По характеру проявления в гетерозиготном состоянии - доминантные (проявляются в гетерозиготном состоянии) и рецессивные (проявляются только в гомозиготном состоянии).

В зависимости от причины - спонтанные (без видимых причин) и индуцированные (вызванные направленным действием какого-то фактора).

В зависимости от локализации в клетке - ядерные и цитоплазматические.

По отношению к возможности наследования - генеративные (в половой клетке) и соматические (возникшие в соматической телесной клетке). Соматические мутации у видов, размножающихся половым способом, по наследству не передаются. Но для данного индивида они не безразличны (например, родимые пятна, пятна на радужке, раковая опухоль).

Функциональная (в зависимости от исхода) - полезные, вредные (в том числе летальные) и нейтральные (безразличные).

По характеру изменения генома - генные (изменение структуры гена), хромосомные (изменение строения хромосом) и геномные (изменение числа хромосом).

Генные мутации

В основе генных мутаций лежит изменение в строении молекулы ДНК. Все они могут быть объединены в три группы.

Замена одних азотистых оснований на другие. Например, при дезаминировании (цитозин превращается в тимин) или при ошибочном включении нуклеотида в процессе репликации ДНК.

Сдвиг рамки считывания - в результате выпадения или вставки какого-то нуклеотида в синтезируемую цепь.

ААА ЦГТ ААЦ фен - ала - лей

ААА АЦГ ТАА фен - цис - иле

кодогенная цепь ДНК полипептид

Изменение порядка нуклеотидов в пределах гена (при повороте на 1800 участка цепи ДНК).

Хромосомные мутации

В основе хромосомных мутаций лежат изменения в строении хромосом. Они подразделяются на внутри- и межхромосомные.

Внутрихромосомные:

а) дефишенси - отрыв концевого участка хромосомы;

б) делеция - выпадение срединного участка хромосомы;

в) дупликация - удвоение участка хромосомы;

г) инверсия - поворот участка хромосомы на 180о. Инверсия может быть перицентрической (захватывает центромеру) и парацентрической (в пределах одного какого-то плеча).

Межхромосомные:

а) транслокация - в основе лежит отрыв участка одной хромосомы и присоединение его к другой хромосоме. Разновидности транслокаций: реципрокная (взаимный обмен плечами) и робертсоновская - центрическое разделение или слияние отдельных хромосом.

Предполагают, что в процессе превращения обезьяны (шимпанзе) в человека имело место слияние двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую.

б) транспозиция - перемещение небольших участков генетического материала в пределах как одной хромосомы, так и всего кариотипа.

Геномные мутации

В основе лежит изменение числа хромосом. Различают два вида таких мутаций:

полиплоидия - увеличение числа хромосом на величину, кратную гаплоидному набору;

анеуплоидия - увеличение числа хромосом на величину, не кратную гаплоидному набору. В случае трисомии имеется одна лишняя хромосома (набор 2n + 1), при моносомии одна хромосома отсутствует (набор 2n - 1), при нулисомии отсутствует целиком хромосомная пара (2n - 2).

Полиплоидия широко распространена в растительном мире. Так, существует три вида пшеницы (2n, 4n, 6n), где n = 7 . Хризантемы имеют наборы от 2n до 22n (n = 9). Аналогичные примеры можно найти у всех растений, как дикорастущих, так и культивируемых. Поэтому считается, что эволюция растений шла по пути полиплоидизации. Полиплоидия широко используется в селекционной работе (у полиплоидных растений крупнее плоды, больше семян).

В животном мире полиплоидия - явление редкое. Полиплоидные организмы обнаружены у инфузорий, рыб.

У человека установлено рождение триплоидов, однако они нежизнеспособны (существуют от нескольких минут до нескольких часов).

Геномные и хромосомные мутации у человека лежат в основе группы заболеваний, которые были названы хромосомными болезнями.

Хромосомные болезни человека

Встречаются в 1% случаев среди всех новорожденных, в 7% - среди мертворожденных и в 42% самопроизвольных выкидышей.

В настоящее время описано более 100 хромосомных заболеваний человека. Они делятся на две группы: аутосомные (нарушения со стороны аутосом) и гетерохромосомные (нарушения со стороны половых хромосом).

В 1971 г. на Международном генетическом конгрессе в Париже была введена единая международная цитогенетическая номенклатура.

Согласно этой номенклатуре, кариотип нормальной женщины записывается - 46, ХХ; кариотип нормального мужчины - 46, ХY.

Гетерохромосомные болезни

Синдром Шерешевского-Тернера - 45, X (моносомия по половой хромосоме).

Пол - женский. Частота - 7 случаев на 10000 новорожденных девочек.

Низкий рост, короткая шея, крыловидная складка на шее (от затылка к предплечью). Бесплодие (недоразвитие яичников). Инфантилизм, снижение интеллекта.

Синдром Клайнфельтера - 47, XXY (легкая степень) или 48, XXXY (тяжелая степень).

Пол - мужской. Частота - 20-25 случаев на 10000 новорожденных мальчиков.

Узкие плечи, широкий таз, евнухоидный тип (отложение жира по женскому типу). Бесплодие (недоразвитие семенников). Умственная отсталость.

Синдром полисомии по Х-хромосоме - 47, ХХХ и 48, ХХХХ.

Пол - женский. Частота - 4 случая на 10000 новорожденных девочек.

Фенотип - разнообразный, могут даже давать потомство. Патологические признаки тем выраженнее, чем больше число Х-хромосом.

Синдром добавочной Y-хромосомы - 47, XYY.

Пол - мужской. Частота - 10 случаев на 10000 новорожденных мальчиков.

Фенотип: высокий рост, длинные руки, длинные веретенообразные пальцы, умственная отсталость, во многих случаях агрессивное или преступное поведение. Степень умственной отсталости увеличивается с числом Y-хромосом.

Аутосомные болезни

Синдром Дауна - 47, XY + 21 или 47, XX + 21 (трисомия по 21-й паре хромосом).

Частота - 15 случаев на 10000 новорожденных обоих полов.

Укороченные конечности, маленькая головка, плоское лицо, широкая переносица, монголоидный разрез глаз, большой язык, не помещающийся во рту. Аномалии строения внутренних органов. Резко выраженная умственная отсталость. Женщины иногда могут иметь детей, мужчины - никогда. 31% больных умирает до 1 года, причем от обычных простых заболеваний, так как снижен иммунитет. Вообще живут недолго.

Иногда синдром Дауна обусловлен не трисомией, а транслокацией (реципрокной) между 13 - 15 и 21 хромосомами; в этом случае хромосом 46.

Синдром Эдвардса - 47, ХХ + 18 или 47, XY + 18 (трисомия по 18-й паре хромосом).

Частота - 1 случай на 7000 новорожденных обоего пола.

Фенотип: множественные аномалии - деформация черепа, "птичий профиль" лица, короткие глазные щели, микрофтальм, низко расположенные и деформированные ушные раковины, короткая шея и грудина, врожденный вывих бедра, синдактилия, врожденные пороки сердца и крупных сосудов. Живут недолго: 30% умирает на первом и 50% - на втором месяце жизни

Синдром Патау - 47, XY + 13 или 47, ХХ + 13 (трисомия по 13-й паре хромосом).

Частота - 1 случай на 6000 новорожденных обоего пола.

Множественные уродства (микрофтальм, расщелина губы и неба, череп неправильной конфигурации, скошенный узкий лоб, плоский и широкий нос, запавшее переносье, низко расположенные уши, полидактилия, пороки развития внутренних органов). Живут несколько дней или недель.

Синдром Лежьена - 46, ХХ, 5р- или 46, XY, 5р- (делеция короткого плеча ( р ) 5-й хромосомы).

Частота - 1 случай на 50000 новорожденных обоего пола. Его еще называют «синдром кошачьего крика».

Характеризуются многочисленными пороками развития черепа, строения гортани (в связи с чем при рождении вместо плача издают звук, похожий на кошачье мяуканье), конечностей, сердца, почек, глаз, тяжелой формой слабоумия. Живут такие больные недолго.

Причины и частота возникновения мутаций

Спонтанные мутации - это мутации, которые возникают без видимых причин. Они широко распространены в природе. У каждого вида все свойства и признаки организма подвержены спонтанным мутациям.

Частота мутаций в природе определяется отношением числа гамет, несущих данную мутацию, к общему числу гамет (данного поколения, в данной популяции). Частота мутации различных генов - 10-5-10-7 (1 гамета из 100 тысяч - 10 млн). У различных видов растений и животных частота спонтанных мутаций очень близка.

Так как число генов достаточно велико, суммарная частота мутаций у того или иного вида высока. Так, у дрозофил 25% гамет несут измененные гены (т.е. каждая четвертая гамета).

Мутации могут идти и в прямом, и в обратном порядке (т.е. рецессивные гены - в доминантные, а доминантные - в рецессивные).

Причины спонтанных мутаций условно делятся на две группы - внешние и внутренние. Внешние обусловлены естественным радиационным фоном: космическими излучениями, радиацией элементов земной коры, радиактивными изотопами, поступающими в организм с пищей. Обычные показатели естественного радиационного фона - 13-27 микрорентген в час. Внутренние причины обусловлены генотипом. Так, у кишечной палочки есть гены-мутаторы, наличие которых увеличивает частоту мутаций других генов в 2000 раз. Длительное хранение семян приводит к увеличению частоты спонтанных мутаций у растений. У дрозофилы в норме частота летальных мутаций, локализованных в Х-хромосоме, составляет приблизительно 0,15%, но есть линии, где эта частота равна 1%.

Индуцированные мутации возникают в результате целенаправленного действия какого-то фактора. Русские ученые Надсон и Филиппов (1925) впервые получили их у дрожжевых клеток с помощью рентгеновских лучей. Американский ученый Меллер (1927) впервые получил мутации у дрозофилы.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенными. По природе они делятся на три группы: физические, химические, биологические.

Физические факторы

Ионизирующие излучения - рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-лучи и поток нейтронов.

Под действием ионизирующего излучения в клетках образуются ионы Н+, ОН- и свободные радикалы, которые активно вступают в химические реакции. В ходе этих реакций нарушается строение ДНК, т.е. возникают мутации.

Дозу радиоактивного излучения принято измерять в «радах» (сокращенно рад) или «греях» (Гр). 1 рад = 100 эргам энергии, поглощенных 1 граммом вещества. 1 грей = 100 рад.

Чувствительность организмов к действию ионизирующей радиации разная. Так, летальная доза (разовая минимальная, вызывающая смертельный исход) для человека - 600 рад или 6 Гр; для мыши - 900 рад или 9 Гр; для амебы - 100000 рад или 1000 Гр.

Температура

В опытах на дрозофилах обнаружено, что повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению частоты мутаций. У курящих чаще, чем у некурящих, наблюдается рак губы.

Ультрафиолетовое излучение ведет к образованию в молекуле ДНК димеров.

Химические факторы

Сегодня известны десятки и сотни тысяч химических веществ, вызывающих мутации. Приведем некоторые из них:

колхицин, митотический яд - разрушает веретено и останавливает деление клетки на метафазе; селекционеры используют его для получения полиплоидных форм;

формальдегид и его производное - формалин;

пестициды, гербициды;

кофеин;

многие лекарственные препараты (отечественный аспирин, сульфаниламиды);

фотореактивы;

консерванты;

ракетное топливо.

Биологические факторы

Вирусы (герпес, ветряная оспа, коревая краснуха, энцефалит, полиомиелит).

Живые вакцины, сыворотки, гистамин, стероидные гормоны.

Возраст (чем больше, тем выше вероятность возникновения наследственных заболеваний,- так, синдром Дауна в 14 раз чаще возникает у детей от матерей, рожающих после 40 лет).

Нарушение функции какого-то органа (рак молочной железы чаще возникает у нерожавших женщин).

Различия в действии ионизирующей радиации и химических мутагенов

Химические мутагены обладают определенной специфичностью действия (можно предвидеть, какие именно гены будут мутировать). Ионизирующая же радиация действует неспецифически. С другой стороны, она обладает кумулятивным эффектом, т.е. способна накапливаться в организме. Так, один и тот же эффект будет получен как при однократном облучении дозой 20 рад, так и при воздействии четыре раза по 5 рад.

Возникшая мутация фенотипически проявляется не всегда. В природе существует мощная система антимутационных барьеров на молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном уровнях.

Антимутационные барьеры

1. Наличие двух нитей молекулы ДНК. Изменения, возникшие в одной нити, могут быть восстановлены благодаря существованию второй неизмененной нити ДНК. Процесс восстановления поврежденной молекулы ДНК называется репарацией. Она бывает нескольких видов:

дорепликативная (световая и темновая),

пострепликативная,

SOS-репарация.

Световая дорепликативная репарация - устраняет повреждения, возникшие под действием ультрафиолетовых лучей. Протекает только на свету. Ультрафиолетовые лучи вызывают образование в ДНК димеров, которые нарушают ее функцию. Димер - это возникновение дополнительной связи между двумя нуклеотидами одной цепи и разрыв связей между нуклеотидами противоположных цепей:

Ц - А - Т - А - Г - Т = Т - А - Г

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

Г - Т - А - Т - Ц - А - А - Т - Ц

Под действием квантов видимого света в клетке образуется фермент дезоксириботидпиримидинфотолиаза, которая восстанавливает нарушенные связи.

Темновая дорепликативная репарация происходит как на свету, так и в отсутствие света. Способна устранять повреждения, вызванные любым мутагенным фактором. Условно в ней выделяют пять фаз: 1) узнавание; 2) надрезание; 3) вырезание; 4) синтез нового участка; 5) сшивание вновь синтезированного участка с концами неповрежденной ДНК.

У человека есть рецессивная мутация, которая проявляется в виде неспособности клеток устранять димеры, образованные под действием ультрафиолетовых лучей. Это заболевание называется пигментная ксеродерма. Оно характеризуется сухостью и шелушением кожи, образованием пигментных пятен, заболеванием глаз.

Пострепликативная репарация наблюдается в синтетический период интерфазы. Во время репликации ДНК участки с димерами не реплицируются, поэтому вновь синтезированная нить содержит бреши. Потом эти бреши заполняются путем рекомбинативного синтеза с неповрежденной молекулой ДНК.

SOS-репарация происходит в том случае, если молекула ДНК сильно разрушена. Тогда нить строится из первых попавшихся нуклеотидов и исходная структура ДНК не восстанавливается.

2. Сходство аминокислот по функциональному действию. В результате мутации одна аминокислота заменена на другую, сходную по функциональному действию, поэтому свойства и функции белка не изменились.

3. Вырожденность генетического кода. В связи с тем, что триплетов существует 64, а аминокислот 20, одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (до 6). Поэтому во многих случаях замена одного нуклеотида на другой ведет к образованию триплета-синонима.

4. Дублирование генов. Многие гены в клетке дублируются от 100 до 1000000 раз.

5. Парность хромосом в диплоидном наборе. Благодаря этому рецессивные мутации не проявляются.

6. Отбор. Он происходит на всех уровнях: молекулярном, клеточном, организменном (гибель эмбриона, мертворождение, гибель в раннем детстве, бесплодие). Направлен на защиту популяции от вырождения. Благодаря этому виды существуют длительное время.

ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ

Популяция является формой существования любого вида. Популяция - это совокупность особей одного вида, достаточно длительное время существующая на одной территории, внутри которой осуществляется панмиксия и которая отделена от других таких же совокупностей той или иной степенью изоляции.

Совокупность генотипов всех особей, составляющих данную популяцию, носит название генофонд.

Существует ли закономерность в распределении генов и генотипов внутри генофонда? Да. Она была сформулирована в 1908 году одновременно двумя учеными: английским математиком Харди и немецким врачом Вайнбергом и получила название закона Харди-Вайнберга. Этот закон полностью справедлив только для идеальных популяций, т.е. популяций, отвечающих следующим требованиям:

1) бесконечно большая численность;

2) внутри популяции осуществляется панмиксия (свободное скрещивание);

3) отсутствуют мутации по данному гену;

4) отсутствует приток и отток генов;

5) отсутствует отбор по анализируемому признаку (признак нейтральный!).

Природные популяции в большинстве своем приближаются к идеальным, поэтому данный закон находит применение.

Закон Харди-Вайнберга имеет математическое и словесное выражения, причем в двух формулировках:

Частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции остаются постоянными из поколения в поколение.

p + q = 1,

где p - частота встречаемости доминантного аллеля (А), q - частота встречаемости рецессивного аллеля (a).

Частоты встречаемости генотипов в одной аллельной паре в популяции остаются постоянными из поколения в поколение, а их распределение соответствует коэффициентам разложения бинома Ньютона 2-й степени.

p2 + 2pq +q2 = 1

Эту формулу следует выводить с помощью генетических рассуждений.

Допустим, что в генофонде популяции доминантный аллель А встречается с частотой р, а рецессивный аллель а с частотой q. Тогда в этой же популяции женские и мужские гаметы будут нести аллель А с частотой р, а аллель а с частотой q. При свободном скрещивании (панмиксии) происходит случайное слияние гамет и образуются самые разные их сочетания:

Запишем полученные генотипы в одну строку:

p2AA + 2pqAa + q2aa = 1.

Теперь докажем на конкретном примере, что частоты встречаемости генов одной аллельной пары из поколения в поколение не меняются. Допустим, что в некой популяции в данном поколении pA = 0,8, qa = 0,2. Тогда в следующем поколении будет:

0,64 АА + 0,32 Аа + 0,04 аа = 1.

При этом частота встречаемости аллельных генов в гаметах остается без изменений:

А = 0,64+0,16 = 0,8; а = 0,04+0,16 = 0,2.

Закон Харди-Вайнберга применим и для множественных аллелей.

Так, для трех аллельных генов формулы будут следующие:

p + q + r = 1,

p2 + 2pq + 2pr + 2 qr + q2 + r2 = 1.

Практическое значение закона Харди-Вайнберга состоит в том, что он позволяет рассчитать генетический состав популяции в данный момент и выявить тенденцию его изменения в будущем.

Применение этого закона на практике показало, что популяции отличаются друг от друга по частоте встречаемости генов. Так, по генам группы крови в системе АВ0 различия между русскими и англичанами были следующие:

Дрейф генов

В малочисленных популяциях закон Харди-Вайнберга не действует. Там имеет место явление дрейфа генов. Под дрейфом генов понимают случайное изменение частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции. Ввели данный термин зарубежные ученые. Российские ученые это явление назвали генетико-автоматическими процессами.

Дрейф генов может привести популяцию в гомозиготное состояние. Он играет очень важную роль в формировании генофонда малочисленных популяций. Именно дрейфом генов ученые объясняют отсутствие у североамериканских индейцев (коренных жителей) гена группы крови IB, и соответственно у них имеется только две группы крови (0 и А).

Доказательство дрейфа генов было получено в эксперименте на мухах-дрозофилах. Мух анализировали по одному признаку - строению щетинки

(адаптивного значения не имеет):

А - ген, определяющий нормальное строение щетинки;

а - ген, определяющий раздвоенность щетинки.

Взяли 96 ящиков, в каждый из них поместили по 4 самца и 4 самки. Из полученного потомства в каждом поколении методом случайной выборки оставляли в каждом ящике 4 самца и 4 самки. И так проделывали на протяжении 16 поколений. На 16-м поколении получили следующий результат: в 41 ящике все мухи имели генотип АА, в 29 ящиках - генотип аа, в 26 - генотип Аа.

Введение в генетику человека