Мутационная изменчивость.

Мутации — качественные или количественные изменения ДНК клеток организма, приводящие к изменениям их генотипа. Мутационная теория была создана голландцем Гуго де Фризом, который и ввел этот термин. Начав в 1901 г. изучение наследования признаков у растений ослинника, он обнаружил, что, несмотря на то, что обычно удавалось предсказать появление растения с тем или иным фенотипом, иногда появлялись формы, имеющие признаки, не наблюдавшиеся в предыдущих поколениях. Ученый предположил, что такие аномалии связаны с возникновением каких-то фенотипически проявляющихся изменений в генотипе, которые, кроме того, могут передаваться потомству.

Характеристика мутаций

• Мутации — внезапные скачкообразные изменения наследственных факторов.

• Мутации представляют собой стойкие изменения наследственного материала.

• Мутации — качественные изменения, они, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины.

• Мутации представляют собой ненаправленные изменения генотипа — они могут быть полезными (очень редко), вредными (большинство мутаций) и безразличными для данных условий существования организма.

• Мутации могут повторяться.

Возникающие мутации могут передаваться по наследству в ряду поколений. При половом способе размножения это касается только лишь изменений генетического материала половых клеток и их предшественников (генеративные мутации), в то время как мутации соматических клеток (соматические мутации) остаются “достоянием” особи-носителя. Однако у организмов, размножающихся вегетативным путем, соматические мутации могут передаваться потомкам. Этот факт имеет огромное значение для селекции растений. Существует несколько принципов классификации мутаций.

Типы мутаций

- по изменению генотипа: а) генные, б) хромосомные, в) геномные.  - по изменению фенотипа: а) морфологические, б) биохимические, в) физиологические, г) летальные - по отношению к генеративному пути: а) соматические, в)генеративные.  - по поведению мутации в гетерозиготе: а)доминантные, б) рецессивные.  - по локализации в клетке: а)ядерные, б) цитоплазматические. - по причинам возникновения: а) спонтанные, б) индуцированные.

Геномные: — полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге-Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов — пурины и пиримидины, все точковые мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и трансверсии (замена пурина на пиримидин или наоборот). Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов — например амбер-мутация), 4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

Генеративные и соматические мутации.

Мутации могут возникать в любых клетках организма. Те из них, которые возникают в клетках половых зачатков и зрелых половых клетках, получили название генеративных. Мутации, возникающие во всех клетках тела, за исключением половых, называют соматическими. Хотя механизмы возникновения обоих типов мутаций могут быть подобны, их вклад наследование признаков и, следовательно, эволюционное значение совершенно различны. Соматические мутации проявляются мозаично, т.е. часть клеток данной ткани или органа отличается от остальных по каким-либо свойствам. Чем раньше в ходе индивидуального развития возникает соматическая мутация, тем больше оказывается участок тела, несущий мутантный признак. У растений, использующих бесполое или вегетативное размножение, соматические мутации могут иметь важное значение, особенно для селекции поскольку вновь возникшая соматическая мутация может быть очень широко размножена и в этом отношении она становится подобной генеративной мутации. В ряде случаев новые сорта плодовых и ягодных растений были получены на основе соматических мутации.

ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕНА

изменение проявления активности гена при перемещении его в др. участок хромосомы. Явление открыто А. Стёртевантом в 1925. Различают два типа Э. п. г.— стабильный и нестабильный. Стабильный Э. п. г. наблюдается при перемещении гена между эухроматиновыми участками хромосом. Возможный механизм этого явления — вовлечение перемещённого гена в систему регуляции др. генов. Нестабильный Э. п. г. обычно наблюдается при перемещении гена из эухроматина в гетерохроматин или наоборот, при перемещении гена из гетерохроматина в эухроматин (механизм последнего варианта изучен недостаточно). В случае перемещения гена из эухроматина в гетерохроматин в нек-рых клетках происходит инактивация транскрипции гена по принципу «всё или ничего», причём инактивированное состояние гена наследуется в клеточных поколениях. Вследствие такой инактивации появляется мозаицизм признака в соматич. тканях (отсюда назв.— нестабильный Э. п. г.). Характерным свойством нестабильного Э. п. г. является дистанционное влияние гетерохроматина на инактивацию генов. По мере увеличения расстояния между геном и гетерохроматином частота инактивации гена уменьшается, что объясняют либо изменением первичной структуры участка ДНК, где расположен ген, при перемещении гена к гетерохроматину, либо выключением гена из-за нарушения регуляции транскрипции на уровне ДНК-белкового взаимодействия. Изучение Э. п. г. важно для выяснения механизмов генной регуляции у эукариот.

Задачи и достижения биотехнологии.

Биотехнология — это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов. Основными направлениями биотехнологии являются: производство биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов), лекарственных препаратов и других ценных соединений, разработка и использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды, создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.д. Решению этих сложных задач способствуют методы генной и клеточной инженерии.

Объектами биотехнологии служат вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, а также растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы).

Основными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормонов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также ценных соединений (кормовых добавок, например незаменимых аминокислот, кормовых белков; 2) использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы) и защита растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии. Главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной (генетической) и клеточной инженерии.

Генная инженерия — это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных реплицироваться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов. Генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

• выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным син тезом нужных генов;

• соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

• введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

• копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы (рис. 8.11).

• Клеточная инженерия — метод, позволяющий конструировать клетки нового типа. Метод заключается в культивировании изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях, что стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений, таких как картофель, пшеница, ячмень, кукуруза, томат и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии, таких как соматическая гибридизация, гаплоидия, клеточная селекция, преодоление нескрещиваемости в культуре и др.

• Соматическая гибридизация — это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например, мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши.

Организация митотической хромосомы: строение, Денверская классификация

Морфологию хромосом (от греч. chorma — краска и soma — тело) лучше всего изучать в момент их наибольшей спирализации, то есть в метафазе митоза. В этот период они имеют форму прямых или изогнутых двойных палочек. половинки разделены узкой щелью вдоль оси хромосомы и называются сестринскими хроматидами. Молекула ДНК в каждой из них упакована наиболее компактно. Средние размеры метафазной хромосомы 5х1,4мкм.

Форму хромосом определяет положение первичной перетяжки, или центромеры. Это её неисправленный участок, который выглядит как утонченная часть. Центромера служит местом прикрепления нитей веретена и делит хромосому на две части (два плеча). В зависимости от положения первичной перетяжки различают три типа хромосом:

1. акроцентрические (палочковидные) — центромера смещена к одному из концов хромосом, поэтому одно плечо очень длинное, другое — очень короткое, иногда почти незаметное;

2. субметацентрические (неравноплечие) — центромера немного сдвинута от центра, поэтому одно плечо больше другого;

3. метацентрические (равноплечие) — центромера расположена посередине, поэтому имеют равную длину.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Если она расположена вблизи конца хромосомы и отделенный ею участок невелик, то его называют спутником, а несущую его хромосому — спутничной. Расположение и длина перетяжек постоянны для каждой хромосомы. Вторичная перетяжка — это место, где в интерфазном ядре образуется перышко, поэтому её называют 

Основы существующей унифицированной классификации хромосом были заложены в 1960 году в Денвере. В основу классификации положены различия в длине хромосом и расположении центромеры. На основании различий в длине выделены 23 пары хромосом, при этом парам, имеющим наибольшую длину, дан наименьший номер (самыми длинными являются хромосомы 1- и 2-й пары). Выделяют группы метацентрических, субметацентрических и акроцентрических хромосом. Отнесение хромосом к тому или иному типу производится на основе расчета центромерного индекса - отношения длины короткого плеча к длине всей хромосомы. В группе мета-центрических хромосом короткое и длинное плечи приблизительно равны, и центромерный индекс приближается к 0,5. В субметацентрических хромосомах центромерный индекс снижен и составляет от 0,25 до 0,35, в акроцентрических хромосомах он часто не превышает 0,2. На основании комбинации этих двух основных признаков хромосомы сгруппированы в 7 групп, обозначаемых буквами английского алфавита (от А до G).

Политенные хромосомы и хромосомы типа «ламповых щеток»

политенные хромосомы у различных видов рода Drosophila и Chironomus образуются в результате многократной репликации хромосом, при которой они не расходятся, а остаются объединенными силами соматической конъюгации. Такой тип репликации называется эндоредупликацней.

Участки более плотно упакованного хроматина образуют структуры, названные дисками, а между ними находятся участки с деконденсированным хроматином -междиски. Каждый диск в зависимости от его размера представлен различным числом хромо мер. Хромо меры — структуры, имеющие вид темно окрашенных узелков, хорошо видны в мейотических хромосомах на стадии профазы, а также на стадии интерфазы в политенных хромосомах соматических клеток.  Согласно цитологическим данным диски политенных хромосом, особенно крупные, представляют собой скопления нескольких хромомер.

Уровень политении достигает у дрозофилы 512-1024 нитей ДНК, что соответствует 9-10 циклам репликации, а у хирономуса этот показатель еще выше - 2048-8 L92 нитей (11-13 циклов). Длина поли-тенных хромосом достигает 220-485 мкм, тогда как длина метафазных хромосом дрозофилы равна 1,5-3,2 мкм.

В ядрах клеток с политенными хромосомами у дрозофилы имеется структура, называемая хромоцентром, в котором объединены прицентромерные гетерохроматиновые районы всех хромосом силами соматической конъюгации. Y-хромосома также расположена в хромоцентре, так как она в основном состоит из гетерохроматина и не имеет политенной структуры.

Для гетерохроматина характерны: поздняя репликация, недорепликация прицентромерных районов, а также высокая вероятность разрывов при действии различных мутагенных факторов.

Политенные хромосомы представляют интерес не только с точки зрения их организации, но и способа их функционирования. При транскрипции генов происходит деконденсация хроматина и, как следствие, образование структур, называемых пуфами. На разных стадиях онтогенеза в дисках начинают функционировать специфические для данной стадии гены: хроматин дисков, в которых эта гены локализованы, начинает «расплетаться», что делает возможным их транскрипцию.

Деконденсация хроматина в процессе транскрипции характерна, также для мейотических хромосом типа «ламповых щеток». Эти хромосомы обнаружены в ооцитах рыб, земноводных, рептилий и птиц на стадии диплотены. Каждая из двух хромосом бивалента состоит из двух хроматид, поэтому при их конъюгации образуются протяженные четыреххроматидные структуры. В центре каждой хроматиды находится скэффолд, от которого отходят петли хроматина различного размера.

Петля среднего размера содержит 50-100 т.п.н., и каждая из них соответствует определенной последовательности ДНК. Структуры типа «ламповых щеток» образуются, например, при транскрипции генов рибосомной РНК в ооцитах Xenopus. Специфика хромосом типа «ламповых щеток» заключается в том, что они транскрибируются более активно, чем обычные хромосомы. Это связано с необходимостью накопления значительных количеств генных продуктов в ооцитах.

Организация митотической хромосомы: уровни компактизации хроматина

Морфологию хромосом (от греч. chorma — краска и soma — тело) лучше всего изучать в момент их наибольшей спирализации, то есть в метафазе митоза. В этот период они имеют форму прямых или изогнутых двойных палочек. половинки разделены узкой щелью вдоль оси хромосомы и называются сестринскими хроматидами. Молекула ДНК в каждой из них упакована наиболее компактно. Средние размеры метафазной хромосомы 5х1,4мкм.

Форму хромосом определяет положение первичной перетяжки, или центромеры. Это её неисправленный участок, который выглядит как утонченная часть. Центромера служит местом прикрепления нитей веретена и делит хромосому на две части (два плеча). В зависимости от положения первичной перетяжки различают три типа хромосом:

1. акроцентрические (палочковидные) — центромера смещена к одному из концов хромосом, поэтому одно плечо очень длинное, другое — очень короткое, иногда почти незаметное;

2. субметацентрические (неравноплечие) — центромера немного сдвинута от центра, поэтому одно плечо больше другого;

3. метацентрические (равноплечие) — центромера расположена посередине, поэтому имеют равную длину.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Если она расположена вблизи конца хромосомы и отделенный ею участок невелик, то его называют спутником, а несущую его хромосому — спутничной. Расположение и длина перетяжек постоянны для каждой хромосомы. Вторичная перетяжка — это место, где в интерфазном ядре образуется перышко, поэтому её называют ядрышковым организатором.

Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК, подвергаются распаду на регулярно повто­ряющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования вы­деляют фракцию частиц со скоростью седиментации 11S. Частицы 11S содержат ДНК около 200 нуклеотидных пар и восемь гистонов. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название Нуклеосомы. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располага­ется ДНК. ДНК образуют участок, с белками сердце­вины не связанный, — Линкер, Который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Они образуют «бусины», глобулярные образования около 10 нм, сидящие друг за другом на вытянутых молекулах ДНК. Второй уровень компактизации—30 нм фибрилла. ПЕрвый, нуклеосомный, уровень компакти­зации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6—7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25—30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упако­ванных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой су­перспирали приходится 6—7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фиб­рилла спирального типа с цент­ральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера — Нуклеомеров. Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компак­тизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков. Петлевые домены ДНК —третий уровень структурной организации хроматина. В высших уровнях организации хроматина специфические белки свя­зываются с особыми участками ДНК, которая в местах связы­вания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих пе­тель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний раз­мер розеток достига­ет 100—150 нм. Розетки фиб­рилл хроматина—Хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромо­меры связаны друг с другом участками нуклеосомного хро­матина. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функ­циональные единицы хромосом — репликоны и транскрибиру­емые гены.