Изменчивость 1 Определение понятия Изменчивость – свойство

Изменчивость 1

Определение понятия Изменчивость – свойство всех живых организмов приобретать новые признаки Выделяют: n Наследственную или генотипическую изменчивость n Ненаследственную или модификационную изменчивость 2

Наследственная изменчивость В рамках наследственной изменчивости выделяют: n Мутационную изменчивость n Комбинативную изменчивость 3

Мутационная изменчивость n Мутации – дискретные, стабильные изменения генетического материала, приводящие к изменению фенотипа n Процесс возникновения мутаций называют мутационным или мутагенезом n Организм, приобретший какой-либо новый признак и тем самым изменивший свой фенотип в результате мутации – мутантом 4

Классификации мутаций По происхождению: n n n Спонтанные - возникают самопроизвольно Индуцированные - возникают под действием мутагенов Мутагены подразделяют на: физические (ионизирующее излучение, УФ-излучение и др. ) химические (различные химические соединения, в том числе и некоторые лекарственные препараты) биологические (вирусы, некоторые ферменты) 5

Классификации мутаций По проявлению в гетерозиготе: n Доминантные n Рецессивные По направлению: n Прямые - переводят состояние дикого типа в качественно иное состояние n Обратные (реверсии) – возвращают мутантное состояние к дикому типу 6

Классификации мутаций По силе проявления аллелей: n Гиперморфные - приводят к усилению действия гена, за счет увеличения количества синтезируемого под его контролем продукта n Гипоморфные - ослабляют действие гена за счет уменьшения количества биохимического продукта, кодируемого аллелем дикого типа) 7

Классификации мутаций По силе проявления аллелей: n Неоморфные - кодируют синтез продукта, отличающегося от синтезируемого под контролем аллеля дикого типа, и не взаимодействуют с ним n Аморфные - инактивируют действие гена n Антиморфные - действуют противоположно аллелям дикого типа 8

Классификации мутаций По влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей: n Летальные – обуславливают гибель мутанта n Полулетальные – снижают жизнеспособность, мутанты обычно не доживают до репродуктивного возраста n Условно летальные – в одних условиях мутации не проявляются, в других – летальны 9

Классификации мутаций По влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей: n Стерильные – не влияют на жизнеспособность, но резко снижают плодовитость n Нейтральные – не влияют на жизнеспособность и плодовитость n Повышающие жизнеспособность и плодовитость особей 10

Классификации мутаций По характеру регистрируемого проявления: n Морфологические n Физиологические n Этологические (поведенческие) n Биохимические 11

Классификации мутаций По локализации генетического материала: n Ядерные n Цитоплазматические (митохондриальные, пластидные) 12

Классификации мутаций По месту возникновения и характеру наследования: n Генеративные - возникают в половых клетках и передаются по наследству n Соматические - возникают в соматических клетках 13

Классификации мутаций По уровню организации изменяемого генетического материала: n Генные – изменения нуклеотидного состава ДНК отдельных генов n Хромосомные (аберрации) – изменения структуры хромосом n Геномные – изменения числа хромосом 14

Генные мутации Известны два основных механизма формирования генных мутаций: n Замена нуклеотидов n Сдвиг рамки считывания 15

Генные мутации n Замена нуклеотидов: n Транзиция (транспозиция) – при замене нуклеотидов сохраняется месторасположение пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (АТ→ГЦ и т. д. ) n Трансверсия – при замене пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды меняются местами (АТ→ЦГ; АТ→ТА) 16

Генные мутации - замена нуклеотидов Замены оснований приводят к появлению трех типов мутантных кодонов: n С измененным смыслом – миссенс-мутации n С неизмененным смыслом – нейтральные мутации n Бессмысленных, или терминирующих кодонов – нонсенс-мутации 17

Генные мутации n Сдвиг рамки считывания - фреймшифтмутации: n Инсерция – вставка одного или нескольких нуклеотидов n Делеция – утеря одного или нескольких нуклеотидов 18

Генные мутации Мутации в регуляторных областях генов: n Мутации в промоторной части – снижают уровень синтеза белкового продукта n Мутации в сайте полиаденилирования – снижают уровень транскрипции 19

Генные мутации Мутации в кодирующих областях генов: n Мутации в экзонах – могут приводить к преждевременному окончанию белкового синтеза n Мутации в интронах – способны генерировать новые сайты сплайсинга n Мутации на стыках интронов и экзонов (сайты сплайсинга) – нарушают процессинг гя-РНК и приводят к трансляции бессмысленных белков 20

Репарация ДНК Процесс восстановления исходной нативной структуры ДНК называют репарацией n n Основные механизмы репарации ДНК: Фотореактивация Эксцизионная репарация Рекомбинационная (пострепликативная) репарация SOS-репарация 21

Репарация ДНК n Фотореактивация – восстановление молекул ДНК под влиянием фермента фотолиазы, индуцируемого видимым светом n Фермент связывается с участками образования тиминовых димеров (Т-Т), которые образуются путем образования ковалентных связей между смежными основаниями под действием УФ-излучения (с неповрежденной ДНК фотолиаза не связывается) 22

Репарация ДНК n n Эксцизионная репарация – процесс удаления поврежденных нуклеотидов и синтеза новой последовательности ДНК Инцизия – фермент эндонуклеаза «узнает» место повреждения и надрезает по обе стороны цепь ДНК Эксцизия (этап вырезания и удаления) – фермент геликаза расплетает молекулу ДНК для высвобождения концов после первичных надрезов ДНК-полимераза застраивает брешь в молекуле ДНК, а сшивает вновь синтезированный кусок с остальной молекулой ДНК - ДНК-лигаза 23

Репарация ДНК n Рекомбинационная (пострепликативная) репарация – использование материала одной молекулы ДНК для восстановления другой n Механизм наименее специфичен – здесь отсутствует этап узнавания повреждения, но это наиболее быстрый механизм репарации n Данный механизм не удаляет повреждения на исходных родительских цепях, а лишь восстанавливает повреждения на дочерних цепях 24

Репарация ДНК n SOS-репарация – индуцируется высокой дозой повреждений в качестве средства спасения ДНК n Осуществляется при помощи новой или модифицированной ДНК-полимеразы и сопровождается большим количеством ошибок n Ошибки могут быть исправлены позже при помощи экцизионной или рекомбинационной репарации, если клетка выживет 25

Хромосомные мутации (аберрации) Представляют собой внутри- или межхромосомные перестройки n Делеции - потеря участка хромосомы: n Интерстициальные – потеря участка внутри хромосомы n Концевые (дефишенси) – потеря концевого участка хромосомы NB! Как правило, приводит к тяжелым последствиям, вплоть до летального исхода 26

Хромосомные мутации (аберрации) n Повторение участка хромосом: n Дупликация – дублирование участка хромосомы n Амплификация – многократное повторение участка хромосомы NB! Повторы генетического материала не оказывают выраженного негативного влияния на организм 27

Хромосомные мутации (аберрации) n Поворот участка хромосом: n Инверсия – поворот участка хромосомы на 180 изменяет линейную последовательность генов Известны два варианта: перицентрическая инверсия – центромера входит в инвертированный участок и парацентрическая инверсия – центромера не входит в инвертированный участок NB! Проявление и выраженность возможного негативного эффекта зависит от локализации точек разрыва по отношению к важнейшим генам 28

Хромосомные мутации (аберрации) n Перемещение участка хромосом: n Реципрокные (симметричные) транслокации – обмен участками между негомологичными хромосомами - результатом является изменение сцепления генов n Транспозиция – изменение положения участка хромосомы без взаимного обмена между хромосомами (в пределах одной хромосомы или включение участка одной хромосомы в другую) NB! Изменение положения гена обычно влияет на регуляторную систему гена, что может делать ген неактивным – эффект положения 29

Геномные мутации n Робертсоновские перестройки – слияния и разделения хромосом в области цетромеры, приводящие к изменению числа хромосом в кариотипе, не влияющие на общее количество генетического материала в клетке 30

Геномные мутации Выделяют две разновидности робертсоновских перестроек: n Робертсоновские транслокации – центрические слияния двух негомологичных акроцентрических хромосом с образованием одной субметацентрической хромосомы n Центрические разделения – одна субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрические 31

Геномные мутации n Анеуплоидия – изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (как правило, добавление или потеря 1 -2 хромосом) n Нуллисомия – отсутствие обоих гомологов какой либо одной (редко – более) пар хромосом n Моносомия – утрата одного из гомологов по одной или большему числу пар хромосом (число хромосом равно 2 n-1) n Полисомия – избыточное число гомологичных хромосом на одну, реже на большее число NB! У животных обычно приводит к тяжелым аномалиям и 32 смерти

Геномные мутации n Моноплоидия (гаплоидия) – гаплоидное состояние диплоидного организма NB! У животных обычно приводит к гибели n Полиплоидия – увеличение количества хромосом, кратное гаплоидному набору n Автополиплоидия – наличие в клетке более двух одинаковых гаплоидных наборов n Аллоплоидия – объединение в клетке разных геномов посредством гибридизации. 33

Комбинативная изменчивость Основой комбинативной изменчивости является рекомбинация генетического материала n Общая (гомологичная) рекомбинация – происходит между гомологичными последовательностями ДНК (рекомбинация между гомологичными хроматидами в мейозе в процессе кроссинговера) n Сайт-специфичная рекомбинация – рекомбинация между молекулами ДНК, имеющими небольшие участки гомологии 34

Комбинативная изменчивость n Незаконная рекомбинация – происходит во время транспозиции, не основанной на гомологии последовательностей ДНК n Транспозиция – процесс перемещения мобильных (мигрирующих) генетических элементов (МГЭ) – структур, которые могут перемещаться в пределах генома и переходить из генома в геном 35

Комбинативная изменчивость Выделяют два вида мобильных генетических элементов (МГЭ): n Инсерционные последовательности – небольшие последовательности ДНК (от 700 до 2000 п. н. ), имеющие на концах короткие (10 -40 п. н. ) схожие последовательности n Транспозоны – последовательности от 2000 до 20000 п. н. , в средней части имеющие различные гены, а по краям инсерционные последовательности 36

Комбинативная изменчивость n Помимо транспозонов, в качестве мобильных генов можно рассматривать также плазмиды бактерий и вирусы n Эти структуры не только способны сами перемещаться по геному, но и могут «перетаскивать» соседние участки генома клеткихозяина – явление трансдукции n Трансдукция, в свою очередь, послужила основой для гипотезы горизонтального переноса генов в эволюции 37

Модификационная изменчивость n Модификации – это варианты фенотипа в пределах нормы реакции генотипа и представляют собой изменения, приобретаемые в ходе онтогенеза Таким образом возможность модификаций определяется генотипом 38

Модификационная изменчивость n Адаптивные модификации – ненаследуемые изменения, способствующие адаптации организма n Можно рассматривать как реакции организма на условия внешней среды, в которой проходило развитие организма 39

Модификационная изменчивость n Морфозы – случайные неадаптивные изменения под воздействием определенных факторов n Степень выраженности изменений усиливается при увеличении дозы воздействующего агента n Иногда морфозы напоминают известные мутации – тогда их называют фенокопиями мутаций 40