Спонтанные и индуцированные мутации. Методы учета мутаций.

Для учета частоты возникновения или выявления мутаций используют разные методические приемы. Первые методы предложены Мёллером для определения частоты образования мутаций у дрозофил.

 

Метод С1В. Наиболее объективно можно учитывать частоту возникновения рецессивных летальных мутаций (смерть в гомозиготном состоянии).

Генетическая структура линии С1В характеризуется тем, что одна из Х – хромосом маркирована доминантным геном Bar и инверсией, которую можно обозначить С. Эта инверсия препятствует кроссинговеру и обладает рецессивным летальным эффектом.

♀ линии С1В скрещивают с ♂ из исследуемой выборки. Если ♂ взяты из природной популяции, то можно оценить частоту возникновения мутаций у них. Если же берут ♂, обработанных мутагеном, то в этом случае оценивается частота летальных мутаций, вызванных этим мутагеном.

В F1 отбирают ♀ С1В+ (гетерозигот по мутации Bar) и скрещивают индивидуально каждую ♀ в отдельной пробирке с ♂ дикого типа. Если в проверяемой хромосоме нет мутации, то в потомстве будет 2 класса ♀ и 1 класс ♂В+, поскольку ♂ С1В гибнут из-за наличия летальной мутации. Т.о. общее расщепление по полу 2:1, но если же в опытной хромосоме возникает летальная мутация, то в F2 будут только ♀, т.к. ♂ обоих классов погибнут: в одном случае из-за наличия летальной мутации в Х-хромосоме (С1В), а в другом случае из-за наличия летали в опытной Х-хромосоме.

Определяя отношение числа Х-хромосом (пробирки с индивидуальными скрещиваниями, в которых возникла леталь), к общему числу изученных Х-хромосом (пробирок) подсчитывают частоту летальных мутаций в определенной группе или выборке.

 

Метод С_уР/ Lt. Для учёта летальных мутаций в аутосомах дрозофилы используют линии сбалансированных леталей. Например, для обнаружения летали во 2 хромосоме используют линию С_уР/Lt, в этой линии в одной хромосоме расположены доминантные мутации:

· С_у – загнутые крылья

· L – маленькие дольковидные глаза

Каждая из мутаций в гомозиготном состоянии вызывает летальный эффект.

Мутации сопряжены с инверсией, подавляющей кроссинговер. В гомологичной хромосоме, также несущей инверсию, присутствует доминантная мутация Pm (plum – коричневые глаза). Анализируемых ♂ скрещивают с ♀ СуL/Pm (загнутые крылья, маленькие дольковидные глаза коричневого цвета). В F1 отбирают таких же ♂ СуL/Pm+ и скрещивают с ♀ исходной линии. В F2 отбирают ♂ и ♀ только СуL, у которых гомологичная хромосома является испытуемой, получают 3 класса потомков:

· один класс гибнет из-за гомозиготности по мутациям СуL

· гетерозиготы СуL/Pm+

· гомозиготы по испытуемой хромосоме

Получают соотношение 2: 1.

Если в испытуемой хромосоме произошла летальная мутация, то в F2 получаются мухи только СуL/Pm+.

С помощью этого метода можно учитывать частоту рецессивных летальных мутаций во 2 хромосоме дрозофилы.

 

Учёт мутаций у микроорганизмов.

Использование микроорганизмов очень удобно из-за того, что все гены у них в единственном числе, мутации проявляются в F1, кроме того каждая клетка на плотной среде может образовать отдельную колонию – клон идентичных клеток.

Если мутации дают селективное преимущество, то мутантов легко обнаружить методом отпечатков Леденберга.

Спонтанные мутации.

В любой популяции всегда есть особи, которые несут мутации. Многие годы до открытия искусственной индукции мутаций использовали спонтанные мутации.

 

1925 г. – советские ученые Четвериков, Беляев, Ромашов в результате экспериментальной проверки популяции дрозофилы нашли очень большое число разных мутаций. Установили, что каждый ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние.

 

Причины индукции спонтанных мутаций полностью не изучены.

1. Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующего излучения (ЕФИИ), однако как показали расчеты для дрозофилы ЕФИИ может быть ответственен за 0,1% мутаций. Хотя по мере увеличения продолжительности жизни организма воздействие ЕФИИ может накапливаться и у человека 0,1 – 0,25% спонтанных мутаций может быть отнесено на счет ЕФИИ.

2. Также причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом, генов в ходе нормальных метаболических процессов, которые происходят в клетке. По многочисленным данным спонтанные мутации возникают во время деления хромосом и репликации ДНК. Считают вероятным, что спонтанные мутации представляют собой чаще всего следствием случайных ошибок в молекулярных механизмах.

3. Ещё одной причиной является перемещение по геному МГЭ, которые могут внедриться в любой ген и вызвать их мутацию. 80% мутаций возникли в результате перемещения МГЭ.

 

Индуцированные мутации.

Работы Т. Моргана, Надсона и Филлипова, которые облучали рентгеновскими лучами культуру плесневых грибов (1925 г.) получили расщепление культуры на 2 формы (расы). Получились мутанты, отличающиеся друг от друга и от исходной формы.

 

1927 г. – Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учёта рецессивных летальных мутаций с Х-хромосоме.

 

1939 г. – Гершинзон открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофил. Решил проверить свое предположение о том, что ДНК является такой молекулой. Изолировал ДНК из тимуса и добавил в корм дрозофил. Среди ≈ 15 тыс. проанализированных контрольных мух (корм без ДНК) не было получено ни одной мутации. В опытной группе среди ≈ 13 тыс. мух были получены 13 видимых мутаций.

В последние годы используют аналоги азотистых оснований, включающиеся непосредственно в ДНК.

 

1946 г. – Раппопорт действовал водным раствором формалина и получил 47 летальных мутаций в Х-хромосоме, учитывал с помощью метода С1В.

 

Хромосомные перестройки.

Инверсии – это хромосомные перестройки, связанные с поворотом отдельных участков хромосомы на 180^о.

Открыты Стертевантом в 1926 г.

 

Инверсии бывают:

· парацентрические – происходит 2 разрыва хромосом, оба по одну сторону от центромеры. Участок между точками разрыва поворачивается на 180^о.

· перицентрические – точки разрыва расположены по обе стороны от центромеры.

 

Приняты специальные обозначения In1 (BE) – инверсия произошла в 1 хромосоме, ВЕ – инвертированный район.

У особей гетерозиготных по инверсии в хромосоме образуется петля. У гомозигот по инверсии кроссинговер происходит нормально.

У гетерозигот по парацентрической инверсии происходит запирание кроссинговера следующим образом: в случае перекреста между генами, например, С и D образуются 2 продукта – ацентрические и дицентрические хромосомы, т.е. без центромеры и с 2 центромерами. Обе комбинации летальны. Т.о. в результате кроссинговера образуются нежизнеспособные гаметы, кроссинговер в потомстве не регистрируется. Двойной кроссинговер, произошедший в пределах инверсии, может восстановить образование гамет.

В случае перекреста между генами в перицентрической инверсии получается 2 продукта: каждая из полученных хромосом несет дупликацию одного неинвертированного района хромосомы и делецию другого, гаметы получаются нежизнеспособными. Происходит запирание кроссинговера.

Поскольку кроссинговер в инвертированном участке хромосомы заперт в нем могут формироваться блоки мутаций, отличные от тех, которые локализованы в гомологичном фрагменте хромосомы, но неинвертированном. Хромосомы с множественными инверсиями используют при создании балансерных линий, т.е. линий, которые позволяют поддерживать летальные мутации и мутации по плодовитости. Пр.: линия С1В.

В настоящее время происходит конструирование балансерных хромосом (генная инженерия).

1940 г. – Гершинзон предложил способ получения делеций и дупликаций в результате кроссинговера между инверсиями, которые имеют близкорасположенные точки разрыва. У гетерозигот по 2 инверсиям кроссинговер приводит к образованию 2 хромосом: с делецией района и с дупликацией района.

Транслокации – хромосомные перестройки, в результате которых часть хромосомы переносится в другое место той же хромосомы или в другую хромосому, но общее число генов не изменяется. Открыты Бриджесом в 1923 г.

Внутрихромосомные транслокации возникают в результате образования 3 разрывов и перенесения хромосомного сегмента в другой район той же хромосомы. Межхромосомные реципрокные транслокации возникают в результате образования 2 разрывов и обмена участками негомологичных хромосом. В результате реципрокного обмена фрагментами образуются гетерозиготные транслокации.

Транслокации имеют обозначения Т(2;3) 35А и 71С – точки разрыва на цитологической карте этих хромосом.

Если образуются 3 точки разрыва и фрагмент хромосомы удаляется из одной хромосомы и встраивается в другую – это инсерционная транслокация. В результате расщепления в последующих поколениях возникает делеция в одной хромосоме и дупликация в другой.

Инсерционные транслокации обозначают следующим образом Т (2;3) 22А – 23А; 64Е – транслокация между 2 и 3 хромосомами, участком 22А – 23А 2 хромосомы в участок 64Е 3 хромосомы.

Реципрокные транслокации выявляются в экспериментах, если в результате скрещивания изменяется расщепление. Если скрестить ♀ гомозиготную по мутации dp (2 хромосом а) и мутации e (3 хромосома) с ♂ гетерозиготным по этим генам, то в потомстве 4 класса потомков в соотношении 1:1:1:1. Если же у ♂ участок хромосомы с геном е перенесен в хромосому с геном dp, то расщепление изменяется поскольку dp и е в одной хромосоме => нарушается независимое расхождение хромосом в мейозе и образуется только 2 класса гамет (вместо 4).

1911 г. – Робертсон обнаружил, что метацентрическая хромосома у одного из видов насекомых соответствует 2 видам акроцентрических хромосом другого вида, т.е. в ходе эволюции метацентрики могут возникать за счет слияния акроцентриков, такое слияние целых плеч хромосом стали называть робертсоновскими транслокациями. Число больших плеч хромосом при этом остается близким к постоянному.

 

Делеция – утрата какого-то участка хромосом. Открыты Бриджесом в 1917 г.

Могут быть 2 видов:

· потеряна средняя часть хромосомы

· потеряна концевая часть хромосомы

 

Делеции не могут быть очень длинными. Пр.: синдром кошачьего крика (делеция короткого плеча 5 хромосомы).

 

Дупликации – дополнительный наследственный материал идентичный тому, что уже есть в геноме. Открыты Бриджесом в 1919 г.

 

Полиплоидия.

 

Причины возникновения:

1) неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе

2) деление ядра без деления клетки

3) удвоение хромосом без их отделения друг от друга

 

Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называются полиплоидами или эуплоидами.

 

Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному набору, называются гетероплоидными или анеуплоидными.

Полиплоидизация может также возникать в части клеток в резулбтате нарушения митоза – это соматическая полиплоидия.

 

Автополиплоидия – полиплоидия, возникающая на основе увеличения числа хромосом внутри рода.