Cechy zmienności mutacyjnej. Rodzaje mutacji

Jak powstają szkodliwe geny?

Chociaż główną właściwością genów jest dokładne samokopiowanie, dzięki któremu następuje dziedziczne przekazywanie wielu cech z rodziców na dzieci, właściwość ta nie jest absolutna. Natura materiału genetycznego jest podwójna. Geny mają także zdolność do zmiany i nabywania nowych właściwości. Takie zmiany genów nazywane są mutacjami. I to mutacje genów tworzą zmienność niezbędną do ewolucji żywej materii i różnorodności form życia. Mutacje zachodzą w dowolnych komórkach organizmu, ale potomstwu mogą zostać przekazane tylko geny z komórek rozrodczych.

Przyczyną mutacji jest to, że wiele czynników środowiskowych, z którymi każdy organizm wchodzi w interakcję przez całe życie, może zakłócić ścisły porządek procesu samoreprodukcji genów i chromosomów jako całości, prowadząc do błędów w dziedziczeniu. Eksperymenty ustaliły następujące czynniki powodujące mutacje: promieniowanie jonizujące, substancje chemiczne i ciepło. Oczywiście wszystkie te czynniki występują w naturalnym środowisku człowieka (na przykład naturalne promieniowanie tła, promieniowanie kosmiczne). Mutacje zawsze istniały jako całkowicie powszechne zjawisko naturalne.

Będąc zasadniczo błędami w przekazywaniu materiału genetycznego, mutacje mają charakter przypadkowy i nieukierunkowany, to znaczy mogą być zarówno korzystne, jak i szkodliwe oraz stosunkowo obojętne dla organizmu.

Korzystne mutacje są utrwalane w toku ewolucji i stanowią podstawę do stopniowego rozwoju życia na Ziemi, natomiast szkodliwe, ograniczające żywotność, są niejako drugą stroną medalu. Leżą one u podstaw chorób dziedzicznych w całej ich różnorodności.

Istnieją dwa rodzaje mutacji:

• genetyczny (na poziomie molekularnym)
• i chromosomalne (zmiana liczby lub struktury chromosomów na poziom komórki)

Obydwa mogą być spowodowane tymi samymi czynnikami.

Jak często występują mutacje?
Czy pojawienie się chorego dziecka często wiąże się z nową mutacją?

Gdyby mutacje występowały zbyt często, zmienność żywej natury zwyciężyłaby nad dziedzicznością i nie byłoby żadnych stabilnych form życia. Logika oczywiście podpowiada, że ​​mutacje są zdarzeniami rzadkimi, przynajmniej znacznie rzadszymi niż możliwość zachowania właściwości genów przekazywanych z rodziców na dzieci.

Rzeczywisty współczynnik mutacji poszczególnych genów ludzkich wynosi średnio od 1:105 do 1:108. Oznacza to, że w każdym pokoleniu około jedna na milion komórek rozrodczych przenosi nową mutację. Innymi słowy, choć jest to uproszczenie, możemy powiedzieć, że na każdy milion przypadków normalnej transmisji genu przypada jeden przypadek mutacji. Ważnym faktem jest to, że raz powstała ta czy inna nowa mutacja może być następnie przekazywana kolejnym pokoleniom, to znaczy utrwalona przez mechanizm dziedziczenia, ponieważ mutacje odwrotne, które przywracają gen do pierwotnego stanu, są równie rzadkie.

W populacjach stosunek liczby mutantów do liczby tych, którzy odziedziczyli szkodliwy gen od rodziców (segregantów), wśród wszystkich pacjentów zależy zarówno od rodzaju dziedziczenia, jak i od ich zdolności do pozostawienia potomstwa. W klasycznych chorobach recesywnych szkodliwa mutacja może być przekazywana niezauważona przez wiele pokoleń zdrowych nosicieli, aż do zawarcia małżeństwa dwóch nosicieli tego samego szkodliwego genu i wówczas prawie każdy taki przypadek narodzin chorego dziecka wiąże się z dziedziczeniem, a nie z nowa mutacja.

W chorobach dominujących odsetek mutantów jest taki sam odwrotna relacja na płodność pacjentów. Oczywiste jest, że gdy choroba prowadzi do przedwczesnej śmierci lub niemożności posiadania dzieci, wówczas dziedziczenie choroby od rodziców jest niemożliwe. Jeśli choroba nie wpływa na oczekiwaną długość życia ani zdolność do posiadania dzieci, wręcz przeciwnie, dominować będą przypadki dziedziczne, a nowe mutacje będą rzadkie w porównaniu.

Na przykład z jedną z form karłowatości (dominującą achondroplazją) zgodnie ze społecznymi i przyczyny biologiczne Wskaźnik reprodukcji krasnoludków jest znacznie niższy od przeciętnego, w tej grupie populacji jest około 5 razy mniej dzieci niż w innych. Jeśli przyjmiemy średni współczynnik reprodukcji jako normalny jako 1, wówczas dla karłów będzie on równy 0,2. Oznacza to, że 80% chorych w każdym pokoleniu jest wynikiem nowej mutacji, a tylko 20% chorych dziedziczy karłowatość od swoich rodziców.

W chorobach dziedzicznych, które są genetycznie powiązane z płcią, odsetek mutantów wśród chorych chłopców i mężczyzn zależy również od względnej płodności pacjentów, ale tutaj zawsze przeważają przypadki dziedziczenia od matek, nawet w przypadku tych chorób, w których pacjenci nie pozostawiają potomstwa w ogóle. Maksymalny odsetek nowych mutacji w takich śmiertelnych chorobach nie przekracza 1/3 przypadków, ponieważ mężczyźni stanowią dokładnie jedną trzecią chromosomów X w całej populacji, a dwie trzecie z nich występuje u kobiet, które z reguły , są zdrowe.

Czy mogę mieć dziecko z mutacją, jeśli tak się stanie? zwiększona dawka promieniowanie?

Negatywne skutki zanieczyszczeń środowiska, zarówno chemicznych, jak i radioaktywnych, są problemem stulecia. Genetycy spotykają się z tym nie tak rzadko, jak byśmy chcieli, w szerokim spektrum zagadnień: od zagrożeń zawodowych po pogorszenie się sytuacji środowiskowej na skutek wypadków przy pracy elektrownie jądrowe. A troska na przykład ludzi, którzy przeżyli tragedię w Czarnobylu, jest zrozumiała.

Genetyczne skutki zanieczyszczeń środowiska rzeczywiście wiążą się ze wzrostem częstości występowania mutacji, w tym także szkodliwych, prowadzących do chorób dziedzicznych. Jednak skutki te na szczęście nie są na tyle katastrofalne, aby mówić o niebezpieczeństwie genetycznej degeneracji ludzkości, przynajmniej na obecnym etapie. Ponadto, jeśli rozważymy problem w odniesieniu do konkretnych osób i rodzin, możemy śmiało stwierdzić, że ryzyko urodzenia chorego dziecka na skutek promieniowania lub innych szkodliwych skutków w wyniku mutacji nigdy nie jest wysokie.

Choć częstotliwość mutacji wzrasta, nie przekracza ona jednej dziesiątej czy nawet setnej procenta. W każdym razie dla każdej osoby, nawet tej narażonej na oczywiste działanie czynników mutagennych, ryzyko negatywne konsekwencje dla potomstwa jest znacznie mniejsze niż ryzyko genetyczne właściwe wszystkim osobom związane z posiadaniem patologicznych genów odziedziczonych od przodków.

Ponadto nie wszystkie mutacje prowadzą do natychmiastowych manifestacji w postaci choroby. W wielu przypadkach, nawet jeśli dziecko otrzyma nową mutację od jednego z rodziców, urodzi się całkowicie zdrowe. Przecież znaczna część mutacji ma charakter recesywny, to znaczy nie objawia się u nosicieli swoim szkodliwym działaniem. I praktycznie nie ma przypadków, w których przy początkowo prawidłowych genach obojga rodziców dziecko otrzymuje tę samą nową mutację zarówno od ojca, jak i od matki. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest na tyle znikome, że cała populacja Ziemi nie wystarczy, aby to sobie uświadomić.

Z tego też wynika, że ponowne wystąpienie mutacje w tej samej rodzinie są prawie niemożliwe. Jeśli więc zdrowi rodzice mają chore dziecko z dominującą mutacją, to ich pozostałe dzieci, czyli bracia i siostry pacjenta, powinni być zdrowi. Natomiast w przypadku potomstwa chorego dziecka ryzyko odziedziczenia choroby będzie wynosić 50% zgodnie z klasycznymi zasadami.

Czy zdarzają się odstępstwa od zwykłych zasad dziedziczenia i z czym się wiążą?

Tak, są. W drodze wyjątku – czasami tylko ze względu na rzadkość występowania, jak na przykład pojawienie się kobiet chorych na hemofilię. Występują częściej, ale w każdym przypadku odchylenia są spowodowane złożonymi i licznymi powiązaniami między genami w organizmie i ich interakcją ze środowiskiem. W rzeczywistości wyjątki odzwierciedlają te same podstawowe prawa genetyki, ale na bardziej złożonym poziomie.

Na przykład wiele chorób dziedzicznych dominująco charakteryzuje się dużą zmiennością w ich nasileniu, do tego stopnia, że ​​czasami objawy choroby u nosiciela genu patologicznego mogą być całkowicie nieobecne. Zjawisko to nazywa się niepełną penetracją genu. Dlatego w rodowodach rodzin z chorobami dominującymi spotyka się czasem tzw. pokolenia pomijające, gdy znani nosiciele genu, mający zarówno chorych przodków, jak i chorych potomków, są praktycznie zdrowi.

W niektórych przypadkach dokładniejsze badanie takich nośników ujawnia, choć minimalne, zatarte, ale dość wyraźne przejawy. Ale zdarza się też, że metodami, którymi dysponujemy, nie udaje się wykryć żadnych przejawów patologicznego genu, mimo jednoznacznych dowodów genetycznych, że dana osoba go posiada.

Przyczyny tego zjawiska nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane. Uważa się, że szkodliwe działanie zmutowanego genu można modyfikować i kompensować innymi genami lub czynnikami środowiskowymi, jednak specyficzne mechanizmy takiej modyfikacji i kompensacji w niektórych chorobach nie są jasne.

Zdarza się też, że w niektórych rodzinach choroby recesywne przekazywane są przez kilka pokoleń z rzędu, przez co można je pomylić z chorobami dominującymi. Jeśli pacjenci poślubią nosicieli genu tej samej choroby, wówczas połowa ich dzieci odziedziczy również „podwójną dawkę” genu – warunek niezbędny do ujawnienia się choroby. To samo może się zdarzyć w kolejnych pokoleniach, chociaż taka „kazuistyka” występuje tylko w małżeństwach wielokrotnych pokrewnych.

Wreszcie podział cech na dominujące i recesywne nie jest absolutny. Czasami podział ten jest po prostu dowolny. W niektórych przypadkach ten sam gen można uznać za dominujący, a w innych recesywny.

Stosując subtelne metody badawcze, często udaje się rozpoznać działanie gen recesywny w stanie heterozygotycznym, nawet u całkowicie zdrowych nosicieli. Na przykład gen hemoglobiny sierpowatokrwinkowej w stanie heterozygotycznym powoduje powstawanie czerwonych krwinek w kształcie sierpa, co nie wpływa na zdrowie człowieka, ale w stanie homozygotycznym prowadzi do poważnej choroby - anemii sierpowatokrwinkowej.

Jaka jest różnica między mutacjami genowymi i chromosomalnymi.
Jakie są choroby chromosomalne?

Chromosomy są nośnikami informacji genetycznej na bardziej złożonym - komórkowym poziomie organizacji. Choroby dziedziczne może być również spowodowane defektami chromosomalnymi, które powstają podczas tworzenia komórek rozrodczych.

Każdy chromosom zawiera swój własny zestaw genów, zlokalizowanych w ścisłej sekwencji liniowej, to znaczy, że niektóre geny znajdują się nie tylko w tych samych chromosomach u wszystkich ludzi, ale także w tych samych odcinkach tych chromosomów.

Normalne komórki organizmu zawierają ściśle określoną liczbę sparowanych chromosomów (stąd parowanie zawartych w nich genów). U człowieka w każdej komórce, z wyjątkiem komórek płciowych, znajdują się 23 pary (46) chromosomów. Komórki płciowe (jaja i plemniki) zawierają 23 niesparowane chromosomy – pojedynczy zestaw chromosomów i genów, ponieważ sparowane chromosomy oddzielają się podczas podziału komórki. Podczas zapłodnienia, kiedy plemnik i komórka jajowa łączą się, z jednej komórki rozwija się płód – zarodek (obecnie z pełnym podwójnym zestawem chromosomów i genów).

Ale tworzenie się komórek rozrodczych czasami następuje z „błędami” chromosomalnymi. Są to mutacje prowadzące do zmian w liczbie lub strukturze chromosomów w komórce. Dlatego zapłodnione jajo może zawierać nadmiar lub niedobór materiału chromosomalnego w porównaniu z normą. Oczywiście taka nierównowaga chromosomowa prowadzi do poważnych zaburzeń w rozwoju płodu. Przejawia się to w postaci samoistnych poronień i martwych urodzeń, chorób dziedzicznych i zespołów zwanych chromosomami.

Najbardziej znanym przykładem choroby chromosomowej jest choroba Downa (trisomia – pojawienie się dodatkowego 21. chromosomu). Objawy tej choroby można łatwo rozpoznać po wyglądzie dziecka. Obejmuje to fałd skóry w wewnętrznych kącikach oczu, który nadaje twarzy wygląd mongoloidalny, duży język, krótkie i grube palce; po dokładnym zbadaniu takie dzieci mają również wady serca, wady wzroku i słuchu oraz upośledzenie umysłowe .

Na szczęście istnieje prawdopodobieństwo nawrotu tej choroby i wielu innych w rodzinie nieprawidłowości chromosomalne małe: w zdecydowanej większości przypadków są one spowodowane przypadkowymi mutacjami. Ponadto wiadomo, że losowe mutacje chromosomowe występują częściej pod koniec okresu rozrodczego.

Zatem wraz ze wzrostem wieku matek wzrasta również prawdopodobieństwo wystąpienia błędu chromosomalnego podczas dojrzewania jaj, dlatego takie kobiety mają zwiększone ryzyko narodziny dziecka z zaburzenia chromosomalne. O ile ogólna częstość występowania zespołu Downa wśród wszystkich noworodków wynosi około 1:650, to u potomstwa młodych matek (do 25. roku życia) jest ona znacznie niższa (poniżej 1:1000). Ryzyko indywidualne osiąga średni poziom w wieku 30 lat, jest wyższe w wieku 38 lat – 0,5% (1:200), a w wieku 39 lat – 1% (1:100), a w wieku po 40. roku życia wzrasta do 2-3%.

Czy osoby z aberracją chromosomową mogą być zdrowe?

Tak, mogą w przypadku niektórych typów mutacji chromosomowych, gdy zmienia się nie liczba, ale struktura chromosomów. Faktem jest, że rearanżacje strukturalne w początkowej chwili ich pojawienia się mogą okazać się zrównoważone – nie towarzyszy im nadmiar lub niedobór materiału chromosomowego.

Na przykład dwa niesparowane chromosomy mogą zamienić się swoimi odcinkami niosącymi różne geny, jeśli podczas pęknięć chromosomów, które czasami obserwuje się podczas podziału komórki, ich końce stają się lepkie i sklejają się z wolnymi fragmentami innych chromosomów. W wyniku takich wymian (translokacji) liczba chromosomów w komórce zostaje zachowana, ale w ten sposób powstają nowe chromosomy, w których zostaje naruszona zasada ścisłego parowania genów.

Innym rodzajem translokacji jest sklejenie dwóch prawie całych chromosomów ich „lepkimi” końcami, w wyniku czego Łączna chromosomy zmniejszają się o jeden, chociaż nie następuje utrata materiału chromosomowego. Osoba będąca nosicielem takiej translokacji jest całkowicie zdrowa, ale zrównoważone rearanżacje strukturalne, które zachodzą, nie są już przypadkowe, ale w sposób naturalny prowadzą do braku równowagi chromosomowej u jego potomstwa, ponieważ znacząca część komórki rozrodcze nosicieli takich translokacji mają nadmiar lub, odwrotnie, niewystarczający materiał chromosomowy.

Czasami tacy nosiciele w ogóle nie mogą mieć zdrowych dzieci (jednak takie sytuacje zdarzają się niezwykle rzadko). Na przykład u nosicieli podobnej anomalii chromosomowej - translokacja między dwoma identycznymi chromosomami (powiedzmy fuzja końców tej samej 21. pary), 50% komórek jajowych lub plemników (w zależności od płci nosiciela) zawiera 23 chromosomy, w tym podwójny, a pozostałe 50% zawiera o jeden chromosom mniej niż oczekiwano. Podczas zapłodnienia komórki posiadające podwójny chromosom otrzymają kolejny, 21. chromosom, w wyniku czego na świat przyjdą dzieci z zespołem Downa. Komórki, którym podczas zapłodnienia brakuje 21. chromosomu, dają początek niezdolnemu do życia płódowi, który w pierwszej połowie ciąży ulega samoistnemu poronieniu.

Nosiciele innych typów translokacji mogą mieć również zdrowe potomstwo. Istnieje jednak ryzyko braku równowagi chromosomowej, prowadzącego do poważnych patologii rozwojowych u potomstwa. Ryzyko to dla potomstwa nosicieli rearanżacji strukturalnych jest znacznie wyższe niż ryzyko nieprawidłowości chromosomowych w wyniku nowych, losowych mutacji.

Oprócz translokacji istnieją inne rodzaje strukturalnych rearanżacji chromosomów, które prowadzą do podobnych negatywnych konsekwencji. Na szczęście dziedziczenie nieprawidłowości chromosomowych obarczonym wysokim ryzykiem patologii jest w życiu znacznie rzadsze niż przypadkowe mutacje chromosomowe. Stosunek przypadków chorób chromosomalnych wśród ich postaci zmutowanych i dziedzicznych wynosi odpowiednio około 95% i 5%.

Ile chorób dziedzicznych jest już znanych?
Czy ich liczba w historii ludzkości rośnie czy maleje?

Opierając się na ogólnych koncepcjach biologicznych, można by oczekiwać przybliżonej zgodności między liczbą chromosomów w organizmie a liczbą chorób chromosomalnych (i podobnie między liczbą genów i chorób genowych). Rzeczywiście, obecnie znanych jest kilkadziesiąt nieprawidłowości chromosomowych o specyficznych objawach klinicznych (które w rzeczywistości przekraczają liczbę chromosomów, ponieważ różne ilości i zmiany strukturalne ten sam chromosom powoduje różne choroby).

Liczba znanych chorób wywołanych mutacjami pojedynczych genów (na poziomie molekularnym) jest znacznie większa i przekracza 2000. Szacuje się, że liczba genów na wszystkich chromosomach człowieka jest znacznie większa. Wiele z nich nie jest unikalnych, ponieważ występują w postaci wielu powtarzających się kopii na różnych chromosomach. Ponadto wiele mutacji może nie objawiać się chorobą, ale prowadzić do śmierci embrionalnej płodu. Zatem liczba chorób genowych w przybliżeniu odpowiada strukturze genetycznej organizmu.

Wraz z rozwojem badań genetyki medycznej na całym świecie stopniowo zwiększa się liczba znanych chorób dziedzicznych, a wiele z nich, które stały się klasyczne, jest znanych ludziom od bardzo dawna. Obecnie w literaturze genetycznej następuje swoisty rozkwit publikacji na temat rzekomo nowych przypadków i postaci chorób i zespołów dziedzicznych, z których wiele nosi zwykle nazwy od nazwisk ich odkrywców.

Co kilka lat słynny amerykański genetyk Victor McKusick publikuje katalogi cech dziedzicznych i chorób człowieka, opracowane na podstawie komputerowej analizy danych z literatury światowej. I za każdym razem każda kolejna edycja różni się od poprzedniej coraz większą liczbą takich chorób. Jest oczywiste, że tendencja ta będzie się utrzymywać, ale odzwierciedla ona raczej poprawę rozpoznawania chorób dziedzicznych i zwracanie na nie większej uwagi niż realny wzrost ich liczebność w procesie ewolucji.

Mutacje genowe to zmiany molekularne w strukturze DNA, które nie są widoczne w mikroskopie świetlnym. Mutacje genowe obejmują wszelkie zmiany w strukturze molekularnej DNA, niezależnie od ich lokalizacji i wpływu na żywotność. Niektóre mutacje nie mają wpływu na strukturę lub funkcję odpowiedniego białka. Kolejna (duża) część mutacji genów prowadzi do syntezy wadliwego białka, które nie jest w stanie pełnić swojej nieodłącznej funkcji. To mutacje genów determinują rozwój większości dziedzicznych form patologii.

Do najczęstszych chorób monogenowych u człowieka zalicza się: mukowiscydozę, hemochromatozę, zespół nadnerczowo-płciowy, fenyloketonurię, nerwiakowłókniakowatość, miopatie Duchenne’a-Beckera i szereg innych chorób. Klinicznie objawiają się jako oznaki zaburzeń metabolicznych (metabolizmu) w organizmie. Mutacja może być:

1) przy zastępowaniu zasady w kodonie jest to tzw mutacja zmiany sensu(z angielskiego mis - fałszywy, niepoprawny + łac. sensus - znaczenie) - zastąpienie nukleotydu w części kodującej genu, prowadzące do zastąpienia aminokwasu w polipeptydzie;

2) przy takiej zmianie kodonów, która doprowadzi do zaprzestania odczytywania informacji, jest to tzw bezsensowna mutacja(z łac. non - no + sensus - znaczenie) - zastąpienie nukleotydu w części kodującej genu prowadzi do powstania kodonu terminatora (kodon stop) i zaprzestania translacji;

3) naruszenie odczytu informacji, przesunięcie ramki odczytu, tzw przesunięcie ramki(z angielskiego ramka - ramka + przesunięcie: - przesunięcie, ruch), gdy zmiany molekularne w DNA prowadzą do zmian w trójkach podczas translacji łańcucha polipeptydowego.

Znane są również inne typy mutacji genowych. W zależności od rodzaju zmian molekularnych wyróżnia się:

dział(z łac. deletio - zniszczenie), gdy utracony zostaje segment DNA o wielkości od jednego nukleotydu do genu;

duplikacje(z łac. duplicatio – podwojenie), tj. duplikacja lub reduplikacja segmentu DNA z jednego nukleotydu do całych genów;

inwersje(od łac. inversio – przewrócenie), tj. obrót o 180° segmentu DNA o wielkości od dwóch nukleotydów do fragmentu zawierającego kilka genów;

wstawki(od łac. Insertio - załącznik), tj. insercja fragmentów DNA o wielkości od jednego nukleotydu do całego genu.

Zmiany molekularne dotyczące jednego do kilku nukleotydów uważa się za mutację punktową.

Podstawową i charakterystyczną cechą mutacji genu jest to, że 1) prowadzi ona do zmiany informacji genetycznej, 2) może być przekazywana z pokolenia na pokolenie.

Pewną część mutacji genowych można zaliczyć do mutacji neutralnych, gdyż nie prowadzą one do zmian fenotypowych. Przykładowo, ze względu na degenerację kodu genetycznego, ten sam aminokwas może być kodowany przez dwie trójki różniące się tylko jedną zasadą. Z drugiej strony ten sam gen może zmienić się (mutować) w kilka różnych stanów.

Na przykład gen kontrolujący grupę krwi układu AB0. ma trzy allele: 0, A i B, których kombinacja określa 4 grupy krwi. Grupa krwi ABO jest klasycznym przykładem zmienności genetycznej normalnych cech ludzkich.

To mutacje genów determinują rozwój większości dziedzicznych form patologii. Choroby wywołane takimi mutacjami nazywane są chorobami genetycznymi, czyli monogenowymi, czyli takimi, których rozwój uwarunkowany jest mutacją jednego genu.

Mutacje genomowe i chromosomalne

Przyczyną chorób chromosomalnych są mutacje genomowe i chromosomalne. Mutacje genomowe obejmują aneuploidie i zmiany w ploidii strukturalnie niezmienionych chromosomów. Wykrywane metodami cytogenetycznymi.

Aneuploidia- zmiana (zmniejszenie - monosomia, wzrost - trisomia) liczby chromosomów w zestawie diploidalnym, a nie wielokrotność zestawu haploidalnego (2n + 1, 2n - 1 itd.).

Poliploidia- wzrost liczby zestawów chromosomów, wielokrotności zestawu haploidalnego (3n, 4n, 5n itd.).

U ludzi poliploidia, podobnie jak większość aneuploidii, jest mutacjami śmiertelnymi.

Do najczęstszych mutacji genomowych należą:

trisomia- obecność trzech homologicznych chromosomów w kariotypie (np. na 21. parze w zespole Downa, na 18. parze w zespole Edwardsa, na 13. parze w zespole Patau; na chromosomach płciowych: XXX, XXY, XYY);

monosomia- obecność tylko jednego z dwóch homologicznych chromosomów. Z monosomią któregokolwiek z autosomów normalny rozwój zarodek jest niemożliwy. Jedyna monosomia u człowieka zgodna z życiem, monosomia na chromosomie X, prowadzi do zespołu Shereshevsky’ego-Turnera (45, X0).

Przyczyną aneuploidii jest brak rozłączenia chromosomów podczas podziału komórki podczas tworzenia komórek rozrodczych lub utrata chromosomów w wyniku opóźnienia anafazowego, gdy podczas przemieszczania się do bieguna jeden z chromosomów homologicznych może pozostawać w tyle za wszystkimi innymi chromosomami niehomologicznymi. Termin „nondysjunkcja” oznacza brak rozdziału chromosomów lub chromatyd w mejozie lub mitozie. Utrata chromosomów może prowadzić do mozaikowatości, w której występuje uploidalny(normalna) linia komórkowa i druga monosomiczny.

Nondysjunkcja chromosomów najczęściej występuje podczas mejozy. Chromosomy, które normalnie dzieliłyby się podczas mejozy, pozostają ze sobą połączone i przemieszczają się do jednego bieguna komórki podczas anafazy. W ten sposób powstają dwie gamety, z których jedna ma dodatkowy chromosom, a druga nie ma tego chromosomu. Gdy gameta z normalnym zestawem chromosomów zostanie zapłodniona przez gametę z dodatkowym chromosomem, następuje trisomia (tj. w komórce znajdują się trzy homologiczne chromosomy); gdy zapłodniona zostanie gameta bez jednego chromosomu, powstaje zygota z monosomią. Jeśli na jakimkolwiek chromosomie autosomalnym (niepłciowym) utworzy się zygota monosomalna, rozwój organizmu zatrzymuje się na najwcześniejszych etapach rozwoju.

Mutacje chromosomowe- Są to zmiany strukturalne w poszczególnych chromosomach, zwykle widoczne pod mikroskopem świetlnym. Mutacja chromosomowa obejmuje dużą liczbę (od kilkudziesięciu do kilkuset) genów, co prowadzi do zmiany prawidłowego zestaw diploidalny. Chociaż aberracje chromosomowe na ogół nie zmieniają sekwencji DNA określonych genów, zmiany w liczbie kopii genów w genomie prowadzą do braku równowagi genetycznej z powodu braku lub nadmiaru materiału genetycznego. Istnieją dwa duże grupy mutacje chromosomowe: wewnątrzchromosomalne i międzychromosomalne.

Mutacje wewnątrzchromosomalne to aberracje w obrębie jednego chromosomu. Obejmują one:

—usunięcia(z łac. deletio - zniszczenie) - utrata jednej z sekcji chromosomu, wewnętrznej lub końcowej. Może to spowodować zaburzenie embriogenezy i powstanie wielu anomalii rozwojowych (na przykład podział w regionie krótkiego ramienia 5. chromosomu, oznaczony jako 5p-, prowadzi do niedorozwoju krtani, wad serca, opóźnienia rozwój mentalny). Ten zespół objawów znany jest jako zespół „krzyku kota”, ponieważ u chorych dzieci z powodu nieprawidłowości w krtani płacz przypomina miauczenie kota;

—inwersje(z łaciny inversio - inwersja). W wyniku dwóch punktów przerwania chromosomu powstały fragment zostaje wstawiony na swoje pierwotne miejsce po obrocie o 180°. W rezultacie zakłócony zostaje jedynie porządek genów;

— duplikacje(z łac. duplikacja - podwojenie) - podwojenie (lub zwielokrotnienie) dowolnej części chromosomu (na przykład trisomia na jednym z krótkich ramion 9. chromosomu powoduje wiele wad, w tym małogłowie, opóźniony rozwój fizyczny, psychiczny i intelektualny).

Wzory najczęstszych aberracji chromosomowych:
Podział: 1 - terminal; 2 - śródmiąższowe. Inwersje: 1 - perycentryczne (z wychwytywaniem centromeru); 2 - paracentryczny (w obrębie jednego ramienia chromosomu)

Mutacje międzychromosomalne lub mutacje rearanżacyjne- wymiana fragmentów pomiędzy chromosomami niehomologicznymi. Takie mutacje nazywane są translokacjami (od łacińskiego tgans – dla, poprzez + locus – miejsce). Ten:

Translokacja wzajemna, gdy dwa chromosomy wymieniają swoje fragmenty;

Translokacja niewzajemna, gdy fragment jednego chromosomu jest transportowany do drugiego;

- fuzja „centryczna” (translokacja Robertsona) - połączenie dwóch chromosomów akrocentrycznych w rejonie ich centromerów z utratą krótkich ramion.

Kiedy chromatydy przebijają się poprzecznie przez centromery, chromatydy „siostrzane” stają się „lustrzanymi” ramionami dwóch różnych chromosomów zawierających te same zestawy genów. Takie chromosomy nazywane są izochromosomami. Zarówno aberracje i izochromosomy wewnątrzchromosomalne (delecje, inwersje i duplikacje), jak i międzychromosomalne (translokacje) są powiązane z fizycznymi zmianami w strukturze chromosomów, w tym z przerwami mechanicznymi.

Dziedziczna patologia wynikająca z dziedzicznej zmienności

Obecność wspólnych cech gatunkowych pozwala nam zjednoczyć wszystkich ludzi na ziemi w jeden gatunek Homo sapiens. Niemniej jednak łatwo jednym spojrzeniem rozpoznajemy w tłumie twarz znanej nam osoby nieznajomi. Skrajna różnorodność ludzi – zarówno w obrębie grup (na przykład różnorodność w obrębie grupy etnicznej), jak i pomiędzy grupami – wynika z różnic genetycznych. Obecnie uważa się, że wszelkie zróżnicowanie wewnątrzgatunkowe wynika z różnych genotypów powstałych i utrzymywanych w wyniku doboru naturalnego.

Wiadomo, że haploidalny genom człowieka zawiera 3,3x10 9 par reszt nukleotydowych, co teoretycznie pozwala na obecność aż 6-10 milionów genów. Jednak dane nowoczesne badania wskazują, że genom człowieka zawiera około 30-40 tysięcy genów. Około jedna trzecia wszystkich genów ma więcej niż jeden allel, to znaczy jest polimorficzna.

Koncepcja dziedzicznego polimorfizmu została sformułowana przez E. Forda w 1940 r. w celu wyjaśnienia istnienia w populacji dwóch lub więcej odrębnych form, gdy częstości występowania najrzadszej z nich nie można wyjaśnić samymi zdarzeniami mutacyjnymi. Ponieważ mutacja genu jest zjawiskiem rzadkim (1x10 6), częstość występowania zmutowanego allelu, przekraczającą 1%, można wytłumaczyć jedynie jego stopniową akumulacją w populacji ze względu na selektywną przewagę nosicieli tej mutacji.

Wielość segregujących loci, mnogość alleli w każdym z nich, wraz ze zjawiskiem rekombinacji, tworzy niewyczerpaną różnorodność genetyczną człowieka. Obliczenia pokazują, że w całej historii ludzkości nie było, nie ma i nie będzie miało miejsca w dającej się przewidzieć przyszłości powtórzenie genetyczne, tj. Każdy narodzony człowiek jest wyjątkowym zjawiskiem we Wszechświecie. Wyjątkowość budowy genetycznej w dużej mierze determinuje cechy rozwoju choroby u każdej indywidualnej osoby.

Ludzkość ewoluowała jako grupy izolowanych populacji, długi czasżyją w tych samych warunkach środowiskowych, w tym pod względem cech klimatycznych i geograficznych, wzorców odżywiania, patogenów, tradycji kulturowych itp. Doprowadziło to do konsolidacji w populacji kombinacji prawidłowych alleli, specyficznych dla każdego z nich, najbardziej adekwatnych warunki środowiska. W wyniku stopniowej ekspansji siedliska, intensywnych migracji i przesiedleń ludów powstają sytuacje, w których kombinacje określonych normalnych genów, przydatnych w pewnych warunkach, nie zapewniają optymalnego funkcjonowania niektórych układów organizmu w innych warunkach. Prowadzi to do tego, że część zmienności dziedzicznej, spowodowanej niekorzystną kombinacją niepatologicznych genów ludzkich, staje się podstawą rozwoju tzw. chorób o dziedzicznej predyspozycji.

Ponadto u ludzi jako istot społecznych dobór naturalny postępuje z biegiem czasu w coraz większej liczbie. konkretne formy, co również rozszerzyło różnorodność dziedziczną. To, co zwierzęta mogły wyrzucić, zostało zachowane lub odwrotnie, to, co zwierzęta zatrzymały, zostało utracone. Tym samym pełne zaspokojenie zapotrzebowania na witaminę C doprowadziło w procesie ewolucji do utraty genu oksydazy L-gulonodaktonowej, który katalizuje syntezę kwas askorbinowy. W procesie ewolucji ludzkość nabyła także niepożądane cechy, które są bezpośrednio związane z patologią. Na przykład w procesie ewolucji ludzie nabyli geny określające wrażliwość na toksynę błonicy lub wirusa polio.

Zatem u człowieka, jak u każdego innego gatunku biologicznego, nie ma ostrej granicy pomiędzy zmiennością dziedziczną prowadzącą do normalnych zmian cech a zmiennością dziedziczną powodującą występowanie chorób dziedzicznych. Człowiek, stając się biologicznym gatunkiem Homo sapiens, zdawał się płacić za „rozsądek” swojego gatunku kumulacją patologicznych mutacji. Stanowisko to leży u podstaw jednej z głównych koncepcji genetyki medycznej dotyczącej ewolucyjnej akumulacji mutacji patologicznych w populacjach ludzkich.

Dziedziczna zmienność populacji ludzkich, zarówno utrzymywana, jak i zmniejszana przez dobór naturalny, tworzy tzw. ładunek genetyczny.

Niektóre mutacje patologiczne mogą utrzymywać się i rozprzestrzeniać w populacjach przez historycznie długi czas, powodując tzw. obciążenie genetyczne segregacyjne; inne mutacje patologiczne powstają w każdym pokoleniu w wyniku nowych zmian w strukturze dziedzicznej, tworząc ładunek mutacyjny.

Negatywny wpływ obciążenia genetycznego objawia się zwiększoną śmiertelnością (śmierć gamet, zygot, zarodków i dzieci), zmniejszoną płodnością (ograniczona reprodukcja potomstwa), zmniejszoną oczekiwaną długością życia, dezadaptacją społeczną i niepełnosprawnością, a także powoduje zwiększone zapotrzebowanie na opiekę medyczną .

Angielski genetyk J. Hoddane jako pierwszy zwrócił uwagę badaczy na istnienie ładunku genetycznego, choć samo określenie zaproponował G. Meller już pod koniec lat 40. XX wieku. Znaczenie pojęcia „obciążenie genetyczne” jest związane z wysoki stopień zmienność genetyczna konieczna, aby gatunek mógł przystosować się do zmieniających się warunków środowiskowych.

Kiedy zmiany w DNA zachodzą samoistnie, powodując różne patologie rozwoju i wzrostu organizmów żywych, mówi się o mutacjach. Aby zrozumieć ich istotę, należy dowiedzieć się więcej o przyczynach, które do nich prowadzą.

Genetycy twierdzą, że mutacje są charakterystyczne dla wszystkich bez wyjątku organizmów na planecie (żywych) i że istnieją od zawsze, a w jednym organizmie może być ich kilkaset. Różnią się jednak stopniem nasilenia i charakterem manifestacji, o których decydują czynniki, które je prowokują, a także dotknięty łańcuch genów.

Mogą być naturalne i sztuczne, tj. powstałe w warunkach laboratoryjnych.

Bardzo Wspólne czynniki, prowadzące do takich zmian z punktu widzenia genetyków, są następujące:

promieniowanie jonizujące i Promienie rentgenowskie. Wpływ na organizm promieniowanie radioaktywne towarzyszy zmiana ładunku elektronów w atomach. Powoduje to zakłócenie normalnego przebiegu procesów fizykochemicznych i chemiczno-biologicznych;

bardzo wysokie temperatury często powodują zmiany w przypadku przekroczenia progu wrażliwości konkretnego osobnika;

przy podziałach komórek mogą wystąpić opóźnienia, a także zbyt szybka ich proliferacja, co staje się także impulsem do negatywnych zmian;

„defekty” występujące w DNA, w których nawet po odtworzeniu nie jest możliwe przywrócenie atomu do stanu pierwotnego.

Odmiany

NA ten moment Istnieje ponad trzydzieści rodzajów odchyleń w puli genów żywego organizmu i genotypu, które powodują mutacje. Niektóre są całkiem bezpieczne i nie manifestują się w żaden sposób na zewnątrz, tj. nie prowadzą do deformacji wewnętrznych i zewnętrznych, dzięki czemu żywy organizm nie odczuwa dyskomfortu. Innym, wręcz przeciwnie, towarzyszy silny dyskomfort.

Aby zrozumieć, czym są mutacje, należy zapoznać się z klasyfikacją mutagenną, pogrupowaną według przyczyn wad:

genetyczne i somatyczne, różniące się typologią komórek, które uległy zmianom. Somatyczny jest charakterystyczny dla komórek ssaków. Można je przekazywać wyłącznie w drodze dziedziczenia (na przykład inny kolor oczu). Jego powstawanie następuje w łonie matki. Mutacja genetyczna charakterystyczne dla roślin i bezkręgowców. Jest to spowodowane negatywnymi czynnikami środowiskowymi. Przykładem manifestacji są grzyby pojawiające się na drzewach itp.;

jądrowy odnoszą się do mutacji opartych na lokalizacji komórek, które uległy zmianom. Takich opcji nie można leczyć, ponieważ wpływa to bezpośrednio na samo DNA. Drugi typ mutacji to mutacja cytoplazmatyczna (lub atawizm). Wpływa na wszelkie płyny oddziałujące z jądrem komórkowym i samymi komórkami. Takie mutacje można leczyć;

jawne (naturalne) i indukowane (sztuczne). Pojawienie się pierwszego nagle i bez widoczne powody. Te ostatnie wiążą się z niepowodzeniem procesów fizycznych lub chemicznych;

genowe i genomowe różniące się stopniem nasilenia. W pierwszym wariancie zmiany dotyczą zaburzeń zmieniających kolejność struktury nukleotydów w nowo powstających łańcuchach DNA (za przykład można uznać fenyloketonurię).

W drugim przypadku następuje zmiana ilościowego zestawu chromosomów, czego przykładem jest choroba Downa, choroba Konovalova-Wilsona itp.

Oznaczający

Szkodliwość mutacji dla organizmu jest niezaprzeczalna, ponieważ nie tylko wpływa na jego prawidłowy rozwój, ale często prowadzi do śmierci. Mutacje nie mogą być przydatne. Dotyczy to również przypadków supermocarstw. Zawsze są one warunkiem wstępnym naturalna selekcja, doprowadzić do pojawienia się nowych gatunków organizmów (żywych) lub do całkowitego wyginięcia.

Obecnie jest jasne, że procesy wpływające na strukturę DNA, prowadzące do drobnych lub śmiertelnych zaburzeń, wpływają na prawidłowy rozwój i funkcjonowanie organizmu.

Oczekiwanie na narodziny dziecka to najwspanialszy czas dla rodziców, ale i najstraszniejszy. Wiele osób obawia się, że dziecko może urodzić się z jakąkolwiek niepełnosprawnością, niepełnosprawnością fizyczną lub umysłową.

Nauka nie stoi w miejscu, już we wczesnych stadiach ciąży można sprawdzić dziecko pod kątem nieprawidłowości rozwojowych. Prawie wszystkie te badania mogą wykazać, czy z dzieckiem wszystko jest w porządku.

Dlaczego tak się dzieje, że ci sami rodzice mogą rodzić zupełnie różne dzieci? zdrowe dziecko i dziecko niepełnosprawne? Decydują o tym geny. Na narodziny dziecka słabo rozwiniętego lub dziecka niepełnosprawnego ruchowo wpływają mutacje genów związane ze zmianami w strukturze DNA. Porozmawiajmy o tym bardziej szczegółowo. Przyjrzyjmy się, jak to się dzieje, jakie są mutacje genów i ich przyczyny.

Co to są mutacje?

Mutacje to fizjologiczne i biologiczne zmiany w strukturze DNA komórki. Przyczyną może być promieniowanie (w czasie ciąży nie można wykonywać zdjęć rentgenowskich w celu sprawdzenia urazów i złamań), promienie ultrafioletowe(długa ekspozycja na słońce w czasie ciąży lub przebywanie w pomieszczeniu z włączonymi lampami ultrafioletowymi). Takie mutacje można również odziedziczyć od przodków. Wszystkie są podzielone na typy.

Mutacje genowe ze zmianami w strukturze chromosomów lub ich liczbie

Są to mutacje, w wyniku których zmienia się struktura i liczba chromosomów. Regiony chromosomalne mogą wypadać lub podwoić się, przejść do strefy niehomologicznej lub obrócić się o sto osiemdziesiąt stopni od normy.

Przyczyną pojawienia się takiej mutacji jest naruszenie krzyżowania.

Mutacje genowe są związane ze zmianami w strukturze chromosomów lub ich liczbie i są przyczyną poważne zaburzenia i choroby u dziecka. Takie choroby są nieuleczalne.

Rodzaje mutacji chromosomowych

W sumie istnieją dwa typy głównych mutacji chromosomowych: numeryczne i strukturalne. Aneuploidia to rodzaj liczby chromosomów, to znaczy, gdy mutacje genów są związane ze zmianą liczby chromosomów. Jest to pojawienie się dodatkowego lub kilku z nich lub utrata któregokolwiek z nich.

Mutacje genów są związane ze zmianami w strukturze, gdy chromosomy są łamane, a następnie ponownie łączone, zakłócając normalną konfigurację.

Rodzaje chromosomów numerycznych

Na podstawie liczby chromosomów mutacje dzielą się na aneuploidie, czyli typy. Spójrzmy na główne i znajdźmy różnicę.

• trisomia

Trisomia to pojawienie się dodatkowego chromosomu w kariotypie. Najczęstszym zjawiskiem jest pojawienie się dwudziestego pierwszego chromosomu. Powoduje zespół Downa, czyli jak nazywa się tę chorobę, trisomię dwudziestego pierwszego chromosomu.

Zespół Pataua wykrywa się na trzynastym chromosomie, a na osiemnastym – wszystkie są to trisomie autosomalne. Inne trisomie nie są żywotne; umierają w macicy i giną podczas spontanicznych poronień. Osobniki, u których rozwinęły się dodatkowe chromosomy płciowe (X, Y), są zdolne do życia. Objaw kliniczny Takich mutacji jest bardzo niewiele.

Mutacje genowe związane ze zmianami liczby powstają wg pewne powody. Trisomia może najczęściej wystąpić podczas rozbieżności w anafazie (mejoza 1). Rezultatem tej rozbieżności jest to, że oba chromosomy trafiają tylko do jednej z dwóch komórek potomnych, druga pozostaje pusta.

Rzadziej może wystąpić nondysjunkcja chromosomów. Zjawisko to nazywa się zaburzeniem dywergencji chromatyd siostrzanych. Zachodzi w mejozie 2. Dzieje się tak dokładnie wtedy, gdy dwa całkowicie identyczne chromosomy osadzają się w jednej gamecie, tworząc trisomiczną zygotę. Nondysjunkcja występuje w wczesne stadia proces rozdrabniania zapłodnionego jaja. W ten sposób powstaje klon zmutowanych komórek, który może pokryć większą lub mniejszą część tkanki. Czasami objawia się to klinicznie.

Wiele osób kojarzy dwudziesty pierwszy chromosom z wiekiem kobiety w ciąży, ale ten czynnik jest zależny Dzisiaj nie ma jednoznacznego potwierdzenia. Przyczyny braku separacji chromosomów pozostają nieznane.

• monosomia

Monosomia to brak autosomu. Jeśli tak się stanie, w większości przypadków płód nie może zostać doniesiony i przedwczesny poród następuje we wczesnych stadiach. Wyjątkiem jest monosomia spowodowana dwudziestym pierwszym chromosomem. Powodem wystąpienia monosomii może być brak rozłączenia chromosomu lub utrata chromosomu podczas jego drogi do komórki w anafazie.

Na chromosomach płciowych monosomia prowadzi do powstania płodu z kariotypem XO. Kliniczną manifestacją tego kariotypu jest zespół Turnera. W osiemdziesięciu procentach przypadków na sto pojawienie się monosomii na chromosomie X następuje z powodu naruszenia mejozy ojca dziecka. Dzieje się tak na skutek braku dysjunkcji chromosomów X i Y. Zasadniczo płód z kariotypem XO umiera w macicy.

Ze względu na chromosomy płciowe trisomię dzieli się na trzy typy: 47 XXY, 47 XXX, 47 XYY. to trisomia 47 XXY. Przy takim kariotypie szanse na urodzenie dziecka wynoszą pięćdziesiąt pięćdziesiąt. Przyczyną tego zespołu może być brak rozłączenia chromosomów X lub brak rozłączenia spermatogenezy X i Y. Drugi i trzeci kariotyp może wystąpić tylko u jednej na tysiąc ciężarnych kobiet, praktycznie się nie pojawiają i w większości przypadków są odkrywane przez specjalistów zupełnie przypadkowo.

• poliploidia

Są to mutacje genowe związane ze zmianami w haploidalnym zestawie chromosomów. Zestawy te można potroić lub czterokrotnie. Triploidię najczęściej rozpoznaje się dopiero po wystąpieniu samoistnego poronienia. Było kilka przypadków, gdy matce udało się unieść takie dziecko, ale wszystkie zmarły przed dotarciem jeden miesiąc. Mechanizmy mutacji genów w przypadku triplodii są określone przez całkowitą rozbieżność i brak rozbieżności wszystkich zestawów chromosomów żeńskich lub męskich komórek rozrodczych. Mechanizmem może być również podwójne zapłodnienie jednego jaja. W takim przypadku następuje zwyrodnienie łożyska. To zwyrodnienie nazywa się kretem groniastym. Z reguły takie zmiany prowadzą do rozwoju zaburzeń psychicznych i fizjologicznych u dziecka i przerwania ciąży.

Jakie mutacje genów są związane ze zmianami w strukturze chromosomów

Zmiany strukturalne w chromosomach są konsekwencją złamania (zniszczenia) chromosomów. W efekcie chromosomy te łączą się, zaburzając ich dotychczasowy wygląd. Modyfikacje te mogą być niezrównoważone lub zrównoważone. Zrównoważeni nie mają nadmiaru ani niedoboru materiału i dlatego nie manifestują się. Mogą pojawić się tylko w przypadkach, gdy w miejscu zniszczenia chromosomu znajdował się gen, który jest funkcjonalnie ważny. Zrównoważony zestaw może wytwarzać niezrównoważone gamety. W rezultacie zapłodnienie komórki jajowej taką gametą może spowodować pojawienie się płodu z niezrównoważonym zestawem chromosomów. Przy takim zestawie u płodu występuje szereg wad rozwojowych i pojawiają się ciężkie typy patologii.

Rodzaje modyfikacji konstrukcyjnych

Mutacje genowe zachodzą na poziomie tworzenia gamet. Nie da się temu procesowi zapobiec, tak jak nie można z góry wiedzieć, czy może on nastąpić. Istnieje kilka rodzajów modyfikacji konstrukcyjnych.

• usunięcia

Zmiana ta wynika z utraty części chromosomu. Po takiej przerwie chromosom ulega skróceniu, a jego odcięta część zostaje utracona podczas dalszego podziału komórki. Delecje śródmiąższowe mają miejsce, gdy jeden chromosom jest uszkodzony w kilku miejscach jednocześnie. Takie chromosomy zwykle tworzą niezdolny do życia płód. Ale zdarzają się też przypadki, gdy dzieci przeżywają, ale z powodu tego zestawu chromosomów mają zespół Wolfa-Hirschhorna, „koci płacz”.

• duplikacje

Te mutacje genów zachodzą na poziomie organizacji podwójnych odcinków DNA. Ogólnie rzecz biorąc, duplikacja nie może powodować patologii, takich jak delecje.

• translokacje

Translokacja następuje w wyniku przeniesienia materiału genetycznego z jednego chromosomu na drugi. Jeśli pęknięcie nastąpi jednocześnie w kilku chromosomach i nastąpi wymiana segmentów, wówczas staje się to przyczyną wzajemnej translokacji. Kariotyp takiej translokacji ma tylko czterdzieści sześć chromosomów. Sama translokacja zostaje ujawniona jedynie poprzez szczegółową analizę i badanie chromosomu.

Zmiana sekwencji nukleotydów

Mutacje genowe są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów, gdy wyrażają się w modyfikacjach w strukturach pewnych odcinków DNA. Zgodnie z konsekwencjami takie mutacje dzielą się na dwa typy - bez przesunięcia ramki odczytu i z przesunięciem. Aby dokładnie poznać przyczyny zmian w skrawkach DNA, należy rozważyć każdy typ osobno.

Mutacja bez przesunięcia ramki

Te mutacje genów są związane ze zmianami i zamianami par nukleotydów w strukturze DNA. Przy takich podstawieniach długość DNA nie ulega utracie, ale aminokwasy mogą zostać utracone i zastąpione. Istnieje możliwość zachowania struktury białka, posłuży to. Rozważmy szczegółowo obie opcje rozwoju: z wymianą aminokwasów i bez niej.

Mutacja podstawienia aminokwasu

Zastąpienie reszty aminokwasowej w polipeptydach nazywane jest mutacjami zmiany sensu. W cząsteczce ludzkiej hemoglobiny znajdują się cztery łańcuchy - dwa „a” (znajduje się na szesnastym chromosomie) i dwa „b” (kodowane na jedenastym chromosomie). Jeśli „b” jest normalnym łańcuchem i zawiera sto czterdzieści sześć reszt aminokwasowych, a szósta to glutamina, wówczas hemoglobina będzie normalna. W tym przypadku kwas glutaminowy powinien być kodowany przez triplet GAA. Jeśli w wyniku mutacji GAA zostanie zastąpiony przez GTA, wówczas zamiast kwasu glutaminowego w cząsteczce hemoglobiny powstaje walina. Więc zamiast normalna hemoglobina HbA pojawi się kolejna hemoglobina HbS. Zatem zastąpienie jednego aminokwasu i jednego nukleotydu spowoduje poważną poważną chorobę - anemię sierpowatokrwinkową.

Choroba ta objawia się tym, że czerwone krwinki przyjmują kształt sierpa. W tej postaci nie są w stanie prawidłowo dostarczać tlenu. Jeżeli na poziomie komórkowym homozygoty mają wzór HbS/HbS, to prowadzi to do śmierci dziecka już na samym początku. wczesne dzieciństwo. Jeśli wzór to HbA/HbS, wówczas czerwone krwinki mają słabą formę zmiany. Taka słaba zmiana ma pożyteczną cechę - odporność organizmu na malarię. W tych krajach, gdzie istnieje niebezpieczeństwo zarażenia się malarią tak samo jak na Syberii przeziębieniem, zmiana ta ma dobroczynną wartość.

Mutacja bez podstawienia aminokwasu

Podstawienia nukleotydów bez wymiany aminokwasów nazywane są mutacjami sejsmicznymi. Jeżeli w odcinku DNA kodującym łańcuch „b” nastąpi zamiana GAA na GAG, to ze względu na jego nadmiar nie może nastąpić zamiana kwasu glutaminowego. Struktura łańcucha nie ulegnie zmianie, nie będzie żadnych modyfikacji w czerwonych krwinkach.

Mutacje zmiany ramki odczytu

Takie mutacje genów są powiązane ze zmianami długości DNA. Długość może stać się krótsza lub dłuższa w zależności od utraty lub dodania par nukleotydów. W ten sposób cała struktura białka zostanie całkowicie zmieniona.

Może wystąpić supresja wewnątrzgenowa. Zjawisko to ma miejsce, gdy występują dwie mutacje, które wzajemnie się kompensują. Jest to moment dodania pary nukleotydów po utracie jednej i odwrotnie.

Bezsensowne mutacje

Ten specjalna grupa mutacje. Występuje rzadko i wiąże się z pojawieniem się kodonów stop. Może się to zdarzyć zarówno w przypadku utraty, jak i dodania par nukleotydów. Kiedy pojawiają się kodony stop, synteza polipeptydu zostaje całkowicie zatrzymana. W ten sposób mogą powstać allele zerowe. Żadne białko nie będzie temu odpowiadać.

Istnieje coś takiego jak supresja międzygenowa. Jest to zjawisko, w którym mutacje w niektórych genach tłumią mutacje w innych.

Czy zmiany są wykrywane w czasie ciąży?

W większości przypadków można określić mutacje genowe związane ze zmianami w liczbie chromosomów. Aby dowiedzieć się, czy płód ma wady rozwojowe i patologie, zaleca się badania przesiewowe w pierwszych tygodniach ciąży (od dziesięciu do trzynastu tygodni). Jest to szereg prostych badań: pobranie krwi z palca i żyły, badanie USG. Podczas badania USG płód badany jest pod kątem parametrów wszystkich kończyn, nosa i głowy. Parametry te, jeśli są silnie odbiegające od norm, świadczą o tym, że u dziecka występują wady rozwojowe. Diagnozę tę potwierdza się lub odrzuca na podstawie wyników badania krwi.

Również przyszłe matki, których dzieci mogą rozwinąć mutacje na poziomie genów, które są dziedziczone, również znajdują się pod ścisłym nadzorem lekarza. Oznacza to, że są to kobiety, u których krewnych zdarzały się przypadki narodzin dziecka z zaburzeniami psychicznymi lub nieprawidłowości fizyczne, zidentyfikował zespół Downa, zespół Patau i inne choroby genetyczne.

Mutacje powstające pod wpływem specjalnych wpływów - promieniowania jonizującego, środków chemicznych, czynników temperaturowych itp. - nazywane są indukowanymi, z kolei mutacje powstające bez zamierzonego wpływu, pod wpływem czynników środowiskowych lub w wyniku zmian biochemicznych i fizjologicznych w organizmie nazywane są spontanicznymi.

Termin „mutacja” został wprowadzony w 1901 roku przez G. de Vriesa, który opisał spontaniczne mutacje u jednego z gatunków roślin: „Różne geny u jednego gatunku mutują z różną częstotliwością, różna jest także częstotliwość mutacji podobnych genów u różnych genotypów. . Częstotliwość spitaavoto. mutacje genów są małe i zwykle liczą się w jednostkach, rzadziej w dziesiątkach, a bardzo rzadko w setkach przypadków na 1 milion gamet (w kukurydzy częstość spontanicznych mutacji różnych genów waha się od 0 do 492 na 10 6 gamet).

Klasyfikacja mutacji. W zależności od charakteru zmian zachodzących w aparacie genetycznym organizmu, mutacje dzielą się na genowe (punktowe), chromosomalne i genomowe.

Mutacje genowe. Mutacje genowe stanowią najważniejszą i największą część mutacji. Oni reprezentują trwałe zmiany poszczególnych genów i powstają w wyniku zastąpienia jednej lub większej liczby zasad azotowych w strukturze DNA innymi, utraty lub dodania nowych zasad, co prowadzi do naruszenia kolejności odczytywania informacji, w wyniku czego następuje zmiana w syntezie białek, co z kolei powoduje pojawienie się nowych lub zmienionych cech. Mutacje genów powodują zmianę cechy w różnych kierunkach, prowadząc do silnych lub słabych zmian we właściwościach morfologicznych, biochemicznych i fizjologicznych.

Na przykład u bakterii mutacje genów najczęściej wpływają na takie cechy, jak kształt i. barwa kolonii, szybkość ich podziału, zdolność do fermentacji różnych cukrów, odporność na antybiotyki, sulfonamidy i inne leki, reakcja na wpływy temperatury, podatność na infekcję bakteriofagami, szereg cech biochemicznych.

Jednym z rodzajów mutacji genowych jest allelizm wielokrotny, z w którym powstają nie dwie formy jednego genu (dominująca i recesywna), ale cały szereg mutacji tego genu, powodujący różne zmiany cecha kontrolowana przez ten gen. Na przykład u Drosophila znana jest seria 12 alleli, które powstają w wyniku mutacji tego samego genu, który określa kolor oczu. Seria wielokrotnych alleli reprezentuje geny określające kolor futra królików i różnicę w grupach krwi Na osoba itp.

Mutacje chromosomowe. Mutacje tego typu, zwane także rearanżacjami chromosomowymi, czyli aberracjami, powstają w wyniku znaczących zmian w strukturze chromosomów. Mechanizmem występowania rearanżacji chromosomów są pęknięcia chromosomów powstałe w wyniku narażenia na działanie mutagenne, późniejsza utrata niektórych fragmentów i ponowne połączenie pozostałych części chromosomu w innej kolejności niż w przypadku prawidłowego chromosomu. Przegrupowania chromosomów można wykryć za pomocą mikroskopu świetlnego. Do najważniejszych z nich należą: niedobory, podziały, duplikacje, inwersje, translokacje i transpozycje.

Niedobory zwane rearanżacjami chromosomów wynikającymi z utraty końcowego fragmentu. W tym przypadku chromosom ulega skróceniu i traci część genów zawartych w utraconym fragmencie. Utracona część chromosomu jest usuwana poza jądro podczas mejozy,

Usunięcie - także utrata odcinka chromosomu, ale nie fragmentu końcowego, ale jego środkowej części. Jeśli utracony obszar jest bardzo mały i nie niesie genów znacząco wpływających na żywotność organizmu, delecja spowoduje jedynie zmianę fenotypu, w niektórych przypadkach może spowodować śmierć lub poważne dziedziczna patologia. Delecje można łatwo wykryć za pomocą badania mikroskopowego, ponieważ podczas mejozy podczas koniugacji odcinek normalnego chromosomu, pozbawiony części homologicznej w chromosomie z delecją, tworzy charakterystyczną pętlę (ryc. 89).

Na duplikacje następuje duplikacja jakiejś części chromosomu. Po konwencjonalnym określeniu sekwencji dowolnych regionów chromosomów jako ABC, podczas powielania możemy zaobserwować następujący układ tych sekcji: AABC, ABC Lub ABCS. Podczas powielania całej wybranej przez nas sekcji będzie to wyglądać ABCAV, tj. cały blok genów jest duplikowany. Możliwe jest wielokrotne powtórzenie jednej sekcji (ABBBC Lub PIŁY ABC), duplikacja nie tylko w sąsiednich, ale także w bardziej odległych częściach tego samego chromosomu. Na przykład u Drosophila opisano ośmiokrotne powtórzenie jednej z sekcji chromosomów. Dodanie dodatkowych genów wpływa na organizm w mniejszym stopniu niż ich utrata, zatem duplikacje wpływają na fenotyp w mniejszym stopniu niż braki i delecje.

Na inwersje zmienia się kolejność genów na chromosomie. Inwersje powstają w wyniku pęknięć dwóch chromosomów, w wyniku czego

fragment zostaje wbudowany na swoje pierwotne miejsce, po uprzednim obróceniu o 180°. Schematycznie inwersję można przedstawić w następujący sposób. W regionie chromosomu, w którym znajduje się genom ABCDEFG, występują luki pomiędzy genami A oraz b, mi I F; powstały fragment BCDE przewraca się i zostaje wbudowany na swoje pierwotne miejsce. W rezultacie rozważany obszar będzie miał strukturę AEDCBFG. Liczba genów nie zmienia się podczas inwersji, zatem mają one niewielki wpływ na fenotyp organizmu. Cytologicznie inwersje można łatwo wykryć na podstawie ich charakterystycznej lokalizacji w mejozie w momencie koniugacji homologicznych chromosomów.

Translokacje związane z wymianą odcinków pomiędzy niehomologicznymi chromosomami lub przyłączeniem odcinka jednego chromosomu do chromosomu pary niehomologicznej. Translokacje wykrywa się na podstawie powodowanych przez nie konsekwencji genetycznych.

Transpozycja to niedawno odkryte zjawisko insercji małego fragmentu chromosomu niosącego kilka genów do innej części chromosomu, tj. przeniesienia części genów w inne miejsce w genomie. Mechanizm występowania transpozycji nie został jeszcze dobrze zbadany, ale istnieją dowody na to, że różni się on od mechanizmu innych rearanżacji chromosomowych.

Mutacje genomowe. Poliploidia. Każdy z istniejących gatunków organizmów żywych ma charakterystyczny zestaw chromosomów. Liczba jest stała, wszystkie chromosomy w zestawie są różne i są reprezentowane raz. Ten podstawowy haploidalny zestaw chromosomów organizmu, zawarty w jego komórkach rozrodczych, jest oznaczony symbolem X; komórki somatyczne zwykle zawierają dwa zbiór haploidalny (2x) i są diploidalne. Jeżeli chromosomy organizmu diploidalnego, których liczba podwoiła się w czasie mitozy, nie rozdzielą się na dwie komórki potomne i pozostaną w tym samym jądrze, wówczas zachodzi zjawisko wielokrotnego wzrostu liczby chromosomów zwane poliploidią.

Autopoliploidia. Formy poliploidalne mogą mieć 3 główne zestawy chromosomów (triploidalne), 4 (tetraploidalne), 5 (pentaploidowe), 6 (heksaploidalne) lub więcej zestawów chromosomów. Poliploidy z wielokrotnymi powtórzeniami tego samego podstawowego zestawu chromosomów nazywane są autopoliploidami. powstać autopoliploidy albo w wyniku podziału chromosomów bez późniejszego podziału komórek, albo w wyniku udziału w zapłodnieniu komórek rozrodczych o niezredukowanej liczbie chromosomów, albo podczas fuzji komórek somatycznych lub ich jąder. W eksperymentach efekt poliploidyzacji uzyskuje się poprzez działanie szoków temperaturowych (wysokiej lub niskiej temperatury) lub poprzez ekspozycję na szereg substancji chemicznych, spośród których najskuteczniejsze są alkaloidy kolchicyna, acenaften i leki. W obu przypadkach wrzeciono mitotyczne zostaje zablokowane, w wyniku czego chromosomy, które podwoiły się podczas mitozy, nie rozdzielają się na dwie nowe komórki i nie łączą ich w jedno jądro.

Seria poliploidalna. Podstawowa liczba chromosomów X Na Różne rodzaje rośliny są różne, ale w obrębie tego samego rodzaju gatunki często mają liczbę chromosomów będącą wielokrotnością X, tworzą tak zwaną serię poliploidalną. Na przykład w pszenicy, gdzie X= 7, znane są gatunki, które mają 2x, 4x i 6x liczbę chromosomów. Róża, której liczba podstawowa wynosi również 7, ma szereg poliploidalny, różne rodzaje które zawierają 2x, 3 X, 4 X, 5x, 6x, 8x. Poliploidalną serię ziemniaków reprezentują gatunki posiadające 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 i 144 chromosomy (x = 12).

Autopoliploidia występuje głównie u roślin, gdyż u zwierząt powoduje zaburzenie mechanizmu chromosomalnej determinacji płci.

Dystrybucja w przyrodzie. Rośliny poliploidalne, ze względu na wrodzoną szerszą normę reakcji, łatwiej przystosowują się do niesprzyjających warunków środowiskowych, łatwiej tolerują wahania temperatury i suszę, co zapewnia korzyści w zasiedlaniu regionów wysokogórskich i północnych. Tak więc na północnych szerokościach geograficznych osiągają one do 80 % wszystkie pospolite tam gatunki. Liczba gatunków poliploidalnych zmienia się gwałtownie podczas przejścia z wysokogórskich regionów Pamiru z niezwykle surowym klimatem do korzystniejszych warunków Ałtaju i alpejskich łąk Kaukazu. Wśród badanych zbóż udział gatunków poliploidalnych w Pamirze wynosi 90%, w Ałtaju – 72%, na Kaukazie – tylko 50%.

Cechy biologii i genetyki. Rośliny poliploidalne charakteryzują się wzrostem wielkości komórek, w wyniku czego wszystkie ich narządy - liście, łodygi, kwiaty, owoce, korzenie - są większe. Ze względu na specyficzny mechanizm dywergencji chromosomów u poliploidów podczas krzyżowania, rozszczepienie fenotypowe V F 2 wynosi 35:1.

W wyniku hybrydyzacji odległej, a następnie podwojenia liczby chromosomów, u mieszańców powstają formy poliploidalne, zawierające dwa lub więcej powtórzeń różnych zestawów chromosomów i zwane allopoliploidy.

W niektórych przypadkach rośliny poliploidalne mają obniżoną płodność, co jest związane z ich pochodzeniem i cechami mejozy. U poliploidów o parzystej liczbie genomów podczas mejozy homologiczne chromosomy często sprzęgają się parami lub kilkoma parami razem, nie zakłócając postępu mejozy. Jeśli jeden lub więcej chromosomów nie znajdzie par w mejozie i nie weźmie udziału w koniugacji, powstają gamety o niezrównoważonej liczbie chromosomów, co prowadzi do ich śmierci i gwałtownego spadku płodności poliploidów. Jeszcze większe zaburzenia występują w mejozie u poliploidów z nieparzystą liczbą zestawów. U allopoliploidów, które powstały w wyniku hybrydyzacji dwóch gatunków i mają dwa genomy rodzicielskie, podczas koniugacji każdy chromosom znajduje partnera wśród chromosomów swojego gatunku.Poliploidia odgrywa dużą rolę w ewolucji roślin i jest wykorzystywana w praktyce hodowlanej.