Большая часть сведений о хромосомных перестройках , вызывающих фенотипические или телесные изменения и аномалии, была получена в результате исследований генотипа (расположения генов в хромосомах слюнных желез) обыкновенной плодовой мушки. Несмотря на то, что многие болезни человека имеют наследственную природу, лишь в отношении их небольшой части достоверно известно, что они вызваны хромосомными аномалиями. Только из наблюдений за фенотипическими проявлениями мы можем заключить, что произошли те или иные изменения генов и хромосом.
Хромосомы это организованные в виде двойной спирали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), образующей химическую основу наследственности. Специалисты считают, что хромосомные нарушения возникают в результате перестройки порядка расположения или числа генов в хромосомах. Гены представляют собой группы атомов, входящих в состав молекул ДНК. Как известно, молекулы ДНК определяют характер молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК), которые выполняют функцию «доставщиков» генетической информации, определяющей структуру и функцию органических тканей.
Первичная генетическая субстанция, ДНК, действует через посредство цитоплазмы, выполняющей функцию катализатора в изменении свойств клеток, формируя кожу и мышцы, нервы и кровеносные сосуды, кости и соединительную ткань, а также другие специализированные клетки, но не допуская изменений самих генов в ходе этого процесса. Почти на всех этапах строительства организма занято множество генов, и потому совсем не обязательно, чтобы каждый физический признак являлся результатом действия одного гена.
Хромосомное нарушение
Разнообразные хромосомные нарушения могут быть результатом следующих структурных и количественных нарушений:
Разрыв хромосом. Хромосомные перестройки могут вызываться под воздействием рентгеновских лучей, ионизирующей радиации, возможно, космических лучей, а также многих других, пока неизвестных нам, биохимических или средовых факторов.
Рентгеновские лучи. Могут вызвать разрыв хромосомы; в процессе перестройки сегмент или сегменты, оторвавшиеся от одной хромосомы, могут быть утеряны, в результате чего возникает мутация или фенотипическое изменение. Становится возможной экспрессия рецессивного гена, обусловливающего определенный дефект или аномалию, поскольку нормальный аллель (парный ген в гомологичной хромосоме) утерян и вследствие этого не может нейтрализовать воздействие дефектного гена.
Кроссовер. Пары гомологичных хромосом закручены в спираль подобно дождевым червям во время спаривания и могут разрываться в любых гомологичных точках (т. е. на одном уровне образующих пару хромосом). В процессе мейоза происходит разделение каждой пары хромосом таким образом, что только одна хромосома из каждой пары входит в образовавшуюся яйцеклетку или спермий. Когда происходит разрыв, конец одной хромосомы может соединяется с оторвавшимся концом другой хромосомы, а два оставшихся куска хромосом связываются вместе. В результате образуются две совершенно новые и разные хромосомы. Этот процесс называют кроссинговером.
Дупликация/нехватка генов. При дупликации участок одной хромосомы отрывается и прикрепляется к гомологичной хромосоме, удваивая уже существующую в ней группу генов. Приобретение хромосомой дополнительной группы генов обычно наносит меньший вред, чем утрата генов др. хромосомой. К тому же при благоприятном исходе дупликации ведут к образованию новой наследственной комбинации. Хромосомы с потерянным терминальным участком (и нехваткой локализованных в нем генов) могут приводить к мутациям или фенотипическим изменениям.
Транслокация. Сегменты одной хромосомы переносятся на другую, негомологичную ей хромосому, вызывая стерильность особи. В этом случае любое негативное фенотипическое проявление не может быть передано последующим поколениям.
Инверсия. Хромосома разрывается в двух и более местах, и ее сегменты инвертируются (поворачиваются на 180°) перед тем, как соединиться в том же порядке в целую реконструированную хромосому. Это самый распространенный и самый важный способ перегруппировки генов в эволюции видов. Однако новый гибрид может стать изолянтом, поскольку обнаруживает стерильность при скрещивании с первоначальной формой.
Эффект положения. В случаях изменения положения гена в той же хромосоме у организмов могут обнаруживаться фенотипические изменения.
Полиплоидия. Сбои в процессе мейоза (хромосомного редукционного деления в ходе подготовки к репродукции), которые затем обнаружатся в зародышевой клетке, могут удваивать нормальное число хромосом в гаметах (сперматозоидах или яйцеклетках).
Полиплоидные клетки присутствуют в нашей печени и некоторых других органах, обычно не нанося сколько-нибудь заметного вреда. Когда же полиплоидия проявляется в наличии одной-единственной «лишней» хромосомы, то появление последней в генотипе может привести к серьезным фенотипическим изменениям. К их числу относится синдром Дауна , при котором в каждой клетке содержится дополнительная 21-я хромосома.
Среди больных с сахарным диабетом встречается незначительный процент рождений с осложнениями, при которых эта дополнительная аутосома (неполовая хромосома) становится причиной недостаточного веса и роста новорожденного и задержки последующего физического и умственного развития. Люди страдающие синдромом Дауна имеют 47 хромосом. Причем дополнительная 47-я хромосома обусловливает у них избыточный синтез фермента, разрушающего незаменимую аминокислоту триптофан, которая встречается в молоке и необходима для нормального функционирования клеток мозга и регуляции сна. Лишь у незначительного процента родившихся с синдромом эта болезнь определенно носит наследственный характер.
Диагностика хромосомных нарушений
Врожденные пороки развития представляют стойкие структурные или морфологические дефекты органа или его части, возникающие внутриутробно и нарушающие функции пораженного органа. Могут возникнуть крупные пороки, которые приводят к значительным медицинским, социальным или косметическим проблемам (спинно-мозговые грыжи, расщелины губы и нёба) и малые, которые представляют собой небольшие отклонения в строении органа, не сопровождающиеся нарушением его функции (эпикант, короткая уздечка языка, деформация ушной раковины, добавочная доля непарной вены).
Хромосомные нарушения имеют деление на:
Тяжелые (требуют срочного медицинского вмешательства);
умеренно тяжелые (требуют лечения, но не угрожают жизни пациента).
Врожденные пороки развития представляют собой многочисленную и очень разнообразную группу состояний, наиболее распространенные и представляющие большее значение из них, это:
анэнцефалия (отсутствие большого мозга, частичное или полное отсутствие костей свода черепа);
черепно-мозговая грыжа (выпячивание головного мозга через дефект костей черепа);
спинно-мозговая грыжа (выпячивание спинного мозга через дефект позвоночника);
врожденная гидроцефалия (избыточное накопление жидкости внутри желудочковой системы мозга);
расщелины губы с расщелиной (или без неё) нёба;
анофтальмия/микрофтальмия (отсутствие или недоразвитие глаза);
транспозиция магистральных сосудов;
пороки развития сердца;
атрезия/стеноз пищевода (отсутствие непрерывности или сужение пищевода);
атрезия ануса (отсутствие непрерывности аноректального канала);
гипоплазия почек;
экстрофия мочевого пузыря;
диафрагмальные грыжи (выпячивание органов брюшной полости в грудную через дефект в диафрагме);
редукционные пороки конечностей (тотальное или частичное конечностей).
Характерными признаками врожденных аномалий являются:
Врожденный характер (симптомы и признаки, которые были с рождения);
однотипность клинических проявлений у нескольких членов семьи;
длительное сохранение симптомов;
наличие необычных симптомов (множественные переломы, подвывих хрусталика и другие);
множественность поражений органов и систем организма;
невосприимчивость к лечению.
Для диагностики врожденных пороков развития используются различные методы. Распознавание внешних пороков развития (расщелины губы, нёба) основывается на клиническом осмотре больного , который здесь является основным, и, обычно, не вызывает затруднения.
Пороки развития внутренних органов (сердца, легких, почек и других) требуют дополнительные методы исследования, так как специфических симптомов для них нет, жалобы могут быть точно такими же, как и при обычных заболеваниях этих систем и органов.
К этим методам относятся все обычные методы, которые используются и для диагностики неврожденной патологии:
лучевые методы (рентгенография, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковая диагностика);
эндоскопические (бронхоскопия, фиброгастродуоденоскопия, колоноскопия).
Для диагностики пороков используют генетические методы исследования: цитогенетические, молекулярно-генетические, биохимические.
В настоящее время врожденные пороки можно выявлять не только после рождения, но и во время беременности. Главным является ультразвуковое исследование плода, с помощью которого диагностируются как внешние пороки, так и пороки внутренних органов. Из других методов диагностики пороков во время беременности применяют биопсию ворсин хориона, амниоцентез, кордоцентез, полученный материал подвергают цитогенетическому и биохимическому исследованию.
Хромосомные нарушения классифицируются по принципы линейной последовательности расположения генов и бывают в виде делеции (нехватка), дупликации (удвоение), инверсии (перевертывание), инсерции (вставка) и транслокации (перемещение) хромосом. В настоящее время известно, что практически все хромосомные нарушения сопровождаются задержкой развития (психомоторного, умственного, физического), кроме того они могут сопровождаться наличием врожденных пороков развития.
Эти изменения характерны для аномалий аутосом (1 - 22 пары хромосом), реже для гоносом (половых хромосом, 23 пара). На первом году жизни ребенка можно диагностировать многие из них. Основные их них это, синдром кошачьего крика, синдром Вольфа-Хиршхорна, синдром Патау, синдром Эдвардса, синдром Дауна, синдром кошачьего глаза, синдром Шерешевского-Тернера, синдром Клайнфелтера.
Раньше диагностика хромосомных болезней основывалась на использовании традиционных методов цитогенетического анализа, этот тип диагностики позволял судить о кариотипе - числе и структуре хромосом человека. При этом исследовании оставались нераспознанными некоторые хромосомные нарушения. В настоящее время разработаны принципиально новые методы диагностики хромосомных нарушений. К ним относятся: хромосомоспецифичные пробы ДНК, модифицированный метод гибридизации.
Профилактика хромосомных нарушений
В настоящее время профилактика этих заболеваний представляет собой систему мероприятий разного уровня, которые направлены на снижение частоты рождения детей с данной патологией.
Имеется три профилактических уровня , а именно:
Первичный уровень: проводятся до зачатия ребенка и направлены на устранение причин, которые могут вызвать врожденные пороки или хромосомные нарушения, или факторов риска. К мероприятиям этого уровня относится комплекс мер, направленных на защиту человека от действия вредных факторов, улучшение состояния окружающей среды, проверка на мутагенность и тератогенность продуктов питания, пищевых добавок, лекарственных препаратов, охрана труда женщин на вредных производствах и тому подобное. После того, как была выявлена связь развития некоторых пороков с дефицитом фолиевой кислоты в организме женщины, было предложено употреблять её в качестве профилактического средства всеми женщинами репродуктивного возраста за 2 месяца до зачатия и в течение 2 - 3 месяцев после зачатия. Также к профилактическим мероприятиям относится вакцинация женщин против краснухи.
Вторичная профилактика: направлена на выявление пораженного плода с последующим прерыванием беременности или при возможности проведением лечения плода. Вторичная профилактика может носить массовый характер (ультразвуковое обследование беременных) и индивидуальный (медико-генетическое консультирование семей с риском рождения больного ребенка, на котором устанавливают точный диагноз наследственного заболевания, определяют тип наследования заболевания в семье, расчет риска повторения болезни в семье, определение наиболее эффективного способа семейной профилактики).
Третичный уровень профилактики: подразумевает проведение лечебных мероприятий, направленных на устранение последствий порока развития и его осложнений. Пациенты с серьезными врожденными аномалиями вынуждены наблюдаться у врача всю жизнь.
Все наследственные болезни вызываются мутациями — нарушениями генетического материала.
Хромосомные болезни — заболевания, вызванные хромосомным и геномными и
Изменения, вызывающие заболевания:
- выпадение участка хромосомы;
- добавление новых участков или даже целых хромосом
Как мы знаем, есть хромосомы неполовые — .
Давайте рассмотрим аутосомные (хромосомные) заболевания — те, которые передаются по наследству и не зависят от пола
Делеции - хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка хромосомы. Делеция может быть следствием разрыва хромосомы или результатом неравного кроссинговера.
1. Есть часто встречающаяся делеция 5-ой хромосомы
(синдром кошачьего крика)
Заболевание достаточно редкое, его симптомы:
- отставание в развитии;
- мышечная дистрофия;
- кошачеподобное лицо (расставленные глаза);
- нарушение в строении гортани, поэтому у ребенка получается плач, схожий с кошачьим мяуканьем (отсюда и название)
2. Делеция 3-й хромосомы
Такие организмы не жизнеспособны.
Получается, что перестройка или выпадение даже одного небольшого участка хромосомы приводит к довольно значительным осложнениям.
Делеция 21-й хромосомы
(белокровие, лейкоз, анемия)
Это хромосомное заболевание характеризуется тем, что образуется либо мало эритроцитов, либо они имеют форму серпа (серповидно-клеточная анемия). Т.к. красные кровяные клетки отвечают за транспорт кислорода, то заболевание тяжелое.
3. Трисомия по 21-й хромосоме
(синдром Дауна)
В кариотипе такого организма не две, а три 21-х хромосом.
Это очень распространенное хромосомное заболевание. Частота рождения — 1: 500 (0.2%).
Симптомы:
1) монголойдный тип лица;
2) укороченные конечности;
3) психическая отсталость (многие ученые спорят с этим утверждением. У людей с синдромом Дауна скорее «другая» психическая активность, чем у большинства нормальных людей);
Причины трисомии:
Как правило, каждая клетка человека содержит 23 пары разных хромосом. Каждая хромосома несет гены, которые необходимы для правильного развития и поддержания нашего тела. В концепции, человек наследует 23 хромосомы от матери (через яйцеклетку) и 23 хромосомы от отца (через сперматозоид). Однако иногда человек наследует дополнительный хромосомный набор от одного из родителей. В случае синдрома Дауна, наиболее часто наследуют две копии 21-й хромосомы от матери и одну 21-ю хромосому от отца, в общей сложности получается три хромосомы 21. Именно из-за такого типа наследования синдром Дауна называют трисомией по 21-ой хромосоме.
Есть еще несколько хромосомных болезней (трисомий) , но подробно мы их разбирать не будем…
Мутации половых хромосом
1. Трисомия Х
У организма с таким заболевание вместо двух Х — ХХХ. Морфологические и функциональные нарушения связаны, в основном, с половой системой. Люди с такой мутацией могут даже не догадываться о своем кариотипе.
(Бывают и тетрасомия — ХХХХ, и пентасомия, но отклонения в развитии в этих случаях уже серьезные)
2. Моносомия Х
(синдром Тернера)
Отклонения есть как в умственном, так и в физическом (в основном. половом) развитии.
3. Синдром ХХУ или ХУУ
(синдром Клайнтельфера)
ХХY — проявляется как женоподобное телосложение (вторичные половые признаки) у мужчин. Люди с такой хромосомной болезнью психически здоровы, но бесплодны.
XYY — здоровы, могут иметь потомство, но агрессивны (социально опасны).
Это далеко не все мутации, известные науке и медицине. Многие из них приводят к смерти еще на стадии эмбрионального развития. Поэтому, в отличие от генных, хромосомные болезни реже передаются по наследству .
Различные клетки одного организма и различные особи одного вида обладают, как правило, одинаковым числом хромосом, за исключением гамет, в которых вдвое меньше хромосом, нежели в соматических клетках. Кроме того, число гомологичных и порядок генов в них также, как правило, совпадают в различных клетках и у разных представителей одного вида. Однако число хромосом, их размер и организация у разных видов сильно варьирует. Гаплоидный геном большинства животных содержит около 2.109 п.н. (пар нуклеотидов); у некоторых насекомых и примитивных хордовых это число составляет лишь 108, тогда как у некоторых амфибий, напротив, достигает 1011 п.н. на одно ядро. Количество ДНК в клетках растений колеблется в еще более широких пределах. ДНК входит в состав хромосом, число которых может сильно варьировать: в клетках нематоды Parascarisunivalens содержится по одной паре хромосом, тогда как у бабочки Lysandra atlantica число хромосом составляет примерно 220, а у папоротника Ophioglossumreticulayum превышает 600.
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 [Айала]. 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.
Хромосомные перестройки часто приводят к различным фенотипическим изменениям, которые объясняются локализацией точек разрывов внутри или вблизи тех или иных генов.
Классификация хромосомных мутаций:
А. Изменения в структуре хромосом. Такие изменения могут затрагивать число генов в хромосомах (делеции и дупликации) и локализацию генов в хромосомах (инверсии и транслокации).
1. Делеция , или нехватка. Утрачен участок хромосомы.
2. Дупликация , или удвоение. Один из участков хромосомы представлен в хромосомном наборе более одного раза.
3. Инверсия . В одном из участков хромосомы гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с нормальной. Инвертированный участок хромосомы может включать или не включать центромеру; в первом случае инверсия называется перицентрической (т.е. охватывающей центромеру), а во втором – парацентрической (т.е. «околоцентромерной»).
4. Транслокация . Изменено положение какого-либо участка хромосомы в хромосомном наборе. К наиболее распространенному типу транслокаций относятся реципрокные, при которых происходит обмен участками между двумя негомологичными хромосомами. Участок хромосомы может также изменять свое положение и без реципрокного обмена, оставаясь в той же хромосоме или включаясь в какую-то другую. Транслокации такого типа иногда называют транспозициями.
Б. Изменения в числе хромосом. При изменениях такого рода в одних случаях (слияния и разрывы) общее количество наследственного материала остается неизменным, а в других (анеуплоидия, моноплоидия и полиплоидия) – изменяется.
1. Центрическое слияние . Две негомологичные хромосомы сливаются в одну.
2. Центрическое разделение . Одна хромосома делится на две, при этом должна образоваться новая центромера, в противном случае хромосома без центромеры утрачивается при клеточном делении.
3. Анеуплоидия . В нормальном хромосомном наборе либо отсутствует одна и более хромосом, либо присутствует одна или более добавочных хромосом.
4. Моноплоидия и полиплоидия . Число наборов негомологичных хромосом отличается от двух [Айала].
Делеции и дефишенси
Делецией, или нехваткой, называется потеря некоторого 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 . Показано, что данная мутация сцеплена с полом, доминанта, в гомозиготном состоянии летальна. Самки, гетерозиготные по Notch , имеют мутантный фенотип, а гомозиготные по этой мутации самки и гемизиготные самцы нежизнеспособны. Аллель white в присутствии Notch в гомологичной хромосоме ведет себя как доминантный. Другие рецессивные гены, расположенные по соседству с white в Х-хромосоме, также становятся как бы «доминантными» в присутствии Notch . Такая кажущаяся доминантность рецессивных генов называется псевдодоминантностью , поскольку она возникает лишь при утрате некоторого участка гомологичной хромосомой, в результате чего отсутствует аллель, комплементарный рецессивной мутации. Псевдодоминирование служит одним из способов выявления делеций.
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.
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 диффузной центромеры. 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.
Дупликации
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 инвертированнойАВССВDE… ), если последовательности генов в смежных участках взаимно противоположны. Если дуплицированный участок расположен на конце хромосомы, то дупликация называется концевой.
Дупликации могут обладать фенотипическим проявлением. Наиболее известным примером служит мутация Bar в Х-хромосоме Drosophila melanogaster . Эта мутация проявляет неполное доминирование, уменьшая число глазных фасеток.
Иногда дупликации выявляются благодаря тому, что у особи, гомозиготной по рецессивному аллелю, рецессивный признак, тем не менее, не проявляется. Этот факт объясняется тем, что соответствующий доминантный аллель содержится в дуплицированном участке хромосомы. На цитологических препаратах гетерозиготность по дупликациям приводит к образованию петель, аналогичных возникающих у гетерозигот по делециям.
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. Именно этим способом в результате неравного кроссинговера возникают гемоглобины Lepore и анти-Lepore . К дупликации и делециям или транслокациям.
Дупликация сравнительно небольших участков ДНК, состояния из нескольких нуклеотидов, входящих в состав одного гена или соседних генов, происходит в процессе эволюции весьма часто.
Инверсии
Инверсией называют поворот на 180о отдельных участков хромосомы; при этом ни число хромосом, ни число генов в каждой хромосоме не меняются (Айала ). Если последовательность генов в исходной хромосоме обозначить ABCDEF и инверсии подвергся участок BCD, то в новой хромосоме гены будут расположены в последовательности ADCBEF.
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.
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. 7, 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 (рис. 1, Б).
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.
Рис. 1. − Конъюгация хромосом и последствия одиночного (А) и двойного (Б) кроссинговера при гетерозиготности по перицентрической инверсии
Транслокации
Транслокации представляют собой реципрокный обмен участками негомологичных хромосом. Реципрокными транслокациями называется взаимный обмен участками между двумя негомологичными хромосомами (рис. 2). Если изобразить последовательности генов в исходных хромосомах как ABCDEF и GHIJKL, то в транслокационных хромосомах последовательностями генов могут быть, например, ABCDKL и GHIJEF. 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. 2. − Транслокации
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. Кроме того, 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.
Гетерозиготы по реципрокным транслокациям у животных встречаются редко, но широко распространены у растений. Характерный пример в этом отношении представляют различные виды ослинника – Oenoyhera. Например, у O. lamarkiana из 14 хромосом 12 вовлечены в реципрокные транслокации. Поэтому в мейозе у этого растения наблюдают один бивалент и мультивалент, включающий остальные 12 хромосом. У других видов ослинника число хромосом, образующих мультиваленты, варьирует, что отражает число реципрокных транслокаций.
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.
Транспозиции
Транспозиции представляют собой перемещение небольших участков генетического материала в пределах одной хромосомы или между разными хромосомами. Транспозиции происходят при участии особых подвижных или мигрирующих генетических элементов.
Впервые мигрирующие генетические элементы были описаны Б. Мак-Клинток в 1947 г. в связи с изучением хромосомных разрывов у кукурузы. Был обнаружен мигрирующий локус Ds (диссоциатор), в котором предпочтительно происходят разрывы хромосом. Сам по себе Ds не вызывает разрывов. Они появляются в этом локусе, если только в геноме присутствует другой мигрирующий элемент – Ac (активатор) . Оба эти элемента могут теряться с частотой нескольких процентов в мейотическом потомстве или менять свою локализацию при метотических делениях. При этом Ds перемещается только в присутствии Ac.
Внедрение Ds в непосредственной близости или внутрь гена С, контролирующего окраску алейрона семян, приводило к инактивации гена С и тем самым гетерозиготные семена С/ с / с оказывались неокрашенными. В присутствии Ас диссоциатор (Ds) начинал перемещаться – иногда покидал локус С. В результате этого появлялись окрашенные пятна алейрона на неокрашенных семенах.
Только в 80-х годах благодаря успехам генной инженерии удалось выделить и исследовать Ac, Ds и некоторые другие мигрирующие элементы кукурузы. Оказалось, что Ds – это дефектный делетированный вариант Ас. Структура элемента Ас оказалась типичной для мигрирующих элементов, которые к этому времени были изучены прежде всего у бактерий, а также у дрозофилы и дрожжей Sacch.Cerevisiae.
Позднее подвижные генетические элементы были обнаружены у других эукариотических организмов. Мутация white – crimson (wc) у дрозофилы обладает теми же свойствами, что и инсерция IS1 E.coli. Было обнаружено, что она вызывает транспозицию гена white в аутосому. При этом происходят спонтанные делеции соседних генов Х-хромосомы, расположенных слева и справа отwc, аналогичные делециям, вызываемым элементом IS1.
У мух Megaselia scalaris обнаружен генетический элемент, получивший название sexrealizer. Самцы гемизиготны по этому гену, у самок он отсутствует. Располагается такой определитель пола на конце одной из хромосом, превращая ее в половую. С частотой примерно 0,1% образуются спермии, у которых определитель пола переместился с исходной половой хромосомы на другую, которая при этом стала половой. Можно создать линии, в которых половыми являются разные негомологичные хромосомы.
Обнаружение подвижных генетических элементов как у прокариот, так и у эукариот свидетельствует о том, что их присутствие является общим свойством всех организмов. Возникает вопрос, обладают ли эти элементы полезными для организмов функциями. Одна из гипотез состоит в том, что они представляют собой «эгоистическую ДНК», обеспечивающую лишь свое собственное размножение без какой-либо сопутствующей пользы для своего носителя. Дополнительная нагрузка на метаболизм клетки может быть очень мала, и эгоистическая ДНК может сохранятся в таких организмах из-за своей способности реплицироваться быстрее, чем весь остальной геном.
При хромосомных мутациях, также как при генных, происходят перестройки внутри хромосом. Однако первые в отличие от вторых затрагивают существенные части хромосом.
Хромосомные мутации могут быть внутрихромосомными перестройками (изменяется структура одной хромосомы), а также межхромосомными (изменяются две хромосомы). Механизм перестройки может быть различным. Выделяют следующие виды хромосомных мутаций:
Делеци я - утрата части хромосомы.
Дефишенси - утрата концевого участка.
Дупликация - удвоение части хромосомы.
Хромосомные мутации: примеры. Виды хромосомных мутаций
Амплификация - многократное повторение.
Инсерция - вставка хромосомного участка.
Инверсия - поворот участка хромосомы на 180°. Перицентрическая инверсия - поворот участка, содержащего центромеру; парацентрическая - не содержащего центромеру.
Транслокация - перенос участка с одной хромосомы на другую.
В частности реципрокная транслокация - обмен участками между негомологичными хромосомами; робертсоновская транслокация - соединение двух акроцентрических хромосом, в результате чего образуется одна метацентрическая (равноплечая) или субметацентрическая.
Если дефишенси происходит на обоих концах хромосомы, то это может привести к образованию кольцевой хромосомы.
В результате хромосомных мутаций могут возникать хромосомы с двумя центромера или не содержащие ни одной.
Хромосомы без ценромер называются ацентрическими фрагментами и обычно теряются при делении клетки. Хромосомы с двумя центромерами называются дицентрическими (дицентриками). В анафазе они формируют так называемые мосты и разрываются. В последствии в клетке они образуют хроматиновые тельца (микроядра).
Если в результате хромосомной мутации не произошло добавления или потери генетического материала, то такие перестройки называются сбалансированными и обычно не приводят к каким-либо последствиям.
В результате несбалансированной перестройки происходит добавление или потеря генетического материала, и организмы могут иметь выраженные отклонения.
При инверсиях порядок генов в участке хромосомы меняется на обратный. Фенотипически подобная мутация обычно не проявляется.
Однако при мейозе в результате кроссинговера могут образовываться гаметы с несбалансированным генетическим материалом.
Хромосомные мутации возникают как в половых, так и соматических клетках. В первом случае чаще всего приводят к врожденным заболеваниям, потере фертильности.
Хромосомные перестройки в соматических клетках могут привести к онкологическим заболеваниям. Удачные для организма хромосомные мутации редки, но играют важную роль в эволюционном процессе, приводят к образованию новых видов.
Хромосомные мутации возникают из-за возникновения в клетках двунитевых разрывов ДНК, которые не были нормально восстановлены.
Такие разрывы происходят как спонтанно, так и под действием мутагенов (например, ионизирующего излучения).
Инверсии хромосом. Транслокации хромосом.
Инверсии — перестройки, суть которых — поворот на 180° участка, образовавшегося в результате двух разрывов, с соответствующим изменением расположения генов.
Инверсии могут быть 1) парацентрическими (не включают центромеру в инвертированный участок, так как происходят водном плече хромосомы) и 2) перицентрическими (захватывают центромеру).
Данный тип перестроек наиболее часто встречается в природных популяциях. Группа генов, локализованных в инвертированном участке, передается из поколения в поколение как единый блок, не разрываемый кроссинговером. Особенно много данных о распространении инверсий в популяциях мух, комаров и мошек. Наличие инверсий у них легко устанавливается при микроскопическом исследовании политенных хромосом слюнных желез.
Н.П.Дубинин, Н.Н. Соколов и ГГ.
Хромосомная мутация у человека: что это и какие несёт последствия
Тиняков в серии работ 30-40 гг. прошлого века сформулировали механизмы эволюционного преобразования генетического материала в результате этого широко распространенного типа хромосомных мутаций.
У гетерозигот по инверсиям на цитологических препаратах выявляются характерные петли — результат конъюгации структурно измененной и нормальной хромосом.
Если в инвертированном участке произойдет одиночный кроссинговер, то в случае парацентрической инверсии возникнет одна хроматида с двумя центромерами, которые «разорвут» ее при расхождении в анафазе. Образующийся бесцентромерный фрагмент будет утерян. В результате, из четырех хроматид две окажутся аберрантными. При гетерозиготности по перицентрической инверсии одиночный кроссинговер не препятствует расхождению всех хроматид. Но полноценными из четырех будут только две, так как другие две хроматиды несут делеции и дупликации нескольких генов.
Когда утраченные или удвоенные при кроссинговере участки хромосом очень малы, они не влияют на жизнеспособность гамет и образуемых при их слиянии зигот.
Если внутри инвертированного участка происходят два кроссинговера , то сохраняется полный набор генов без делеций и дупликаций и, таким образом, обеспечивается жизнеспособность рекомбинантов.
Экспериментально полученные инверсии используются как «запиратели » кроссинговера. В нашей статье приведены примеры использования линий дрозофилы с подавленным из-за наличия инверсий кроссингонером для учета летальных мутаций.
Инверсии в хромосомах человека приводят к нарушению гаметогенеза
.
Транслокации
- перемещения участков хромосомы в новое положение в ее пределах или обмен участками между разными хромосомами.
Различают транслокации
:
1) симметричные
(реципрокные) - соединение центрического фрагмента одной хромосомы с ацентрическим фрагментом другой, т.е. взаимный обмен участками между двумя негомологичпыми хромосомами (именно реципрокную транслокацию клиницисты часто обнаруживают в семьях, где встречается более одной хромосомной аномалии).
В результате конъюгации в мейозе транспонированные хромосомы у гетерозигот вместе со своими не перестроенными гомологами образуют характерную фигуру «транслокационного креста». Плотная конъюгация вблизи точек разрывов оказывается затрудненной, что приводит к подавлению кроссинговера в этих участках. Поскольку гомологичные участки есть у всех четырех конъюгирующих хромосом, в профазе мейоза образуются квадриваленты.
Из шести возможных типов гаплоидных продуктов, возникающих при трех способах расхождения хромосом, только два типа функционируют нормально: те, что получили полные наборы генов, характерные для исходных родительских форм. Остальные четыре типа гамет будут иметь несбалансированные хромосомные наборы: гамета будет содержать хромосому с делецией или дупликацией по отдельным участкам;
2) асимметричные - соединения центрических или ацентрических фрагментов, в результате которых образуются дицентрики, трицентрики и т.д.;
3) робертсоновские — слияние негомологичных акроцентрических хромосом в области их центромер с образованием одной метацентрической хромосомы.
Транслокации этого типа названы по имени В. Робертсона, предложившего гипотезу о слиянии хромосом для объяснения уменьшения их числа в хромосомном наборе. Центрическое слияние - распространенный тип хромосомных перестроек у человека. В него могут вовлекаться все пять пар акроцентриков - хромосом с одним длинным и вторым очень коротким (иногда с трудом обнаруживаемым) плечом.
При образовании робертсоновских транслокаций вместе с утратой коротких плеч утрачиваются и содержащиеся в них гены рибосомной РНК, что подтверждается результатами ДНК-РНК-гибридизации. Однако это не сопровождается какими-либо функциональными отклонениями, и носители таких хромосом совершенно здоровы.
Если в ходе мейоза транслоцированная хромосома попадет в половую клетку, то зигота будет трисомной. Именно по такому типу происходит формирование транслокационного синдрома Дауна.
— Вернуться в оглавление раздела « Генетика.»
Методы регуляции генной активности.
3. Неспецифическая регуляция генной активности. Компенсация дозы генов у дрозофилы.
4. Компенсация дозы генов у млекопитающих. Современная теория инактивации Х-хромосомы.
5. Регуляция генной активности на уровне репликации. Трансляционная и посттрансляционная регуляция генной активности.
6. Мутации.
Теоритические основы мутационной изменчивости.
7. Геномные мутации. Гаплоидия. Полиплоидия.
8. Анеуплоидия. Нуллисомия. Моносомия. Полисемия.
9. Хромосомные мутации. Делеции. Дупликации.
10. Инверсии хромосом. Транслокации хромосом.
Хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями называются видимые изменения структуры хромосом. Иногда хромосомные перестройки называют хромосомными мутациями. Хромосомные аберрации (в отличие от генных мутаций) всегда уникальны, неповторимы. Поэтому при отсутствии близкородственного скрещивания хромосомные аберрации встречаются только в гетерозиготном состоянии:
- в сочетании с нормальными хромосомами,
- в компаунде с другими аберрациями.
При близкородственном скрещивании (инбридинге) возможно образование гомозигот.
Различают:
- внутрихромосомные аберрации (фрагментацию, нехватки, дупликации, инверсии, транспозиции),
- межхромосомные (транслокации).
Фрагментация – это дробление хромосом с образованием множества различных фрагментов.
У некоторых организмов существуют полицентрические хромосомы, и при фрагментации каждый из фрагментов получает центромеру, тогда он может нормально реплицироваться и участвовать в делении клетки.
Концевые нехватки, или дефишенси – потери концевых, теломерных участков хромосом.
В результате образуются линейные фрагменты, лишенные центромеры (линейные ацентрики). Ацентрики не участвуют в делении клетки и утрачиваются. Нехватки внутренних участков, или делеции – потери участков хромосом, не затрагивающие теломеры. Утраченные участки, лишенные центромер, обычно образуют кольцевые ацентрики, которые также утрачиваются.
Дупликации – это удвоения участков хромосом.
В результате возникают тандемные последовательности генов, например: abcabc. Дупликации – один из путей возникновения новых генов.
Инверсии – повороты участков хромосом на 180°.
Различают:
- перицентрические инверсии (инвертированный участок включает центромеру),
- парацентрические (инвертированный участок лежит в одном из плеч хромосомы вне центромеры).
У гетерозигот при перекресте нормальных и инвертированных хромосом возникают ацентрики и дицентрики; в результате возникают неполноценные клетки, и продукты кроссинговера не переходят в последующие поколения (поэтому инверсии образно называют «запирателями кроссинговера»).
Таким образом, инверсии способствуют сохранению целых блоков генов – супергенов. Если инверсии сочетаются с дупликациями, то могут возникать палиндромы, например: abccba.
Транспозиции – это перемещения участков хромосомы в другие локусы (точки) этой же хромосомы.
Существуют участки хромосом, склонные к транспозициям, их называют «прыгающими генами», мобильными генетическими элементами, или транспозонами. При транспозициях гены, изменившие свое положение, могут изменять свою активность – такое явление называется эффектом положения. В результате эффекта положения гены изменять свои первоначальные функции, что приводит, в сущности, к появлению новых генов.
Транслокации – это перемещения участков хромосомы или всей хромосомы в другую хромосому.
Хромосомные перестройки
В некоторых случаях происходит полное слияние гомологичных хромосом с образованием двуцентромерных структур – дицентриков. В других случаях из двух акроцентрических хромосом образуется одноцентромерная двуплечая хромосома. Такое слияние хромосом называется робертсоновской транслокацией. Робертсоновские транслокации часто встречаются у грызунов.
Последствия хромосомных аберраций у разных организмов различны. У относительно низкоорганизованных организмов (у растений, насекомых, грызунов) хромосомные перестройки могут приводить к появлению новых признаков, но могут и не проявляться фенотипически.
У человека хромосомные перестройки в гетерозиготном состоянии снижают плодовитость, а в гомозиготном – летальны.
Механизмы возникновения хромосомных аберраций разнообразны:
- неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами (возникают делеции и дупликации) и негомологичными хромосомами (возникают транслокации);
- внутрихромосомный кроссинговер (возникают делеции и инверсии);
- разрывы хромосом (возникают различные фрагменты);
- разрывы хромосом с последующим соединением фрагментов (возникают инверсии, транспозиции, транслокации);
- копирование гена и перенос копии в другой участок хромосомы (возникают транспозиции).
Причины хромосомных аберраций и механизмы их возникновения различны:
- Хромосомные аберрации могут возникать в длительно хранящихся семенах или в тканево-клеточных культурах спонтанно, без видимых причин.
- Появлению хромосомных аберраций способствуют различные химические вещества, которые не являются мутагенами, но нарушают нормальную жизнедеятельность клеток (ионы тяжелых металлов, альдегиды, окислители и др.).
- Хромосомные аберрации часто возникают при облучении клеток.
В этом случае возникают как одиночные разрывы хромосом, так и двойные (или множественные). Одиночные разрывы ведут к появлению концевых нехваток, двойные (множественные) разрывы – к появлению всех остальных типов аберраций. При разрывах на пресинтетической стадии изменяется вся хромосома, и наблюдаются двойные аберрации; при разрывах на постсинтетической стадии изменяется только одна хроматида, и наблюдаются одиночные аберрации.
Для выявления хромосомных аберраций используются различные методы цитогенетического анализа.
Например, анафазный анализ позволяет выявить мосты и отставания (дицентрики и другие продукты транслокаций), фрагменты (ацентрики). Метафазный и пахитенный анализ позволяют выявить изменение структуры хромосом, линейные и кольцевые фрагменты. Особое место в выявлении хромосомных аберраций занимает анализ гигантских политенных хромосом, встречающихся в слюнных железах личинок двукрылых (комаров, мух) и в некоторых клетках других организмов.
Этот метод основан на нарушении нормальной соматической конъюгации политенных хромосом у гетерозигот по хромосомным аберрациям; в результате образуются различной формы петли.
Социальные кнопки для Joomla
Некоторые мутации приводят к изменению строения отдельных хромосом, допустим, выпадению участка хромосомы либо, наоборот, удвоению его.
1) Делеция – утрата участка хромосомы
Наблюдаются и структурные перестройки: например, часть хромосомы может оторваться и перейти в другую, даже негомологичную первой. К чему приведут подобные перестройки? Все дело в том, какие именно участки хромосом окажутся задетыми мутацией. Если такая мутация обусловит отсутствие фермента, имеющего первостепенное значение в обмене веществ, то организм погибнет.
Перемещение фрагмента хромосомы в участок, ему не свойственный, может изменить активность содержащихся в нем генов; например, «молчащие» гены, очутившись в новом окружении, начнут работать. (Полагают, что опухолевые заболевания возникают именно таким путем: из-за перемещений внутри хромосомы определенные «молчащие» гены попадают в те районы, где гены в данный момент активно работают. Под влияние регулирующих механизмов при этом попадают не только нужные клетке гены, но и ген-пришелец, он тоже начинает работать, а продукты его деятельности клетке сейчас не требуются).
Структурные перестройки хромосом, конечно, приводят к самым разнообразным уродствам.
Наиболее тяжелые и ярко выраженные пороки развития человека отмечаются при так называемых геномных (не путать с генными) мутациях, которые заключаются в добавлении или утрате одной или нескольких хромосом, а также в увеличении количества наборов хромосом.
Хромосомные мутации — это мутации, нарушающие существующие группы сцепления или приводящие к возникновению новых групп сцепления.
Такое определение указывает на способ, которым эти мутации в первую очередь обнаруживаются. Согласно другому определению, хромосомные мутации — это мутации, обусловленные перестройками хромосом. Хромосомные перестройки бывают разных типов. Пожалуй, наиболее распространенная — рекомбинация, или кроссинговер, при котором происходит обмен гомологичными участками хромосом (рис. 112). Другие типы перестроек хромосом — это транслокации, инверсии, делеции идупликации.
Разнообразны варианты изменения морфологии хромосом.
Различают следующие ХП: — Реципрокные транслокации — обмен участками хромосом. — Робертсоновские транслокации — слияние двух акроцентрическиххромосом в одну двуплечую хромосому.
— Парацентрическая инверсия — изменение порядка генов на обратный в пределах участка, не затрагивающего центромеру. — Перицентрическая инверсия — то же самое, но в пределах участка, включающего центромеру. — Инсерция — встройка дополнительного хромосомного материала в какой-либо участок хромосомы. — Делеция — потеря участка хромосомы ХП приводят к изменениям кариотипа.Хромосомные дупликации
| Защита персональных данных |
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском.
Выделяют несколько причин нарушений генетической программы клетки.
К изменениям биохимической структуры генов относят точечные мутации с выпадением какого-либо из нуклеотидов, приводящие к дисфункции программирования генетической информации; выпадение части хромосомы; полимеризацию с образованием дополнительных участков хромосом. Может отсутствовать или появиться одна или несколько новых хромосом.
Активация патологических генов может быть связана со структурными изменениями в генах-регуляторах, с активацией летальных генов при гомозиготности по аутосомно-рецессивным генам или проявлении патогенных генов, связанных с полом. Кроме того, проявление патогенного аутосомно-рецессивного признака может быть связано с другим геном (сцепленные гены и признаки).
Репрессия (подавление) «жизненно важных генов» обусловлена вышеперечисленными причинами.
Внедрение в геном фрагмента чужеродной ДНК с патогенными свойствами , например вируса, может привести к гибели клетки или персистенции вируса внутри нее. Данная персистенция нередко приводит к возникновению злокачественного опухолевого роста. В условиях эксперимента исследователи в клетку вводят как патологические, так и недостающие гены (генная инженерия).
Все перечисленные нарушения генома могут передаваться по наследству, если они возникли в половых клетках, либо вести к соматическим изменениям в организме животного без передачи по наследству (геном изменен в соматических клетках).
Генетический материал может быть изменен столь грубо, что это становится хорошо заметным даже при изучении хромосом с помощью световой микроскопии во время деления. Это так называемые геномные и хромосомные мутации.
Геномные мутации ведут к грубому изменению структуры ядерного наследственного материала в целом. Сопровождаются изменением числа и формы хромосом, соотношением их содержания в различных клетках. Нередко геномные мутации характеризует анэуплоидия, гетероплоидия или полиплоидия, что часто наблюдают в злокачественных опухолевых клетках при нарушении митоза (при редуцированном митозе). Геномная мутация может быть обусловлена тем, что одна из хромосом представлена не двумя, как обычно в соматической клетке, а тремя и более копиями. Пример такой мутации - синдром Дауна. Синдром Дауна у человека вызван транслокацией (присоединением) 21 хромосомы в 14 или 22 с образованием ее дополнительной копии.
Хромосомные мутации возникают при изменении структуры отдельных хромосом, увеличении или уменьшении размеров плеч, транслокации участка одной хромосомы на другую, поворотом участка хромосомы на 180°. Нехватка одного из участков хромосомы называется делецией. Выпадение значительных участков хромосомы обычно ведет к гибели организма. Удвоение части хромосомы - дупликация. Переворот участка хромосомы на 180° обозначают как инверсию и фенотипически она может не проявляться. Обмен участками между негомологичными хромосомами - транслокация - обычно ведет к нарушениям развития организма, несовместимым с жизнью.
Генная, или точечная, мутация - это замена отдельных нуклеотидов или небольших участков генома в пределах одного гена. Генная мутация незаметна при гистологическом исследовании, но изменяет фенотип клетки, что ведет к формированию в клетке и/или в организме в целом новых признаков.
Выделяют конформационные мутации, когда происходит замена одного нуклеотида другим с изменением двойной спирали ДНК.
Иногда мутация не приводит к изменению информации, хранимой геномом. Такое изменение генома называют молчащей мутацией. Если мутация вызывает искажение информации, хранимой геномом, го ее называют мутацией, искажающей биологический смысл наследственной информации. Это приводит к образованию ферментов с измененной активностью, обеспечивает новые признаки, необычные для клетки и целого организма.
Под мутацией, не имеющей смысла, понимают генную мутацию, которая так изменяет структуру гена, что считывание с него информации становится невозможным, либо образуется последовательность иРНК, которая не может транслироваться рибосомой.
Трансзиционная мутация заключается в замене пуринов (аденин на гуанин или наоборот) или пиримидинов. Трансверзионная мутация - это замена пурина на пиримидин или наоборот.
Мутагены - это факторы любой природы, изменяющие структуру генома и вызывающие мутации. Выделяют эндогенные и экзогенные мутагены. Это могут быть воздействия физической природы (ионизирующая радиация, ультрафиолетовое излучение, травмы, повышенная температура). Химическими мутагенами являются некоторые пестициды, промышленные яды (бензол, бензопирен, эпоксиды, некоторые альдегиды), ртутные соединения, цитостатики. Мутагенное действие оказывают некоторые пищевые добавки (цикламаты, ароматические углеводы), пероксидные соединения липидов, свободные кислородные радикалы, содержащиеся в пероксиде водорода и озоне.
В результате мутаций возникают генетические заболевания.
1. Заболевания, полностью вызванные влиянием патологического гена. Эти нарушения проявляются всегда вне зависимости от особенностей, предшествующих жизнедеятельности клеток и организма в целом. Обычно проявления, вызванные такими мутациями, можно наблюдать уже с момента рождения животного или человека. С возрастом степень повреждений может усиливаться или находиться в малодинамичном (стационарном) состоянии. Однако имеется ряд мутаций, которые могут проявляться и в позднем возрасте (некоторые миопатии, хорея Гентингтона).
2. Болезни, при которых генетический фактор проявляется лишь при наличии соответствующих условий окружающей среды и особенностей индивидуального развития. Так, склонность к сахарному диабету может проявиться в зависимости от особенностей питания. Этот вид наследственных заболеваний практически всегда выявляют после рождения, иногда в пожилом и старческом возрасте.
3. Заболевания, при которых наследственность является ведущим причинным фактором. Заболевание проявляется, но его степень, скорость и тяжесть течения различны в связи с уровнем аккумуляции в организме последствий влияния этиологических факторов, возникающих в процессе жизнедеятельности.
Наследственные болезни могут передаваться по аутосомно-доминантному, аутосомно-рецессивному механизму наследования и быть сцепленными с полом.
Аутосомно-доминантный тип наследования проявляется даже в случае монозиготной передачи по наследству и встречается в половине случаев, когда один из родителей гетерозиготен по патологическому гену, а второй родитель здоров. В случае гомозиготности одного из родителей болезнь встречается у всех детей.
Аутосомно-рецессивный механизм наследования мутации сопровождается проявлением признака в клетке лишь в том случае, когда гены в обеих хромосомах мутантные. Иначе заболевание проявится, если мутантные гены находятся в гомозиготном состоянии.
В случае неполного доминирования ген появляется и в монозиготном и дизиготном состояниях, но степень поражения в монозиготном варианте гораздо слабее.
Наследственные заболевания, связанные с полом, обусловлены передачей генных нарушений в половых хромосомах, поэтому проявления болезни прямо связаны с половой принадлежностью особи.
Иногда генные мутации передаются через соматические хромосомы и их появления зависимы от пола. Например, атеросклероз сосудов при одинаковых условиях развивается раньше у особей мужского пола, так как женские половые гормоны блокируют развитие заболевания. Хорея Гентингтона раньше развивается у мужчин, чем у женщин, так как у первых быстрее идут процессы полимеризации генов.
Нарушения в реализации генетической программы связаны со следующими явлениями.
Расстройства митоза сопровождаются неравномерным распределением хромосом (редуцированный митоз или амитоз) и приводят к дисплазии (образованию клеток-монстров). Другой вариант последствий - это образование полиплоидных или многоядерных клеток. Массовое подавление митозов при потере способности клеток к делению ведет к нарушениям регенерации органов и тканей. Причинами являются изменения регуляции оперона, повреждение клеточного центра и/или микротрубочек, изменение цитотомии на фоне нарушения формирования микротрубочек и актоминимиозиновых взаимодействий, нарушения энергетического обеспечения деления и т. д. Нарушения в ходе митотического цикла зависят от стадии. В пресинтетический период интерфазы возникают разрывы в молекуле ДНК в ходе считывания генетической информации (транскрипции), тогда хромосомы и система контроля над процессами считывания генома распределяются неправильно. В синтетический период может нарушиться процесс репликации ДНК из-за блокирования ДНК-полимеразы, недостатка нуклеотидов, недостаточности энергетического обеспечения и т. д. В постсинтетический период, как и в предшествующие, может развиться нарушение содержания или блокада циклинзависимых киназ и циклинов, крупные повреждения генома. В процессе митоза могут произойти нарушения содержания митоз-стимулирующего фактора, слишком ранняя цитотомия или, наоборот, ее блокада (нарушение активности акто-минимиозиновых комплексов), неправильная сборка нитей веретена деления. Это лишь некоторые из многочисленных возможных вариантов нарушений этого процесса.
Нарушения мейоза обусловлены патологией в регуляции оперона, повреждением клеточного центра и/или полимеризации микротрубочек, изменениями в цитогомии на фоне сбоя в формировании микротрубочек и акто-минимиозиновых взаимодействий, патологией энергетического обеспечения деления. Это связано с изменением активности половых гормонов, патологией поддерживающих клеток извитых канальцев семенников, фолликулярного эпителия яичников и приводит к бесплодию или наследственным уродствам.
Тератогенные расстройства , связанные с изменением развертывания нормальной генетической программы в момент коммитирования генома и детерминации клеток. Они сопровождаются врожденными, ненаследуемыми расстройствами развития (уродствами). Клетки начинают формировать не те ткани и органы, которые предполагались программой развития. Тератогенными факторами могут быть гиповигаминозы, гипервитаминозы, травмы, ионизирующее излучение, некоторые лекарственные препараты, гипоксия и т. д.
Нарушения внеядерной наследственности в первую очередь происходят в геноме митохондрий. Патологические нарушения обусловлены мутациями в геноме, повреждениями трансляции на рРНК и др. Изменяется активность цепей окислительного фосфорилирования, и снижаются защитно-компенсаторные возможности организма к гипоксии, физическим перегрузкам и т. д.
Одним из нарушений функций генома является синдром преждевременного старения клеток (тканей и организма). Это группа заболеваний, которые могут быть вызваны несколькими причинами. Среди них выделяют нарушение процессов метилирования ДНК, чрезмерно быстрое разрушение теломеров хромосом, накопление мутаций в геноме.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Хромосомные мутации (по-другому их называют аберрациями, перестройками) - это непредсказуемые изменения в структуре хромосом. Чаще всего они вызываются проблемами, возникающими в процессе деления клетки. Воздействие инициирующих факторов среды - это еще одна возможная причина хромосомных мутаций. Давайте же разберемся, какими могут быть проявления такого рода изменений в структуре хромосом и какие последствия они несут для клетки и всего организма.
Мутации. Общие положения
В биологии мутация определяется как стойкое изменение структуры генетического материала. Что значит «стойкое»? Оно передается по наследству потомкам организма, имеющего мутантную ДНК. Происходит это следующим образом. Одна клетка получает неправильную ДНК. Она делится, а две дочерние копируют ее строение полностью, то есть они тоже содержат измененный генетический материал. Далее таких клеток становится все больше, и, если организм переходит к размножению, его потомки получают сходный мутантный генотип.
Мутации обычно не проходят бесследно. Некоторые из них меняют организм настолько, что результатом этих изменений становится летальный исход. Часть из них заставляет организм функционировать по-новому, снижая его способности к адаптации и приводя к серьезным патологиям. И очень малое количество мутаций приносит организму пользу, повышая тем самым его способность адаптироваться к условиям окружающей среды.
Выделяют мутации генные, хромосомные и геномные. Такая классификация основывается на различиях, происходящих в разных структурах генетического материала. Хромосомные мутации, таким образом, затрагивают строение хромосом, генные - последовательность нуклеотидов в генах, а геномные вносят изменения в геном всего организма, прибавляя или отнимая целый набор хромосом.
Поговорим о хромосомных мутациях более подробно.
Какими могут быть хромосомные перестройки?
В зависимости от того, как локализованы происходящие изменения, различают следующие типы хромосомных мутаций.
- Внутрихромосомные - преобразование генетического материала в пределах одной хромосомы.
- Межхромосомные - перестройки, в результате которых две негомологичные хромосомы обмениваются своими участками. Негомологичные хромосомы содержат разные гены и не встречаются в процессе мейоза.
Каждому из этих типов аберраций соответствуют некоторые виды хромосомных мутаций.
Делеции
Делеция - это отделение или выпадение какого-либо участка хромосомы. Несложно догадаться, что этот тип мутации относится к внутрихромосомным.
Если отделяется крайний участок хромосомы, то делеция называется концевой. Если же происходит выпадение генетического материала ближе к центру хромосомы, такая делеция именуется интерстициальной.
Этот тип мутаций может оказывать влияние на жизнеспособность организма. К примеру, выпадение участка хромосомы, кодирующего определенный ген, обеспечивает человеку невосприимчивость к вирусу иммунодефицита. Эта адаптационная мутация возникла примерно 2000 лет назад и некоторым людям, заболевшим СПИДом, удалось выжить только благодаря тому, что им повезло иметь хромосомы с измененной структурой.
Дупликации
Еще один вид внутрихромосомных мутаций - дупликации. Это копирование участка хромосомы, которое происходит вследствие ошибки при так называемом перекресте, или кроссинговере в процессе деления клетки.
Скопированный таким образом участок может сохранять свое положение, поворачиваться на 180°, или даже повторяться несколько раз, и тогда такая мутация называется амплификацией.
У растений количество генетического материала может увеличиваться именно путем многократных дупликаций. В таком случае обычно меняются способности целого вида к адаптации, а это значит, что такие мутации имеют большое эволюционное значение.
Инверсии
Также относятся к внутрихромосомным мутациям. Инверсия - это поворот определенного участка хромосомы на 180°.
Перевернутая в результате инверсии часть хромосомы может находиться по одну сторону от центромеры (парацентрическая инверсия) или по разные ее стороны (перицентрическая). Центромера - это так называемая область первичной перетяжки хромосомы.
Обычно инверсии не оказывают влияния на внешние признаки организма и не приводят к патологиям. Существует, однако, предположение, что у женщин с инверсией определенного участка девятой хромосомы вероятность выкидыша при беременности возрастает на 30 %.
Транслокации
Транслокация - это перемещение участка одной хромосомы на другую. Эти мутации относятся к типу межхромосомных. Выделяют два вида транслокаций.
- Реципрокные - это обмен двух хромосом определенными участками.
- Робертсоновские - слияние двух хромосом с коротким плечом (акроцентрических). В процессе робертсоновской транслокации короткие участки обеих хромосом утрачиваются.
Реципрокные транслокации приводят у людей к проблемам с деторождением. Иногда такие мутации становятся причиной невынашивания беременности или ведут к появлению на свет детей с врожденными патологиями развития.
Робертсоновские транслокации достаточно часто встречаются у человека. В частности, если транслокация происходит с участием хромосомы 21, у плода развивается синдром Дауна, одна из самых часто регистрируемых врожденных патологий.
Изохромосомы
Изохромосомы - это хромосомы, потерявшие одно плечо, но при этом заменившие его на точную копию другого своего плеча. То есть по сути такой процесс можно считать делецией и инверсией в одном флаконе. В очень редких случаях такие хромосомы имеют две центромеры.
Изохромосомы присутствуют в генотипе женщин, страдающих синдромом Шерешевского - Тернера.
Все описанные выше виды хромосомных мутаций присущи различным живым организмам, в том числе и человеку. Как же они проявляются?
Хромосомные мутации. Примеры
Мутации могут происходить в половых хромосомах и в аутосомах (всех остальных парных хромосомах клетки). Если мутагенез затрагивает половые хромосомы, последствия для организма, как правило, оказываются тяжелыми. Возникают врожденные патологии, которые затрагивают умственное развитие индивида и обычно выражаются в изменениях фенотипа. То есть внешне мутантные организмы отличаются от нормальных.
Геномные и хромосомные мутации чаще возникают у растений. Однако встречаются они и у животных, и у человека. Хромосомные мутации, примеры которых мы рассмотрим ниже, проявляются в возникновении тяжелых наследственных патологий. Это синдром Вольфа-Хиршхорна, синдром «кошачьего крика», болезнь частичной трисомии по короткому плечу хромосомы 9, а также некоторые другие.
Синдром «кошачьего крика»
Это заболевание было открыто в 1963 году. Возникает оно из-за частичной моносомии по короткому плечу хромосомы 5, обусловленной делецией. Один из 45 000 детей рождается с этим синдромом.
Почему это заболевание получило такое название? Дети, страдающие этой болезнью, имеют характерный плач, который напоминает кошачье мяуканье.
При делеции короткого плеча пятой хромосомы могут утрачиваться разные его участки. Клинические проявления заболевания напрямую зависят от того, какие гены были утеряны в ходе этой мутации.
Строение гортани изменяется у всех больных, а значит «кошачий крик» характерен всем без исключения. У большей части страдающих этим синдромом отмечается изменение строения черепа: уменьшение мозгового отдела, лунообразная форма лица. Ушные раковины при синдроме «кошачьего крика» обычно расположены низко. Иногда у больных отмечаются врожденные патологии сердца или других органов. Характерным признаком также становится умственная отсталость.
Обычно больные с этим синдромом умирают в раннем детстве, лишь 10% из них доживает до десятилетнего возраста. Однако зафиксированы и случаи долгожительства при синдроме "кошачьего крика" - до 50 лет.
Синдром Вольфа-Хиршхорна
Этот синдром встречается значительно реже - 1 случай на 100 000 рождений. Обусловлен он делецией одного из сегментов короткого плеча четвертой хромосомы.
Проявления этого заболевания разнообразны: задержка развития физической и психической сферы, микроцефалия, характерная клювовидная форма носа, косоглазие, расщелины неба или верхней губы, маленький рот, пороки внутренних органов.
Как и многие другие хромосомные мутации человека, болезнь Вольфа-Хиршхорна относится к категории полулетальных. Это значит, что жизнеспособность организма при такой болезни существенно снижена. Дети с диагностированным синдромом Вольфа-Хиршхорна обычно не доживают до 1 года, однако зафиксирован один случай, когда больной прожил 26 лет.
Синдром частичной трисомии по короткому плечу хромосомы 9
Возникает это заболевание по причине несбалансированных дупликаций в девятой хромосоме, в результате чего генетического материала в этой хромосоме становится больше. Всего известно более 200 случаев таких мутаций у человека.
Клиническая картина описывается задержкой физического развития, легкой умственной отсталостью, характерным выражением лица. Пороки сердца обнаруживаются у четвертой части всех больных.
При синдроме частичной трисомии короткого плеча хромосомы 9 прогноз все же относительно благоприятный: большая часть больных доживают до пожилого возраста.
Другие синдромы
Иногда даже на очень маленьких участках ДНК происходят хромосомные мутации. Болезни в таких случаях обычно обусловлены дупликациями или делециями, и их называют соответственно микродупликационными или микроделеционными.
Самым распространенным таким синдромом считается болезнь Прадера-Вилли. Возникает она из-за микроделеции участка хромосомы 15. Что интересно, эта хромосома должна быть обязательно получена организмом от отца. В результате микроделеции затронутыми оказываются 12 генов. У больных с этим синдромом отмечаются умственная отсталость, ожирение, а также у них обычно маленькие стопы и кисти рук.
Еще одним примером таких хромосомных болезней может служить синдром Сотоса. Происходит микроделеция на участке длинного плеча хромосомы 5. Клиническая картина этого наследственного заболевания характеризуется быстрым ростом, увеличением в размерах кистей рук и стоп, наличием выпуклого лба, некоторой задержкой психического развития. Частота встречаемости этого синдрома не установлена.
Хромосомные мутации, точнее, микроделеции на участках 13 и 15 хромосом, вызывают соответственно опухоль Вильмса и ретинбластому. Опухоль Вильмса - это рак почек, который возникает преимущественно у детей. Ретинобластома - это злокачественная опухоль сетчатки, которая также встречается у детей. Эти заболевания лечатся, если диагностика их проведена на ранних стадиях. В некоторых случаях врачи прибегают к оеративному вмешательству.
Современная медицина избавляет от многих болезней, но вылечить или хотя бы предотвратить хромосомные мутации пока нельзя. Их можно только выявить в начале внутриутробного развития плода. Однако генная инженерия не стоит на месте. Быть может, в скором времени способ предотвращения болезней, вызываемых хромосомными мутациями, будет найден.
