Классификация мутаций

Мутации можно объединять, в группы—классифицировать по характеру проявления, по месту или, по уровню их возникновения. Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными (1). Доминантные мутации проявляются в фенотипе в 1-м поколении. Если доминантные мутации неблагоприятные, то организмы могут оказаться нежизнеспособными или неплодовитыми. Такие мутации элиминируют. Большинство мутаций являются рецессивными, т.е. не проявляются у гетерозигот и способны накапливаться в поколениях, уклоняясь от действия естественного отбора.

Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью — летальными (2). Нейтральные мутации формируют полиморфизмы - генетическое разнообразие индивидуумов.Примером нейтральных мутаций у человека могут быть разные группы крови, разный цвет волос или глаз. Многие нейтральные мутации затрагивают некодирующие участки генома и не проявляются фенотипически.

Бывают случаи, когда некоторые вредные рецессивные мутации могут оказаться полезными для организмов и гетерозиготные носители таких мутаций будут иметь преимущество при естественном отборе. Например, серповидно-клеточная анемия------изменение формы эритроцитов устойчивость гетерозигот к малярии).

Мутации подразделяют по месту их возникновения или по типу мутировавших клеток. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Такие мутации называют соматическими. Соматические мутации возникают очень часто и в большинстве случаев остаются незамеченными для организма. Но в некоторых случаях мутации соматических клеток дают начало злокачественной трансформации и развитию опухоли.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. Факторы, которые способны вызывать мутации, называются мутагенами (рис.9.2). Организм, который приобрел новый признак в результате мутации, называется мутантом.

Мутации ха рактеризуются следующи ми свойствами:

1. Возникают внезапно, т.е. скачкообразно;

2. Мутации затрагивают гены, следовательно, они наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение;

3. Ненаправлены, т.е. может мутировать любой локус;

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно в «горячих точках». По причинам возникновения мутации могут быть спонтанными и

индуцированными.Индуцяроъатые мутации возникают под действием мутагенных факторов, которые можно подразделить на 3 большие группы: физические, химические и биологические.

К физическим мутагенам относятся различные виды излучений, температура, влажность, шум, вибрация и т.д. Основные механизмы их действия:

1. Нарушение структуры генов и хромосом;

2. Образование сшивок - тиминовых димеров (рис. 9.3.).

3. Образование свободных радикалов, которые вступают в химические взаимодействия с ДНК;

4. Разрыв нитей ахроматинового веретена деления;

К химическим мутагенам относятся:

а) природные органические и неорганические соединения (нитриты, нитраты, гормоны, алколоиды, бензол, фенол и т.д.)

б) продукты промышленной переработки природных соединений - угля, нефти (ароматические углеводороды, бензпирен...)

в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе -ксенобиотики (пестициды, инсектициды, никотин, пищевые добавки, консерванты, лекарственные вещества...)

г) некоторые метаболиты организма человека (хлороформ - фосген, парацетамол - яд, повреждающий печень и почки...)

Механизм действия химических факторов:

1) дезаминирование

2) алкилирование;

3) замены азотистых оснований

4) угнетение синтеза нуклеиновых кислот.

Биологические мутагенные факторы - вирусы (встраиваются в ДНК хозяина - человека), бактерии (продукты их метаболизма относятся к химическим мутагенам).

Мутации классифицируют по уровню их возникновения. В соответствии с уровнями организации наследственного материала различают генные, хромосомные и геномные мутации.

/. Геномные (изменения числа хромосом - полиплоидия, гаплоидия,

анеуплоидия).

2. Хромосомные (изменения структуры хромосом - хромосомные

аберрации).

5. Генные (изменения структуры генов - молекулы ДНК)

К геномным мутациям относятся полиплоидии и гетероплоидии (см. лекцию №8 - хромосомные болезни человека).

Существуют хромосомные и генные мутации. К геномным мутациям относятся также изменения кариотипа (изменение числа хромосом).. Полиплоидия — увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (Зп), тетраплоиды (4п) и т. д. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Все они выделяются большой вегетативной массой и имеют большую хозяйственную ценность. Большое многообразие полиплоидов наблюдается в цветоводстве: если одна исходная форма в гаплоидном наборе имела 9 хромосом, то культивируемые растения этого вида могут иметь 18, 36, 54 и до 198 хромосом. Полиплоиды пблучают в результате воздействия на растения температуры, ионизирующей радиации, химических веществ (колхицин), которые разрушают веретено деления клетки. У таких растений гаметы диплоидны, а при слиянии с гаплоидными половыми клетками партнера в зиготе возникает триплоидный набор хромосом (2п + п = Зп). Такие триплоиды не образуют семян, они бесплодны, но высокоурожайны. Четные полиплоиды образуют семена. Гетероплоидия —изменение числа Хромосом, не кратное гаплоидному набору. При этом набор хромосом в клетке может быть увеличен на одну, две, три хромосомы (2п + 1; 2п + 2; 2п + 3) или уменьшен на одну хро мосому (2л-1). Например, у человека с синдромом Дауна оказывается одна лишняя хромосома по 21-й паре и кариотип такого человека составляет 47 хромосом У людей с синдромом Шерешевского —Тернера (2п-1) отсутствует одна Х-хромосома и в кариотипе остается 45 хромосом. Эти и другие подобные отклонения числовых отношений в кариотипе человека сопровождаются расстройством здоровья, нарушением психики и телосложения, снижением жизнеспособности и др.

К хромосомным мутациям относятся мутации, связанные с яарушеиием структуры хромосом. Существуют следующие виды перестроек хромосом отрыв различных участков хромосомы, удвоение отдельных фрагменте, поворот участка хромосомы на 180° или присоединение отдельного участка хромосомы к другой хромосоме (см. рис. 8.2., рис. 9.4.). Подобное изменение влечет за собой нарушение дозы и функции генов в хромосоме, а также приводят к нарушению наследственных свойств организма, а иногда вызывают его гибель. Различают следующие типы хромосомных нарушений: делеции (утрата части хромосомы), дупликации (удвоение участка хромосомы), транслокации (перестройки), инверсии, инсерции.

К генным мутациям относятся изменения структуры гена, воспроизводимые в последовательных циклах репликации ДНК и передающиеся потомству в виде новых вариантов признаков. Генные мутации затрагивают структуру самого гена. Поскольку ген является элементарной единикей функции наследственного материала и отвечает за определенный признак, его изменения приводят к новым вариантам признака. Поэтому ген является элементарной единицей изменчивости.

Причина генных мутаций - нарушение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, которое может быть связано с заменой одних нуклеотидов на другие (составляют 20% спонтанно возникающих генных нарушений), включением в состав ДНК новых нуклеотидов {инсерции) или выпадением ряда нуклеотидов из ДНК (делеции), изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (инверсии). Все эти мутации могут приводить к изменению последовательности аминокислот в молекуле синтезируемого белка (либо за счет изменения генетического кода (замены), либо за счет сдвига рамки считывания (делеции и инсерции, не кратные 3).

В результате генных мутаций изменяется синтез соответствующих белков, что может привести либо к повышению активности, либо к ее потере, но может и не наблюдаться изменения признака. Большинство генных мутаций дают отрицательный эффект и обусловливают выпадение какой-либо ферментативной активности. Степень проявления дефекта может быть различной. У диплоидов мутации возникают только в одном из двух аллелей, в результате чего возникают гетерозиготы, фенотип которых определяется взаимодействием аллелей.

Популяции человека характеризуются определенной частотой и спектром различных мутаций. Это характеризует генетический груз популяции - т.е. часть наследственной изменчивости, характеризующуюся появлением менее приспособленных особей (больные наследственными заболеваниями или носители мутантных генов), которая при определенных условиях подвергается избирательному действию естественного отбора.