Мутации М. А. Волошина СУНЦ НГУ 2008
Изменчивость Генетическая Модификационная Наследственная. НЕнаследственная. Комбинативная Мутационная Новые комбинации Возникновение аллелей 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 Реализация программы Программа (генотип) (онтогенез)
Случайность: Какой получится фенотип – хороший? плохой? так себе? вообще не получится? неизвестно
Мутации – редкие события Спонтанный уровень 10 – 5 – 10 – 6 на ген на поколение Одна гамета из миллиона – новая мутация данного гена Мутагены – факторы среды, повышающие спонтанную частоту во много раз.
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 Меняют порядок Меняют число генов в хромосомах хромосом Ошибки репликации, рекомбинации клеточных инсерции МГЭ делений
Геномные мутации Изменение числа хромосом
Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия Кратное увеличение набора 2 n ± 1, 2 Изменение Авто- Алло- числа отдельных 3 n, 4 n, 5 n… 2 (n 1 + n 2) хромосом Геном одного вида, Объединение повторенный геномов двух многократно разных видов
Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия 2 n ± 1, 2 изменение Авто- Алло- числа хромосом 3 n, 4 n, 5 n… 2 (n 1 + n 2) не кратно гаплоидному
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.
Анеуплоидии по половым хромосомам
ХХ × ХY Гаметы при нерасхождении хромосом у матери ХХ Х Y Кариотипы потомков ХХХ Х 0 ХХY Y 0 Триплоидия Х Синдром Гибель на Тернера Кляйнфельтера эмбриона- Нормальная льной женщина Женщина Мужчина стадии
Синдром Тернера 45, Х 0 1 на 2 500 женщин 99% погибает до рождения n Маленький рост – до 150 см n Короткая шея n «Лицо сфинкса» n Руки выгнуты под характерным углом n Не выражены вторичные половые признаки n Недоразвитие яичников → бесплодие
Синдром Тернера 45, Х 0
Трисомия Х: 47, ХХХ 1 на 1 000 женщин ~ у 75% разная степень умственной отсталости или шизофрении Остальные нормальны, часто учатся в университетах Могут иметь детей, Высокий рост. http: //www. triple-x-syndroom. nl/stories
Синдром Кляйнфельтера 47, ХХY 1 на 700 мужчин • IQ ниже, чем у сибсов • Высокий рост • Вторичные половые признаки не выражены • Феминизация облика • Недоразвитие гонад → стерильность
Варианты синдрома Кляйнфельтера 48, XXYY 47, XXY
1 на 800 Кариотип 47, ХYY мужчин Мужчины высокого роста с разным уровнем интеллекта, Могут иметь детей. Иногда проявляют склонность к мелким правонарушениям http: //pathguy. com/xyy. htm Среди заключенных частота 3. 5% - в 30 раз выше, чем в среднем по популяции. Kennet Royce The XYY Man, 1971
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/
Геномные мутации Анеуплоидия Полиплоидия 2 n ± 1, 2 Авто- Алло- 3 n, 4 n, 5 n… 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 Радужная форель лягушка Xenopus longipes 4 n
Асцидия Рыба Мышь Человек Общий предок хордовых На ранней стадии эволюции хордовые прошли через два раунда дупликации всего генома 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 Бесполое размножение или 1 n + 2 n самоопыление гамета 4 n 3 n Новый вид 4 n Стерильный гибрид
Гибриды с нечетным числом геномов – 3 n, 5 n – стерильны мейоз тривалент Растение 3 n = 6 или
Триплоиды – без косточек! 3 n 4 n 3 n 2 n 3 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- Алло- 3 n, 4 n, 5 n… 2 (n 1 + n 2) Межвидовые гибриды
Полиплоидный ряд пшениц Triticum monococcum, Triticum turgidum, Triticum aestivum, однозернянка мягкая твердая 1 n = 7 4 n ? 6 n ? 2 n = 14 2 n = 28 2 n = 42 АА ВВ DD
Не позднее ~ 8 тыс. лет назад 10 тыс. лет назад AA BB DD AA BB DD Triticum searsii Triticum tauschii Triticum monococcum 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 получи Георгий Дмитриевич Карпеченко ть автополиплоид 1899 - 1942 из межвидового
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 хромосом Редька RR Капуста Фертильный BB амфидиплоид RR BB
Ресинтез видов 2 Тёрн Алыча Слива
Аллополиплоиды у животных. первый фертильный гибрид двух видов животных – Борис Львович Астауров тутовых шелкопрядов 1904 -1974 Bombix mori и B. mandarina.
Межвидовые гибриды животных, как правило, стерильны Нет гомологичных хромосом Бесплодие Мул Лошадь 2 n = 63 Осел 2 n = 64 Мейоз 2 n = 62
Зорс – гибрид зебры (44) и Зонки – гибрид зебры (44) лошади (64) и осла (62) В скобках – число хромосом Зони – гибрид зебры и пони
Гибрид зебры (44) и осла (62)
♀ иногда фертильны ♂ Лайгер – гибрид льва Panthera tleo (38) и тигрицы Panthera tigris (38) Тиглон – гибрид тигра и львицы
Леопон – гибрид леопарда (38) и львицы (38) Ягуар + лев
Мутации Генные Хромосомные Геномные ± Новые аллели Меняют генный Меняют число генов хромосом состав хромосом – число генов или порядок
Хромосомные перестройки делеция транслокация дупликация инверсия
Как возникают В результате разрывов ДНК и сшивания в новом порядке. Радиация Ошибки рекомбинации
Незаконный кроссинговер К О Т Т О М К О Т Т Т О М дупликация К О Т О М делеция
Незаконный кроссинговер К О Т Ф А Н Т О М петля Ф А Н Т К М О инверсия К О Т Н А Ф 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 Ранние Современные Дикие виды окультуренные сорта растения Tanksley, Mc. Couch, 1997
Центры происхождения культурных растений 1 – Центральноамериканский 5 - Переднеазиатский 2 - Перуанский 6 - Среднеазиатский 3 – Средиземноморский 7 - Индийский 4 - Абиссинский 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 Ячмень пшеницы
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. гомологов не найдено Только 1% Прокариоты позвоночные 21 % 22 % Все животные Все эукариоты 24 % 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
Как получить исходное разнообразие? • скрестить несколько разных 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 – т. е. снижают его общую приспособленность. • когда сорт отбирается на высокое значение такого вредного для организма 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
Мутации Модификации Изменения нуклеотидного Влияние внешней среды и Причины состава ДНК случайных факторов в возникновения онтогенезе. Передача потомству Наследуются Не наследуются Случайный Характер изменений (чаще всего – снижают Направленный фенотипа жизнеспособность) (часто адаптивны) В каком поколении В F 1 – доминантные, В исследуемом проявляются в F 2 – рецессивные (родительском) Решающая Вспомогательная Роль в эволюции (поставляют материал для (формирование признаков отбора) с широкой и узкой нормой реакции)