Мутаціі та мутагенез План 1 Мутації та

Мутаціі та мутагенез

План: 1. Мутації та їх класифікація 2. Поняття про мутагенез 3. Мутагенні фактори та їх класифікація 4. Штучний мутагенез

1. Мутації та їх класифікація Мутація – разова стрибкоподібна зміна спадкової ознаки у результаті зміни спадкового фактора, який її визначає. Поняття “мутація” в генетику ввів Г. до Фріз у роботах 19011903 років. До робіт Г. де Фріза вже були відомі випадки зміни спадковості у рослин і тварин. Це відмічав ще Ч. Дарвін. Проте саме Г. де Фріз сформулював теорію мутацій, яка до теперішнього часу зазнала змін, але у головних питаннях залишалась незмінною і відіграла позитивну роль у розвитку генетичної теорії.

Класифікація мутацій за локалізацією у геномі n n n Генні Хромосомні Геномні

Генні мутації − спонтанні або індуковані зміни молекулярної структури гена з утворенням нових алелей. Різновиди генних мутацій: n транзиція – заміщення одного пурину або одного піримідину іншим (А Г, Т Ц); n трансверсія – заміщення пурину піримідином і, навпаки (А Т, Ц Г); n делеція – втрата одного нуклеотиду (нуклеотидної пари); n інсерція – вставка одного нуклеотиду (нуклеотидної пари).

Наслідки генних мутацій Транзиції і трансверсії викликають, на перший погляд, незначні зміни генів, проте наслідки їх можуть бути тяжкими. Прикладом трансверсії є утворення мутантного гемоглобіну S, замість нормального, А, у людини. Мутація призвела до відмінності між двома типами гемоглобіну лише за однією амінокислотою: Гемоглобін А – … пролін глютамін лізин … Гемоглобін S – … пролін валін-глютамін лізин … Але, не дивлячись на таку незначну різницю, гемоглобін S набув інших властивостей, які відбиваються на життєдіяльності організму. Гомозиготні особини за геном гемоглобіну S мають еритроцити серпоподібної форми (форми півмісяця) і гинуть внаслідок особливого типу анемії (серпоподібноклітинної).

Наслідки генних мутацій Делеція та інсерція призводить до менших або більших наслідків, залежно від місця їх виникнення. Якщо це відбувається, наприклад, в останньому триплеті гена, то він незначно змінить свою структуру, а якщо у першому, то структура його зміниться повністю внаслідок зміщення рамки зчитування. Безумовно, що відповідно зміниться структура і функція тих білків, які кодуються мутантними генами.

Поширеність генних мутацій у природі: дуже поширені порівняно з іншими типами мутацій. Значення генних мутацій: можуть бути корисними, байдужими і шкідливими для організму.

Хромосомні мутації (аберації) − зміна не одного гена, а двох або декількох, що призводить до зміни форми хромосом. n n n Різновиди хромосомних мутацій (аберацій): нестача – втрата кінцевого фрагмента; делеція – втрата середнього фрагмента; дуплікація – подвоєння будь якого фрагмента хромосоми; інверсія – поворот фрагмента хромосоми на 180°; інсерція (транслокація інтрахромосомна) – пер міщення фрагменту тієї самої хромосоми в інше положення; транслокація інтерхромосомна – вклинення фрагментів однієї хромосоми в іншу.

Поширеність аберацій у природі На теперішній час вивчені деякі хромосомні мутації у людини та різних видів сільськогосподарських тварин. Наприклад, у великої рогатої худоби відома інтерхромосомна транслокація 1/29, у свиней 4/14 та ін.

Значення аберацій: За генетичними наслідками аберації неоднозначні. Так, виникнення нестач, делецій і дуплікацій пов'язане з порушенням генного балансу, що може призвести до різних змін за фенотипом і навіть до летальних наслідків. Водночас інверсії й інтрахромосомні транслокації на сильні фенотипові зміни майже не впливають, але, як правило, зміна положення гена не проходить безслідно для організму. Наприклад, дія структурних генів, які розміщені поряд і беруть участь в одній і тій самій ланці синтезу, при переміщенні порушується. Оскільки високочутливих біохімічних методів вияву порушень синтезу окремих речовин немає, то можна тільки здогадуватись про наявність ще не відомих або відомих, але не пізнаних (у причинному відношенні) молекулярних хвороб.

Геномні (плоїдні) мутації − збільшення або зменшенням кількості хромосом у каріотипі організму. Різновиди геномних мутацій: n n Диплоїдні − збільшення кількості хромосом з одинарного до подвійного (наприклад, збільшення кількості хромосом з одинарного (1 n) до подвійного (2 n) у природних гаплоїдів (гаметофіт вищих рослин, трутні медоносної бджоли). Еуплоїдні (гаплоїдні) – зменшення хромосомного набору з подвійного до одинарного (гаплоїдні спорофіти рослин виживають, але мають менші розміри та знижену життєздатність; гаплоїдних мутацій тварин у тварин не зафіксовано, тому що їх розвиток дуже швидко припиняється на перших стадіях дробіння з утворення виродків). Поліплоїдні (триплоїдні, тетраплоїдні, пентаплоїдні, гексаплоїдні і т. д. ) – кратне збільшення кількості хромосом на гаплоїдний хромосомний набір. Анеуплоїдні (гетероплоїдні) – збільшення або зменшення кількості хромосом на одну або дві хромосоми у кожній парі хромосом.

Різновиди поліплоїдії: n n парна – ортоплоїдія (4 n); непарна –анортоплоїдія (3 n).

Причини поліплоїдії n n n порушення мейотичного поділу з утворенням диплоїдних гамет; поліандрія (поліспермія) – запліднення яйцеклітини двома і більше сперматозоїдами; полігінія – злиття при заплідненні кількох пронуклеусів (ядер яйцеклітин) і сперматозоїда; анеугамія − гібридизація (схрещування) особин з різною плоїдністю; затримка першого поділу зиготи – дробіння, за якого відбувається подвоєння хромосом, а поділу ядра і цитоплазми не відбувається.

Поширеність поліплоїдії у природі: На Крайній Півночі і високо в горах поліплоїдні форми рослин становлять 80 %. Дуже часто поліплоїдія зустрічається у безхребетних тварин (мокриці, черви та інші гермафродитні й партеногенетичні види). Поліплоїдні форми вищих тварин у більшості випадків нежиттєздатні (їх виявлено лише серед абортованих плодів домашніх тварин і людини). О. О. Іванова (1974) відмічає випадок народження триплоїдного хлопчика, який, мав значні аномалії і прожив короткий період.

Значення поліплоїдії у природі: Поліплоїдія зумовлює стійкість рослин до несприятливих умов середовища.

Значення поліплоїдії для людини: Поліплоїдні форми дуже широко використовують у селекції рослин, які характеризуються дуже високою продуктивність, порівняно зі звичайними. Більшість сільськогосподарських рослин – поліплоїдні (картопля, цукрові буряки, суниця та ін. ). Розрізняють автополіплоїдію – поліплоїдію у межах одного виду рослин та аллополіплоїдію (амфіполіплоїдію) – міжвидові поліплоїди (гібрид капусти і редьки (рафанобрасіка), пирію і жита (тритикале).

Анеуплоїдні (гетероплоїдні) – збільшення або зменшення кількості хромосом на одну або дві хромосоми у кожній парі хромосом. n Причина анеуплодії: порушення мейозу, при якому гомологічні хромосоми у профазі І редукційного поділу або зовсім не кон’югують, або кон’югують частково, що призводить надалі до нерозходження хромосом, тобто вони розподіляються між полюсами випадково. Так, обидві хромосоми можуть відійти до одного полюса, тоді одна з клітин матиме одну зайву хрмосому, а в іншій однієї хромосоми не вистачатиме.

Різновиди анеуплодії (залежно від кількості хромосом у нормі, зайвих або відсутніх у соматичних клітинах): диплоїдія (дисомія) моносомія нулісомія подвійна моносомія трисомія тетрасомія подвійна трисомія подвійна тетрасомія 2 n 2 n – 1 2 n – 2 2 n – 1 2 n + 2 + 1 2 n + 2

Різновиди анеуплодії (залежно від типу хромосом, яких вони торкаються): n n аутосомна – порушення нормального співвідношення аутосом; гоносомна − порушення нормального співвідношення статевих хромосом.

Поширеність анеуплодії у природі: У людини відомі випадки аутосомних анеуплодій, які обумовлюють синдром Дауна (трисомія 21), Патау (трисомія 13 (14 чи 15), Едвардса (трисомія 16 (17 чи 18). Інші анеуплоїдні форми аутосомного походження у людей не зустрічаються, тому що гинуть в період ембріонального розвитку внаслідок сильного зниження життєздатності. Доказом цього є виявлені анеуплоїди у довільно абортованих плодах. Відомостей про аутосомних анеуплоїдів у тварин зовсім мало. Мабуть це теж пояснюється довільно абортованими нежиттєздатними плодами. У людини відомі випадки гоносомних анеуплодій, які обумовлюють синдром Клайнфельтера (ХХУ), Шерешевського-Тернера (Х 0), трисомію за Х-хромосомою (XXX), полісомію за У-хромосомою (ХУУ). У великої рогатої худоби, свиней, собак, котів відомий синдром Клайнфельтера (ХХУ).

Значення анеуплодій: Анеуплоїдні організми мають знижену життєздатність, оскільки кожна хромосома має свої конкретні гени, то їх втрата або надлишок призводить до різних аномалій.

Класифікація мутацій в еволюційному аспекті Назва Визначення Приклад Значення ретрогресивні Призводять до втрати ознаки. паразитичні черви, у яких втрачені або недорозвинені деякі органи; сліпаки, у яких відсутній зір; коні, у яких однопала кінцівка. Ці мутації не можна розглядати, як процес виродження. Вони можуть відігравати істотну пристосувальну роль. Не дивлячись на втрату деяких органів види успішно процвітають. дегресивні Перехід гена у процесі послідовних актів мутування з одного стану в інший. альбінізм і забарвлене волосся у тварин; рогатість і комолість. Відіграють пристосувальну роль. прогресивні Призводять до утворення нової ознаки. набуття хлорофілу рослинами, хребта хордовими Можуть дати початок новим видам.

Класифікація мутацій за характером дії гена (функціональною дією гена) була запропонована Г. Менделем у 1927 році аморфні (неактивні або нейтральні) Призводять до утворення функціонально неактивного генного продукту, у результаті чого ознака, яка ним контролюється, не розвивається. альбінізм, беззубість, відсутність кінцівок, безхвостість Часто така мутація летальна у гомозиготному стані гена, з чим пов’язана ембріональна смертність тварин. Однак іноді такі мутації є корисними, як, наприклад, біле хутро у полярного ведмедя. Втрата інстинкту насиджування у домашніх курей є корисною для людини. гіпоморфні Послаблюють дію нормального гена і призводять до послаблення вираження ознаки у порівнянні з вихідним типом. різні прояви карликовості, недорозвинення органів, послаблення забарвлення волосся тощо Частота таких мутацій найбільша, порівняно з іншими, тому що будь яка мутація у більшості випадків здатна погіршити ознаку, ніж змінити її у кращу сторону. У гомозиготному стані такі мутації бувають летальні. Часто такі зумовлюють різноманітність ознаки у популяції. Цей тип мутацій має важливе значення у селекції хутрових звірів для створення форм з різноманітними відтінками одного кольору. гіперморфні Посилюють дію нормального гена і ступінь вираження ознаки. гігантизм Такі мутації призводять до негативних наслідків, як, наприклад, підвищена активність ферментів у м’язах призводить до їх дистрофії. Гіперморфними мутаціями обумовлена продуктивність сільськогосподарських тварин, які здатні давати більше 20 тисяч кілограмів молока за лактацію, зносити майже кожен день одне яйце, давати високий настриг вовни тощо. Поява гігантизму у предків ссавців привела до утворення слонів та інших великих представників цього класу. антиморфні Діють протилежно до дії нормального гена, істотно змінюючи характер ознаки. перетворення потових ссавців на молочні залоз Призводить до утворення нових видів. неоморфні Призводять до утворення нової ознаки, яка домінує над вихідною формою. поява хлорофілу у рослин, гемоглобіну – у тварин, хорди – у хордових Призводять до утворення нових видів.

Класифікація мутацій за напрямком мутування Назва Визначення пряма Призводить до зміни дії гена зворотна Відновлює початкову дію гена. Приклад альбінізм Значення Імовірність зворотних мутацій дуже низька, однак відмічаються вони дуже часто. У більшості випадків при цьому відбувається не виправлення мутагенного локуса, а новий акт мутування іншого неалельного гена, який пригнічує його поява забарвлення дію.

Класифікація мутацій за джерелом виникнення Назва Визначення Приклад Значення спонтанні (природні) Виникають під впливом мутагенів навколишнього середовища на землі є райони з підвищеним рівнем радіації, де відмічається висока частота хромосомних мутацій і знижена плодючість індуковані (штучні) Виникають під впливом дозованих людиною мутагенів. безості сорти пшениці, поліплоїдні сорти цукрових буряків, однонасінні сорти цукрових буряків, штами мікроорганізмів, які продукують антибіотики. У природі існує спонтанний мутагенез, який викликається тими ж фізичними і хімічними мутагенами зовнішнього середовища, що і індукований. Різниця лише у тому, що при спонтанному мутагенезі фактори діють випадково, спонтанно, доза та експозиція їх впливу не носять суворо визначеного характеру, як це має місце у експерименті. У зв’язку із забрудненням оточуючого середовища межа між цими типами мутацій стирається, оскільки людина виступає у ролі фактора, який організовує мутагенний вплив на організми біосфери поза його свідомими експериментами. Не дивлячись на це індуковані мутації дуже широко застосовуються у селекції рослин, мікроорганізмів, тварин (набагато рідше).

Класифікація мутацій за типом генотипу, при якому вони проявляється Назва Визначення Приклад Значення домінантні Виявляють дію у гомозиготному домінантному (АА) і в гетерозиготному (Аа) станах. полідактилія у великої рогатої худоби Можуть бути корисними і шкідливими для організму. рецесивні Виявляють дію у гомозиготному рецесивному стані (аа). гемофілія, сріблясто чорне забарвлення лисиць Можуть бути корисними і шкідливими для організму. напівдомінантні Виявляють дію у гомозиготному статі (АА, аа). платинове забарвлення лисиць Можуть бути корисними і шкідливими для організму. Деякі мають практичне значення у тваринництві, обумовлюючи в гетерозиготному статі господарсько корисну ознаку. у

Класифікація мутацій за ступенем прояву Назва Визначення Приклад летальні Викликаютьсмертність у 90 100 % носіїв генів порфирія напівлетальні (сублетальні) Викликаютьсмертність у 50 90 % носіїв генів. альбінізм субвітальні Зумовлюють зниження життєздатності на 10 50 % у 1 50 % носіїв. синдактилія Значення Призводять до смертності тварин у природних та штучних популяціях і до зниження продуктивності сільськогосподарських тварин.

Класифікація мутацій за характером прояву Назва біохімічні Визначення Приклад Торкаються біохімічних процесів організму Альбінізм, фенілкетонурія людини фізіологічні Торкаються фізіологічних процесів організму Гемофілія морфологічні Торкаються анатомічної будови організму полідактилія, синдактилія Значення у Чіткої границі між цими мутаціями немає, тому що зміна біохімічної функції гена часто призводить до змін у протіканні фізіологічних функцій або навіть у морфологічній організації.

Класифікація мутацій за життєздатністю організму-носія Назва Визначення Приклад корисні Корисні для організму. нейтральні Не позначаються на життєдіяльності організму. летальні Призводять організму. до смерті комолість великої рогатої худоби Значення Серед комолої худоби травматизм менший. При зміні умов середовища можуть виявитись корисними чи шкідливими. порфирія Приносять збитки смертність тваринництву через

Класифікація мутацій за стадією життєвого циклу організму, на якому вони виникають Назва Визначення Приклад гаметичні Виникають на утворення гамет ембріональні Виникають ембріогенезу післяродові Виникають при народженні чи відразу після народження природжена Викликають смерть безшерстість у телят народження. ювенільні Виникають у дитячому віці порфирія у етапі Значення період − Ведуть до загибелі гамет. бульдогоподібність телят Викликають загибель зародків різних стадіях ембріогенезу. відразу на після Призводять до смерті або патології у молодому (дитячому) віці.

Класифікація мутацій за взаємодією мутантних генів з факторами навколишнього середовища Назва Визначення Приклад Значення безумовні Діють за будь яких умов навколишнього середовища і генотипу. гемофілія Незалежно від інших спадкових факторів призводять до різних патоло гічних проявів. умовні (залежні) Виявляють свою патологічну дію тільки у специфічних умовах середови ща або в поєднанні з іншими генетичними факторами. порфирія Призводять до різних патоло гічних проявів у специфічних умовах середови ща або в поєднанні з іншими генетичними факторами.

Класифікація мутацій за місцем виникнення у клітині та організмі Назва Визначення Приклад Значення ядерні Відбувається у ядерній ДНК гемофілія, комолість Можуть мати позитивне і негативне значення. цитоплазматичні (позахромосомні) Відбувається в ДНК мітохондрій та пластид строкате листя рослин Має практичне значення для створення строкатолистих сортів рослин. у

Класифікація мутацій за типом клітин, у яких вони виникають Назва Визначення Приклад Значення соматичні Виникають у соматичній клітині. мозаїчність райдужної оболонки ока, бородавки, пігментні плями, строкатолистість кімнатних рослин Передаються лише дочірнім клітинам, а не всьому організму (якщо пігмент виробляється у одній клітині, то він буде вироблятися лише у прямих нащадків даної клітини). Не передаються у спадок, крім випадків вегетативного розмноження. , тому використовують у квітникарстві. генеративні Виникають у статевій клітині. Успадковується за звичайними законами успадкування ознак при статевому розмноженні.

Мутація може бути одночасно генною, генеративною, корисною, фізіологічною, гіперморфною тощо.

2. Поняття про мутагенез Мутагенез − процес виникнення, розвитку і прояву нової спадкової ознаки або властивості. На живі організми постійно діє цілий комплекс факторів навколишнього середовища, значна частина з яких зумовлює мутації. Про виникнення мутації можна говорити лише з того моменту, коли зміна, яка з’явилась у послідовності ДНК, може реплікуватися і реалізуватися у фенотипі.

Частота спонтанних мутацій становить 10 -5– 10 -6, або одна мутація гена на мільйон за клітинне покоління. Це означає, що в організмі до кінця життя повинна накопичитись більша кількість мутантних клітин. Відповідні розрахунки показують, що навіть у дрозофіли, яка живе протягом місяця, у гаметах накопичується до 5 % мутацій. Однак значна частина змін не переходить у мутації завдяки системам репарації. Це системи виправлення генетичних змін. Мутації не проявляються через нейтральність, через придушення їх дії неалельними генами.

Мутація виникає і реалізується не у кожній клітині. Це залежить від її мутабільності − здатності клітини до мутантних змін. Вона залежить від: n n n чутливості гена (гени мітохондрій більш чутливі, ніж гени хромосом); генотипу (для свині летальна доза становить – 400 Р, ослів – 650, курей – 700, кролів – 800, риб – 1800, людини – 600; нижчі тварини менш чутливі до дії опромінення) фізіологічного стану клітини (наймутабільніша клітина у період синтезу ДНК, який характеризується інтенсифікацією процесів обміну); від властивості мутагенного фактора (одна з класифікацій мутагені заснована на силі їх впливу на організм − слабкі, помірні, сильні і дуже сильні); від комплексу постмутагенних умов розвитку особини (стреси, як додаткове навантаження на організм, що зазнав мутагенного впливу, призводить до швидкої реалізації мутацій, а наприклад, екстремальні умови вирощування культури дріжджів знижують рівень реалізації мутацій).

3. Мутагенні фактори та їх класифікація Мутагени − фактори, які викликають мутацію.

Види мутагенів: Фізичні Хімічні Біологічні Аутомутагени

Фізичні фактори − екстремальні температури, тиск, вібрація та різні види випромінювань (іонізуючі − альфа промені, протони, швидкі електрони, промені Рентгена, гамма промені, та неіонізуючі − нейтрони і ультрафіолетові промені. Можуть зумовити генні й хромосомні мутації. Механізм дії: При опроміненні в клітині з’являються вільні радикали, які зумовлює підвищення швидкостей хімічних реакцій, що призводить до змін у структурі ДНК і її реплікації. Екстремальні температури, тиск та вібрація викликають мутації лише у нижчих живих організмів.

Хімічні фактори − різного роду хімічні речовини, кожні з яких мають свій механізм індукування мутацій. Зумовлюють переважно генні мутації і дуже рідко хромосом Серед хімічних мутагенних факторів виділяють: Радіоміметичні речовини − діють за схемою випромінювань, викликаючи іонізацію речовин у клітині. Сильні хімічні мутагени: n аналоги нуклеотидів ДНК (бромурацил, амінопурин та ін. ) − вбудовуються на їх місце в ланцюг ДНК і змінюють характер його реплікації. n аналоги азотистих основ (акридинові барвники) − вклинюються між ними у ланцюг ДНК і викликають зсув рамки зчитування. n інгібітори синтезу нуклеїнових кислот (перекиси, алкалоїди (колхіцин), солі важких металів, гідроксиламін − гальмують синтез нуклеїнових кислот; n органічні речовини ароматичного ряду (пестидици); n азотиста кислота − дезамінує основи, у результаті чого цитозин стає схожим на урацил, що призводить до заміни пари основ Г–Ц на пару А–Т; n алкілуючі сполуки, або супермутагени (нітрозоалкілсечовина, алкілсульфати, епоксидин та ін. ), які можуть індукувати в 100 000 разів більше мутацій у порівнянні з іншими мутагенами.

Біологічні фактори − різного роду хвороботворні організми (віруси грипу, герпесу тощо). Механізм дії: Часто після перенесення вірусних хвороб у людини спостерігається ускладнення, як правило безповоротні. Про мутагенну активність збудників деяких хвороб свідчать досліди з культурою клітин хребетних, де такі віруси викликають аберації і поліплоїдію.

Аутомутагени − деякі продукти власного обміну речовин (найрізноманітніші метаболіти клітини). Механізм дії: Метаболіти стають мутагенами, коли у клітині порушується обмін речовин (в умовах стресу, антимутагенну активність проявляють гормони наднирників, викликаючи аберації; імунна напруга, що спостерігається при пересадці органів, вагітності, алергії та ін. призводить до мутацій; аутомутагенна активність збільшується у старості).

4. Штучний мутагенез − вплив на організм дозованих людиною мутагенів з метою створення високопродуктивних сортів рослин, порід тварин (дуже рідко) та штамів мікроорганізмів. Історія відкриття: вперше можливість штучного мутагенезу (дія променів Рентгена) була доведена Г. А. Надсоном і Г. Є. Філіповим на бактеріях у 1925 р. , Г. Меллером на дрозофілах у 1927 р. . З того часу почався пошук інших мутагенів. Мутагени, які використовують у штучному мутагенезі: супермутагени, які виявились значно ефективнішими за інші мутагени. Приклади вдалого штучного мутагенезу на тваринах і мікрооргазмах: ü завдяки їх впливу на сперму кролів вдалося змінити забарвлення хутра і кольору очей у цих тварин; ü одержані коропи без спинного плавця, що зменшило рухливість риби, у результаті чого збільшилась його жива маса; ü виведені штами мікроорганізмів, які становлять основу біологічного мулу, що очищає стічні води від отруйних речовин.

Специфічний мутагенез − метод вибіркового впливу мутагена на окремі чітко визначені гени (автор Р. І. Салганік та ін. ). Суть методу: мутагени хімічно зв’язують з іРНК певного гена і вводять у клітину. РНК з’єднується комплементарно з відповідною ділянкою ДНК і мутаген діє лише на цей ген. Недоліки: не можна передбачити, яка саме мутація виникне. Перспективи специфічного мутагенезу: у зв’язку з розвитком генної інженерії з’являється можливість спрямованої зміни генної структури за рахунок внесення у геном тих чи інших генів, у тому числі штучно сконструйованих. Однак застосування цього методу у клітинах вищих організмів найближчим часом мало імовірне. Тому штучний мутагенез не лише збереже протягом тривалого часу своє значення, але і отримає подальший розвиток.