Доклад: Классификация мутаций
1. По характеру изменения генома:
· Геномные мутации – изменение числа хромосом;
· Хромосомные мутации, или хромосомные перестройки – изменение структуры хромосом;
· Генные мутации – изменения генов.
2. По проявлению в гетерозиготе:
· Доминантные мутации;
· Рецессивные мутации.
3. По уклонению от нормы:
· Прямые мутации – первичные мутации;
· Обратные мутации (риверсии) – мутации, восстанавливающие исходную структуру гена.
4. В зависимости от причин,вызывающих мутации:
· Спонтанные, возникающие без видимой причины, т.е. без каких-либо индуцирующих воздействий со стороны экспериментатора;
· Индуцированные мутации;
Существуют и более частные подходы к классификации мутаций:
5. По локализации в клетке:
· Ядерные;
· Цитоплазматические;
6. По отношениюк возможности наследования:
· Генеративные, происходящие в половых клетках;
· Соматические, происходящие в соматических клетках.
5. Внутрихромосомные перестройки и их значение в селекции и эволюции.
Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, их также называют хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями. Хромосомные перестройки классифицируются на внутрихромосомные и межхромосомные перестройки. К внутрихромосомным перестройкам относятся делеции, дупликации и инверсии.
Делеция— это потеря (нехватка) среднего участка хромосомы вследствие ее разрыва в двух точках. Делеции отъединяют концевую часть хромосомы или происходят во внутренней ее части. При появлении концевой делеции возникают ацентрические и центрический фрагменты хромосом. Потеря ацентрического фрагмента ведет к нарушению баланса генов и к гибели клеток. При внутренней делеции, если она не приводит к гибели клетки, она передается потомкам, как правило, в гетерозиготном состоянии. В качестве модели внутренней делеции укажем, что если исходную хромосому обозначить как ряд локусов – 12345678910, то хромосома с делецией будет иметь вид 1235678910, хромосома с делецией участка 6-9 – вид 1234510 и т.д. классическим случаем делеций является пример с мутацией Notch у дрозофилы. Ее открыл К.Бриджес в 1917 г. и детально исследовал О.Мор в 1932 г. проявление мутации связано с небольшими вырезками на крыльях мухи (рис 6).
Рис 6. Крыло дрозофилы, гетерозиготной по доминантному гену Notch, который вызывает вырезки по краю крыла.
Мутация наследуется сцеплено с полом, будучи локализованной на участке в левом конце Х-хромосомы. Попадая к самцам, она их убивает, т.е. является летальной в гемизиготном состоянии. Генетический анализ показал также, что для мутации Notch характерно явление псевдодоминантности. Оно состоит в том, что у гетерозигот по этой нехватке проявляются рецессивные аллели ряда генов, локализованные в гомологичной хромосоме напротив нехватки. На рис 7 показано, что при скрещивании самки, гетерозиготной по мутации Notch, с белоглазым самцом все ее дочери с мутацией Notch проявляют признаки белоглазия, хотя ген этого признака является рецессивным.
Рис7. Наследование мутации Notch и явление псевдодоминирования
Это относится к целой группе генов в данном районе, что свидетельствует о том, что появление мутации Notch связано с утерей целой группы нормальных аллелей. После открытия генетического значения гигантских хромосом из клеток слюнных желез дрозофилы делеции в хромосомах мух с мутацией Notch были изучены под микроскопом. Эта мутация действительно оказалась нехваткой участка в левом конце Х-хромосомы. В месте нехватки при конъюгации гомологов нормальная хромосома образует петлю из участка, гомологичного нехватке (рис 8).
Рис 8.Нехватка в одном из гомологов на участке Х-хромосомы дрозофилы, несущей мутацию Notch
Нехватки сравнительно небольших размеров передаются потомству через гетерозиготных особей, в гомозиготном состоянии они, как правило, летальны. М.Демерек показал, что если гомозиготные по нехваткам клетки у дрозофилы возникают в группе соматических клеток в окружении нормальных тканей, то они все равно погибают.
Дупликация— удвоение фрагмента хромосомы — процесс, противоположный делеции. Это добавление отдельных генов или блоков генов к основному набору. При конъюгации дуплицированная хромосома также делает над нормальной хромосомой петлю, которая в отличие от делеции несет дуплицированные гены. Примером дупликации является усиление признака Ваг (полосковидные глаза) у дрозофилы при увеличении числа генов, контролирующих его. Явление дупликации генов сравнительно часто встречается в природе, и ему приписывается определенная эволюционная роль. Явление дупликации было обнаружено генетически в опытах с дрозофилой. В 1919 г. К.Бриджес нашел, что в особях, гомозиготных по определенным рецессивным аллелям, эти аллели не действует на фенотип. Генетический анализ показал наличие их нормальных аллелей в другой хромосоме. В этом случае имело место появление дупликации, когда генетический материал, кроме того, что он имелся на своем обычном месте в хромосоме, оказывался повторенным и в другой хромосоме. Генетический анализ дупликации получил полное цитологическое подтверждение правильности своих данных как на обычных метафазных хромосомах (рис 9), так и на гигантских хромосомах.
Рис 9.Дупликация участка Х-хромосомы у Drosophila melanogaster. Дупликация (D) содержит свою отдельную центромеру и потому представлена в виде отдельной дополнительной (девятой) хромосомы. Внизу – схема строения дупликации Х-хромосомы; места локализации отдельных генов; С – центромера
В структуре гигантских хромосом есть повторения, т.е. имеются блоки генов, которые дуплицированы в гаплоидном наборе. Такие повторения являются важнейшим источником эволюции новых генов. Одним из источников появления линейных повторений в хромосоме служат так называемые неравные кроссинговеры. Классическим примером неравного кроссинговера является поведение доминантного гена Bar (узкие глаза) у дрозофилы, который является дупликацией небольшого участка (16А) в правом конце Х-хромосомы. Благодаря наличию линейно повторенной дупликации в этом районе возможны конъюгации левого и правого повторений в двух гомологах (рис 10), что и ведет к неравному кроссинговеру.
Рис 10. Кроссинговер в дупликации Bar у дрозофилы. Верхний ряд – обычный кроссинговер у самок, гомозиготных по дупликации Bar. Средний ряд – неравный кроссинговер, приводящий к появлению нормальных особей и особей ультра Bar. Нижний ряд – кроссинговер в системе +/ультра Bar, приводящий к появлению двух хромосом Bar
Рис 11. Неравный кроссинговер в дупликации Bar, регистрируемый с помощью системы сигнальных генов — f и fu. Внизу – участок хромосомы 16А, входящий в дупликацию
Это явление было открыто А.Стертевантом в 1925 г. Неравный кроссинговер после конъюгации двух хроматид со вставкой (В/В) приводит к появлению хроматиды, лишенной вставки, т.е. к риверсии в сторону нормального типа строения глаза и к другой хроматиде, которая имеет удвоенную дупликацию. Последняя получила название «дубль Бар». Факт кроссинговера в этих случаях точно регистрируется благодаря наличию маркерных генов fu (fused – сливающиеся жилки на крыле) и f (forkеd – извитые щетинки). Путем неравного кроссинговера можно получить в хромосоме два, три и большее число повторений Бар (рис 11).
Инверсии– поворот блока генов внутри хромосомы на 1800. При повороте блока генов внутри одного плеча хромосомы, когда инверсия не захватывает центромерного участка, возникает парацентрическая инверсия. В этом случае морфология хромосомы не изменяется. В случае участия в поварачиваемом блоке района центромеры мы имеем дело с перицентрической инверсией. В этом случае меняется расположение центромеры, что ведет к появлению новой структуры хромосомы. Явление инверсии также было открыто в ранних работах по генетике дрозофилы. А.Стертевант в 1926 г. нашел, что в правом плече третьей хромосомы в некоторых линиях имеется фактор G, который подавляет кроссинговер в гетерозиготах. Однако у особей, гомозиготных по самому фактору G, кроссинговер проходит нормально. Исследование обмена у таких особей показало, что в хромосоме, имеющей G-фактор, определенный участок генов повернут в обратном порядке. В мейозе и в клетках слюнных желез в результате действия сил гомологического притяжения гетерозиготные инверсии образуют картину петли (рис 12).
Рис 12. Петлеобразная конъюгация при гетерозиготности по инверсии. Инвертированный участок (Б, В, Г, Д) заштрихован
В случае парацентрической инверсии образуется одна нормальная и одна инвертированная (фенотипически нормальная) хроматиды, дицентрическая хроматида с дупликацией и делецией (при расхождении хроматид она обычно разрывается на две) и ацентрическая хроматида с дупликацией и делецией (обычно утрачивается). В случае перицентрической инверсии образуется одна нормальная и одна инвертированная хроматиды, а также две хроматиды с дупликацией и делецией. Гаметы, несущие дефектные хромосомы, обычно не развиваются или погибают на ранних этапах онтогенеза. Но гаметы с инвертированной хромосомой развиваются в организмы, 50 % гамет которых нежизнеспособны. Т.о. мутация сохраняется в популяции. У человека наиболее распространенной является инверсия в 9 хромосоме, не вредящая носителю, хотя существуют данные, что у женщин с этой мутацией существует 30 % вероятность выкидыша.
Мутации, относящиеся к группе хромосомных перестроек, включают различные типы реорганизаций (аберраций) хромосом и перераспределение их генетического материала в пределах генома. Делеции и дупликации нарушают генный баланс, что ведёт к изменению признаков организма, инверсии изменяют лишь порядок расположения генов в хромосоме. Многие из этих изменений оказывают более или менее значительное влияние на фенотип, что свидетельствует о зависимости действия генов от их положения в геноме. Особое значение в процессе эволюции и селекции имеют точковые мутации. К группе точковых относят все мутационные изменения, при которых не удается цитологическими методами обнаружить какие-либо нарушения структуры отдельных хромосом. В эту группу включают как мелкие делеции, дупликации и инверсии, так и изменения наследственного кода на молекулярном уровне (истинные генные мутации). Хромосомныеперестройкииграют большую роль в эволюции организмов: дупликации представляют главный источник увеличения числа генов; инверсии и транслокации могут вести к генетической изоляции гомозиготных по ним особей, более плодовитых, чем гетерозиготы. Хромосомныеперестройки могут быть использованы в практических целях для изменения групп сцепления генов, определяющих хозяйственно ценные признаки организмов.
6. Наследование признаков в панмиктической популяции.
Популяция панмиктическая (греч. pan всё + лат. mixis смешение) — популяция раздельнополых организмов, в которой равновероятно формирование любых брачных пар. Структура генофонда идеальной популяции описывается основным законом популяционной генетики – законом Харди-Вайнберга, который гласит, что «в идеальной стационарной популяции существует постоянное соотношение относительных частот аллелей и генотипов, которое при моногенном диаллельном определении признака описывается уравнением»:
(pA+qa)2= pAA+2p.qAa+q2aa=1
Коэффициенты p2,p.q и q2 представляют собой ожидаемые относительные частоты каждого генотипа. Если известны относительные частоты аллелей p.q и общая численность популяции Nобщ, то мржно рассчитать ожидаемую, или расчетную абсолютную частоту (то есть численность особей) каждого генотипа. Для этого каждый член уравнения нужно умножить на Nобщ:
P2ААNобщ+2 p.qАаNобщ+q2aaNобщ=Nобщ
В данном уравнении: p2AANобщ – ожидаемая абсолютная частота (численность) доминантных гомозигот АА; 2pIqAaNобщ – ожидаемая абсолютная частота (численность) гетерозигот Аа; q2aaNобщ — ожидаемая абсолютная частота (численность) рецессивных гомозигот аа.
Выполнение закона Харди-Вайнберга в природных популяциях: разумеется, идеальных популяций в природе не существует. Однако в большинстве изученных популяциях закон Харди-Вайнберга выполняется с высокой точностью, поскольку:
· Численность природных популяций достаточно большая;
· Женские и мужские гаметы равноценны (то есть в большинстве случаев самцы и самки в равной степени передают свои аллели потомкам);
· Большинство генов не влияет на образование брачных пар;
· Мутации происходят достаточно редко;
· Естественный отбор не оказывает заметного влияния на частоту большинства аллелей;
· Большинство популяций в достаточной степени изолированы друг от друга.
Поэтому закон Харди-Вайнберга широко используют в практических целях.