Геномы живых организмов являются относительно стабильными, что необходимо для сохранения видовой структуры и преемственности развития. С целью поддержания стабильности в клетке работают различные системы репарации, исправляющие нарушения в структуре ДНК. Тем не менее, если бы изменения в структуре ДНК вообще не сохранялись, виды не могли бы адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды и эволюционировать. В создании эволюционного потенциала, т.е. необходимого уровня наследственной изменчивости, основная роль принадлежит мутациям.
Термином “мутация ” Г. де Фриз в своем классическом труде “Мутационная теория” (1901-1903) обозначил явление скачкообразного, прерывистого изменения признака. Он отметил ряд особенностей мутационной изменчивости :
- мутация — это качественно новое состояние признака;
- мутантные формы константны;
- одни и те же мутации могут возникать повторно;
- мутации могут быть полезными и вредными;
- выявление мутаций зависит от количества проанализированных особей.
В основе возникновения мутации лежит изменение структуры ДНК или хромосомы, поэтому мутации наследуются в последующих поколениях. Мутационная изменчивость универсальна; она имеет место у всех животных, высших и низших растений, бактерий и вирусов.
Условно мутационный процесс делят на спонтанный и индуцированный. Первый протекает под влиянием естественных факторов (внешних или внутренних), второй — при целенаправленном воздействии на клетку. Частота спонтанного мутагенеза очень низкая. У человека она лежит в пределах 10 -5 — 10 -3 на ген за поколение. В пересчете на геном это означает, что у каждого из нас имеется в среднем один ген, которого не было у родителей.
Большинство мутаций являются рецессивными, что очень важно, т.к. мутации нарушают сложившуюся норму (дикий тип) и поэтому оказываются вредными. Однако рецессивный характер мутантных аллелей позволяет им длительное время сохраняться в популяции в гетерозиготном состоянии и проявляться в результате комбинативной изменчивости. Если возникшая мутация оказывает благоприятное влияние на развитие организма, она будет сохраняться естественным отбором и распространяться среди особей популяции.
По характеру действия мутантного гена мутации делят на 3 вида:
- морфологические,
- физиологические,
- биохимические.
Морфологические мутации изменяют формирование органов и ростовые процессы у животных и растений. Примером данного вида изменений могут служить мутации по окраске глаз, форме крыла, окраске тела, форме щетинок у дрозофилы; коротконогость у овец, карликовость у растений, короткопалость (брахидактилия) у человека и др.
Физиологические мутации обычно понижают жизнеспособность особей, среди них много летальных и полулетальных мутаций. Примером физиологических мутаций являются дыхательные мутации у дрожжей, хлорофильные мутации у растений, гемофилия у человека.
К биохимическим мутациям относят такие, которые подавляют или нарушают синтез определенных химических веществ, обычно в результате отсутствия необходимого фермента. К этому типу относятся ауксотрофные мутации бактерий, определяющие неспособность клетки синтезировать какое-либо вещество (например, аминокислоту). Такие организмы способны жить только при наличии этого вещества в среде. У человека результатом биохимической мутации является тяжелое наследственное заболевание — фенилкетонурия, обусловленное отсутствием фермента синтезирующего тирозин из фенилаланина, в результате чего фенилаланин накапливается в крови. Если вовремя не установить наличие этого дефекта и не исключить фенилаланин из диеты новорожденных, то организму грозит гибель из-за сильного нарушения развития мозга.
Мутации могут быть генеративными и соматическими . Первые возникают в половых клетках, вторые — в клетках тела. Их эволюционная ценность различна и связана со способом размножения.
Генеративные мутации могут происходить на разных этапах развития половых клеток. Чем раньше они возникнут, тем большее количество гамет будет их нести, и, следовательно, увеличится шанс их передачи потомству. Аналогичная ситуация имеет место и в случае возникновения соматической мутации. Чем раньше она происходит, тем большее количество клеток будет ее нести. Особи, имеющие измененные участки тела, называются мозаиками, или химерами. Например, у дрозофилы наблюдается мозаицизм по окраске глаз: на фоне красной окраски в результате мутации возникают белые пятна (лишенные пигмента фасетки).
У организмов, размножающихся только половым способом, соматические мутации не представляют никакой ценности ни для эволюции, ни для селекции, т.к. они не наследуются. У растений, которые могут размножаться вегетативно, соматические мутации могут стать материалом для отбора. Например, почковые мутации, которые дают измененные побеги (спорты). От такого спорта И.В. Мичурин, используя метод прививки, получил новый сорт яблони Антоновка 600-граммовая.
Мутации разнообразны не только по своему фенотипическому проявлению, но и по тем изменениям, которые происходят в генотипе. Различают мутации генные , хромосомные и геномные .
Генные мутации
Генные мутации изменяют структуру отдельных генов. Среди них значительную часть составляют точковые мутации , при которых изменение затрагивает одну пару нуклеотидов. Чаще всего при точковых мутациях происходит замена нуклеотидов. Такие мутации бывают двух типов: транзиции и трансверсии. При транзициях в нуклеотидной паре пурин замещается на пурин или пиримидин на пиримидин, т.е. пространственная ориентация оснований не изменяется. При трансверсиях пурин замещается на пиримидин или пиримидин на пурин, что изменяет пространственную ориентацию оснований.
По характеру влияния замены оснований на структуру кодируемого геном белка выделяют три класса мутаций: missence-мутации, nonsence-мутации и samesence-мутации.
Missence-мутации изменяют смысл кодона, что приводит к появлению в составе белка одной неверной аминокислоты. Это может иметь очень серьезные последствия. Например, тяжелое наследственное заболевание — серповидно-клеточная анемия, одна из форм малокровия, вызвана заменой единственной аминокислоты в составе одной из цепей гемоглобина.
Nonsеnce-мутация — это появление (в результате замены одного основания) кодона-терминатора внутри гена. Если не включится система неоднозначности трансляции (см. выше), процесс синтеза белка будет прерван, и ген будет способен синтезировать только фрагмент полипептида (абортивный белок).
При samesence-мутации замена одного основания приводит к появлению кодона-синонима. В этом случае изменения генетического кода не происходит, и синтезируется нормальный белок.
Кроме замены нуклеотидов, точковые мутации могут быть вызваны вставкой или выпадением одной пары нуклеотидов. Эти нарушения приводят к изменению рамки считывания, соответственно, изменяется генетический код и синтезируется измененный белок.
К генным мутациям относят удвоение и потерю небольших участков гена, а также инсерции — вставки дополнительного генетического материала, источником которого чаще всего являются мобильные генетические элементы. Генные мутации являются причиной существования псевдогенов — неактивных копий функционирующих генов, у которых отсутствует экспрессия, т.е. не образуется функциональный белок. В псевдогенах мутации могут накапливаться. С активацией псевдогенов связывают процесс развития опухолей.
Для появления генных мутаций имеются две основные причины: ошибки в ходе процессов репликации, рекомбинации и репарации ДНК (ошибки трех Р) и действие мутагенных факторов. Примером ошибок в работе ферментных систем в ходе вышеуказанных процессов является неканоническое спаривание оснований. Оно наблюдается при включении в молекулу ДНК минорных оснований — аналогов обычных. Например, вместо тимина может включаться бромурацил, который достаточно легко соединяется с гуанином. Благодаря этому пара АТ замещается на GC.
Под действием мутагенов может происходить превращение одного основания в другое. Например, азотистая кислота путем дезаминирования превращает цитозин в урацил. В следующем цикле репликации он спаривается с аденином и исходная пара GC замещается на АТ.
Хромосомные мутации
Более серьезные изменения в генетическом материале происходят в случае хромосомных мутаций . Их называют хромосомными аберрациями, или хромосомными перестройками. Перестройки могут затрагивать одну хромосому (внутрихромосомные) или несколько (межхромосомные).
Внутрихромосомные перестройки могут быть трех типов: потеря (нехватка) участка хромосомы; удвоение участка хромосомы (дупликации); поворот участка хромосомы на 180° (инверсии). К межхромосомным перестройкам относятся транслокации — перемещение участка одной хромосомы на другую, не гомологичную ей хромосому.
Утрата внутреннего участка хромосомы, не затрагивающего теломеры, носит название делеции , а потеря концевого участка — дефишенси . Оторвавшийся участок хромосомы, если он лишен центромеры, теряется. Оба типа нехваток можно идентифицировать по характеру конъюгации гомологичных хромосом в мейозе. В случае концевой делеции один гомолог оказывается короче другого. При внутренней нехватке нормальный гомолог образует петлю против утраченного участка гомолога.
Нехватки приводят к утрате части генетической информации, поэтому они вредны для организма. Степень вредности зависит от размера утраченного участка и его генного состава. Гомозиготы по нехваткам редко бывают жизнеспособны. У низших организмов эффект нехваток менее ощутим, чем у высших. Бактериофаги могут терять значительную часть своего генома, замещая утраченный участок чужеродной ДНК, и при этом сохраняют функциональную активность. У высших даже гетерозиготность по нехваткам имеет свои пределы. Так, у дрозофилы утрата одним из гомологов участка, включающего более 50 дисков, имеет летальный эффект, несмотря на то, что второй гомолог нормален.
У человека с нехватками связан ряд наследственных заболеваний: тяжелая форма лейкемии (21-я хромосома), синдром кошачьего крика у новорожденных (5-я хромосома) и др.
Нехватки можно использовать для генетического картирования путем установления связи между утратой специфического участка хромосомы и морфологическими особенностями особи.
Дупликацией называют удвоение любого участка хромосомы нормального хромосомного набора. Как правило, дупликации приводят к усилению признака, который контролируется геном, локализованным в этом участке. Например, удвоение у дрозофилы гена Bar , вызывающего редукцию числа глазных фасеток, приводит к дальнейшему уменьшению их количества.
Дупликации легко выявляются цитологически по нарушению структурного рисунка гигантских хромосом, а генетически их можно выявить по отсутствию рецессивного фенотипа при скрещивании.
Инверсия — поворот участка на 180° — изменяет порядок расположения генов в хромосоме. Это очень распространенный вид хромосомных мутаций. Особенно много их обнаружено в геномах дрозофилы, хирономуса, традесканций. Различают два типа инверсий: парацентрические и перицентрические. Первые затрагивают только одно плечо хромосомы, не касаясь центромерного участка и не изменяя форму хромосом. Перицентрические инверсии захватывают район центромеры, включающий участки обоих плеч хромосом, и поэтому они могут значительно изменить форму хромосомы (если разрывы произойдут на разном расстоянии от центромеры).
В профазе мейоза гетерозиготную инверсию можно обнаружить по характерной петле, с помощью которой восстанавливается комплементарность нормального и инвертированного участков двух гомологов. Если в районе инверсии происходит одинарный перекрест, то он приводит к образованию аномальных хромосом: дицентрика (с двумя центромерами) и ацентрика (без центромеры). Если же инвертированный участок имеет значительную протяженность, то может осуществляться двойной кроссинговер, в результате которого образуются жизнеспособные продукты. При наличии двойных инверсий в одном участке хромосомы кроссинговер вообще подавляется, в связи с чем их называют “запирателями перекреста” и обозначают буквой С. Эту особенность инверсий используют при генетическом анализе, например при учете частоты мутаций (методы количественного учета мутаций Г. Меллера).
Межхромосомные перестройки — транслокации, если они имеют характер взаимного обмена участками между негомологичными хромосомами, носят название реципрокных . Если же разрыв затрагивает одну хромосому и оторвавшийся участок прикрепляется к другой хромосоме, то это — нереципрокная транслокация . Образующиеся хромосомы будут нормально функционировать при клеточном делении, если у каждой их них будет одна центромера. Гетерозиготность по транслокациям сильно изменяет процесс конъюгации в мейозе, т.к. гомологичное притяжение испытывают не две хромосомы, а четыре. Вместо бивалентов образуются квадриваленты, которые могут иметь различную конфигурацию в виде крестов, колец и др. Их неправильное расхождение часто приводит к образованию нежизнеспособных гамет.
При гомозиготных транслокациях хромосомы ведут себя как нормальные, при этом образуются новые группы сцепления. Если они сохраняются отбором, то возникают новые хромосомные расы. Таким образом, транслокации могут быть эффективным фактором видообразования, как это имеет место у некоторых видов животных (скорпионы, тараканы) и растений (дурман, пион, энотера). У вида Paeonia californica в транслокационный процесс вовлечены все хромосомы, и в мейозе образуется единый конъюгационный комплекс: 5 пар хромосом образуют кольцо (конъюгация “конец в конец”).
Различают генные мутации , затрагивающие лишь один или несколько нуклеотидов в пределах одного гена, и хромосомные мутации , приводящие к изменению числа хромосом в клетке либо числа или последовательности генов в хромосоме. Рассмотрим сначала генные мутации.
Генные, или точечные мутации возникают, когда последовательность оснований в ДНК гена несколько изменяется и потомству передается новая, искаженная нуклеотидная последовательность. Существуют два основных класса генных мутаций: 1)замены пар оснований , когда одна или несколько нуклеотидных пар в ДНК заменяются другими; 2) мутации со сдвигом рамки считывания , обусловленные вставкой (инсерция) или делецией одного или нескольких нуклеотидов.
Мутации, затрагивающие лишь одну пару оснований и приводящие к ее замене на другую, удвоению или делеции (отсутствию одного нуклеотида ДНК) называют точковыми мутациями.
Замены оснований возникают следующими путями:
1. Замена одного пурина на другой или одного пиримидина на другой – транзиции. Возможны 4 типа транзиций: A↔G, T↔C.
2. Замена пурина на пиримидин и наоборот. Такие замены называют трасверсиями. Он могут быть восьми типов: A↔T, G↔C, A↔C , G↔T.
Тип замены оснований зависит от особенностей мутагенного воздействия и от того, какая последовательность нуклеотидов окружает изменяющееся основание.
В научной литературе спонтанные мутации рассматриваются как побочные продукты нормальных процессов клеточной физиологии. В этой связи необходимо вспомнить концепцию Р. фон Борстела: “мутации возникают в результате ошибок трех «Р»: репликации, репарации, рекомбинации”.
Мутации замены оснований приводит к появлению двух типов мутантных кодонов в мРНК – с измененным смыслом (миссенс) и бессмысленного (нонсенс).
Замены пар оснований в нуклеотидной последовательности структурного гена часто приводят к изменению последовательности аминокислот в белке, кодируемом этим геном. Так возникает миссенс-мутации. Однако это происходит не всегда в силу избыточности генетического кода. По таблице генетического кода (табл. № стр. 25 ) можно определить, что триплет AUA в мРНК кодирует аминокислоту изолейцин. Замена одного основания в первом, втором или третьем положениях кодона может дать девять новых кодонов, два из которых по-прежнему определяют изолейцин, тогда как семь остальных кодируют в совокупности шесть новых аминокислот (рис.).
Рисунок. Точечные мутации.
Из таблицы генетического кода видно, что замены оснований во втором положении триплета всегда приводят к изменению кодируемой аминокислоты (или к образованию сигнала терминации), замены первого нуклеотида триплета почти всегда дают тот же эффект (исключения составляют лишь замены UUA или UUG на GUA или GUG и наоборот, поскольку все эти триплеты кодируют литцин, а также замены AGA и AGG на CGA или CGG и наоборот, так как все эти триплеты кодируют аргинин). Однако замена третьего нуклеотида триплета часто не вызывает изменения его смысла, поскольку большая часть избыточности генетического кода относится именно к третьему основанию триплета. Триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называется синонимами.
Следовательно, так как код вырожденный, не всякая мутация в кодоне приводит к замене аминокислоты (нейтральная мутация). Не всякая замена аминокислоты отразится на функциональной активности белка. Поэтому в обоих случаях ситуация останется не выявленной. Это объясняет, почему частоты мутаций в данном гене и встречаемость мутантов по нему могут не совпадать. Хотя в ряде случаев миссенс-мутация может иметь серьезные последствия для организма (например, появление гемоглобина S при серповидноклеточной анемии у человека). Гемоглобин S – вариант нормального гемоглобина А, состоящий из двух идентичных a-цепей и двух идентичных b-цепей. Лица, гомозиготные по мутантному аллелю, кодирующему синтез аномальной b-цепи, страдают тяжелой формой гемолитической анемии. В условиях недостатка кислорода гемоглобин S образует кристаллоподобные сцепления, нарушающие морфологию эритроцитов. Они удлиняются, принимая серповидную форму, аномальные клетки могут закупорить мелкие сосуды и прекратить доступ кислорода к тканям. Сравнение аминокислотных последовательностей b-цепей гемоглобинов А и S показало, что различие между ними определяется заменой только одной аминокислоты.
По характеру влияния на активность ферментов различают несколько типов миссенс-мутаций: растекающиеся (ликовые), снижающие уровень синтеза или образования менее активных ферментов; с нормальной активностью в одних условиях и слабоактивные в других (условно летальные мутации) и др.
К типу «нонсенс» относятся мутации, приводящие к замене пар оснований, при которой кодон, определяющий аминокислоту, превращается в один из нонсенс кодонов, не транслирующихся на рибосомах. Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции, т.е. к обрыву полипептидной цепи и сопровождается полным выключением функции фермента.
Такие замены переводят триплет, кодирующий ту или иную аминокислоту, в триплет-терминатор, и наоборот (например, мутация, вызывающая в мРНК изменение триплета UAU, кодирующего тирозин, - в триплет UAA, который служит терминирующим сигналом). Замены такого типа приводят к образованию белковых молекул с более короткими полипептидными цепями, поскольку после терминирующего сигнала считывание (трансляция) нуклеотидной последовательности прекращается.
Мутации со сдвигом рамки считывания (фреймшифт) обусловлены вставками или выпадениями одного или нескольких нуклеотидов, и часто сильно изменяют последовательность аминокислот в транслируемом белке.
Рисунок. Мутации со сдвигом рамки считывания вследствие утраты нуклеотида (А -) и включения (вставки) нуклеотида (G +).
Вставка или делеция одного или нескольких оснований (их число не должно быть кратно трем) сдвигает «рамку считывания» нуклеотидной последовательности, начиная от точки, где произошла вставка или делеция, и до конца молекулы (рис.).
Если в каком-то месте нуклеотидной последовательности возникла вставка одной нуклеотидной пары, а в другом месте – делеция одной пары, то исходная рамка считывания, а значит, и правильная последовательность аминокислот восстанавливается после этой второй мутации.
Мутация может касаться как структурных, так и регуляторных генов. Структурные изменения ДНК заключаются в разрыве одной или нескольких цепей, образовании диметров, появлении поперечных сшивок.
Различают спонтанную и индуцированную мутацию. Генные мутации могут возникать спонтанно вследствие молекулярных процессов, как связанных, так и не связанных с репликацией ДНК. Индуцированная мутация возникает под влиянием факторов внешней среды.
Мутагенные факторы (мутагены) – различной природы факторы, естественное наличие или искусственное применение которых вызывает появление мутаций.
Естественный мутагенез основан на действии автомутагенов (мутагенных факторов, возникающих в организме в процессе обмена веществ и способных вызывать генные и хромосомные мутации), генов-мутаторов и ряда природных факторов, включая экстремальные внешние условия. Однако частота спонтанного мутирования низка.
Мутагены, способные вызывать индуцированные мутации, делятся на физические, химические и биологические. Физические мутагены включают различные излучения, температуру, ультразвук и механические воздействия. Среди них лидирующее положение занимают ионизирующее и ультрафиолетовые излучения. К ионизирующему излучению относятся электромагнитные (рентгеновские, гамма-лучи) и корпускулярные радиоактивные излучения (электроны или b-частицы; протоны или a-частицы, нейтроны).
Действие ионизирующего излучения основано на образовании ионов в облученной ткани (первичное действие) и тепловом возбуждении молекул этой ткани (вторичное действие), вследствие чего пораженные молекулы претерпевают химические изменения, влекущие за собой генетические последствия. Ультрафиолетовые лучи производят только возбуждение молекул; проникающая способность их невелика и они являются причинами мутации лишь в соматических клетках. Если мутация произошла в соматической клетке, то последствия связаны лишь с судьбой данного организма. С его гибелью исчезают следы произошедшей мутации. Ионизирующие излучения способны вызывать мутации в половых клетках (гаметах). Если мутация произошла в гамете и яйцеклетка оплодотворилась, то последствия мутации сказываются на судьбе потомства. Таким образом, облучение способно изменить наследственность гамет и вызвать мутации в такой минимальной дозе радиации, которая не вызывает гибель или лучевое поражение организма. Потомство облученного при этом находится под угрозой развития наследственной болезни.
Установлено, что ионизирующие излучения индуцируют мутации рандомизированно как по отдельным хромосомам, так и по их длине. Инфракрасное излучение само по себе не способно вызывать повреждение генетического аппарата клеток, но в сочетании с ионизирующим усиливает мутагенный эффект.
Химические мутагены чаще повреждают гетерохроматиновые участки хромосом и в зависимости от принципа действия разграничиваются на пять групп: 1) цитостатические препараты, особенно ингибиторы азотистых оснований нуклеиновых кислот (теобромин, теофиллин и др.); 2) аналоги азотистых (пуриновых, пиримидиновых) оснований, включающиеся вместо них в нуклеиновые кислоты; 3) алкилирующие соединения (азотистый иприт, фенол, формальдегид); 4) окислители, восстановители и свободные радикалы; 5) акридиновые красители.
Наибольшей мутабильностью обладают алкилирующие соединения: этиленилены, диэтилсульфат, 1,4 бисдиазоацетилбутан, этилметансульфонат, N-нитрозоалкилмочевина и ряд других.
К биологическим мутагенам относятся вирусы, поражающие как соматические, так и половые клетки (вирусы краснухи, цитомегалин, гепатита В). Например, у женщин, перенесших краснуху или вирусный гепатит, наблюдаются спонтанные аборты, причем в клетках плода отличаются многочисленные хромосомные аберрации. У потомства таких женщин чаще встречаются хромосомные болезни.
Чувствительность клеток к мутагенам неодинакова в разных фазах клеточного цикла. Ионизирующие излучения наиболее эффективны при действии на стадии G 2 –фазы, а большинство химических мутагенов - G 1 -S-фазы.
Мутагенное воздействие, достигнув мишени, вызывает первичное повреждение: одно- и двунитевые разрывы ДНК; перекрестные сшивки ДНК – ДНК и ДНК – белок, алкилирование оснований и сахарофосфатного остова молекулы ДНК, образование пиримидиновых димеров.
Генные мутации оказывают на организм самое различное воздействие: от едва заметного и пренебрежимо малого до летального. Замены пар оснований, не приводящие к изменению аминокислотной последовательности кодируемого белка, если и влияют, то лишь незначительно на способность организма нормально функционировать и размножаться. Мутации, при которых изменяются одна или даже несколько аминокислот, также могут либо совсем не оказывать на организм никакого видимого вредного влияния, либо воздействовать на него лишь в слабой степени, если эти замены не затрагивают основных биологических функций кодируемого белка. Однако последствия замены одной – единственной аминокислоты могут быть очень существенными, если эта аминокислота входит в состав активного центра фермента или каким-либо иным образом влияет на биологически важные функции кодируемого белка (рис.).
Рисунок. Первые семь аминокислот в b - цепи гемоглобина человека. b - цепь состоит из 146 аминокислот. Замена глутаминовой кислоты валином в шестом положении ответственна за тяжелое наследственное заболевание – серповидноклеточную анемию.
Вред, причиняемый организму мутациями, часто зависит от конкретных внешних условий. Например, у людей при гомозиготности по одной из рецессивных мутаций возникает тяжелая болезнь фенилкетонурия (ФКУ) однако лица, гомозиготные по этой мутации, могут, тем не менее, нормально существовать на диете, при которой исключен фенилаланин, поскольку все проявления этой болезни связаны с неспособностью организма усваивать данную аминокислоту.
Антимутагенез. Репарация ДНК.
Не все первичные повреждения реализуются в мутации, этот процесс многоступенчатый и главное событие в нем – репарация ДНК.
Следствием ошибок репарации или ее отсутствия является «закрепление» мутации. Нужно помнить, что подавляющее большинство мутаций не имеет последствий для организма по той причине, что только 5 % всех генов функционируют в организме на данном этапе онтогенеза, остальные находятся в репрессивном состоянии и не транскрибируются.
Различают три основные возможности формирования предмутационных повреждений ДНК и возникновения мутаций:
1. мутаген может включиться в ДНК вместо нормального основания (например, 2-аминопурин, являющийся аналогом аденина, встраиваясь в ДНК, спаривается с тимином или цитозином, что приводит к возникновению транзиций типа AG ® GC и GC ® AT).
2. мутаген может сам не встраиваться в ДНК, но так модифицировать основания, что в ходе последующей репликации произойдет их ошибочное спаривание.
3. мутаген может, повредит одно или несколько оснований, затрудняя или делая невозможным их спаривание с обычным основанием.
Репарация – самовосстановление первичной структуры ДНК, следующее после нарушения ее физическими и химическими мутагенами.
Все известные в настоящее время способы репарации ДНК обеспечиваются постоянно действующими или индуцируемыми ферментами, удаляющими повреждения, возникшие в одной из цепей ДНК. Некоторые способы могут не вполне точно восстанавливать исходную последовательность оснований в ДНК, вследствие чего возникают мутации.
Возможность репарации ДНК была обнаружена в 1949 году, когда три автора – А. Кёльнер, Р. Дюльбенко и И. Ф. Ковалев – независимо друг от друга установили, что освещение видимым светом (с длиной волны свыше 400 нм) актиномицетов, бактериофага и парамеций восстанавливает их жизнеспособность после УФ – облучения в летальных дозах. Это явление названо фотореактивацией. Оно происходит вследствие активации фотореактивирующего фермента, расщепляющего димеры пиримидинов и восстанавливающего первичную структуру ДНК.
Основные механизмы репарации ДНК и ферменты, обеспечивающие этот процесс, были раскрыты к концу 70-х годов.
Для клеток млекопитающих и человека выявлено много типов репарации, которые осуществляются на разных стадиях клеточного цикла. Они отличаются, друг от друга не только по времени протекания, но и эффективностью. Если невозможна прямая реактивация, то работают механизмы эксцизионной репарации. Эксцизионная (темновая) репарация, протекающая в пресинтетической стадии (G 1) клеточного цикла, обладает высокой эффективностью. Она осуществляется путем «вырезания» эндонуклеазами поврежденных участков ДНК (димеров пиримидинов) и и последующего восстановления образующейся бреши с помощью ферментов ДНК - полимериз I и II - новыми нуклеотидами комплементарно к непораженной нити этой же молекулы ДНК. Практически все повреждения молекулы ДНК при этом могут полностью репарироваться без образования мутаций.
Если молекула ДНК с димерами реплицируется, против каждого из ее димеров образуется брешь. Последующий обмен между сестринскими полинуклеотидными цепями может восстанавливать первичную структуру молекулы ДНК. Такой тип репарации ДНК называется рекомбинационной (пострепликационной) репарацией.
Эта репарация осуществляется в тех случаях, когда повреждения в цепях ДНК по тем или иным причинам не были устранены до начала репликации. Последствия таких повреждений могут быть сведены к минимуму благодаря этому типу репарации. Иногда при нарушении пострепликативной репарации в противоположность эксцизионной возникают ошибки и как следствие образуются мутации. Например, один из типов пигментной ксеродермы у людей (XP VAR) связан с блоком пострепликативной репарации. Высокую частоту хромосомных аберраций, наблюдающихся в случае рецессивной болезни у человека – синдрома Блума , также объясняют нарушением рекомбинационной репарации.
Мутация может касаться генов контролирующих ферменты репарации ДНК. В таких случаях повышается чувствительность организма к лучевым и другим мутагенным воздействиям. Злокачественный рост, преждевременное старение, коллагенозы имеют в патогенезе именно такие механизмы.
Известны мутантные формы эукариот с ослабленным неплановым синтезом ДНК и поэтому с повышенной чувствительностью к УФ излучению и другим мутагенным факторам. Некоторые люди, гомозиготные по мутантному гену пигментной ксеродермы (xeroderma pigmentosum) , проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, склонны к аномальной пигментации кожи и к заболеванию кожным раком. Известно несколько разных генетических форм этой болезни, и, по крайней мере, некоторые из них объясняются неспособностью клеток к вырезанию тимидиновых димеров. Например, пигментная ксеродерма I (XPI) сопровождается чувствительностью клеток больных людей к действию УФ излучения в связи с их дефектностью по УФ – эндонуклеазе – ферменту, который первым распознает тимидиновые димеры и некоторые другие повреждения.
Репарация всегда осуществляется в первом после воздействия цикле. Наряду с антимутационным механизмом репарации обнаружены вещества, предупреждающие или снижающие действие мутагенов, а также уровень естественного мутирования. Такие вещества называются антимутагенами . Постоянно присутствующие в организме естественные антимутагены входят в единую буферную систему, удерживающую частоту спонтанного мутирования на естественном для вида уровне. Обнаружено, что антимутагенный эффект имеют: фермент каталаза, хлорофилл, пироксидаза капусты, витамины А и С (при одновременном употреблении обеспечивают устойчивость организма к действию γ-облучения), витамин Е, интерферон.
Вещества, снижающие генетическое и физиологическое действие радиации, называют радиопротекторами. Например, ультрафиолетовое облучение сразу после облучения лучами Рентгена снижает радиогенетическое действие последних. Действие ряда химических радиопротекторов (цистеамина, стрептомицина и др.) объясняется миграцией на их молекулы части энергии, поглощенной хромосомами во время облучения, вследствие чего частота мутаций понижается. Действие гипосульфита и некоторых других веществ основано на химическом связывании кислорода клетки и создании, таким образом, условий гипоксии, ведущих к снижению радиогенетического эффекта. Такое явление называется кислородным эффектом.
Кислородный эффект – изменение частоты индуцируемых радиацией (за исключением α-лучей и нейтронов) мутаций с изменением концентрации кислорода в среде. Он универсален, наблюдается при облучении растений, бактерий, животных. При полном отсутствии кислорода (аноксия) в среде радиоустойчивость клеток повышается в 2 – 3 раза. Сенсибилизирующий эффект кислорода возрастает до концентрации его в 21 %, характерной для атмосферы. Последующее повышение концентрации кислорода уже не увеличивает радиогенетического эффекта облучения.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ 5 УЖАСНЫХ мутаций человека, которые ШОКИРОВАЛИ ученых
✪ Виды мутаций. Генные мутации
✪ 10 СУМАСШЕДШИХ МУТАЦИЙ ЧЕЛОВЕКА
✪ Виды мутаций. Геномные и хромосомные мутации
✪ Урок биологии №53. Мутации. Виды мутаций.
Субтитры
Ник Вуйчич родился с редким наследственным заболеванием под названием синдром Тетра-Амелия. У мальчика отсутствовали полноценные руки и ноги, но имелась одна частичная стопа с двумя сросшимися пальцами; это позволило мальчику после хирургического разделения пальцев научиться ходить, плавать, кататься на скейте, работать на компьютере и писать. Переживая по поводу инвалидности в детстве, он научился жить со своим недостатком, делясь своим опытом с окружающими и став всемирно известным мотивационным спикером. В 2012 году Ник Вуйчич женился. И впоследствии у пары родились 2 абсолютно здоровых сына. В 2015 году в Египте родился младенец с одним глазом посередине лба. Врачи сказали, что новорожденный мальчик страдает от циклопии - необычного заболевания, название которого происходит от одноглазых гигантов из греческой мифологии. Заболевание стало следствием радиационного облучения в утробе матери. Циклопия является одним из самых редких форм врожденных дефектов. Дети, рожденные с этим заболеванием, зачастую умирают вскоре после рождения, так как они часто имеют и другие серьезные дефекты, в том числе повреждения сердца и других органов. В США в штате Айова живет Айзек Браун, у которого выявлено очень необычное заболевание. Суть этой болезни заключается в том, что ребенок не чувствует боли. По причине этого, родители Айзека вынуждены постоянно следить за своим сыном, чтобы не допустить серьезных травм ребенка. Способность мальчика не ощущать боль является следствием редкого генетического заболевания. Конечно же, мальчик при травмах испытывает боль, только эти ощущения в несколько раз слабее, чем у всех людей. Сломав ногу, Айзек понял, что с его ногой просто что-то не так, поскольку он не может как обычно ходить, но боли не было. Помимо того, что малыш не ощущает боль, у него при обследовании обнаружили ангидроз, то есть отсутствует способность регулирования температуры собственного тела. В настоящее время специалисты изучают образцы ДНК мальчика, в надежде найти дефект в генах и разработать методы лечения подобного недуга. У маленькой американки по имени Габби Уильямс редкое состояние организма. Она будет оставаться вечно молодой. Сейчас ей 11 лет и она весит 5 килограмм. При этом у нее лицо и тело ребенка. Ее странное отклонение окрестили реальной историей Бенджамина Баттона, ведь девочка стареет на год за четыре прожитых. И это - удивительное явление, над которым ломают умы десятки специалистов. Когда она родилась, то была фиолетовой и слепая. Тесты показали, что у нее была аномалия головного мозга и ее зрительный нерв был поврежден. У нее два порока сердца, волчья пасть, и аномальный глотательный рефлекс, поэтому она может есть только через трубку в носу. Также девочка совершенно немая. Малышка умеет только плакать или иногда улыбаться. Отклонений в ДНК нет, но Габби почти не стареет в сравнении с другими людьми и в чем причина - никто не знает. Хавьер Ботет страдает от редкого генетического недуга, известного как Синдром Марфана. Люди с этой болезнью отличаются высоким ростом, худобой, имеют удлиненные конечности и пальцы. Их кости не только вытянуты, но обладают еще и удивительной гибкостью. Стоит заметить, что без лечения и ухода, страдающие от Синдрома Марфана редко доживают до сорока лет. Хавьер Ботет при 2-метровом росте весит всего 45 кг. Эти специфические внешние данные, особенности физического строения и генетической системы помогли Ботет стать "своим" в фильмах ужасов. Он сыграл ужасающе худого зомби из трилогии "Репортаж", а также жутких призраков в фильмах "Мама", "Багровый пик" и "Заклятие 2".
Причины мутаций
Мутации делятся на спонтанные и индуцированные . Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10 − 9 {\displaystyle 10^{-9}} - 10 − 12 {\displaystyle 10^{-12}} на нуклеотид за клеточную генерацию организма.
Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома , возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды .
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК , нарушения репарации ДНК , транскрипции и генетическая рекомбинация .
Связь мутаций с репликацией ДНК
Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации . Например, из-за дезаминирования цитозина напротив гуанина в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин , образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).
Связь мутаций с рекомбинацией ДНК
Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер . Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация , а в другой - делеция .
Связь мутаций с репарацией ДНК
Таутомерная модель мутагенеза
Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина , что может вызывать транзиции от цитозина к тимину. Из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).
Классификации мутаций
Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена на гипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа; синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация white у Drosophila), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) и неоморфные .
В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:
- геномные ;
- хромосомные ;
- генные .
Точечная мутация, или единственная замена оснований, - тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов. Выделяют несколько типов точечных мутаций.
Встречаются также сложные мутации. Это такие изменения ДНК, когда один её участок заменяется участком другой длины и другого нуклеотидного состава .
Точечные мутации могут появляться напротив таких повреждений молекулы ДНК, которые способны останавливать синтез ДНК. Например, напротив циклобутановых пиримидиновых димеров. Такие мутации называются мишенными мутациями (от слова «мишень») . Циклобутановые пиримидиновые димеры вызывают как мишенные мутации замены оснований , так и мишенные мутации сдвига рамки .
Иногда точечные мутации образуются на, так называемых, неповрежденных участках ДНК, часто в небольшой окрестности от фотодимеров. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований или немишенными мутациями сдвига рамки .
Точечные мутации образуются не всегда сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликаций. Это явление носит название задерживающихся мутаций . При нестабильности генома, главной причине образования злокачественных опухолей, резко возрастает количество немишенных и задерживающихся мутаций .
Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер - UAG, охр - UAA и опал - UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов - например амбер-мутация), 4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).
По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift) . Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трём, что связано с триплетностью генетического кода.
Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией , а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, - обратной мутацией , или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.
Почковые мутации (спорты) - стойкие соматические мутации происходящие в клетках точек роста растений. Приводят к клоновой изменчивости . При вегетативном размножении сохраняются. Многие сорта культурных растений являются почковыми мутациями .
Последствия мутаций для клетки и организма
Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, - апоптозу). Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.
Кроме того, закономерно различается частота мутирования разных генов и разных участков внутри одного гена. Также известно, что высшие организмы используют «целенаправленные» (то есть происходящие в определенных участках ДНК) мутации в механизмах
Мутации - это изменения в ДНК клетки. Возникают под действием ультрафиолета, радиации (рентгеновских лучей) и т.п. Передаются по наследству, служат материалом для естественного отбора.
Генные мутации - изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена А на Т. Причины - нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.
Хромосомные мутации - изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п. Причины - нарушения при кроссинговере. Пример: синдром кошачьего крика.
Геномные мутации - изменение количества хромосом. Причины - нарушения при расхождении хромосом.
- Полиплоидия - кратные изменения (в несколько раз, например, 12 → 24). У животных не встречается, у растений приводит к увеличению размера.
- Анеуплоидия - изменения на одну-две хромосомы. Например, одна лишняя двадцать первая хромосома приводит к синдрому Дауна (при этом общее количество хромосом - 47).
Цитоплазматические мутации - изменения в ДНК митохондрий и пластид. Передаются только по женской линии, т.к. митохондрии и пластиды из сперматозоидов в зиготу не попадают. Пример у растений - пестролистность.
Соматические - мутации в соматических клетках (клетках тела; могут быть четырех вышеназванных видов). При половом размножении по наследству не передаются. Передаются при вегетативном размножении у растений, при почковании и фрагментации у кишечнополостных (у гидры).
Приведённые ниже понятия, кроме двух, используются для описания последствий нарушения расположения нуклеотидов в участке ДНК, контролирующем синтез белка. Определите эти два понятия, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) нарушение первичной структуры полипептида
2) расхождение хромосом
3) изменение функций белка
4) генная мутация
5) кроссинговер
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Полиплоидные организмы возникают в результате
1) геномных мутаций
3) генных мутаций
4) комбинативной изменчивости
Ответ
Установите соответствие между характеристикой изменчивости и ее видом: 1) цитоплазматическая, 2) комбинативная
А) происходит при независимом расхождении хромосом в мейозе
Б) происходит в результате мутаций в ДНК митохондрий
В) возникает в результате перекреста хромосом
Г) проявляется в результате мутаций в ДНК пластид
Д) возникает при случайной встрече гамет
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Синдром Дауна является результатом мутации
1) геномной
2) цитоплазматической
3) хромосомной
4) рецессивной
Ответ
1. Установите соответствие между характеристикой мутации и ее видом: 1) генная, 2) хромосомная, 3) геномная
А) изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК
Б) изменение строения хромосом
В) изменение числа хромосом в ядре
Г) полиплоидия
Д) изменение последовательности расположения генов
Ответ
2. Установите соответствие между характеристиками и типами мутаций: 1) генные, 2) геномные, 3) хромосомные. Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам.
А) делеция участка хромосомы
Б) изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК
В) кратное увеличение гаплоидного набора хромосом
Г) анеуплоидия
Д) изменение последовательности генов в хромосоме
Е) выпадение одного нуклеотида
Ответ
Выберите три варианта. Чем характеризуется геномная мутация?
1) изменением нуклеотидной последовательности ДНК
2) утратой одной хромосомы в диплоидном наборе
3) кратным увеличением числа хромосом
4) изменением структуры синтезируемых белков
5) удвоением участка хромосомы
6) изменением числа хромосом в кариотипе
Ответ
1. Ниже приведен перечень характеристик изменчивости. Все они, кроме двух, используются для описания характеристик геномной изменчивости. Найдите две характеристики, «выпадающие» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) ограничена нормой реакции признака
2) число хромосом увеличено и кратно гаплоидному
3) появляется добавочная Х-хромосома
4) имеет групповой характер
5) наблюдается потеря Y-хромосомы
Ответ
2. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания геномных мутаций. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) нарушение расхождения гомологичных хромосом при делении клетки
2) разрушение веретена деления
3) конъюгация гомологичных хромосом
4) изменение числа хромосом
5) увеличение числа нуклеотидов в генах
Ответ
3. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания геномных мутаций. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК
2) кратное увеличение хромосомного набора
3) уменьшение числа хромосом
4) удвоение участка хромосомы
5) нерасхождение гомологичных хромосом
Ответ
4. Ниже приведен перечень характеристик изменчивости. Все они, кроме трех, используются для описания характеристик геномных мутаций. Найдите три характеристики, «выпадающие» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) возникают в результате перераспределения генного материала между хромосомами
2) связаны с нерасхождением хромосом при мейозе
3) возникают из-за утраты части хромосомы
4) приводят к появлению полисомии и моносомии
5) связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами
6) обычно оказывают вредное воздействие и приводят к гибели организма
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Рецессивные генные мутации изменяют
1) последовательность этапов индивидуального развития
2) состав триплетов в участке ДНК
3) набор хромосом в соматических клетках
4) строение аутосом
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Цитоплазматическая изменчивость связана с тем, что
1) нарушается мейотическое деление
2) ДНК митохондрий способна мутировать
3) появляются новые аллели в аутосомах
4) образуются гаметы, неспособные к оплодотворению
Ответ
1. Ниже приведен перечень характеристик изменчивости. Все они, кроме двух, используются для описания характеристик хромосомной изменчивости. Найдите две характеристики, «выпадающие» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) потеря участка хромосомы
2) поворот участка хромосомы на 180 градусов
3) уменьшение числа хромосом в кариотипе
4) появление добавочной Х-хромосомы
5) перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому
Ответ
2. Все приведённые ниже признаки, кроме двух, используются для описания хромосомной мутации. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) число хромосом увеличилось на 1-2
2) один нуклеотид в ДНК заменяется на другой
3) участок одной хромосомы перенесен на другую
4) произошло выпадение участка хромосомы
5) участок хромосомы перевернут на 180°
Ответ
3. Все приведенные ниже характеристики, кроме двух, используются для описания хромосомной изменчивости. Найдите две характеристики, «выпадающие» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) умножение участка хромосомы в несколько раз
2) появление дополнительной аутосомы
3) изменение последовательности нуклеотидов
4) потеря концевого участка хромосомы
5) поворот гена в хромосоме на 180 градусов
Ответ
ФОРМИРУЕМ
1) удвоение одного и того же участка хромосомы
2) уменьшение числа хромосом в половых клетках
3) увеличение числа хромосом в соматических клетках
Выберите один, наиболее правильный вариант. К какому виду мутаций относят изменение структуры ДНК в митохондриях
1) геномной
2) хромосомной
3) цитоплазматической
4) комбинативной
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Пестролистность у ночной красавицы и львиного зева определяется изменчивостью
1) комбинативной
2) хромосомной
3) цитоплазматической
4) генетической
Ответ
1. Ниже приведен перечень характеристик изменчивости. Все они, кроме двух, используются для описания характеристик генной изменчивости. Найдите две характеристики, «выпадающие» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) обусловлена сочетанием гамет при оплодотворении
2) обусловлена изменением последовательности нуклеотидов в триплете
3) формируется при рекомбинации генов при кроссинговере
4) характеризуется изменениями внутри гена
5) формируется при изменении нуклеотидной последовательности
Ответ
2. Все приведенные ниже характеристики, кроме двух, служат причинами генной мутации. Определите эти два понятия, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) конъюгация гомологичных хромосом и обмен генами между ними
2) замена одного нуклеотида в ДНК на другой
3) изменение последовательности соединения нуклеотидов
4) появление в генотипе лишней хромосомы
5) выпадение одного триплета в участке ДНК, кодирующей первичную структуру белка
Ответ
3. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания генных мутаций. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) замена пары нуклеотидов
2) возникновение стоп-кодона внутри гена
3) удвоение числа отдельных нуклеотидов в ДНК
4) увеличение числа хромосом
5) потеря участка хромосомы
Ответ
4. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, используют для описания генных мутаций. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) добавление одного триплета в ДНК
2) увеличение числа аутосом
3) изменение последовательности нуклеотидов в ДНК
4) потеря отдельных нуклеотидов в ДНК
5) кратное увеличение числа хромосом
Ответ
5. Все приведённые ниже характеристики, кроме двух, типичны для генных мутаций. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) возникновение полиплоидных форм
2) случайное удвоение нуклеотидов в гене
3) потеря одного триплета в процессе репликации
4) образование новых аллелей одного гена
5) нарушение расхождения гомологичных хромосом в мейозе
Ответ
ФОРМИРУЕМ 6:
1) осуществляется перенос участка одной хромосомы на другую
2) возникает в процессе репликации ДНК
3) происходит выпадение участка хромосомы
Выберите один, наиболее правильный вариант. Полиплоидные сорта пшеницы - это результат изменчивости
1) хромосомной
2) модификационной
3) генной
4) геномной
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Получение селекционерами сортов полиплоидной пшеницы возможно благодаря мутации
1) цитоплазматической
2) генной
3) хромосомной
4) геномной
Ответ
Установите соответствие между характеристиками и мутациями: 1) геномная, 2) хромосомная. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) кратное увеличение числа хромосом
Б) поворот участка хромосомы на 180 градусов
В) обмен участками негомологичных хромосом
Г) выпадение центрального участка хромосомы
Д) удвоение участка хромосомы
Е) некратное изменение числа хромосом
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Появление разных аллелей одного гена происходит в результате
1) непрямого деления клетки
2) модификационной изменчивости
3) мутационного процесса
4) комбинативной изменчивости
Ответ
Все перечисленные ниже термины, кроме двух, используются при классификации мутаций по изменению генетического материала. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) геномные
2) генеративные
3) хромосомные
4) спонтанные
5) генные
Ответ
Установите соответствие между типами мутаций и их характеристиками и примерами: 1) геномные, 2) хромосомные. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) утеря или появление лишних хромосом в результате нарушения мейоза
Б) приводят к нарушению функционирования гена
В) примером является полиплоидия у простейших и растений
Г) удвоение или потеря участка хромосомы
Д) ярким примером является синдром Дауна
Ответ
Установите соответствие между категориями наследственных болезней и их примерами: 1) генные, 2) хромосомные. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) гемофилия
Б) альбинизм
В) дальтонизм
Г) синдром «кошачьего крика»
Д) фенилкетонурия
Ответ
Найдите три ошибки в приведённом тексте и укажите номера предложений с ошибками. (1) Мутации – это случайно возникшие стойкие изменения генотипа. (2) Генные мутации – это результат «ошибок», возникающих в процессе удвоения молекул ДНК. (3) Геномными называют мутации, которые ведут к изменению структуры хромосом. (4) Многие культурные растения являются полиплоидами. (5) Полиплоидные клетки содержат одну–три лишние хромосомы. (6) Полиплоидные растения характеризуются более мощным ростом и крупными размерами. (7) Полиплоидию широко используют как в селекции растений, так и в селекции животных.
Ответ
Проанализируйте таблицу «Виды изменчивости». Для каждой ячейки, обозначенной буквой, выберите соответствующее понятие или соответствующий пример из предложенного списка.
1) соматические
2) генные
3) замена одного нуклеотида на другой
4) удвоение гена в участке хромосомы
5) добавление или выпадение нуклеотидов
6) гемофилия
7) дальтонизм
8) трисомия в хромосомном наборе
Ответ
© Д.В.Поздняков, 2009-2019
Определённая последовательность ДНК хранит наследственную информацию, которая может меняться (искажаться) в течение жизни. Такие изменения называются мутациями. Существует несколько видов мутаций, затрагивающих разные участки генетического материала.
Определение
Мутации - изменения генома, передающиеся по наследству. Геном - это совокупность гаплоидных хромосом, присущая виду. Процесс возникновения и закрепления мутаций называется мутагенезом. Термин «мутация» был введён Гуго де Фризом в начале ХХ века.
Рис. 1. Гуго де Фриз.
Мутации возникают под действием факторов внешней среды.
Они могут быть двух типов:
- полезные;
- вредные.
Полезные мутации способствуют естественному отбору, выработке приспособлений к меняющейся окружающей среде и, как следствие, возникновению нового вида. Встречаются редко. Чаще в генотипе накапливаются вредные мутации, которые выбраковываются в ходе естественного отбора.
По причине возникновения выделяют два вида мутаций:
- спонтанные - возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни, часто имеют нейтральный характер - не влияют на жизнь индивида и его потомства;
- индуцированные - возникают при неблагоприятных условиях среды - радиоактивном излучении, химическом воздействии, влиянии вирусов.
Нервные клетки человеческого мозга за жизнь накапливают около 2,4 тысяч мутаций. Однако мутации редко затрагивают жизненно важные участки ДНК.
Виды
Изменения происходят на определённых участках ДНК. В зависимости от обширности мутаций и их расположения выделяют несколько видов. Их описание приведено в таблице видов мутаций.
ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой
|
Вид |
Характеристика |
Примеры |
|
Изменения одного гена. Нуклеотиды, составляющие ген, могут «выпадать», меняться местами, заменять А на Т. Причинами становятся ошибки репликации ДНК |
Серповидная анемия, фенилкетонурия |
|
|
Хромосомные |
Затрагивают участки хромосом или целые хромосомы, меняют структуру, форму. Происходят при кроссинговере - перекрёсте гомологичных хромосом. Существует несколько видов хромосомных мутаций: Делеция - потеря участка хромосомы; Дупликация - удвоение хромосомного участка; Дефишенси - потеря концевого участка хромосомы; Инверсия - поворот хромосомного участка на 180° (если содержит центромеру - перицентрическая инверсия, не содержит - парацентрическая); Инсерция - вставка лишнего хромосомного участка; Транслокация - перемещение участка хромосомы на другое место. Виды могут сочетаться |
Синдром кошачьего крика, болезнь Прадера-Вилли, болезнь Вольфа-Хиршхорна - наблюдается задержка физического и умственного развития |
|
Геномные |
Связаны с изменением числа хромосом внутри генома. Часто происходят при ошибочном выстраивании веретена деления в мейозе. В результате хромосомы неправильно распределяются по дочерним клеткам: одна клетка приобретает в два раза больше хромосом, чем вторая. В зависимости от количества хромосом в клетке различают: Полиплоидию - кратное, но неправильное количество хромосом (например, 24 вместо 12); Анеуплоидию - некратное количество хромосом (одна лишняя или недостающая) |
Полиплоидия: увеличение объёма сельскохозяйственных культур - кукуруза, пшеница. Анеуплоидия у человека: синдром Дауна - одна лишняя, 47 хромосома |
|
Цитоплазматические |
Нарушения в ДНК митохондрий или пластид. Опасными являются мутации в материнской митохондрии половой клетки. Такие нарушения приводят к митохондриальным заболеваниям |
Митохондриальный сахарный диабет, синдром Лея (поражение ЦНС), нарушение зрения |
|
Соматические |
Мутации в неполовых клетках. По наследству при половом размножении не передаются. Могут передаваться при почковании и вегетативном размножении |
Появление тёмного пятна на шерсти овцы, частично окрашенные глаза дрозофилы |
Рис. 2. Серповидная анемия.
Главный источник накапливания мутаций в клетке - неправильная, местами ошибочная репликация ДНК. При следующем удвоении ошибка может быть исправлена. Если ошибка повторяется и затрагивает важные участки ДНК, мутация передаётся по наследству.
Рис. 3. Нарушение репликации ДНК.
Что мы узнали?
Из урока 10 класса узнали, какие бывают мутации. Изменения ДНК могут затрагивать ген, хромосомы, геном, проявляться в соматических клетках, пластидах или митохондриях. Мутации накапливаются в течение жизни и могут передаваться по наследству. Большинство мутаций нейтральное - не отражается на фенотипе. Редко встречаются полезные мутации, помогающие приспосабливаться к окружающей среде и передающиеся по наследству. Чаще проявляются вредные мутации, которые влекут за собой заболевания и нарушения развития.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 195.