Биология Лечебный факультет 1 курс осенний семестр 2013 2014

Биология. Лечебный факультет. 1 курс. осенний семестр 2013/2014 уч. г.

№ 6 (2) Тема: Изменчивость

Изменчивость способность живых организмов приобретать и утрачивать определенные признаки и свойства (изменяться в процессе индивидуального и исторического развития)

Изменчивость Генетическая Модификационная Наследственная; Ненаследственная; Неопределенная; Определенная; Индивидуальная Групповая Комбинативная Новые комбинации аллелей Мутационная Возникновение принципиально новых аллелей, генов и геномов

§ Экспрессивность – степень фенотипического проявления данного гена (от факторов внешней среды и от влияния других генов) § Пенетрантность – частота проявления гена (число особей, имеющих данный признак, - к- числу особей, имеющих данный ген, %) Различная степень пенетрантности и экспрессивности имеет большое значение для медицинской генетики

Модификационная изменчивость § Происходит при воздействии факторов внешней среды на ферментативные реакции, без изменения структуры генотипа; § Носит адаптивный (приспособительный) характер; § Варьирует в пределах нормы реакции (границы, определенные генотипом)

Модификационная изменчивость

Комбинативная изменчивость § Обусловлена перекомбинацией генов родителей, без изменения структуры генетического материала.

Механизмы: § Рекомбинация генов при кроссинговере; § Независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе; § Случайное сочетание гамет при оплодотворении. (группы крови)

Мутационная изменчивость § Мутация – скачкообразное изменение генетического материала под влиянием факторов внешней среды, передающееся по наследству. § Мутагенез – процесс образования мутаций.

Мутации – редкие события Спонтанный уровень – 5 10 – – 6 10 на ген на поколение Одна гамета из миллиона – новая мутация данного гена Мутагены – факторы среды, повышающие спонтанную частоту во много раз (физические, химические и биологические).

М У Т А Ц И И Спонтанные – индуцированные Соматические – генеративные Вредные – нейтральные – полезные Генные – хромосомные – геномные

По влиянию на приспособленность МУТАЦИИ Вредные Нейтральные Полезные § Большая часть мутаций – нейтральна или вредна. § Очень малая – не более нескольких процентов – оказывается полезна. Зависит от среды – условий существования!

Мутация - любое изменение последовательности ДНК Мутационая теория де Фриза (1901 -1903): § Мутации возникают скачкообразно, без переходов. Альтернативны состояния § Образовавшиеся новые формы константны § Мутация является качественным изменением § Мутации разнонаправленны ( «полезные» и «вредные» ) § Одни и те же мутации могут возникать повторно

Мутации Генные Хромосомные Геномные ± Новые аллели генов Ошибки репликации, инсерции МГЭ Меняют порядок генов в хромосомах Ошибки рекомбинации Меняют число хромосом Ошибки клеточных делений

Геномные мутации Изменяют число хромосом

Геномные мутации Анеуплоидия 2 n ± 1, 2 Изменение числа отдельных хромосом Полиплоидия Кратное увеличение набора Авто- Алло- 3 n, 4 n, 5 n… 2 (n 1 + n 2) Геном одного вида, повторенный многократно Объединение геномов двух разных видов

Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия 2 n ± 1, 2 Авто 3 n, 4 n, 5 n… Алло- 2 (n 1 + n 2) Изменение числа хромосом кратное гаплоидному набору

Полиплоидия Единственный способ мгновенного видообразования. Широко распространена у растений (60% природных видов) Крупные размеры Устойчивы к экстремальным условиям

Триплоидия у человека и млекопитающих несовместима с жизнью Триплоидный хромосомный набор человека 3 n = 69

Триплоидия (3 n = 69)

• Полиплоидия у животных – редкое явление • Ограничение: хромосомное определение пола и сложный онтогенез Додекаплоидная, 12 n лягушка Xenopus longipes Радужная форель 4 n

Асцидия Рыба Мышь Человек Общий предок хордовых На ранней стадии эволюции хордовые прошли через два раунда полиплоидии с последующей потерей части генов.

У человека и млекопитающих полиплоидными бывают отдельные соматические клетки. Полиплоидная клетка печени (большое ядро)

Гибриды с нечетным числом геномов – 3 n, 5 n – стерильны мейоз тривалент Растение 3 n = 6 или тривалент

Триплоиды – без косточек! 3 n 3 n 4 n 3 n 2 n 3 n

Полиплоиды с четным числом геномов имеют нормальную плодовитость Картофель 4 n 8 n

Типы автополиплоидов несбалансированные полиплоиды гаплоиды 1 x триплоиды 3 x тетраплоиды 4 x пентаплоиды 5 x гексаплоиды 6 x гектаплоиды 7 x октоплоиды 8 x эннеаплоиды 9 x декаплоиды 10 x сбалансированные полиплоиды диплоиды 2 x

Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия 2 n ± 1, 2 Авто- 3 n, 4 n, 5 n… Алло- 2 (n 1 + n 2) Межвидовые гибриды

Полиплоидный ряд пшениц Triticum monococcum, однозернянка Triticum turgidum, мягкая Triticum aestivum, твердая 2 n = 14 2 n = 28 2 n = 42 АА 1 n = 7 АА ВВ 4 n ? АА ВВ DD 6 n ?

Не позднее 10 тыс. лет назад AA ~ 8 тыс. лет назад BB AA BB DD Triticum searsii Triticum monococcum Triticum tauschii Triticum turgidum Triticum aestivum

Аллополиплоиды АВ стерильны Межвидовая гибридизация Геном вида А × Геном вида В Кариотип гибрида АВ Какой это набор – диплоидный или гаплоидный? Надо посмотреть мейоз!

Мейоз у гибрида АВ Хромосомы слишком разные, чтобы образовать биваленты Возможные гаметы Нежизнеспособны!

Искусственное получение фертильного межвидового гибрида • 1928 – первый фертильный межвидовой гибрид Рафанобрассика = редька + капуста Виды, принадлежащие к разным родам! способ преодолеть стерильность – удвоение числа хромосом Георгий Дмитриевич Карпеченко 1899 - 1942 получить автополиплоид из межвидового гибрида

Получение рафанобрассики Карпеченко Редька RR Капуста BB

Получение рафанобрассики Карпеченко Стерильный гибрид RB Редька RR Капуста BB

Получение рафанобрассики Карпеченко Стерильный гибрид Удвоение RB числа Редька RR Капуста BB хромосом Фертильный амфидиплоид RR BB

Ресинтез видов 2 Тёрн Алыча Слива

Аллополиплоиды у животных. первый фертильный гибрид двух видов животных – Борис Львович Астауров 1904 -1974 тутовых шелкопрядов Bombix mori и B. mandarina.

Межвидовые гибриды животных, как правило, стерильны Нет гомологичных хромосом Лошадь 2 n = 64 Бесплодие Мул 2 n = 63 Мейоз Осел 2 n = 62

Зорс – гибрид зебры (44) и лошади (64) Зонки – гибрид зебры (44) и осла (62) В скобках – число хромосом Зони – гибрид зебры и пони

Гибрид зебры (44) и осла (62)

♂ Лайгер – гибрид льва Panthera tleo (38) и тигрицы Panthera tigris (38) Тиглон – гибрид тигра и львицы ♀ иногда фертильны

Леопон – гибрид леопарда (38) и львицы (38) Ягуар + лев

Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия 2 n ± 1, 2 изменение числа хромосом не кратно гаплоидному Авто- 3 n, 4 n, 5 n… Алло- 2 (n 1 + n 2)

норма, 2 n моносомик нуллисомик трисомик

Жизнеспособность анеуплоидов § моносомия – всегда леталь у животных (исключение – половая Х-хромосома). Выживают у дрожжей и некоторых растений. § трисомия – тоже леталь для больших хромосом. У человека выживают трисомики только по 21 -ой и половым хромосомам. § нуллисомики (отсутствие обеих хромосом пары) летальны у всех диплоидных и тетраплоидных видов. Выживают у некоторых гексаплоидов (пшеница).

Причина анеуплоидий – нерасхождение хромосом в митозе или мейозе Первое деление мейоза ! Второе деление мейоза ! Гаметы n– 1 n+1 Норма n– 1 n+1

Синдром Дауна – трисомия 21 1 -2 на тысячу новорожденных 21 – единственная аутосома человека, трисомики по которой жизнеспособны. § характерные черты лица, § поперечная складка на ладонях

Болезнь Дауна 2 n = 47; +21

Частота нерасхождений хромосом резко увеличивается с возрастом матери Частота синдрома Дауна На 1000 новорожденных Возраст матери

Другие аутосомные анеуплоидии у человека несовместимы с жизнью § Трисомия 13, синдром Патау: дефекты развития лица и других органов. § Трисомия 18, синдром Эдвардса. Множественные дефекты органов.

Частота хромосомных аномалий у человека n Спонтанными выкидышами заканчивается около 15 % диагностированных беременностей n ~ 50 % этих эмбрионов имеют геномные и хромосомные мутации

Номер хромосомы Распределение по хромосомам трисомиков у 4 088 спонтанных выкидышей

Типы хромосомных аномалий среди спонтанных выкидышей человека Трисомии…………. . . 50 – 55 % Моносомии………… 15 – 20 % Триплоидии 3 n……. 15 – 20% Тетраплоидии 4 n…. 5% http: //www. cironline. ru/articles/genetics/60/

Мутации Генные Хромосомные Геномные ± Новые аллели генов Меняют генный состав хромосом – число генов или порядок Меняют число хромосом

Типы хромосомных мутаций Внутрихромосомные перестройки Межхромосомные перестройки Делеции Дупликации Инверсии Транспозиции Транслокации Транспозиции

Хромосомные перестройки делеция дупликация транслокация инверсия

Как возникают В результате разрывов ДНК и сшивания в новом порядке. Ошибки рекомбинации Радиация

Незаконный кроссинговер К О Т О М К К Т О Т Т О М О Т Т Т О М К О Т О М дупликация делеция

Незаконный кроссинговер К О Т Ф А Н Т О М петля А Н Т Т Ф К О О О К Т Н А Ф М инверсия Т О М

Порядок генов в хромосомах мыши и человека – 80 млн. лет дивергенции. n = 20 n = 23 ~ 200 синтенных групп – участков, где порядок генов совпадает

Мутации Генные Хромосомные Геномные ± Новые аллели генов Меняют генный состав хромосом – число генов или порядок Меняют число хромосом

Точечные мутации - замены одного нуклеотида Точечные мутации в колирующей части гена Миссенс-мутация замена аминокислотного остатка в белке Молчащая замена (сайлент-мутация) не приводит к замене а/к

Нонсенс-мутация - замена аминокислотного кодона на стоп-кодон Мутация сдвига рамки считывания (фреймшифт) - изменение последовательности а/к

Мутации в регуляторных областях гена приводят к изменению уровня его экспрессии Мутации в сайтах сплайсинга приводят к изменению структуры м. РНК и белка

§ Ахондроплазия – доминантная мутация с рецессивным летальным эффектом у человека. Вызвана недоразвитием хрящевой и костной тканей.

Гены ахондроплазии есть у многих видов манчкин

Полулетальные гены – резко снижают жизнеспособность § К ним относятся почти все наследственные заболевания человека apterous – полулетальный ген дрозофилы

Плейотропные гены – гены, влияющие сразу на несколько признаков. признак 1 1 ген признак 2 признак 3 Плейотропный рецессивный ген у человека: шестипалость и короткие конечности.

Плейотропный доминантный ген человека – синдром Марфана § крайне высокий рост § «паучьи пальцы» § дефект развития всей соединительной ткани § вывих хрусталика § врожденный порок сердца § пенетрантность неполная (есть здоровые носители гена) § Ген кодирует фибриллин – белок, соединительной ткани

§ благодарю