Как возникают вредоносные гены?
Хотя основное свойство генов заключается в точном самокопировании, благодаря чему и происходит наследственная передача множества признаков от родителей к детям, свойство это не является абсолютным. Природа генетического материала двойственна. Гены обладают еще и способностью изменяться, приобретать новые свойства. Такие изменения генов называются мутациями. И именно мутации генов создают изменчивость, необходимую для эволюции живой материи, многообразия форм жизни. Мутации возникают в любых клетках организма, но передаваться потомству могут только гены половых клеток.
Причины мутаций заключаются в том, что многие факторы внешней среды, с которыми на протяжении жизни взаимодействует каждый организм, могут нарушать строгую упорядоченность процесса самовоспроизведения генов, хромосом в целом, приводить к ошибкам в наследовании. В экспериментах установлены следующие факторы, вызывающие мутации: ионизирующее излучение, химические вещества и высокая температура. Очевидно, что все эти факторы имеются и в естественной среде обитания человека (например, естественный фон радиации, космического излучения). Мутации существовали всегда как вполне обычное природное явление.
Будучи в своей сути ошибками в передаче генетического материала, мутации носят случайный и ненаправленный характер, то есть могут быть как полезными, так и вредными и относительно нейтральными для организма.
Полезные мутации закрепляются в ходе эволюции и составляют основу прогрессивного развития жизни на Земле, а вредные - снижающие жизнеспособность, являются как бы обратной стороной медали. Они и лежат в основе наследственных болезней во всем их многообразии.
Мутации бывают двух типов:
- генные (на молекулярном уровне)
- и хромосомные (меняющие число или структуру хромосом на клеточном уровне)
Как те, так и другие могут вызываться одними и теми же факторами.
Как часто возникают мутации?
Часто ли появление больного ребенка связано с новой мутацией?
Если бы мутации возникали слишком часто, то изменчивость в живой природе преобладала бы над наследственностью и никаких устойчивых форм жизни не существовало бы. С очевидностью логика подсказывает, что мутации являются редкими событиями, во всяком случае намного более редкими, чем возможность сохранения свойств генов при передаче от родителей к детям.
Реальная частота мутаций для отдельных генов человека составляет в среднем от 1:105 до 1:108. Это значит, что примерно одна из миллиона половых клеток в каждом поколении несет новую мутацию. Или, другими словами, хотя это и упрощение, можно сказать, что на миллион случаев нормальной передачи гена приходится один случай мутации. Важно то обстоятельство, что, однажды возникнув, та или иная новая мутация может затем передаваться в последующие поколения, то есть закрепляться механизмом наследования, поскольку обратные мутации, возвращающие ген в исходное состояние, столь же редки.
В популяциях соотношение в численности мутантов и унаследовавших вредоносный ген от родителей (сегрегантов) среди всех больных зависит как от типа наследования, так и от их способности оставлять потомство. При классических рецессивных заболеваниях вредная мутация может незаметно передаваться через множество поколений здоровых носителей до тех пор, пока в брак не вступят два носителя одного и того же вредного гена, и тогда практически каждый такой случай рождения больного ребенка связан с наследованием, а не с новой мутацией.
При доминантных же заболеваниях доля мутантов находится в обратной зависимости от детородной способности больных. Очевидно, что когда заболевание приводит к ранней смерти или неспособности больных иметь детей, то наследование заболевания от родителей невозможно. Если же заболевание не сказывается на продолжительности жизни или способности иметь детей, то, наоборот, будут преобладать унаследованные случаи, а новые мутации будут редки по сравнению с ними.
Например, при одной из форм карликовости (доминантной ахондроплазии) по социальным и биологическим причинам размножение карликов значительно ниже среднего, в этой группе населения примерно в 5 раз меньше детей по сравнению с другими. Если принять средний коэффициент размножения в норме за 1, то для карликов он будет равен 0,2. Это означает, что 80 % больных в каждом поколении - результат новой мутации, и только 20 % больных наследуют карликовость от родителей.
При наследственных заболеваниях, генетически сцепленных с полом, доля мутантов среди больных мальчиков и мужчин также зависит от относительной плодовитости больных, но здесь всегда будут преобладать случаи наследования от матерей, даже при тех болезнях, когда больные вообще не оставляют потомства. Максимальная доля новых мутаций при таких летальных заболеваниях не превышает 1/3 части случаев, поскольку на долю мужчин приходится именно одна треть Х-хромосом всего населения, а две трети их приходится на женщин, которые, как правило, бывают здоровыми.
Может ли у меня родиться ребенок с мутацией, если я получил повышенную дозу облучения?
Отрицательные последствия загрязнения окружающей среды как химического, так и радиоактивного - проблема века. Генетики сталкиваются с ней не так редко, как хотелось бы в широком спектре вопросов: от профессиональных вредностей до ухудшения экологической ситуации в результате аварий на атомных электростанциях. И понятна обеспокоенность, например людей, переживших чернобыльскую трагедию.
Генетические последствия загрязнения окружающей среды действительно связаны с увеличением частоты мутаций, в том числе и вредных, приводящих к наследственным болезням. Однако эти последствия, к счастью, не столь катастрофичны, чтобы говорить об опасности генетического вырождения человечества, по крайней мере на современном этапе. Кроме того, если рассматривать проблему относительно конкретных лиц и семей, то можно с уверенностью сказать, что риск рождения больного ребенка из-за облучения или иного вредного воздействия именно в результате мутации никогда не бывает высоким.
Частота мутаций хотя и повышается, но не настолько, чтобы превысить десятую, а то и сотую долю процента. Во всяком случае для любого человека, даже подвергшегося явному воздействию мутагенных факторов, риск отрицательных последствий для потомства намного меньше, чем свойственный всем людям генетический риск, связанный с носительством патологических генов, унаследованных от предков.
Кроме того, далеко не все мутации приводят к немедленному проявлению в виде заболевания. Во многих случаях, даже если ребенок получит новую мутацию от одного из родителей, он родится совершенно здоровым. Ведь значительная часть мутаций является рецессивными, то есть не проявляет своего вредного действия у носителей. А таких случаев, чтобы при исходно нормальных генах обоих родителей ребенок получил одну и ту же новую мутацию одновременно от отца и матери, практически не бывает. Вероятность подобного случая так ничтожно мала, что для ее реализации недостаточно всего населения Земли.
Из этого также следует, что повторное возникновение мутации в одной и той же семье практически нереально. Поэтому, если у здоровых родителей появился больной ребенок с доминантной мутацией, то их остальные дети, то есть братья и сестры больного, должны быть здоровыми. Однако для потомства больного ребенка риск унаследования заболевания составит 50 % в соответствии с классическими правилами.
Бывают ли отклонения от обычных правил наследования и с чем они связаны?
Да, бывают. Как исключение - иногда лишь в силу своей редкости, как, например, появление больных гемофилией женщин. Встречаются и чаще, но в любом случае отклонения обусловлены сложными и многочисленными взаимосвязями генов в организме и их взаимодействием с окружающей средой. По сути дела, исключения отражают все те же фундаментальные законы генетики, но на более сложном уровне.
Например, для многих доминантно наследуемых заболеваний характерна сильная изменчивость их выраженности, вплоть до того, что иногда симптомы заболевания у носителя патологического гена могут вообще отсутствовать. Это явление называется неполной пенетрантностью гена. Поэтому в родословных семей с доминантными заболеваниями иногда встречаются так называемые проскакивающие поколения, когда заведомые носители гена, имеющие как больных предков, так и больных потомков, практически здоровы.
В некоторых случаях при более тщательном обследовании таких носителей обнаруживаются хотя и минимальные, стертые, но вполне определенные проявления. Но бывает и так, что имеющимися в нашем распоряжении методами никаких проявлений патологического гена обнаружить не удается, несмотря на явные генетические доказательства того, что он есть у конкретного человека.
Причины этого явления изучены пока недостаточно. Считается, что вредный эффект мутантного гена может быть модифицирован и компенсирован другими генами или внешнесредовыми факторами, но конкретные механизмы такой модификации и компенсации при тех или иных заболеваниях неясны.
Бывает и так, что в некоторых семьях, в нескольких поколениях подряд передаются рецессивные заболевания так, что их можно спутать с доминантными. Если больные вступают в брак с носителями гена того же заболевания, то половина их детей также наследует "двойную дозу" гена - условие, необходимое для проявления заболевания. То же самое может произойти и в следующих поколениях, хотя такая "казуистика" встречается только при многократных кровнородственных браках.
Наконец, не носит абсолютного характера и деление признаков на доминантные и рецессивные. Иногда это деление просто условно. Один и тот же ген можно в одних случаях считать доминантным, а в других - рецессивным.
Применяя тонкие методы исследования, нередко можно распознать действие рецессивного гена в гетерозиготном состоянии, даже у совершенно здоровых носителей. Например, ген серповидноклеточного гемоглобина в гетерозиготном состоянии обусловливает серповидную форму эритроцитов, что не сказывается на здоровье человека, а в гомозиготном приводит к тяжелому заболеванию - серповидно-клеточной анемии.
В чем отличие генных и хромосомных мутаций.
Что такое хромосомные болезни?
Хромосомы являются носителями генетической информации на более сложном - клеточном уровне организации. Наследственные болезни могут быть вызваны и хромосомными дефектами, возникшими при образовании половых клеток.
Каждая хромосома содержит свой набор генов, располагающихся в строгой линейной последовательности, то есть те или иные гены располагаются не только в одних и тех же у всех людей хромосомах, но и в одних и тех же участках этих хромосом.
Нормальные клетки организма содержат строго определенное число парных хромосом (отсюда и парность находящихся в них генов). У человека в каждой клетке, кроме половых, 23 пары (46) хромосом. Половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) содержат 23 непарные хромосомы - одинарный набор хромосом и генов, так как парные хромосомы расходятся в процессе клеточного деления. При оплодотворении, когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, из одной клетки (теперь уже с полным двойным набором хромосом и генов) развивается плод - эмбрион.
Но образование половых клеток происходит иногда с хромосомными "ошибками". Это мутации, приводящие к изменению числа или структуры хромосом в клетке. Вот почему оплодотворенная яйцеклетка может содержать избыток или недостаток хромосомного материала по сравнению с нормой. Очевидно, что такой хромосомный дисбаланс приводит к грубым нарушениям развития плода. Проявляется это в виде самопроизвольных выкидышей и мертворождений, наследственных болезней, синдромов, получивших название хромосомных.
Наиболее известным примером хромосомной болезни является болезнь Дауна (трисомия - появление лишней 21-й хромосомы). Симптомы этого заболевания легко выявляются по внешнему виду ребенка. Это и кожная складка во внутренних углах глаз, которая придает лицу монголоидный вид, и большой язык, короткие и толстые пальцы, при тщательном обследовании у таких детей обнаруживаются и пороки сердца, зрения и слуха, умственная отсталость.
К счастью, вероятность повторения в семье этой болезни и многих других хромосомных аномалий мала: в подавляющем большинстве случаев они обусловлены случайными мутациями. Кроме того, известно, что хромосомные мутации случайного характера чаще происходят в конце детородного периода.
Так, с увеличением возраста матерей увеличивается и вероятность хромосомной ошибки во время созревания яйцеклетки, и следовательно, такие женщины имеют повышенный риск рождения ребенка с хромосомными нарушениями. Если общая частота появления синдрома Дауна среди всех новорожденных детей составляет примерно 1:650, то для потомства молодых матерей (25 лет и моложе) она существенно ниже (менее 1:1000). Индивидуальный риск достигает среднего уровня к 30-летнему возрасту, выше он к 38 годам - 0,5 % (1:200), а к 39 годам - 1 % (1:100), в возрасте же свыше 40 лет возрастает до 2-3 %.
А могут ли быть здоровыми люди, имеющие хромосомные аномалии?
Да, могут при некоторых типах хромосомных мутаций, когда изменяется не число, а структура хромосом. Дело в том, что структурные перестройки в первоначальный момент своего появления могут оказаться сбалансированными - не сопровождаться избытком или недостатком хромосомного материала.
Например, могут обменяться своими участками, несущими разные гены, две непарные хромосомы, если при разрывах хромосом, иногда наблюдающихся в процессе клеточного деления, их концы становятся как бы липкими и склеиваются со свободными фрагментами других хромосом. В результате таких обменов (транслокаций) число хромосом в клетке сохраняется, но так возникают новые хромосомы, в которых нарушен принцип строгой парности генов.
Другая разновидность транслокаций - склеивание двух практически целых хромосом своими "липкими" концами, в результате чего общее число хромосом уменьшается на одну, хотя потери хромосомного материала не происходит. Человек - носитель такой транслокации, совершенно здоров, однако имеющиеся у него сбалансированные структурные перестройки уже не случайно, а вполне закономерно приводят к хромосомному дисбалансу в его потомстве, поскольку существенная часть половых клеток носителей таких транслокаций имеет лишний или, наоборот, недостаточный хромосомный материал.
Иногда такие носители вообще не могут иметь здоровых детей (правда, подобные ситуации исключительно редки). Например, у носителей подобной хромосомной аномалии - транслокации между двумя одинаковыми хромосомами (скажем, слияние концов той же 21-й пары), 50 % яйцеклеток или сперматозоидов (в зависимости от пола носителя) содержат 23 хромосомы, включая сдвоенную, а остальные 50 % содержат на одну хромосому меньше, чем полагается. При оплодотворении же клетки со сдвоенной хромосомой получат еще одну, 21-ю хромосому, и в результате будут рождаться дети с болезнью Дауна. Клетки же с недостающей 21-й хромосомой при оплодотворении дают нежизнеспособный плод, который спонтанно абортируется в первой половине беременности.
Носители транслокаций других типов могут иметь и здоровое потомство. Однако существует риск хромосомного дисбаланса, приводящего к грубой патологии развития в потомстве. Этот риск для потомства носителей структурных перестроек существенно выше, чем риск появления хромосомных аномалий в результате случайных новых мутаций.
Кроме транслокаций, существуют и другие типы структурных перестроек хромосом, приводящих к сходным негативным последствиям. К счастью, наследование хромосомных аномалий с высоким риском патологии встречается в жизни намного реже, чем случайные хромосомные мутации. Соотношение случаев хромосомных болезней среди их мутантных и наследственных форм, примерно 95 % и 5 % соответственно.
Сколько уже известно наследственных болезней?
Увеличивается или уменьшается их число в истории человечества?
Исходя из общебиологических представлений, можно было бы ожидать примерного соответствия между числом хромосом в организме и числом хромосомных болезней (и точно так же между числом генов и генных болезней). И действительно, в настоящее время известно несколько десятков хромосомных аномалий со специфическими клиническими симптомами (что фактически превышает число хромосом, потому что разные количественные и структурные изменения одной и той же хромосомы обусловливают разные болезни).
Намного больше и превышает 2000 число известных болезней, вызванных мутациями единичных генов (на молекулярном уровне). Подсчитано, что число генов во всех хромосомах человека намного больше. Многие из них не являются уникальными, так как представлены в виде многократно повторяющихся копий в разных хромосомах. Кроме того, многие мутации могут проявляться не в виде заболеваний, а приводить к эмбриональной гибели плода. Так что и число генных болезней примерно соответствует генетической структуре организма.
По мере развития медико-генетических исследований во всем мире число известных наследственных болезней постепенно увеличивается, а многие из них, ставшие классическими, были известны людям очень давно. Сейчас в генетической литературе наблюдается своеобразный бум публикаций о предположительно новых случаях и формах наследственных болезней и синдромов, многие из которых принято называть по именам первооткрывателей.
Каждые несколько лет известнейший американский генетик Виктор Мак-Кьюсик издает каталоги наследственных признаков и болезней человека, составляемые на основании компьютерного анализа данных мировой литературы. И всякий раз каждое последующее издание отличается от предыдущего увеличивающимся числом таких болезней. Очевидно, что тенденция эта будет сохраняться и далее, но скорее она отражает улучшение распознавания наследственных болезней и более пристальное внимание к ним, чем реальное увеличение их числа в процессе эволюции.
1. Определение изменчивости. Классификация ее форм.
Изменчивость – есть общее свойство живых организмов, заключающееся в изменении наследственных признаков в ходе онтогенеза (индивидуального развития).
Изменчивость организмов делят на два крупных типа:
1. фенотипическую, не затрагивающую генотип и не передающуюся по наследству;
2. генотипическую, изменяющую генотип и поэтому передающуюся по наследству.
Генотипическая изменчивость подразделяется на комбинативную и мутационную.
Мутационная изменчивость включает геномные, хромосомные и генные мутации.
Геномные мутации подразделяется на полиплоидию и анеуплоидию
Хромосомные мутации подразделяется на делеции, дупликации, инверсии, транслокации
2. Фенотипическая изменчивость. Норма реакции генетически детерминированных признаков. Адаптивный характер модификаций. Фенокопии.
Фенотипическая изменчивость (или ненаследственная, модификационная) – это изменение фенотипических признаков организма под действием факторов внешней среды, без изменения генотипа.
Например: окраска шерсти у гималайского кролика в зависимости от температуры среды обитания.
Норма реакции – это диапазон изменчивости, в пределах которого один и тот же генотип способен давать различные фенотипы.
1. широкая норма реакции – когда колебания признака идут в широких пределах (например: загар, количество молока).
2. узкая норма реакции – когда колебания признака незначительны (например: жирность молока).
3. однозначная норма реакции – когда признак не изменяется, ни при каких условиях (например: группы крови, цвет глаз, разрез глаз).
Адаптивный характер модификаций заключается в том, что модификационная изменчивость позволяет организму адаптироваться к изменяющимся условиям среды. Поэтому модификации всегда полезны.
Если во время эмбриогенеза на организм воздействуют неблагоприятные факторы, то могут появляться фенотипические изменения, выходящие за пределы нормы реакции и не носящие адаптивного характера, их называют морфозы развития. Например, ребёнок рождается без конечностей или с заячьей губой.
Фенокопии – это морфозы развития, которые очень трудно отличить от наследственных изменений (заболеваний).
Например: если беременная женщина переболела краснухой, у неё может родиться ребёнок с катарактой. Но эта патология может появиться и в результате мутации. В первом случае речь идет о фенокопии.
Диагноз «фенокопия» важен для будущего прогноза, так как при фенокопии генетический материал не изменяется, то есть остается в норме.
3. Комбинативная изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в обеспечении генетического разнообразия людей.
Комбинативная изменчивость – это возникновение у потомков новых комбинаций генов, которых не было у их родителей.
Комбинативная изменчивость связана:
с кроссинговером в профазу мейоза 1.
с независимым расхождением гомологичных хромосом в анафазу мейоза 1.
со случайным сочетанием гамет при оплодотворении.
Значение комбинативной изменчивости – обеспечивает генетическое разнообразие особей в пределах вида, что важно для естественного отбора и эволюции.
4. Мутационная изменчивость. Основные положения теории мутаций.
Гюго де Фриз голландский ученый ввел в 1901 году термин "мутация".
Мутация – это явление прерывистого скачкообразного изменения наследственного признака.
Процесс возникновения мутаций называется мутагенез, а организм, который приобретает новые признаки в процессе мутагенеза, называется – мутант.
Основные положения теории мутаций по Гюго де Фризу.
1. мутации возникают внезапно без всяких переходов.
2. возникшие формы вполне устойчивы.
3. мутации являются качественными изменениями.
4. мутации происходят в различных направлениях. они могут быть как полезными, так и вредными.
5. одни и те же мутации могут возникать повторно.
5. Классификация мутаций.
I. По происхождению.
1. Спонтанные мутации. Самопроизвольные мутации или естественные, возникают в обычных природных условиях.
2. Индуцированные мутации. Вызванные мутации или искусственные, возникают при воздействии на организм мутагенных факторов.
а. физические (ионизирующее излучение, УФЛ, высокая температура и т.п.)
б. химические (соли тяжёлых металлов, азотистая кислота, свободные радикалы, бытовые и промышленные отходы, лекарства).
II. По месту возникновения .
а. Соматические мутации возникают в соматических клетках и наследуются потомками тех клеток, в которых возникли. Из поколения в поколение не передаются.
б. Генеративные мутации возникают в половых клетках и передаются из поколения в поколение.
III. По характеру изменений фенотипа .
1. Морфологические мутации, характеризующиеся изменением строения органа или организма в целом.
2. Физиологические мутации, характеризующиеся изменением ф-й органа или организма в целом.
3. Биохимические мутации связанные с изменением макромолекулы.
IV. По влиянию на жизнеспособность организма .
1. Летальные мутации в 100% случаев приводят к гибели организма из-за несовместимых с жизнью дефектов.
2. Полулетальные мутации приводят к гибели в 50-90% случаев. Обычно организмы с такими мутациями не доживают до репродуктивного периода.
3. Условно летальные мутации, в одних условиях организм погибает, а в других условиях выживает (галактоземия).
4. Полезные мутации повышают жизнеспособность организма и используются в селекции.
V. По характеру изменения наследственного материала .
1. Генные мутации.
2. Хромосомные мутации.
6. Генные мутации, определение. Механизмы возникновения спонтанных генных мутаций.
Генные мутации или точковые мутации – это мутации, которые возникают в генах на уровне нуклеотидов, при этом изменяется структура гена, изменяется молекула мРНК, изменяется последовательность аминокислот в белке, в организме изменяется признак.
Виды генных мутаций:
- миссенс мутации – замена 1 нуклеотида в триплете на другой приведет к тому, что в полипептидную цепь белка будет включаться другая аминокислота, которой в норме не должно быть, а это приведет к тому, что изменятся свойства и функции белка.
Пример: замена глутаминовой кислоты на валин в молекуле гемоглобина.
ЦТТ – глутаминовая кислота, ЦАТ – валин
Если такая мутация происходит в гене, который кодирует β цепь белка гемоглобина, то в β цепь вместо глютаминовой кислоты включается валин → в результате такой мутации изменяются свойства и функции белка гемоглобина и вместо нормального HbA появляется HbS, в результате у человека развивается серповидноклеточная анемия (форма эритроцитов изменяется).
- нонсенс мутации – замена 1 нуклеотида в триплете на другой приведет к тому, что генетически значащий триплет превратится в стоп кодон, что приводит к обрыву синтеза полипептидной цепи белка. Пример: УАЦ – тирозин. УАА – стоп кодон.
Мутации со сдвигом рамки считывания наследственной информации.
Если в результате генной мутации у организма будет появляться новый признак (например, полидактилия), то они называются неоморфные.
если в результате генной мутации организм утрачивает признак (например, при ФКУ исчезает фермент) то они называются аморфные.
- сеймсенс мутации – замена нуклеотида в триплете приводит к появлению триплета-синонима, который кодирует тот же самый белок. Это связано с вырожденностью генетического кода. Например: ЦТТ – глютамин ЦТЦ – глютамин.
Механизмы возникновения генных мутаций (замена, вставка, выпадение).
ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей. Сначала изменение возникает в 1-й цепи ДНК – это полумутационное состояние или “первичное повреждение ДНК”. Каждую секунду в клетке имеет место 1 первичное повреждение ДНК.
Когда повреждение переходит на вторую цепь ДНК то, говорят о том, что произошла фиксация мутации, то есть возникла “полная мутация”.
Первичные повреждения ДНК возникают при нарушении механизмов репликации, транскрипции, кроссинговера
7. Частота генных мутаций. Мутации прямые и обратные, доминантные и рецессивные.
У человека частота мутаций = 1х10 –4 – 1х10 –7 , то есть в среднем 20–30% гамет у человека в каждом поколении являются мутантными.
У дрозофилы частота мутаций = 1х10 –5 , то есть 1 гамета из 100 тысяч несет генную мутацию.
а. Прямая мутация (рецессивная) – это мутация гена из доминантного состояния в рецессивное состояние: А → а.
б. Обратная мутация (доминантная) – это мутация гена из рецессивного состояния в доминантное состояние: а → А.
Генные мутации встречаются у всех организмов, гены мутируют в различных направлениях, а также с различной частотой. Гены, которые редко мутируют называются – стабильные, а гены, которые часто мутируют называются – мутабельные.
8. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И.Вавилова.
Мутирование происходит в самых различных направлениях, т.е. случайно. Однако эти случайности подчиняются закономерности, обнаруженной в 1920г. Вавиловым. Он сформулировал закон гомологичных 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 существование параллельных форм у других видов и родов".
Этот закон позволяет предсказать наличие определённого признака у особей различных родов одного семейства. Так было предсказано наличие в природе безалкалоидного люпина, т.к. в семействе бобовых есть роды бобов, гороха, фасоли, не содержащие алкалоиды.
В медицине закон Вавилова позволяет использовать животных, генетически близких человеку, в качестве генетических моделей. На них ставят эксперименты по изучению генетических болезней. Например, катаракта изучается на мышах и собаках; гемофилия – на собаках, врождённая глухота – на мышах, морских свинках, собаках.
Закон Вавилова позволяет предвидеть появление индуцированных мутаций, неизвестных науке, которые могут использоваться в селекции для создания ценных для человека форм растений.
9. Антимутационные барьеры организма.
- Точность репликации ДНК. Иногда в ходе репликации возникают ошибки, тогда включаются механизмы самокоррекции, которые направлены на устранение неправильного нуклеотида. Важную роль играет фермент ДНК-полимераза, и частота ошибок снижается в 10 раз (с 10 –5 до 10 –6).
- Вырожденность генетического кода . 1 аминокислоту могут кодировать несколько триплетов, поэтому замена 1 нуклеотида в триплете в ряде случаев не искажает наследственную информацию. Например, ЦТТ и ЦТЦ – глутаминовая кислота.
- Экстракопирование некоторых генов отвечающих за важные макромолекулы: рРНК, тРНК, белки гистоны, т.е. образуется много копий этих генов. Эти гены входят в состав умеренно повторяющихся последовательностей.
- Избыточность ДНК – 99% является избыточной и мутагенный фактор чаще попадает в эти 99% бессмысленных последовательностей.
- Парность хромосом в диплоидном наборе. В гетерозиготном состоянии многие вредные мутации не проявляются.
- Выбраковка мутантных половых клеток.
- Репарация ДНК.
10. Репарация генетического материала. .
Репарация ДНК – удаление первичных повреждений из ДНК и замена их нормальными структурами.
Выделяют две формы репарации: световую и темновую
А. Световая репарация (или ферментативная фотореактивация). Ферменты репарации активны только в присутствии света. Эта форма репарации направлена на удаление первичных повреждений ДНК вызванных действием УФЛ.
Под действием УФЛ в ДНК активируются пиримидиновые азотистые основания, что приводит к тому, что возникают связи между пиримидиновыми азотистыми основаниями, которые располагаются рядом в одной цепи ДНК, то есть образуются пиримидиновыедимеры. Чаще всего возникают связи: Т=Т; Т=Ц; Ц=Ц.
В норме в ДНК пиримидиновых димеров нет. Образование их приводит к тому, что искажается наследственная информация и нарушается нормальный ход репликации и транскрипции, что приводит впоследствии к генным мутациям.
Суть фотореактивации: в ядре существуют специальный (фотореактивирующий) фермент, который активен только в присутствии света, этот фермент разрушает пиримидиновые димеры, то есть разрывает связи, которые возникли между пиримидиновыми азотистыми основаниями под действием УФЛ.
Темновая репарация происходит в темноте и на свету, то есть активность ферментов не зависит от присутствия света. Она делится на дорепликативная репарацию и пострепликативную репарацию.
Дорепликативная репарация происходит до репликации ДНК, в этом процессе участвует много ферментов:
o Эндонуклеаза
o Экзонуклеаза
o ДНК- полимераза
o ДНК - лигаза
1 этап. Фермент эндонуклеаза находит поврежденный участок и разрезает его.
2 этап. Фермент экзонуклеаза удаляет поврежденный участок из ДНК (эксцизия) в результате образуется брешь.
3 этап. Фермент ДНК полимераза синтезирует недостающий участок. Синтез происходит по принципу комплементарности.
4 этап. Ферменты лигазы соединяют или сшивают вновь синтезированный участок с цепью ДНК. Таким образом, первичное повреждение в ДНК устраняется.
Пострепликативная репарация.
Допустим, в ДНК имеется первичное повреждение.
1 этап. Начинается процесс репликации ДНК. Фермент ДНК-полимераза синтезирует новую цепь полностью комплементарную старой неповрежденной цепи.
2 этап. Фермент ДНК полимераза синтезирует другую новую цепь, но участок, где находится повреждение, он обходит. В результате во второй новой цепи ДНК образовалась брешь.
3 этап. По окончании репликации фермент ДНК полимераза синтезирует недостающий участок комплементарно новой цепи ДНК.
4 этап. Затем фермент лигаза соединяют вновь синтезированный участок с цепью ДНК, где имелась брешь. Таким образом, первичное повреждение ДНК не перешло на другую новую цепь, то есть не произошла фиксация мутации.
В дальнейшем первичное повреждение ДНК может быть ликвидировано в ходе дорепликативной репарации.
11. Мутации, связанные с нарушением репарации ДНК и их роль в патологии.
Способность к репарации у организмов выработалась и закрепилась в ходе эволюции. Чем выше активность репарирующих ферментов, тем стабильнее наследственный материал. За ферменты репарации отвечают соответствующие гены, поэтому если происходит мутация в этих генах, то снижается активность репарирующих ферментов. У человека при этом возникают тяжелые наследственные заболевания, которые связаны со снижением активности репарирующих ферментов.
Таких заболеваний у человека больше 100. Некоторые из них:
Анемия Фанкони – уменьшение количества эритроцитов, потеря слуха, нарушения в ССС, деформация пальцев, микроцефалия.
Сидром Блума – малый вес новорождённого, замедление роста, повышенная восприимчивость в вирусной инфекции, повышенный риск онкологических заболеваний. Характерный признак: при непродолжительном пребывании на солнечном свету на коже лица появляется пигментация в форме бабочки (расширение кровеносных капилляров).
Пигментная ксеродермия – на коже от света появляются ожоги, которые скоро перерождаются в рак кожи (у таких больных рак возникает в 20.000 раз чаще). Больные вынуждены жить при искусственном освещении.
Частота заболевания – 1: 250.000 (Европа, США), и 1: 40.000 (Япония)
Два вида прогерий – преждевременное старение организма.
12. Генные болезни, механизмы их развития, наследования, частота возникновения.
Генные болезни (или молекулярные болезни) достаточно широко представлены у человека, их насчитывается более 1000.
Особую группу среди них составляют врожденные дефекты обмена веществ. Впервые эти заболевания описал А. Гарод в 1902 году. Симптоматика этих заболеваний различна, но всегда имеет место нарушение превращения веществ в организме. При этом одни вещества будут в избытке, другие в недостатке. Например, в организм поступает вещество (А) и превращается далее под действием ферментов в вещество (В). Далее вещество (В) должно превращаться в вещество (С), но этому мешает мутационный блок
(), в результате вещество (С) будет в недостатке, а вещество (В) в избытке.
Примеры некоторых болезней, обусловленных врожденным дефектом обмена веществ.
ФКУ (фенилкетонурия, врожденное слабоумие). Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:10.000. Фенилаланин является незаменимой аминокислотой для построения белковой молекулы и, кроме того, служит предшественником гормонов щитовидной железы (тироксина), адреналина и меланина. Аминокислота фенилаланин в клетках печени должна превращаться с помощью фермента (фенилаланин-4-гидроксилазы) в тирозин. Если отсутствует фермент, отвечающий за данное превращение, или снижена его активность то содержание фенилаланина в крови будет резко повышено, а содержание тирозина понижено. Избыток фенилаланина в крови приводит к появлению его производных (фенилуксусной, фенилмолочной, фенилпировиноградной и других кетоновых кислот), которые выделяются с мочой, а также оказывают токсическое воздействие на клетки центральной нервной системы, что приводит к слабоумию.
При своевременной постановке диагноза и переводе младенца на диету, лишенную фенилаланина, развитие заболевания можно предупредить.
Альбинизм общий. Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. В норме аминокислота тирозин участвует в синтезе тканевых пигментов. Если возникает мутационный блок, отсутствует фермент или снижена его активность, то тканевые пигменты не синтезируются. В этих случаях кожа имеет молочно-белый цвет, волосы очень светлые, вследствие отсутствия пигмента в сетчатке просвечивают кровеносные сосуды, глаза имеют красновато-розовый цвет, и повышенную чувствительность к свету.
Алькапнонурия . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 3-5:1.000.000. Заболевание связано с нарушением превращения гомогентизиновой кислоты, в результате чего эта кислота накапливается в организме. Выделяясь с мочой, эта кислота приводит к развитию заболеваний почек, кроме того, подщелоченная моча при этой аномалии быстро темнеет. Также заболевание проявляется окрашиванием хрящевых тканей, в пожилом возрасте развивается артрит. Таким образом, заболевание сопровождается поражением почек и суставов.
Генные болезни, связанные с нарушением обмена углеводов.
Галактоземия . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:35.000-40.000 детей.
В крови новорождённого содержится моносахарид галактоза, который образуется при расщеплении дисахарида молока лактозы на глюкозу и галактозу . Галактоза непосредственно не усваивается организмом, она должна быть переведена специальным ферментом в усваиваемую форму – глюкоза-1-фосфат.
Наследственная болезнь галактоземия обусловлена нарушением функции гена, контролирующего синтез белка-фермента, превращающего галактозу в усваиваемую форму. В крови больных детей будет очень мало этого фермента и много галактозы, что устанавливается биохимическим анализом.
Если диагноз поставлен в первые дни после рождения ребенка, то его кормят смесями, где нет молочного сахара, и ребёнок нормально развивается. В противном случае ребёнок вырастает слабоумным.
Муковисцидоз . Генное заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, встречается с частотой = 1:2.000-2.500. Заболевание связано с мутацией гена, который отвечает за белок-переносчик, встроенный в плазматическую мембрану клеток. Этот белок регулирует проницаемость мембраны к ионам Na и Ca. Если нарушена проницаемость этих ионов в клетках экзокринных желез, то железы начинают вырабатывать густой, вязкий секрет, который закрывает протоки экзокринных желез.
Выделяют легочную и кишечную формы муковисцидоза.
Синдром Марфана. Генное заболевание, наследуется по аутосомно-доминантному типу. Связано с нарушением обмена белка фибриллина в соединительной ткани, что проявляется комплексом признаков: «паучьи» пальцы (арахнодактилия), высокий рост, подвывих хрусталика, пороки сердца и сосудов, повышенный выброс в кровь адреналина, сутулость, впалая грудь, высокий свод стопы, слабость связок и сухожилий и т.д. Впервые описано в 1896 году французским педиатром Антонио Марфаном.
ЛЕКЦИЯ 10 Структурные мутации хромосом.
1. Структурные мутации хромосом (хромосомные аберрации).
Выделяют следующие виды хромосомных аберраций.
– делеции
– дупликации
– инверсии
– кольцевые хромосомы
– транслокации
– транспозиции
При данных мутациях изменяется структура хромосом, изменяется порядок расположения генов в хромосомах, изменяется доза генов в генотипе. Эти мутации встречаются у всех организмов, они бывают:
Спонтанные (вызваны фактором неизвестной природы) и индуцированные (природа фактора, вызвавшего мутацию известна)
Соматические (затрагивающие наследственный материал соматических клеток) и генеративные (изменения наследственного материала гамет)
Полезные и вредные (последнее гораздо чаще)
Сбалансированные (система генотипа не изменяется, значит, не меняется и фенотип) и несбалансированные (изменяется система генотипа, а значит, изменяется и фенотип
Если мутация затрагивает две хромосомы, говорят о межхромосомных перестройках.
Если мутация затрагивает 1 хромосому, говорят о внутрихромосомных перестройках.
2. Механизмы возникновения структурных мутаций хромосом.
Гипотеза «разрыв-соединение». Предполагают, что в одной или нескольких хромосомах происходят разрывы. Образуются участки хромосом, которые затем соединяются, но в иной последовательности. Если разрыв происходит до репликации ДНК, то в этот процесс вовлекаются 2 хроматиды – это изохроматидный разрыв. Если разрыв происходит после репликации ДНК, то вовлекается в процесс 1 хроматида – это хроматидный разрыв.
Вторая гипотеза: между негомологичными хромосомами происходит процесс подобный кроссинговеру, т.е. негомологичные хромосомы обмениваются участками.
3. Делеции, их сущность, формы, фенотипический эффект. Псевдодоминирование..
Делеция (нехватка) – потеря участка хромосомы.
в хромосоме может произойти 1 разрыв, и она потеряет концевой участок, который будет разрушен ферментами (дефишенси)
в хромосоме может быть два разрыва с потерей центрального участка, который также будет разрушен ферментами (интерстициальная делеция).
В гомозиготном состоянии делеции всегда летальны, в гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития.
Выявление делеций:
Дифференциальное окрашивание хромосом
По фигуре петли, которая образуется во время коньюгации гомологичных хромосом в профазу мейоза 1. Петля возникает на нормальной хромосоме.
Впервые делеция была изучена у мушки дрозофилы, при этом произошла потеря участка Х хромосомы. В гомозиготном состоянии эта мутация летальна, а в гетерозиготном состоянии она проявляется фенотипически вырезкой на крыле (Notch-мутация). При анализе этой мутации было выявлено особое явление, которое получило название псевдодоминирование. При этом фенотипически проявляется рецессивный аллель, так как участок хромосомы с доминантным аллелем утрачен вследствие делеции.
У человека делеции чаще происходят в хромосомах с 1 по 18. Например, делеция короткого плеча пятой хромосомы в гетерозиготном состоянии проявляется фенотипически, как синдром "кошачьего крика". Ребёнок рождается с большим числом патологий, живет от 5 дней до месяца (очень редко до 10 лет), его плач напоминает резкое мяуканье кота.
В 21 или 22 хромосоме стволовых кроветворных клеток может произойти интерстициальная делеция. В гетерозиготном состоянии она проявляется фенотипически как злокачественная анемия.
4. Дупликации, инверсии, кольцевые хром-мы. Механизм возникновения. Фенотипическое проявление.
Дупликация – удвоение какого-то участка хромосомы (этот участок может повторяться многократно). Дупликации могут быть прямыми и обратными.
При данных мутациях увеличивается доза генов в генотипе, и в гомозиготном состоянии эти мутации летальны. В гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития. Однако эти мутации могли играть определенную роль в ходе эволюции. Таким образом могли возникнуть семейства генов гемоглобина.
Возможно, многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов ДНК появились в результате дупликаций.
Выявление дупликаций:
Фигура петли в профазу мейоза 1. Петля возникает на мутировавшей хромосоме.
Инверсия – отрыв участка хромосомы, поворот его на 180° и присоединение на старое место. При инверсиях доза генов не меняется, но изменяется порядок расположения генов в хромосоме, т.е. изменяется группа сцепления. Концевых инверсий не бывает.
В гомозиготном состоянии инверсии летальны, в гетерозиготном состоянии они проявляются множественными пороками развития.
Выявление инверсий:
Дифференциальное окрашивание.
Фигура в виде двух противоположно расположенных петель в профазу мейоза 1.
Инверсии бывают 2 видов:
парацентрическая инверсия, которая не затрагивает центромеру, т.к. разрывы происходят в пределах одного плеча хромосомы
перицентрическая инверсия, которая затрагивает центромеру, т.к. разрывы происходят по обе стороны от центромеры.
При перицентрической инверсии может изменяться конфигурация хромосомы (если концы поворачиваемых участков не симметричны). А это делает невозможным в последующем конъюгацию.
Фенотипическое проявление инверсий наиболее мягкое по сравнению с другими хромосомными абберациями. Если рецессивные гомозиготы погибают, то у гетерозигот чаще всего наблюдается бесплодие.
Кольцевые хромосомы . В норме в кариотипе человека кольцевых хромосом нет. Они могут появляться при действии на организм мутагенных факторов, особенно радиоактивного облучения.
При этом в хромосоме происходит 2 разрыва, и образовавшийся участок замыкается в кольцо. Если кольцевая хромосома содержит центромеру, то образуется – центрическое кольцо. Если центромеры нет, то образуется – ацентрическое кольцо, оно разрушается ферментами и не наследуется.
Выявляются кольцевые хромосомы при кариотипировании.
В гомозиготном состоянии эти мутации летальны, а в гетерозиготном состоянии фенотипически проявляются, как делеции.
Кольцевые хромосомы являются маркерами радиоактивного облучения. Чем больше доза радиоактивного облучения, тем больше кольцевых хромосом, и тем хуже прогноз.
5. Транслокации, их сущность. Реципрокные транслокации, их характеристика и медицинское значение. Робертсоновские транслокации и их роль в наследственной патологии.
Транслокация – это перемещение участка хромосомы. Бывают взаимные (реципрокные) и не взаимные (транспозиции) транслокации.
Реципрокные транслокации происходят в тех случаях, когда две негомологичные хромосомы обмениваются своими участками.
Особую группу транслокаций составляют робертсоновские транслокации (центрические слияния). Им подвергаются акроцентрические хромосомы – они теряют короткие плечи, а их длинные плечи соединяются.
Причина 4-5% случаев рождения ребёнка-дауника – робертсоновские транслокации. При этом происходит перемещение длинного плеча 21 хромосомы на одну из хромосом группы D (13, 14, 15, чаще вовлекается 14 хромосома).
Типы яйцеклеток сперматозоид зигота Последствия
14 + 14, 21 14,14,21 моносомия 21 (леталь)
14/21,21 + 14, 21 14/21,21,14,21 трисомия 21 (дауник)
21 + 14, 21 21,14,21, моносомия 14 (леталь)
14,14/21 + 14, 21 14,14/21,14,21 трисомия 14 (леталь)
14/21 + 14, 21 14/21,14,21 фенотипически здоров
Как видим, женщина с робертсоновской транслокацией может родить здорового ребенка.
Потеря коротких плеч не влияет ни на что, так как там находятся ядрышкообразующие зоны, а они есть и в других хромосомах.
У больного с транслокационной формой синдрома Дауна в клетках 46 хромосом. В яичнике после транслокации будет 45 хромосом. Однако при сбалансированной мутации у женщины будет 45 хромосом.
Выявление транслокаций:
Дифференциальное окрашивание.
Фигура креста в профазу мейоза 1.
6. Траспозиции. Мобильные генетические элементы. Механизмы перемещения по геному и значение.
Если транслокации не носят характера взаимности, то говорят о транспозиции.
Особую группу транспозонов составляют Мобильные Генетические Элементы (МГЭ), или прыгающие гены, которые обнаружены у всех организмов. У мушки дрозофилы они составляют 5% генома. У человека МГЭ объединяют в семейство ALU.
МГЭ состоят из 300- 400 нуклеотидов, повторяющихся в геноме у человека 300 тыс. раз.
На МГЭ концах находятся повторы нуклеотидов, состоящие при из 50-100 нуклеотидов. Повторы могут быть прямыми и обратными. Повторы нуклеотидов, по-видимому, влияют на перемещение МГЭ.
Выделяют два варианта перемещения МГЭ по геному.
1. с помощью процесса обратной транскрипции. Для этого необходим фермент обратная транскриптаза (ревертаза). Этот вариант протекает в несколько этапов:
на ДНК фермент РНК-полимераза (другое название – транскриптаза) синтезирует иРНК,
на иРНК фермент обратная транскриптаза синтезирует одну цепь ДНК,
фермент ДНК-полимераза обеспечивает синтез второй цепочки ДНК,
синтезированный фрагмент замыкается в кольцо,
кольцо ДНК встраивается в другую хромосому или в другое место этой же хромосомы.
2. с помощью фермента транспозазы, который вырезает МГЭ и переносит его в другую хромосому или в другое место этой же хромосомы
В ходе эволюции МГЭ играли положительную роль, т.к. они осуществляли перенос генетической информации от одних видов организмов к другим. Важную роль в этом играли ретровирусы, которые содержат в качестве наследственного материала РНК, а также содержат обратную транскриптазу.
МГЭ перемещаются по геному очень редко, одно перемещение на сотни тысяч событий в клетке (частота перемещений 1 х 10 –5).
В каждом конкретном организме МГЭ положительной роли не играют, т.к. перемещаясь по геному, они изменяют работу генов, вызывают генные и хромосомные мутации.
7. Индуцированный мутагенез. Физические, химические и биологические мутагенные факторы.
Индуцированные мутации возникают при действии на организм мутагенных факторов, которые делятся на 3 группы:
Физические (УФЛ, рентгеновское и радиационное излучения, электромагнитные поля, высокие температуры).
Так ионизирующее излучение может действовать непосредственно на молекулы ДНК и РНК, вызывая в них повреждения (генные мутации). Косвенное воздействие этого
мутагена на наследственный аппарат клеток заключается в образовании генотоксических веществ (Н 2 О 2, ОН - , О 2 - ,).
Химические мутагенные факторы. Существует свыше 2 млн. химических веществ, способных вызывать мутации. Это соли тяжелых металлов, химические аналоги азотистых оснований (5-бромурацил), алкилирующие соединения (СН 3 , С 2 Н 5).
8. Радиационные мутации. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды.
Радиационные мутации это мутации, вызванные радиацией. В 1927 году американский генетик, Генрих Мелёр впервые показал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к существенному увеличению частоты мутаций у дрозофилы. Эта работа положила начало новому направлению в биологии – радиационной генетике. Благодаря многочисленным работам, проведенным за последние десятилетия, мы теперь знаем, что при попадании элементарных частиц (кванты, электроны, протоны и нейтроны) в ядро происходит ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов (ОН - , О 2 -). Обладая большой химической активностью, они вызывают разрывы ДНК, повреждение нуклеотидов или их разрушение; всё это приводит к возникновению мутаций.
Так как человек является открытой системой, то различные факторы загрязнения окружающей среды могут попадать в человеческий организм. Многие из этих факторов могут изменять или повреждать наследственный материал живых клеток. Последствия воздействия этих факторов столь серьезны, что человечество не может игнорировать загрязнение окружающей среды.
9. Мутагенез и канцерогенез.
Впервые мутационную теорию рака в 1901 году предложил Гюго Де Фриз. В наши дни существует много теорий канцерогенеза.
Одна из них генная теория канцерогенеза. Известно, что в геноме человека содержится более 60 онкогенов, способных регулировать клеточное деление. Они находятся в неактивном состоянии в виде протоонкогенов. Под действием различных мутагенных факторов протоонкогены активируются и переходят в состояние онкогенов, которые вызывают интенсивную пролиферацию клеток и развитие опухолей.
ЛЕКЦИЯ 11Мутации числа хромосом. Гаплоидия, полиплоидия,
Анеуплоидия.
1. Сущность мутаций числа хромосом, причины и механизмы возникновения.
Каждый вид организмов характеризуется своим кариотипом. Постоянство кариотипа в ряду поколений поддерживается благодаря процессам митоза и мейоза. Иногда в ходе митоза или мейоза нарушается расхождение хромосом, в результате возникают клетки с измененным числом хромосом. В клетках может изменяться число целых гаплоидных наборов хромосом, в таком случае возникают такие мутации как:
Гаплоидия – одинарный набор хромосом (n)
Полиплоидия – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному набору (3n, 4n и т.д.)
Анэуплоидия – изменение числа отдельных хромосом (46 +1).
Набор хромосом может измениться как в соматических клетках, так и в половых.
Причины нарушения расхождения хромосом:
увеличение вязкости цитоплазмы
изменение полярности клетки
нарушение функции веретена деления.
Все эти причины приводят к так называемому явлению “анафазного отставания”.
Это значит, что в анафазу митоза или мейоза хромосомы распределяются неравномерно, т.е. какая-то хромосома или группа хромосом не успевают за остальными хромосомами и теряется для одной из дочерних клеток.
2. Гаплоидия, характер изменения кариотипа, распространенность, фенотипическое проявление.
Гаплоидия – это уменьшение числа хромосом в клетках организма до гаплоидного. В клетках резко уменьшается количество хромосом и доза генов, то есть изменяется система генотипа, а значит, изменяется и фенотип.
В рамках формальной классификации различают:Геномные мутации – изменение количества хромосом;
хромосомные мутации – перестройка структуры отдельных хромосом;
генные мутации – и/или последовательности составных частей генов (нуклеотидов) в структуре ДНК, последствием которых становится изменение количества и качества соответствующих белковых продуктов.
Генные мутации происходят путем замещения, делеции (потери), транслокации (перемещения), дупликации (удвоения), инверсии (изменения) нуклеотидов в пределах отдельных генов. В том случае, когда речь идет о трансформациях в пределах одного нуклеотида, употребляют термин – точковая мутация.
Подобные трансформации нуклеотидов становятся причиной появления трех мутантных кодов:
С измененным смыслом (миссенс-мутации), когда в полипептиде, кодируемым данным геном, происходит замещение одной аминокислоты на другую;
с неизмененным смыслом (нейтральные мутации) – замена нуклеотидов не сопровождается заменой аминокислот и не оказывает заметного влияния на структуру или функцию соответствующего белка;
бессмысленных (нонсенс-мутации), которые могут стать причиной обрыва полипептидной цепи и обладают наибольшим повреждающим действием.
Мутации в различных частях гена
Если рассматривать ген с позиции структурно-функциональной организации, то происходящие в нем выпадения, вставки, замены и перемещения нуклеотидов можно условно разделить на две группы:1. мутации в регуляторных областях гена (в промоторной части и в сайте полиаденилирования), которые вызывают количественные изменения соответствующих продуктов и проявляются клинически в зависимости от предельного уровня белков, но их функция еще сохраняется;
2. мутации в кодирующих областях гена:
в экзонах – становятся причиной преждевременного окончания белкового синтеза;
в интронах – могут генерировать новые сайты сплайсинга, которые, в итоге, заменяют исходные (нормальные);
в сайтах сплайсинга (в зоне стыка экзонов и интронов) – приводят к трансляции бессмысленных белков.
Для устранения последствий такого рода повреждений существуют специальные репарационные механизмы. Суть которых в удалении ошибочного участка ДНК, и тогда на этом месте восстанавливается исходный. Только в том случае, если репарационный механизм не сработал или не справился с повреждением, возникает мутация.
Специалисты в области медицинской генетики занимаются исследованием изменений генома человека. В основе этих изменений лежат мутации ДНК, или изменение нуклеотидных последовательностей.
Мутации ДНК могут возникать в каждой клетке тела. При появлении мутаций в соматических клетках существует риск развития рака, мутации в половых клетках повышают риск появления потомства со структурными или функциональными аномалиями, переданными по наследству. Многие мутации являются доброкачественными или молчащими, другие мутации обусловливают различную тяжесть генетических заболеваний (полиморфизм), третьи - приводят к развитию тяжелых последствий.
Знание некоторых распространенных типов мутаций позволяет лучше понять патогенез многих наследственных заболеваний.
Замена или модификация одной пары оснований (точечная мутация) может привести к:
- замены аминокислоты в синтезируемом белке не происходит, так как мутация возникла в функционально неактивной части генетического кода (молчащая мутация);
- происходит замена аминокислоты (миссенс-мутация ),
- в результате мутации ДНК образовался стоп-кодон, что приводит к преждевременной остановке трансляции и прерыванию синтеза полипептида (нонсенс-мутация ).
Третья распространенная форма мутаций ДНК включает тандемный повтор нуклеотидных последовательностей. Некоторые гены содержат длинные серии идентичных повторов триплетов, например ССССССССССССССС. По неизвестной причине многие из этих генов имеют тенденцию к резкому увеличению количества повторов в определенных ситуациях во время мейоза или на ранних стадиях развития плода. В этих случаях ген инактивируется (путем метилирования), что приводит к выраженному дефициту или отсутствию кодируемого белка. Оказалось, что многие заболевания человека сопровождаются увеличением повторов триплетов (экспансией).
Мутации ДНК можно подразделять на вызывающие увеличение функции или потерю функции. Мутации первого типа могут приводить к повышению способности белковой молекулы к выполнению одной или нескольких нормальных функций или, что бывает чаще, к гиперэкспрессии или неадекватной экспрессии продукта гена. Такие мутации наиболее часто приводит к развитию аутосомно- доминантных заболеваний. Болезнь Шарко-Мари-Тута, тип 1А, или перонеальная мышечная атрофия - наиболее распространенная форма хронической периферической невропатии детского возраста - возникает в результате дупликации гена периферического миелинового белка 22, приводящей к гиперэкспрессии генного продукта. При ахондроплазии, наиболее распространенной скелетной дисплазии с укорочением конечностей, мутация этого типа приводит к усилению функции нормального белка. Ахондроплазия возникает в результате мутации ДНК в рецепторе 3 фактора роста фибробластов, которая приводит к активации рецептора даже в отсутствие фактора роста фибробластов. Мутации с потерей функции часто наблюдаются при аутосомно-рецессивных заболеваниях, при которых снижение ферментативной активности на 50 % у гетерозигот не приводит к нарушению нормальной функции. С другой стороны, мутации этого типа могут приводить к развитию состояний, при которых синтез 50 % продукта гена оказывается недостаточным для сохранения нормальной функции (гаплоидная недостаточность). Мутации, вызывающие потерю функции, могут оказывать доминантное негативное действие, если активность аномального белкового продукта препятствует функционированию нормального белка.
Другая категория мутаций ДНК может включать появление новых свойств у синтезируемого белка без изменения его нормальных функций. При серповидноклеточной замена аминокислоты в молекуле гемоглобина не влияет на способность белка к транспорту кислорода. Однако в условиях дезоксигенации цепи серповидного гемоглобина агрегируют и формируют волокна, деформирующие эритроциты. Последняя категория мутаций приводит к аномальной экспрессии гена в пространстве и времени. Многие гены, вызывающие развитие злокачественных процессов (онкогены), являются нормальными регуляторами клеточной пролиферации во время эмбрионального развития. Однако при их экспрессии у взрослых и в тех клетках, в которых они обычно не экспрессируются, они могут способствовать развитию неопластических процессов.
Делеции могут варьировать по протяженности и даже если они не видимы при цитогенетическом исследовании, могут вовлекать несколько генов; такие мутации ДНК часто обозначают термином «микроделеции». Различные перестройки генетического материала могут приводить к развитию состояний, называемых смежными генетическими синдромами. должен иметь в виду возможность этих заболеваний во всех случаях при выявлении необычного сочетания и многообразия клинических симптомов или при обнаружении дополнительных симптомов при уже известных состояниях. Например, в связи с близким расположением серии генов различные делеции на коротком плече Х-хромосомы у разных пациентов приводят к различным комбинациям следующих симптомов: ихтиоз, синдром Каллманна, альбинизм глаз, умственная отсталость, точечная хондродисплазия и низкий рост. Индивидуальная картина заболевания у пациента зависит от вовлечения определенных генов и от потери определенных нуклеотидных последовательностей ДНК при данных перестройках генов. Описано множество других смежных генетических синдромов человека, включая синдром Смит-Мадженис, Рубинстайна-Тейби, Ди Джорджи и Прадера-Вилли.
Такие хромосомные перестройки, как транслокации , также возникают в соматических клетках. Наиболее изучены хромосомные перестройки в лимфоидных клетках; некоторые перестройки необходимы для формирования функционального в В-клетках и антигенраспознающих рецепторов в Т-клетках. Крупные сегменты ДНК, которые кодируют вариабельные и консервативные области иммуноглобулина или Т-клеточного рецептора, физически объединяются на специфической стадии развития иммунокомпетентных лимфоцитов. Перестройки возникают во время развития линии лимфоидных клеток человека и приводят к широкому разнообразию иммуноглобулинов и Т-клеточных рецепторов. Такие перестройки ДНК в постгерминативных клеточных линиях объясняют отсутствие двух людей, даже среди однояйцовых близнецов, которые полностью идентичны, так как в зрелых лимфоцитах каждого из них имеют место случайно возникающие перестройки ДНК.
Статью подготовил и отредактировал: врач-хирургЧто такое генная мутация и как происходит мутация?
Мутация гена является постоянным изменением в последовательности ДНК, которая составляет полный набор генов названный геном, так что после мутации в последовательности генов появляются отличия от геномов, которые можно найти в клетках большинства людей. Мутации имеют диапазон размеров; они могут изменить от одного гена до мутации значительной части хромосомы, которые содержат сотни генов.
Генные мутации могут быть классифицированы по двум основным направлениям:
Наследственные мутации наследуются от родителей и присутствуют на протяжении всей жизни человека практически в каждой клетке тела. Эти мутации также называют внутриутробной мутацией, потому что они присутствуют в яйцеклетке или спермотозоидах клеток родителей, которые также называются половыми клетками. Когда яйцо и сперматозоид соединяются, в результате оплодотворенная яйцеклетка получает ДНК от обоих родителей. Если эта ДНК содержит мутацию, ребенок, который растет из оплодотворенной яйцеклетки будут иметь мутацию в каждой из своих клеток.
Приобретенные (или соматические) мутации происходят в какой-то момент во время жизни человека и присутствуют только в некоторых клетках, таких мутаций нет в каждой клетке в теле. Эти изменения могут быть вызваны факторами окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение от солнца или может произойти ошибка при копированнии ДНК во время клеточного деления. Приобретенные мутации в соматических клетках (кроме спермы и яйцеклеток) не могут быть переданы на следующем поколении.
De Novo (новые) мутации могут быть либо наследственными либо соматическими. В некоторых случаях, мутация происходит в яйцелетке или сперматозоиде человека, но не присутствует в других клетках человека. В редких случаях, мутация происходит в оплодотворенной яйцеклетки вскоре после того, яйцо и сперматозоиды объединяются. (в таких случаях часто невозможно точно сказать,в каком участке мутация произошла.) Когда оплодотворенная яйцеклетка начнет делится, каждая клетка растущего эмбриона будет иметь мутацию. Новые мутации могут объяснить генетические нарушения, при которых больной ребенок имеет мутацию в каждой клетке в теле, но родители не имели таких мутаций, и мутаций небыло в истории заболевания.
Соматические мутации , которые происходят в одной ячейке в начале эмбрионального развития могут привести к ситуации, называемой мозаичность. Эти генетические изменения не присутствует в яяцеклетках или сперматозоидах родителей, или в оплодотворенной яйцеклетки, но появляются немного позже, когда эмбрион уже начал деление и состоит из нескольких клеток. Так как все клетки делятся в процессе роста и развития, клетки, которые возникают из клетки с измененным мутацией геном будут иметь мутации, в то время как в других клетках таких мутаций не будут. В зависимости от масштабы мутации и сколько клеток подверглось мутации, мозаицизм может вызвать проблемы со здоровьем либо не затронуть здоровье вообще.
Большинство болезнетворных генных мутаций редко появляются в общей популяции вида. Тем не менее, другие генетические изменения происходят более часто. Генетические изменения, которые происходят более чем у 1 процента населения называют полиморфизмом. Они настолько часто встречаются, что сейчас их считают нормальными изменениями в ДНК. Полиморфизм несет ответственность за многие обычные различия между людьми, например, цвет глаз, цвет волос и тип крови.