Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

3. изменяют проявление и взаимодействие генов;

4. являются не только источником наследственной изменчивости комбинативного характера, но и механизмом преобразования генотипа и кариотипа в процессе эволюции;

5. свидетельствуют о том, что многие гены, считавшиеся «классическими» точковыми мутациями, оказываются или дупликациями, или делециями, или инверсиями.

Хромосомные перестройки служат методом цитогенетической локализации генов в хромосомах, методом исследования механизма мейоза и

тонкого картирования генов. Они могут быть использованы в практических целях дляÏолесÃÓизменения групп сцепления генов, определяющих хозяйственноценные признаки.

Генетика с основами биометрии

5.3 ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

ПЛАН

1.Классификация, механизмы возникновения геномных мутаций.

2.Жизнеспособность и плодовитость полиплоидных и анеуплоидных

форм.

1. Классификация, механизмы возникновения геномных мутаций

Мутации, связанные с изменением числа хромосом, называют

ВÏолесÃÓпериод созревания гамет наблюдаются случаи нерасхождения половых хромосом (в I, II или в обоих делениях созревания).

геномными.

Совокупность взаимодействующих генов в гаплоидном наборе

хромосом клеток организма называют геномом.

Геномными мутациями обусловлено появление полиплоидных организмов, когда происходит нарушение кратности полного гаплоидного набора хромосом (триплоидии, тетраплоидии, когда каждая клетка организма содержит не два, а три, четыре гаплоидных набора) или изменение в одной из пар хромосом в сторону утраты гомолога (моно омия) или приобретения

дополнительного (трисомия, тетра омия). В нове численных хромосомных

изменений лежат наруш ния в ра хожд нии хромосом при клеточном делении.

Нерасхождение хромосом мож т возникнуть во время гаметогенеза, или

при первых делениях оп одотвор нной яйц кл тки.

обнаруживаются среди сп нтанно абортированных эмбрионов или плодов и у мертворожденных. Продолжительность жизни новорожденных с такими нарушениями – несколько дней.

Геномные мутации по отдельным хромосомам многочисленны. Моносомии могут быть по Х – хромосоме, что приводит к развитию синдрома

Шерешевского–Тернера (45 хромосом=44 аутосомы+ХО).

Гаметы несут 22 аутосомы+ 1 половую хромосому (X или У), а возникает нарушение парности хромосом. Моносомия Х зависит исключительно от отца.

Для женщин с синдромом Шерешевского–Тернера характерны маленький рост, короткая шея, воронкообразная грудина, бесплодие вследствие недоразвития яичников, слабое развитие половых признаков. 50%

Генетика с основами биометрии

больных умственно отсталы или нормальны. Могут быть пороки развития внутренних органов. Дети с синдромом Шерешевского-Тернера рождаются с частотой 0,7 на 1000 новорожденных девочек. Диагноз ставят при исследовании полового хроматина и на основании результатов цитогенетического анализа.

Аутосомные моносомии среди живорожденных очень редки. Это мозаичные организмы с нормальными клетками. Моносомия касается аутосом 21 и 22. Полные трисомии описаны по большому числу хромосом: 8, 9, 13, 14, 18, 21, 22 и Х. Число Х-хромосом у человека может доходить до 5 с

мейотического деления в гаметогенезе или при первых дроблениях оплодотворенной яйцеклетки.

сохранением жизнеспособности. Изменение числа хромосом вызвано нарушениемÏолесÃÓраспределения их по дочерним клеткам во время 1-го или 2-го При синдроме Клайнфельтера, писанном им в 1942 г., у мужчин в

Нарушения возникают:

• при расхождении во время анафазы редуплицированной хромосомы, в

результате чего удвоенная хромосома попадает только в одну дочернюю клетку;

• при нарушении конъюгации гомологичных хромосом, что может

нарушить правильность расхождения гомологов по дочерним клеткам;

• при отставании хромосом в анафазе, при их расхождении в дочерние

клетки, что может привести к утрате хромо омы.

При нарушении в двух и бол посл довательных делениях возникают

тетрасомии и другие по ис мии.

Полисемии по по овым хромосомам в сьма разнообразны.

Женщины с кари тип м XXX встречаются с частотой 1–1,4 на 1000

родившихся дев чек. Д я б ьных с кариотипом XXX характерно наличие недоразвитых яичник в, матки, бесп одие. Умственное развитие нормальное или в пределах нижней границы нормы. Около 30% женщин сохраняют способность иметь детей.

С увеличением числа Х-хромосом в кариотипе до 4,5 и более клинические проявления синдрома увеличиваются. Больные не могут иметь детей, умственно более отсталы. При исследовании полового хроматина в ядрах клеток эпителия слизистой оболочки щеки обнаруживают 2 и более телец Барра. Впервые синдром трисомии по Х-хромосоме описали П.Джекобе

и другие в1959 г.

ядрах клеток эпителия слизистой оболочки полости рта обнаружено тельце Барра. В кариотипе 47 хромосом (44+ХХY). Частота больных с синдромом Клайнфельтера колеблется в пределах 2–2,5 на 1000 новорожденных мальчиков.

Для мужчин с синдромом Клайнфельтера характерен высокий рост, длинные конечности, евнухоидизм, нарушенный сперматогенез и бесплодие,

Генетика с основами биометрии

гинекомастия, повышенное выделение женских гормонов, склонность к ожирению. Лишняя хромосома Х обусловливает разнообразные нарушения психики, снижение интеллекта. Иногда наблюдается антисоциальное поведение и алкоголизм. Степень тяжести симптомов пропорциональна числу добавочных Х–хромосом.

Таблица 1 – Связь между числом Х-хромосом (I), числом телец Барра в клетках слизистой оболочки ротовой полости (II) и числом "барабанных палочек" в ядрах лимфоцитов (III).

Разновидностью синдрома Клайнфельтера является полисомия по хромосоме Y – синдром ХYY (47 хромосом). У мужчин с хромосомным набором ХYY рост выше среднего, умственное развитие ниже нормы. Они отличаются агрессивным поведением, наблюдается бесплодие. Среди новорожденных мальчики с данным синдромом рождаются с частотой 1:1000.

Индивиды с полисомией по Х- и Y-хромосомам (48–ХХYY, 49–

Генетика с основами биометрии

ХХХYY) очень редки – 1:25000 новорожденных мальчиков. Они отличаются снижением интеллекта, агрессивностью поведения.

Полные трисомии описаны по большому числу аутосом: 8, 9, 13, 14, 18,

21, 22.

Трисомия по хромосоме приводит к живорождению, но часто наблюдается мозаицизм. Рождение детей с этим геномным нарушением происходит с частотой 1:50000 новорожденных. При синдроме отмечается неглубокая умственная отсталость и физическое недоразвитие. Типичны скелетные аномалии, удлиненное туловище, нарушения речи.

Трисомия по 9-й паре хромосом заканчивается внутриутробной гибелью носителя лишней хромосомы. Продолжительность жизни немногих рожденных детей с такой трисомией-9 составляла 3,5 месяца. Для них характерны внутриутробное недоразвитие, черепно-лицевые пороки,

физическиеÏолесÃÓпороки. Для них характерны небольшая голова со скошенным затылком, косые глазные щели, эпикант, короткий нос с широкой

аномалии скелета, пороки сердца, почек и других органов.

Трисомия по 13-й паре хромосом (синдром Патау) была описана в1960

г., встречается с частотой 1:5000–7000 рождений.

Для синдрома характерны пороки головного мозга, лица, внутренних органов (сердца, почек, половых органов), полидактилия. Глухота наблюдается в 80–85% случаев. Имеет ме то ранняя смертность (в течение

живорожденных этой патологии не выявл но.

Трисомии по 18-й паре (сидром Эдвардса) встречаются с частотой

1:7000

среди живых м аденцев. Д я детей характерно пренатальное

недоразвитие, п р ки к стн й системы, пороки сердца, 90% детей умирают на первом году жизни.

Наиб лее часто встречается трисомия по 21-й паре хромосом (синдром Дауна). Клиническ е писание этого синдрома было сделано в 1866 г.

Английским врачом Дауном. Мальчики и девочки заболевают одинаково часто. Частота рождения детей с синдромом Дауна. 1:700–800 новорожденных. В большинстве случаев при трисомии в кариотипе 47

переносицей, маленькие деформированные уши, полуоткрытый рот с высунутым языком и выступающей нижней челюстью, походка с неловкими движениями, косноязычие.

Они имеют пороки сердца, желудочно-кишечного тракта, почек. У больных часто возникают инфекционные и злокачественные заболевания, что обусловлено дефектами иммунной системы. Благодаря улучшению условий

Генетика с основами биометрии

жизни и медицинской помощи, больные с синдромом Дауна доживают до 30 лет и более.

Трисомия по 22-й паре, как правило, вызывает летальный эффект и гибель плода во внутриутробном периоде.

Генетика с основами биометрии

Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными.

Г. Винклер (1916 г.) – впервые описал полиплоиды томатов и паслена. К настоящему времени установлено, что 1/3 всех покрытосеменных растений

являются полиплоидами.

Группа родственных видов, у которых наборы хромосом составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется

полиплоидным рядом.

АвтополиплоидияÏолесÃÓ.

Таким образом, основное чи ло хромо ом или наименьшее гаплоидное

Полиплоиды, возникающие на основе умножения идентичных наборов хромосом, т.е. наборов хромосом того же вида, называют автополиплоидами.

Особенн сти мей за автопо иплоидов.

В н рме, у дип ид в, в профазе мейоза образуются биваленты, у тетраплоида в пр фазе кр ме бивалентов образуются триваленты, униваленты и квадриваленты. У дипл ида Aa (2n) образуются гаметы A и а в соотношении 1:1. У тетрапл ида AAaa (4n) расхождение гомологичных хромосом возможно в соотношениях 2:2; 3:1; 1:3, 4:0; 0:4.

Автотетраплоид, гетерозиготный по аллелям AA/aa образует три типа гамет в отношении 1AA:4Aa:1aa.

Расщепление вместо 3:1 в F2, будет 35:1, т. . при моногибридном скрещивании вероятность появления гомозиготных рецессивных форм во много раз ниже, чем у диплоидов. Поэтому селекционеру отбор по признакам рациональнее вести на низком уровне плоидности. Кроме правильного расхождения хромосом в мейозе у автотетраплоида возможно также расхождение хромосом в соотношении 3:1 и 4:0. При этом возникнут гаметы AAa и a, Aaa и A, а также AAaa и 0. Часть таких гамет нежизнеспособна. Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья,

пыльники, семена). Увеличены размеры клеток.

Однако может резко уменьшиться плодовитость (до 5% от нормы) из-за

Генетика с основами биометрии

нарушения расхождения поливалентов в мейозе.

В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с кратными числами хромосом (например, сахарная свекла), но полностью стерильные. Недостаток этих гибридов заключается в том, что в результате скрещивания тетра- и диплоидов в потомстве получается только около 55% триплоидов.

Аллополиплоидия (амфиполиплоидия).

Полиплоиды, возникающие на основе умножения разных геномов, называются аллополиплоидами геномов, протекание мейоза у

каждом. В мейозе образуются униваленты, поскольку в наборах хромосом одного вида нет гомологов с хромосомами другого вида, т.е. в мейозе будет 14 унивалентов. В анафазе они будут беспорядочно расходиться к полюсам. Гаметы могут иметь от 0 до 14 хромосом (7T + 7S). Гаметы, имеющие 14

аллополиплоидов имеет ряд особенностей. Например, совмещаются геномы S (рожь) иÏолесÃÓT (пшеница). У гибрида будет два генома – T и S – по 7 хромосом в

хромосом, называются нередуцированными. При объединении

нередуцированных гамет образует я зигота удвоенным набором хромосом каждого вида – аллотетраплоид. Он оказывает я фертильным.

Первыми получили фертильные аллополиплоиды Г.Д. Карпеченко в 1928 г. на растениях, а на животных – Б.Л. А тауров, который скрещивал

Bombix mori с другим видом ш лкопряда B. mandarina.

Аллополиплоидия широко распростран на в природе. Известны многие полиплоидные виды пшеницы. Triticum aestivum (мягкая пшеница) является основным хлебным растени м мира (90% мирового производства). Она имеет в составе 2n=42 хр м с мы. Другие пшеницы, например, T. durum (твердая пшеница) имеет 2n=28 хр м сом. Пшеница однозернянка T. monococcum

имеет 14 хр м с м.

В 1913 г ду A. Schultz разделил виды, входящие в род Triticum на три группы: одн зернянки, п лбы и спельты. T. Sakamura (1918) и N. Sax (1922) обнаружили, что однозернянки имеют в соматических клетках 14 хромосом, пшеницы группы полбы – 28, а спельты – 42 хромосомы. При исследовании как диких, так и культурных видов пшениц было найдено, что основное число

хромосом в роде Triticum, x=7. В результате скрещивания T.monococcum

(группа однозернянок) T. turgidum (группа полбы) в мейозе у гибрида было найдено семь бивалентов и семь унивалентов. Таким образом, оказалось, что

один геном T. turgidum имет гомологию с геномом T.monococcum

(гомологичные хромосомы разных видов называют гомеологичными). Эти геномы назвали символом А. Второй геном T.turgidum назван геномом B. Пшеницы-однозернянки имеют два генома А, (т.е. АА), а пшеницы-полбы по два генома А и В (т.е. ААВВ).

При анализе мейоза у гибридов T. spelta х T. monococcum (геном АА) обнаружили образование семи бивалентов, что означает наличие геномов АА

Генетика с основами биометрии

в составе генома спельта.

Последующий анализ показал, что T. monococcum получила геном А от

T. thaoudar – предковой формы одноз рнянок.

В скрещиваниях пш ниц группы полбы (ААВВ) с видами группы спельты в мейозе найдено образование 14 бивалентов и 7 унивалентов. Таким образом было устан в ено, что T. spelta имеет два общих генома с пшеницами группы полб (А и В) и еще дин, от ичный от них геном D. Значит, спельты имеют ген мную ф рмулу AABBDD. Очень похожим на пшеницы оказался род Aegilops. Путем анализа многочисленных скрещиваний выяснили, что

источником ген ма D в T aestivum является Aegilops squarrosa.

Геном В у видов пшеницы группы полбы был также получен от

эгилопса, от Ae. speltoides.

Полиплоидия используется селекционерами с целью получения

межвидовых гибридов и их закрепления.

2.3 Искус твенное получение полиплоидов

РисунокÏолесÃÓ1 – Эволюция г нома Triticum aestivum по редством полиплоидизации

Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию:

изменение температуры, влияние радиации, действие наркотиков, механические воздействия – пасынкование, декапитация. Особенно популярным является колхицин – алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего – Colchicum autumnale. Колхицином обрабатывают точки роста растений, или инъецируют его животным в водном растворе.

Колхицин парализует механизм расхождения хромосом к полюсам, но

Генетика с основами биометрии

не препятствует их репродукции.

Анеуплоидия. К. Бриджес (1916 г.) открыл явление нерасхождения хромосом, в результате чего обе Х-хромосомы отходят либо в яйцеклетку (образуется гамета ХХ) или в направительное тело (гамета 0). При оплодотворении яйцеклеток XX и 0 спермиями, несущими X или Y хромосому, образуются самки XXX, XXY и самцы X0. Все они имеют нормальный диплоидный набор аутосом. В мейозе у этих особей наиболее вероятно образование анеуплоидов из-за нарушения расхождения хромосом.

Организм с набором 2n - 1 называют моносомиком,

2n + 3 – пентасомиком,

2n - 2 – нуллисомиком.

Американский ученый Е. Сирс (E. R. Sears) в 1954 году после 15 лет работы создал на базе сорта пшеницы ―Чайниз Спринг‖ коллекцию нуллисомиков, моно-, три- и тетрасомиков.

Рисунок 2 – Возникновение сегментной анеуплоидии в результате комбинации элементов хромосомы (объяснение в тексте). X, Y – половые хромосомы, цифрами в

кружочках обозначены транслоцированные X и Y хромосомы, черной точкойцентромера.

У других организмов, у которых в составе генома нет дублирующих геномов, как у пшеницы, потеря целой хромосомы, т.е. образование нуллисомиков, почти всегда летальна. Летальны также потери больших кусков хромосом. У дурмана дополнение одной хромосомы ведет к изменению формы семенной коробки.

У животных анеуплоиды жизнеспособны, как правило, только в том случае, если анеуплоидия затрагивает половые хромосомы. Например, у мышей и человека жизнеспособны женские особи Х0 – моносомики, или особи