Проблематика мутаций в генетике

        В зависимости от того, какой признак положен в основу, на сегодняшний день существует несколько систем классификации мутаций.

4. Классификация мутаций

Классификация мутаций:

- По способу  возникновения. Различают спонтанные и индуцированные мутации Спонтанные происходят в природе крайне редко с частотой 1-100 на миллион экземпляров данного гена. В настоящие время, очевидно, что спонтанный мутационный процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов, которые называют мутационным давлением среды. 
Индуцированные мутации возникают при воздействии на человека мутагенами – факторами, вызывающими мутации. Мутагены же бывают трех видов: физические (радиация, электромагнитное излучение, давление, температура и т.д.); химические (цитостатики, спирты, фенолы и т.д.); биологические (бактерии и вирусы).                                                                                                                                              – По отношению к зачатковому пути. Существуют соматические и генеративные мутации. Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и поэтому не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета участвовала в оплодотворении.                     – По адаптивному значению. Выделяют положительные, отрицательные и нейтральные мутации. Эта классификация связана с оценкой жизнеспособности образовавшегося мутанта. 
- По локализации в клетке. Мутации делятся на ядерные и цитоплазматические. Цитоплазматические мутации возникают в результате мутаций в плазмогенах, находящихся в митохондриях. Полагают, что именно они приводят к мужскому бесплодию. Причем такие мутации в основном наследуются по женской линии.    – По изменению генотипа. Мутации бывают генные, хромосомные и геномные.   

5. Генные  мутации

Генные  мутации.

    Внезапные спонтанные изменения фенотипа, которые нельзя связать с обычными генетическими явлениями или микроскопическими данными о наличии хромосомных аберраций, можно объяснить только изменениями в структуре отдельных генов. Генная, или точечная (поскольку она относится к определенному генному локусу), мутация – результат изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосомы. Такое изменение последовательности оснований в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре мРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах. Существуют различные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой оснований в гене. Это дупликации, вставки, делении, инверсии или замены оснований. Во всех случаях они приводят к изменению нуклеотидной последовательности, а часто – и к образованию измененного полипептида. Например, делеция вызывает сдвиг рамки.

    Генные мутации, возникающие в гаметах или в будущих половых клетках, передаются всем клеткам потомков и могут влиять на дальнейшую судьбу популяции. Соматические генные мутации, происходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза. Они могут оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда популяции. Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях при этом образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления. Эти клетки могут дать начало опухолям – либо доброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, что приводит к раковым заболеваниям.

    Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть мелких генных мутаций фенотипически не проявляется, поскольку они рецессивны, однако известен ряд случаев, когда изменение всего лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидноклеточная анемия (Рис. 5) – заболевание, вызываемое у человека заменой основания в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Молекула дыхательного пигмента гемоглобина у взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей (двух α- и двух ß- цепей), к которым присоединены четыре простетические группы алин. От структуры полипептидных цепей зависит способность молекулы гемоглобина переносить кислород. Изменение последовательности оснований в триплете, кодирующем одну определенную аминокислоту из 146, входящих в состав ß-цепей, приводит к синтезу аномального гемоглобина серповидных клеток (HbS). Последовательности аминокислот в нормальных и аномальных ß-цепях различаются тем, что в одной точке аномальных цепей гемоглобина S глутамидовая кислота замещена алином. В результате такого, казалось бы, незначительного изменения гемоглобин S кристаллизуется при низких концентрациях кислорода, а это в свою очередь приводит к тому, что в венозной крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. Физиологический эффект мутации состоит в развитии острой анемии и снижении количества кислорода, переносимого кровью. Анемия не только вызывает физическую слабость, но и может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю. В гетерозиготном состоянии этот аллель вызывает значительно меньший эффект: эритроциты выглядят нормальными, а аномальный гемоглобин составляет только около 40%. У гетерозигот развивается анемия лишь в слабой форме, а зато в тех областях, где широко распространена малярия, особенно в Африке и Азии, носители аллеля серповидноклеточности невосприимчивы к этой болезни. Это объясняется тем, что ее возбудитель – малярийный плазмодий – не может жить в эритроцитах, содержащих аномальный гемоглобин.

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.

     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. 

     Биохимические методы выявления мутаций исключительно разнообразны и основаны на применении различных методик.                                                               - 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).                                                                             - Методики, основанные на непосредственном выявлении измененных нуклеиновых кислот и белков с помощью гель-электрофореза в сочетании с другими методиками (блот-гибридизации, авторадиографии).

     6. Хромосомные мутации

     Хромосомные мутации.

    Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации

хромосом, поэтому  их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся  на внутри - и межхромосомные. К внутрехромосмным относятся:

• Дубликация – один из участков хромосомы представлен более одного раза.
• Делеция – утрачивается внутренний участок хромосомы.
• Инверсия * повороты участка хромосомы на 180 градусов.

Межхромосомные  перестройки (их еще называют транслокации) делятся на:

• Реципрокные – обмен участками негомологичных хромосом.     
• Нереципрокные – изменение положения участка хромосомы.
• Дицентрические – слияние фрагментов негомологичных хромосом.
• Центрические – слияние центромер негомологичных хромосом.

 

    Хромосомные мутации проявляются у 1% новорожденных. Однако интересно,

исследования  показали, что нестабильность соматических клеток здоровых

доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том,

что нестабильность соматических клеток следует рассматривать  не только как

патологическое  состояние, но и как адаптивную реакцию  организма на измененные

условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут  обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распространенный пример - синдром "Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяукание кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны - 24. Таким образом, различие составляет всего одна хромосома.  Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина. 

7. Геномные  мутации 

Геномные  мутации 

    Главная отличительная черта геномных мутаций связана с нарушением числа

хромосом в  кариотипе. Эти мутации так же подразделяются на два вида:

полиплоидные  анеуплоидные.

    Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром впервые был лишь обнаружен в 60-ых годах. Вообще полиплодия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие) , а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы.

    Такое изменение ведет практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности.

    Тетраплодие встречается еще реже, но так же зачастую приводит к летальному

исходу.

    Анеуплоидные же мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотипе,

некратное гаплоидному  набору. В результате такой мутации  возникают осыби с

аномальным чилом  хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к

смерти еще  на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий

является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе.

    В целом же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией

нарушения нормального  расхождения хромосом в мейозе, в  результате чего

образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. Изменения в организме

связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс

называется мозаицизм.

    Геномные мутации одни из самых страшных. Они ведут к таким заболеваниям, как синдром Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600

новорожденных) (Рис. 6), синдром Клайнфельтера и др. 

8. Спонтанные  мутации 

Спонтанные  мутации 

    Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его

родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали, что

примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную  мутацию. Ученый же

Холдейн рассчитал  среднюю вероятность появления  спонтанных мутаций, которая

оказалась равна 5*10^-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов. В результате спонтанных мутаций появились многие виды животных (Рис. 7) и растений. 

9. Индуцированные  мутации 

Индуцированные  мутации