Оценка соматической нестабильности хромосом разных видов животных

Инверсия приводит к изменению сцепления генов, иной их линейной последовательности, нежели у исходной формы. Этот эффект можно обнаружить, если инверсия в гомозиготе не летальна. Рецессивная летальность часто сопутствует инверсиям как результат локализации точек разрывов в жизненно важных генах или как следствие эффекта положения.

Другое важное следствие инверсии - подавление кроссинговера, если инверсия находится в гетерозиготе. Это свойство инверсий широко используют при создании сбалансированных линий, гетерозиготных по летальным мутациям и не разрушаемых кроссинговером по нужной хромосоме.

У гетерозигот  по инверсиям на цитологических препаратах обнаруживают характерные петли - результат  конъюгации структурно измененной и  нормальной хромосомы.

Если на такой  петле, т.е. в инвертированном участке, произойдет одиночный кроссинговер, то в случае парацентрической инверсии возникает одна хроматида с двумя центромерами, которые ее порвут при расхождении в анафазе.

Образующийся  также бесцентромерный фрагмент будет потерян. В результате из четырех гамет полноценными будут только две. Только они способны при оплодотворении дать жизнеспособные зиготы (рис. 3, А).

При гетерозиготности по перицентрической инверсии кроссинговер не препятствует нормальному расхождению  всех хроматид. Тем не менее полноценными вновь будут только два продукта мейоза из четырех, поскольку две хроматиды несут делеции некоторых генов.

В тоже время  двойной кроссинговер у гетерозигот  по инверсии может приводить к  образованию вполне жизнеспособных гамет.

Хромосома может  нести не только одну инверсию, но и  две неперекрывающиеся и две, перекрывающиеся полностью или  частично. Гетерозиготность по таким  сложным перестройкам также идентифицируется цитологически по характеру конъюгации хромосом [27].

 

Рис.3.   Конъюгация хромосом и последствия одиночного (А) и двойного (Б) кроссинговера при гетерозиготности по перицентрической инверсии [27].

 

Транслокации  представляют собой реципрокный  обмен участками негомологичных хромосом. Реципрокными транслокациями называется взаимный обмен участками между двумя негомологичными хромосомами.

У гомозигот  по этим транслокациям по сравнению  с исходными хромосомами изменяется характер сцепления: гены, в исходных хромосомах не сцепленные, оказываются  сцепленными, и наоборот. В приведенном примере гены KL оказываются сцепленными с генами ABCD и перестают быть сцепленными с генами GHIJ.

 

Рис. 4.  Транслокации [27].

 

В гетерозиготах  по реципрокным транслокациям гены обеих транслоцированных хромосом ведут себя так, как если бы они принадлежали к одной группе сцепления, поскольку лишь гаметы, содержащие родительский набор хромосом, могут образовать жизнеспособные зиготы.

У гетерозигот  по транслокациям в окрестности  точек разрыва хромосом кроссинговеры  почти не происходят: взаимное расположение хромосом в виде креста, необходимое для конъюгации гомологичных участков в мейозе, препятствует конъюгации в окрестности точек разрыва хромосом, а это понижает частоту кроссинговера в этих районах. На цитологических препаратах у гетерозигот по реципрокным транслокациям в профазе мейоза можно наблюдать характерную структуру - крест. Ее появление связано с тем, что гомологичные участки, оказавшиеся в разных хромосомах, притягиваются.

Вместо бивалентов, т.е. пар конъюгирующих хромосом, образуются квадриваленты, состоящие из четырех связанных хромосом, каждая из которых частично гомологична другим хромосомам группы. В диакинезе хиазмы «сползаются» от центромер к концам хромосом, и крест трансформируется в кольцо. Иногда хромосомы кольца переворачиваются и образуют фигуры типа восьмерки.

Гетерозиготы  по транслокациям частично стерильны (обладают пониженной плодовитостью), поскольку в процессе мейоза продуцируют  дефектные гаметы. У растений пыльцевые  зерна, содержащие дупликации или делеции, обычно гибнут.

У животных гаметы с делециями или транслокациями могут участвовать в оплодотворении, но образованные из них зиготы обычно погибают. Однако если дуплицированный  или утраченный участок хромосомы  мал, то потомство может быть и  жизнеспособным [1].

Гетерозиготы по реципрокным транслокациям у животных встречаются редко, но широко распространены у растений. Характерный пример в этом отношении представляют различные виды ослинника - Oenoyhera. Подобно инверсиям, транслокации обеспечивают изоляцию новых форм и способствуют дивергенции в пределах вида. Особый тип транслокаций, так называемые Робертсоновские транслокации, или слияния, приводит к изменению числа хромосом. Если две телометрические хромосомы сливаются в области центромеры, то образуется одна метацентрическая хромосома. Этот тип хромосомных перестроек получил свое название по имени исследователя У.Р. Робертсона, выяснившего механизм такого слияния [27].

При отделении  фрагмента хромосомы он, как правило, теряется, если не содержит центромеры. Фрагмент, содержащий центромеру, реплицируется и его копии нормально распределяются при клеточных делениях. Фрагменты хромосом не теряются и в случае диффузнойцентромеры. В этом случае могут возникнуть две телометрические хромосомы.

Большие возможности  для выявления делеций, дефишенси и других хромосомных аберраций открывает метод дифференциальной окраски хромосом. Он основан на том, что некоторые красители, например краситель Гимза, дифференциально окрашивают разные участки хромосом. Благодаря этому хромосомы приобретают характерную поперечную исчерченность. Таким методом определяют хромосомные перестройки в метафазных хромосомах [8].

В общем виде можно сказать, что мутации - это  наследуемые изменения генетического  материала. Об их появлении судят  по изменениям признаков. В первую очередь это относится к генным мутациям. Хромосомные и геномные мутации выражаются также в изменении характера наследования признаков.

 

 

2. Соматическая хромосомная нестабильность у животных

Постоянство числа  хромосом и преемственность их в  ряду клеточных поколений поддерживается механизмами клеточного гомеостаза. Изменение хромосомного набора может происходить под влиянием разных причин и вести к нарушению генного баланса и хромосомным болезням, обусловленным числовыми или структурными изменениями хромосом.

В зависимости  от типа клеток, в которых произошли  мутации, различают генеративные (герминативные) и соматические мутации. В зародышевых  клетках нарушения генетического  материала приводят к развитию мутантного организма. Они наблюдаются во всех типах клеток такого организма и могут передаваться в последующее поколение. Соматические же мутации возникают в соматических тканях на разных этапах развития особи и не передаются по наследству.

При изучении спонтанного  и индуцированного мутагенеза были выявлены три типа мутаций (генные, хромосомные, геномные), возникающие на соответствующих уровнях организации наследственных структур.

Геномные мутации  происходят на уровне всего хромосомного комплекса, т.е. приводят к уменьшению или увеличению числа хромосом. Если изменяется число наборов хромосом (3n, 4n, 5n и т.д.), то говорят о полиплоидии. Изменение числа отдельных хромосом называется анеуплоидией (моно-, трисомии и т.д.).

Возникновение полиплоидных клеток, по мнению М.Е. Лобашева, может происходить по ряду причин. При нарушении митоза клеток соматической ткани в процессе развития организма формируется митотическая полиплоидия. При нарушении мейоза, приводящего к неправильному расхождению хромосом и образованию диплоидных нередуцированных гамет, слияние которых в процессе оплодотворения дает начало организму с умноженным набором хромосом, наблюдается мейотическая полиплоидия.  R.A. McFeely  (1967) считает, что триплоидия может возникать посредством слияния сперматозоида с яйцеклеткой и полярным тельцем либо при оплодотворении яйцеклетки двумя сперматозоидами.  Тетраплоидия (рис. 5) образуется главным образом из-за нарушения первого клеточного деления.

Причинами возникновения  полиплоидии могут служить пониженная температура, воздействие химических веществ (колхицин). Естественная полиплоидия значительно чаще встречается в пустынях, высокогорьях, полярных областях (затруднено нормальное деление клеток).

          Рис. 5. Полиплоидная метафазная пластинка  (4n) крупного рогатого скота. Половые хромосомы (ХХУУ) выделены кружочком[40].

Биологический смысл умножения количества генетического  материала заключается в том, что происходит увеличение объема наследственной информации в клетке или создаются  предпосылки для данного явления, посредством чего возрастают адаптивные способности организма.

 Явление  полиплоидии отмечается у эукариотических  микроорганизмов (грибов, водорослей), у растений, среди простейших.

Механизм возникновения  анеуплоидных клеток отличается от механизма  полиплоидизации. В основе их происхождения, как правило, лежит нерасхождение либо отставание хромосом в анафазе.

Возникающие при  жизни организма хромосомные  аномалии в соматических клетках  не вызывают каких-либо выраженных патологических изменений, однако их накопление в соматических клетках может выступать  фактором, стимулирующим развитие злокачественных клеток, а возможно, и процессов старения.

 

 

 

 

 

Рис. 6. Схема  классификации анеуплоидии [40].

При изучении геномных мутаций в соматических клетках  анеуплоидию подразделяют на две  группы: гипер- и гипоплоидия (рис.6). Если гиперплоидия возникает за счет нерасхождения хромосом (хроматид), то гипоплоидия может образовываться также и вследствие отставания хромосом в ходе самого деления, либо как результат аномального распределения в дочерних клетках аберрантных хромосом.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что аутосомная анеуплоидия проявляется в большинстве случаев в пренатальный, чем в постнатальный период, и трисомики в основном живут дольше, чем моносомики.

 Анеуплоиды  у животных, как правило, жизнеспособны  в том случае, если затрагиваются половые хромосомы. Жизнеспособность ХО-моносомиков, ХХХ(У)-трисомиков и даже полисомиков объясняется наличием у млекопитающих механизма инактивации добавочных Х-хромосом. Благодаря этому механизму в норме у женских особей работает одна Х-хромосома.

Как отмечает I. Gustavsson, анеуплоидия по половым хромосомам отличается более продолжительными сроками жизни в силу действия порционно-компенсаторного механизма, который направлен на поддержание  активного хромосомного материала  на постоянном уровне.

Хромосомные мутации (аберрации,  перестройки) представляют собой перемещения генетического  материала, приводящие к изменению  структуры хромосом.

Хромосомные аберрации  подразделяют на внутрихромосомные (перемещение  материала внутри одной хромосомы) и межхромосомные (обмен материалом между разными хромосомами).

В основе всех этих мутаций лежат одиночные или  множественные разрывы хромосом, вследствие чего создается возможность  для утери и ошибочной перекомбинации образовавшихся фрагментов хромосом [17].

Удельный вес  структурных мутаций в спонтанном мутагенезе у млекопитающих достаточно велик: 10^-2 - 10^-3 изменений на клетку за одно поколение. Что касается частоты геномных мутаций, то сведения о них не однозначны.

В процессе онтогенеза ДНК постоянно подвергается воздействию факторов внешней среды и повреждается. Однако этому процессу противодействуют механизмы, устраняющие повреждения (репарации). С возрастом количество повреждений ДНК увеличивается, а системы репарации нарушаются.

Частота мутаций может резко возрастать под действием многочисленных внешних агентов. К ним относят физические агенты, разнообразные химические агенты, биологические. Было установлено, что под действием ионизирующей радиации в клетках животных возникает широкий спектр цитогенетической изменчивости. После лазерного облучения лимфоцитов свиней отмечалось повышение гетероплоидных клеток до 44% против 6% в контроле, а уровень аберраций хромосом составил 1,5-7,5%. При облучении спермы хряков α-лучами в дозе 800 Р и последующем осеменении свиноматок получены потомки с реципрокными транслокациями хромосом.

Как отмечает А.И. Жигачев (1989), суммарное воздействие  всех классов мутагенов может  привести к существенному росту  уродств и врожденных аномалий, снижению жизнеспособности и устойчивости животных к болезням. Особое беспокойство по данному поводу возникает сейчас в условиях возрастающего загрязнения окружающей среды.

По мере старения организма снижаются его адаптационные  способности, существенно изменяются метаболические процессы в тканях и клетках, происходят значительные сдвиги в нейро-гуморальной регуляции, что вызывает повышение частоты аберраций.

Различают спонтанный и индуцированный мутагенез. Мутагенез  – процесс возникновения мутаций.

При спонтанном мутагенезе возникновение мутаций носит случайный характер в естественных условиях среды. Такого рода процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов (из числа которых наибольшее значение имеют естественный фон радиации, различные химические соединения).