Оценка соматической нестабильности хромосом разных видов животных

а) транзиции - такие  замены пар нуклеотидов (АТ → СG), которые не изменяют ориентации: пурин - пиримидин в пределах пары.

б) трансверсии - замены пар нуклеотидов (АТ →CG, AT→TA, GC→CG), (пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды меняются местами), изменяющиеся ориентационно.

в) вставка (инсерция) лишней пары нуклеотидов.

г) выпадение (делеция) пары нуклеотидов.

Необходимо  отметить, что вставка сдвигает рамку  считывания в одном направлении, а делеция - в противоположном.

В соответствии с физиологической теорией мутационного процесса мутации следует рассматривать  как побочные продукты нормальных процессов клеточной физиологии.

В последнее  время получила распространение  концепция американского генетика Р. фон Борстела, согласно которой  мутации возникают в результате «ошибок трех Р»: репликации, репарации и рекомбинации. Такие ошибки происходят спонтанно и под влиянием мутагенов. В связи с этим вполне понятно, что решающую роль в понимании механизмов мутагенеза сыграло изучение энзимологии репликации, репарации, рекомбинации и их генетического контроля. Оказалось, многие гены, контролирующие эти процессы, одновременно контролируют частоту спонтанного и индуцированного мутационного процесса [27].

Изучение мутационного процесса в связи с репликацией  ДНК позволило выявить некоторые  высокоэффективные мутагены, действующие  непосредственно в репликативной вилке [27, 29].

Выявляемая  частота мутаций не отражает величину потенциальных повреждений ДНК. Повреждения ДНК сводятся к минимуму благодаря наличию в клетке особых систем репарации, которые узнают эти  повреждения и справляют их. Системы  репарации возникли в процессе эволюции для поддержания стабильности геномов. Некоторые репаративные системы обладают специфичностью, другие не специфичны в отношении каких-то определенных типов повреждений - они узнают изменения в структуре ДНК как сигналы к действию. Репаративные системы представляют собой ферментативные механизмы, обнаруженные в клетках самых различных организмов [29].

 

1.1.2  Геномные   мутации 

Мутации, происходящие вследствие изменения количества хромосом, составляют группу количественных хромосомных мутаций. Они называются также геномными, поскольку представляют собой нарушение геномного числа хромосом. В основе этого нарушения лежат механизмы нерасхождения хромосом в момент деления клеток, главным образом в мейозе. Изменение числа хромосом осуществляется в двух направлениях: в сторону увеличения или уменьшения их количества, кратного гаплоидному (полиплоидия), и в сторону потери или включении отдельных хромосом или их пар в клеточном наборе (гетероплоидия). Полиплоидия в свою очередь подразделяется на автополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет умножения геномов одного вида) и аллополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет слияния геномов разных видов) [28].

Автополиплоидия, или повторение в клетке одного и того же хромосомного набора. Эта разновидность довольно широко представлена в природе у протистов, грибов и растений. Плоидность макронуклеуса инфузорий может достигать нескольких сотен. У животных встречается редко и обычно приводит к летальному исходу на ранних стадиях эмбриогенеза.

По мнению А. Мюнтцинга (1967), более половины их относятся к полипоидам. В настоящее время явление полиплоидии широко используется в селекции растений, поскольку увеличение числа хромосом в клеточном наборе нередко приводит к усилению хозяйственно полезных признаков: к увеличению размеров клеток, цветов, плодов, количества зерна, зеленой массы, содержания белка, сахара в плодах и корнеплодах, иногда к повышению устойчивости к вредным воздействиям и заболеваниям. Описана полиплоидия и у некоторых животных, таких, как аскарида, дрозофила, водяной рачок, морской еж. У позвоночных и многих беспозвоночных полиплоидия встречается редко. Она приводит обычно к гибели организма уже на ранних стадиях развития.

Полиплоиды  можно получить и у некоторых  животных, в частности амфибий. Если на свежеоплодотворенные яйца тритона воздействовать высокой или низкой температурой, из них иногда возникают триплоидные экземпляры. Особым гигантизмом они не отличаются и обычно рано погибают. Находили и триплоидных головастиков лягушек [27].

Аллополиплоидия - впервые была описана советским ученым Г.Д. Карпеченко в 1927 г. Многие растения являются природными полиплоидами.

В 1938 г. белорусский  ученый А.Р. Жебрак получил 42-, 56- и 70-хромосомные  амфидиплоиды пшеницы от скрещивания  однозернянки, твердой пшеницы и пшеницы Тимофеева. Б.Л. Астауров в 40-х годах получил полиплоидную форму у шелкопряда при скрещивании двух видов шелкопряда - Bombyxmori и B. mandarina.

В ряде случаев  при отдаленной гибридизации могут  развиться формы, существующие в природе. Это явление носит название ресинтеза.

Так, в 30-х годах  В.А. Рыбин синтезировал культурную сливу, скрещивая терн с алычой. Среди  гибридов оказалось растение, похожее  на домашнюю сливу и имеющее такое  же число хромосом (2n = 48). Жебраку удалось провести ресинтез 42-хромосомной пшеницы [28].

Полиплоидия у  животных встречается значительно  реже, чем у растений. Это связано  с тем, что большинство животных двуполые. Полиплоидия, вызывая изменение  соотношения половых хромосом и  аутосом, затрудняет определение пола, в результате чего такие формы оказываются маложизнеспособными и бесплодными.

Триплоиды и  тетраплоиды могут образовываться как результат полиспермии и  соматического удвоения хромосом.

Если у земноводных  и пресмыкающихся (лягушки, тритоны, саламандры, ящерицы) в потомстве появляются триплоидные и тетраплоидные личинки, то у млекопитающих (в частности, у мышей) триплоидные эмбрионы не доживают до рождения. Очевидно, это связано с большими нарушениями в развитии эмбрионов.

В то же время  у млекопитающих, как и у других многоклеточных животных, в соматических клетках ряда тканей полиплоидия распространена довольно широко (возникает в результате эндомитозов).

Гетероплоидия, или анеуплоидия, возникает вследствие изменения числа хромосом, не кратного гаплоидному набору. В результате не расхождение хромосом при гаметогенезе могут возникать половые клетки с лишними хромосомами, и тогда при последующем слиянии с нормальными гаплоидными гаметами они образуют зиготы 2n + 1, или трисомики, по определенной хромосоме. Если в гамете оказалось меньше на одну хромосому, то последующее оплодотворение приведет к образованию зиготы 2n - 1, или моносомика, по какой-либо из хромосом.

Полисомия и  моносомия могут иметь самостоятельное  фенотипическое проявление вследствие изменения соотношений доз некоторых генов или нарушения генного баланса. Так, А. Брексли и Дж. Беллинг в 20-х годах показали, что создание трисомиков по каждой из 12 хромосом дурмана (Daturastramonium) приводит к появлению характерного, отличного от других типа растения. В частности, это выражалось в специфическом изменении формы семенной коробочки.

Часто, особенно у животных и человека, лишняя хромосома  обусловливает депрессию развития и летальность. (например: лишняя Х-хромосома  или 21-я хромосома у человека обусловливает тяжелые аномалии).

Расщепление по генам, локализованным в лишней хромосоме, подчиняется законам расщепления  полиплоидов с учетом явления  двойной редукции. В этом случае при скрещивании трисомика и  нормальногодиплоида анализ ведется, как и при скрещивании триплоида и диплоида [27].

Гетероплоидия сопровождается значительными фенотипическими  изменениями. У людей при этом обнаруживаются множественные дефекты  физического и умственного развития. Описана гетероплоидия у растений (пшеница, табак, кукуруза) и некоторых домашних животных. Она используется для изучения групп сцепления, маркирования хромосом и для селекционных целей (вводя в геном реципиента определенные хромосомы, можно направленно изменять признаки и свойства растений).

У гетероплоидов также нарушен гаметогенез, но вместе с тем у них могут образовываться нормальные гаплоидные половые клетки [28].

 

 

1.1.3   Хромосомные мутации

В процессе эволюции организма изменяться может не только число и величина хромосом, но и  их организация: отдельные участки хромосом могут менять свое расположение внутри хромосомы и даже переходить от одних хромосом к другим.

Изменения в  числе, размере и организации  хромосом называют хромосомными мутациями, перестройками или аберрациями [1]. Они представляют собой перемещения генетического материала, приводящие к изменению структуры хромосом в пределах кариотипа.

В такие перестройки  могут быть вовлечены участки  одной хромосомы или разных - негомологичных - хромосом. В соответствии с этим критерием выделяют аберрации внутрихромосомные и межхромосомные (рис.2)

 

Хромосомные перестройки
внутрихромосомные		межхромосомные
дефишенсии (концевые нехватки)	делеции (внутренние нехватки)	дупликации	инверсии	Транспо-зиции	Трансло-кации

Рис.2.   Типы хромосомных перестроек

 

Хромосомные перестройки  часто приводят к различным фенотипическим изменениям, которые объясняются  локализацией точек разрывов внутри или вблизи тех или иных генов [27].

Изменения в  структуре хромосом могут затрагивать число генов в хромосомах (делеции и дупликации) и локализацию генов в хромосомах (инверсии и транслокации).

 При делеции  или нехватке происходит утрата  участка хромосомы. Именно делеция  была первым примером хромосомной  перестройки, обнаруженным в 1917 г. Бриджесом с помощью генетического анализа. Эта делеция фенотипически проявляется в зазубренности края крыла у дрозофилы называется мутацией Notch  [1].

Делеции обычно летальны в гомозиготе, что указывает  на выпадение каких-либо жизненно важных генов. Очень короткие делеции могут  не нарушать жизнеспособности в гомозиготе.

Концевые нехватки, или дефишенси, устанавливают по тем же критериям, однако вследствие их расположения при конъюгации не образуется петля, а одна хромосома  оказывается короче другого. Примеры  дефишенси известны у многих организмов, включая человека. Тяжелое наследственное заболевание синдром кошачьего крика, названное так по характеру звуков, издаваемых больными младенцами, обусловлено по дефишенси в 5-й хромосоме. Этот синдром сопровождается умственной отсталостью. Обычно дети с таким синдромом рано умирают.

Дупликации - в строгом смысле этого слова, представляют собой двукратное повторение одного и того же участка хромосомы. Известны случаи многократных повторений или мультипликаций какого-либо участка. Их также называют амплификациями.

Дупликации  могут происходить в пределах одной и той же хромосомы или  сопровождаться переносом копии  участка генетического материала  на другую хромосому. Дуплицированные  участки часто образуют тандем (ABCBCDE…), т.е. расположенные друг за другом. Тандемная дупликация называется обращенной (или инвертированной АВССВDE…), если последовательности генов в смежных участках взаимно противоположны. Если дуплицированный участок расположен на конце хромосомы, то дупликация называется концевой [27].

Дупликации могут обладать фенотипическим проявлением. Наиболее известным примером служит мутация Bar в Х-хромосоме Drosophilamelanogaster. Эта мутация проявляет неполное доминирование, уменьшая число глазных фасеток.

Многие дупликации и делеции могут возникать в результате разрывов хромосомы. Причиной разрывов могут служить ионизирующая радиация, действие некоторых химических веществ или вирусов. Разрывы могут также индуцироваться некоторыми особенностями строения и функционирования хромосом.

Делеции и дупликации могут возникать и при неравном кроссинговере. Когда в соседних участках хромосомы оказываются похожие последовательности ДНК, то конъюгация гомологов может произойти неправильно. Кроссинговер в таких неправильно конъюгировавших участках хромосом приводит к образованию гамет с дупликацией или делецией. Дупликация сравнительно небольших участков ДНК, состояния из нескольких нуклеотидов, входящих в состав одного гена или соседних генов, происходит в процессе эволюции весьма часто.

 Инверсией  называют поворот на 180^о отдельных участков хромосомы; при этом ни число хромосом, ни число генов в каждой хромосоме не меняются.

Если последовательность генов в исходной хромосоме обозначить ABCDEF и инверсии подвергся участок BCD, то в новой хромосоме гены будут расположены в последовательности ADCBEF [1].

В зависимости  от расположения концов (границ) перестройки  по отношению к центромере инверсии делят на перицентрические,  захватывающие  центромеру, и включающие ее в инвертированный  участок, и парацентрические, не включающие центромеру в инвертированный участок.

Инверсии - это  широко распространенный путь эволюционного  преобразования генетического материала. Например, человек и шимпанзе отличаются по числу хромосом: у человека 2n = 46, а у шимпанзе 2n = 48.