Наследственность и влияние на человека факторов среды: введение

 

 

    Мутации со сдвигом рамки считывания составляют ~ 80% от всех генных мутаций. Вставки  иначе называются инсерциями, а потери – эксцизиями. Процесс образования вставок называется инсерционным мутагенезом. Инсерционный мутагенез необходимо учитывать в генной инженерии.    

    Нонсенс–мутации. Особую группу генных мутаций составляют нонсенс–мутации с появлением стоп–кодонов. Нонсенс–мутации могут возникать как вследствие замен нуклеотидных пар, так и с потерями или вставками. С появление стоп–кодонов синтез полипептида вообще обрывается. В результате могут возникать нуль–аллели, которым не соответствует ни один белок.

    Кроме того, мутация в одном гене может  подавлять мутации, происходящие в  других (неаллельных) генах. Это явление  называется межгенной супрессией.   

    Дополнение 1. Существуют особые мутации, влияющие на экспрессию генов у эукариот

    1. Мутации, изменяющие степень компактизации ДНК. В гигантских политенных хромосомах и в хромосомах типа ламповых щеток описаны мутации, инактивирующие ген, расположенный в каком-либо одном участке ДНК, т.е. блокирующие декомпактизацию хроматина. Скрещивание гетерозигот по таким регуляторным мутациям в F₂ дает расщепление 3:1, указывая на то, что они затрагивают единичные менделирующие факторы.

    2. Гомеозисные мутации. Изменяют порядок экспрессии генов. Фенотипический эффект гомеозисных мутаций заключается в превращении одних органов в другие. Например, у мушки дрозофилы мутация группы bithorax, контролирующих развитие грудных и брюшных сегментов у дрозофилы, может приводить к появлению крылоподобных образований вместо галтеров; мутации группы antennapedia выражаются в том, что у насекомых на месте антенн вырастают ножки; мутации ophthalmoptera – развитие крыла из имагинального диска глаза; мутации proboscipedia – развитие ноги или части антенны (в зависимости от температуры) вместо хоботка; у мутантов tumorous head ткани головы замещаются другими типами тканей, включая структуры, характерные для гениталий.  

    Дополнение 2. Некоторые мутации обладают плейотропным действием, т.е. приводят к изменению сразу нескольких признаков.

    Пример 1. Ароматические аминокислоты – триптофан, фенилаланин, тирозин – образуются из хоризмовой кислоты. Если некоторая  мутация заблокирует хотя бы один этап синтеза хоризмовой кислоты, то клетка (организм) утрачивает способность к синтезу сразу трех аминокислот.

    Пример 2. Один и тот же фермент (трансаминаза) контролирует синтез валина (из α–кетоизовалериановой кислоты) и изолейцина (из α–кето–β–метилвалериановой кислоты). Если некоторая мутация нарушит функции этого фермента, то клетка (организм) утрачивает способность к синтезу сразу двух аминокислот.  

     Методы  выявления генных мутаций

     Сложность выявления генных мутаций связана, во-первых, с рецессивностью большинства  мутаций (вероятность их фенотипического  проявления ничтожно мала), а во вторых с летальностью многих из них (мутанты  не выживают).

     Все множество методов выявления  генных мутаций можно разделить  на две группы: методы генетического  анализа и биохимические методы.

     1. Методы генетического анализа основаны на скрещивании возможных носителей мутации с тестерными линиями (линиями-анализаторами). Самый простой метод – это скрещивание носителей предполагаемой мутации с соответствующей рецессивно-гомозиготной линией, т.е. обычное анализирующее скрещивание.

     Однако  этот метод не позволяет выявить  неизвестные мутации, а также  летальные мутации. Поэтому создаются  специальные тестерные линии для учета летальных мутаций.   

    Например, у мушки дрозофилы синтезирована  тестерная линия М–5 (Мёллер–5), которая характеризуется особой структурой X–хромосом у самок. В этих хромосомах имеются аллели с определенным фенотипическим  проявлением (доминантный аллель B – полосковидные глаза; рецессивный аллель w^a – абрикосовые глаза; кроме того, имеется еще один аллель – sc, контролирующий отсутствие щетинок, но он в анализе обычно не учитывается). В хромосомах М–5 изменен порядок генов: имеется одна большая инверсия и одна малая, расположенная внутри большой (инверсии будут рассмотрены ниже); такое строение хромосом исключает появление кроссоверных особей при скрещивании мушек М–5 с другими линиями.

    Для выявления мутаций используются самцы дикого типа – с нормальными  X–хромосомами (аллели В⁺ и w⁺ – нормальные красные глаза, sc⁺  – нормальные щетинки; нормальный порядок генов). Эти самцы подвергаются обработке мутагенами (факторами, повышающими частоту мутаций). В результате в их половых клетках часть X–хромосом мутирует, т.е. в них возникают мутации. Обработанные самцы скрещиваются с самками М–5. В первом поколении (F1) все самки имеют полосковидные темно-красные глаза, а самцы – абрикосовые полосковидные глаза. Кроме того, часть самок получает от отцов по нормальный X–хромосоме, а часть – по мутантной X–хромосоме. Все самцы получают от матерей М–5 только немутантные хромосомы с аллелями В и w^a. В F1 рецессивные мутации у самок, даже если они есть, не дают летального эффекта, поскольку они находятся в гетерозиготном состоянии: мутантная X–хромосома дикого типа от отца сочетается с немутантной М–5–хромосомой от матери.

    Затем гибриды первого поколения скрещиваются между собой, и потомство каждой самки выращивается отдельно. Часть  самок несет немутантную X–хромосому дикого типа, и в их потомстве обнаруживаются немутантные самцы дикого типа. Однако некоторая часть самок несет мутантную X–хромосому дикого типа с летальной мутацией; соответственно их сыновья, получившие такие хромосомы, не выживают, и самцы дикого типа в потомстве самок–носительниц не обнаруживаются.

    Ниже  приведены схемы скрещивания, иллюстрирующие принцип использования метода Мёллер–5 (символом l обозначены летальные мутации).   

 

 

 

 

1 вариант скрещивания  – без летальных мутаций  

 

 

2 вариант скрещивания  – при наличии летальных мутаций   

 

 

В настоящее  время, кроме тестерной линии М–5 используются и другие тестерные лини мушек дрозофил и других модельных объектов. Например, существуют тест-системы, позволяющие выявлять мутации X-хромосомах самцов в первом же поколении, а также мутации в аутосомах. Применение этих линий позволяет изучать закономерности мутационного процесса, однако классический генетический анализ далеко не всегда можно использовать для выявления мутаций в популяциях человека и многих других организмов.  

     2. Биохимические методы выявления мутаций исключительно разнообразны и основаны на применении различных методик.

     а). Методики, основанные на выявлении определенных биохимических продуктов мутантных генов. Легче всего выявлять мутации по изменению активности ферментов или по утрате какого-либо биохимического признака. Например, у микроорганизмов на селективных питательных средах выявляются ауксотрофные формы, не способные синтезировать определенные вещества (по сравнению с нормальными, прототрофными формами).

     б).  Методики, основанные на непосредственном выявлении измененных нуклеиновых кислот и белков с помощью гель-электрофореза в сочетании с другими методиками (блот-гибридизации, авторадиографии).  

4. Общие закономерности  мутационного процесса. Механизмы возникновения  генных мутаций  

     Причины возникновения мутаций 

     По  причинам возникновения различают  спонтанные и индуцированные мутации.

      Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают без видимых причин. Эти мутации иногда рассматривают как ошибки трех Р: процессов репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Это означает, что процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма. Например, известны мутации, которые повышают или понижают частоту других мутаций; следовательно, существуют гены-мутаторы и гены-антимутаторы.

      Индуцированные  мутации возникают под действием мутагенов. Мутагены – это разнообразные факторы, которые повышают частоту мутаций. Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия.

      Различают несколько классов мутагенов:

  ü      Физические мутагены: ионизирующие излучения, тепловое излучение, ультрафиолетовое излучение.

  ü      Химические мутагены: аналоги азотистых оснований (например, 5-бромурацил), альдегиды, нитриты, метилирующие агенты, гидроксиламин, ионы тяжелых металлов, некоторые лекарственные препараты и средства защиты растений.

  ü      Биологические мутагены: чистая ДНК, вирусы, антивирусные вакцины.

  ü      Аутомутагены – промежуточные продукты обмена веществ. Например, этиловый спирт сам по себе мутагеном не является. Однако в организме человека он окисляется до ацетальдегида, а это вещество уже является мутагеном. 

 

 

    Общие закономерности мутагенеза

    Мутации возникают не мгновенно. Вначале  под воздействием мутагенов возникает  предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это – не физико-химический, а биологический процесс.