Генетика как наука

34. Транскрипция. Составляющие элементы процесса транскрипции: Этапы транскрипции

Передача информации от ДНК осуществляется посредством информационной или матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Синтез мРНК называется транскрипцией. Молекула мРНК, комплементарная одной из цепей матричной ДНК, образуется в ходе сополимеризации четырех рибонуклеозидтрифосфатов (аденин-, гуанозин-, цитозин- и урацилтрифосфата) с образованием 3-5-фосфодиэфирных связей и освобождением неорганического пирофосфата. Транскрипцию осуществляет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза. Синтез мРНК молекулами РНК-полимеразы начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами, и завершается на особых нуклеотидных последовательностях - терминаторах. Совокупность нуклеотидов ДНК, заключенных между промотором и терминатором, называют транскрипционной единицей или транскриптоном.

Процесс транскрипции подразделяют на 4 стадии: связывание РНК-полимеразы с ДНК и распознавание промотора, инициация, элонгация и терминация. После первоначального непрочного связывания с ДНК в случайном месте молекула РНК-полимеразы перемещается вдоль двойной спирали ДНК до тех пор, пока не обнаружит последовательность нуклеотидов промотора. В этом месте связывание молекулы фермента с ДНК становится более прочным. Инициация транскрипции начинается с образования на промоторе предъиниционного комплекса, состоящего из РНК-полимеразы и матричной ДНК. При наличии рибонуклеозидтрифосфатов происходит образование первых фосфодиэфирных связей в молекуле синтезируемой мРНК, после чего начинается стадия элонгации, то есть последовательное удлинение синтезируемой молекулы мРНК. В 1992 г. М. Чэмберлен с сотрудниками разработали общую модель элонгации мРНК, согласно которой перемещение РНК-полимеразы вдоль ДНК и присоединение нуклеотидов к растущей цепи мРНК в активном центре фермента разделены во времени. Это разделение возможно потому, что у РНК-полимеразы имеется два сайта (участка), удерживающих растущую цепь мРНК, и два участка связывания ДНК-матрицы. Молекула РНК-полимеразы перемещается вдоль ДНК подобно гусенице: когда один сайт связывания ДНК фиксирован, другой перемещается вперед. ДНК-зависимые РНК-полимеразы фагов, состоящие из одной субъединицы, синтезируют РНК в условиях in vitro со скоростью 200-400 нуклеотидов в секунду. Стадия элонгации заканчивается после достижения РНК-полимеразой терминатора транскрипции. Затем синтезированная РНК и РНК-полимераза освобождаются из транскрипционного комплекса. Только минус-цепь ДНК служит матрицей для синтеза мРНК. Участки ДНК, несущие информацию о строении белка - экзоны, разделены неинформативными интронами. В процессе транскрипции считывается информация как с экзонов, так и с интронов. Образуется предшественник мРНК - про-мРНК. Молекулы про-мРНК претерпевают созревание - процессинг. В ядре из про-мРНК происходит вырезание интронов и объединение экзонов - сплайсинг. После этого мРНК соединяется с белком, образуя инфорсому. Она выходит через поры в ядерной оболочке в цитоплазму. мРНК высвобождается из инфорсомы и одноцепочечная неспирализованная молекула мРНК присоединяется к участку малой субъединицы рибосомы, который примыкает к большой субъединице. К рибосоме прикрепляется небольшой участок цепи мРНК, содержащий один кодон, состоящий из трех азотистых оснований. Один кодон соответствует одной аминокислоте.

35. Генетический код. Триплетность генетического кода. Особенности построения, свойства генетического кода. Генетический код митохондрий

Генетический код - правила перевода информации, закодированной в последовательности нуклеотидов ДНК и мРНК, в последовательность аминокислот белка. Таким образом, генетический код - соответствие нуклеотидной последовательности гена последовательности аминокислот в белке (точнее, правила соответствия кодонов определенным аминокислотам или функциям. Любой последовательности трех нуклеотидов (кодонов) соответствует либо определенная аминокислота, либо сигнал терминации трансляции. Начало трансляции также соответствует определенной тройке, как правило, AUG, кодирующей метионин. Так как существует 4 основания (С, G, A и Т), а кодоны являются триплетами, всего может быть 64 возможных кодона (4 х 4 х 4): Поскольку белки содержат 20 природных аминокислот, то некоторые из них могут определяться более, чем одним кодоном. 61 из 64 возможных кодонов определяет аминокислоты, оставшиеся 3 кодона являются стоп-кодонами, которые передают сигнал остановки трансляции. Трансляция начинается со стартового кодона, чаще всего это AUG, реже GUG, и заканчивается на одном из терминирующих или стоп-кодонов: UAA,UAG,UGA. Все кодоны, за исключением стоп кодонов, называются смысловыми. Стоп кодоны еще называют нонсенс кодонами. Группу кодонов кодирующих одну и ту же аминокислоту называют серией.

Особенности или свойства генетического кода:

1. Код - триплетный, т.е. одна аминокислота задается последовательностью из трех нуклеотидов, называемой кодоном.

2. Код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований первые три основания кодируют одну аминокислоту, следующие три - другую и т.д.

3. Код - вырожденный: 20 аминокислот представлены 61 кодоном. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов.

4. Особенностью кода является тенденция к группировке кодонов, соответствующих одной аминокислоте. Часто основание в третьем положении кодона оказывается несущественным для его специфичности. Одна аминокислота может быть представлена четырьмя кодонами, различающимися только по третьему основанию.

5. Генетический код - универсален, т.е. все живые организмы (эукариоты, прокариоты и вирусы) используют один и тот же код.

Для митохондриального генетического кода характерны те же структуры и свойства и те же механизмы транскрипции и трансляции, что и в случае ядерного генетического кода. Однако известны и отличия. В митохондриальной ДНК все нуклеотиды входят в состав кодонов, кодирующих либо белки, либо рРНК и тРНК. Для трансляции используется только 22 тРНК (в отличие от 31 тРНК в ядерном коде), причем отдельные молекулы тРНК могут узнавать любое основание, находящееся в кодоне в третьем положении. Митохондриальная ДНК человека и других млекопитающих содержит 64 кодона, из которых 4 являются стоп-кодонами. Установлено, что митохондриальные тРНК подвержены «редактированию» (модификации транспорта тРНК) путем полиаденилирования, в результате чего создаются антикодоны терминации.

36. Трансляция. Процесс трансляции и его особенности у прокариот и эукариот. Составляющие элементы процесса трансляции. Механизмы трансляции и этапы

Трансляция (перевод) - процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденсацией отдельных аминокислотных остатков, начиная с аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу. Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс транскрипции - декадирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декадирования осуществляется в направлении от 5`>3` и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой. Подобно транскрипции механизм трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации. Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК (тРНК), специфичная к данной аминокислоте. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчастице, образует связь кодон-антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединице. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той тРНК, которая переносит метионин. Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома - инициирующий комплекс. Элонгация - это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов: узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свободного А-участка на рибосоме; образование пептидной связи, которое происходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заняты молекулами тРНК. Часть большой субъединицы рибосомы - фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи; транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходят из А на Р-участок и, наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон. Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА.

У прокариот синтез белка рибосомой (трансляция) пространственно не отделен от транскрипции и может происходить еще до завершения синтеза мРНК РНК-полимеразой. Прокариотические мРНК часто полицистронные, то есть содержат несколько независимых генов.

37. Центральная догма молекулярной биологии. Типы переноса информации. Обратная транскрипция

Центральная догма молекулярной биологии -- обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК > ДНК. В природе встречаются также переходы РНК > РНК и РНК > ДНК (у х вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле. Универсальные способы передачи (переноса) биологической информации - 3 класса способов передачи (переноса) информации, описываемые догмой. В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера -- ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться 3 х 3 = 9 способами. Центральная догма разделяет эти 9 типов передачи информации на три группы: общие -- встречающиеся у большинства живых организмов; специальные -- встречающиеся в виде исключения, у вирусов и у мобильных элементов генома или в условиях биологического эксперимента; неизвестные (запрещенные) -- не обнаружены. Общие способы переноса информации. 1.Репликация ДНК (ДНК > ДНК) ДНК -- основной способ передачи информации между поколениями живых организмов, поэтому точное удвоение (репликация) ДНК очень важна. 2.Транскрипция (ДНК > РНК) Транскрипция -- биологический процесс, в результате которого информация, содержащаяся в участке ДНК, копируется на синтезируемую молекулу информационной РНК. 3.Трансляция (РНК > белок) Зрелая иРНК считывается рибосомами в процессе трансляции и происходит синтез белка.

Специальные способы переноса информации. 1.Обратная транскрипция (РНК -- ДНК) Обратная транскрипция -- перенос информации с РНК на ДНК, процесс, обратный нормальной транскрипции, осуществляемый ферментом обратной транскриптазой. Встречается у ретровирусов, например, ВИЧ и в случае ретротранспозонов. 2.Репликация РНК (РНК -- РНК) Репликация РНК -- копирование цепи РНК на комплемлементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК реплицируются подобным способом. 3.Прямая трансляция белка на матрице ДНК (ДНК -- белок). Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки, которые содержали рибосомы, но не иРНК. Такие экстракты синтезировали белки с введённых в систему ДНК, и антибиотик неомицин усиливал этот эффект.

38. Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот

Экспрессия генов -- это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт -- РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков. Прокариоты. Многие бактериальные гены устроены таким образом, что они способны функционировать с существенно разной эффективностью. Такие вариации обусловлены действием системы контроля генной экспрессии, которая осуществляется главным образом на уровне транскрипции ДНК. Таким образом, чаще всего уровень активности гена связан с количеством синтезируемой на нем мРНК, то есть с активностью фермента РНК-полимеразы. Последовательности ДНК, расположенные перед началом структурного гена и определяющие степень активности РНК-полимеразы, называются регуляторными последовательностями. Одна из таких последовательностей представляет собой участок ДНК, с которым связывается РНК-полимераза. Этот участок называется промотором. Промотор может быть сильным и слабым. Сильный промотор инициирует синтез иРНК часто, слабый - гораздо реже. С другой стороны, промотор может быть регулируемым и нерегулируемым. Интенсивность транскрипции определенных структурных генов может зависеть от эффективности ее терминации, в частности, от того, как часто РНК-полимераза прекращает синтез РНК, не дойдя до этих генов. На эффективность продуктивности рекомбинантной ДНК в существенной степени влияет количество копий этой ДНК в расчете на клетку. Суммарная активность экспрессируемого гена растет с ростом копийности плазмиды. Регуляция экспрессии у прокариот происходит также и на уровне трансляции. Последовательность оснований длиной 6-8 нуклеотидов, расположенная непосредственно перед инициирующим кодоном АУГ, определяет эффективность трансляции. Эта последовательность представляет собой участок связывания мРНК с рибосомой. Как правило, он отстоит на 8 нуклеотидов от инициирующего кодона, и его сдвиг в ту или иную сторону может резко снижать эффективность трансляции соответствующей мРНК. Описанный участок называется последовательностью Шайна-Дальгарно, по имени исследователей, впервые его идентифицировавших. У эукариотических организмов механизм регуляции транскрипции гораздо более сложен. В результате клонирования и секвенирования генов эукариот обнаружены специфические последовательности, принимающие участие в транскрипции и трансляции. Для эукариотической клетки характерно: наличие интронов и экзонов в молекуле ДНК; созревание и-РНК - вырезание интронов и сшивка экзонов; наличие регуляторных элементов, регулирующих транскрипцию, таких как: а) промоторы - 3 вида, на каждый из которых садится специфическая полимераза. РНК-полимераза I реплицирует рибосомные гены, РНК-полимераза II - структурные гены белков, РНК-полимераза III - гены, кодирующие небольшие РНК. Промоторы РНК-полимеразы I и РНК-полимеразы II находятся перед участком инициации транскрипции, промотор РНК-полимеразы III - в рамках структурного гена; б) модуляторы - последовательности ДНК, усиливающие уровень транскрипции; в) (энхансеры) усилители - последовательности, усиливающие уровень транскрипции и действующие независимо от своего положения относительно кодирующей части гена и состояния начальной точки синтеза РНК; г) терминаторы - специфические последовательности, прекращающие и трансляцию, и транскрипцию.

39. Характеристика строения и функционирования генома эукариот и прокариот. Мобильные генетические элементы. Функциональное значение мобильных элементов

Основной чертой молекулярной организации прокариот является отсутствие в их клетках ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы. Отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот. Геном прокариот построен очень компактно. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально. Многие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, не встречаются у прокариот. Ген прокариот состоит из двух основных элементов: регуляторной части и собственно кодирующей части. Регуляторная часть гена обеспечивает первые этапы реализации генетической информации, заключенной в структурной части гена; структурная часть гена содержит информацию о структуре кодируемого данным геном полипептида. Количество некодирующих последовательностей в структурной части гена у прокариот минимально. 5'-конец прокариотического гена имеет характерную организацию регуляторных элементов и называется промотором. Он важен для транскрипции гена, но сам в РНК не транскрибируется. Противоположный 3'-конец -- терминаторная область, необходимая для терминации транскрипции. В РНК он также не транскрибируется. Транскрипция начинается со стартовой точки.

Геном эукариот. Для клеток эукариот характерно наличие оформленного ядра. Информационной макромолекулой их генома является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Однако жизненно важная генетическая информация заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У эукариот -- это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Под геномом эукариотического организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. Геном эукариот избыточен. Эукариотическая клетка содержит во много раз больше генов, чем прокариотическая. Эукариотический ген можно рассматривать как совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, ответственную за образование специфического функционального продукта -- либо молекулы РНК, либо полипептида. К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся следующие элементы: единица транскрипции - это участок ДНК, кодирующий первичный транскрипт, включающий а) последовательность, которая обнаруживается в зрелых функциональных молекулах РНК; б) интроны (для мРНК); в) промежуточные последовательности - спейсеры (для рРНК), интроны и спейсеры удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов; г) 5'- и 3'-нетранслируемые последовательности (5'-НТП и З'-НТП). Минимальные последовательности, необходимые для начала транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор). В отличие от прокариотических генов, почти всегда коллинеарных своим РНК, многие гены эукариот имеют мозаичное строение. Под мозаичностью в данном случае подразумевается чередо­вание кодирующих (экзоны) и некодирующих (вставочные после­довательности, или интроны) последовательностей в пределах единицы транскрипции. Существенную часть генома эукариот (10 -- 30%) составляют повторяющиеся последовательности, имеющие определенную структурную организацию и способные перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они получили название подвижных или мобильных генетических элементов. Различают два основных класса подвижных генетических элементов эукариот: транспозоны и ретротранспозоны (у прокариот - плазмиды и фаги). Хотя мобильные элементы в целом являются «генетическими паразитами», вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами.

40. Классификация изменчивости. Понятие о ненаследственной и наследственной изменчивости. Модификационная изменчивость

Под изменчивостью понимают свойство живых организмов приобретать в процессе индивидуального развития (онтогенеза) новые морфо-функциональные признаки и особенности, отличающиеся от родительских. Процессы, определяющие изменчивость, неоднородны. Одни из них могут проявляться только в виде вариации признаков, т. е. только как изменение признака; другие затрагивают генетический аппарат. Соответственно этому выделяют фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

При ненаследственной (фенотипической) или модификационной изменчивости наследственный материал в изменения не вовлекается. Они касаются только признаков индивида и происходят под действием факторов внешней и внутренней среды. Подобные изменения не передаются по наследству, даже если они обусловлены постоянным воздействием на протяжении исторически длительного времени. Если изменения признака являются реакцией на действие определенного фактора и по выраженности не выходят за пределы нормы реакции, то такие изменения называют модификационными. Наиболее четко модификационная изменчивость проявляется как реакция организма на изменения факторов среды: например, географических условий проживания, интенсивности солнечной радиации, характера питания и т.д. Модификационная изменчивость имеет адаптивное (приспособительное) значение. В тех случаях, когда изменения появляются в результате действия большого количества факторов, их называют случайными.

Наследственная или генотипическая изменчивость в зависимости от природы клеток подразделяется на генеративную (изменения в наследственном аппарате гамет) и соматическую (изменения в наследственном аппарате клеток тела). В рамках генеративной и соматической изменчивости выделяют 1) комбинативную и 2) мутационную изменчивость. Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Мутационная изменчивость обусловлена мутациями -- устойчивым изменением генетического материала и, как следствие, наследуемого признака. Переходных форм изменчивости по сравнению с исходным состоянием не наблюдается.

41. Комбинативная изменчивость. Механизмы возникновения и значение для селекции и эволюции

Комбинативная, или гибридная изменчивость характеризуется появлением новообразований в результате сочетания и взаимодействия генов родительских форм в генотипе потомства. Комбинативная изменчивость является источником бесконечного наследственного разнообразия, наблюдаемого у представителей любой систематической группы живых организмов. В основе возникновения различных комбинаций генов в генотипах организмов лежит половое размножение, вследствие которого возникает огромное разнообразие форм организмов.

Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов или механизмов:

а) независимого расхождения хромосом в процессе мейоза;

б) рекомбинации генов при кроссинговере;

в) случайной встречи гамет при оплодотворении.

Из анализа расщепления, независимого комбинирования генов и их взаимодействия видно, что в результате таких процессов могут возникать новые наследственные признаки, играющие существенную роль в эволюционном процессе, как механизм, обеспечивающий сочетание наиболее приспособленных признаков и свойств для выживания организмов. Комбинативная изменчивость используется и в селекции. Для закрепления желаемых свойств, полученных путем комбинативной изменчивости, селекционеры используют близкородственные скрещивания и бесполое размножение.

42. Мутационная изменчивость. Мутационная теория Г. де Фриза. Классификация мутаций

Мутация (от лат. mutacio-изменение, перемена) - это прерывистое, скачкообразное изменение наследственности какого-либо признака. Термин "мутация" ввел голландский генетик Гуго Де Фриз. Он создал мутационную теорию, основные положения которой были сформулированы им в книге "Мутации и периоды мутаций" (1901). Обоснование идеи о мутациях до Де Фриза было дано в книге русского ботаника профессора Сергея Ивановича Коржинского "Гетерогенезис и эволюция" (1899). Теория Де Фриза установила, что единственным источником наследственных изменений организма являются мутации. Они возникают внезапно, не образуют в отличие от модификаций переходов и идут в разных направлениях. Это качественные наследственные изменения.

Основные положения мутационной теории

1. Мутации возникают внезапно, без всяких переходов.

2. Мутации стойко передаются из поколения в поколение, наследственны.

3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа.

4. Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными, полезными и нейтральными.

5. Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей.

6. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Де Фриз в основном, верно, характеризовал природу мутаций и некоторые особенности мутационного процесса. Однако, он допустил ошибку, противопоставляя свою мутационную теорию эволюционному учению Ч.Дарвина. Он считал, что мутации могут сразу давать начало новым видам без естественного отбора.

Классификация мутаций

I. По фенотипическому проявлению - морфологические, физиологические и биохимические.

II. По типу аллельных взаимодействий - доминантные, рецессивные, промежуточные и кодоминантные. Преобладают, как правило, рецессивные мутации.

III. По локализации в клетке- ядерные и цитоплазматические.

IV. По отношению к возможности наследования - генеративные (возникают в половых клетках, поэтому могут наследоваться) и соматические (возникают в соматических клетках, поэтому не наследуются)

V. По относительному влиянию на организм - летальные, вредные, нейтральные и полезные. Большинство мутаций являются вредными. Однако, учитывая, что в геноме эукариот преобладающая часть нуклеотидных остатков является некодирующими, то в последнее время считается, что у эукариот большая часть мутаций нейтральна.

VI. По уклонению от нормы - прямые (мутации доминантного гена в рецессивный А ? а) и обратные, или реверсии (мутации рецессивного гена в доминантный а ? А). Чаще происходят прямые мутации.

VII. По происхождению - спонтанные, или естественные и индуцированные, или искусственные.

VIII. По характеру проявления - гипоморфные (действуют в том же направлении, что и нормальный аллель, но дают несколько ослабленный эффект); аморфные (неактивны в отношении типичного эффекта нормального аллеля, например, альбинизм); антиморфные (оказывают действие противоположное действию нормального аллеля. Например, у кукурузы исходный аллель дает пурпурную окраску семян, а мутантный - бурую): неоморфные (Мутации нетипичные по проявлению в фенотипе. Их действие совершенно отлично от действия нормального исходного аллеля).

IX. По степени фенотипического проявления - крупные, или видимые и малые. Малые мутации создают огромную наследственную изменчивость хозяйственно-полезных и биологических признаков и имеют большое значение в селекции и эволюции. Крупные мутации, как правило, не дают начало новым видам, так как организмы с такими изменениями недостаточно хорошо приспособлены к внешним условиям и не могут успешно конкурировать с исходными видами.

X. По уровню возникновения - генные (изменения нуклеотидных остатков, возникающие в гене); хромосомные (изменения участков хромосом); геномные (изменения числа хромосом).

43. Генные мутации. Молекулярные механизмы мутагенеза. Классификация генных мутаций. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма

Генные мутации представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. К мутациям генов относятся любые изменения молекулярной структуры ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность. Некоторые мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Другая (бьльшая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Наиболее частыми моногенными заболеваниями являются: муковисцидоз, гемохроматоз, адрено-генитальный синдром, фенил-кетонурия, нейрофиброматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и ряд других заболеваний. Клинически они проявляются признаками нарушений обмена веществ (метаболизма) в организме. Мутация может заключаться:

1) в замене основания в кодоне, это так называемая миссенс-мутация -- замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;

2) в таком изменении кодонов, которое приведет к остановке считывания информации, это так называемая нонсенс-мутация -- замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора(стоп-кодона) и прекращению трансляции;

3) нарушении считывания информации, сдвиге рамки считывания, называемом фреймшифтом, когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.

Известны и другие типы генных мутаций. По типу молекулярных изменений выделяют: делеции (от лат. deletio -- уничтожение), когда происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена; дупликации (от лат. duplicatio -- удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов; инверсии (от лат. inversio -- перевертывание), т. е. поворот на 180° сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов; инсерции (от лат. insertio -- прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Молекулярные изменения, затрагивающие от одного до нескольких нуклеотидов, рассматривают как точечную мутацию. Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она 1) приводит к изменению генетической информации, 2) может передаваться от поколения к поколению. Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающихся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний. Например, ген, контролирующий группу крови системы АВ0, имеет три аллеля: 0, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВ0 является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными, или моногенными, болезнями, т. е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.

44. Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций, перестроек. Механизмы возникновения хромосомных мутаций

Хромосомные аберрации (хромосомные мутации, хромосомные перестройки) -- тип мутаций, которые изменяют структуру хромосом. Классифицируют: делеции (утрата участка хромосомы), инверсии (изменение порядка генов участка хромосомы на обратный), дупликации (повторение участка хромосомы), транслокации (перенос участка хромосомы на другую), а также дицентрические и кольцевые хромосомы. Известны также изохромосомы, несущие два одинаковых плеча. Если перестройка изменяет структуру одной хромосомы, то такую перестройку называют внутрихромосомной (инверсии, делеции, дупликации, кольцевые хромосомы), если же двух разных, то межхромосомной (дупликации, транслокации, дицентрические хромосомы). Хромосомные перестройки подразделяют также на сбалансированные и несбалансированные. Сбалансированные перестройки (инверсии, реципрокные транслокации) не приводят к потере или добавлению генетического материала при формировании, поэтому их носители, как правило, фенотипически нормальны. Несбалансированные перестройки (делеции и дупликации) меняют дозовое соотношение генов, и, как правило, их носительство сопряжено с существенными отклонениями от нормы.

Хромосомные перестройки играют роль в эволюционном процессе и видообразовании, в нарушении фертильности, в онкологических и врождённых наследственных заболеваниях человека.

Основной предпосылкой для возникновения хромосомных перестроек является появление в клетке двунитевых разрывов ДНК, то есть разрывов обеих нитей спирали ДНК в пределах нескольких п.о. Двунитевые разрывы ДНК возникают в клетке спонтанно или под действием различных мутагенных факторов: физической (ионизирующее излучение), химической или биологической (транспозоны, вирусы) природы. Двунитевые разрывы ДНК возникают запрограммированно во время профазы I мейоза, а также при созревании Т- и B-лимфоцитов во время специфической соматической V(D)J рекомбинации. Нарушения и ошибки процесса воссоединения двунитевых разрывов ДНК приводят к появлению хромосомных перестроек.Мутагенные воздействия, вызывающие двунитевые разрывы ДНК, приводят к появлению хромосомных перестроек в клетках. Самым хорошо охарактеризованным мутагеном, индуцирующим хромосомные аберрации, является ионизирующее излучение. Для классификации радиоиндуцированных хромосомных нарушений создана собственная классификация аберраций, в которой выделяют аберрации хромосомного и хроматидного типа, которые, в свою очередь, могут быть обменными и простыми, стабильными и нестабильными.

45. Геномные мутации. Полиплоидия и анеуплоидия. Полиплоидия, ее типы

Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом. У человека известны полиплоидия (в том числе тетраплоидия и триплоидия) и анеуплоидия.

Полиплоидия -- увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (Зn, 4n, 5n и т.д.). Причины: двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического деления. У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий приводят к формированию леталей.

Анеуплоидия -- изменение (уменьшение -- моносомия, увеличение -- трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, т.е. не кратное гаплоидному (2n+1, 2n-1 и т.д.). Механизмы возникновения: нерасхождение хромосом (хромосомы в анафазе отходят к одному полюсу, при этом на каждую гамету с одной лишней хромосомой приходится другая -- без одной хромосомы) и «анафазное отставание» (в анафазе одна из передвигаемых хромосом отстаёт от всех других). Трисомия -- наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна; по 18-й паре -- синдрома Эдвардса; по 13-й паре -- синдрома Патау). Моносомия -- наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека -- по хромосоме X -- приводит к развитию синдрома Шерешевского--Тернера (45,Х0).

Полиплоидия возникает в следующих случаях: неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе; деление ядра без деления клетки и удвоение хромосом без их разделения в силу того, что центромеры утрачивают свойство взаимного отталкивания.

Полиплоиды подразделяют на два основных типа: автополиплоиды и аллополиплоиды. У первых увеличение числа наборов хромосом происходит за счет одного и того же генома (например, АА + АА = АААА), у вторых -- путем суммирования геномов разных видов (А + В = АВ, затем удвоение числа хромосом -- ААВВ). Морфологически автополиплоид сходен с родительской формой, тогда как аллополиплоид занимает промежуточное положение между родительскими видами и похож на гибрид между ними. Первый происходит от фертильного материнского растения, второй -- от стерильного межвидового гибрида. У аллополиплоидов степень несоответствия геномов, происходящих от разных видов, неодинакова. Промежуточные между автополиплоидами и аллополиплоидами формы, у которых хромосомы разных геномов различаются не по всей длине, а лишь частично, получили название сегментных аллополиплоидов. Полиплоидизация может возникать в результате митоза - это соматическая полиплоидия. Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы - такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными. Соматическая полиплоидия распространена у всех видов, а зиготическая - главным образом у растений. У животных она встречается у червей (земляных и аскарид), а так же очень редко у некоторых амфибий.

46. Искусственное получение автополиплоидов. Использование автополиплоидов в селекции растений

В селекции, особенно в растениеводстве широко используются геномные мутации -- авто- и аллополиллоидию. Автополиплоиды обычно обладают повышенными размерами и массой (урожайностью), но имеют пониженную фертильность. Существуют триплоидные и тетраплоидные формы многих культурных растений - свеклы, мака, кукурузы и др. При автополиплоидии наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного -- в половых. При автополиплоидии могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n) -- триплоидные, четырежды (4 n) -- тетраплоидные, пять раз (5 n)-- пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом -- плоидности -- в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом -- полиплоидами.

Кратное увеличение числа хромосом в клетках может возникать под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, а также в результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к нарушению расхождения хромосом в митозе или мейозе и образованию клеток с кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Из химических агентов, вызывающих нарушение правильного расхождения хромосом, наиболее эффективен алкалоид колхицин, препятствующий образованию нитей веретена деления клетки. (Воздействуя разбавленным раствором колхицина на семена и почки, легко получают экспериментальные полиплоиды у растений.) Автополиплоидия может возникать и вследствие эндомитоза -- удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая автополиплоидии) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая автополиплоидии) -- половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (т. н. нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n) -- при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n) -- при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.

Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья, пыльники, семена). Увеличены размеры клеток. Однако, может резко уменьшиться плодовитость (до 5% от нормы) из-за нарушения расхождения поливалентов в мейозе. В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с кратными числами хромосом (например, сахарная свекла), но полностью стерильные. Недостаток этих гибридов заключается в том, что в результате скрещивания тетра- и диплоидов в потомстве получается только около 55% триплоидов.

47. Сбалансированные и несбалансированные полиплоиды (аллополиплоиды и анеуполиплоиды). Фертильность и особенности мейоза у полиплоидов. Полиплоидные ряды

Сбалансированными полиплоидами называются полиплоиды с чётным числом хромосомных наборов, а несбалансированными - полиплоиды с нечетным числом хромосомных наборов, например:

Для многих растений известны так называемые полиплоидные ряды. Они включают формы от 2 до 10n и более. Например, полиплоидный ряд из наборов в 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 и 144 хромосомы составляют представители рода паслен (Solanum); род пшеница (Trilicum) представляет ряд, члены которого имеют 14, 28 и 42 хромосомы.

Мейоз полиплоидов. Все автополиплоиды характеризуются различными нарушениями в мейозе, что приводит к пониженной фертильности (пониженной плодовитости) или стерильности (полному бесплодию). У диплоидных организмов в профазе мейоза I образуются биваленты, а у полиплоидов - структуры, состоящие из множества хромосом - поливаленты, или мультиваленты. К поливалентам относятся триваленты (состоят из трех хромосом), квадриваленты (из четырех хромосом) и т.д. При этом в одной точке могут конъюгировать только две хромосомы. При наличии унивалентов первое деление мейоза может быть эквационным, то есть к полюсам могут расходиться однохроматидные хромосомы. В этих случаях правильная сегрегация хромосом (в соотношении 1:1, 2:2, 3:3 и т.д.) нарушается, а плодовитость таких организмов сильно снижена. У несбалансированных полиплоидов хромосомы представлены нечетным числом гомологов. Например, у триплоидов каждая хромосома представлена тремя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами образуются структуры, состоящие из одной хромосомы (униваленты) или из трех хромосом (триваленты). Вероятность того, что у одного полюса окажутся два полных хромосомных набора 2n, а у другого полюса - один полный хромосомный набор n, очень мала. Поэтому несбалансированные автополиплоиды практически бесплодны (стерильны). У сбалансированных автополиплоидов хромосомы представлены четным числом гомологов. Например, у тетраплоидов каждая хромосома представлена четырьмя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами, унивалентами и тривалентами образуются структуры, состоящие из четырех хромосом (квадриваленты). Тогда у тетраплоидов гомологи могут образовывать следующие комбинации: 2+2 (два бивалента), 3+1 (тривалент и унивалент), 4 (квадривалент), а также 2+1+1 (бивалент и два унивалента) или 1+1+1+1 (четыре унивалента). В большинстве случаев нормальная сегрегация хромосом оказывается невозможной. Нормальное распределение хромосом по дочерним клеткам в соотношении 2:2 наблюдается только у тех организмов, у которых преимущественно образуются биваленты, например, у свеклы, арбуза. В последнем случае образуются гаметы, содержащие удвоенное основное хромосомное число (2х). Аллополиплоиды первично бесплодны, поскольку из-за отсутствия гомологов невозможна конъюгация хромосом и образование бивалентов в профазе мейоза I

48. Спонтанный и индуцированный мутационный процесс и его причины. Закон Н.Н. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости

Под индуцированным мутационным процессом (матагенезом) понимают возникновение наследственных изменений под влиянием направленного воздействия факторов внешней и внутренней среды. Возникновение мутаций без установленных причин принято называть спонтанным мутационным процессом. В настоящее время исследования мутационного процесса проводят на двух уровнях -- хромосомном и молекулярном.

Причины индукции спонтанных мутаций не ясны. Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующих облучений, образуемый доходящими до поверхности земли космическими лучами, гамма излучениями Земли и радиоактивными веществами (К, 14С, Rn), поступающими в малых количествах в организм из окружающей среды. Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке. По многочисленным данным спонтанные мутации возникают во время деления хромосом и репликации ДНК. Считают вероятным, что спонтанные мутации представляют чаще всего следствие 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. По расчетам американского генетика Мелвина Грина около 80% спонтанных мутаций приходится на счет перемещений мобильных элементов.

Закон Н.Н. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости 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. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны (т.е. виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости." Свой закон Н.И. Вавилов выразил формулой: G1 (a+b+c…), G2 (a+b+c…), G3 (a+b+c….), G1,G2, G3, - обозначение видов, a a, b, с - различные варьирующие признаки.

Закон Вавилова имеет большое теоретическое значение, поскольку из гомологии наследственных изменений у близких видов выводит и гомологию их генов. Для селекционной практики этот закон важен потому, что прогнозирует возможность нахождения неизвестных форм растений у данного вида, если они уже известны у других видов.

49. Популяция и ее генетическая характеристика. Типы популяций. Учение В. Иоганнсена о популяциях и чистых линиях. Понятие о частотах аллелей (генов) и генотипов в популяциях

Группа, или совокупность особей, относящихся к одному виду, заселяющих определенное пространство и имеющих сходные механизмы адаптации к условиям обитания, называется популяцией. Изучением генетических процессов на уровне популяции занимается популяционная генетика. Генетически популяция характеризуется ее генофондом (аллелофондом). Он представлен совокупностью аллелей, образующих генотипы организмов данной популяции. Генофонды природных популяций отличает наследственное разнообразие (генетическая гетерогенность, или полиморфизм), генетическое единство, динамическое равновесие доли особей с разными генотипами. Наследственное разнообразие заключается в присутствии в генофонде одновременно различных аллелей отдельных генов. Первично оно создается мутационным процессом. Мутации, будучи обычно рецессивными и не влияя на фенотипы гетерозиготных организмов, сохраняются в генофондах популяций в скрытом от естественного отбора состоянии. Накапливаясь, они образуют резерв наследственной изменчивости. Благодаря комбинативной изменчивости этот резерв используется для создания в каждом поколении новых комбинаций аллелей. Генетическое единство популяции обусловливается достаточным уровнем панмиксии. В условиях случайного подбора скрещивающихся особей источником аллелей для генотипов организмов последовательных поколений является весь генофонд популяции. Генетическое единство проявляется также в общей генотипической изменчивости популяции при изменении условий существования, что обусловливает как выживание вида, так и образование новых видов. Исходя из характера и способа размножения особей, различают три типа популяций: апомиктически размножающихся организмов, самоопылителей и перекрестно-размножающихся организмов. Генетическая структура популяций во многом определяется типом размножения особей и представляет собой совокупность таких процессов, как особенности наследования и распределения аллелей, генотипов и фенотипов в популяции, а также типов ее изменчивости.