Под влиянием окружающей среды организмам свойственно изменяться.
Такая изменчивость признаков, которая происходит из-за действия внешней среды и не передаётся по наследству, называется модификационной или фенотипической изменчивостью.
А это значит, что следующим поколениям такая изменчивость не предаётся. Хорошо это или плохо? В результате модификационных изменений у организмов не появляется новых признаков.
А вот в результате мутаций, появляются. Так как мутации передаются по наследству. Что же такое мутации? Какие они бывают? Каким образом они появляются и действуют на организм? Как происходит передача таких изменений следующему поколению? На все эти вопросы мы попробуем ответить в нашем уроке.
Мутации — это изменения генотипа, происходящие под влиянием факторов внешней или внутренней среды.
Термин «мутация» (от лат. mutatio – изменение) ранее использовался в биологии для описания любых изменений, и проявлений редких признаков.
Однако, голландский ботаник, генетик Хьюго (Гуго) Де Фриз в 1901 г. ввёл современное, генетическое понятие мутации. Где мутация обозначала редкие варианты в потомстве родителей, которые не имели такого признака.
Он пришёл к убеждению, что новые виды возникают в результате внезапного появления резких изменений, превращающих один вид в другой. Появление этих внезапных изменений, преобразующих один вид в другой, де Фриз назвал мутацией. Изменение признака, которое передаётся по наследству.
Мутации подразделяются на генные, хромосомные и геномные, все они затрагивают генотип.
Генные мутации
Генные мутации связаны с изменениями, происходящими внутри гена и затрагивающими его часть.
Их ещё называют «точечные». Такие мутации происходят наиболее часто.
Для того что бы представить себе механизм работы генных мутаций необходимо вспомнить, где все же заключена наследственная информация? Давайте вспомним уже изученный ранее материал.
Нуклеотиды — это сложные биологические вещества. Они служат основой для построения ДНК и РНК.
Нуклетид состоит из азотистого основания, рибозы у РНК и дезоксирубозы у ДНК, а также остатка фосфорной кислоты. Вот из таких нуклеотидов и состоят ДНК или РНК.
На схеме мы видим лишь разные азотистые основания.
Азотистые основания — это органические соединения, производные пиримидина и пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот.
Они бывают четырёх разных видов: К числу пуринов относятся аденин и гуанин, а к числу пиримидинов — цитозин и тимин у ДНК. И урацил у РНК.
В обоих типах нуклеиновых кислот РНК и ДНК содержатся основания четырёх разных видов.
Вспомним строение хромосомы.
Хромосома состоит из хроматина − сложного комплекса из ДНК, белков и некоторых других компонентов (в частности, РНК).
Ген представляет собой участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре белка.
Гены определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении.
Генные мутации могут возникнуть в результате замены целых нуклеотидов в пределах одного гена.
А также, в результате замены азотистых оснований ДНК в последовательности. Такие замены могут оказывать влияние на многие функции гена.
Вспомним что последовательность из трёх нуклеотидов кодирует одну аминокислоту. А из аминокислот как вы знаете образуются белки.
Из-за генных мутаций синтезируется белок с изменённой последовательностью аминокислот, которые отвечают за какие-либо свойства в организме. В итоге какой-то признак в организме будет изменён или даже утрачен.
Приведём пример генных мутаций
Серповидноклеточная анемия
Это заболевание, которое передаётся по наследству. Оно характеризуется изменением структуры белка гемоглобина, который находится в эритроцитах.
Именно гемоглобин способен связывать кислород и придавать эритроцитам красный цвет.
Поэтому серповидноклеточная анемия приводит к изменениям работы переноса кислорода. Другими словами, эритроциты становятся неспособны переносить кислород от лёгких к тканям и углекислый газ от тканей к легким.
Если рассмотреть такие эритроциты под микроскоп, то можно заметить, что форма красных кровяных телец имеет характерную серпообразную форму (форму серпа).
Таким образом, замена пары нуклеотидов привела к замене аминокислоты в белке. То есть изменилась первичная структура белка, что повело к изменению формы эритроцитов.
Перечислим причины, из-за которых могут возникать генные мутации.
1. Спонтанные – причина которых не ясна.
2. Причины, которые вызваны мутагенами
Мутагены — это факторы, вызывающие мутации.
К ним относят:
· физические – например,
температуру,
радиацию,
· химические мутагены – например, НNO2-азотистую кислоту, а также иприт
Иприт — это бесцветная жидкость с запахом чеснока или горчицы. Боевое отравляющее вещество кожно-нарывного действия.
· Биологические мутагены — например, вирусы.
Однако, не всегда генные мутации негативно влияют на организмы. Иногда они оказывают даже положительное влияние, которое повышает адаптационные способности организма.
Приведём примеры таких способностей.
Некоторые люди устойчивы к тяжелому инфекционному заболеванию ― малярии. Однако, такая устойчивость сопровождается с другой опасной болезнью, которую мы с вами уже рассмотрели, серповидноклеточной анемией.
Чем же опасна малярия? Возбудитель малярийного плазмодия переноситься самками комаров.
При укусе такого комара, возбудитель попадает в кровяное русло человека. Затем попадает в печень. В ней микроб плазмодия размножается и повторно попадает в кровеносную систему. Местом размножения возбудителя становятся эритроциты. Их клетки начинают склеиваться между собой, образуя сгустки, которые закупоривают сосуды. В результате нарушается питание печени, почек, сердца и других отделов организма. Человек болеющий серповидноклеточной анемией, имеет эритроциты в виде серпа.
Серповидные эритроциты «неправильно воспринимают» малярийного паразита и не пускают его внутрь.
Также примером положительного влияния генных мутаций является приспособленность к высоте.
Жители Тибета и Непала переносят высоту – и это факт.
Они приспособились к практически бескислородным условиям высоты 4 тысячи метров над уровнем моря. В таких условиях содержание кислорода на 40 % меньше, чем на уровне моря.
Тела тибетцев и непальцев приспособились к среде с низким содержанием кислорода. Учёные обнаружили, что многие из этих особенностей не просто фенотипические отклонения, но генетические адаптации.
Хромосомные мутации
Исходя из названия можно догадаться что такие мутации затрагивают уже не отдельные гены, а целые хромосомы.
Хромосомные мутации – это тип мутаций, которые характеризуется изменением структуры хромосом.
Хромосомные мутации возникают в результате:
утраты концевой части хромосомы;
делеции – разрушения средней части хромосомы;
дупликации – удвоения частей хромосомы;
инверсии – поворота участка хромосомы на 180 градусов.
Рассмотрим перечисленные хромосомные мутации и приведём примеры.
Итак, в результате утраты концевой части хромосомы. Происходит потеря генов, которые находились в этой части.
У человека такая мутация в 21 хромосоме, приводит к заболеванию белокровию ― еще его называют лейкоз или лейкимии – это заболеваний кровеносной системы, которое сопровождается увеличением числа лейкоцитов.
Оно вызывает повышенную кровоточивость, кровоизлияния, снижение иммунитета и инфекционные осложнения.
Иногда из хромосомы «выстригается» и разрушается средняя ее часть. Такая хромосомная мутация называется делеция.
Делеция это хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка хромосомы.
В таком случае может потеряться часть генов, которые содержали важную информацию.
Например, при кроссинговере, процессе обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе I мейоза.
Мейоз − это деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза.
Если произошла мутация – делеция участка хромосомы, то при недостатке участка хромосомы, происходят нарушения при кроссинговере.
Такие нарушения приводят к синдрому кошечьего крика. Который также известен под названиями: синдром делеции короткого плеча 5 хромосомы.
У больных детей с этим заболеванием проявляется плач, который похож на кошачий крик.
Такой крик происходит из-за проблем с гортанью и нервной системой.
Данное заболевание сопровождается:
· задержкой развитии речи, движения;
· чрезмерным, неконтролируемым слюноотделением.
Дупликация − удвоения частей хромосомы.
Ещё одна мутация, которая была обнаружена в 1920-х годах Томасом Морганом и Альфредом Стёртевантом у плодовой мухи Дрозофилы.
Они нашли в одной из хромосом восьмикратно повторяющийся ген. Который привёл к изменению числа фасеток глаз мухи.
У нормальных самок глаз имеет 800 фасеток, а у гомозигот по мутации — всего 70 фасеток.
Инверсия ― хромосомная перестройка.
В таком случае происходит разрыв в двух местах хромосомы. Получившийся фрагмент хромосомы поворачивается на 180 градусов и встраивается обратно на место разрыва. В результате такая хромосома будет иметь другую структуру.
Инверсии в хромосомах человека приводят к нарушению гаметогенеза. Гаметогенез — это процесс образования половых клеток.
Перейдём к геномным мутациям.
Геномные мутации — это мутации, обусловленные изменением числа хромосом.
В результате таких мутаций, может отсутствовать какая-либо хромосома – моносомия. Либо присутствовать лишняя – трисомия. А также многократно повторяться – полиплоидия.
Рассмотрим моносомию.
Такая мутация может возникнуть в мейозе при расхождении хромосом. Они распределяются между гаметами не равномерно. Такие нарушения приводят к изменениям в фенотипе.
Например, при неправильном развитии половых клеток у женщин (оогенезе).
Рождаются больные дети, у которых отсутствует Х-хромосома отца, либо одна Х-хромосома нормальная, а одна – кольцевая.
Моносомия — это наличие всего одной из пары гомологичных хромосом.
Такое заболевание получило название синдром Шерешевского-Тёрнера. В большинстве случаев, такая мутация возникает у девочек, крайне редко встречается у мальчиков.
Заболевание сопровождается: аномалиями физического развития; низкорослостью, отсутствием половых признаков, наличием крыловидных складок кожи на боковой поверхности шеи, патологией костно-суставной системы, пороками сердца; рецессивными генами дальтонизма.
Впервые эта болезнь как наследственная была описана в 1925 г. Николаем Адольфовичем Шерешевским.
Трисомия
Например, при не расхождении хромосом у женщин, образуются яйцеклетки, которые содержат лишние три хромосомы в кариотипе.
Кариотип – это хромосомный набор человека – генетический паспорт, который не меняется в течении всей жизни.
В результате у больного вместо 46 положенных хромосом, отмечается 47, что приводит к развитию синдрома Дауна;
К сведенью
В норме у человека 46 хромосом (по 23 хромосомы от каждого из родителей). Запись нормального женского кариотипа – 46, ХХ; нормального мужского кариотипа – 46, хромосом ХY.
Болезнь получила свое название в честь английского врача Джона Дауна, который впервые описал её в 1866 г. «Синдром» означает большое количество патологии развития.
Так синдром Дауна сопровождается следующими внешними признаками: косой разрез глаз, плоское лицо и затылок, маленькие ушные раковины, неправильная форма черепа, короткие конечности и пальцы, искривленный мизинец, при этом сниженный мышечный тонус и нарушенная координация движений.
«Солнечные дети» как их часто называют, имеют пороки сердца, умственную отсталость. Дети с таким синдромом начинают позже ходить и говорить. Однако они очень веселые, ласковые и услужливые.
Итак, генные мутации могут проявляться наличием одной хромосомы -моносомией, наличием трех хромосом – трисомией.
Рассмотрим еще один вид генных мутаций. Она называется полиплоидия.
Например, у растений при слиянии двух наборов хромосом образуется – диплоидный набор (2n).
А полиплоидия — это многократное повторение числа хромосом.
Например триплоидный набор хромосом (Зn), тетраплоидный (4n), гексаплоидный (6n) наборы.
Полиплоидность часто носит положительный характер. Так полиплоидные виды заселяют новые места обитания, которые были недоступны другим видам из-за суровых условий. Растения-полиплоиды более жизнеспособны и плодовиты.
Человек изначально и не подозревал, что веками отбирал полиплоидные формы растений для рассадки.
Сейчас уже искусственно созданные полиплоиды были введены в сельскохозяйственную практику. Например, триплоидные сахарная свекла и перечная мята.
Советский селекционер Лапин в пятидесятых годах вывел крупноплодный полиплоидный сорт десертного лимона. Однако он не получил распространения.
Источник: videouroki.net
| Процедуры и операции | Средняя цена |
| Неврология / Консультации в неврологии | от 500 р. 903 адреса |
| Кардиология / Консультации в кардиологии | от 650 р. 827 адресов |
| Ревматология / Консультации в ревматологии | от 675 р. 351 адрес |
| Пульмонология / Консультации в пульмонологии | от 563 р. 269 адресов |
| Урология / Консультации в урологии | от 563 р. 159 адресов |
| Онкология / Консультации в онкологии и гематологии | от 800 р. 149 адресов |
| Педиатрия / Консультации детских специалистов / Первичные консультации детских специалистов | от 1000 р. 138 адресов |
| Хирургия / Анестезия и реанимация / Гемотрансфузии | 7491 р. 53 адреса |
| Онкология / Консультации в онкологии и гематологии | от 600 р. 52 адреса |
| Ревматология / Инвазивные исследования в ревматологии / Внесуставные пункции | от 825 р. 49 адресов |
Источник: www.KrasotaiMedicina.ru
25. ПРИКЛАДНАЯ ГЕНЕТИКА
25.7. Генетика человека
25.7.2. Серповидноклеточная анемия
Это заболевание имеет моногенную природу, т. е. обусловлено одной-единствен ной мутацией в гене. Серповидноклеточная анемия — яркий пример роли естественного отбора в регуляции частоты гена в популяции.
В 1904 г. молодой врач из Чикаго по имени Джеймс Херрик (James Herric) обследовал двадцатилетнего афроамериканца, который поступил в больницу с жалобами на лихорадку, головную боль, слабость, головокружение и кашель. Лимфатические узлы пациента были увеличены, сердце имело аномально большие размеры, а моча свидетельствовала о заболевании почек. Однако наиболее удивительными были результаты анализа крови. Эритроциты пациента под микроскопом имели вместо круглой серповидную форму (рис. 25.20). Содержание гемоглобина составляло примерно половину нормы другими словами, юноша страдал от анемии. Через четыре недели пациента выписали, однако Херрик опубликовал описание этого случая лишь 6 лет спустя. Вскоре после этого в печати появилось множество сообщений о пациентах с аналогичными симптомами и началось исследование причины их недомогания.
Рис. 25.20. Серповидные эритроциты.
Выяснилось, что болезнь (ее назвали серповидноклеточной анемией) чаще встречается среди афроамериканцев, имеет генетическую природу, а ген, вызывающий ее, наследуется, по-видимому, рецессивно. Человек заболевает только в том случае, если несет 2 копии мутантного гена, одна из которых унаследована им от матери, другая — от отца; иными словами заболевший всегда является гомозиготным по этому гену. Если в геноме присутствует только одна копия гена серповидноклеточности, то ее обладателя называют гетерозиготным носителем. Подсчитано, что ежегодно во всем мире от серповидноклеточной анемии умирает около 100 000 человек. Болезнь особенно распространена в Африке, Пакистане и Индии.
Симптомы
Основные признаки заболевания — анемия, а также изменение формы эритроцитов (серповидность) при низких концентрациях кислорода. Серповидные эритроциты, скапливаясь в капиллярах и мелких сосудах, препятствуют нормальному току крови и, следовательно, не способны в должной мере обеспечить клетки кислородом. В результате может наблюдаться целый спектр вторичных симптомов (рис. 25.21). Особенно поражаются почки и суставы. Закупорка кровеносных сосудов вызывает сильные боли в руках, ногах, спине и желудке. Суставы теряют подвижность, становятся болезненными, руки и ноги отекают. Больные чрезвычайно подвержены инфекциям и часто погибают именно от них.
Дети с серповидноклеточной анемией обычно чувствуют себя хорошо и ведут относительно нормальный образ жизни, хотя время от времени могут испытывать сильные боли и слабость, связанную с анемией.
Рис. 25.21. Некоторые из возможных эффектов серповидноклеточной анемии.
Причина
В 1949 г. группа исследователей, возглавляемая Лайнусом Полингом, обнаружила, что гемоглобин больных серповидноклеточной анемией (HbS) отличается от гемоглобина нормальных здоровых людей (НbА). С помощью электрофореза — метода, который позволяет разделять белки по их суммарному заряду — было установлено, что при pH 6,9 суммарный заряд HbS является положительным, тогда как для НbА он отрицателен. Таким образом, впервые было показано, что болезнь вызывается дефектной молекулой гемоглобина. В 1956 г. Ингрэм показал, что различие между нормальным и аномальным гемоглобином определяется одной аминокислотой, а затем были установлены полные аминокислотные последовательности НbА и HbS. Гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей (рис. 3.36): двух α-цепей и двух β-цепей длиной соответственно 141 и 146 аминокислотных остатков. Нарушение происходит в шестой аминокислоте β-цепи. В нормальном гемоглобине на этом месте должна быть глутаминовая кислота. Однако в HbS она заменена на валин. С помощью кода для обозначения аминокислот (табл. 23.4) это можно изобразить следующим образом:
Глутаминовая кислота несет отрицательный заряд и является полярной, тогда как валин является неполярным и гидрофобным. Наличие валина делает ненасыщенный кислородом гемоглобин менее растворимым. Поэтому, когда HbS теряет свой кислород, молекула выводится из раствора и кристаллизуется в виде жестких стержнеобразных волокон. При этом изменяется форма эритроцитов, которая в норме представляет собой плоский круглый диск. Причиной, вызывающей замену аминокислоты, является мутация в ДНК, кодирующей эту аминокислоту. Обратившись к табл. 23.4, вы можете понять, каким образом возникает это изменение. В мРНК возможными кодонами для этих двух аминокислот являются следующие:
Следовательно, комплементарные триплетные кодоны в ДНК таковы:
Для того чтобы запись изменилась с Глу на Вал, нужно во второй позиции триплета заменить Т (тимин) на А (аденин). Такая мутация называется заменой основания. В настоящее время мы знаем, что в гене β-глобина кодон ЦТЦ заменен на ЦАЦ, и что этот ген находится на хромосоме 11.
У гетерозиготных особей примерно половина молекул представлена HbS и половина — НbА, т. е. аллели НbА и HbS кодоминантны. У таких людей болезнь обычно не проявляется, за исключением ситуаций, когда концентрация кислорода очень сильно снижена, например при подъеме на большую высоту.
Из рис. 25.22 видно, что если оба родителя являются гетерозиготными носителями серповидноклеточной анемии, то вероятность поражения их детей составляет 1/4. Фенотип устанавливают с помошью анализа крови. Если в семье были случаи заболевания, то потенциальным родителям следует посоветовать сделать анализ крови, прежде чем решиться на рождение ребенка. В настоящее время доступна и пренатальная диагностика. Ее проводят либо с помощью гибридизации, используя в качестве зонда ген HbS, либо с помощью рестрикционного анализа. Клетки плода получают путем амниоцентеза или биопсии ворсинок хориона (разд. 25.7.9).
Рис. 25.22. Генетическая диаграмма, на которой изображены возможные генотипы и фенотипы детей двух родителей, гетерозиготных по гену серповидноклеточности.
В истории с изучением серповидноклеточной анемии есть неожиданный поворот. Генетикам показалось странным, что мутация, приносящая очевидный вред ее обладателю, столь широко распространена в популяции. Для объяснения этого факта была высказана гипотеза, согласно которой данная мутация в некоторых условиях может создавать носителю определенные преимущества. И такое преимущество действительно было выявлено. На рис. 25.23 представлены карты распространенности серповидноклеточной анемии и малярии. Ареалы совпадают довольно точно; там, где чаще встречается малярия, более распространен и мутантный ген. В некоторых районах Африки его частота достигает 40% (40% HbS, 60% НbА в популяции). В тех районах, где распространена малярия, она является главной причиной смертности, между тем носители поврежденных генов гораздо менее чувствительны к малярии (малярийный паразит размножается только внутри нормальных эритроцитов). Несмотря на то, что гомозиготные больные серповидноклеточной анемией часто умирают, не достигнув репродуктивного возраста, гетерозиготные носители имеют селективное преимущество над неносителями и поэтому имеют больше шансов выжить и передать свои гены следующему поколению. Итоговая частота гена в популяции варьирует в зависимости от заболеваемости малярией. Такое явление называется сбалансированным полиморфизмом (разд. 25.7.5).
Рис. 25.23. Распределение гена серповидноклеточной анемии (А) и малярии в Африке, на Среднем Востоке, в Индии и на юге Европы (Б).
Источник: lifelib.info