Генетика з основами селекції - М.П.Мигун - 2008
РОЗДІЛ IV. Мінливість та її генетичні засади
4.2. Типи мутацій і їх класифікація
Типи мутацій і їх класифікація залежить від того, що покладено в нову класифікації. Найбільше генетичне підгрунтя має класифікація, що кується на характері змін у генотипі. Встановлено, що сукупність усіх генів, локалізованих у галоїдному наборі хромосом, складає генетичну систему, котру за пропозицією Г. Вінклера (1920 р.) назвали — геномом. Також гени виявлені і в цитоплазмі клітин: плазмон пластом. Крім цих генетичних систем до матеріальних носіїв спадковості відносять хромосомні структури клітин, їх каріотипи. Існування різних генетичних систем обумовлює виникнення різних типів мутацій.
І. Залежно від змін генотипу виділяють такі типи мутацій:
1) генні або точкові - зміна структури ДНК у межах гена;
2) хромосомні мутації - порушення структури хромосом;
3) геномні мутації - зміна кількості хромосом або кількості хромосомних наборів.
1) Генні (точкові ) мутації. Якщо матеріальною основою гена є фрагмент ДНК, то мутації цього гена є не що інше, як пошкодження генетичного кодування, котре може проявлятися в зміні нуклеотидних послідовностей (перестановки); втрата, подвоєння, вставка нуклеотидів. За характером змін у послідовності нуклеотидів генні мутації поділяють на:
а) транзиції - зміна однієї пуринової основи на іншу пуринову, або піримідинову на іншу піримідинову;
б) трансверсії - заміна пуринової основи на піримідинову чи навпаки;
в) інсерції - вставка одного або декількох нуклеотидів;
г) делеції - випадання одного або декількох нуклеотидів;
д) перестановка сусідніх нуклеотидів.
Переважна більшість генних мутацій є рецесивними, зберігаються у складі гетерозигот. Накопичуючись в популяції, в гомозиготному стані виявляють фенотиповий прояв і ведуть до еволюційних змін.
2) Хромосомні мутації (аберації). Вони характеризуються змінами в морфологічних структурах хромосом, обумовлених розривами і перебудовами хромосомного матеріалу в клітинах організму. Структурні перебудови можуть відбуватися в межах однієї хромосоми, представленої в клітині одним, двома або декількома гомологами, називаються внутрішньо хромосомні, а також негомологічними хромосомами в межах окремих каріотипів - міжхромосомні. До внутрішньохромосомних перебудов відносяться: а) нестачі; б) дуплікації; в) інверсії; г) інсерції.
а) Нестачі - втрачається певна ділянка хромосом, якщо в середині хромосоми два розриви і випадає ділянка, така нестача називається делецією;
б) дуплікація (подвоєння) - одна з ділянок хромосоми представлена у вигляді двох або значно більшої кількості копій;
в) інверсія (перестановка) - зміна порядку розміщення генів у хромосомі. Розрив хромосоми в двох точках і обертання хромосомного фрагменту на 180 градусів. Унаслідок чого у відповідному фрагменті гени розміщуються в оберненому порядку;
г) інсерція - фрагменти хромосомної нитки з одного місця переносяться в інше місце хромосоми, зберігаючи вихідний порядок розміщення генів у межах кожного фрагменту. До міжхромосомних перебудов відносяться: транслокації - взаємні обміни між негомологічними хромосомами.
3) Геномні мутації - обумовлені зміною числа хромосом у геномах організмів з утворенням анеуплоїдів, а також збільшення числа геномів у клітинах з утворенням поліплоїдів, та зменшення числа хромосом на половину гаплоїдів. Зміни хромосомного складу клітин відбуваються при порушенні механізму каріокінезу, до них відносяться:
а) нерівномірне розходження хромосом в мейозі або мітозі;
б) поділ ядра без наступного поділу клітини;
в) збільшення кількості хромосом без наступного їх розходження;
г) злиття соматичних клітин і їх ядер.
Анеуплоїдія - зміна числа хромосом не кратне гаплоїдному набору. Виникає таке явище внаслідок порушення закономірностей розподілу та розходження хромосом у мейозі. Анеуплоїди, у яких не достатньо однієї із пари гомологічних хромосом називають моносомики (2n—1). Запліднення яйцеклітини, у якої не вистачає однієї хромосоми спермієм, який має нормальну кількість хромосом дає моносомиків. Якщо не вистачає двох (пари) гомологічних хромосом — нулісомики (2n-2). Збільшення хромосомного набору на одну хромосому — трисомики (2n+1), а на дві - тетросомики( 2 n п+2).
При анеуплодії порушується баланс доз генів у генотипах організмів, а також закономірність редукції числа хромосом у мейозі, що веде до виродження, Проте у видів, здатних до вегетативного апоміктичного або партеногетичного розмноження окремі анеуплоїди можуть успадковуватись у вегетативних поколіннях і відігравати позитивну роль в еволюції. За деяких даних у людей при заплідненні виникає до 6% анеуплодних зигот від загальної кількості запліднень, більшість їх гине на ранніх стадіях ембріонального розвитку. Однак відомі спадкові хвороби людини, пов’язані з трисомією окремих хромосом, наприклад 21-ї (синдром Дауна); 18-ї (синдром Едварда); 13-ї ( синдром Патау), а також синдроми Клайнфельтера, Щерешевського-Тернера, пов’язані з нерозходженням статевих хромосом. Анеуплоїди широко використовують в генетичних дослідженнях у рослин для з’ясування локалізації генів у певних хромосомах.
Поліплоїдія - зміна числа наборів хромосом. Якщо повне нерозходження хромосом трапиться у мейозі, то утворюються гамети з нередукованою кількістю хромосом. Такі гамети містять подвоєну кількість хромосом і при заплідненні утворюються організми з трьома або чотирма наборами хромосом. Наприклад, якщо зливаються дві диплоїдні гамети, то зигота отримує 4 геноми (2n+2 n) і буде тетраплоїдною, а якщо (2n+1 n) — триплоїд, (3n +2n) - пентоплоїд, (3n +3n)- гексаплоїд і т.п. Поліплоїди рідко
зустічаються у тварин (земляних черв’яків, клопів, які можуть розповсюджуватись і статевим і партогенетичним шляхом), але широко розповсюджені у рослинному світі. Біля 50% рослин - це поліплоїди. Людина використовує в більшості для свого вживання рослини поліпоїди: пшениця, картопля, овес, цукрова тростина, полуниця, слива, вишня, яблуня, груша лимон і багато інших. Доля поліплоїдних видів зростає з півдня на північ, що пояснюється більш значною в порівнянні з диплоїдами генетичною мінливістю і адаптивністю поліплоїдів. В Арктиці 72% вивчених рослин - поліплоїди, високогірний Памір,- 86%, Алтай-65%. Загальна закономірна спадкової мінливості, викликана поліплоїдією, полягає у збільшенні розмірів клітин і деяких органів рослин, вегетативної маси. Негативний ефект поліплодії має прояв у зменшенні насіннєвої продуктивності і збільшені вегетативного періоду. Закономірності розмноження поліплоїдів показують, що існує декілька їх типів:
а) автополігшоїди;
б) алополіплоїди.
Автополіпдоїди - це організми, які отримані за рахунок збільшення гаплоїдного набору хромосом одного і того ж виду.
У природних умовах автополіплоїди виникають серед рослин із будь-яким способом розмноження, але краще зберігаються у самозапильних рослин та за умов безстатевого розмноження. В автополіплоїдів взагалі суттєво утрудняється статеве розмноження. Обумовлюється це тим, що в каріотипах поліплоїдних клітин кожна хромосома представлена не двома, а декількома гомологами. Гамети, які складаються з декількох гомологічних хромосом є мало життєздатні, а їх сполучення ведуть до нежиттєздатних зигот. Поліплоїдні форми рослин можна отримувати штучно, використовуючи алкалоїд колхіцин, але вони мають знижену плодючість. У різних видів рослин є різні оптимальні рівні плоїдності, люди використовують ці явища як для наукових, так і практичних потреб. Японський генетик Г. Кихара шляхом схрещування тетраплоїдної і диплоїдної форм кавуна отримав триплоїди! безнасіннєві форми.
Алополіплоїди - це поєднання в клітинах організму хромосомних наборів від різних видів і родів. Гібриди від схрещування різних видів і родів називають віддаленими гібридами, або амфідиплоїдами. Хромосомні набори алополіплоїдів різняться не тільки числом хромосом, але й їх генетичним складом і нащадки являються неплідними (гібриди кобили з ослом).
Пояснюється це тим, що кожна хромосома в клітинах гібрида не має свого гомолога. Хромосоми залишаються у вигляді унівалетів, що веде до безладу у розподілі хромосом мейотичного поділу внаслідок чого не утворюються генетично збалансовані гамети. Однак, якщо в клітинах міжвидового гібрида подвоїти число хромосом, то кожна з цих подвоєних хромосом утворює сестринську пару і гібрид стає плідним.
Класичним прикладом алополіплоїди слугує капуста - редьковий гібрид, отриманий Г. Д. Карпеченко (1924 р.). Він схрестив редьку (Raphmus sativus) 2n = 18 з капустою (Brassica oleracea) 2n = 18. Гамети мають по 9 хромосом, але гібриди повністю стерильні, тому що у наборі хромосом капусти не має гомологів для хромосом редьки і навпаки. Кожна із хромосом, в такому випадку, поводить себе в мейозі цілком незалежно - як унівалет і не відбувається нормального розвитку гамет: гібриди стерильні. Серед великої кількості стерильних гібридів Г. Д. Карпеченко знайшов окремі нормально плідні гібриди. Цитологічні дослідження показали, що у таких гібридів зигота складається із 2-ох повних наборів редьки і капусти (9R+9B+9R+9B=36 хромосом ).Кожна хромосома редьки 9R коньюгуе з такими ж хромосомами 9R редьки і складають життєздатні гомологічні пари 2R або 18R і капуста аналогічна 18В. Утворений 36-хромосомний гібрид не тільки плідний, але і константний, не розщеплюються при розмноженні, оскільки хромосоми редьки і капусти між собою не перекомбіновуюються. Таким чином, з’явилась можливість використовувати віддалену гібридизацію у синтезі нових форм, які не існують в природі; житньо-пшеничні (тритікале), редька-капуста, пирійно-пшеничні гібриди. Серед тваринного світу міжвидова гібридизація з подальшим утворенням стабільних і плодючих алополіплоїдів не розповсюджена, але є випадки створення нових порід та гібридів тварин із допомогою міжвидових схрещувань: звичайної великої рогатої худоби і зебри, великої рогатої худоби і яка, гібрид коропа і карася, тонкорунних овець і дикого гірського барана. Однак плідні алополіплоїди у тварин є досить рідким явищем. Разом з тим таким чином не тільки можна синтезувати нові, але штучно відновлювати уже існуючі види рослин.
Експериментальне відновлення існуючих видів на основі рекомбінації геномів відомих форм отримало назву ресинтезу видів. Походження культурної сливи довгий час залишалось загадкою, в природі ніде не було її диких родичів, але Крен і Лоуренс показали, що вона утворилась шляхом природнього схрещування терну і аличі з послідуючим подвоєнням хромосом. Було штучно відтворено ресинтез і синтез сливи.
Сучасний стан віддаленої гібридизації базується на досягненнях і можливостях генної інженерії - утворення трансгенних організмів стає все далі поширеним явищем.
Гаплоїдія. Гаплоїдом називають організм, у соматичних клітинах якого локалізується гаплоїдний набір негомологічних хромосом.
Гаплоїди розвиваються із однієї клітини, проминувши етап запліднення із яйцеклітини, синергід, антипод або пилкової зернини. Гаплоїдія може бути природною і викликана штучно. Природна гаплоїдія зустрічається у життєвому циклі у більшості еукаріотів, а також самців комах, бджіл, мурашок. Одна з характерних особливостей гаплоїдів — це зменшення розмірів усіх клітин і органів, у фенотипі одразу проявляються як домінантні, так і рецесивні ознаки (гомозиготний за всіма генами). Також існуюють полігаплоїди, якіх можна отримати із алополіплоїдів. Гаплоїдія має значну цікавість для генетиків та селекціонерів, які працюють із вищими рослинами. Це пояснюється тим, що у гаплоїдів легко виявити шкідливі і корисні рецесивні ознаки. Гаплоїдну рослину, позбавлену шкідливих мутацій, за допомогою колхіцину можна перевести в диплоїдну. Саме таким шляхом, перетворення гаплоїдів у диплоїди, отримано нові форми томатів, тютюну, бавовнику.
II. За локалізацією в еукаріотичних клітин мутації поділяються:
а) ядерні - мутації генетичного апарату ядра (ми їх розглянули вище);
б) цитоплазматичні - пластомні й плазмонні.
Плазмонні мутації - виникають унаслідок мутації генів локалізованих у цитоплазмі клітин, крім пластид. Прикладом може слугувати ДНК мітохондрій, де є наявність комплексу регуляторних і структурних генів, та відбувається, незалежно від ядерних генів, автономний синтез деяких типів білків, там і виникають мутації.
Пластомні мутації мутації генів локалізованих у пластидах. Мутації генів пластому можуть змінювати активність процесів фотосинтезу, утворюються нащадки з ознаками ряболистості.
ІІІ. За фенотиповим виявом та дією на організм:
а) морфологічні; б) фізіологічні; в) біохімічні.
Вони можуть змінювати прояв будь-якої зовнішньої ознаки, впливати на функції окремих органів: росту, розвитку, викликати різні зміни хімічного складу клітин і тканин і т.п.
IV. За відношенням до життєздатності:
а) корисні - сприяють збереженню і поширенню виду;
б) нейтральні - не впливають на життєздатність;
в) напівлетальні - знижують життєздатність;
г) летальні - приводять до загибелі.
V. За відношенням до норми (так званого дикого типу):
а) прямі мутації, за яких гени дикого типу перетворюються в алельні форми;
б) зворотні, за яких відновлюється дикий фенотип.
Приклад. Домінантний ген червоного забарвлення очей у дрозофіли мутує в білий, а потім знову у червоний
VI. За виявом у гетерозиготи:
а) домінантні мутації, б) рецесивні мутації.
Рецесивні утворюються частіше, ніж домінантні, мутаційний процес як правило іде від домінантності до рецесивності. Домінантні мутації проявляються відразу в F, вже у гетерозиготному стані. Рецесивні дають прояв тільки тоді, коли мутований ген буде в гомозиготному стані.
VII. Залежної від типу клітин, у яких виникають мутації:
а) генеративні - виникають у статевих клітинах та їх попередниках, передаються наступним поколінням;
б) соматичні - виникають у соматичних -клітинах і розповсюджуються за їх мітотичного поділу.
VIII. Залежно від способу виникнення мутації:
а) спонтанні - мутації, які виникають автогенетично.
Причиною їх може бути постійно іонізуюче ультрафіолетове випромінювання, радіоактивні ізотопи землі, хімічні сполуки (що вводяться штучно від паразитів або синтезуються в організмі - свої метаболіти). Природні мутації є наслідком можливих помилок у роботі фізіологічних систем клітини. Ефективність молекулярно-генетичних процесів (реплікації, репарації, рекомбінації, транскрипції, трансляції) істотно залежить від індивідуальних особливостей генотипу та умов його існування, чим пояснюється різна частота спонтанних мутації за конкретних умов. Спонтанні мутації виникають з частотою (1-10-5 — 10-9) на один геп. Темп мутування залежить від генотипу, фізіологічного стану клітини чи організму, віку, стадії розвитку. У людини багато генів мутує з частотою 1:200000 гамет, а середня частота мутацій на один локус в поколінні складає 4-10-6.
Якщо взяти відносно до кожного окремого гену, то ці цифри не значні, а якщо врахувати, що в галоїдному наборі хромосом існує декілька тисяч генів і кожен з них мутує хоча б з частотою 1:1000000, то це буде не так і мало
б) індуковані мутації - виникають у відповідь на дію різноманітні (фізичних і хімічних) факторів середовища і частота їх значно вища за спонтанне виникнення мутації. Індукований мутагенез вперше застосували у 1925 році Г. А. Надсон і Г. С. Філіпов. У 1927 році Г. Меллер з’ясував мутаційний вплив іонізуючих випромінювань, а згодом була з’ясована і мутаційна дія ультрафіолетових опромінень та вивчена на рослинних, тваринних об’єктах.
Дію хімічних сполук на утворення мутацій уперше показали В.Сахаров (1932 р.), М. Лобашев (1939 р.). С. Гершензон виявив сильну мутагенну дію екзогенної ДНК. Широке вивчення хімічного мутагенезу почалося у 1946 році, коли І. Рапопорт виявив супермутагени - хімічні сполуки (етиленімін), що індукують мутації з частотою до 100%.
Згодом були відкриті речовини - антимутагени, що послаблюють дію хімічних і фізичних мутагенних факторів.
Індукований мутагенез є одним із шляхів отримання нових вихідних форм для селекції, також його застосовують у генетичному аналізі при маркуванні генетичного матеріалу.
На сьогодні мутагенез і екологія мають велике значення в житті людей. Збільшення концентрації мутагену в навколишньому середовищі сприяє збільшенню генетичного тягаря усіх популяцій, включаючи людину.