Типы мутаций.

Существует много классификаций мутаций. Наиболее удобна классификация, разработанная польским исследователем С. Мушинским (1972). Эта классификация дает представление о мутации на молекулярном и клеточном уровнях, о ее локализации в клетках и тканях, о фенотипическом проявлении и судьбе в популяции (рис.2).

На молекулярном уровне возникают генные мутации. Генные мутации – мутации, связанные с изменением структуры молекулы ДНК; они представляют собой выпадения, вставку одного или нескольких азотистых оснований, а также замену азотистых оснований. Описаны два типа замен (Э. Фриз, 1963): транзиции и трансверзии.

Транзиции – такой тип генных мутаций, при котором одно пуриновое, или пиримидиновое основание заменяется соответственно пуриновым, или пиримидиновым основанием: А Г, Ц

при этом изменяется тот кодон, в котором произошла транзиция:

Исходная последовательность ДНК: ГЦГ АЦЦ ЦАТ ТГГ…

ЦГЦ ТГГ ГТА АЦЦ

Замена пары Ц-Г на Т-А: ГЦГ А Т Ц ЦАТ ТГГ

ЦГЦ Т А Г ГТА АЦЦ.

Трансверзия – такой тип генной мутации, при котором происходит замена пуринового основания на пиримидиновое, или пиримидинового на пуриновое: А ; при этом изменяется тот кодон, в котором произошла трансверзия.

Исходная последовательность ДНК: ГЦГ АЦЦ ЦАТ ТГГ…

ЦГЦ ТГГ ГТА АЦЦ

Замена пары: ГЦГ Ц ЦЦ ЦАТ ТГГ

ЦГЦ Г ГГ ГТА АЦЦ.

Трансверзии встречаются чаще транзиций.

Рис.2. Классификация мутаций в зависимости от уровня организации генетического материала.

Все генные мутации приводят к изменению смысла кодона и к нарушению считывания информации в цепи ДНК. В связи с этим различают:

- миссенс-мутации: мутации, изменяющие смысл кодона, вследствие чего в белковую молекулу в момент ее синтеза вставляется другая аминокислота;

- нонсенс-мутации: образование бессмысленных кодонов (УАА – охра-мутация; УАГ – амбер, или янтарная мутация; УГА – опал-мутация), что приводит к обрыву чтения генетического текста и прекращению синтеза молекулы белка.

Миссенс- и нонсенс-мутации обычно происходят при замене азотистых оснований.

- мутации сдвига чтения: при выпадении или вставке нуклеотидов в цепи ДНК и вызывают смещение чтения генетического кода. При этом рано или поздно образуются бессмысленные кодоны и обрыв чтения.

Рис. 4. Генная мутация, приводящая к образования серповидных эритроцитов.

Мутации, происходящие на клеточном уровне, называют хромосомными аберрациями (перестройками). Хромосомные мутации (аберрации) – это довольно значительные, более грубые нарушения наследственных структур, обнаруживающиеся при микроскопировании хромосом. Они касаются структуры и числа хромосом в генотипе (рис.).

Структурные хромосомные мутации обусловлены нарушением структуры хромосомы. Они бывают двух типов: внутрихромосомные, изменяющие порядок расположения генов в хромосоме, и межхромосомны е, заключающиеся во взаимном обмене фрагментов хромосом.

К внутрихромосомным мутациям относятся: делеции, дефишенси, дупликации, инверсии, инсерции.

Делеция (нехватка) – потеря среднего участка хромосомы.

Дефишенси – отрыв концевого (терминального) участка хромосомы.

Нехватка практически любой части хромосомы может нарушить эмбриональное развитие и проявиться врожденными пороками развития (синдром «кошачьего крика»).

Дупликация – удвоение участка хромосомы (синдром трисомии по кроткому плечу 9-й хромосомы у человека).

Инверсия – отрыв участка хромосомы, поворот на 180^о и прикрепление к месту отрыва. Инверсии приводят к изменению ряда морфологических и физиологических признаков организма, могут быть факторами биологической изоляции.

Инсерция – перемещение фрагментов хромосомы по ее длине, замена локализации генов.

Межхромосомные перестройки происходят между негомологичными хромосомами и называются транслокации. Транслокации – это обмен участками (сегментами) между негомологичными хромосомами. Различают виды транслокаций: реципрокные, нереципрокные и робертсоновские.

Реципрокная транслокация – обмен сегментами между двумя хромосомами

Нереципрокная транслокация – перенос сегмента одной хромосомы на другую.

Робертсоновская транслокация – соединение двух акроцентрических хромосом центромерными районами.

Рис. 4. Виды хромосомных мутаций.

Хромосомные аберрации выявляются цитогенетическими методами с помощью специальной дифференциальной окраски хромосом.

Геномные мутации происходят вследствие изменения количества хромосом в результате нерасхождения хромосом в мейозе. Изменение числа хромосом может идти в сторону увеличения или уменьшения их количества, кратного гаплоидному (полиплоидия) или в сторону потери или включения отдельных хромосом или их пар в генотипе (гетероплоидия). В свою очередь, полиплоидия подразделяется на автополиплоидию и аллополиплоидию.

Автополиплоидия – увеличение числа хромосом за счет умножения геномов одного вида. Встречается сравнительно часто у растений, описана у некоторых животных (аскарида, дрозофила, водяной рачок, морской еж). У позвоночных и многих беспозвоночных полиплоидия встречается редко: она обычно приводит к гибели организма уже на ранних стадиях развития. В качестве примера можно привести полиплоидную исполинскую осину (3n), которая отличается быстрым ростом и прочной, устойчивой к болезнетворным грибам древесиной).

В настоящее время внутри некоторых видов растений (пшеница, рожь, овес, картофель, земляника, сахарная свекла, шелковица и др.) изучены полиплоидные ряды). Полиплоидный ряд пшеницы: n (однозернянка Triticum monococcum), 4n (твердая Triticun durum), 6n (мягкая Triticum aestivum). Необходимо отметить, что существует оптимальный уровень полиплоидии, увеличение или снижение которого не дает положительного эффекта (у картофеля и пшеницы – 4n, у земляники – 8n).

Аллополиплоидия – увеличение числа хромосом за счет слияния геномов разных видов. Впервые была описана Г. Д. Карпеченко (1927).

В клетках капусты и редьки содержится одинаковый по количеству набор хромосом (2n=18) но они негомологичны. Капустно-редечный гибрид, имеющий 2n хромосом (n=9 – капусты + n=9 - редьки), совмещающий признаки капусты и редьки – бесплоден: в связи с отсутствием парных гомологичных хромосом нарушается процесс их конъюгации в мейозе – вместо бивалентов формируются униваленты, а гаметы содержат от 0 до 18 хромосом. При объединении двух нередуцированных гамет с 18 хромосомами получаются гибриды с 4n хромосомами, где каждая из них имеет гаплоидную (2n=18 – капусты + 2n=18 – редьки). У гибрида мейоз протекает нормально и в ряду поколений сохраняется плодовитость. Такие гибриды называют амфиплоиды. При их образовании происходит как бы синтез новых видов.

Гетероплоидия (анеуплоидия) по половым хромосома впервые была обнаружена К. Бриджесом (1916) у дрозофилы. В настоящее время она известна у многих растений и животных, включая человека. Гетероплоидия возникает в результате нерасхождения отдельных пар хромосом в мейозе. При этом в одной гамете могут оказаться сразу две хромосомы, а в другую не попадет ни одной. Зигота, образующаяся от слияния таких гамет, будет иметь либо больше хромосом (3), либо меньше (1) по данной паре. Зигота, содержащая 2n + 1 хромосом, называется трисомиком, а 2n – 1 – моносомиком. Разновидностями анеуплоидии являются: трисомия, моносомия и нулесомия.

Трисомия – три гомологичные хромосомы в кариотипе, например синдром Дауна, или трисомия по 21-й хромосоме (21+); синдром Эдвардса-Смита, или трисомия по 18-й паре хромосом (18+); синдром Бартоломеи-Патау, или трисомия по 15-1 хромосоме; трисомия по Х-хромосоме.

Моносомия – в наборе одна из пары гомологичных хромосом. Например, синдром Шерешевского-Тернера, или моносомия Х. Моносомии по первым крупным парам хромосом для человека являются летальными мутациями.

Нулесомия - отсутствие пары хромосом (летальная мутация), у человеканеизвестна.

Геномные мутации всегда проявляются фенотипически и легко обнаруживаются цитогенетическими методами.