетсии); продукты метаболизма паразитов (токсоплазмы, кошачьего сосальщика, трихинел­лы). Невирусные и вирусные_агенты могут быть причиной инфекционного мутагенеза: они способны нарушить течение митоза, вызвать разрывы хромосом и хроматид, встроить свою ДНК в ДНК клеток хозяина. Продукты жизнедеятель­ности паразитов — возбудителей болезней могут действовать как химические мутагены.

Супермутагены — это факторы (чаще химической природы), повышающие частоту мутаций в сотни — десятки тысяч раз (например, колхицин, этиленимин, иприт). Они используются для получения индуцированных мутаций в се­лекции.

Антимутагены значительно снижают частоту мута­ций. К ним относятся около 200 природных и синтетических соединений: некоторые аминокислоты (гистидин, метионин и др.); витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ка­ротин и др.); фармакологические средства (интерферон, антиоксиданты, оксипиридины и др.); пищевые продукты (не­которые виды бобов, черный перец, капуста, экстракт яблок).

Ряд антимутагенов используют в качестве радиопротек­торов.

 

Классификация мутаций

По причинам, вызвавшим мутации, их под­разделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные (самопроизвольные ) мутации происходят под действием есте­ственных мутагенных факторов внешней среды без вмеша­тельства человека, например наследственные болезни обмена веществ. Их причинами являются ошибки репликации и ре­парации ДНК, действие перекисей и альдегидов, образую­щихся в организме, различные виды естественных излучений. Индуцированные мутации — результат направленного воздей­ствия определенных мутагенных факторов. Впервые они бы­ли получены в 1925 г. Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым при облучении грибов радием.

По мутировавшим клеткам мутации подразделя­ют на гаметические и соматические. Гаметические мутации (генеративные) происходят в половых клетках, проявляются у потомков, передаются по наследству при половом размноже­нии (гемофилия, фенилкетонурия). Соматические мутации происходят в соматических клетках, передаются по наследст­ву только при вегетативном размножении и проявляются у са­мой особи (разный цвет глаз у одного человека, белая прядь волос, опухоли).

По исходу для организма мутации бывают: отри­цательные — летальные, несовместимые с жизнью (напри­мер, отсутствие головного мозга) и полулетальные — снижающие жизнеспособность организма (например, бо­лезнь Дауна); нейтральные — существенно не влияющие на процессы жизнедеятельности (например, веснушки); положи­тельные — повышающие жизнеспособность (например, появ­ление четырехкамерного сердца в процессе эволюции хордо­вых животных). Последние возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.

По изменениям генетического материала мутации подразделяют на геномные, хромосомные и генные.

 

Геномные мутации

 

Геномные мутации обусловлены изменениями числа хро­мосом. К ним относятся полиплоидия, гаплоидия и анеуплоидия. Аномалии числа хромосом могут быть вызваны разны­ми причинами. Наиболее часто геномные мутации являются следствием: нерасхождения хромосом, когда две или несколь­ко гомологичных хромосом остаются соединенными вместе и в анафазу отходят к одному полюсу вследствие разрушения нитей веретена деления; анафазного отставания, когда одна или несколько хромосом в процессе анафазного движения от­стают от других. Реже причиной геномных мутаций является полиплоидизация.

Полиплоидия — это кратное гаплоидному увеличение числа хромосом в соматических клетках (3n, 4n, 5n,..). Поли­плоидия, как правило, используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации.

Гаплоидия (1n) — одинарный набор хромосом в сома­тических клетках, например у трутней пчел. Жизнеспособ­ность гаплоидов снижается, так как в этом случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном чис­ле. Для млекопитающих и человека это летальная мутация.

Анеуплоидия — некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n±1, 2n±2 и т. д.). Сущест­вует несколько разновидностей анеуплоидии:

▪ трисомия — три гомологичные хромосомы в кариотипе, например при синдроме Дауна (трисомия по 21-й хромо­соме);

▪ моносомия — в наборе одна из пары гомологичных хромо­сом, например при синдроме Шерешевского — Тернера (моно­сомия X). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека летальными мутациями. Иногда встре­чаются двойные, тройные (по двум и трем разным хромосо­мам) моно- и трисомии, тетрасомии и др.;

▪ нулисомия — отсутствие пары хромосом (летальная мута­ция); у человека неизвестна.

Геномные мутации всегда проявляются фенотипйчески и легко обнаруживаются цитогенетическими методами.

 

Хромосомные мутации

 

Хромосомные мутации (аберрации) обусловлены изменени­ем структуры хромосом. Они могут быть внутрихромосомными и межхромосомными.

К внутрихромосомным мутациям относятся перестройки внутри одной хромосомы.

Делеция (нехватка) – отсутствие части хромосомы (час­тичная моносомия). Выделяют нехватки терминальных и сред­них участков (рис. 5.2).

 

Рис. 5.2. Схема внутрихромосомных аберраций

 

Делеция практически любой части хромосом может нарушить эмбриональное развитие и про­явиться множественными врожденными пороками. Напри­мер, делеция участка короткого плеча 5-й (5 р -) хромосомы у человека приводит к развитию синдрома "кошачьего крика" (недоразвитие гортани, задержка умственного развития, по­роки сердца и др.). При делеции терминальных участков обо­их плеч хромосомы (удаляются теломеры) часто наблюдается замыкание оставшейся структуры в кольцо — образование кольцевых хромосом (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Схема формирования кольцевых хромосом и фрагментов

 

Дупликация (частич­ная трисомия) – удвое­ние участка хромосомы. Примером может слу­жить синдром трисомии по короткому плечу 9-й хромосомы (9 р +) у че­ловека, проявляющий­ся умственной отста­лостью, задержкой рос­та, микроцефалией и другими пороками (см. рис. 5.2).

Инверсия – отрыв уча­стка хромосомы, поворот его на 180° и прикрепление к месту отрыва. При этом на­блюдается нарушение порядка расположения генов (см. рис. 5.2)

Межхромосомные перестройки происходят между негомологичны-

ми хромосомами.

Транслокация – это обмен сегментами между негомологич­ными хромосомами. Различают: реципрокные транслокации, когда две хромосомы обмениваются сегментами (рис. 5.4); нереципрокные, когда сегменты одной хромосомы переносятся на другую (рис. 5.5); робертсоновские, когда две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными рай­онами (рис. 5.6). Иногда может происходить поперечный, а не продольный, как обычно, разрыв хроматид в области центро­мер; в этом случае образуются изохромосомы (рис. 5.7), пред­ставляющие собой зеркальное отображение двух одинаковых плеч (длинных или коротких).

 

 

Рис. 5.4. Схема реципрокной транслокации

 

 

 

Рис. 5.5. Схема нереципрокной транслокации

 

 

Рис. 5.6. Схема робертсоновской транслокации

 

 

Рис. 5.7. Схема образования изохромосом

 

Нехватки (частичные моносомии) и дупликации (частичные трисомии) всегда проявляются фенотипически, так как изменя­ется набор генов и нарушается регуляция их активности в про­цессе эмбриогенеза. Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда; они могут быть сбалансированными, ког­да не происходит ни увеличения, ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс генов. При инверсиях и транслокациях, происшедших в клетках половых желез, предше­ственницах гамет, затрудняется конъюгация гомологичных хромосом, что может служить причиной нарушения распределения генетического материала между дочерними клетками.

Хромосомные аберрации выявляются цитогенетическими методами с помощью специальной дифференциальной окра­ски хромосом.

 

Генные мутации

 

Генные (точковые) мутации, или трансгенации, связаны с изменениями структуры гена (молекулы ДНК). Генные мута­ции могут затрагивать как структурные, так и функциональ­ные гены.