Генотипическая (наследственная) изменчивость.

КОМБИНАТИВНАЯ И МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ.

СВОЙСТВА МУТАЦИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ.

Генетика изучает не только наследственность, но и изменчивость организмов. Изменчивостью называют способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости, организмы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания. Различают два типа изменчивости: ненаследственную, или модификационную, т.е. изменчивость, при которой изменений генотипа не происходит, и наследственную, или генотипическую.

Генотипическая (наследственная) изменчивость подразделяется на комбинативную и мутационную.

Комбинативная изменчивость

Комбинативная наследственная изменчивость обусловлена появлением новых комбинаций генов в генотипе дочернего организма. Разнообразные сочетания генов приводят к появлению у потомства новых фенотипов по сравнению с фенотипами обоих родителей. Источники комбинативной изменчивости:

1.Рекомбинация генов при кроссинговере. 2.Независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе. З.Случайное сочетание хромосом при оплодотворении. С комбинативной изменчивостью связано явление гетерозиса, т.е. повышенной гибридной силы, которое широко используется в сельском хозяйстве. Гетерозис наблюдается в первом поколении при гибридизации между разными сортами растений. У гибридов увеличивается рост, жизнестойкость, урожайность. Ярко выражен гетерозис у кукурузы. Гетерозис можно объяснить тем, что у гибридов увеличивается число доминантных генов, которые в сочетании друг с другом оказывают положительное влияние на проявление признаков (комплементарность, полимерное действие генов). Например, гена А и В влияют на роста растения. При скрещивании родительских форм с генотипами Аавв и ааВВ появляются гибриды АаВв - более высокие и мощные.

Мутационная изменчивость

Мутацией (от лат. mutatio - перемена) называют внезапное, скачкообразное изменение генетического материала, возникающее спонтанно или под влиянием внешних воздействий на организм, передающееся по наследству. Термин "мутация" был впервые введен де Фризом. На рис. 9.1. приведена классификация мутаций.

Классификация мутаций

Мутации можно объединять, в группы—классифицировать по характеру проявления, по месту или, по уровню их возникновения. Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными (1). Доминантные мутации проявляются в фенотипе в 1-м поколении. Если доминантные мутации неблагоприятные, то организмы могут оказаться нежизнеспособными или неплодовитыми. Такие мутации элиминируют. Большинство мутаций являются рецессивными, т.е. не проявляются у гетерозигот и способны накапливаться в поколениях, уклоняясь от действия естественного отбора.

Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью — летальными (2). Нейтральные мутации формируют полиморфизмы - генетическое разнообразие индивидуумов.Примером нейтральных мутаций у человека могут быть разные группы крови, разный цвет волос или глаз. Многие нейтральные мутации затрагивают некодирующие участки генома и не проявляются фенотипически.

Бывают случаи, когда некоторые вредные рецессивные мутации могут оказаться полезными для организмов и гетерозиготные носители таких мутаций будут иметь преимущество при естественном отборе. Например, серповидно-клеточная анемия------изменение формы эритроцитов устойчивость гетерозигот к малярии).

Мутации подразделяют по месту их возникновения или по типу мутировавших клеток. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Такие мутации называют соматическими. Соматические мутации возникают очень часто и в большинстве случаев остаются незамеченными для организма. Но в некоторых случаях мутации соматических клеток дают начало злокачественной трансформации и развитию опухоли.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. Факторы, которые способны вызывать мутации, называются мутагенами (рис.9.2). Организм, который приобрел новый признак в результате мутации, называется мутантом.

Мутации ха рактеризуются следующи ми свойствами:

1. Возникают внезапно, т.е. скачкообразно;

2. Мутации затрагивают гены, следовательно, они наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение;

3. Ненаправлены, т.е. может мутировать любой локус;

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно в «горячих точках». По причинам возникновения мутации могут быть спонтанными и

индуцированными.Индуцяроъатые мутации возникают под действием мутагенных факторов, которые можно подразделить на 3 большие группы: физические, химические и биологические.

К физическим мутагенам относятся различные виды излучений, температура, влажность, шум, вибрация и т.д. Основные механизмы их действия:

1. Нарушение структуры генов и хромосом;

2. Образование сшивок - тиминовых димеров (рис. 9.3.).

3. Образование свободных радикалов, которые вступают в химические взаимодействия с ДНК;

4. Разрыв нитей ахроматинового веретена деления;

К химическим мутагенам относятся:

а) природные органические и неорганические соединения (нитриты, нитраты, гормоны, алколоиды, бензол, фенол и т.д.)

б) продукты промышленной переработки природных соединений - угля, нефти (ароматические углеводороды, бензпирен...)

в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе -ксенобиотики (пестициды, инсектициды, никотин, пищевые добавки, консерванты, лекарственные вещества...)

г) некоторые метаболиты организма человека (хлороформ - фосген, парацетамол - яд, повреждающий печень и почки...)

Механизм действия химических факторов:

1) дезаминирование

2) алкилирование;

3) замены азотистых оснований

4) угнетение синтеза нуклеиновых кислот.

Биологические мутагенные факторы - вирусы (встраиваются в ДНК хозяина - человека), бактерии (продукты их метаболизма относятся к химическим мутагенам).

 

Мутации классифицируют по уровню их возникновения. В соответствии с уровнями организации наследственного материала различают генные, хромосомные и геномные мутации.

/. Геномные (изменения числа хромосом - полиплоидия, гаплоидия,

анеуплоидия).

2. Хромосомные (изменения структуры хромосом - хромосомные

аберрации).

5. Генные (изменения структуры генов - молекулы ДНК)

К геномным мутациям относятся полиплоидии и гетероплоидии (см. лекцию №8 - хромосомные болезни человека).

Существуют хромосомные и генные мутации. К геномным мутациям относятся также изменения кариотипа (изменение числа хромосом).. Полиплоидия — увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (Зп), тетраплоиды (4п) и т. д. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Все они выделяются большой вегетативной массой и имеют большую хозяйственную ценность. Большое многообразие полиплоидов наблюдается в цветоводстве: если одна исходная форма в гаплоидном наборе имела 9 хромосом, то культивируемые растения этого вида могут иметь 18, 36, 54 и до 198 хромосом. Полиплоиды пблучают в результате воздействия на растения температуры, ионизирующей радиации, химических веществ (колхицин), которые разрушают веретено деления клетки. У таких растений гаметы диплоидны, а при слиянии с гаплоидными половыми клетками партнера в зиготе возникает триплоидный набор хромосом (2п + п = Зп). Такие триплоиды не образуют семян, они бесплодны, но высокоурожайны. Четные полиплоиды образуют семена. Гетероплоидия —изменение числа Хромосом, не кратное гаплоидному набору. При этом набор хромосом в клетке может быть увеличен на одну, две, три хромосомы (2п + 1; 2п + 2; 2п + 3) или уменьшен на одну хро мосому (2л-1). Например, у человека с синдромом Дауна оказывается одна лишняя хромосома по 21-й паре и кариотип такого человека составляет 47 хромосом У людей с синдромом Шерешевского —Тернера (2п-1) отсутствует одна Х-хромосома и в кариотипе остается 45 хромосом. Эти и другие подобные отклонения числовых отношений в кариотипе человека сопровождаются расстройством здоровья, нарушением психики и телосложения, снижением жизнеспособности и др.

К хромосомным мутациям относятся мутации, связанные с яарушеиием структуры хромосом. Существуют следующие виды перестроек хромосом отрыв различных участков хромосомы, удвоение отдельных фрагменте, поворот участка хромосомы на 180° или присоединение отдельного участка хромосомы к другой хромосоме (см. рис. 8.2., рис. 9.4.). Подобное изменение влечет за собой нарушение дозы и функции генов в хромосоме, а также приводят к нарушению наследственных свойств организма, а иногда вызывают его гибель. Различают следующие типы хромосомных нарушений: делеции (утрата части хромосомы), дупликации (удвоение участка хромосомы), транслокации (перестройки), инверсии, инсерции.

К генным мутациям относятся изменения структуры гена, воспроизводимые в последовательных циклах репликации ДНК и передающиеся потомству в виде новых вариантов признаков. Генные мутации затрагивают структуру самого гена. Поскольку ген является элементарной единикей функции наследственного материала и отвечает за определенный признак, его изменения приводят к новым вариантам признака. Поэтому ген является элементарной единицей изменчивости.

Причина генных мутаций - нарушение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, которое может быть связано с заменой одних нуклеотидов на другие (составляют 20% спонтанно возникающих генных нарушений), включением в состав ДНК новых нуклеотидов {инсерции) или выпадением ряда нуклеотидов из ДНК (делеции), изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (инверсии). Все эти мутации могут приводить к изменению последовательности аминокислот в молекуле синтезируемого белка (либо за счет изменения генетического кода (замены), либо за счет сдвига рамки считывания (делеции и инсерции, не кратные 3).

В результате генных мутаций изменяется синтез соответствующих белков, что может привести либо к повышению активности, либо к ее потере, но может и не наблюдаться изменения признака. Большинство генных мутаций дают отрицательный эффект и обусловливают выпадение какой-либо ферментативной активности. Степень проявления дефекта может быть различной. У диплоидов мутации возникают только в одном из двух аллелей, в результате чего возникают гетерозиготы, фенотип которых определяется взаимодействием аллелей.

Популяции человека характеризуются определенной частотой и спектром различных мутаций. Это характеризует генетический груз популяции - т.е. часть наследственной изменчивости, характеризующуюся появлением менее приспособленных особей (больные наследственными заболеваниями или носители мутантных генов), которая при определенных условиях подвергается избирательному действию естественного отбора.

 

 

Генная терапия

Генная терапия - это метод введения фрагмента ДНК в клетки больного человека с целью замещения функции мутантного гена и лечения наследственных болезней. В конце 60-х годов было показано, что клетки животных и человека способны поглощать экзогенную ДНК и встраивать ее в свой геном, после чего проявляются экспрессия введенных генов, в частности, в виде синтеза отсутствовавших ранее белков и ферментов. Были' разработаны методы доставки ДНК в клетки с помощью вирусов и других носителей.

Впервые попытка генной терапии в клинике была предпринята М. Клайном в 1983 году, когда им было осуществлено введение нормального бета-глобинового гена больным бета-талассемией.

Позднее были проведены клинические эксперименты по генотерапии рака. В лейкоциты больных злокачественной меланомой и поздними стадиями рака были введены гены, маркирующие злокачественные клетки (чтобы их могла узнавать иммунная система). У половины больных размеры опухолей уменьшились в два раза и более.

В настоящее время насчитывается более 40 заболеваний, при которых иожет быть использована генная терапия - от редких форм (недостаточность многий -деманназы) до распространенных, таких как рак, болезни сердечно-сосудистой системы и иммунодефициту. Весьма иажно, чтобы фрагменты ДНК и соответствующие гены были введены в клетки, которые были бы способны к последующему делению (клетки печени, стволовые клетки костного мозга и т..п.). Наиболее сложная проблема - это перенос фрагмента ДНК (гена) в клетку. В большинстве случаев для этих целей используются генетически модифицированные вирусы или вирусные векторы, чаще всего мышиные ретровирусы. Они способны инфицировать любую клетку и вместе с желаемым фрагментом ДНК легко включаются в геном клетки-хозяина ДНК. Из них с помощью генно-инженерных методов удаляются нуклеотиды, ответственные за их размножение, однако введенный с вирусом-вектором ген передается дочерним клеткам при клеточном делении. Однако эти векторы не годятся для введения ДНК-фрагментов в неделящиеся клетки человека, например, в нейроны. Они мало пригодны для переноса генов в клетки, отличающиеся низкой митотической активностью, например, в клетки эпителия дыхательных путей. Эти обстоятельства обусловили поиск других вирусных векторов, среди которых внимание привлекли аденовирусы. Из них также удаляются нуклеотиды, ответственные за репликацию. Аденовирусы могут переносить ДНК в неделящиеся клетки, чем отличаются от ретровирусов. Но в этом случае переносимая аденовирусом ДНК не встраивается в геном клетки хозяина, она остается вне хромосом, хотя и проявляет генную активность. В силу эписомальной локализации она не передается дочерним клеткам. Но с другой стороны, аденовирусные векторы позволяют вводить гены в клетки нервной системы и эпителий дыхательных путей.

В качестве вектора генов используется также вирус простого герпеса -тип 1. Этот вектор легко встраивает экзогенную ДНК в нейроны, клетки печени. Как и другие вирусы-векторы, герпес-вирус подвергается генно-инженерной обработке, ведущей у утрате его способности к размножению (деления части вирусной ДНК).

Наряду с биологическими также применяются физико-химические методы введения экзогенной ДНК в клетки хозяина. Разработана технология микроинъекций ДНК в клетки (миоциты), а также введение генов с помощью липосом.

Методы генной терапии постепенно входят в арсенал современных эффективных методов лечения наследственных заболеваний человека, что особенно важно в тех случаях, когда других возможностей их. лечения не существует. Наследственный дефицит гормона роста, проявляющийся выраженной низкорослостью, может быть устранен с помощью генной терапии. Ген гормона роста удалось ввести в миоциты, которые начинали продуцировать этот гормон.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки методов генной терапии рака. Одна из возможностей состоит в том, чтобы ввести в опухолевые клетки гены, продуцирующие гакие белки, которые позволяют имунной системе организма распознавать и уничтожать эти клетки (например, ген интерферона). Другой путь заключается во введении в опухолевые клетки вирусных генов, которые позволяют использовать с лечебными целями противовирусные препараты.

Методы трансплантации тканей, в частности, трансплантация костного цозга, также могут быть отнесены к категории генной терапии. Сочетание возможностей генетики и клинической педиатрии позволит уже в недалеком будущем решать сложнейшие вопросы лечения и профилактики наследственных моногенных болезней. Современная медицинская и клиническая генетика - это пример единения науки и практики. Исследования, еще недавно представляющиеся сугубо теоретическими, в считанные годы получают реальный практический выход на благо здоровья настоящего и будущих поколений.