Основные закономерности изменчивости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Основные закономерности изменчивости

План лекции

изменчивость аллелизм гомологический плейотропный

1. Классификация типов изменчивости

2. Мутационная теория де Фриза

3. Множественный аллелизм

4. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова

5. Классификация мутаций

6. Плейотропный эффект мутаций

7. Экспрессивность и пенетрантность мутаций

8. Условные мутации

9. Методы учета мутаций

10. Спонтанные и индуцированные мутации

11. Генные мутации

12. Модификационная изменчивость. Модификации

1. Классификация типов изменчивости

Изменчивость - способность живых организмов изменяться в процессе развития или существовать в различных формах (вариантах). Изменяться означает приобретать новые признаки или утрачивать старые.

Прежде чем переходить к классификации типов изменчивости, давайте вспомним, что такое генотип и фенотип. Генетики говорят: «Фенотип формируется на основе генотипа под влиянием условий внешней среды». Это положение хорошо иллюстрирует следующий рисунок:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из этого рисунка следует, что фенотип может изменяться при изменении условий внешней среды (это модификационная изменчивость), в процессе онтогенеза (онтогенетическая изменчивость) и при изменении самого генотипа (генотипическая изменчивость).

Схема - Типы изменчивости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наследственная изменчивость связана с изменением генетического материала, а ненаследственная - не связана. При этом онтогенетическая изменчивость приводит к возрастным изменениям, а модификационная - связана с разнообразием проявлений одного генотипа в разных условиях внешней среды.

Примеры модификационной изменчивости: различия у однояйцевых близнецов, живущих в разных семьях, или у растений на хлебном поле.

Особняком стоит цитоплазматическая изменчивость, которую мы изучали ранее.

Все эти типы изменчивости наглядно изображены на рисунке, где показана изменчивость листьев земляники (род Fragaria).

В центре (по вертикали) показано изменение листа в онтогенезе от однолопастного до трехлопастного. Это - онтогенетическая изменчивость (изменчивость во времени).

Но в каждый момент онтогенеза (по горизонтали) степень выраженности признака может быть различной. Так, однолопастный лист может иметь разные размеры и разное число зубчиков и т.д. Это - модификационная изменчивость (изменчивость в пространстве).

Если же в гаметах родительских особей произойдет изменение гена, то листья растения, развивающегося из такой зиготы, могут быть однолопастными в течение всего онтогенеза. Это - мутационная изменчивость.

При скрещивании комбинация нескольких генов в генотипе может привести к образованию пятилопастного листа. Это - комбинативная изменчивость.

На рисунке для упрощения не показаны онтогенетическая и модификационная изменчивость в пределах мутационной и комбинативной.

Наследственная изменчивость является источником генетического разнообразия и исходного материала для эволюции и селекции. Ненаследственная изменчивость обеспечивает пластичность организмов, их приспособление к варьирующим условиям внешней среды. Этим она важна для эволюции.

2. Мутационная теория Де Фриза

Термин «мутация» впервые был предложен Г. Де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901-1903).

Мутация - это скачкообразное стойкое ненаправленное изменение генетического материала.

Такие изменения были известны еще Ч. Дарвину. Он называл их неопределенными изменениями и придавал им большое значение в эволюции. Однако теория мутаций была сформулирована позже Де Фризом. До сих пор не утратили своего значения основные положения его теории:

1. Мутация возникает скачкообразно, т.е. внезапно, без переходов.

2. Образовавшиеся новые формы наследуются, т.е. являются стойкими.

3. Мутации ненаправленны (т. е. могут быть полезными, вредными или нейтральными).

4. Мутации - редкие события.

5. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Однако Де Фриз необоснованно противопоставил теорию мутаций теории естественного отбора. Он ошибочно считал, что мутации могут сразу давать новые виды. На самом деле мутации являются лишь материалом для длительного отбора, результатом которого может стать возникновение нового вида.

3. Множественный аллелизм

До сих пор мы с вами считали ,что один и тот же локус гомологичных хромосом может быть представлен двумя аллелями: А и а, В и b, С и с и т.д. На самом деле один и тот же ген может мутировать в несколько состояний; иногда таких состояний бывает несколько десятков и даже сотен. Ген А может мутировать в состояние а¹, а², а³ … а^п. Ряд мутаций одного и того же локуса называют серией множественных аллелей, а само явление наличия в популяции множества аллелей одного гена - множественным аллелизмом.

Любой аллель такой серии может возникать мутационно непосредственно от аллеля дикого типа или от любого другого.

Схема возникновения серии множественных аллелей: 1 - два аллеля одного гена; 2 - серия из четырех аллелей; стрелками указано направление мутирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наследование множественных аллелей подчиняется менделевским закономерностям. При этом, в отличие от генов, для которых известно только два состояния, сочетание двух разных мутантных аллелей одного локуса в гетерозиготе называется компаундом.

Примеры множественного аллелизма

У норок существует серия множественных аллелей по окраске шерсти: коричневая (дикий тип), платиновая (серебристо-голубая) и белая. Ген окраски шерсти у норок обозначается буквой Р: РР - коричневая; рр - платиновая; р^hр^h - белая. Характер доминирования: Р > р > р^h.

У человека известна серия аллелей, определяющих группы крови: I⁰, I^А, I^В. Аллели I^А и I^В кодоминантны, а I⁰ рецессивен по отношению к ним.

У дрозофилы известно около 350 аллелей гена white. Фенотипы этих мутантов варьируют в очень широких пределах: от нормального цвета глаз до полного отсутствия пигмента.

Распространенность множественного аллелизма среди организмов обусловлена тем, что это явление увеличивает резерв генотипической изменчивости, а потому важно для эволюции.

Вообще говоря, принципиальной разницы между нормальным геном (диким типом) и мутантными генами не существует. Многие гены, свойственные диким формам вида, также были когда-то мутантными, а затем благоприятные мутантные аллели в ходе эволюции вида распространились до такой концентрации, что каждая особь вида стала их носителем.

4. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова

Следующим после Де Фриза серьезным исследованием мутаций была работа Н.И. Вавилова по наследственной изменчивости у растений.

Изучая морфологию различных растений, Н.И. Вавилов в 1920 г. пришел к выводу, что, несмотря на резко выраженное разнообразие (полиморфизм) многих видов, можно заметить и четкие закономерности в их изменчивости. Если взять для примера семейство злаков, то окажется, что одинаковые отклонения признаков присущи всем видам (карликовость у пшеницы, ржи, кукурузы; колоски безостые, неосыпающиеся и т.д.).

Закон Н.И. Вавилова гласит: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов».

Свой закон Н.И. Вавилов выразил формулой:

где G₁, G₂, G₃, - виды, а a, b, c- различные варьирующие признаки.

Этот закон важен, прежде всего, для селекционной практики, потому что прогнозирует возможность найти неизвестные формы растений данного вида, если они уже известны у других видов. Н.И. Вавилов положил закон гомологических рядов в наследственной изменчивости в основу поиска новых форм растений. Под его руководством были организованы многочисленные экспедиции по всему миру. Из разных стран были привезены сотни тысяч образцов семян культурных и диких растений для коллекции Всесоюзного института растениеводства (ВИР). Она до сих пор является важнейшим источником исходных материалов при создании новых сортов.

Теоретическое значение этого закона сейчас не кажется столь большим, каким считалось в 1920 г. В законе Н.И. Вавилова содержалось предвидение того, что у близкородственных видов должны быть гомологичные, т.е. сходные по структуре гены. В тот период, когда о структуре гена ничего не было известно, это был, безусловно, шаг вперед в познании живого («периодический закон Д.И. Менделеева в биологии»). Молекулярная генетика, секвенирование генов подтвердили правильность догадки Н.И. Вавилова, его идея стала очевидным фактом и уже не является ключом к познанию живого.

5. Классификация мутаций

Наиболее полную классификацию мутаций предложил в 1989 г. С.Г. Инге-Вечтомов. Приводим ее с некоторыми изменениями и дополнениями.

I. По характеру изменения генотипа:

Генные мутации, или точковые.

Хромосомные перестройки.

Геномные мутации.

II. По характеру изменения фенотипа:

Морфологические.

Физиологические.

Биохимические.

Поведенческие

III. По проявлению в гетерозиготе:

Доминантные.

Рецессивные.

IV. По условиям возникновения:

Спонтанные.

Индуцированные.

V. По степени отклонения от нормального фенотипа (Г. Мёллер, 1932 г.):

1. Гипоморфные.

2. Аморфные.

3. Антиморфные.

4. Неоморфные.

5. Гиперморфные.

VI. По локализации в клетке:

1. Ядерные.

2. Цитоплазматические (мутации внеядерных генов).

VII. По возможности наследования (по локализации в организме):

1. Генеративные (возникшие в половых клетках).

2. Соматические (возникшие в соматических клетках).

VIII. По адаптивному значению:

Полезные.

Нейтральные.

Вредные (летальные и полулетальные).

IX. Прямые и обратные.

Теперь дадим пояснения по некоторым типам мутаций.

Классификация мутаций по характеру изменения фенотипа.

Морфологические мутации (часто их называют видимыми) связаны с изменением в строении органов, тканей или отдельных структур клетки. К ним относятся: коротконогость у крупного рогатого скота и овец; безглазость и бескрылость у насекомых; бесшерстность у млекопитающих; неопушенность различных органов у растений; гигантизм, карликовость, альбинизм у человека и др.

Физиологические мутации вызывают изменения физиологических процессов. Типичный пример - мутация, вызывающая у мышей «вальсирующие» движения.

К биохимическим относятся мутации, изменяющие или полностью блокирующие синтез определенных веществ в организме. Наиболее хорошо они изучены у микроорганизмов. Многие мутанты (ауксотрофы) не растут без введения в среду некоторых веществ, в отличие от прототрофов - организмов дикого типа, которые способны синтезировать все необходимые им вещества и растут на минимальных средах (содержат только минеральные соли и углеводы).

Классификация мутаций по фенотипу очень условна. В основе любых мутаций всегда лежат изменения биохимических процессов. Конкретный пример: наследственное заболевание фенилкетонурия проявляется как умственная неполноценность, т.е. это - физиологическая мутация, но связана с нарушением синтеза тирозина из фенилаланина и накоплением фенилпировиноградной кислоты, которая блокирует цепи ряда реакций и в конечном счете является причиной слабоумия.

Классификация мутаций Г. Мёллера

При гипоморфных мутациях измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллель дикого типа, но дают ослабленный эффект. Например, особи с двумя летальными мутациями в гомозиготе выживают, но гемизиготы (особи, у которых одна хромосома несет мутацию, а вторая отсутствует) гибнут. В данном случае мутантный аллель действует в направлении обеспечения жизнедеятельности, но его действия не хватает. Увеличение дозы мутантного гена ведет к восстановлению признака дикого типа. Аморфные мутации проявляются в фенотипе как потеря гена. Пример - аморфная мутация w. Фенотип - белые глаза - обусловлен полной потерей функции гена, который контролирует транспорт пигмента в клетки глаза.

Антиморфные мутации изменяют фенотип дикого типа на противоположный. Например, у кукурузы ген А (дикий тип) обеспечивает пурпурный цвет растений и семян из-за наличия антоциана. Аллель а^р (антиморф) действует в противоположном направлении, что проявляется в формировании бурой окраски и блокировании образования антоцианов.

Неоморфные мутации - фенотип мутантов совершенно отличен от дикого. Например, мутация Antp у дрозофилы приводит к формированию ноги на голове, на месте антенны.

Гиперморфные мутации - у этих мутантов количество биохимического продукта резко увеличивается. Пример: окраска глаз у дрозофилы:

красная, эозиновая, темно-красная.

Генеративные и соматические мутации

Мутации могут возникать в любой клетке многоклеточного организма. Те из них, которые возникают в гаметах, называются генеративными. Мутации, возникающие в соматических клетках, называются соматическими.

Генеративная мутация может возникнуть на любом этапе развития половых клеток. Если это происходит на ранних стадиях, то число мутантных клеток пропорционально числу клеточных делений после появления мутации. В этом случае мутацию несет целая группа половых клеток; их называют пучком мутаций. Мутации, возникшие на последних этапах развития половых клеток, остаются единичными.

Соматическая мутация проявляется мозаично. Особи, несущие участки мутантной ткани, называют мозаиками, или химерами. Чем раньше в онтогенезе возникает соматическая мутация, тем большим оказывается участок ткани, несущий данную мутацию, и чем позднее - тем меньшим. Пример: соматическая мутация окраски шерстного покрова у овцы - черное пятно на фоне коричневой окраски. Подобные явления иногда встречаются у растений, животных и человека. Соматические и генеративные мутации различаются возможностью наследования: генеративные всегда передаются по наследству. У соматических мутаций две судьбы:

а) они не сыграют роли в наследственности, если организм размножается исключительно половым путем;

б) они могут передаться потомству, если организм способен размножаться бесполым путем, например, при вегетативном размножении у растений.

Одним из видов соматических мутаций у растений являются почковые мутации, возникающие в меристемных клетках точки роста стебля. В этом случае весь побег, развившийся из этой клетки, в том числе цветок, будет нести мутантный признак. Почковые мутации были известны давно и назывались спортами.

Соматические мутации могут вызывать злокачественные опухоли у человека и животных. Они имеют также отношение к процессам старения, так как с возрастом может происходить накопление физиологических мутаций.

Классификация мутаций по адаптивному значению

Летальные и сублетальные мутации вызывают гибель или снижение жизнеспособности организма. Мутации, увеличивающие жизнеспособность особей, повышающие плодовитость, относят к полезным. Пример - мутация, приводящая к увеличению синтеза антибиотиков в клетках грибов - продуцентов антибиотиков: она увеличивает вероятность выживания таких клеток среди других микроорганизмов. Мутации, которые не влияют на вероятность выживания особи или оставления ею потомства, называются нейтральными.

Классификация мутаций по их адаптивному значению также условна, так как при изменений условий внешней среды мутации из полезных могут стать вредными и наоборот. У дрозофилы мутанты с белыми глазами в нормальных условиях обладают пониженной жизнеспособностью по сравнению с мухами дикого типа. При повышении температуры белоглазые мухи оказываются более приспособленными и успешно конкурируют с красноглазыми. Другой пример: ярко-зеленый хлорофилльный мутант (полезная мутация) у ячменя, который давал значительно больший урожай на севере Швеции. На юге эта мутация оказалась нейтральной.

Признаки, полезные с точки зрения хозяйственной, могут быть нейтральными или даже вредными биологически. Например, мутация у Грибков по способности синтезировать антибиотик хозяйственно тем полезнее, чем больше антибиотиков синтезирует клетка - продуцент. Для организма же она является полезной лишь до определенного предела, а потом чрезмерный синтез антибиотика начинает угнетать клетку и может привести ее к гибели.

Еще два важных понятия.

Фенокопия - это явление, когда признак под действием факторов внешней среды изменяется и копирует признаки другого генотипа (ненаследственная изменчивость копирует наследственную). Например, если беременная женщина заразилась токсоплазмозом, то у ребенка может наблюдаться поражение головного мозга (водянка) как при болезни Дауна.

Генокопия - это одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов. Примером генокопий могут служить различные виды гемофилии, клинически проявляющиеся понижением свертываемости крови, связанные с недостаточностью восьмого или девятого факторов свертывающей системы (гемофилия А и В соответственно).

Прямые и обратные мутации

Мутации, вызывающие изменения от дикого типа к новому, называют прямыми, а от мутантного к дикому - обратными, или реверсиями.

Прямые и обратные мутации возникают с разной частотой. Например, аморфные мутации не дают реверсий к норме. Они обычно связаны с полной потерей (делецией) гена. Если же обратные мутации возникают, это значит, что при прямом мутировании ген не потерян, а произошло лишь его изменение.

В ряде случаев возврат к дикому типу представляет собой не обратную мутацию гена, а имитируется мутацией другого гена. Гены, которые путем взаимодействия с другими рецессивными генами приводят к появлению дикого фенотипа, называются супрессорами, а такой тип взаимодействия, являющийся частным случаем эпистаза, - супрессией. Поэтому, прежде чем решить вопрос, действительно ли произошла обратная мутация, необходимо провести генетический анализ.

6. Плейотропный эффект мутаций

Большинство мутаций затрагивает развитие многих признаков. Множественное проявление мутации (гена) называется плейотропией и характерно для большинства генов. Это объясняется тем, что продукт любого гена используется не в одном, а в нескольких, иногда в очень многих процессах роста и развития.

Так, при арахнодактилии, которая вызывается доминантной мутацией, наблюдаются изменения пальцев рук и ног и одновременно - вывихи хрусталика глаза и врожденные пороки сердца.

Фенилкетонурия связана с отсутствием фермента, обеспечивающего синтез тирозина из фенилаланина. У больных наблюдается слабоумие, а также ослабление пигментации (изменение морфологического признака), в моче их присутствует фенилпировиноградная кислота (откуда происходит и название болезни - фенилкетонурия).

7. Экспрессивность и пенетрантность мутаций

Оба понятия ввел в 1926 г. О. Фогт для описания варьирования мутантных фенотипов.

Экспрессивность - это степень проявления мутантного признака в фенотипе. Например, мутация eyeless у дрозофилы вызывает редукцию глаза, степень которой неодинакова у разных особей.

Пенетрантность - это частота, или вероятность проявления мутантного фенотипа среди всех особей, несущих данную мутацию. Например, 100%-ная пенетрантность рецессивной мутации означает, что у всех гомозиготных особей она проявляется в фенотипе. Если же фенотипически она обнаруживается только у половины особей, то пенетрантность мутации равна 50%.

8. Условные мутации

Эти мутации проявляются только при выполнении определенных условий.

Температуро-чувствительные мутации. Мутанты этого типа живут и развиваются нормально при одной (пермиссивной) температуре и обнаруживают отклонения при другой (рестриктивной). Например, у дрозофилы выделяют холодочувствительные (при 18С) ts-мутации (temperature sensitive) и теплочувствительные (при 29С) ts-мутации. При 25С сохраняется нормальный фенотип.

Мутации чувствительности к стрессу. В данном случае мутанты развиваются и внешне выглядят нормально, если их не подвергать каким-либо стрессирующим воздействиям. Так, мутанты sesB (stress sensitive) дрозофилы в обычных условиях не проявляют каких-либо отклонений.

Однако если резко встряхнуть пробирку, у мух начинаются судороги и они не способны двигаться.

Ауксотрофные мутации у бактерий. Они выживают только на полной среде или же на минимальной, но с добавкой того или иного вещества (аминокислоты, нуклеотида и т. д.).

9. Методы учета мутаций

Особенности методов учета мутаций. Методы обнаружения мутаций должны быть разными в зависимости от способа размножения организма. Видимые морфологические изменения учитываются легко; сложнее определить физиологические и биохимические изменения у многоклеточных организмов. Легче всего обнаруживаются видимые доминантные мутации, которые могут проявляться в гетерозиготном состоянии в первом же поколении, труднее анализировать рецессивные мутации, их необходимо переводить в гомозиготное состояние.

Для хорошо изученных в генетическом отношении объектов (дрозофила, кукуруза, ряд микроорганизмов) изучение новой мутации проводить довольно легко. Например, для дрозофилы разработаны специальные методики учета частоты мутаций.

Метод СlВ. Мёллер создал линию дрозофил СlВ (Си Эль Би) у которой одна из Х-хромосом маркирована доминантным геном Bar (В) и инверсией, названной С. Эта инверсия препятствует кроссинговеру и обладает рецессивным летальным эффектом - l. Поэтому линия и названа СlВ.

Самок этой линии-анализатора скрещивают с самцами из исследуемой выборки. Если самцы взяты из природной популяции, то можно оценить частоту леталей в ней. Или же берут самцов, обработанных мутагеном. В этом случае оценивается частота летальных мутаций, вызванных этим мутагеном.

В F₁ отбирают самок СlВ/+, гетерозиготных по мутации Bar, и скрещивают индивидуально (каждую самку в отдельной пробирке с самцом дикого типа). Если в проверяемой хромосоме нет мутации, то в потомстве будет два класса самок и один класс самцов (B⁺), поскольку самцы СlВ гибнут из-за наличия летали l, т.е. общее расщепление по полу будет 2:1.

Если же в опытной хромосоме есть летальная мутация l_m, то в F₂ будут только самки, так как самцы обоих классов погибнут - в одном случае из-за наличия летали в Х-хромосоме СlВ, в другом - из-за наличия летали l_m в опытной Х-хромосоме. Определяя отношение числа Х-хромосом (пробирок с индивидуальными скрещиваниями), в которых возникла леталь, к общему числу изученных Х-хромосом (пробирок), подсчитывают частоту летальных мутаций в определенной группе.

Мёллер неоднократно модифицировал свой метод выявления леталей в Х-хромосоме дрозофилы, в результате чего появились такие линии - анализаторы, как Mu-5, а позднее - линии - балансеры Basc, Binsn и др.

Метод Cy L/Pm. Для учета летальных мутаций в аутосомах дрозофилы используют линии сбалансированных леталей. Для проявления рецессивной летальной мутации в аутосоме тоже необходимо, чтобы она оказалась в гомозиготном состоянии. Для этого необходимо поставить два скрещивания, а учет потомков вести в F₃. Для обнаружения леталей во второй хромосоме используют линию Cy L/Pm (Сай Эл Пи Эм).

У мух этой линии во второй хромосоме расположены две доминантные мутации Cy (Curly - загнутые крылья) и L (Lobe - маленькие дольковидные глаза), каждая из которых в гомозиготном состоянии вызывает летальный эффект. Мутации представляют собой протяженные инверсии в разных плечах хромосомы. Обе они «запирают» кроссинговер. В гомологичной хромосоме также присутствует доминантная мутация - инверсия Pm (Plum - коричневые глаза). Анализируемого самца скрещивают с самкой из линии Cy L/Pm (на рисунке показаны не все классы потомков).

В F₁ отбирают самцов Cy L/Pm⁺ и индивидуально скрещивают их с самками исходной линии Cy L/Pm. В F₂ отбирают самцов и самок Cy L, у которых гомологичная хромосома является испытуемой. В результате скрещивания их между собой получается три класса потомков. Один из них погибает из-за гомозиготности по мутациям Cy и L, еще один класс потомков - это гетерозиготы Cy L/Pm⁺, а также класс гомозигот по испытуемой хромосоме. В итоге получаются мухи Cy L и Cy⁺ L⁺ в соотношении 2:1.

Если в испытуемой хромосоме произошла летальная мутация, в потомстве от последнего скрещивания будут только мухи Cy L. С помощью такого метода можно учитывать частоту рецессивных летальных мутаций во второй хромосоме дрозофилы.

Учет мутаций у других объектов. Аналогичные методы обнаружения мутаций разработаны и для других объектов. В основу их положены те же принципы:

1) обнаружить рецессивную мутацию можно, переводя ее в гомо- или гемизиготное состояние,

2) учесть точно частоту возникающих мутаций можно лишь при условии отсутствия кроссинговера у гетерозиготных особей.

Для млекопитающих (мышь, кролик, собака, свинья и др.) разработана методика учета частоты возникновения доминантных летальных мутаций. О частоте мутаций судят по разнице между числом желтых тел в яичнике и развивающихся эмбрионов у вскрытой беременной самки.

Учет частоты возникновения мутаций у человека очень затруднен, однако генеалогический анализ, т.е. анализ родословных, позволяет установить возникновение новых мутаций. Если в родословной супругов в течение нескольких поколений не встречался какой-то признак, а у одного из детей он появился и стал передаваться следующим поколениям, значит мутация возникла в гамете одного из этих супругов.

Учет мутаций у микроорганизмов. Изучать мутации у микроорганизмов очень удобно, так как все гены у них в единственном числе и мутации проявляются уже в первом поколении.

Мутантов легко обнаружить методом отпечатков, или реплик, который предложили супруги Э. и Дж. Ледерберги.

Для выявления у Е. сoli мутаций устойчивости к бактериофагу Т1 бактерии высевают на питательный агар, чтобы образовались отдельные колонии. Затем при помощи бархатной реплики эти колонии перепечатывают на чашки с нанесенной суспензией частиц фага Т1. Большая часть клеток исходной чувствительной (TonS) культуры не будет образовывать колоний, поскольку их лизирует бактериофаг. Вырастут лишь отдельные мутантные колонии (TonR), устойчивые к фагу. Подсчитывая число колоний в контрольном и опытном (например, после облучения ультрафиолетовым светом) вариантах, легко определить частоту индуцированных мутаций.

10. Спонтанные и индуцированные мутации

Спонтанные - это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора.

Индуцированные - это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторов мутагенеза.

Вообще, процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, - мутагенами.

Мутагенные факторы подразделяются на физические, химические и биологические.

Частота спонтанных мутаций одного гена составляет , для каждого гена каждого организма она своя.

Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызывает естественный фон ионизирующих излучений. Однако оказалось, что это не так. Например, у дрозофилы естественный радиационный фон вызывает не более 0,1% спонтанных мутаций.

С возрастом последствия от воздействия естественного радиационного фона могут накапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.

Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.

Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию.

Американский генетик М. Грин показал, что около 80% мутаций, которые были открыты как спонтанные, возникли в результате перемещения мобильных элементов.

Индуцированнные мутации впервые обнаружили в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после восьми последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. Их статья была опубликована только на русском языке, к тому же в работе не использовались какие-либо методы количественной оценки действия рентгеновских лучей, поэтому она осталась малозамеченной.

В 1927 г. Г. Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который стал классическим.

В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза. В настоящее время установлено, что практически все виды излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов - , , ; УФ-лучи, инфракрасные лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами.

Основные механизмы их действия:

1) нарушение структуры генов и хромосом за счет прямого действия на молекулы ДНК и белков;

2) образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК;

3) разрывы нитей веретена деления;

4) образование димеров (тиминовых).

В 30-х гг. был открыт химический мутагенез у дрозофилы: В.В. Сахаров (1932), М.Е. Лобашев и Ф.А. Смирнов (1934) показали, что некоторые соединения, такие как йод, уксусная кислота, аммиак, способны индуцировать рецессивные летальные мутации в Х-хромосоме.

В 1939 г. Сергей Михайлович Гершензон (ученик С.С. Четверикова) открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Под влиянием идей Н.К. Кольцова о том, что хромосома является гигантской молекулой, С.М. Гершензон решил проверить свое предположение, что именно ДНК является такой молекулой. Он выделил ДНК из тимуса и добавил ее в корм личинкам дрозофилы. Среди 15 тыс. контрольных мух (т.е. без ДНК в корме) не было ни одной мутации, а в опыте среди 13 тыс. мух было обнаружено 13 мутантов.

В 1941 г. Шарлоттта Ауэрбах и Дж. Робсон показали, что азотистый иприт индуцирует мутации у дрозофилы. Результаты работы с этим боевым отравляющим веществом были опубликованы только в 1946 г., после окончания Второй мировой войны. В том же 1946 г. Рапопорт (Иосиф Абрамович) в СССР показал мутагенную активность формальдегида.

В настоящее время к химическим мутагенам относят:

а) природные органические и неорганические вещества;

б) продукты промышленной переработки природных соединений - угля, нефти;

в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды и т.д.);

г) некоторые метаболиты организма человека и животных.

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.

Механизмы их действия:

1) модификация структуры оснований (гидроксилирование, дезаминирование, алкилирование);

2) замена азотистых оснований их аналогами;

3) ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот.

В последние годы используют так называемые супермутагены:

1) аналоги оснований;

2) соединения, алкилирующие ДНК (этилметансульфонат, метилметансульфонат и др.);

3) соединения, интеркалирующие между основаниями ДНК (акридины и их производные).

Супермутагены повышают частоту мутаций на 2-3 порядка.

К биологическим мутагенам относятся:

а) вирусы (краснухи, кори и др.);

б) невирусные инфекционные агенты (бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты);

в) мобильные генетические элементы.

Механизмы их действия:

1) геномы вирусов и мобильных элементов встраиваются в ДНК клеток хозяина;

2) продукты жизнедеятельности паразитов - возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

Индуцированный мутагенез, начиная с конца 20-х годов XX века, используют для селекции новых штаммов, пород и сортов. Наибольшие успехи достигнуты в селекции штаммов бактерий и грибков - продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ.

Так, удалось повысить активность продуцентов антибиотиков в 10-20 раз, что позволило значительно увеличить производство соответствующих антибиотиков и резко снизило их стоимость. Активность лучистого гриба - продуцента витамина В₁₂ удалось повысить в 6 раз, а активность бактерии - продуцента аминокислоты лизина - в 300-400 раз.

Использование мутаций карликовости у пшеницы позволило в 60-70 годах резко увеличить урожай зерновых культур, что было названо «зеленой революцией». Пшеница карликовых сортов имеет укороченный толстый стебель, устойчивый к полеганию, он выдерживает повышенную нагрузку от более крупного колоса. Использование этих сортов позволило существенно увеличить урожаи (в некоторых странах в несколько раз).

Автором «зеленой революции» считают американского селекционера и генетика Н. Борлауга, который в 1944 г., в возрасте 30 лет, поселился и стал работать в Мексике. За успехи в выведении высокопродуктивных сортов растений в 1970 году ему была присуждена Нобелевская премия мира.

11. Генные мутации

Генные (точковые) мутации связаны с относительно небольшими изменениями последовательностей нуклеотидов. Генные мутации подразделяются на изменения структурных генов и изменения регуляторных генов.

Типы мутаций:

1. Вставка (инсерция) или выпадение (делеция) пары или нескольких пар нуклеотидов, они приводят к сдвигу рамки считывания. В зависимости от места вставки или выпадения нуклеотидов изменяется меньшее или большее число кодонов.

2. Транзиция - замена оснований пуринового на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое, например: А Г, Ц Т.

3. Трансверзия - замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А Ц, Г Т.

Изменения структурных генов приводят:

а) к миссенс-мутациям - изменению смысла кодонов и образованию других белков;

б) к нонсенс-мутациям - образованию СТОП-кодонов (УАА, УАГ, УГА).

Результаты изменения регуляторных генов:

1. Белок-репрессор не подходит к оператору («ключ не входит в замочную скважину») - структурные гены работают постоянно (белки синтезируются все время).

2. Белок-репрессор плотно «присоединяется» к оператору и не снимается индуктором («ключ не выходит из замочной скважины») - структурные гены постоянно не работают и не синтезируются белки, закодированные в данном опероне.

3. Нарушение чередования репрессии и индукции - при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии белок не синтезируется. Это связано с мутациями гена-регулятора или операторной последовательности.

Генные мутации являются основной причиной генных болезней, частота проявления которых в популяциях человека достигает 1-2%.

12. Модификационная изменчивость. Модификации

Мы знаем, что модификационная изменчивость - частный случай ненаследственной изменчивости.

Модификационная изменчивость - способность организмов с одинаковым генотипом развиваться по-разному в разных условиях окружающей среды. В популяции таких организмов возникает определенный набор фенотипов. При этом организмы должны быть одного возраста.

Фенотипические ненаследственные различия, возникающие под влиянием условий среды у одинаковых по генотипу организмов, К. Нэгели в 1884 г. назвал модификациями.

Примеры модификаций широко известны и многочисленны.

Морфология листьев у водяного лютика и стрелолиста зависит от того, в какой среде, воздушной или подводной, они развиваются.

Если надземную часть стебля картофеля искусственно лишить доступа света, на ней развиваются клубни, висящие в воздухе.

У камбалы, ведущей донный образ жизни, верхняя сторона тела темная, что делает ее незаметной для приближающейся добычи, а нижняя -- светлая. Но если аквариум со стеклянным дном и освещается не сверху, а снизу, то темной становится нижняя поверхность тела.

Кролики горностаевой породы имеют белый мех на теле, кроме конца морды, лап, хвоста и ушей. Если выбрить участок, например, на спине и держать зверька при пониженной температуре (0-1 °С), то на выбритом месте отрастает черная шерсть. Если выщипать часть черных волос и поместить кролика в условия повышенной температуры, то вновь отрастает белая шерсть.

Норма реакции - это свойство данного генотипа обеспечивать в определенных пределах изменяемость онтогенеза в зависимости от условий среды. Иначе говоря, это амплитуда возможной изменчивости в реализации генотипа.

С.М. Гершензон [1983] описывает следующие свойства модификаций:

1. Степень выраженности модификации пропорциональна силе и продолжительности действия на организм фактора, вызывающего модификацию. Эта закономерность коренным образом отличает модификации от мутаций, особенно генных.

2. В подавляющем большинстве случаев модификация представляет собой полезную, приспособительную реакцию организма на тот или иной внешний фактор. Это можно видеть на примере вышеперечисленных модификаций у различных организмов.

3. Адаптивными бывают только те модификации, которые вызываются обычными изменениями природных условий, с которыми данный вид сталкивался раньше множество раз. Если же организм попадает в необычные, экстремальные обстоятельства, то возникают модификации, лишенные приспособительного значения - морфозы.

Если действовать на личинок или куколок дрозофилы рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, а также предельно переносимой температурой, то у развивающихся мух наблюдаются разнообразные морфозы.

4. В отличие от мутаций, модификации обратимы, т. е. возникшее изменение постепенно исчезает, если устранено вызвавшее его воздействие. Так, загар у человека проходит, когда кожа перестает подвергаться инсоляции, объем мышц уменьшается после прекращения тренировки и т. д.

5. Отдельным пунктом мы выделяем следующее положение (хотя оно практически дублирует предыдущее): в отличие от мутаций, модификации не передаются по наследству. Это положение наиболее остро обсуждалось на протяжении всей истории человечества. Ламарк считал, что наследоваться могут любые изменения организма, приобретенные в течение жизни (ламаркизм). Даже Дарвин признавал возможность наследования некоторых модификационных изменений.

Первый серьезный удар по представлению о наследовании приобретенных признаков нанес А. Вейсман. Он на протяжении 22 поколений отрубал белым мышам хвосты и скрещивал их между собой. В общей сложности было обследовано 1592 особи, и ни разу не было обнаружено укорочения хвоста у новорожденных мышат. Результаты эксперимента были опубликованы в 1913 г., однако в нем не было особой необходимости, поскольку преднамеренные повреждения у человека, сделанные из ритуальных или "эстетических" соображений, -- обрезание, протыкание ушей, уродование ступней, черепа и т. д., как известно, также не наследуются.

В СССР в 30-50-х гг. получили широкое распространение ошибочные теории Лысенко о наследовании «приобретенных признаков», т. е. фактически модификаций. Множество опытов, проведенных на разных организмах, показало ненаследуемость модификаций, и исследования такого рода представляют теперь лишь исторический интерес.

В 1956-1970 гг. Ф. Криком сформулирована так называемая «центральная догма молекулярной биологии», согласно которой перенос информации возможен только от ДНК к белкам, но не в обратном направлении.

Каковы же особенности строения и функционирования генома, которые приводят к модификационной изменчивости?

Запишите генетические механизмы модификационной изменчивости:

1. Полигенная детерминация любого признака (комплементарность, эпистаз, полимерия).

2. Плейотропность действия гена.

3. Зависимость проявления генов от условий среды (наличие механизмов регуляции экспрессии, индукторов, репрессоров и т.д.).

4. Гетерозиготность организма, вследствие чего у некоторых генов могут изменяться отношения доминирования (неполное доминирование, сверхдоминирование и др.).

5. Альтернативные пути метаболизма и развития в клетке, когда блокирование одного пути компенсируется другим.

Размещено на Allbest.ru

...