Лекция 6 Изменчивость как генетическое явление Изменчивость

Лекция № 6 Изменчивость как генетическое явление. Изменчивость человека. Профессор Смирнов Сергей Николаевич 1

План. 1. Изменчивость, ее формы. Фенотипическая и генотипическая изменчивость. Норма реакции. Длительные модификации. Статистические закономерности модификационной изменчивости. 2. Комбинативная изменчивость и ее виды. 3. Мутационная изменчивость. Фенотипические проявления мутационной изменчивости у человека. Классификация мутаций. Геномные, хромосомные и генные мутации. Молекулярные механизмы изменчивости у человека. 4. Спонтанный и индуцированный мутагенез. Мутагены: физические, химические, биологические. 5. Генетический мониторинг. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Понятие об антимутагенах и комутагенах. 6. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости и его практическое значение. 2

1. Изменчивость, ее формы. Фенотипическая и генотипическая изменчивость. Норма реакции. Длительные модификации. Статистические закономерности модификационной изменчивости. Изменчивость – это общее свойство живых организмов изменять гены и характер их проявления в процессе развития организмов. Классификация изменчивости: 1) фенотипическая (модификационная). 2) генотипическая - комбинативная - мутационная. 3

Фенотипическая (модификационная) изменчивость это изменчивость, которая ограничивается фенотипом и не затрагивает генотип. Биологический смысл ее состоит в увеличении приспособляемости организма к изменяющимся условиям внешней среды, что способствует выживаемости вида. Модификационная изменчивость носит адаптивный характер. Модификационная изменчивость возникает вследствие влияния окружающей среды. 4

Например, количество эритроцитов у людей, живущих в высокогорье больше, чем у жителей долин. Под влиянием интенсивного солнечного облучения (инсоляции) кожа человека становится темнее, а без инсоляции – более светлой. В результате тренировок происходит развитие костномышечной системы. 5

Механизм возникновения модификационной изменчивости: факторы окружающей среды способны регулировать экспрессию генов, то есть интенсивность выработки ими специфических белков, функции которых отвечают специфическим факторам окружающей среды. 6

Характеристика модификационной изменчивости: - изменения исчезают при смене условий окружающей среды - имеет групповой характер изменения в фенотипе не наследуются, наследуется норма реакции генотипа - затрагивает фенотип, не затрагивая генотип. 7

Норма реакции - предел проявления модификационной изменчивости организма. Норма реакции может быть широкой и узкой. Узкая норма реакции более характерна для качественных признаков, широкая - для количественных признаков. У человека относительно широкую норму реакции имеет вес тела, узкую норму реакции имеет цвет глаз. 8

Статистические закономерности модификационной изменчивости отражаются в вариционных рядах и в вариационных кривых. Вариационный ряд — ряд модификационной изменчивости свойства организма, который состоит из отдельных свойств видоизменений, размещенных в порядке увеличения или уменьшения количественного выражения свойства. Вариационный ряд модификационной изменчивости пшеницы Число колосков в одном колосе Количество колосьев пшеницы 14 15 16 17 18 19 20 2 7 22 32 24 8 5 9

Вариационная кривая – графическое отображение проявления модификационной изменчивости, отображающее как диапазон вариации свойства, так и частоту отдельных вариант. Вариационная кривая. V — варианты признака, Р — частота встречаемости вариантов признака, Мо — мода, или наиболее часто встречаемое значение признака, lim — пределы модификационной изменчивости признака (норма реакции). Медиана – среднее значение признака в вариационной 10 кривой.

Длительные модификации (длительная модификационная изменчивость). В большинство случаев модификационная изменчивость не передается из поколения в поколение. Однако существуют длительные модификации, которые наблюдаются в нескольких поколениях. Так, при воздействии высокой или пониженной температуры на куколок колорадского картофельного жука окраска взрослых животных изменяется. Этот признак держится в нескольких поколениях, а затем происходит возвращение прежней окраски. 11

Механизм возникновения длительных модификаций. Длительные модификации наследуются по типу цитоплазматической наследственности. По-видимому, под влиянием того или иного внешнего фактора происходят изменения в тех частях цитоплазмы, которые определенным образом влияют на характер экспрессии (проявления) генов. 12

2. Комбинативная изменчивость и ее виды. Генотипическая изменчивость - это изменчивость, связанная с изменением генотипа. Одним из видов генотипической изменчивости является комбинативная изменчивость. Комбинативная изменчивость вызывается появлением новых сочетаний уже существующих генов. Биологический смысл комбинативной изменчивости состоит в возникновении новых сочетаний генов, что создает материал для действия естественного отбора. 13

Механизмы комбинативной изменчивости: - рекомбинация генов благодаря кроссинговеру, - независимое расхождение хромосом при мейозе, - случайное участие гамет в оплодотворении, - случайный подбор родительских пар. 14

3. Мутационная изменчивость. Фенотипические проявления мутационной изменчивости у человека. Классификация мутаций. Геномные, хромосомные и генные мутации. Молекулярные механизмы изменчивости у человека. Мутационная изменчивость - изменчивость, вызванная мутациями. Мутации - внезапные, скачкообразные изменения наследственного материала. Мутации создают материал для естественного отбора. 15

Имеется несколько классификаций мутаций. Классификация по месту возникновения мутаций: - соматические - генеративные Соматические мутации - это мутации, происходящие в соматических клетках. Соматические мутации не передаются по наследству при половом размножении. 16

Соматической мутацией поражаются не все клетки организма, а часть их. Возникает мозаицизм. Например - разный цвет правого и левого глаза у человека. 17

Генетические последствия мутаций, происходящих в геноме соматических клеток человека на разных стадиях эмбриогенеза. Черным цветом закрашены места локализации клонов мутантных клеток разных размеров в организме человека. 18

Генеративные мутации - мутации, возникающие в половых клетках, или в их предшественниках. Эти мутации передаются по наследству. В последующих поколениях поражаются все клетки организма. Например - заболевание фенилкетонурия. 19

Классификация по последствиям для организма: - вредные - полезные - безразличные. Классификация по связи с причиной мутации: - спонтанные - индуцированные. Спонтанные мутации - это мутации, конкретная причина которых неизвестна. Индуцированные мутации - мутации, вызванные известными факторами. Факторы, вызывающие мутации называют мутагенами. 20

Классификация по уровню мутаций: - геномные (изменение числа хромосом) - хромосомные (изменение формы хромосом) - генные (изменение структуры генов). Геномные мутации – это мутации, вызванные изменением числа хромосом. У человека известны полиплоидия и анеуплоидия. Полиплоидия - увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (Зn, 4 n, 5 n и т. д. ). Причины возникновения полиплоидии: двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического 21 деления.

Анеуплоидия - изменение числа хромосом не кратное гаплоидному (2 n+1, 2 n-1 и т. д. ). Механизмы возникновения: - нерасхождение хромосом (хромосомы в анафазе отходят к одному полюсу, при этом на каждую гамету с одной лишней хромосомой приходится другая - без одной хромосомы) - «анафазное отставание» (в анафазе одна из передвигаемых хромосом отстаёт от всех других). 22

Трисомия - наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе (например, трисомия по 21 -й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна). 23

Моносомия - наличие только одной из двух гомологичных хромосом в кариотипе. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека по хромосоме X приводит к развитию синдрома 24 Шерешевского-Тернера (кариотип 45, Х 0).

Хромосомные мутации – изменение структуры хромосом. Механизм возникновения. В ходе кроссинговера образуются разрывы хромосом, которые затем репарируются. Нарушения процесса репарации могут привести к появлению хромосомных мутаций (перестроек или аберраций). 25

Классификация хромосомных мутаций. а) внутрихромосомные: - делеции - дупликации - инверсии - транспозиции б) межхромосомные: - транслокации 26

Делеции - потери участка хромосомы. Различают делеции: -терминальные (утрата концевого участка хромосомы) - интеркалярные (утрата участка на внутреннем участке хромосомы). 27

Дупликации - удвоение участка хромосом. 28

Инверсии - поворот участка хромосомы на 180 градусов, изменение порядка генов участка хромосомы на обратный. Различают инверсии: -парацентрические (инвертированный фрагмент лежит по одну сторону от центромеры) - перицентрические (инвертированный фрагмент лежит по разные стороны от центромеры). Инверсия. a - нормальная хромосома, b - парацентрическая инверсия, c - перицентрическая инверсия. 29

Транслокации – это перенос участков с одной негомологичной хромосомы на другую, обмен участками хромосом между негомологичными хромосомами (реципрокные транслокации), объединение двух негомологичных хромосомы в одну (Робертсоновские транслокации). 30

Транслокация (перенос) участка 6 хромосомы на 15 хромосому. 31

Реципрокная транслокация 4 и 20 хромосом человека. 32

Образование Робертсоновской транслокации. Разрывы в двух акроцентрических хромосомах локализуются в области центромер или в непосредственной близости от них. Длинные плечи хромосом сливаются, а короткие теряются. 33

Робертсоновская транслокация (перенос фрагмента) между 1 -й и 3 -й хромосомами и делеция (потеря участка) 9 -й хромосомы. 34

Генные мутации - изменение структуры генов. Генные мутации происходят в результате замены, вставки, выпадения нуклеотидов или их блоков. При выпадении или вставке не кратной трем нуклеотидам происходит сдвиг рамки считывания, когда изменяется смысл всех триплетов, лежащих после места мутации. 35

Сдвиг рамки считывания вследствие вставки одной нуклеотидной пары G-C приводит изменению смысла последующих триплетов. В результате синтезируется аномальная пептидная цепь (аномальный белок). 36

Замены нуклеотидов делятся на: - транзиции (замена пуриновых нуклеотидов на пуриновые, пиримидиновых - на пиримидиновые) - трансверсии (замена пуриновых на пиримидиновые и наоборот). 37

Замена нуклеотидной пары. Транзиция цитозина на тимин, гуанина на аденин. 38

По последствиям для смысла генетического кода генные мутации бывают: - Сеймсенс мутации (same-sens) - Миссенс мутации (mis-sens) - Нонсенс мутации (nonsens). 39

Сеймсенс мутации - мутации без изменения смысла генетического кода и без замены аминокислотного остатка в составе полипептида. 40

Миссенс мутации представляет собой изменение кодирующей последовательности, приводящее к замене одного функционального кодона на другой. 41

Нонсенс мутации превращают триплет в nonsensкодон - триплет, не имеющий смысла. 42

4. Спонтанный и индуцированный мутагенез. Мутагены: физические, химические, биологические. Мутагенез - это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. По причинам возникновения различают спонтанные и индуцированные мутации. 43

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают очевидной связи с причиной (без видимого участия мутагенов). Причины возникновения спонтанных мутаций: - экзогенные (естественная радиация, экстремальные температуры и др. ); - эндогенные (спонтанно возникающие в организме химические соединения-метаболиты, вызывающие мутагенный эффект; действие генов-мутаторов и антимутаторов; транспозиция мобильных генетических элементов и др. ). 44

Спонтанные мутации рассматривают как ошибки репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма. Известны мутации, которые повышают или понижают частоту других мутаций; следовательно, существуют гены-мутаторы и геныантимутаторы. Средняя частота спонтанного возникновения генных мутаций у человека от 10 -5 до 10 -7 на одну гамету за каждое поколение. 45

Индуцированные мутации возникают под действием мутагенов. Мутагены – это факторы, которые повышают частоту мутаций. Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 году при облучении дрожжей излучением радия. Различают несколько классов мутагенов: - Физические - Химические - Биологические 46

Физические мутагены: ионизирующие излучения, тепловое излучение, ультрафиолетовое излучение. Химические мутагены: аналоги азотистых оснований (например, 5 -бромурацил), альдегиды, нитриты, метилирующие агенты, гидроксиламин, ионы тяжелых металлов, некоторые лекарственные препараты и средства защиты растений. Химические аутомутагены – промежуточные продукты обмена веществ. Например, этиловый спирт сам по себе мутагеном не является. Однако в организме человека он окисляется до ацетальдегида, а это вещество уже является мутагеном. 47

Биологические мутагены: чистая ДНК, вирусы, антивирусные вакцины, специфические последовательности ДНК – транспозоны, некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа), продукты обмена веществ (продукты окисления липидов), антигены некоторых микроорганизмов. 48

Общие закономерности мутагенеза. Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Репарационные системы клетки стремятся устранить это состояние. Мутагенез находится под генетическим контролем клетки. Таким образом, мутагенез это не физикохимический, а биологический процесс. 49

Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту 50 операцию выполняют лигазы).

При большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации. Необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации. 51

Физические мутагены. Действие ионизирующего излучения бывает непосредственным и опосредованным. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма-квантов, рентгеновских лучей) или множественным (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). 52

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с тем, что при ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Нарушается структура ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. 53

Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» или «тимин–цитозин» . При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовое облучение приводит и к разрывам ДНК. 54

Химические мутагены. Алкилирующие агенты (например, новэмбихин, циклофосфан, N-метил-N-нитрозомочевина) вызывают алкилирование ДНК. В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар: ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА. Нитриты (например нитрит натрия Na. NO 2, азотистая кислота HNO 2) осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ → ГЦ. 55

Аналоги азотистых оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями. Однако они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается 5 -бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5 -бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина – тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ → АТ или АТ → ГЦ. 56

57

Биологические мутагены. Транспозоны представляют собой короткие двойные цепи ДНК, которые состоят из более чем 2000 пар оснований. Транспозоны способны перемещаться из одного участка генома в другой. Таким образом, они могут включаться в различные участки генома. В случае внедрения транспозона в какой-либо структурный ген хромосомы нуклеотидная последовательность этого гена будет нарушена и генетическая информация не сможет транслироваться в функционально полноценный полипептид. Возникнет мутация. 58

5. Генетический мониторинг. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Понятие об антимутагенах и комутагенах. Генетический мониторинг - это систематическое наблюдение за состоянием генофонда популяции, которое дает возможность оценивать существующий мутационный процесс и прогнозировать его изменения. 59

Генетический мониторинг осуществляется работой акушерской, неонатологической, педиатрической, патологоанатомической, медико-генетической и санитарноэпидемиологической службами. Внедрение системы генетического мониторинга позволяет выявить изменение в тенденциях частоты и последствий генетически обусловленной патологии с течением времени, определить общественные и индивидуальные факторы риска: оценить эффективность профилактических мероприятий. 60

Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Во второй половине ХХ века над биосферой нависла угроза загрязнения мутагенами. Любая популяция способна выдержать лишь определенный груз мутаций. Увеличение частоты мутаций может привести к снижению устойчивости популяций из-за нарушения генетического гомеостаза. Поэтому необходимо дальнейшее усиление экологогенетического мониторинга - контроля за состоянием окружающей среды на популяционно-генетическом уровне. 61

В качестве профилактических используют развитие «безотходных» технологий, ограничение производства веществ с мутагенным действием, усиление всех видов контроля за состоянием потенциально опасных предприятий. Для определения мутагенной активности различных химических веществ и загрязнителей окружающей среды используют тесты, основанные на использовании в качестве тест-систем прокариот, плесневых грибов, мушек дрозофил, а также на применении культуры клеток человека, животных и растений. 62

Понятие об антимутагенах и комутагенах. Антимутагены - вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических, физических или биологических агентов. Классификация антимутагенов. 1) Антимутагены, блокирующие действие мутагенов, естественно возникающих в клетках в процессе метаболизма. Например, фермент каталаза. 2) Антимутагены, снижающие эффективность действия внешних мутагенов. Например, сульфгидрильные соединения, сильные восстановители. 3) Ферментные системы, действующие непосредственно на уровне наследственных структур, "исправляющие" поврежденные мутагеном участки 63 хромосом.

Комутагены – немутагенные вещества, которые увеличивают силу действия мутагенов. Комутагены не обладают собственной мутагенной активностью. Их присутствие в среде, как правило, не отслеживается и может увеличивать негативные эффекты производственных, лекарственных и иных мутагенов, с которыми контактирует человек. 64

Выраженное комутагенное действие выявлено у красителя из сумаха. Комутагенные эффекты могут проявлять флавоноиды, порфирины (хлорофилл и хлорофиллин), ванилин. Комутагенные эффекты показаны для некоторых витаминных комплексов. Витамины-антиоксиданты и некоторые микроэлементы обладают антимутагенными свойствами. Однако практически все эти антимутагены демонстрируют в экспериментальных тест-системах комутагенные и даже мутагенные свойства. 65

6. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости и его практическое значение. Гомологические ряды в наследственной изменчивости понятие, введенное Н. И. Вавиловым при исследовании параллелизмов в явлениях наследственной изменчивости по аналогии с гомологическими рядами органических соединений. Закон гомологических рядов. Генетически близкие виды и роды, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Наличие такой повторяемости дает возможность предсказывать наличие ещё не обнаруженных аллелей, 66 важных с точки зрения селекционной работы.

Благодарю за внимание! 67