Genetics_sivolob_et_al

Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу

ють адаптивної переваги. Адаптивні та нейтральні варіанти закріплюються в популяціях – саме вони забезпечують такі явища, як множинний алелізм і генетичний поліморфізм (див. розділи 3 і 8).

Слід зауважити, що точкові мутації приводять до зміни спадкової програми не обов'язково тільки тоді, коли вони відбуваються в кодуючих ділянках геному. Нуклеотидні заміни в некодуючих ділянках можуть впливати на експресію генів: заміни нуклеотидів у 5'- або 3'-кінцевих ділянках мРНК, що не транслюються, можуть впливати на час життя мРНК; заміни в інтронах – на ефективність сплайсингу; у регуляторних ділянках гена – на рівень експресії. Таким чином, не завжди поліморфізм ДНК у некодуючих ділянках є нейтральним.

Говорячи про наслідки мутаційної мінливості, слід відмежувати ті, що стосуються окремого організму (індивідуальні наслідки), від наслідків для популяцій і видів у цілому (еволюційні наслідки). Мутації в соматичних клітинах часто приводять до негативних ефектів для окремих організмів: наприклад, усі типи мутацій, від точкових до геномних, можуть бути причиною виникнення злоякісних новоутворень. Але такі мутації не спадкуються в наступних поколіннях нащадків. Генеративні мутації зумовлюють розвиток особин, усі клітини яких будуть нести дану зміну. Типовим проявом таких мутацій є різноманітні спадкові хвороби (див. розділ 7).

Зрозуміло, що для популяцій і груп організмів, а отже, і для видоутворення, найбільш значимими є генеративні мутації. У ході розвитку різних класів хребетних (від круглоротих до ссавців) спостерігається значна кількість хромосомних і геномних перебудов, які в основному представлені транслокаціями, інверсіями та змінами кількості хромосом. Так, людина відрізняється від людиноподібних мавп робертсонівською транслокацією (друга хромосома людини є транслокаційною формою двох акроцентричних хромосом мавп, див. розділ 7).

Важливу роль в еволюції рослинного й тваринного світу відіграють геномні мутації (поліплоїдії та анеуплодії). Проте, як правило, відсутність у каріотипі однієї з хромосом гомологічної пари приводить до зниження життєздатності особин, а в деяких випадках має летальні наслідки. Такий ефект можна пояснити або недостатністю певних білкових продуктів (експресуються гени лише однієї хромосоми), або наявністю в хромосомі, яка присутня в анеуплоїдному ядрі, летальних алельних варіантів певних генів. Слід зазначити, що фенотиповий ефект моносомії залежить від того, яка хромосома втрачена. У людини, наприклад, моносомії за статевою Х-хромосомою (синдром Шерешевського – Тернера, див. розділ 7) мають менш несприятливий для організму ефект порівняно з моносоміями за аутосомами, які є летальними. У дрозофіли

141

Генетика

нежиттєздатними є особини з нестачею четвертої хромосоми, тоді як нестача другої, третьої або Х-хромосоми не має летальних наслідків. У рослин (пшениці, кукурудзи, тютюну) моносомні форми можуть не відрізнятися від нормальних диплоїдних особин або мати незначні відмінності в розмірах окремих частин рослини.

Що стосується наявності в каріотипі додаткової хромосоми, то зниження життєздатності або летальність трисомій загалом характерна для представників тваринного світу. Рослини-трисоміки часто є життєздатними й мають незначні відхилення від нормальних організмів: у дурману Datura stramonium, наприклад, описані життєздатні трисоміки по кожній із 12 пар хромосом.

Поліплоїдія найбільше розповсюджена в рослинному світі. Збільшення наборів хромосом у рослин приводить до збільшення їхньої вегетативної маси та розвитку стійкості до несприятливих умов. Розповсюдженість поліплоїдних форм у рослин пов'язана з тим, що для них характерне вегетативне розмноження та самозапилення. Поліплоїдні форми у тварин найчастіше не є життєздатними, оскільки поліплоїдія несумісна зі статевим процесом. Часто поліплоїдія у тварин зумовлює їхню стерильність, особливо це стосується алополіплоїдних форм. Відповідно, поліплоїдні форми є характерними для тварин із партеногенетичним розмноженням.

МОДИФІКАЦІЙНА МІНЛИВІСТЬ

Будь-який організм є відкритою системою: реалізація спадкової програми відбувається не тільки під контролем генотипу, але й під впливом оточуючого середовища. Умови середовища можуть зумовлювати як ступінь прояву спадкової ознаки (експресивність), так і ймовірність прояву ознаки взагалі (пенетрантність). Таким чином, особини з однаковими генотипами, залежно від впливу навколишнього середовища, можуть мати відмінні фенотипи. Така мінливість називається фенотиповою, або модифікаційною. Класичним прикладом фенотипових змін у межах одного організму є різні форми листової пластинки у стрілолиста – залежно від розташування листя в підводній або надводній частині рослини (рис. 4.10). Модифікаційним змінам в основному піддаються кількісні та якісні полігенні ознаки. Наприклад, зріст, вага, схильність до розповсюджених хвороб, тривалість життя значно залежать від умов середовища.

142

Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу

а б

Рис. 4.10. Модифікація листової пластинки у стрілолиста: підводні (а) і надводний (б) листки

Модифікаційна мінливість зумовлена не змінами послідовностей ДНК, а змінами в експресії генів (від ефективності транскрипції до особливостей перебігу біохімічних реакцій) під впливом факторів навколишнього середовища. Очевидно, що такі зміни не спадкуються, проте межі модифікаційної мінливості (норма реакції) для кожної окремої ознаки повністю визначаються генотипом. Розмах норми реакції є адаптивною ознакою та визначає межі змін умов навколишнього середовища, в яких може існувати особина, тобто окремий генотип.

Результатом модифікаційної мінливості може бути поява організмів, які фенотипово копіюють прояв певного генотипу. Такі фенотипові форми називають фенокопіями. По суті, фенокопії є проявом крайніх варіантів норми реакції. Наприклад, недостатність вітаміну D спричинює розвиток рахіту, який за симптоматикою нічим не відрізняється від спадкового захворювання, зумовленого мутаціями, які приводять до нечутливості до вітаміну D.

До окремого типу модифікаційної мінливості відносять так звані довготривалі модифікації, які можуть спадкуватися протягом декількох поколінь. Відомим прикладом є зміна забарвлення в колорадського жука, яка виявляється після витримування лялечок за високих температур. Змінене забарвлення зберігається для кількох поколінь, а потім повертається до вихідного стану. При цьому спадкування відбувається виключно по материнській лінії: змін у геномі не відбу-

143

Генетика

вається, а тривалість модифікації пояснюється накопиченням у цитоплазмі клітин зародкового шляху стабільних мРНК генів теплового шоку, які з цитоплазмою яйцеклітини передаються нащадкам. Зрозуміло, що через декілька поколінь відбудеться "розведення" цих мРНК: їхня кількість стане врешті-решт недостатньою для прояву зміненого забарвлення.

Контрольні запитання і завдання

1.Дайте визначення терміну "мінливість". Які існують типи мінливості?

2.Чим зумовлена спадкова мінливість?

3.Що таке мутації? Чим соматичні мутації відрізняються від генеративних.

4.Опишіть типи точкових мутацій.

5.Опишіть типи хромосомних і геномних мутацій.

6.Що є джерелом мутаційних змін?

7.Які пошкодження ДНК виникають у процесі життєдіяльності клітин і внаслідок помилок реплікації та репарації?

8.Опишіть механізми виникнення хромосомних і геномних мутацій.

9.Дайте визначення поняття "мутагенний фактор". Що таке пряма та опосередкована дія мутагену?

10.Які типи хімічних мутагенів ви знаєте. Опишіть механізми їхньої дії. Що таке промутагени?

11.Поясніть механізми мутагенної дії фізичних факторів.

12.Які мутагенні чинники можна віднести до факторів біологічної природи? Які механізми їхньої дії?

13.Які наслідки мутаційної мінливості є негативними? Позитивними?

14.Що таке модифікаційна мінливість? Які основні причини її прояву? Чим модифікаційна мінливість відрізняється від мутаційної?

15.Що таке фенокопії?

16.Що таке довготривалі модифікації? Поясніть механізми їхнього утворення.

144

Генетика

У бактеріальному геномі присутні також мобільні елементи класу ДНК-транспозонів, цілком аналогічні транспозонам у геномах еукаріотів (див. розділ 6). Бактеріальні транспозони поділяють на два типи, які дещо різняться між собою за будовою послідовностей і довжиною: IS-елементи (insertion sequences), розмір яких варіює від 700 до 1400 пар основ, і власне транспозони (Tn) більшого розміру. Транспозони обох типів часто містять гени транспозази. Транспозаза здійснює каталіз хімічних реакцій, які забезпечують переміщення транспозона в інше місце геному (див. розділ 6). Крім генів транспозази у складі Tn-транспозонів можуть бути присутніми інші гени.

Реплікація бактеріальної хромосоми розпочинається з ділянки ориджину (як правило, єдиного, розділ 1) і продовжується в обидва боки двома реплікативними вилками (рис. 5.1). Вважається, що ориджин при цьому взаємодіє з клітинною мембраною; між новим (щойно синтезованим) і старим ориджинами під час реплікації нарощується клітинна оболонка, по завершенні реплікації відбувається поділ дочірніх клітин – до кожної переходить повний материнський набір генів.

Ориджин

Реплікативна вилка

Рис. 5.1. Синхронізація реплікації та клітинного поділу бактеріальної клітини

Характерною відзнакою бактерій є наявність у клітині, поряд із бактеріальною хромосомою, невеликих автономних елементів геному – плазмід. Плазміда є циркулярною молекулою ДНК (типовий розмір близько 3 тис. пар основ), яка містить кілька генів і реплікується незалежно від бактеріальної хромосоми (має власний ориджин). Плазміди широко використовуються як зручний інструмент молекулярнобіологічних досліджень (див. розділ 9).

146

Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів

ОБМІН ГЕНЕТИЧНИМ МАТЕРІАЛОМ МІЖ БАКТЕРІЯМИ

Хоча бактерії розмножуються шляхом клітинного поділу, у них спостерігається також своєрідний "статевий процес" перенесення генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої. Таке перенесення відбувається під час кон'югації – безпосереднього контакту між клітинами. Залежить кон'югація від присутності в одній із клітин особливої плазміди – F-фактора (фактора фертильності) – яка, як і багато інших плазмід, може існувати автономно, а може вбудовуватись у бактеріальну хромосому шляхом сайт-специфічної рекомбінації. В E. coli існує два "статеві" типи клітин, що позначаються як F+ і F–, – кон'югація супроводжується перенесенням ДНК від клітини F+ до F–.

F-фактор містить кілька генів, у тому числі такі, що відповідають за утворення так званих пілів – трубчастих виростів на поверхні клітини. Пілі з'єднуються з рецепторами клітин F–, і між клітинами двох типів утворюється цитоплазматичний місток (рис. 5.2). Специфічна нуклеаза робить одноланцюговий розріз у ДНК F-фактора, інтактний ланцюг слугує матрицею для добудови 3'-кінця, що залишився в місці розрізу, – відбувається реплікація циркулярної ДНК F-фактора за так званим типом кільця, що котиться (такий механізм реплікації використовується також для копіювання ДНК багатьох бактеріофагів). Процес добудови 3'-кінця виштовхує 5'-кінцеву одноланцюгову ділянку, яка проникає у клітину F–, де використовується як матриця для синтезу другого ланцюга ДНК. У результаті клітина F– перетворюється на F+ (рис. 5.3).

Частота кон'югації та подвоєння і перенесення F-фактора є невисокою (~10–5), якщо F-фактор існує автономно від бактеріальної хромосоми (як на рис. 5.2). Коли F-фактор вбудовується в бактеріальну хромосому, частота зростає до 10–2–10–1 – такі штами клітин F+ позна-

чаються як Hfr (high frequency recombination). При кон'югації клітин

F– і Hfr вбудований F-фактор ініціює реплікацію за типом кільця, що котиться, цілої бактеріальної хромосоми (рис. 5.3): у клітині Hfr хромосома відновлюється, у клітину F– переноситься її копія. Насправді ж ціла хромосома потрапляє до клітини F– дуже рідко – як правило, відбувається порушення кон'югаційної трубки й розрив хромосоми, котра переноситься, (як видно з рис. 5.3, це не порушує вихідну хромосому у клітині Hfr – там завжди є інтактний ланцюг ДНК, який може

147

Генетика

бути використаний у ролі матриці для відновлення цілісності дволанцюгової молекули). Оскільки на початку процесу в клітину F– потрапляє лише частина F-фактора, а щоб він опинився там повністю, вихідна хромосома має зробити повний "оберт" (рис. 5.3), як правило, клітина F– не перетворюється на F+ при кон'югації з клітиною Hfr.

Хромосома

3' 5'

F-фактор

Рис. 5.2. Перенесення F-фактора з клітини F+ у F–

Рис. 5.3. Перенесення ДНК від клітини Hfr до F–, ДНК інтегрованого F-фактора позначено червоним

148

Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів

Коли в клітині F– опиняється частина гомологічної ДНК іншої бактерії, починається гомологічна рекомбінація, описана в розділі 1, – обмін ділянками між донорною ДНК і ДНК клітини-реципієнта. Результуюча клітина-реципієнт залишається гаплоїдною – "зайва" ДНК, що не потрапила до хазяйської хромосоми, піддається деградації нуклеазами, оскільки вона не є циркулярною. Таким чином, між двома бактеріальними штамами відбувається своєрідне часткове схрещування, яке можна досліджувати за допомогою звичайних методів генетичного аналізу. Розглянемо, наприклад, схрещування Hfr-штаму дикого типу за генами thr+ та leu+ (визначають здатність синтезувати відповідні амінокислоти), який містить також ген чутливості до стрептоміцину StrS, із штамом F–, що має ген стійкості до стрептоміцину StrR і мутантні гени thr– та leu– (ауксотрофний штам, який потребує присутності відповідних амінокислот у поживному середовищі):

Hfr, thr+ leu+ StrS × F–, thr– leu– StrR.

З певною частотою в такому схрещуванні утворюються рекомбінантні бактерії дикого типу F–, thr+ leu+ StrR, які можна відібрати, вирощуючи культуру на середовищі зі стрептоміцином.

Оскільки перенесення генів із клітини Hfr у F– відбувається послідовно, починаючи із сайта інтеграції F-фактора (рис. 5.3), можна картувати розміщення генів у бактеріальній хромосомі (у порядку потрапляння їх до клітини F–). Для цього кон'югацію (після змішування клітин двох типів у рідкому середовищі) зупиняють шляхом струшування пробірки через певні проміжки часу. Це дозволило свого часу отримати детальні генетичні карти бактеріальної хромосоми (відстані на таких картах вимірюють у хвилинах) і довести її циркулярність.

F-фактор, інтегрований до хромосоми, може також вирізатися з неї з утворенням автономної плазміди. Таке вирізання іноді буває неточним: ділянка F-фактора залишається в хромосомі, замінюючись на ділянку хромосоми в складі плазміди. Утворюється так званий F'-фактор, який здатен переносити в інші клітини бактеріальні гени незалежно від бактеріальної хромосоми (явище сексдукції). Після такого перенесення можна отримати частково диплоїдні клітини – за генами, що перебувають у складі F'-фактора. Між останнім і хромосомою клітини-реципієнта можлива гомологічна рекомбінація, що приводить або до утворення Hfr-клітин і дуплікації генів (одиночний кросинговер – вбудовування F'-фактора у хромосому), або до обміну ділянками між хромосомою та F'-фактором (подвійний кросинговер).

149

Генетика

БАКТЕРІОФАГИ

Бактеріофаги (бактеріальні віруси) поділяють на два типи: вірулентні, які проникають у клітину, розмножуються та зумовлюють руйнування клітини (літичний шлях), і помірні – такі, що можуть використовувати або літичний шлях, або шлях лізогенії, коли ДНК фага за допомогою сайт-специфічної рекомбінації (див. наступний підрозділ) вбудовується в бактеріальний геном (фаг перетворюється на профаг). В останньому випадку за несприятливих для бактерії умов може відбуватися індукція бактеріофага – перехід до літичного шляху.

Процес перенесення генетичного матеріалу між бактеріальними клітинами за рахунок активності бактеріофагів називають трансдукцією. Здійснюють її зазвичай помірні бактеріофаги: після практично необмеженого існування фагової ДНК у бактеріальному геномі, індукція іноді зумовлює вирізання фагової ДНК разом із бактеріальними ділянками. Далі відбувається реплікація цієї ДНК, синтез білків оболонки бактеріофага (закодованих у генах фагової ДНК) і збирання фагових частинок. Фагові частинки потім інфікують інші клітини, і якщо реалізується шлях лізогенії, вбудовуються в ДНК клітини-хазяїна разом із захопленими раніше бактеріальними генами. До помірних фагів належать, зокрема, фаги Р1, Р22, λ (див. нижче огляд життєвого циклу фага λ). ДНК помірних фагів може розглядатися як частина бактеріального геному, яка іноді виходить з під контролю: гени бактеріофага жодним чином не відрізняються від бактеріальних, тобто перебувають під контролем промоторів, що впізнаються бактеріальною РНК-полімеразою клітини-хазяїна.

Бактеріофаги групи Т відносять до таких, що реалізують тільки літичний шлях. Як і для помірних фагів, їхній геном представлений однією лінійною дволанцюговою ДНК. ДНК Т-парних фагів (Т2, Т4, Т6) містить приблизно 200 тис. пар основ, фагові гени кодують білки системи реплікації (у тому числі й власну ДНК-полімеразу), білки фагової оболонки та певні регуляторні білки, що сприяють перемиканню роботи клітинних систем на користь бактеріофага. Після проникнення ДНК у клітину починається транскрипція групи фагових генів бактеріальною РНК-полімеразою, згодом – реплікація фагової ДНК, синтез фагових білків, збирання частинок бактеріофага й лізис клітини.

150