Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость
Классификация мутаций по характеру
изменения генетического материала
 генные (точковые).
 хромосомные (нарушение структуры
хромосом).
 геномные (изменения числа хромосом
или числа целых хромосомных
наборов).
Генные мутации
(классификация)
Генные
мутации
Замена
оснований
Транзиции
Трансверсии
Сдвиг рамки
считывания
Вставки
Выпадения
Транзиции
(от лат. transitio - переход, перемещение)
 замены пар оснований
ДНК, которые не
меняют ориентации
пурин -пиримидин в
пределах одной пары
нуклеотидов.
АТ
ТА
GC
CG
Трансверсии
(от лат. transversus - повёрнутый в сторону, отведённый)
 замены пар оснований
ДНК, изменяющие
ориентацию пурин пиримидин в пределах
одной пары
нуклеотидов.
АТ
↑↓
ТА
GC
↑↓
CG
Мутации сдвига рамки считывания
 Мутации, которые приводят к выпадению
или вставке одного и более нуклеотидов,
вызывают так называемый сдвиг рамки
считывания. В среднем они более
вредоносны, чем мутации замены
нуклеотида. Примеры подобных
трансформаций: Мама мыла раму => Ммам
ылар аму — выпадение нуклеотида; Мама
мыла раму => Мама мыла драму — вставка
основания.
Мутации сдвига рамки считывания
 Сдвигом рамки этот тип мутаций
называется потому, что в результате
выпадения (или случайного добавления)
одного нуклеотида изменяется считывание
(трансляция) кодонов в молекуле мРНК и,
начиная с точки, соответствующей
положению мутации, синтезируется
искаженная последовательность
аминокислот.
Причины точковых мутаций
 Точковые мутации согласно общепринятой
концепции могут возникать либо
спонтанно, либо под воздействием
мутагенных факторов в результате так
называемых ошибок «трех Р»; то есть трех
основных молекулярно-генетических
процессов: репликации, репарации и
рекомбинации. Выяснилось, что многие
гены, контролирующие эти процессы,
одновременно контролируют частоту
спонтанного и индуцированного мутагенеза.
Таутомерные формы оснований
ДНК
 В качестве одной из причин возникновения
точковых мутаций считается возможность
существования оснований ДНК в разных
пространственных (таутомерных) формах.
Нарушение репликации как причина
точковых мутаций
 Например, если аденин находится в
обычной аминной форме, то он спаривается
с тимином (АТ – пары). Если же аденин
будет находиться в редкой иминной форме,
то в этом случае он будет образовывать
пары с цитозином. Такой таутомерный
переход аденина, с последующей ошибочной
репликацией этого участка приведет к
образованию транзиции АТ → GC.
Классическим примером точковой мутации, приводящей к замене
оснований ДНК является замена тимина на цитозин в 6-м
триплете нуклеотидной последовательности, кодирующем
b-субъединицу молекулы гемоглобина. В результате в белке происходит
замена только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин),
что приводит к появлению "липкого" участка на молекуле,
благодаря которому молекулы гемоглобина ассоциируют в крупные
нерастворимые комплексы, которые деформируют эритроциты,
придавая им характерную серповидную форму. Такие "склеенные"
молекулы гемоглобина не могут нормально функционировать, а
серповидные эритроциты застревают в мелких капиллярах и
отличаются повышенной хрупкостью. Все это проявляется как тяжелое
наследственное заболевание - серповидноклеточная анемия.
Ошибки репарации как причина
точковых мутаций
 Причинную связь между ошибками в
репарационных процессах и возникновением
точковых мутаций можно продемонстрировать на
примере т.н. SOS-репарации, которая была
открыта в 1974 году югославским ученым
Мирославом Радманом. SOS-репарация начинает
действовать в тех случаях, когда безошибочные
системы репарации не справляются с первичными
повреждениями ДНК, возникающими в клетке при
интенсивном мутагенном воздействии.
Типы репарационных
ферментативных систем
 прямая репарация повреждений
(фотореактивация),
 эксцизионная репарация,
 репарация неспаренных оснований,
 пострепликативная репарация,
 SOS-репарация
Индуцированная УФ-светом SOSрепарация ДНК
 Радман установил, что при
SOS-репарации индуцируется
синтез белков, которые
присоединяются к ДНК
полимеразному комплексу,
«загрубляют» его работу, и
такой «подпорченный»
комплекс становится
способным строить дочернюю
ДНК напротив дефектных
звеньев матричной нити, но,
при этом, в дочерней нити
появляется довольно много
ошибок, мутаций. Радман
остроумно назвал этот
механизм «SOS-репарация» от
международно признанного
сигнала бедствия SOS (спасите
наши души).
(из В.Н. Сойфер, 1997)
Последствия SOS-репарации
 В результате SOS-репарации клетка
спасается от гибели на этом этапе: ее ДНК
оказывается удвоенной, хотя и с ошибками
(мутациями), и теперь может произойти
клеточное деление, но если жизненно
важные функции все-таки безнадежно
испорчены, такая клетка все равно
погибнет позже из-за неспособности
правильно функционировать.
Ошибки рекомбинации как причина
индукции мутаций
 Источником генных и хромосомных
мутаций могут быть ошибки в
рекомбинационных процессах.
Гомологичная рекомбинация, как и любой
другой молекулярно-генетический процесс,
допускает сбои. Основной класс таких
ошибок - дупликации и делеции фрагментов
ДНК самой разной длины и
функциональной значимости, и одним из
главных их поставщиков является процесс
неравного кроссинговера.
Хромосомные мутации
 Наряду с генными (точковыми) мутациями
принято выделять класс хромосомных
мутаций, которые затрагивают значительно
более крупные участки генетического
материала.
 Хромосомные мутации иначе называют
хромосомные аберрации или хромосомные
перестройки.
Хромосомные мутации
(chromosome mutations or structural rearrangements)
 - структурные изменения хромосом,
возникающие вследствие перемещения или
выпадения хромосомных сегментов после
разрывов хромосом и соединения их концов.
Х. м. могут происходить как в пределах
одной хромосомы, так и между
гомологичными или негомологичными
хромосомами. В любом случае это
перемещение или потеря значительных по
размерам генных блоков и соответственно
изменение соотношения групп сцепления.
Мутации хроматидного и
хромосомного типа
В зависимости от времени
возникновения различают
аберрации хроматидного и
хромосомного типа:
 Хроматидный тип аберрация, затронувшая
только одну хроматиду, т.
е. возникшая после
прохождения клеткой Sпериода.
 Хромосомный тип –
аберрация возникла до
репликации ДНК
Цитогенетика
 Изучение хромосомных мутаций основано
на сочетании методов цитологического и
формально-генетического анализа.
Хромосомные мутации
удобно изучать:
 На стадии метафазы
митотического деления
(хромосомы наиболее
конденсированы)
 В профазе первого
мейотического деления
(мутации
определяются по
изменению характера
конъюгации хромосом)
Гигантские хромосомы из клеток
слюнной железы Drosophila melanogaster
Хромосомные мутации
(классификация)
Хромосомные
мутации
Внутрихромосомные
Делеции
Инверсии
Межхромосомные
Дупликации
Транслокации
Делеции
(от лат. deletio — уничтожение)
 - потеря участка
хромосомы. Делеция может
быть следствием одного
или нескольких разрывов
хромосомы либо
результатом неравного
кроссинговера. Делеции
подразделяются на 1 интерстициальные (потеря
внутреннего участка) и 2 терминальные (потеря
концевого участка).
Делеция в политенной хромосоме
 Делеции в гетерозиготном
состоянии цитологически
выявляются из-за наличия
петли в нормальном
гомологе (вверху).
 Это особенно хорошо видно
на примере политенных
хромосом (внизу), гомологи
которых конъюгируют, т.о.
петля хорошо заметна.
Делеция дистальной части короткого
плеча хромосомы 5 у человека
 Для данного синдрома
наиболее характерны
специфический плач,
напоминающий кошачье
мяуканье, лунообразное
лицо, мышечная
гипотония, умственное и
физическое недоразвитие,
микроцефалия, низко
расположенные, иногда
деформированные ушные
раковины, эпикант,
антимонголоидный разрез
глазных щелей,
косоглазие.
Дупликации
(от лат. duplicatio - удвоение)
 - изменение
хромосомы, при
котором один из её
участков линейно
представлен два или
более раз
(трипликация,
тетрапликация…)
 многократное
повторение одного
хромосомного участка
- амплификация).
AB C D E F
AB C D C D E F
тандемная дупликация
AB C D E F
AB C D D C E F
инвертированная дупликация
Дупликации
 Фенотипический
эффект дупликаций
может варьировать в
зависимости от числа
повторов
хромосомного сегмента
Глаза мух: дикого типа В+
(слева), с дупликацией В (в
центре) и трипликацией ВВ
(справа)
Дупликации
 Дупликации широко распространены в природе.
Это связано во-первых с тем, что дупликации (в
отличие от делеций) не имеют столь выраженного
негативного эффекта для фенотипа носителя. Вовторых, дупликации представляют собой
дополнительный генетический материал, который
может служить важным фактором для
микроэволюционных преобразований. Поэтому
большое число дупликаций может подхватываться
естественным отбором и сохраняться в природных
популяциях.
Инверсии
 Инверсия возникает в результате двух разрывов в
хромосоме, вырезания участка между разрывами,
переворота данного участка на 180 градусов и
встраивания его в тело хромосомы.
 Различают парацентрические (1) и
перецентрические (2) инверсии
1
2
Перицентрические инверсии
гетерохроматина в хромосомах человека
 Дифференциально
окрашенные метафазные
хромосомы человека (Сbanding). Интенсивно
окрашены
прицентромерные районы
хромосом, представленные
участками структурного
гетерохроматина. В
хромосомах 1 и 9 имеются
перицентрические
инверсии
гетерохроматиновых
блоков (указаны
стрелками).
Инверсии
 Фенотипический эффект инверсий обусловлен
изменениями взаиморасположения сцепленных
генов и, как следствие этого, нарушением генной
координации и рекомбинации. Однако, в отличие
от делеций и дупликаций, инверсии не приводят к
утрате или добавлению генетического материала,
т.о. общий генный баланс в этом случае остается
неизменным. Наличие инверсий не столь негативно
сказывается на фенотипе их носителей.
Инверсии «запирают»
кроссинговер
 Важным следствием инверсий,
находящихся в гетерозиготном
состоянии, является
подавление кроссинговера на
этом участке.
 На рисунке представлена
микрофотография политенной
хромосомы из слюнной железы
дрозофилы. Наличие инверсии
в гетерозиготе не дает
возможности гомологам
конъюгировать, что
выявляется в образовании
петлеобразной структуры на
цитологическом препарате.
(из И.Гершкович, 1968)
Инверсии «запирают»
кроссинговер
 Это свойство используют на практике при создании
сбалансированных линий, гетерозиготных по
летальным мутациям. Сбалансированность линий
проявляется в том, что в хромосомах, несущих
маркерные гены, вследствие наличия ряда
инверсий, не происходит кроссинговер и,
следовательно, не разрушаются комплексы
маркерных генов. Такие линии используют в
генетическом анализе рецессивных летальных
мутаций в качестве анализаторов.
Значение инверсий в эволюции
 Свойство инверсий подавлять кроссинговер
имеет и другое, более глобальное значение.
В результате подавления кроссинговера
могут образовываться несбалансированные
гаметы. В конечном итоге эти процессы
могут приводить к репродуктивной
изоляции и способствовать эволюционной
дивергенции форм, которые развиваются по
признакам наличия или отсутствия
инверсий.
Значение инверсий в эволюции
 Инверсии являются
распространенным
механизмом эволюционных
преобразований
генетического материала.
 В качестве примера можно
привести эволюцию
кариотипа среди гоминид.
Цитогенетическими
методами было
установлено, что
кариотипы Homo sapiens и
Pan troglodytes различаются
всего по 4-м инверсиям (в 4,
5, 12 и 17 хромосомах).
инверсия между участками p14.I - q14.I
приведшая к отличию между
человеческой (слева) хромосомой №5 и
хромосомой шимпанзе
Транслокации
 Транслокации
относятся к
межхромосомным
мутациям и
представляют собой
реципрокный (иногда
нереципрокный транспозиция) обмен
участками
негомологичных
хромосом.
(из Ф. Айала, 1984)
Транслокации
 Следствием транслокаций является
изменение характера сцепления генов,
однако как и в случае инверсий, утраты или
приобретения генетического материала не
происходит (аберрации сбалансированного
типа).
 Фенотипический эффект транслокаций
чаще проявляется в нарушениях
репродуктивной способности у их
носителей.
Транслокации
Реципрокная транслокация между хромосомами 7 и Х
(указаны стрелками) у женщины с привычным
невынашиванием беременности
Транслокации
 Как и в случаях внутрихромосомных
перестроек, при транслокациях изменяется
характер конъюгации транслоцированных
хромосом. Как правило, плотная
конъюгация вблизи точек разрывов
затруднена и это приводит к подавлению
кроссинговера. В этих случаях на
мейотических препаратах наблюдаются
характерные крестообразные конфигурации
конъюгирующих хромосом, что и позволяет
идентифицировать транслокации
цитологически.
Транслокация при хроническом
миелоидном лейкозе
(из mglinets.narod.ru)
Транслокации
 Транслокации можно идентифицировать с использованием
молекулярно-цитогенетических методов. В частности,
применение метода флуоресцентной гибридизации
нуклеиновых кислот in sity (FISH) позволяет «пометить»
любую хромосому специальными красителямифлуорохромами. После этого обмен участками хромосом
можно наблюдать даже в интерфазных хромосомах.
Робертсоновские транслокации
 Эволюционно важной разновидностью
транслокаций являются т.н. робертсоновские
слияния акроцентрических хромосом. В этих
случаях в результате транслокации будет
изменяться число хромосом в наборе: две
хромосомы образуют одну.
(из Ф. Айала, 1984)
Робертсоновское слияние 2-х хромосом
№21 в кариотипе больной с.Дауна