Лекции.ИНФО


Морфозы, фенокопии, эспрессивность, пенетрантность



Взаимосвязь между генотипом и фенотипом в онтогенезе. Генотип – это программа развития, обусловленная историей развития вида. Фенотип можно определить как результат реализации генотипа в ходе онтогенеза при определенных условиях внешней среды, для которого характерна система признаков и свойств организма.

Например, у растений синтез хлорофилла, который контролируется действием генов, не может происходить в темноте, и для этого процесса обязательно наличие света. Подобное наблюдается и при образовании антоциана: при недостаточном освещении гены, контролирующие образование этого пигмента, действуют очень слабо или совсем не действуют. Известно, что для нормального развития, цветения и плодоношения каждый вид растений на определенных этапах онтогенеза нуждается в определенной продолжительности светового дня.

Экспрессивность и пенетрантность генов. В идеале каждому генотипу должен соответствовать строго определенный генотип. Однако такое однозначное соответствие встречается сравнительно редко. Для количественного описания неоднозначного соответствия фенотипа генотипу выдающийся российский генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский ввел понятия экспрессивности и пенетрантности генов.

Экспрессивностью называется степень выраженности рассматриваемого признака у организмов с одинаковым генотипом. Экспрессивностью характеризуется конкретная особь. Например, у дрозофил с генотипом eyey (eyeless – безглазые) уменьшено число глазных фасеток, но абсолютное число фасеток варьирует от 0 до 50% от нормы (779 фасеток). Тогда экспрессивность аллеля ey при полном отсутствии фасеток у особи равна 100%, а у особи с числом фасеток, уменьшенным в два раза, – 50%.

Пенетрантностьюпроявления гена называется отношение числа особей, у которых проявляется данный признак, к общему числу с данным генотипом. Пенетрантностью характеризуется признак в однородной группе особей. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у всех особей, имеющих его, а при неполной – лишь у некоторых. Например, у дрозофилы доминантная мутация Lobe (L) вызывает уменьшение размера глаз, однако этот признак проявляется только у 75% осо­бей; у остальных 25% мух – носителей гена L – глаза нормальные. Тогда пенетрантность аллеля L равна 75%.

Экспрессивность и пенетрантность часто зависят от условия среды, в которой развивается организм: освещения, температуры или влажности.

Пример 1. У дрозофилы с генотипом vgvg (vestigial – остаточный) крылья недоразвитые, зачаточные, но эта мутация сильнее проявляется при пониженной температуре. (Примечание. Аллель vestigial обладает плейотропнымдействием: при­водит к редукции крыльев, но также к модификации галтеров, изменению положения определенных щетинок на дорсальной стороне тела, снижению плодовитости и продолжительности жизни и другим отличиям мутантных мух от нормальных. Однако из этого не следует, что ген vestigial в равной мере может считаться и геном щетинок, и геном плодовитости и т. д.)

Пример 2. У примулы известен ген окраски цветка, действие которого зависит от температуры. При температуре 30…35° и высокой влажности цветки примулы оказываются белыми, а при низкой температуре – красными.

Пример 3. У кроликов фенотипическое проявление гена Ch при нормальной температуре (~ 20°) выражается в том, что при общей белой окраске уши, нос, кончики лап и хвост оказываются черными (такая окраска называется горностаевой, или гималайской). При температуре выше 30° окраска кроликов оказывается сплошь белой. Если же любой участок тела, на котором выщипана белая шерсть, систематически охлаждать, то на нем вырастает черная шерсть.

Пример 4. У пшеницы (и многих других растений) хорошо известны озимые и яровые формы. Озимые формы, посеянные весной, обычно растут, кустятся, но не переходят к колошению, т. е. не развиваются. Если же семена озимых форм перед весенним посевом подвергнуть на протяжении определенного времени действию пониженных температур при определенной влажности (яровизация), то растения будут развиваться по яровому типу и перейдут к плодоношению.

В рассмотренных примерах экспрессивность аллелей зачаточных крыльев у дрозофилы, белой окраски цветков у примулы, горностаевой (гималайской) окраски у кроликов, типа развития у злаков зависит от температуры. В других случаях пенетрантность и экспрессивность определяются генами-модификаторами, которые создают генотипическую среду для проявления гена. Значение генетических факторов в определении характера проявления признаков доказывается эффектом отбора в линиях с не полностью пенетрантными генами. Можно получить линии как с резко сниженной пенетрантностью по сравнению с исходной линией, так и со 100%-ной пенетрантностью.

Таким образом, в фенотипе никогда не реализуются все генотипические возможности, т. е. фенотип каждой особи есть лишь частный случай проявления ее генотипа в определенных условиях развития. Формирование различных вариантов признака на основе одного и того же генотипа называется поливариантностью онтогенеза.

Морфозы и тераты. Нормальным может быть назван такой фенотип, который возникает в оптимальных условиях среды под контролем нормального, или «дикого» генотипа. Фенотипические отклонения от «дикого типа» образуютморфозы и тераты. Морфозы – это такие изменения органов, которые не препятствуют нормальному функционированию организма (например, сросшиеся цветоносные побеги у одуванчика, изменение конфигурации листьев). Тераты (уродства) приводят к частичной или полной утрате органом его функций (например, превращение плодолистиков в обычные листья–трофофиллы, тычинок в лепестки). Морфозы и тераты не связаны с изменениями в генах, непосредственно отвечающих за формирование рассматриваемых признаках. Иначе говоря, это результат нарушения действия генов. Поскольку генотип остается неизменным, морфозы и тераты не наследуются, однако склонность к появлению таких нарушений может быть обусловлена особенностями генотипа. Морфозы и тераты могут быть обусловлены воздействием различных физических и химических факторов.

Пример 1. Серая окраска тела у дрозофилы – это нормальный признак. Если личинкам дрозофилы добавлять в корм азотнокислое серебро, то все эти личинки разовьются в мух с желтым телом. Но, если от этих желтых мух получить потомство и выращивать его на обычной питательной среде, то все потомки вновь станут серыми. Таким образом, в данном случае «пожелтение» тела мух – это не мутация, а морфоз.

Пример 2. У некоторых насекомых понижение температуры вызывает развитие меланистической окраски («почернение» тела). Если от меланизированных форм получить потомство и выращивать личинок при нормальной окраске, то все потомки вновь вернутся к исходной окраске.

Пример 3. В 1960-е гг. в Европе широко использовался транквилизатор талидомид. Однако у беременных женщин, принимавших этот препарат, родилось около 7 тысяч детей с врожденными уродствами (отсутствие или деформация ушных раковин, больших пальцев на руках, укорочение конечностей, смещение бедра; тератогенное действие талидомида было особенно сильным на 20…36 сутки развития зародыша).

Пример 4. Некоторые косметические препараты (например, для лечения угрей) содержат аналог витамина А (13-цис-ретиноевую кислоту). У 59 беременных женщин, использовавших эти препараты, родился 21 ребенок с различными уродствами, а 12 плодов были спонтанно абортированы (критическим периодом для 13-цис-ретиноевой кислоты также являются 20…35 сутки развития зародыша).

Пример 5. У беременных японок, переживших ядерную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки, часто рождались дети с недоразвитыми конечностями. В результате Чернобыльской катастрофы в районах с уровнем загрязнения более 15 Ки/км2 (по Cs-137) частота врожденных аномалий возросла почти в 2 раза (по сравнению с Минском в 1980–1985 гг.).

Отклонения от «дикого фенотипа» не всегда являются аномалиями. Сельскохозяйственная практика показывает, что, изменяя условия выращивания растений и животных, можно в широких пределах варьировать конечные результаты без ущерба для самих организмов. Для многих видов растений хорошо известны условия выращивания, обеспечивающие наибольшую продуктивность. Известно значение витаминов и гормонов для онтогенеза животных, что можно использовать для регулирования их индивидуального развития. Например, установлены особенности влияния освещения и температуры на яйценоскость у домашней птицы.

Фенокопии и генокопии

Довольно часто при реализации разных генотипов могут возникать сходные фенотипы: фенокопии и генокопии.

Термин «фенокопия» употребляется в том случае, если рассматриваются «дикий» и мутантный генотипы. Корректное применение термина «фенокопия» предполагает, что для одного генотипа данный результат считается нормальным, а для другого – аномальным. Фенокопии – это, в сущности, морфозы и тераты. Они не наследуются, но наследуется предрасположенность к образованию фенокопий.

Пример 1. У насекомых темная окраска тела может быть обусловлена генетически. Однако при низких температурах появляются меланистические формы и у насекомых с генотипом, который при в стандартных условиях дает обычную окраску. Тогда морфоз «темное тело» является фенокопией мутации «темное тело».

Пример 2. Яровой тип развития у злаков обусловлен определенным генотипом. Яровизация озимых злаков обусловлена воздействием внешних факторов. Тогда развитие озимых злаков по яровому типу является фенокопией наследственно яровых форм.

Термин «генокопия» используется, если рассматривается два и более мутантных генотипа. Например, у дрозофилы ярко-красную окраску глаз обеспечивают мутации в разных генах: v, cn, st, cd. Тогда дрозофилы с разными генотипами, но ярко-красными глазами будут генокопиями друг друга.

Механизмы возникновения генокопий различны. Например, цепочка превращений исходного вещества в конечный продукт X→Y→Z может быть прервана в результате мутаций в гене A, контролирующем переход X→Y, или в генеB, контролирующем переход Y→Z.

 

Мутационная изменчивость. Классификация, характеристика и номенклатура мутаций. Генные, геномные, хромосомные мутации. Классификация хромосомных перестроек. Характеристика транслокаций и возможные типы гамет у носителей

Несмотря на эффективность систем, поддерживающих идентичность генетического материала при его воспроизведении, консерватизму наследственности всегда сопутствует и противостоит наследственная изменчивость - способность генетического материала претерпевать изменения, наследуемые в потомстве.

Наследственная изменчивость организмов состоит из:

• комбинативной изменчивости, обеспечиваемой перекомбинированием генов, хромосом и их сегментов, несущих различные аллели, что выражается в разнообразии организмов-потомков, получивших новые (иные, чем у родителей) комбинации аллелей в результате случайного сочетания при оплодотворении и вследствие кроссинговера, а также

• мутационной изменчивости, являющейся результатом возникающих стойких из-менений генов и/или хромосом, которые обусловливают заметные качественные изменения наследственных признаков (подвергаясь отбору, они либо сохраняют-ся в популяциях, либо элиминируются).

Термин «мутация» предложил голландский ботаник Гуго де Фриз в своем классическом труде «Мутационная теория» (1901—1903 гг.), основные положения которого до сих пор не утратили значения:

• мутации возникают внезапно, дискретно, без переходов;

• они константны в своем проявлении;

• мутации наследуются;

• они могут быть как полезными, так и вредными (добавим, а также — нейтральными);

• выявление мутаций зависит от количества проанализированных особей;

• одни и те же мутации могут возникать повторно, хотя и с низкой частотой. Таким образом, под мутациями подразумеваются дискретные, стабильные изме-нения наследственного материала, приводящие к изменению фенотипа. Процесс возникновения мутаций называют мутационным, или мутагенезом (последний тер-мин чаще употребляют в отношении индуцированных мутаций). Организм, приоб-ретший какой-либо новый признак и тем самым изменивший свой фенотип в ре-зультате мутации, называют мутантом (рис. 13.1).

Впервые теорию непрерывно идущего в органическом мире мутационного про-цесса, в результате которого от константных видов «временами отщепляются новые формы», выдвинул С.И. Коржинский — российский академик, директор ботаниче-ского сада при Петербургском университете. Книга С.И. Коржинского «Гетерогене-зис и эволюция», изданная в России в 1899 г. и переведенная на немецкий язык в 1901 г., стала известна Г. де Фризу в процессе его работы над «Мутационной теорией» и послужила объектом цитирования и обсуждения.

Определение характера и частоты мутаций - тончайший экспериментальный прием, широко используемый генетиками для решения многих фундаментальных проблем. Но особая важность детального изучения мутационного процесса обусловлена тем, что именно мутации служат первоосновой многих наследственных болезней человека. Следовательно, проблема профилактики наследственной патологии хотя бы частично может быть решена только при выяснении механизма становления мутаций.

Охарактеризовать с современных позиций такое сложное, многообразное явле-ние как мутационный процесс чрезвычайно трудно. Сложность этой задачи лучше всего иллюстрирует многообразие подходов к классификации мутаций.

ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ

Мутации различают

1) по происхождению:

• спонтанные (возникают самопроизвольно),

• индуцированные (возникают при экспериментальном воздействии на генети-ческий материал);

2) по проявлению в гетерозиготном состоянии:

• доминантные,

• рецессивные;

3) по направлению:

• прямые (переводят состояние дикого типа в качественно иное состояние),

• обратные (иначе — реверсии, возвращают мутантное состояние к дикому типу);

4) по уровню организации изменяемого генетического материала'.

• геномные,

• хромосомные,

• генные;

5) по силе проявления аллелей:

• гиперморфные (приводят к усилению действия гена за счет увеличения коли-чества синтезируемого под его контролем продукта),

• гипоморфные (ослабляют действие гена за счет уменьшения количества био-химического продукта, кодируемого аллелем дикого типа),

• неоморфные (кодируют синтез продукта, отличающегося от синтезируемого под контролем аллеля дикого типа, и не взаимодействуют с ним),

• аморфные (инактивируют действие гена),

• антиморфные (действуют противоположно аллелям дикого типа);

6) по влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей:

• летальные (обусловливают гибель мутанта),

• полулетальные (снижают жизнеспособность, мутанты обычно не доживают до репродуктивного возраста; согласно другому подходу, полулетальные мутации обусловливают гибель половины несущих их особей),

• условно летальные (мутации не проявляются в одних — пермиссивных — условиях и детальны в других - непермиссивных - условиях).

• стерильные (не влияют на жизнеспособность, но резко снижают плодови-тость),

• нейтральные (не влияют на жизнеспособность и плодовитость),

• повышающие жизнеспособность и плодовитость особей (жизнеспособность количественно характеризует уровень выживаемости выборки рассматривае-мого фенотипического класса по сравнению с другой выборкой в идентичных условиях внешней среды; под плодовитостью подразумевается способность организмов приносить жизнеспособное потомство; часто плодовитость характеризует число потомков одной особи женского пола, родившихся на протяжении ее репродуктивного периода);

7) по характеру регистрируемого проявления:

• морфологические,

• физиологические,

• поведенческие (этологические),

• биохимические и другие (подобное деление мутаций весьма условно: любой признак имеет биохимическую основу, физиологический механизм и морфо-логическое выражение);

8) по локализации изменяемого генетического материала'.

• цитоплазматические (митохондриальные, пластидные),

• ядерные;

9) по месту возникновения и характеру наследования:

• генеративные (они возникают в клетках полового зачатка и в половых клетках и передаются по наследству. При этом мутация, появившаяся на стадии яйцеклетки или сперматозоида, останется единичной, а мутация, возникшая на ранней стадии оогенеза или сперматогенеза, размножится в количестве, пропорциональном числу прошедших клеточных делений, при этом часть зрелых половых клеток будет нести мутантный аллель, а у другой части генотип останется неизмененным);

• соматические (они возникают в соматических клетках и либо приводят к поя-влению мозаиков/химер у организмов, размножающихся исключительно по-ловым путем, либо наследуются у организмов, имеющих бесполое размноже-ние. Если из мутировавшей соматической клетки растения развивается почка, а из нее - побег, то он будет нести мутантный признак и в перспективе может дать начало новому виду, а в случае селекции — новому сорту).

ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

К этому классу мутаций относятся изменения кариотипа, выражающиеся в умень-шении/увеличении числа хромосомных наборов либо числа отдельных хромосом. Существует несколько типов геномных мутаций.

1. Гаплоидия — уменьшение числа хромосом в кариотипе вдвое. Соматические клетки гаплоидного организма содержат одинарный (гаплоидный) набор хромосом (п).

Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

• у них проявляются рецессивные гены;

• гаплоидные организмы мельче диплоидных, поскольку их клетки вследствие уменьшения дозы генов имеют меньший размер;

• гаплоиды почти бесплодны, поскольку хромосомы не имеют гомологов, и в про-цессе мейоза образуются несбалансированные гаметы. В редких случаях могут сформироваться гаметы с нередуцированным гаплоидным набором хромосом. У растений слияние таких гамет в процессе самоопыления или при искусственной полишюидизации дает диплоидную гомозиготу по всем генам, что весьма ценно для решения определенных селекционных задач.

Естественная гашюидия встречается в жизненном цикле низших грибов, бакте-рий и одноклеточных водорослей. У некоторых видов членистоногих и насекомых гаплоидными являются самцы, развивающиеся из неоплодотворенных клеток (см. гл. 8). Экспериментально гаплоидные формы были получены у пшеницы, кукурузы и некоторых других растений при опылении их либо пыльцой отдаленного вида, либо пыльцой, хромосомный аппарат которой был инактивирован облучением (оба способа стимулировали партеногенетическое развитие яйцеклетки). Гаплоидных за-родышей удавалось получить и у животных. Для этого яйцеклетки либо охлаждали, что иногда заставляет их развиваться партеногенетически, либо оплодотворяли спермиями, хромосомы которых были предварительно инактированы облучением.

У человека гаплоидный набор хромосом содержится в норме только в гаметах.

2. Полиплоидия - кратное увеличение числа хромосомных наборов в клетке. Обычно соматические клетки содержат диплоидный набор хромосом (2п), но иногда возникают триплоидные (Зп), тетраплоидные (4п) и т.д. клетки и даже целые организмы.

Полиплоиды с повторенным несколько раз одним и тем же набором хромосом называют аутополиплоидами, а полученные от скрещивания организмов, принадле-жащих к различным видам, - аллополиплоидами.

Исключительно велика роль полиплоидии в происхождении культурных расте-ний и их селекции. Полиплоидными являются все или большинство культивируемых сортов пшеницы, овса, риса, сахарного тростника, арахиса, свеклы, картофеля, сливы, яблони, груши, апельсина, лимона, земляники, малины. К этому перечню следует добавить тимофеевку, люцерну, табак, хлопчатник, розы, тюльпаны, хризантемы, гладиолусы и многие другие, возделываемые человеком, культуры. Аутополиплоидные мутанты растений обычно крупнее исходной формы. Тетраплоиды, как правило, имеют большую вегетативную массу. Однако у них может резко уменьшиться плодовитость из-за нерасхождения поливалентов в мейозе. Триплоиды - крупные и мощные растения, но полностью или почти полностью стерильные, поскольку продуцируемые ими гаметы содержат неполный набор хромосом. Аугополиплоид- ные виды размножают вегетативным способом, поскольку плоды таких растений не содержат семян.

У животных аутополиплоиды известны в основном среди гермафродитов (напри-мер, земляных червей) и у вцдов с партеногенетическими самками — дающими жиз-неспособное потомство без оплодотворения (некоторые насекомые, ракообразные, рыбы). Такое весьма ограниченное значение полиплоидии в животном мире обусловлено тем, что она нарушает баланс между аугосомами и половыми хромосомами, и немногие аллополиплоидные формы, полученные человеком, как правило, бесплодны.

Полиплоидия может возникнуть в результате: 1) нарушения расхождения хромосом в митозе; 2) слияния клеток соматических тканей либо их ядер; 3) нарушений мейоза, приводящих к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом.

Для многих видов описаны специфические гены мейоза. Из высших растений наиболее полно изучены в отношении генетики мейоза арабидопсис, кукуруза, рожь и томаты. В составе их геномов в настоящее время известно от 15 до 30 мейотических генов, мутации в которых (мейотические мутаций) нарушают инициацию и правильность протекания этого процесса. В частности, у кукурузы известны мутации: am - неинициируемость мейоза, afd — отсутствие конъюгации хромосом, dsy - неполная конъюгация и другие. Все эти мутации проявляются независимо друг от друга от друга, что свидетельствует о независимом генном контроле отдельных этапов мейоза. Гены, влияющие на мейоз, описаны и у дрозофилы. Один из 82-х таких генов, mei-9, локализован в Х-хромосоме и контролирует мейотическую рекомбинацию у самок.

Знание описанных выше механизмов позволяет искусственно вызывать поли-плоидные мутации, что успешнее всего достигается действием физических (облуче-ние, изменение температуры или гидростатического давления) и химических (наркотики, алкалоиды и др.) факторов, повреждающих веретено деления клетки. Первый искусственный растительный аллополиплоид, названный Raphanobrassica (гибрид редьки и капусты, имеющих в наборе по 9 пар хромосом), был получен советским генетиком Г. Д. Карпеченко в 1928 г, А почти через 40 лет после этого БЛ. Астаурову с сотрудниками удалось искусственно получить аллотетраплоидный гибрид двух видов шелкопряда Bombyx.

У человека более 20% всех спонтанных абортусов с аномальным кариотипом имеют триплоидный набор хромосом. Среди описанных в литературе немногим бо-лее трех десятков индивидов, имеющих триплоидный набор хромосом, есть девочки с кариотипом 69,XXX и мальчики — 69,XXY. Продолжительность жизни детей с три- плоидным набором хромосом крайне мала. Практически все они погибают в первые часы или дни после рождения. Причиной этого являются серьезные пороки центральной нервной системы (гидроцефалия, спинномозговые/черепно-мозговые грыжи), а также пороки сердечно-сосудистой системы. Возникновение триплоидии может быть связано: 1) с нерасхождением хромосом в первом делении мейоза у одного из родителей, 2) с нарушением второго деления мейоза, 3) с теоретически возможным оплодотворением одной яйцеклетки двумя спермиями. Так или иначе, в литературе нет ни одного описания повторного рождения в семье ребенка с триплоиди- ей. Случаи мозаицизма по триплоидии (девочки с кариотипом 46,ХХ/69,ХХХ и мальчики — 46,XY/69,XXY) описаны у нескольких детей, доживших до 10 лет.

Тетраплоидию у человека наблюдали только в материале спонтанных абортов.

3. Анеуплоидия (анеусомия) — не кратное гаплоидному набору изменение числа хромосом в клетках организма за счет потери или добавления отдельных хромосом.

Нумисомия — отсутствие обоих гомологов какой-либо одной (или, весьма редко — большего числа) пар хромосом; общее число хромосом в такой клетке равно (2п-2). Нуллисомия характерна для некоторых сортов мягкой пшеницы Triticum aestivum (рис. 13.2), полученных в результате скрещивания между собой моносомных (см. ниже) растений. Основной механизм возникновения нуллисомии - потеря в процессе мейоза хромосомы, не имеющей партнера. У других растений нуллисомики являются нежизнеспособными. Случаев нуллисомии у человека не описано.

Моносомия — утрата одного из гомологов по одной или большему числу пар хромосом, число хромосом равно (2n-1). Этот вариант ане- усомии хорошо изучен на растениях табака Nicotiana tabacum, у которого найдено 24 разных моносомика соответственно 24 парам хромосом, а также установлена связь между оп-ределенными хромосомами и признаками растения.

Наиболее известная моносомия у человека носит название синдрома Шерешевского-Тернера: женщины с кариотипом 45,ХО имеют только одну половую Х-хромосому.

Гораздо чаще встречаются мозаики с кариотипом 46,ХХ/45,ХО.

Полисомия — избыточное число гомологичных хромосом на одну, реже — на большее число хромосом в наборе. Наличие одной дополнительной гомологичной хромосомы приводит к трисомии (2п+1), двух — к тетрасомии (2п+2). Трисомные формы хорошо изучены у растении и животных. Так, в 1 '

процессе изучения 12 пар хромосом дурмана Datura stramonium были обнаружены растения, у которых одна из хромосом представлена не в двойном, а в тройном количестве. Позже были най-дены трисомики по каждой из 12 пар хромосом, причем каждое из растений имело совершенно определенный фенотип (рис. 13.3). У дрозофилы хорошо изучены особи с лишней точечной четвертой хромосомой и полисомики по Х-хромосоме (см. гл. 8).

У мужчин описан синдром Клайнфельтера с трисомией по половым хромосомам 47,XXY и его варианты: с тетрасомией - 48,XXXY, либо - 48,XYYY, либо - 48.XXYY; а также с пентасомией - 49,XXXXY либо - 49,XXXYY.

Как определенная нозологическая единица у женщин выделена полисомия по половым хромосомам: синдром трипло-Х, а также тетра- и пентасомия по Х-хромо-соме Изменения, связанные с нарушениями хромосомного баланса у человека, при которых имеет место трисомия по двум парам хромосом, обозначаются как двойные трисомии.

Известные из литературы двойные трисомики представлены индивидами, имеющими сочетание трисомии по Х-хромосоме с трисомией по одной из тех аутосом, при которой подобное состояние совместимо с жизнью. Индивиды с двойной трисомией проявляют некоторые фенотипические признаки, присущие трисомному состоянию каждой из двух хромосом в отдельности. К числу наиболее распространенных синдромов с полными трисомиями по отдельным аутосомам могут быть отнесены синдромы:

Патау (47,+13), Эдвардса (47,+18) и Дауна (47,+21). Большая часть эмбрионов с трисомиями по хромосомам 13 и 18 погибает на ранних стадиях развития. Частота трисомиков по хромосоме 21 довольно высока и составляет 1-2 на 1 000 новорожденных. Кроме того, у человека описаны синдромы полной трисомии по хромосомам 8,9 и 22.

ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ

Для данного класса мутаций, называемого еще хромосомными аберрациями или хромо-

сомными перестройками, характерно изменение структуры хромосом: уменьшение или

увеличение их размеров или изменение положения их частей. Существует несколько типов хромосомных аберраций.

1. Делеции — утрата участка хромосомы с образованием центрического (содержащего

центромеру) и ацентрического (бесцентромерного) фрагментов. Делеции — результат

разрывов хромосом.

Ацентрический фрагмент, как правило, теряется во время ближайшего митоза. Фраг-

мент, содержащий центромеру, реплицируется, и его копии нормально распределяются

при клеточных делениях. Иногда разрывы происходят одновременно в обоих плечах хро мосомы. Оба ацентрических конца элиминируются, а открытые концы центрического фрагмента могут соединиться с образованием кольцевой хромосомы.

Организмы, гетерозиготные поделеции, гемизиготны (т.е. имеют только одну дозу генов) по утраченным л о кусам, поэтому все рецессивные гены соответствующих локусов в интактном гомологе проявляются фенотипически. Протяженные делеции обычно детальны в гомозиготном состоянии, а также — в гемизиготном, если деле-ция произошла в Х-хромосоме. Мелкие делеции, как правило, не вызывают столь серьезных нарушений генного баланса и могут сохраняться в гомозиготном состоя-нии. Довольно часто делеции сопровождаются понижением жизнеспособности и плодовитости несущих их особей. Иногда фенотипический эффект мелких делений имитирует генную мутацию. Делеция, получившая название мутации Notch, феноти-пически проявляющаяся в зазубренности края крыла у дрозофилы (рис. 13.4) и об-наруженная К. Бриджесом в 1917 г., является первым описанным примером хромо-сомной перестройки.

Разработанный на дрозофиле специальный метод перекрывающихся делеций был использован для цитологического картирования генов у представителей многих видов.

В зависимости от локализации утерянного участка хромосомы делеции делят на:

1) интерстициальные — отсутствует внутренний участок, не затрагивающий тело- меру;

2) концевые (дефишенси, или нехватки) — отсутствует теломерный район и приле-жащий к нему участок. Истинность таких делеций в свете уникальной функции те- ломер поставлена под сомнение. В частности, до сих пор не ясно, действительно ли терминальные (концевые) нехватки, зафиксированные у множества пациентов с на-следственными синдромами, например, с синдромом кошачьего крика (5р14), Вольфа-Хиршхорна (4р16) и др., образовались в результате одного разрыва.

У человека описаны синдромы частичных моносомий, возникших в результате делений различных участков в хромосомах 4,5,9, 11, 13,18, 21 и 22.

2. Дупликации — локальное удвоение (повторение) определенного участка хромосомы (известны также случаи многократных повторений, или мультипликаций ка- кого-либо участка). Дуплицированный участок может быть расположен в исходной хромосоме: либо непосредственно примыкая к исходному участку (тандемная дупликация), либо в том же плече, но на некотором расстоянии от исходного участка, либо в другом плече исходной хромосомы. Кроме того, дуплицированный участок может быть локализован в негомологичной хромосоме, т.е. в другой группе сцепления. В случае дупликации двух идентичных генов, сходных по характеру действия и оказавшихся в разных группах сцепления, при скрещивании будет наблюдаться характерное для дигибридного расщепления полимерных генов отношение 15:1.

Одной из причин дупликаций является неравный кроссинговер, имеющий место в том случае, если на некотором участке хромосомы гомологичные локусы при конъюгации в профазе 1 мейоза сдвигаются друг относительно друга на некоторое расстояние. Именно этот феномен в качестве механизма возникновения тандемных дупликаций у дрозофилы на примере мутации Ваг еще в 1925 г. предложил Альфред Стертевант (рис. 13.5). И.А. Рапопорту удалось добиться умножения этого локуса в Х-хромосоме до 8 раз. Тандемные дупликации обнаружены у нейроспоры, кукурузы, домашней мыши и других видов.

Дупликации служат источником дополнительных участков генетического мате-риала, функция которых может быть изменена в результате мутаций и последующе-го отбора. За счет тандемных дупликаций относительно коротких нуклеотидных последовательностей может происходить удлинение генов.

К наиболее хорошо изученным у человека дупликациям относятся синдромы ча-стичных трисомий по хромосомам 4, 7,9, 12 и 14.

3. Инверсии - перестройки, суть которых - поворот на 180° участка, образовав-шегося в результате двух разрывов, с соответствующим изменением расположения генов. Инверсии могут быть 1) парацентрическими (не включают центромеру в ин-вертированный участок, так как происходят в одном плече хромосомы) и 2) перицен- трическими (захватывают центромеру).

Данный тип перестроек наиболее часто встречается в природных популяциях. Группа генов, локализованных в инвертированном участке, передается из поколения в поколение как единый блок, не разрываемый кроссинговером. Особенно много данных о распространении инверсий в популяциях мух, комаров и мошек. Наличие инверсий у них легко устанавливается при микроскопическом исследовании поли- тенных хромосом слюнных желез. Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов и Г.Г. Тиняков в серии работ 30-40 гг. прошлого века сформулировали механизмы эволюционного преобразования генетического материала в результате этого широко распространенного типа хромосомных мутаций.

У гетерозигот по инверсиям на цитологических препаратах выявляются харак-терные петли - результат конъюгации структурно измененной и нормальной хромо-сом. Если в инвертированном участке произойдет одиночный кроссинговер, то в случае парацентрической инверсии (рис. 13.6) возникнет одна хроматида с двумя центромерами, которые «разорвут» ее при расхождении в анафазе. Образующийся бесцентромерный фрагмент будет утерян. В результате, из четырех хроматид две окажутся аберрантными. При гетерозиготности по перицентрической инверсии (рис. 13.7) одиночный кроссинговер не препятствует расхождению всех хроматид. Но полноценными из четырех будут только две, так как другие две хроматиды несут делеции и дупликации нескольких генов.

Когда утраченные или удвоенные при кроссинговере участки хромосом очень ма-лы, они не влияют на жизнеспособность гамет и образуемых при их слиянии зигот.

Если внутри инвертированного участка происходят два кроссинговера, то сохраняется полный набор генов без делеций и дупликаций и, таким образом, обеспечивается жизнеспособность рекомбинантов.

Экспериментально полученные инверсии используются как «запиратели» крос-синговера. В гл. 14 приведены примеры использования линий дрозофилы с подав-ленным из-за наличия инверсий кроссинговером для учета летальных мутаций.

Инверсии в хромосомах человека приводят к нарушению гаметогенеза.

4. Транслокации — перемещения участков хромосомы в новое положение в ее пределах или обмен участками между разными хромосомами.

Различают транслокации:

1) симметричные (реципрокные) — соединение центрического фрагмента одной хромосомы с ацентрическим фрагментом другой (рис. 13.8), т.е. взаимный обмен участками между двумя негомологичными хромосомами (именно реципрокную транслокацию клиницисты часто обнаруживают в семьях, где встречается более одной хромосомной аномалии).

В результате конъюгации в мейозе транслоцированные хромосомы у гетерозигот вместе со своими не перестроенными гомологами образуют характерную фигуру «транслокационного креста» (рис. 13.9). Плотная конъюгация вблизи точек разрывов оказывается затрудненной, что приводит к подавлению кроссинговера в этих участках. Поскольку гомологичные участки есть у всех четырех конъюгирующих хромосом, в профазе мейоза образуются квадриваленты. Из шести возможных типов гаплоидных продуктов, возникающих при трех способах расхождения хромосом, только два типа функционируют нормально: те, что получили полные наборы генов, характерные для исходных родительских форм. Остальные четыре типа гамет будут иметь несбалансированные хромосомные наборы: гамета будет содержать хромосому с делецией или дупликацией по отдельным участкам;

2) асимметричные — соединения центрических или ацентрических фрагментов, в результате которых образуются дицентрики, трицентрики и т.д.;









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 157;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная