Мутации Изменчивость Генетическая Модификационная Наследственная. НЕнаследственная. Комбинативная

Мутации

Изменчивость Генетическая Модификационная Наследственная. НЕнаследственная. Комбинативная Новые комбинации аллелей Мутационная Возникновение принципиально новых аллелей, генов и геномов

Как появляются новые аллели генов Новые гены Новые хромосомы Новые кариотипы ?

Мутации Случайные наследуемые изменения ДНК клетки – ее состава или числа молекул. Наследуемость обеспечивается точной репликацией ДНК – раз возникнув, мутации передаются всем потомкам данной клетки.

Мутации Модификации Меняют первичную Настраивают оптимальное структуру функционирование генетической программы Программа (генотип) Реализация программы (онтогенез)

Мутации Модификации в ДНК «над ДНК» белки и клетки

Случайность: Какой получится фенотип – хороший? плохой? так себе? вообще не получится? неизвестно

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.

Мутации Причины возникновения Передача потомству Случайные ошибки в процессах передачи ДНК Модификации Влияние среды в онтогенезе ДА НЕТ Влияние на приспособленность Случайное Адаптивны Проявляются в поколении F 1 – доминантные родительском Роль в эволюции F 2 – рецессивные Решающая Вспомогательная поставляют материал для отбора отбор формирует норму реакции

МУТАЦИИ 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!

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)

Как возникают в природе? эндомитоз 2 n 4 n Половое размножение 1 n + 2 n гамета 3 n Стерильный гибрид Бесполое размножение или самоопыление 4 n Новый вид 4 n

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

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. Борис Львович Астауров 1904 -1974 первый фертильный гибрид двух видов животных – 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

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

Желтая мышь, АY – делеция

Bar - дупликация

Генетика и селекция

Селекции ≈ 10 тыс лет

Дикий предшественник кукурузы – теосинт и современный гибрид

Николай Иванович ВАВИЛОВ 1887 - 1943 Центры происхождения культурных растений 1926 Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости 1920

Экспедиции по всему миру – сбор диких родственников культурных растений → коллекция из 300 тыс. образцов Экспедиция в Эфиопию. Н. И. Вавилов в обществе местного вельможи. 1927 г.

Здание ВИРа на Исаакиевской площади в Ленинграде. Основан Вавиловым в 1930 г. http: //www. vir. nw. ru/

Лысенкоизм. Аресты генетиков и отстранение от работы. Н. И. Вавилов оказался в сталинской тюрьме в 1940 г.

Центры происхождения культурных растений

Потеря генетического разнообразия при окультуривании Дикие виды Ранние окультуренные растения Современные сорта Tanksley, Mc. Couch, 1997

Центры происхождения культурных растений 1 – Центральноамериканский 2 - Перуанский 3 – Средиземноморский 4 - Абиссинский 5 - Переднеазиатский 6 - Среднеазиатский 7 - Индийский 8 - Китайский Идея Вавилова: Центры разнообразия = центры происхождения При окультуривании значительная часть генетического разнообразия теряется → а дикие родственники его сохранили

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение подобных форм у других видов и родов.

Мягкие пшеницы Твердые пшеницы Ячмень

Краткая формулировка закона: У близких видов – сходные мутации Вавилов вывел его эмпирически – из наблюдений за изменчивостью. Теоретическая основа – сходство (гомология) генов у видов одного рода, семейства и даже – отряда и класса. Практическое следствие – если желаемой мутации нет у родственных видов, то вряд ли ее удастся получить у объекта селекции – для нее просто нет генетической основы. И наоборот – если мутация есть в других видах – есть реальный шанс ее найти или индуцировать.

Эволюционная гомология генов человека. Только позвоночные 22 % Все животные 24 % гомологов не найдено 1% Прокариоты 21 % Все эукариоты 32 %

Группы крови АВ 0 у приматов Человекообразные обезьяны Шимпанзе – А и 0 (редкий) Горилла – В и 0 (редкий) Орангутан и гиббон – А и В. Другие обезьяны Бабуины и макаки – А, В и 0.

Пример гомологичных мутаций – параллелизм в окраске

Что нужно селекционеру? Прежде всего – генетическое разнообразие Select – отбирать (из уже имеющегося) селекция – эволюция, осуществляемая руками человека

скрестить несколько разнообразие? Как получить исходноеразных пород и сортов взять в скрещивание диких родственников – у них могут оказаться полезные гены, утраченные у домашних искусственный мутагенез – обработать исходную популяцию каким-либо мутагеном, и затем отбирать вновь возникшие мутации генная инженерия – привнести в популяцию гены других, далеких видов

Гетерозис (гетерозиготис) Гибриды между чистыми линиями – сортами, породами – часто превосходят родителей по мощности и многим ценным признакам. Родительские линии F 1

Гипотезы гетерозиса Доминирования АА BB cc dd × aa bb CC DD ↓ Aa Bb Cc Dd В большем числе локусов будет доминантный аллель (считается заведомо полезным) Сверхдоминирования Преимущество гетерозигот перед обеими гомозиготами.

Гипотеза компенсационного комплекса генов – большинство хозяйственно ценных признаков (например, высокая продуктивность) на самом деле вредны для организма – снижают его общую приспособленность. когда сорт отбирается на высокое значение такого вредного признака – параллельно идет и стихийный подбор таких аллелей других генов, которые позволяют как-то компенсировать это вредное влияние. Когда мы скрещиваем два сорта с разными «вредными» рецессивными признаками, они переходят в гетерозиготное состояние и не проявляются, зато компенсационный комплекс генов резко повышает общую жизнеспособность по сравнению с организмами, у которых такого «вредного» гена никогда не было

Октаплоид рогатой лягушки Ceratophrys dorsata 8 n = 104