Тема
22. Нехромосомное наследование
Общие замечания
Помимо геномных
нуклеиновых кислот, входящих в состав хромосом и обуславливающих хромосомное
наследование, в клетках про – и эукариот находятся молекулы ДНК (реже РНК),
реплицирующиеся либо в виде автономных структур, либо в составе органоидов.
Количество нехромосомной ДНК сравнительно невелико и составляет для разных
организмов от десятых долей до нескольких процентов. Нехромосомные кольцевые
или реже линейные молекулы нуклеиновых кислот, реплицирующиеся автономно от
хромосом в клетках эукариот и бактерий, называют общим термином – плазмиды.
В составе плазмид могут находиться гены, кодирующие ряд признаков
клеток-хозяев. Наследование этих клеток не подчинено менделевским
закономерностям наследования признаков, что вполне понятно, так как
материальная основа законов Менделя заключается в перераспределении хромосом во
время мейоза и оплодотворения.
Явление неменделевского
наследования у растений было обнаружено еще в начале XX в. Наиболее характерный пример –
наследование пестролистности у ночной красавицы. Признак пестролистности связан
с мутациями в ДНК хлоропластов, нарушающими синтез хлорофилла. Вследствие этого
отдельные части листа и других зеленых органов растений лишены хлорофилла и
оказываются светлыми. Во время мейоза хлоропласты попадают в цитоплазму
яйцеклеток, а в клетках пыльцы большинства видов растений они практически
отсутствуют. Таким образом, наследование пестролистности передается по
материнской линии.
Митохондрии также
содержат кольцевидные молекулы ДНК и имеют собственный аппарат белкового
синтеза. Митохондриальные гены кодируют в основном две группы признаков,
связанных с работой дыхательных систем и устойчивостью к антибиотикам и другим
клеточным ядам.
Кроме митохондриальных и
пластидных ДНК существуют цитоплазматические ДНК, совсем не связанные с этими
органоидами. В цитоплазме клеток позвоночных найдены различной формы молекулы
ДНК, напоминающие плазмиды бактерий. Роль и происхождение этих плазмидоподобных
структур не совсем ясны. Предполагают, что частично они имеют ядерное
происхождение, частично связаны с присутствием в цитоплазме эукариот
эндосимбионтов – бактерий и вирусов.
Нехромосомный
генетический материал бактерий представлен небольшими кольцевидными молекулами
ДНК – плазмидами. В них находятся гены, кодирующие устойчивость бактерий к
антибиотикам и другим лекарственным средствам, токсичность бактерий и ряд
других их свойств.
В заключение следует
подчеркнуть, что, хотя количество нехромосомных генов относительно невелико,
клетка может содержать в некоторых случаях сложную систему полуавтономных
взаимодействующих генетических единиц, находящихся не только в хромосомах ядра.
Представление о генах вне хромосом получило в современной науке достаточное
фактическое обоснование и развилось в самостоятельный раздел генетики.
Вопросы
для самоконтроля:
1.
Передача каких генетических структур из поколения в
поколение не связана с хромосомным наследованием?
2.
Каково значение митохондриальной ДНК?
3.
По каким признакам можно определить, что наследование
признака связано с нехромосомным наследованием?
Тема 23. Мутации
Общие замечания
Термин «мутация» впервые был
предложен Гуго де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория»
(1901-1903 гг.). Мутацией он назвал явление скачкообразного, прерывного
изменения наследственного признака.
Основные
положения мутационной теории де Фриза:
1. Мутации возникают внезапно, без всяких переходов.
2. Новые формы вполне константы, т.е. устойчивы.
3. Один и тот же ген может мутировать повторно.
Мутации от дикого типа к мутантному называют прямыми, от мутантного к дикому
обратными.
4. Мутации наследуются.
5. Мутации происходят в различных направлениях, т.е.
они могут быть как вредными, так и полезными.
Однако де Фриз допустил
принципиальную ошибку, противопоставив
теорию мутации теории естественного отбора. Он считал, что мутации могут
сразу давать новые виды, приспособленные
к внешней среде, без участия отбора. На самом деле мутации являются лишь
источником наследственных изменений, служащих материалом для отбора.
На сегодняшний день
существуют несколько типов классификации мутаций. Первую попытку
классификации мутаций предпринял Г.
Меллер в 1932 г. В основу этой классификации были положены направление и сила
действия мутантной аллели в сравнении с действием нормальной аллели. Согласно
ей выделяют следующие типы мутаций:
1. Гипоморфные – действуют в том же направлении, что и ген дикого
типа, но дают ослабленный эффект («эозиновые глаза» глаза у дрозофилы).
2. Аморфные – такие мутации, которые неактивны в отношении
типичного эффекта нормальной аллели (гены альбинизма, тормозящие развитие пигментов
у животных или хлорофилла у растений).
3. Антиморфные – действие которых являются противоположными дикому
типу (например, пурпурная окраска, растения и семян у кукурузы).
4.
Неоморфные
– действие которых совершенно иное, чем действия генов дикого типа.
5. Гиперморфные – действуют в том же направлении, что и ген
дикого типа и дают сильный эффект.
Данная классификация
имеет историческое значение и в настоящее время не применяется.
Современные классификации мутаций
основаны на их различии по следующим признакам:
1. По фенотипическому проявлению:
1.
Морфологические –
затрагивают внешние признаки; изменяют характер роста и формирования органов у
животных и растений (коротконогость у ряда с/х животных, бескрылость у
насекомых, бесшерстность у млекопитающих,
гигантизм и карликовость).
2.
Физиологические -
изменения в физиологических процессах, особенно связанных с размножением
(бесплодие, мутации фотосинтеза).
3.
Биохимические
-мутации, тормозящие или изменяющие синтез определенных химических веществ в
организме. Они изменяют химический состав организма или его потребность в тех
или иных химических веществах.
Например, человек с пищей получает незаменимую аминокислоту – фенилаланин.
Ген А преобразует его в тирозин, ген В в меланин по схеме:
ген А ген В
фенилаланин ® тирозин
® меланин
Если
произойдет мутация гена В, то это приведет к альбинизму. Если мутация
затрагивает ген А, то фенилаланин накапливается в крови, в клетках мозга и
развивается фенилкетонурия (юношеское
слабоумие).
2. По
причинам возникновения:
1. Спонтанные - возникают
под влиянием обычных природных факторов внешней среды или в результате
физиологических и биохимических изменений в самом организме.
2. Индуцированные - возникают
под влиянием специальных воздействий (ионизирующей радиации, химических веществ
и т.д.).
3. По
месту возникновения:
1. Генеративные – возникают в половых клетках;
2. Соматические – возникают в клетках тканей тела.
4. По
адаптивному значению:
1. Полезные летальные ®
смерть
2. Вредные
3. Нейтральные сублетальные ®
понижающие жизнеспособность.
5. По
характеру изменений генотипа:
1. Генные или точковые – изменения отдельного гена;
2. Хромосомные – изменение структуры хромосом;
3. Геномные – изменение числа хромосом;
4.Плазменные -изменения в
цитоплазматических генах.
Генные
мутации представляют собой
изменения отдельного гена, фенотипически проявляются в изменении отдельного
признака. Так как ген представляет собой участок молекулы ДНК, то генная
мутация – это изменение нуклеотидного изменения следующих типов:
1. выпадение нуклеотида
2. вставка нуклеотида
3. замена одного нуклеотида другим
Последствия таких изменений заключаются в изменении смысла кодонов ДНК.
По характеру этих изменений различают два типа генных мутаций:
1.
миссенс-мутации –
изменение нуклеотидного состава приводит к синтезу другого белка и к изменению
признака;
2.
нонсенс-мутация –
появляются бессмысленные кодоны и прекращается синтез белка, т.е. признак не проявляется.
Замена нуклеотидов в ДНК может быть двух видов:
1. транзиция (от лат. transitio - переход, перемещение) -
мутация, обусловленная заменой азотистого основания в молекуле нуклеиновой
кислоты. При транзициии одно пуриновое основание заменяется на другое (аденин
на гуанин, или наоборот) или одно пиримидиновое основание на другое (тимин на
цитозин, или наоборот).
2. трансверсия (от лаг. transversus - повёрнутый в сторону,
отведённый) - мутация, обусловленная заменой пуринового основания (аденин,
гуанин) на пиримидиновое (тимин, цитозин) и наоборот. В отличие от транзиций,
трансверсии иногда называют сложными или перекрёстными заменами, т. к.
происходит изменение ориентации пурин - пиримидин в мутантном сайте
двуцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты.
Способность к мутациям является свойством самого гена. Частота мутаций
также является признаком, характерным для гена или генотипа в целом. Гены с
высокой частотой мутирования называются мутабильными, с низкой частотой
мутирования – стабильными. Существуют
гены, повышающие частоту мутирования других генов – т.н. гены - мутаторы.
Генные мутации имеют огромное
значение в эволюции и селекции. Это основной источник изменчивости для
естественного отбора в эволюции и для искусственного в селекции.
Хромосомные мутации характеризуются изменениями
положения участков хромосом. Они могут быть внутрихромосомными и межхромосомными.
К внутрихромосомным мутациям относят:
1.
Дефишенси и делеции-
нехватки или потеря части хромосом;
Хромосомы могут утрачивать большие и маленькие участки, несущие наследственную
информацию.
Соответственно
числу разрывов и их месту в хромосоме образуются разные типы нехваток:
1) АВ
. СDEF Если
разрыв происходит в одном из плеч хромосом, то
¯ данное плечо укорачивается.
Оторвавшийся участок
АВ .
СD EF лишен центромеры, поэтому при ближайшем
делении
ядра он элиминирует. Такие нехватки называют терминальными (или
концевыми), а также дефишенси;
2) АВ
. СDEF Нехватки могут возникать
также в результате двух
¯ одновременных разрывов в середине хромосомы.
АВ .
С DE F Места разрывов соединяются и
хромосома становится
короче, внутренний участок элиминирует. Такие
нехватки называют делециями.
Нехватки могут быть
большими и малыми. Большие нехватки, как правило, летальны, т.к. они нарушают
генный баланс.
|
АВС АС
авс авс
У
человека нехватки вызывают летальные или тяжелые наследственные заболевания.
Например, делеция в 21 хромосоме вызывает
злокачественное белокровие. Этот факт впервые был установлен в
Филадельфии, поэтому 21 хромосома была названа филадельфийской хромосомой.
Делеция в 12 и 15 хромосомах
вызывает т.н. «синдром кошачьего крика» (плач ребенка напоминает
мяуканье кошки, это аномалии не только голосового аппарата, но и ЦНС).
2.
Дупликации – умножение тех или
иных участков хромосом;
Возникают в результате присоединения участка другой гомологичной
хромосомы или в результате неравного кроссинговера.
АВ .
CDEFH
АВ .
CCDEFH
Если дуплицирующие участки следуют друг за другом, то такая дупликация
называется дупликацией «гуськом».
Обнаружена у мыши, нейроспоры, кукурузы
и др.
АВ. CDCDCDEFH
AB. CDEFH
3.
Инверсии – изменения линейного
расположения генов в хромосоме вследствие перевертывания на 1800 отдельных участков хромосомы;
AB. CDEF
AB.
CEDF
Существует 2 типа инверсий:
·
парацентрические инверсии –
изменения затрагивают одно плечо хромосомы.
AB. CDEF ®
АВ.
СЕDF
·
перицентрическая инверсия –
изменения происходят в обоих плечах.
ABCD . EF
® ABЕ
. DСF
4.
Инсерции – перестановка
участков внутри одной хромосомы
АВ .CDEFM Возникают
в результате нескольких одновременных разрывов.
¯
В результате перемещения генов из одного района в
другой АВ .CD EF M район той же хромосомы первоначальные
свойства генов
¯ могут либо изменяться,
либо сохраняться. Эффект зависит от
ABEFCDM того, в каком соседстве он
оказывается. Это явление называется эффектом положения генов. Впервые
было описано в 1925 г. учеником Моргана А. Стертевантом. В отечественной
литературе был описан Сидоровым и Дубининым.
Межхромосомные мутации – или
транслокации – обмен участками
между негомологичными хромосомами.
AB.
CDE AB. NOP
FM. NOP FM.CDE
При
транслокациях изменяются группы сцепления генов. Впервые транслокация была
обнаружена в 1915 г. Беллингом. Транслокации встречаются среди растений и
животных. Среди растений они особенно часто
встречаются у дурмана, томата, пшеницы; среди животных у кузнечиков и
скорпионов. Транслокация приводит к изменению групп сцепления. У растений
транслокацию можно выявить по снижению фертильности пыльцы (появляются
стерильные гаметы), а у животных по уменьшению разнообразия расщепления.
Геномные мутации – это изменение числа хромосом.
ТИПЫ
ГЕНОМНЫХ МУТАЦИЙ
1. ГАПЛОИДИЯ 2.
ПОЛИПЛОИДИЯ
 |
а)
автополиплоидия в)
гетерополиплоидия
(эуполиплоидия)
(анеуполиплоидия)
б) аллоплоидия
(амфиполиплоидия)
1. Гаплоидия – это возникновение организмов, имеющих в
соматических клетках гаплоидный набор хромосом. Гаплоидным набором хромосом
называют такой набор, в котором из каждой пары гомологичных хромосом
представлена только одна. Такой набор несет часть наследственной информации
родителей. Совокупность генов, заключенную в таком гаплоидном наборе, Г.
Винклер предложил называть геномом.
Гаплоидия может быть двух типов: а) естественной – встречается в жизненном
цикле спорообразующих грибов, бактерий и одноклеточных водорослей; б) искусственной
– возникает под влиянием внешних агентов (температуры, рентгеновских лучей и
т.д.). Искусственно гаплоиды получены у дурмана, кукурузы. Впервые гаплоид у
высших растений был обнаружен у дурмана в 1921 г. Затем гаплоиды были найдены у
пшеницы, кукурузы и др. растений. У животных гаплодия встречается редко.
Гаплоидия является результатом партеногенетического развития зародыша.
Характерные особенности гаплоидов:
·
проявляются рецессивные гены, т.к. их не перекрывают
доминантные аллели. Как правило, рецессивные аллели – это вредные аллели, поэтому
гаплоиды имеют низкую жизнеспособность;
·
имеют меньшие размеры ядра, клетки и растения в
целом;
·
почти бесплодны, т.к. в мейозе не образуется
полноценных гамет.
Гаплоидия широко
используется в селекции, так как в гаплоидных тканях растений можно улавливать
полезные и устранять летальные и понижающие жизнеспособность рецессивные
соматические мутации, а затем гаплоиды с полезными мутациями переводить в
диплоиды. Таким путем получены гаплоиды у томата, табака и хлопчатника.
2. Полиплоидия-
геномная мутация, связанная с увеличенеим числа хромосом, являющимся
следствием нарушения митоза или мейоза; является важным источником изменчивости
в эволюции и селекции.
Различают следующие виды полиплоидии: автополиплоидия, аллополиплоидия и
гетерополиплоидия.
Автополиплоидия – кратное гаплоидному набору умножение числа хромосом
одного и того же вида. В результате возникают клетки с разным набором хромосом:
3n - триплоидные, 4n – тетраплоидные, 5n – пентаплоидные и т.д., характерно для растений.
Характерные особенности
автополиплоидов:
·
Имеют увеличенные размеры ядра, клеток, органов
и растений в целом.
·
Происходит изменение физиологических свойств
клеток (увеличение количества воды, уменьшение осмотического давления,
изменение содержания белков, ряда витаминов, хлорофилла и т.д.).
·
Имеют более высокие адаптационные способности.
У человека может наблюдаться триплоидия – 69 хромосом, тетраполиплоидия –
92 хромосомы. Как правило, они подвергаются спонтанному абортированию на раннем
этапе внутриутробного развития (начало второго месяца). Триполиплоидия –
впервые у человека обнаружена в 60-х годах ХХ века. 1% доживает до 6-7 мес. эмбриогенеза.
Максимальная продолжительность жизни – 7 дней. Имеют многочисленные пороки
развития – пороки головного мозга, сердца, ЖКТ и т.д.
Аллополиплоидия
– кратное гаплоидному набору умножение числа хромосом
отдаленных гибридов. Поскольку в генотипе отдаленных гибридов объединяются
негомологичные хромосомы, аллополиплоиды часто бесплодны. Позже были
разработаны методы преодоления бесплодия у отдельных гибридов. Большой вклад в
эту область внесли советские генетики Г.Д. Карпеченко, М.С. Навашин, Б.Л.
Астауров. Классический пример – создание в начале 20-х годов Карпеченко
рафанобрассики – гибрида редьки (Raphanus
sativus) c капустой (Brassica
oleracea).
Гетероплоидия
или анеуплоидия – некратное гаплоидному набору изменение числа
хромосом. Впервые обнаружено К. Бриджесом. Причиной изменения числа отдельных
хромосом является нерасхождение хромосом при гаметогенезе. В результате появляются гаметы, в которых
хромосомы либо отсутствуют, либо представлены в двойном количестве.
Различают:
а)моносомию (2п-1) – в хромосомном наборе нет одной хромосомы; б) трисомию (2n + 1) -хромосомном наборе имеется одна лишняя
хромосома; в) тетрасомию (2п+2) – 2 лишние хромосомы; г) нуллисомики (2п-2) –
недостает одной пары гомологичных хромосом.
Полные трисомии (2п+1) описаны у человека по большому числу хромосом: 8,
9, 13, 14, 18, 21, 22, Х и У. Однако среди аутосомных трисомий только трисомии
по 21 и 22 хромосомам обладают жизнеспособностью, другие аутосомные трисомии
приводят к гибели в первые дни после рождения.
Трисомия по 21 хромосоме (лишняя хромосома по 21 паре) – синдром
Дауна (частота 1/700, частота увеличивается с возрастом матери). Дауны
имеют тяжелые физические и психические дефекты, обладают пониженной жизнеспособностью.
В выраженных случаях уже у новорожденных выявляется совокупность типичных
признаков: косо расположенные глазные щели, широкая уплощенная переносица,
дополнительная кожная складка у внутреннего угла глаза, полуоткрытый рот,
увеличенный язык, уплощенный затылок и т.д. Мужчины, как правило, стерильны,
женщины частично плодовиты.
Примеры гетероплоидии по половым хромосомам:
-
отсутствует одна Х – хромосома – 45
вместо 46 - (44+Х) – синдром Шерешевского-Тернера -
болезнь, проявляющаяся у женщин и проявляющаяся в отсутствии яичников,
недоразвитии вторичных половых признаков и в полном бесплодии, также характерен
маленький рост, отставание в умственном развитии и преждевременное старение.
-
лишняя Х-хромосома–47 вместо 46-
(44+ХХУ)– синдром Клайнфельтера- болезнь, проявляющаяся у мужчин и
выражающаяся в недоразвитии половых желез (яичек), а затем бесплодии,
непропорциональном развитии конечностей и часто умственной отсталости. Синдром
был впервые описан в 1942 г., а его
этиология, связанная с хромосомной аномалией- только в 1959 г.
-
женщины с 3 Х-хромосомами 47
хромосом – 44_ХХХ – «сверхженщина»- характерно недоразвитие яичников, частично
плодовита.
Плазменные мутации – это изменения в
цитоплазматических генах. В структурных элементах цитоплазмы – пластидах,
митохондриях, центросомах находятся внехромосомные гены – т.н.
плазмогены. Плазменные мутации возникают в результате мутаций в этих
плазмогенах. Подобные мутации могут приводить к мужской стерильности.
Решение
типовой задачи
Растение, гетерозиготное по
двум генам А и В, дает при самоопылении расщепление 9 : 3 : 3 : 1. Когда его
хромосомы удваиваются, то образуется автотетраплоид ААааВВвв. Предполагается,
что кроссинговер между этими генами и центромерой не идет. Какое расщепление
будет в потомстве от самоопыления такого растения?
Расщепление в отношении 9 : 3 : 3 : 1
показывает, что оба гена располагаются в разных группах сцепления и наследуюся
независимо. Расщепление в потомстве тетраплоида в этом случае будет
произведением расщепления по каждому из генов.
Тетраплоид
ААаа образует три сорта гамет в соотношении: 1АА : 4Аа : 1аа, что легко
определить, воспользовавшись правилом аллельного квадрата.
С помощью решетки Пеннета определяем
расщепление по гену А:
 ♂
♀
|
1 АА
|
4 Аа
|
1 аа
|
1 АА
|
1
АААА
|
4
АААа
|
1
ААаа
|
|
4 Аа
|
4
АААа
|
16
ААаа
|
4
Аааа
|
|
1 аа
|
1
ААаа
|
4
Аааа
|
1
аааа
|
В случае полного доминирования расщепление по фенотипу
будет 35 А:1 а. По гену В расщепление должно быть аналогичным: 35 В : 1 b.
Суммарное расщепление по фенотипу по обоим признакам в потомстве от самоопыления
заданного растения будет определяться как произведение обоих расщеплений – (35 А : 1 а) Х (35 В : 1 b) =
1225 АВ : 35 Аb : 35 аВ : 1 аb.
Задачи:
1.
Какие варианты по количеству 21-й хромосомы могли бы
образоваться у потомков от брака двух больных синдромом Дауна при условии, если
бы они могли пожениться и оставить потомство?
2.
Скрещены тетраплоиды дурмана – гомозиготный
пурпурно-цветковый (А) и
белоцветковый (а). В каком поколении
и с какой вероятностью появится фенотип а
при условии полного доминирования?
3.
При скрещивании тетраплоидных растений дурмана с
пурпурными цветками в F1
получили 396 растений с пурпурными и 40 с белыми цветками. Объясните
расщепление и определите генотипы исходных растений.
4.
Какие фенотипы и в каком соотношении могут возникнуть
при реципрокных скрещиваниях двух триплоидов Ааа и Ааа при условии полного
доминирования?
5.
У тетраплоида генотипа Аааа кроссинговер между геном и
центромерой составляет 50 %. Рассчитайте соотношение разных гамет и фенотипов в
потомстве, полученном в результате самоопыления. Наблюдается полное доминирование.
6.
При скрещивании диплоидной желтозерной ржи с
белозерной F1 было зеленозерное, а в F2 на 9 зеленых
семян получено 3 желтых и 4 белых. Каково будет F2, если из коллекции для
скрещивания взяты аналогичные тетраплоидные формы? Расщепление полное
хромосомное.
Вопросы для самоконтроля:
1. Укажите, какие из
перечисленных ниже утверждений, касающихся комбинативной изменчивости,
неправильны:
а) новые фенотипы потомков
возникают в результате образования у родителей гамет с
нередуцированным числом хромосом; б) новые комбинации генов возникают у потомков вследствие
независимого расхождения пар гомологичных хромосом в процессе мейоза при
образовании половых клеток у родителей; в) генетические рекомбинации между
гомологичными хромосомами являют результатом кроссинговера; г) причиной возникновения рекомбинантных
хромосом является замена или выпадение пар азотистых оснований в молекулах ДНК;
д) новые комбинации генов у потомков возникают при слиянии разных сортов гамет
при оплодотворении.
2. Назовите для каждого из
типов мутаций – гетероплоидия (1), хромосомные (2), генные (3), полиплоидия (4)
– характерные особенности изменения генетической информации: а) вставка пары
азотистых оснований в ДНК; б) изменение числа гаплоидных наборов; в) изменение
числа хромосом, не кратное гаплоидному набору; г) изменения положения участков
хромосом; д) изменения последовательности аминокислот; е) замена пары азотистых
оснований в ДНК; ж) выпадение пары азотистых оснований в ДНК.
3.
Можно считать, что не все изменения структуры молекул
ДНК реализуются фенотипически в следующем поколении в виде мутаций, потому что:
а) изменения
ДНК находятся в половых клетках и мутация имеет доминантный характер; б)
повреждения ДНК могут устраняться с помощью ферментов; в) доминантная мутация
находится в соматических клетках организма, размножающегося половым путем; г)
рецессивная мутация находится в половых клетках организма в популяции с большой
численностью особей; д) мутация привела к нарушению жизненно важных свойств
организма.
4.
Из приведенных ниже особенностей изменчивости укажите
черты, не характерные для модификаций:
а) изменения не передаются
следующему поколению и могут исчезать после прекращения действия вызвавшего их
фактора; б) изменения возникают внезапно, скачкообразно, ненаправленно; в)
возникшие изменения передаются из поколения в поколение; г) сходные изменения
характерны для большинства особей популяции; д) возникшие изменения в фенотипе,
как правило, соответствуют изменениям среды.
Комментариев нет:
Отправить комментарий