Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Мобильные генетические элементы представляют собой автономные единицы, в нуклеотидной последовательности которых заключена информация о структуре специализированных белков, обеспечивающих их перемещение. Таким образом, МГЭ сами отвечают за образование аппарата своего перемещения. Предложен ряд возможных механизмов транспозиции.

1. МГЭ могут воспроизводится через обратную транскрипцию. Поток информации может идти не только прямым путем ДНК→РНК, но обратным путем РНК→ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). Сначала информация, кодирующая мобильный ген, с ДНК переписывается на молекулу РНК (прямая транскрипция), а потом эта РНК служит матрицей, на которой синтезируется полинуклеотидная цепь ДНК мобильного гена (обратная транскрипция). Затем ДНК удваивается и образуется копия гена. Эта ДНК образует кольцевую молекулу вне хромосомы, которая встраивается в самые различные участки на разных хромосомах, в то время как исходный МГЭ сохраняет свою прежнюю локализацию. С помощью обратной транскрипции перемещаются МДГЭ дрозофилы.

2. Возможен и другой механизм с участием ферментов – транспозаз. Эти ферменты вырезают мобильные генетические элементы и встраивают их в другое место. Так происходит перемещение Р-элемента дрозофилы.

Исследования показали, что МГЭ перемещаются весьма редко, с частотой не более 10^-5 на поколение. Однако в определённых условиях частота перемещения может резко возрастать.

Мобильные генетические элементы - это ДНК, которая не несёт никаких полезных функций в клетке. Они несут информацию только о белках, которые нужны им для перемещения по геному. Каких-то других белков они не кодируют. В тоже время эффект действия МГЭ на жизнь клетки может быть разным.

1. Они могут попасть в кодирующую часть какого-либо гена и изменить генетическую информацию, которую имеет ген, что приведет к генной мутации.

2. МГЭ могут встраиваться рядом с геном и изменять его функцию.

3. Есть определенная связь мобильных элементов и рака. МГЭ могут внедряться рядом или внутрь онкогена и активировать его, что ведет к развитию опухоли. Сейчас уже известны некоторые опухоли, возникновение которых связано с перемещением мобильных элементов.

4. МГЭ могут захватывать с собой соседние участки ДНК и вызывать разные хромосомные перестройки. Они могут вызывать инверсию хромосом, становиться фактором для неравного кроссинговера и т.д.

В то же время с эволюционной точки зрения МГЭ могли быть важным механизмом создания внутривидовой изменчивости хромосомных структур, что связано с их способностью вызывать самые различные хромосомные перестройки.

Лекция 13

Геномные мутации. Механизмы их обусловливающие. Фенотипический эффект. Понятие о хромосомных болезнях.

Для каждого вида организмов характерным признаком является определенное число хромосом в клетках. Постоянное число хромосом в клетках организма обеспечивается тончайшими механизмами митоза и мейоза. Однако в некоторых случаях механизмы расхождения хромосом при митозе и мейозе нарушаются, что может сопровождаться неравномерным распределением их в дочерние клетки. В результате таких нарушений возникают клетки с измененным числом хромосом. Предполагают, что причинами нарушения нормального расхождения хромосом могут быть: изменение состояния веретена деления, потеря полярности делящейся клетки, увеличение вязкости цитоплазмы. Возможны, вероятно, и другие причины. Изменение числа хромосом в клетке относят к геномным мутациям. Среди геномных мутаций выделяют три типа: гаплоидия, полиплоидия и анеуплоидия.

Гаплоидия - геномная мутация, связанная с уменьшением числа гаплоидных наборов хромосом в клетке. При этом соматические клетки содержат одинарный набор хромосом (n). Организмы, клетки которых содержат гаплоидные наборы хромосом получили название гаплоидных организмов. Гаплоидные организмы в естественных условиях имеются, главным образом, среди растений. Такие организмы меньших размеров, поскольку в 2 раза снижена доза генов. Жизнеспособность их также снижена в силу проявления всех рецессивных аллелей. Гаплоидные организмы фактически бесплодны, что связано с нарушением процессов мейоза.

Полиплоидия – геномная мутация, связанная с увеличением числа гаплоидных наборов хромосом в клетке. В зависимости от числа гаплоидных наборов хромосом различают триплоидию (3n), тетраплоидию (4n), пентаплоидию (5n) и т.д. К развитию полиплоидии может приводить нарушение расхождения хромосом при мейозе. Если в результате нерасхождения хромосом в мейозе гамета получит полный соматический набор хромосом (2n), то при слиянии такой гаметы с нормальной (1n) образуется триплоидная зигота, из которой будет развиваться триплоидный организм. При слиянии двух гамет с соматическим набором хромосом (2n+2n) образуется тетраплоидная зигота, из которой будет развиваться тетраплоидный организм. Тетраплоид может возникнуть также при репликации хромосом в зиготе, не сопровождаемой ее первым делением. Такой же механизм формирования тетраплоидных соматических клеток. В случае нарушения митоза в соматических клетках - клетки будут полиплоидными только в той части организма, которая развивается из исходной полиплоидной клетки. В этом случае будет формироваться мозаичная форма полиплоида. У растений это приводит к появлению тетраплоидных побегов.

Наиболее часто полиплоидия встречается у растений. Полиплоидные виды есть во всех крупных группах растений. Около 47% всех цветковых растений - это полиплоиды. Полиплоидными являются многие из наиболее важных культурных растений: пшеница, картофель, хлопчатник, многие плодовые и др.

Полиплоидные мутанты отличаются от диплоидных растений многими морфологическими, физиологическими и биохимическими особенностями. Размеры клеток и ядер полиплоидных растений, их цветки, семена и плоды увеличены. Полиплоидные растения можно получать и искусственно, подвергая растение действию различных веществ, влияющих на формирование веретена деления при митозах. Одно из таких веществ - это колхицин, алкалоидный препарат, полученный из растений осеннего крокуса Colchicumautumnale. После обработки колхицином реплицированные хромосомы не расходятся к противоположным полюсам, а остаются в одном ядре.

В естественных условиях среди животных полиплоиды встречаются довольно редко, но такие случаи известны у ящериц, земноводных (саламандра), рыб и некоторых других животных. Существует несколько причин, по которым полиплоидизация среди животных встречается реже, чем среди растений. Во-первых, полиплоидия нарушает баланс между аутосомами и половыми хромосомами, что заметно влияет на жизнеспособность животных по сравнению с растениями. Во-вторых, большинство животных размножается посредством перекрестного оплодотворения. Возникший единичный мутант - полиплоид у животных не может размножаться сам по себе. В-третьих, процесс онтогенеза животных более сложен, полиплоидия нарушает его, что ведет, как правило, к формированию аномалий развития не совместимых с жизнью. Наконец, полиплоидные растения часто возникают в результате удвоения хромосом при гибридизации, а у животных гибриды обычно нежизнеспособны или стерильны.

Мутации полиплоидии известны у человека. Полиплоидные ядра обнаружены в клетках при анализе материала спонтанных абортов у женщин. Причиной ранних абортов у женщин в 25% случаев являются полиплоидии. Однако в литературе нет доказанных случаев рождения детей с полиплоидией. Жизнеспособными могут быть только мозаичные формы, например, диплоидно-триплоидные формы, у которых полиплоидными является только часть клеток организма.

Анеуплоидия - это геномная мутация, которая связана с изменением числа отдельных хромосом в клетке. При этом формируются анеуплоиды, у которых одна или несколько хромосом нормального набора клетки отсутствуют или представлены дополнительно (в избытке). Анеуплоидия может возникать в результате неправильного расхождения хромосом какой-либо пары во время первого и второго деления мейоза. В результате образуются гаметы, содержащие дополнительно одну и более хромосом, или ни одной хромосомы какой-то пары. При слиянии таких гамет во время оплодотворения с гаметой, имеющей нормальный гаплоидный набор хромосом, формируются моносомные (2n-1) и полисомные зиготы, например, трисомные (2n+1) (рис. 1, 2).

.

			ХХ
Первое деление мейоза		Не расхождение в первом делении
	ХХидная ие в первом делении					ХХ
Второе деление мейоза
ХХидная ие в первом делении		ХХидная ие в первом делении		ХХ			ХХ
Х		Х		ХХХ			ХХХ
Моносомия		Моносомия		Трисомия			Трисомия

Рис. 1. Не расхождение хромосом во время первого деления мейоза. При слиянии образующихся гамет с нормальными гаплоидными гаметами образуются моносомные и трисомные зиготы

Моносомики часто нежизнеспособны у разных видов организмов. В частности достоверно установлено, что полные моносомии по всем аутосомам у человека не совместимы с жизнью. Моносомики по половым хромосомам у человека известны, они жизнеспособны. Нежизнеспособность моносомиков у многих видов по началу оставалась загадкой, так как у таких организмов всегда имеется по одной копии каждого гена. Однако один из таких генов может быть представлен в виде летального аллеля, не имеющего парного нормального аллеля, маскирующего мутацию. В таком случае организм погибает. У растений последствия анеуплоидий менее ощутимы, чем у животных. Моносомия по отдельным аутосомам обнаружена у кукурузы, табака, энотеры, дурмана и других видов. Тем не менее, моносомики у растений обычно менее жизнеспособны по сравнению с диплоидами.

			ХХ
Первое деление мейоза		Нормальное расхождение
	Х					Х
Второе деление мейоза	Нормальное расхождение					Не расхождение во втором делении
Х		Х		ХХ			ХХ
ХХ		ХХ		ХХХ			Х
Дисомия (норма)		Дисомия (норма)		Трисомия			Моносомия

Рис. 2. Не расхождение хромосом во время второго деления мейоза. При слиянии образующихся гамет с нормальными гаплоидными гаметами образуются моносомные и трисомные зиготы

Трисомии известны у многих видов организмов, в особенности у растений. Появление в кариотипе добавочной хромосомы приводит к уменьшению жизнеспособности как у растений, так и у животных. Если добавочная хромосома достаточно крупная, то проявления трисомии более тяжелые. Однако трисомики у растений обычно жизнеспособны. Трисомия характерна для таких хозяйственно важных видов зерновых как рис, кукуруза и пшеница. У некоторых видов растений известны тетрасомики и даже полисомики более высоких порядков, но встречаются они много реже трисомиков.

Присутствие лишней хромосомы у животных, особенно у млекопитающих, оказывает вредное воздействие и может быть летально. Причины, по которой ни у человека, ни у других животных организмов не наблюдается трисомии по многим хромосомам может состоять в том, что такие трисомики нежизнеспособны и погибают на ранних стадиях развития.

Неправильное расхождение хромосом может происходить не только при мейозе, но и в митозе при делении соматических клеток. Мутантная клетка при делении может дать целый клон мутантных клеток. В результате возникают мозаики - особи, у которых определенная часть клеток организма будет нести мутацию. Неправильное расхождение хромосом может произойти при первом же клеточном делении зиготы или позднее, что и определяет степень мозаицизма. Фенотипическое отклонение от нормы в случаях мозаицизма зависит от доли клеток с мутациями, а это зависит от стадии развития организма, на которой произошло неправильное расхождение хромосом.

Анеуплоидии у человека

Анеуплоидии у человека встречаются не так часто и не так редко, являясь причиной целого ряда врожденных заболеваний. Фенотипические проявления анеуплоидий у человека характеризуются множественными врожденными пороками развития, которые формируются в раннем эмбриогенезе. Что касается моносомии у человека, то моносомии по аутосомам после рождения ребенка не известны. Единственный известный случай моносомии у новорожденных - это моносомия по Х-хромосоме (45, ХО). При наличии в клетках одной Х-хромосомы в отсутствии Y-хромосомы возникает синдром Шерешевского-Тернера. Частота синдрома Шерешевского-Тернера среди новорожденных девочек 1:3000. Фенотипически - это женщины с почти атрофированными яичниками и слабо развитыми вторичными половыми признаками, они стерильны (бесплодны). У новорожденных и детей грудного возраста отмечаются характерные симптомы: короткая шея с избытком кожи и крыловидными складками. В число других характерных признаков синдрома Шерешевского-Тернера входят низкий рост, деформация грудной клетки, низкое расположение ушных раковин. Синдром обычно не сопровождается умственной неполноценностью.

Полисомии у человека известны как по половым хромосомам, так и по аутосомам. Полисомии по половым хромосомам весьма разнообразны. Они различаются числом дополнительных хромосом, их типом и комбинацией разных клоновых линий в случае мозаицизма. В табл. № 1 представлены основные немозаичные, встречающиеся на практике типы полисомий по половым хромосомам.

Табл. № 1. Типы полисомий по половым хромосомам у человека