Geenimutatsioonid: näited, põhjused, tüübid, mehhanismid. Mutatsiooniline muutlikkus. Mutatsioonide klassifitseerimise meetodid Mutatsiooniline varieeruvus lühidalt

Teadlased on juba ammu märganud, et organismid kogevad mõnikord äkilisi, mitte ristumisest põhjustatud muutusi oma omadustes, mis on päritud. Sõna mutatsioon on tõlgitud ladina keelest (mutatio) ja tähendab muutust. Need muutused esinevad kõigil liikidel ja on evolutsiooni tegurina väga olulised.

Mutatsiooniteooria

Mutatsioonilist muutlikkust uuris 19. sajandi lõpus ja 20. sajandi alguses Hugo de Vries. Ta jälgis taime eeslipuu ja märkas, et see arendab suhteliselt sageli uusi omadusi. De Vries võttis nendele muutustele viitamiseks kasutusele termini "mutatsioon".

Alguses ei olnud teada, millised rakustruktuurid olid mutatsiooni varieeruvuse tõttu ümber paigutatud. Kuid hiljem avastati, et haavarohu suurtel vormidel on 28 kromosoomi, tavalistel aga ainult 14.

Selgus, et mutatsioonid on muutused genotüübis ja on seetõttu teatud tüüpi pärilik varieeruvus.

Mutatsioonidest tingitud muutuste konsolideerumine järglastes on peamine erinevus modifikatsiooni varieeruvusest, mille puhul muutused ilmnevad ainult fenotüübis.

TOP 3 artiklitkes sellega kaasa loevad

Lisaks laieneb mutatsiooni varieeruvuse korral oluliselt reaktsiooninorm ehk tunnuse avaldumise piir. Seetõttu tekivad sagedamini kahjulikud mutatsioonid, mis põhjustavad eluga kokkusobimatuid muutusi.

Mutatsioonid võivad olla ka kasulikud ja neutraalsed.

Mutatsioonide põhjused

Faktorit, mis põhjustab mutatsioone, nimetatakse mutageeniks. Organism, millel on mutatsioon, on mutant.

Mutageenide hulka kuuluvad:

• kiirgus (sh looduslik);
• mõned kemikaalid;
• temperatuuri kõikumised.

Mutatsioonide tüübid

Mutatsioone on kolme tüüpi:

• geneetiline;
• kromosomaalne;
• genoomne.

Geneetiline

Geenimutatsioonid põhjustavad häireid valgusünteesis, kuna need muudavad või muudavad koodonid mõttetuks.
Nende mutatsioonidega ilmnevad:

• lämmastikualuste asendamine DNA-s;
• lämmastikku sisaldava aluse kadumine või sisestamine DNA-sse.

Riis. 1. Geenimutatsioonid

Kromosomaalne

Seda tüüpi mutatsioonid hõlmavad:

• kromosoomi sektsiooni kaotus;
• kromosoomi fragmendi dubleerimine;
• kromosoomi fragmentide liikumine nende pikkuses;
• ühe kromosoomi fragmendi üleminek teisele;
• piirkonna pöörlemine kromosoomis

Riis. 2. Kromosomaalsed mutatsioonid

Reeglina vähendavad sellised muutused isendite elujõulisust ja viljakust.

Kõigil kassidel on 36 kromosoomi. Genotüübi liikidevahelised erinevused tulenevad kromosoomiosade pöörlemisest.

Genoomiline

Genoomsed mutatsioonid põhjustavad kromosoomide arvu mitmekordset suurenemist. Selliseid mutante nimetatakse polüploidideks ja neid kasutatakse laialdaselt põllumajanduses, kuna need on produktiivsemad.

Paljud teraviljasordid, mida me sööme, on polüploidid.

Venemaal Novosibirski ja Nižni Novgorodi oblastis kasvab triploidne (3n) haab, mis erineb tavapärasest kasvukiirusest, suurest suurusest, samuti puidu tugevusest ja seentekindlusest.

Riis. 3. Polüploidid

Mutatsioonide tähendus

Mutatsioonilise muutlikkuse võime on iga liigi loomulik omadus. Mutatsioonid on päriliku varieeruvuse allikad, mis on evolutsiooni oluline tegur.

Eriti sageli täheldatakse mutatsioonide kasulikke ilminguid taimedes. Mõnede geneetikute arvates on enamik taimeliike polüploidid.

Inimesed kasutavad mutatsioone põllumajanduslike kahjurite tõrjeks ning produktiivsete tõugude ja sortide arendamiseks.

Paljud kultuurtaimede sordid on näited inimeste sihikindlast mutatsioonist.

Mõned pärilikud haigused on mutatsioonide tagajärg.

Mida me õppisime?

10. klassis geneetikat õppides iseloomustasime mutatsiooni varieeruvust. Mutatsioonid tekivad erinevatel liikidel mutageenide mõjul. Muutused tunnustes annavad mõnikord eelise mutandile. Mutatsiooniline varieeruvus kui üks päriliku varieeruvuse tüüpe on evolutsiooni tegur.

Test teemal

Aruande hindamine

Keskmine hinne: 4.6. Kokku saadud hinnanguid: 106.

Muutlikkus on organismide võime muuta oma tunnuseid ja omadusi, mis väljendub isendite mitmekesisuses liigisiseselt.

On 2 varieeruvuse vormi:

mittepärilik (fenotüüpne) või modifikatsioon

pärilik (genotüüpne)

Modifikatsiooni varieeruvus on fenotüübi varieeruvus, mis

on konkreetse genotüübi reaktsioon muutuvatele keskkonnatingimustele. Need ei ole päritud ja tekivad keha reaktsioonina, st kujutavad endast kohanemist.

Modifikatsiooni varieeruvust iseloomustavad järgmised omadused:

on rühma iseloomuga

on pöörduv

keskkonnamõjud võivad muuta tunnuse fenotüübilist ilmingut. Reaktsiooninorm on genotüübiga määratud tunnuse modifikatsiooni varieeruvuse piir. Näiteks sellised kvantitatiivsed omadused nagu looma kehamass ja taimelehtede suurus varieeruvad üsna suurtes piirides ehk neil on lai reaktsioonikiirus. Südame ja aju suurus varieerub kitsastes piirides, see tähendab, et neil on kitsas reaktsioonikiirus. Reaktsiooninorm väljendatakse variatsioonireana.

on üleminekuvormid.

Variatsioonikõver on modifikatsiooni varieeruvuse graafiline väljend, mis peegeldab variatsiooni ulatust ja üksikute variantide esinemissagedust.

Genotüübi varieeruvus jaguneb:

kombineeriv

mutatsiooniline

Kombinatiivne varieeruvus- päriliku varieeruvuse tüüp, mis on põhjustatud olemasolevate geenide ja kromosoomide erinevatest rekombinatsioonidest. Sellega ei kaasne muutusi geenide ja kromosoomide struktuuris.

Selle allikaks on: - geenide rekombinatsioon ristumise tulemusena;

Kromosoomide rekombinatsioon meioosi ajal; - kromosoomide kombinatsioon viljastamise ajal sugurakkude sulandumise tulemusena.

Mutatsiooniline muutlikkus on teatud tüüpi pärilik varieeruvus, mis on põhjustatud mitmesugustest muutustest geenide, kromosoomide või genoomi struktuuris.

VARIATSIOONI VÕRDLEVAD KARAKTERISTIKAD

Mutatsiooniline muutlikkus

Mutatsioonid on mutatsiooni varieeruvuse aluseks.

Mutatsioonid- Need on äkilised, loomulikud või kunstlikult põhjustatud muutused geneetilises materjalis, mis põhjustavad muutusi organismi omadustes. Mutatsioonide doktriini aluse pani Hugo de Vries 1901. aastal.

Mutatsioone iseloomustavad mitmed omadused:

Need ilmuvad ootamatult, ilma üleminekuvormideta;

Need on kvalitatiivsed muutused, ei moodusta pidevaid seeriaid ega ole rühmitatud keskmise väärtuse ümber;

Neil on mittesuunaline toime – sama mutageense faktori mõjul mis tahes geneetilist informatsiooni kandva struktuuri osa;

Põlvest põlve edasi antud.

Mutageenid on mutatsioone põhjustavad tegurid. Jaotatud kolme kategooriasse:

füüsikalised (kiirgus, elektromagnetkiirgus, rõhk, temperatuur jne).

kemikaalid (raskmetallide soolad, pestitsiidid, fenoolid, alkoholid, ensüümid, narkootilised ained, ravimid, toidu säilitusained jne)

MUTATSIOONIDE KLASSIFIKATSIOON:

Esinemisastme järgi

1. kromosomaalne;

   genoomne

Alleelsete interaktsioonide tüübi järgi

domineeriv;

retsessiivne;

Peaaegu igasugune muutus kromosoomide struktuuris või arvus, mille puhul rakul säilib võime end taastoota, põhjustab organismi omadustes päriliku muutuse. Vastavalt genoomimuutuse olemusele, s.o. eristatakse haploidses kromosoomikomplektis sisalduvaid geenikomplekte, geeni-, kromosomaalseid ja genoomseid mutatsioone. pärilik mutantne kromosomaalne geneetiline

Geenimutatsioonid on molekulaarsed muutused DNA struktuuris, mis pole valgusmikroskoobis nähtavad. Geenimutatsioonid hõlmavad kõiki muutusi DNA molekulaarstruktuuris, olenemata nende asukohast ja mõjust elujõulisusele. Mõned mutatsioonid ei mõjuta vastava valgu struktuuri ega funktsiooni. Teine (suur) osa geenimutatsioonidest viib defektse valgu sünteesini, mis ei suuda täita oma olemuslikku funktsiooni.

Sõltuvalt molekulaarsete muutuste tüübist on olemas:

Kustutused (ladina keelest deletio – hävitamine), s.o. DNA segmendi kadu ühest nukleotiidist geenini;

Dubleerimised (ladinakeelsest duplicatio duublimisest), s.o. DNA segmendi dubleerimine või reduplikatsioon ühest nukleotiidist terveteks geenideks;

Inversioonid (ladina keelest inversio - inversioon), s.o. DNA segmendi 180-kraadine pöörlemine, mille suurus ulatub kahest nukleotiidist kuni mitut geeni sisaldava fragmendini;

Inserdid (ladinakeelsest insertio - manus), s.o. DNA fragmentide sisestamine, mille suurus ulatub ühest nukleotiidist terve geenini.

Just geenimutatsioonid põhjustavad enamiku pärilike patoloogiavormide arengut. Sellistest mutatsioonidest põhjustatud haigusi nimetatakse geneetilisteks ehk monogeenseteks haigusteks, s.t. haigused, mille arengu määrab ühe geeni mutatsioon.

Geenmutatsioonide mõju on äärmiselt mitmekesine. Enamik neist ei ilmne fenotüüpiliselt, kuna nad on retsessiivsed. See on liigi olemasolu jaoks väga oluline, kuna enamik äsja esinevaid mutatsioone on kahjulikud. Kuid nende retsessiivne olemus võimaldab neil pikka aega püsida liigi isenditel heterosügootses olekus ilma keha kahjustamata ja avalduda tulevikus homosügootsesse olekusse üleminekul.

Praegu on üle 4500 monogeense haiguse. Kõige levinumad neist on: tsüstiline fibroos, fenüülketonuuria, Duchenne-Beckeri müopaatiad ja mitmed muud haigused. Kliiniliselt avalduvad need kehas esinevate ainevahetushäirete (ainevahetuse) tunnustena.

Samas on hulk juhtumeid, kus ainult ühe aluse muutus teatud geenis avaldab fenotüübile märgatavat mõju. Üks näide on sirprakulise aneemia geneetiline kõrvalekalle. Retsessiivne alleel, mis põhjustab seda pärilikku haigust homosügootses olekus, väljendub hemoglobiini molekuli B-ahelas ainult ühe aminohappejäägi asendamises (glutamiinhape?> valiin) See toob kaasa asjaolu, et sellise hemoglobiiniga vere punased verelibled deformeeruvad (ümmargustest muutuvad sirbikujuliseks) ja vajuvad kiiresti kokku.Samal ajal tekib äge aneemia ja täheldatakse verega kaasaskantava hapniku hulga vähenemist.Aneemia põhjustab füüsilist nõrkust. , häired südame ja neerude töös ning võivad viia mutantse alleeli suhtes homosügootsete inimeste varajase surmani.

Kromosomaalsed mutatsioonid on kromosomaalsete haiguste põhjused.

Kromosomaalsed mutatsioonid on üksikute kromosoomide struktuursed muutused, mis on tavaliselt nähtavad valgusmikroskoobi all. Kromosomaalne mutatsioon hõlmab suurt hulka (kümnetest kuni mitmesajani) geene, mis viib normaalse diploidse komplekti muutumiseni. Kuigi kromosomaalsed aberratsioonid ei muuda üldjuhul spetsiifiliste geenide DNA järjestust, põhjustavad muutused geenide koopiate arvus genoomis geneetilise tasakaalustamatuse, mis on tingitud geneetilise materjali puudumisest või ülemäärast. Kromosomaalseid mutatsioone on kaks suurt rühma: kromosomaalsed ja kromosomaalsed mutatsioonid (vt joonis 2).

Intrakromosomaalsed mutatsioonid on aberratsioonid ühes kromosoomis (vt joonis 3). Need sisaldavad:

Deletsioonid on ühe kromosoomiosa, sisemise või terminali, kadu. See võib põhjustada embrüogeneesi häireid ja mitmete arenguanomaaliate teket (näiteks deletsioon 5. kromosoomi lühikese õla piirkonnas, tähisega 5p-, põhjustab kõri alaarengut, südamerikkeid, vaimset alaarengut. sümptomite kompleksi nimetatakse "kassi nutu" sündroomiks, sest haigetel lastel meenutab nutt kõri anomaaliate tõttu kassi mjäu);

Inversioonid. Kahe kromosoomikatkestuse punkti tulemusena sisestatakse saadud fragment pärast 180-kraadist pööramist oma algsele kohale. Selle tulemusena on häiritud ainult geenide järjekord;

Dubleerimine on kromosoomi mis tahes osa kahekordistumine (või paljunemine) (näiteks 9. kromosoomi lühikese õla trisoomia põhjustab mitmeid defekte, sealhulgas mikrotsefaalia, füüsilise, vaimse ja intellektuaalse arengu hilinemine).

Riis. 2.

Interkromosomaalsed mutatsioonid ehk ümberkorraldusmutatsioonid on fragmentide vahetus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Selliseid mutatsioone nimetatakse translokatsioonideks (ladina keelest trans - for, through ja locus - koht). See:

Vastastikune translokatsioon – kaks kromosoomi vahetavad oma fragmente;

Mittevastastikune translokatsioon – ühe kromosoomi fragment transporditakse teise;

? "tsentriline" sulandumine (Robertsoni translokatsioon) on kahe akrotsentrilise kromosoomi ühendamine nende tsentromeeride piirkonnas koos lühikeste õlgade kaotamisega.

Kui kromatiidid purustatakse risti läbi tsentromeeride, muutuvad õdekromatiidid kahe erineva kromosoomi peegelharudeks, mis sisaldavad samu geenikomplekte. Selliseid kromosoome nimetatakse isokromosoomideks.



Riis. 3.

Translokatsioonid ja inversioonid, mis on tasakaalustatud kromosoomide ümberkorraldused, ei oma fenotüüpseid ilminguid, kuid meioosis ümberkorraldatud kromosoomide segregatsiooni tulemusena võivad need moodustada tasakaalustamata sugurakke, mis toob kaasa kromosoomianomaaliatega järglaste tekkimise.

Genoomsed mutatsioonid, nagu kromosomaalsed, on kromosomaalsete haiguste põhjused.

Genoomsed mutatsioonid hõlmavad aneuploidsust ja muutusi struktuurselt muutumatute kromosoomide ploidsuses. Genoomsed mutatsioonid tuvastatakse tsütogeneetiliste meetoditega.

Aneuploidsus on kromosoomide arvu muutumine (vähenemine - monosoomia, suurenemine - trisoomia) diploidses komplektis, mitte haploidse mitmekordne (2n+1, 2n-1 jne).

Polüploidsus on kromosoomikomplektide arvu suurenemine, mis on haploidse (3n, 4n, 5n jne) mitmekordne.

Inimestel on polüploidsus, nagu ka enamik aneuploidiaid, surmavad mutatsioonid.

Kõige levinumad genoomsed mutatsioonid on järgmised:

Trisoomia - kolme homoloogse kromosoomi olemasolu karüotüübis (näiteks Downi sündroomi korral 21. paar, Edwardsi sündroomi korral 18. paar, Patau sündroomi korral 13. paar; sugukromosoomide puhul: XXX, XXY, XYY);

Monosoomia on kahest homoloogsest kromosoomist ainult ühe olemasolu. Mis tahes autosoomi monosoomia korral ei ole embrüo normaalne areng võimalik. Ainus monosoomia inimestel, mis ühildub eluga – monosoomia X-kromosoomis – viib Shereshevsky-Turneri sündroomini (45,X).

Aneuploidsuse põhjustajaks on kromosoomide mittelahkumine raku jagunemisel sugurakkude moodustumisel või kromosoomide kadumine anafaasi mahajäämuse tagajärjel, kui poolusele liikumisel võib üks homoloogsetest kromosoomidest teistest mitte-kromosoomidest maha jääda. homoloogsed kromosoomid. Mõiste mittedisjunktsioon tähendab kromosoomide või kromatiidide eraldumise puudumist meioosi või mitoosi korral.

Kromosoomide mittedisjunktsioon toimub kõige sagedamini meioosi ajal. Kromosoomid, mis tavaliselt peaksid meioosi ajal jagunema, jäävad kokku ja liiguvad anafaasis raku ühele poolusele, tekitades seega kaks sugurakku, millest ühel on lisakromosoom ja teisel seda kromosoomi ei ole. Kui normaalse kromosoomikomplektiga sugurakku viljastatakse lisakromosoomiga sugurakuga, tekib trisoomia (s.t rakus on kolm homoloogset kromosoomi), ühe kromosoomita suguraku viljastamisel tekib monosoomiga sügoot. Kui mis tahes autosoomsel kromosoomil moodustub monosoomne sügoot, siis organismi areng peatub kõige varasemates arengustaadiumides.

Pärimise tüübi järgi nad eristavad domineeriv Ja retsessiivne mutatsioonid. Mõned teadlased tuvastavad pooldominantsed ja kodominantsed mutatsioonid. Dominantseid mutatsioone iseloomustab otsene mõju organismile, pooldominantsed mutatsioonid tähendavad, et heterosügootne vorm on fenotüübilt AA ja aa vormide vahepealne ning kodominantseid mutatsioone iseloomustab asjaolu, et heterosügootidel A 1 A 2 on mõlema tunnused. alleelid. Retsessiivseid mutatsioone heterosügootides ei esine.

Kui domineeriv mutatsioon esineb sugurakkudes, väljendub selle mõju otse järglastes. Paljud mutatsioonid inimestel on domineerivad. Need on levinud loomadel ja taimedes. Näiteks generatiivne domineeriv mutatsioon põhjustas Ancona lühikese jalaga lammaste tõu.

Pooldominantse mutatsiooni näide on heterosügootse vormi Aa mutatsiooniline moodustumine, mis on organismide AA ja aa fenotüübi vahepealne. See juhtub biokeemiliste tunnuste korral, kui mõlema alleeli panus tunnusesse on sama.

Kodominantse mutatsiooni näiteks on alleelid I A ja I B, mis määravad IV veregrupi.

Retsessiivsete mutatsioonide korral on nende mõju peidetud diploidides. Need ilmuvad ainult homosügootses olekus. Näiteks võib tuua retsessiivsed mutatsioonid, mis määravad inimese geenihaigused.

Seega ei ole peamisteks teguriteks mutantse alleeli avaldumise tõenäosuse määramisel organismis ja populatsioonis mitte ainult paljunemistsükli staadium, vaid ka mutantse alleeli domineerimine.

Otsesed mutatsioonid? Need on mutatsioonid, mis inaktiveerivad metsiktüüpi geene, st. mutatsioonid, mis muudavad DNA-s kodeeritud informatsiooni otsesel viisil, mille tulemuseks on muutus algsest (metsik) tüüpi organismist mutantset tüüpi organismiks.

Selja mutatsioonid tähistavad mutantide algsetele (metsikutele) tüüpidele pöördumisi. Neid reversioone on kahte tüüpi. Mõned pöördumised on põhjustatud sarnase saidi või lookuse korduvatest mutatsioonidest koos algse fenotüübi taastamisega ja neid nimetatakse tõelisteks pöördmutatsioonideks. Teised reversioonid on mutatsioonid mõnes teises geenis, mis muudavad mutantse geeni ekspressiooni algtüübi suunas, s.t. mutantse geeni kahjustus jääb alles, kuid see näib taastavat oma funktsiooni, mille tulemuseks on fenotüübi taastumine. Sellist fenotüübi taastamist (täielikku või osalist) hoolimata algse geneetilise kahjustuse (mutatsiooni) säilimisest nimetatakse supressiooniks ja selliseid pöördmutatsioone supressoriteks (ekstrageensed). Reeglina toimub supressioon tRNA ja ribosoomide sünteesi kodeerivate geenide mutatsioonide tagajärjel.

Üldiselt võib mahasurumine olla:

? intrageenne? kui juba mõjutatud geeni teine ​​mutatsioon muudab otsese mutatsiooni tulemusena defektset koodonit selliselt, et polüpeptiidi sisestatakse aminohape, mis suudab taastada selle valgu funktsionaalse aktiivsuse. Pealegi ei vasta see aminohape algsele (enne esimese mutatsiooni toimumist), st. tõelist pöörduvust ei täheldatud;

? tutvustas? kui tRNA struktuur muutub, mille tulemusena sisaldab mutantne tRNA sünteesitud polüpeptiidis defektse tripleti (tulenevalt otsesest mutatsioonist) poolt kodeeritava aminohappe asemel mõnda teist aminohapet.

Fenotüübi supressioonist tingitud mutageenide toime kompenseerimine ei ole välistatud. Seda võib eeldada, kui rakk puutub kokku teguriga, mis suurendab mRNA lugemisel translatsiooni ajal vigade tõenäosust (näiteks mõned antibiootikumid). Sellised vead võivad viia vale aminohappe asendamiseni, mis aga taastab otsese mutatsiooni tagajärjel kahjustatud valgu funktsiooni.

Mutatsioone iseloomustab lisaks nende kvalitatiivsetele omadustele ka nende esinemise meetod. Spontaanne(juhuslikud) - normaalsetes elutingimustes esinevad mutatsioonid. Need on rakkudes toimuvate looduslike protsesside tulemus, mis tekivad Maa looduslikul radioaktiivsel taustal kosmilise kiirguse, Maa pinnal olevate radioaktiivsete elementide, neid mutatsioone põhjustavate organismide rakkudesse liidetud radionukliidide või DNA replikatsioonivigade tulemus. Inimestel esinevad spontaansed mutatsioonid somaatilistes ja generatiivsetes kudedes. Spontaansete mutatsioonide määramise meetod põhineb asjaolul, et lastel tekib domineeriv tunnus, kuigi nende vanematel seda ei ole. Taanis läbiviidud uuring näitas, et ligikaudu üks 24 000 suguraku kohta kannab domineerivat mutatsiooni. Iga liigi spontaansete mutatsioonide sagedus on geneetiliselt määratud ja seda hoitakse teatud tasemel.

Indutseeritud mutagenees on mutatsioonide kunstlik tekitamine, kasutades erinevat laadi mutageene. On füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi mutageenseid tegureid. Enamik neist teguritest reageerib otseselt DNA molekulide lämmastikualustega või sisaldub nukleotiidjärjestustes. Indutseeritud mutatsioonide sagedus määratakse mutageeniga töödeldud ja töötlemata organismide rakkude või populatsioonide võrdlemisel. Kui mutatsiooni esinemissagedus populatsioonis suureneb mutageeniga töötlemise tulemusena 100 korda, siis arvatakse, et populatsioonis on ainult üks mutant spontaanne, ülejäänud indutseeritakse. Taimede, loomade ja mikroorganismide valikul on praktilise tähtsusega uurimused meetodite loomise kohta erinevate mutageenide sihipäraseks toimeks konkreetsetele geenidele.

Sõltuvalt rakutüübist, milles mutatsioonid esinevad, eristatakse generatiivseid ja somaatilisi mutatsioone (vt joonis 4).

Generatiivne mutatsioonid esinevad reproduktiivprimordiumi rakkudes ja sugurakkudes. Kui genitaalrakkudes toimub mutatsioon (generatiivne), võib mutantse geeni korraga vastu võtta mitu sugurakku, mis suurendab mitme indiviidi (isendi) potentsiaalset võimet seda mutatsiooni järglastel pärida. Kui sugurakkudes toimub mutatsioon, siis tõenäoliselt saab selle geeni ainult üks isend (isend) järglasest. Mutatsioonide esinemissagedust sugurakkudes mõjutab organismi vanus.




Riis. 4.

Somaatiline mutatsioonid esinevad organismide somaatilistes rakkudes. Loomadel ja inimestel püsivad mutatsioonimuutused ainult nendes rakkudes. Kuid taimedes võib mutatsioon tänu nende vegetatiivsele paljunemisvõimele levida somaatilistest kudedest kaugemale. Näiteks kuulus taliõunasort “Delicious” pärineb somaatilise raku mutatsioonist, mis pooldumise tulemusena viis mutanditüübi tunnustega haru moodustumiseni. Sellele järgnes vegetatiivne paljundamine, mis võimaldas saada selle sordi omadustega taimi.

Mutatsioonide klassifitseerimise sõltuvalt nende fenotüübilisest mõjust pakkus esmakordselt välja 1932. aastal G. Möller. Klassifikatsiooni järgi tuvastati järgmised:

Amorfsed mutatsioonid. See on seisund, mille puhul patoloogilise alleeli poolt kontrollitav tunnus ei avaldu, kuna patoloogiline alleel on normaalse alleeliga võrreldes passiivne. Sellised mutatsioonid hõlmavad albinismi geeni ja umbes 3000 autosomaalset retsessiivset haigust;

Antimorfsed mutatsioonid. Sel juhul on patoloogilise alleeli poolt kontrollitava tunnuse väärtus vastupidine normaalse alleeli poolt kontrollitava tunnuse väärtusele. Sellised mutatsioonid hõlmavad umbes 5-6 tuhande autosomaalse domineeriva haiguse geene;

Hüpermorfsed mutatsioonid. Sellise mutatsiooni korral on patoloogilise alleeli poolt kontrollitav tunnus rohkem väljendunud kui normaalse alleeli poolt kontrollitav tunnus. Näide? geenide heterosügootsed kandjad genoomi ebastabiilsuse haiguste korral. Nende arv on umbes 3% maailma elanikkonnast ja haiguste arv ise ulatub 100 nosoloogiani. Nende haiguste hulgas: Fanconi aneemia, ataksia telangiektaasia, xeroderma pigmentosum, Bloomi sündroom, progeroidsed sündroomid, paljud vähivormid jne. Pealegi on nende haiguste geenide heterosügootsete kandjate vähi esinemissagedus 3-5 korda suurem kui tavaliselt, ja patsientidel endil (nende geenide homosügootidel) on vähi esinemissagedus kümneid kordi tavalisest kõrgem.

Hüpomorfsed mutatsioonid. See on seisund, mille korral patoloogilise alleeli poolt kontrollitava tunnuse ekspressioon on nõrgenenud võrreldes normaalse alleeli kontrollitava tunnusega. Sellised mutatsioonid hõlmavad pigmendi sünteesi geenide (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22) mutatsioone, aga ka rohkem kui 300 vorme autosomaalsed retsessiivsed haigused.

Neomorfsed mutatsioonid. Väidetavalt tekib selline mutatsioon, kui patoloogilise alleeli poolt kontrollitav tunnus on normaalse alleeli kontrollitava tunnusega võrreldes erineva (uue) kvaliteediga. Näide: uute immunoglobuliinide süntees vastuseks võõrantigeenide tungimisele organismi.

Rääkides G. Mölleri klassifikatsiooni kestvast tähendusest, tuleb märkida, et 60 aastat pärast selle avaldamist jagati punktmutatsioonide fenotüübilised mõjud erinevatesse klassidesse sõltuvalt nende mõjust geeni valguprodukti struktuurile ja /või selle väljendustaseme.

Elusorganismide genoomid on suhteliselt stabiilsed, mis on vajalik liigilise struktuuri ja arengu järjepidevuse säilitamiseks. Raku stabiilsuse säilitamiseks toimivad erinevad parandussüsteemid, mis parandavad DNA struktuuri rikkumisi. Kui aga muutusi DNA struktuuris üldse ei säilitataks, ei suudaks liigid muutuvate keskkonnatingimustega kohaneda ega areneda. Evolutsioonilise potentsiaali loomisel, s.o. päriliku varieeruvuse nõutav tase, peamine roll on mutatsioonidel.

Mõiste " mutatsioon"G. de Vries kirjeldas oma klassikalises teoses "Mutatsiooniteooria" (1901-1903) kramplike, vahelduvate muutuste fenomeni tunnuses. Ta märkis numbri mutatsiooni varieeruvuse tunnused:

• mutatsioon on tunnuse kvalitatiivselt uus seisund;
• mutantsed vormid on konstantsed;
• samad mutatsioonid võivad esineda korduvalt;
• mutatsioonid võivad olla kasulikud või kahjulikud;
• mutatsioonide tuvastamine sõltub analüüsitud isikute arvust.

Mutatsiooni tekkimise aluseks on DNA või kromosoomide struktuuri muutus, seega päranduvad mutatsioonid järgmistesse põlvkondadesse. Mutatsiooniline muutlikkus on universaalne; seda esineb kõigil loomadel, kõrgematel ja madalamatel taimedel, bakteritel ja viirustel.

Tavaliselt jagatakse mutatsiooniprotsess spontaanseks ja indutseeritud. Esimene toimub looduslike tegurite (väliste või sisemiste) mõjul, teine ​​- rakule suunatud sihipärase toimega. Spontaanse mutageneesi sagedus on väga madal. Inimestel on see vahemikus 10–5–10–3 geeni kohta põlvkonna kohta. Genoomi osas tähendab see, et igaühel meist on keskmiselt üks geen, mida meie vanematel ei olnud.

Enamik mutatsioone on retsessiivsed, mis on väga oluline, sest... mutatsioonid rikuvad kehtestatud normi (metsiktüüp) ja on seetõttu kahjulikud. Mutantsete alleelide retsessiivne olemus võimaldab neil aga püsida populatsioonis pikka aega heterosügootses olekus ja avalduda kombinatiivse varieeruvuse tulemusena. Kui tekkiv mutatsioon avaldab soodsat mõju organismi arengule, säilib see loodusliku valiku teel ja levib populatsiooni isendite seas.

Vastavalt mutantse geeni toime olemusele Mutatsioonid jagunevad kolme tüüpi:

• morfoloogiline,
• füsioloogiline,
• biokeemiline.

Morfoloogilised mutatsioonid muuta loomade ja taimede elundite moodustumist ja kasvuprotsesse. Seda tüüpi muutuste näide on Drosophila silmavärvi, tiibade kuju, kehavärvi ja harjaste kuju mutatsioonid; lammastel lühijalgsed, taimedel kääbus, inimestel lühivarvased (brahüdaktiilia) jne.

Füsioloogilised mutatsioonid tavaliselt vähendavad indiviidide elujõulisust, nende hulgas on palju letaalseid ja poolsurmavaid mutatsioone. Füsioloogiliste mutatsioonide näideteks on hingamisteede mutatsioonid pärmis, klorofülli mutatsioonid taimedes ja hemofiilia inimestel.

TO biokeemilised mutatsioonid hõlmavad neid, mis pärsivad või häirivad teatud kemikaalide sünteesi, tavaliselt vajaliku ensüümi puudumise tõttu. See tüüp hõlmab bakterite auksotroofseid mutatsioone, mis määravad raku võimetuse sünteesida mis tahes ainet (näiteks aminohapet). Sellised organismid on võimelised elama ainult selle aine olemasolul keskkonnas. Inimestel on biokeemilise mutatsiooni tagajärjeks raske pärilik haigus – fenüülketonuuria, mis on põhjustatud fenüülalaniinist türosiini sünteesiva ensüümi puudumisest, mille tagajärjel koguneb verre fenüülalaniin. Kui selle defekti esinemist ei tuvastata õigeaegselt ja fenüülalaniini ei jäeta vastsündinute toidust välja, seisab keha silmitsi surmaga aju arengu tõsiste häirete tõttu.

Mutatsioonid võivad olla generatiivne Ja somaatiline. Esimesed tekivad sugurakkudes, teised keharakkudes. Nende evolutsiooniline väärtus on erinev ja on seotud paljunemismeetodiga.

Generatiivsed mutatsioonid võib esineda sugurakkude arengu erinevatel etappidel. Mida varem need tekivad, seda suurem on neid kandvate sugurakkude arv ja seetõttu suureneb nende järglastele ülekandumise võimalus. Sarnane olukord tekib ka somaatilise mutatsiooni korral. Mida varem see toimub, seda rohkem rakke seda edasi kannab. Muutunud kehapiirkondadega isikuid nimetatakse mosaiigideks või kimäärideks. Näiteks Drosophilas täheldatakse silmavärvi mosaiiksust: punase värvi taustal ilmuvad mutatsiooni tagajärjel valged laigud (pigmendita tahud).

Organismides, mis paljunevad ainult seksuaalselt, somaatilised mutatsioonid ei esinda mingit väärtust ei evolutsiooni ega valiku jaoks, sest nad ei ole päritud. Taimedel, mis suudavad vegetatiivselt paljuneda, võivad somaatilised mutatsioonid saada selektsioonimaterjaliks. Näiteks pungade mutatsioonid, mis tekitavad muutunud võrseid (sport). Sellisest spordialast I.V. Michurin sai pookimismeetodil uue õunapuu sordi Antonovka 600-grammine.

Mutatsioonid on mitmekesised mitte ainult oma fenotüübilise avaldumise, vaid ka genotüübis toimuvate muutuste poolest. On mutatsioone geneetiline, kromosomaalne Ja genoomne.

Geenimutatsioonid

Geenimutatsioonid muuta üksikute geenide struktuuri. Nende hulgas on märkimisväärne osa punktmutatsioonid, milles muutus mõjutab ühte nukleotiidide paari. Kõige sagedamini hõlmavad punktmutatsioonid nukleotiidide asendust. Selliseid mutatsioone on kahte tüüpi: üleminekud ja transversioonid. Nukleotiidipaari üleminekute käigus asendatakse puriin puriiniga või pürimidiin pürimidiiniga, s.t. aluste ruumiline orientatsioon ei muutu. Transversioonides asendatakse puriin pürimidiiniga või pürimidiin puriiniga, mis muudab aluste ruumilist orientatsiooni.

Aluse asendamise mõju olemuse järgi geeni poolt kodeeritud valgu struktuurile Mutatsioone on kolm klassi: missence mutatsioonid, nonsence mutatsioonid ja samaväärsed mutatsioonid.

Missence mutatsioonid muuta koodoni tähendust, mis toob kaasa ühe vale aminohappe ilmumise valgusse. Sellel võivad olla väga tõsised tagajärjed. Näiteks raske pärilik haigus - sirprakuline aneemia, aneemia vorm, on põhjustatud ühe hemoglobiini ahela ühe aminohappe asendamisest.

Mõttetu mutatsioon on terminaatorkoodoni ilmumine (ühe aluse asendamise tulemusena) geeni sees. Kui translatsiooni mitmetähenduslikkuse süsteem pole sisse lülitatud (vt ülal), katkeb valgusünteesi protsess ja geen suudab sünteesida ainult polüpeptiidi fragmenti (abortiivne valk).

Kell samamõttelised mutatsioonidühe aluse asendamise tulemuseks on sünonüümkoodoni ilmumine. Sel juhul geneetilises koodis muutusi ei toimu ja sünteesitakse normaalne valk.

Lisaks nukleotiidide asendustele võib punktmutatsioone põhjustada ühe nukleotiidipaari sisestamine või deletsioon. Need rikkumised põhjustavad lugemisraami muutumise; vastavalt muutub geneetiline kood ja sünteesitakse muutunud valk.

Geenimutatsioonid hõlmavad geeni väikeste osade dubleerimist ja kadumist, samuti sisestusi- täiendava geneetilise materjali sisestamine, mille allikaks on enamasti mobiilsed geneetilised elemendid. Geenimutatsioonid on olemasolu põhjuseks pseudogeenid— toimivate geenide mitteaktiivsed koopiad, millel puudub ekspressioon, s.t. funktsionaalne valk ei moodustu. Pseudogeenides võivad mutatsioonid koguneda. Kasvaja arengu protsess on seotud pseudogeenide aktiveerimisega.

Geenimutatsioonide ilmnemisel on kaks peamist põhjust: vead replikatsiooni, rekombinatsiooni ja DNA parandamise protsessides (kolme P-i vead) ja mutageensete tegurite toime. Näide vigadest ensüümsüsteemide töös ülaltoodud protsesside käigus on mittekanooniline aluste sidumine. Seda täheldatakse, kui DNA molekulis sisalduvad väikesed alused, tavaliste analoogid. Näiteks tümiini asemel võib lisada bromuratsiili, mis on guaniiniga üsna kergesti kombineeritav. Tänu sellele asendub AT paar GC-ga.

Mutageenide mõjul võib toimuda ühe aluse muundumine teiseks. Näiteks lämmastikhape muudab deamineerimise teel tsütosiini uratsiiliks. Järgmises replikatsioonitsüklis paaritub see adeniiniga ja algne GC paar asendatakse AT-ga.

Kromosomaalsed mutatsioonid

Tõsisemad muutused geneetilises materjalis tekivad siis, kui kromosomaalsed mutatsioonid. Neid nimetatakse kromosomaalseteks aberratsioonideks või kromosoomide ümberkorraldusteks. Ümberkorraldused võivad mõjutada ühte kromosoomi (intrakromosomaalne) või mitut (kromosoomidevaheline).

Kromosoomisisesed ümberkorraldused võivad olla kolme tüüpi: kromosoomi sektsiooni kadu (puudus); kromosoomiosa kahekordistumine (dubleerimine); kromosoomi lõigu pööramine 180° (inversioon). Kromosoomidevahelised ümberkorraldused hõlmavad translokatsioonid- ühe kromosoomi lõigu liikumine teise, mittehomoloogse kromosoomi.

Kromosoomi sisemise osa kadumist, mis ei mõjuta telomeere, nimetatakse kustutamised, ja lõpuosa kadu on trots. Kromosoomi eraldunud osa, kui sellel puudub tsentromeer, kaob. Mõlemat tüüpi puudusi saab tuvastada homoloogsete kromosoomide konjugatsiooni mustri järgi meioosis. Terminaalse deletsiooni korral on üks homoloog teisest lühem. Sisemise puudulikkuse korral moodustab normaalne homoloog ahela kaotatud homoloogipiirkonna vastu.

Puudused toovad kaasa osa geneetilise informatsiooni kadumise, mistõttu on need organismile kahjulikud. Kahjustuse määr sõltub kaotatud ala suurusest ja selle geenikoostisest. Puuduste jaoks mõeldud homosügootid on harva elujõulised. Madalamates organismides on puuduse mõju vähem märgatav kui kõrgemates. Bakteriofaagid võivad kaotada olulise osa oma genoomist, asendades kaotatud lõigu võõra DNA-ga ja samal ajal säilitada funktsionaalse aktiivsuse. Kõrgemates klassides on isegi puuduste heterosügootsusel oma piirid. Seega on Drosophilas rohkem kui 50 kettast koosneva piirkonna kadumine ühe homoloogi poolt surmav, hoolimata asjaolust, et teine ​​homoloog on normaalne.

Inimestel on vaegustega seotud mitmed pärilikud haigused: leukeemia raske vorm (21. kromosoom), vastsündinute cry-the-cat sündroom (5. kromosoom) jne.

Puudusi saab kasutada geneetiliseks kaardistamiseks, luues seose konkreetse kromosoomipiirkonna kaotuse ja indiviidi morfoloogiliste omaduste vahel.

Dubleerimine nimetatakse normaalse kromosoomikomplekti kromosoomi mis tahes osa kahekordistamiseks. Reeglina toovad dubleerimised kaasa tunnuse suurenemise, mida kontrollib selles piirkonnas paiknev geen. Näiteks geeni kahekordistamine Drosophilas Baar, mis põhjustab silma tahkude arvu vähenemist, viib nende arvu edasise vähenemiseni.

Dubleerimised on tsütoloogiliselt kergesti tuvastatavad hiiglaslike kromosoomide struktuurse mustri katkemise tõttu ja geneetiliselt saab neid tuvastada retsessiivse fenotüübi puudumise tõttu ristamise ajal.

Inversioon- lõigu pööramine 180° - muudab geenide järjekorda kromosoomis. See on väga levinud kromosomaalsete mutatsioonide tüüp. Eriti palju leiti neid Drosophila, Chironomuse ja Tradescantia genoomist. Inversioone on kahte tüüpi: paratsentriline ja peritsentriline. Esimesed mõjutavad ainult ühte kromosoomi haru, puudutamata tsentromeerset piirkonda ja muutmata kromosoomide kuju. Peritsentrilised inversioonid hõlmavad tsentromeeri piirkonda, mis hõlmab mõlema kromosoomi haru osi ja võib seetõttu oluliselt muuta kromosoomi kuju (kui katkestused toimuvad tsentromeerist erinevatel kaugustel).

Meioosi profaasis saab heterosügootset inversiooni tuvastada iseloomuliku ahela abil, mille abil taastatakse kahe homoloogi normaalse ja ümberpööratud piirkonna komplementaarsus. Kui inversioonipiirkonnas toimub üks ristumine, põhjustab see ebanormaalsete kromosoomide moodustumist: ditsentriline(kahe tsentromeeriga) ja astsentriline(ilma tsentromeerita). Kui ümberpööratud ala on olulise ulatusega, võib tekkida topeltüleminek, mille tulemusena moodustuvad elujõulised tooted. Topeltinversioonide olemasolul ühes kromosoomi osas on üleminek üldiselt pärsitud ja seetõttu nimetatakse neid "ristuva supressoriteks" ja tähistatakse tähega C. Seda inversiooni omadust kasutatakse geneetilises analüüsis näiteks siis, kui võttes arvesse mutatsioonide sagedust (G. Mölleri mutatsioonide kvantitatiivse arvestuse meetodid).

Kromosoomidevahelised ümberkorraldused - translokatsioonid, kui neil on mittehomoloogsete kromosoomide sektsioonide vastastikune vahetus, nimetatakse vastastikune. Kui katkestus mõjutab ühte kromosoomi ja rebenenud osa kinnitub teise kromosoomi külge, siis on see - mittevastastikune translokatsioon. Saadud kromosoomid toimivad normaalselt rakkude jagunemise ajal, kui igal neist on üks tsentromeer. Translokatsioonide heterosügootsus muudab oluliselt meioosi konjugatsiooniprotsessi, kuna homoloogset külgetõmmet ei koge mitte kaks, vaid neli kromosoomi. Bivalentide asemel moodustuvad neljavalentsed, mis võivad olla erineva konfiguratsiooniga ristide, rõngaste jne kujul. Nende ebaõige lahknemine viib sageli mitteelujõuliste sugurakkude moodustumiseni.

Homosügootsete translokatsioonide korral käituvad kromosoomid normaalselt ja moodustuvad uued siderühmad. Kui need säilivad selektsiooni teel, tekivad uued kromosomaalsed rassid. Seega võivad translokatsioonid olla tõhusaks teguriks spetsifikatsioonis, nagu see on mõnel loomaliigil (skorpionid, prussakad) ja taimedel (datura, pojeng, õhtune priimula). Liigil Paeonia californica osalevad translokatsiooniprotsessis kõik kromosoomid ja meioosi korral moodustub ühtne konjugatsioonikompleks: 5 paari kromosoome moodustavad rõnga (end-to-end konjugatsioon).

Mõiste "mutatsioon" pärineb ladinakeelsest sõnast "mutatio", mis sõna-sõnalt tähendab muutust või muutust. Mutatsiooniline varieeruvus tähistab stabiilseid ja ilmseid muutusi geneetilises materjalis, mida näitab see on pärilike haiguste ja patogeneesi tekkeahela esimene lüli. Seda nähtust hakati aktiivselt uurima alles 20. sajandi teisel poolel ja nüüd on üha enam kuulda, et mutatsiooni varieeruvust tuleks uurida, kuna selle mehhanismi tundmine ja mõistmine on saamas võtmetähtsusega inimkonna probleemidest ülesaamisel.

Rakkudes on mitut tüüpi mutatsioone. Nende klassifikatsioon sõltub rakkude endi tüübist. Generatiivsed mutatsioonid esinevad sugurakkudes; eksisteerivad ka gameetilised rakud. Kõik muutused on päritavad ja neid leidub sageli järglaste rakkudes, põlvest põlve antakse edasi mitmeid kõrvalekaldeid, mis lõpuks muutuvad haiguste põhjuseks.

Need kuuluvad mittereproduktiivrakkudesse. Nende eripära on see, et nad ilmuvad ainult selles indiviidis, kelles nad ilmusid. Need. muutusi ei päri teised rakud, vaid ainult ühes organismis jagunedes. Somaatiline mutatsiooniline varieeruvus on märgatavam, kui see algab varases staadiumis. Kui sügoodi lõhustamise esimestes etappides toimub mutatsioon, tekib rohkem üksteisest erinevate genotüüpidega rakuliine. Sellest lähtuvalt kannab mutatsiooni rohkem rakke; selliseid organisme nimetatakse mosaiigiks.

Pärilike struktuuride tasemed

Mutatsiooniline varieeruvus avaldub pärilikes struktuurides, mis erinevad organisatsiooni erinevatel tasanditel. Mutatsioonid võivad esineda geeni-, kromosomaalsel ja genoomsel tasemel. Olenevalt sellest muutuvad ka mutatsiooni varieeruvuse tüübid.

Geenimuutused mõjutavad DNA struktuuri, põhjustades selle muutumist molekulaarsel tasemel. Sellised muutused mõnel juhul ei mõjuta valgu elujõulisust, s.t. funktsioonid ei muutu üldse. Kuid muudel juhtudel võivad tekkida defektsed moodustised, mis juba peatab valgu võime oma funktsiooni täita.

Mutatsioonid kromosomaalsel tasemel kujutavad endast juba tõsisemat ohtu, sest mõjutavad kromosoomihaiguste teket. Sellise varieeruvuse tagajärjeks on muutused kromosoomide struktuuris ja siin on seotud juba mitmed geenid. Seetõttu võib tavaline diploidne komplekt muutuda, mis omakorda võib üldiselt mõjutada DNA-d.

Genoomsed mutatsioonid, nagu ka kromosomaalsed mutatsioonid, võivad põhjustada mutatsioonide teket. Selle taseme mutatsiooni varieeruvuse näited on aneuploidsus ja polüploidsus. See on kromosoomide arvu suurenemine või vähenemine, mis on inimestele kõige sagedamini surmavad.

Genoomsed mutatsioonid hõlmavad trisoomiat, mis tähendab kolme homoloogse kromosoomi olemasolu karüotüübis (arvu suurenemine). See kõrvalekalle viib Edwardsi sündroomi ja Downi sündroomi tekkeni. Monosoomia tähendab ainult ühe kahest homoloogsest kromosoomist (vähendatud arv), mis praktiliselt välistab embrüo normaalse arengu.

Selliste nähtuste põhjuseks on häired sugurakkude erinevatel arenguetappidel. See tekib anafaasi mahajäämuse tagajärjel – homoloogsed kromosoomid liiguvad poolustele ja üks neist võib maha jääda. Samuti on olemas mõiste "mittelahutus", kui kromosoomid ei eraldunud mitoosi või meioosi staadiumis. Selle tulemuseks on erineva raskusastmega rikkumiste ilming. Selle nähtuse uurimine aitab mehhanisme lahti harutada ja võimaldab tõenäoliselt neid protsesse ennustada ja mõjutada.