В хромосомах какие либо изменения. В чём различие генной, геномной и хромосомной мутаций
Все мутации, связанные с изменением числа и структуры хромосом, можно разделить на три группы:
· хромосомные аберрации, обусловленные изменением структуры хромосом,
· геномные мутации, обусловленные изменением числа хромосом,
· миксоплоидии- мутации, обусловленные наличием разных по хромосомным наборам клонов клеток.
Хромосомные аберрации. Хромосомные аберрации (хромосомные мутации) - это изменения в структуре хромосом. Являются, как правило, следствием неравного кроссинговера при мейозе. К хромосомным аберрациям приводят также разрывы хромосом, вызванные ионизирующей радиацией, некоторыми химическими мутагенами, вирусами и др. мутагенными факторами. Хромосомные аберрации могут быть несбалансированными и сбалансированными.
При несбалансированных мутациях происходит потеря или увеличение генетического материала, изменяется число генов или их активность. Это приводит к изменению фенотипа.
Хромосомные перестройки, которые не приводят к изменению генов или их активности и не изменяют фенотип, называются сбалансированными. Однако, хромосомная аберрация нарушает конъюгацию хромосом и кроссинговер при мейозе, что приводит к появлению гамет с несбалансированными хромосомными мутациями. У носителей сбалансированных хромосомных аберраций может быть бесплодие, высокая частота спонтанных абортов, высокий риск рождения детей с хромосомными болезнями.
Выделяют следующие типы хромосомных мутаций
1. Делеция, или нехватка, - потеря участка хромосомы.
2. Дупликация – удвоение участка хромосомы.
3. Инверсия – поворот участка хромосомы на 180 0 (в одном из участков хромосомы гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с нормальной). Если в результате инверсии не изменяется количество хромосомного материала и нет эффекта положения, то индивиды фенотипически здоровы. Часто встречается перицентрическая инверсия 9 хромосомы, которая не приводит к изменению фенотипа. При других инверсиях могут нарушаться конъюгация и кроссинговер, что приводит к разрывам хромосом и образованию несбалансированных гамет.
4. Кольцевая хромосома - возникает при утрате двух теломерных фрагментов. «Липкие» концы хромосомы соединяются, образуя кольцо.
Эта мутация может быть как сбалансированной, так и несбалансированной (в зависимости от объема хромосомного материала, который теряется).
5. Изохромосомы– потеря одного плеча хромосомы и дупликация другого. В результате образуется метацентрическая хромосома, имеющая два одинаковых плеча. Чаще встречается изохромосома по длинному плечу Х – хромосомы. Кариотип записывают: 46,Х,i(Xq). Изохромосома Х наблюдается в 15% всех случаев синдрома Шерешевского-Тернера.
6. Транслокация - перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому, в другую группу сцепления. Выделяют несколько типов транслокаций:
а) Реципрокные транслокации - взаимный обмен участками между двумя негомологичными хромосомами.
В популяциях частота реципрокных транслокаций 1:500. По невыясненным причинам чаще встречается реципрокная транслокация, вовлекающая длинные плечи 11 и 22 хромосом. У носителей сбалансированных реципрокных транслокаций часто наблюдаются спонтанные аборты или рождение детей с множественными врожденными пороками развития. Генетический риск у носитедей таких транслокаций колеблется от 1 до 10%.
б) Нереципрокные транслокации (транспозиции) – перемещение участка хромосомы либо внутри той же хромосомы либо в другую хромосому без взаимного обмена.
в) Особый вид транслокаций - робертсоновские транслокации (или центрические слияния).
Наблюдается между любыми двумя акроцентрическими хромосомами из группы Д (13,14 и 15 пары) и G (21 и 22 пары). При центрическом слиянии две гомологичные или негомологичные хромосомы теряют короткие плечи и одну центромеру, длинные плечи соединяются. Вместо двух хромосом образуется одна, содержащая генетический материал длинных плеч двух хромосом. Таким образом, носители робертсоновских транслокаций здоровы, но у них повышена частота спонтанных абортов и высокий риск рождения детей с хромосомными болезнями. Частота робертсоновских транслокаций в популяции составляет 1:1000.
Иногда один из родителей является носителем сбалансированной транслокации, при которой наблюдается центрическое слияние двух гомологичных хромосом группы D или G. У таких людей образуется два типа гамет. Например, при транслокации 21q21q образуются гаметы:
2) 0 - т.е. гамета без хромосомы 21
После оплодотворения нормальной гаметой образуется два типа зигот: 1)21, 21q21q - транслокационная форма синдрома Дауна, 2)21,0 - моносомия 21хромосомы, летальная мутация. Вероятность рождения больного ребенка составляет 100%.
Р 21q21q х 21,21
здоровый носитель норма
сбалансированной
Гаметы 21/21; 0 21
F 1 21,21q21q 21,0
синдром Дауна летальная
7. Центрическое разделение - явление, обратное центрическому слиянию. Одна хромосома делится на две.
Делеции и дупликации изменяют число генов в организме. Инверсии, транслокации, транспозиции изменяют расположение генов в хромосомах.
9. Маркерная хромосома – это добавочная хромосома (вернее фрагмент какой-либо хромосомы с центромерой). Обычно имеет вид очень короткой акроцентрической хромосомы, реже – кольцевидной. Если маркерная хромосома содержит только гетерохроматин, то фенотип не меняется. Если же она содержит эухроматин (экспрессирующиеся гены), то это сопряжено с развитием хромосомной болезни (аналогично дупликации какого-либо участка хромосомы).
Значение хромосомных мутаций в эволюции. Хромосомные мутации играют большую роль в эволюции. В процессе эволюции происходит активная перестройка хромосомного набора посредством инверсий, робертсоновских транслокаций и других. Чем дальше друг от друга отстоят организмы, тем сильнее отличается их хромосомный набор.
Геномные мутации. Геномные мутации - это изменение числа хромосом. Различают два вида геномных мутаций:
1) полиплоидию,
2) гетероплоидию (анеуплоидию).
Полиплоидия – увеличение числа хромосом на величину, кратную гаплоидному набору (3n, 4n...). У человека описана триплоидия (3n=69 хромосом) и тетраплоидия (4n = 92 хромосомы).
Возможные причины формирования полиплоидии.
1) Полиплоидия может быть следствием нерасхождения всех хромосом при мейозе у одного из родителей В результате образуется диплоидная половая клетка (2n). После оплодотворения нормальной гаметой сформируется триплоид (3n).
2) Оплодотворение яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия).
3) Возможно также слияние диплоидной зиготы с направительным тельцем, что приводит к формированию триплоидной зиготы
4) Может наблюдаться соматическая мутация - нерасхождение всех хромосом при делении клеток эмбриона (нарушение митоза). Это приводит к появлению тетраплоида (4 n) - полного или мозаичной формы.
Триплоидия (рис.___) является частой причиной спонтанных абортов. У новорожденных это чрезвычайно редкое явление. Большинство триплоидов погибают вскоре после рожения.
Триплоиды, имеющие два хромосомных набора отца и один хромосомный набор матери, как правило, формируют пузырный занос. Это эмбрион, у которого формируются внезародышевые органы (хорион, плацента, амнион), а эмбриобласт практически не развивается. Пузырные заносы абортируются, Возможно формирование злокачественной опухоли хориона – хориокарциномы. В редких случаях эмбриобласт формируется и беременность заканчивается рождением нежизнеспособного триплоида с множественными врожденными пороками развития. Характерно в таких случаях увеличение массы плаценты и кистозное перерождение ворсин хориона.
У триплоидов, имеющих два хромосомных набора матери и один хромосомный набор отца, развивается преимущественно эмбриобласт. Развитие внезародышевых органов нарушено. Поэтому такие триплоиды рано абортируются.
На примере триплоидов наблюдается разная функциональная активность отцовского и материнского геномов в эмбриональном периоде развития. Такое явление получило названием геномного импринтинга . В целом, следует отметить, что для нормального эмбрионального развития человека абсолютно необходим геном матери и геном отца. Партеногенетическое развитие человека (и других млекопитающих) невозможно.
Тетраплоидия (4n) – чрезвычайно редкое явление у человека. В основном обнаружено в материалах спонтанных абортов.
Гетероплоидия (или анеуплоидия ) - увеличение или уменьшение числа хромосом на 1,2 или большее число. Виды гетероплоидии: моносомия, нулисомия, полисомии (три-, тетра-, пентасомии).
а) Моносомия - отсутствие одной хромосомы (2n-1)
б) Нулисомия - отсутствие одной пары хромосом (2n-2)
в)Трисомия - одна лишняя хромосома (2n+1)
г)Тетрасомия - две лишнее хромосомы (2n+2)
д) Пентасомия – три лишние хромосомы (2n+3)
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.
Мутационная изменчивость возникает в случае появления мутаций - стойких изменений генотипа (т.е. молекул днк), которые могут затрагивать целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Согласно современной классификации мутации принято делить на следующие группы. 1. Геномные мутации - связанные с изменением числа хромосом. Особый интерес представляет ПОЛИПЛОИДИЯ - кратное увеличение числа хромосом. Возникновение полиплоидии связанно с нарушением механизма деления клеток. В частности, нерасхождение гомологичных хромосом во время первого деления мейоза приводит к появлению гамет с 2n набором хромосом. Полиплоидия широко распространена у растений и значительно реже у животных (аскарид, шелкопряда, некоторых земноводных). Полиплоидные организмы, как правило, характеризуются более крупными размерами, усиленным синтезом органических веществ, что делает их особенно ценными для селекционных работ. 2. Хромосомные мутации - это перестройки хромосом, изменение их строения. Отдельные участки хромосом могут теряться, удваиваться, менять свое положение. Как и геномные мутации, хромосомные мутации играют огромную роль в эволюционных процессах. 3. Генные мутации связаны с изменением состава или последовательности нуклеотидов ДНК в пределах гена. Генные мутации наиболее важны среди всех категорий мутаций. Синтез белка основан на соответствии расположения нуклеотидов в гене и порядком аминокислот в молекуле белка. Возникновение генных мутаций (изменение состава и последовательности нуклеотидов) изменяет состав соответствующих белков-ферментов и в итоге к фенотипическим изменениям. Мутации могут затрагивать все особенности морфологии, физиологии и биохимии организмов. Многие наследственные болезни человека также обусловлены мутациями генов. Мутации в естественных условиях случаются редко - одна мутация определенного гена на 1000-100000 клеток. Но мутационный процесс идет постоянно, идет постоянное накопление мутаций в генотипах. А если учесть, что число генов в организме велико, то можно сказать, что в генотипах всех живых организмов имеется значительное число генных мутаций. Мутации - это крупнейший биологический фактор, обуславливающий огромную наследственную изменчивость организмов, что дает материал для эволюции.
1. По характеру изменения фенотипа мутации могут быть биохимическими, физиологическими, анатомо-морфологическими.
2. По степени приспособительности мутации делятся на полезные и вредные. Вредные - могут быть летальными и вызывать гибель организма еще в эмбриональном развитии.
3. Мутации бывают прямые и обратные. Последние встречаются гораздо реже. Обычно прямая мутация связана с дефектом функции гена. Вероятность вторичной мутации в обратную сторону в той же точке очень мала, чаще мутируют другие гены.
Мутации чаще рецессивные, так как доминантные проявляются сразу же и легко "отбрасываются" отбором.
4. По характеру изменения генотипа мутации делятся на генные, хромосомные и геномные.
Генные, или точковые, мутации - изменение нуклеотида в одном гене в молекуле ДНК, приводящее к образованию аномального гена, а следовательно, аномальной структуры белка и развитию аномального признака. Генная мутация - это результат "ошибки" при репликации ДНК.
Хромосомные мутации - изменения структуры хромосом, хромосомные перестройки. Можно выделить основные типы хромосомных мутаций:
а) делеция - потеря участка хромосомы;
б) транслокация - перенос части хромосом на другую негомологичную хромосому, как результат - изменение группы сцепления генов;
в) инверсия - поворот участка хромосомы на 180°;
г) дупликация - удвоение генов в определенном участке хромосомы.
Хромосомные мутации приводят к изменению функционирования генов и имеют значение в эволюции вида.
Геномные мутации - изменения числа хромосом в клетке, появление лишней или потеря хромосомы как результат нарушения в мейозе. Кратное увеличение числа хромосом называется полиплоидией. Этот вид мутации часто встречается у растений. Многие культурные растения полиплоидны по отношению к диким предкам. Увеличение хромосом на одну-две у животных приводит к аномалиям развития или гибели организма.
Зная изменчивость и мутации у одного вида, можно предвидеть возможность их появления и у родственных видов, что имеет значение в селекции.
5.2. Хромосомные мутации
Хромосомные мутации подразделяют на две категории: 1) мутации, связанные с изменениями числа хромосом в составе кариотипа (иногда их называют также численными аберрациями либо геномными мутациями); 2) мутации, состоящие в изменениях структуры отдельных хромосом (структурные аберрации).
Изменения числа хромосом. Они могут выражаться в добавлении к первоначальному диплоидному набору хромосом (2n) одного или нескольких гаплоидных наборов (n), что приводит к возникновению полиплоидии (триплоидии, 3n, тетраплоидии, 4n, и др.). Возможны также добавления либо потери одной или нескольких хромосом, результатом которых является анеуплоидия (гетероплоидия). Если анеуплоидия связана с утратой одной хромосомы (формула 2n-1), то принято говорить о моносомии; выпадение пары гомологичных хромосом (2n-2) приводит к нуллисомии; при добавлении к диплоидному набору одной хромосомы (2n + 1) имеет место трисомия. В случаях, когда происходит увеличение набора на две и большее число хромосом (но меньше, чем на гаплоидное число), используется термин "полисемия".
Полиплоидия очень распространена в некоторых группах растений. Получение полиплоидных сортов культурных растений является важной задачей селекционной практики, поскольку с увеличением плоидности повышается хозяйственная ценность таких растений (становятся более крупными листья, стебли, семена, плоды). С другой стороны, полиплоидия довольно редко встречается у раздельнополых животных, так как в этом случае часто нарушается баланс между половыми хромосомами и аутосомами, что приводит к бесплодию индивидуумов либо к летальности (гибели организма). У млекопитающих и человека возникшие полиплоиды, как правило, погибают на ранних этапах онтогенеза.
Анеуплоидии наблюдаются у многих видов организмов, особенно у растений. Трисомии некоторых сельскохозяйственных растений также имеют определенную практическую ценность, тогда как моносомии и нуллисомии часто приводят к нежизнеспособности особи. Анеуплоидии человека являются причиной тяжелой хромосомной патологии, которая проявляется в серьезных нарушениях развития индивидуума, его инвалидности, нередко заканчиваясь ранней гибелью организма на том или ином этапе онтогенеза (летальным исходом). Хромосомные болезни человека более подробно будут рассматриваться в подразд. 7.2.
Причины полиплоидии и анеуплоидии связаны с нарушениями расхождения диплоидного комплекса хромосом (либо хромосом отдельных пар) родительских клеток в дочерние клетки в процессе мейоза или митоза. Так, например, если у человека во время оогенеза возникнет нерасхождение одной пары аутосом материнской клетки с нормальным кариотипом (46,XX), то произойдет образование яйцеклеток с мутантными кариотипами 24,Х и 22,X. Следовательно, при оплодотворении таких яйцеклеток нормальными сперматозоидами (23,X либо 23,X) могут появиться зиготы (индивидуумы) с трисомией (47,XX либо 47,ХУ) и с моносомией (45,XXлибо 45,XУ) по соответствующей аутосоме. На рис. 5.1 приведена общая схема возможных нарушений оогенеза на этапе размножения первичных диплоидных клеток (при митотическом делении оогоний) либо при созревании гамет (во время деления мейоза), приводящих к возникновению триплоидных зигот (см. рис. 3.4). Аналогичные эффекты будут наблюдаться и при соответствующих нарушениях сперматогенеза.
Если указанные выше нарушения затрагивают митотически делящиеся клетки на ранних этапах эмбрионального развития (эмбриогенеза), то появляются индивидуумы с признаками мозаицизма (мозаики), т.е. имеющие одновременно как нормальные (диплоидные) клетки, так и анеуплоидные (либо полиплоидные) клетки.
В настоящее время известны различные агенты, например, высокие или низкие температуры, некоторые химические вещества, названные "митотическими ядами" (колхицин, гетероауксин, аценафтол и др.), которые нарушают нормальную работу аппарата клеточного деления у растений и животных, препятствуя
нормальному завершению процесса расхождения хромосом в анафазе и телофазе. С помощью таких агентов в экспериментальных условиях получают полиплоидные и анеуплоидные клетки разных эукариот.
Изменения структуры хромосом (структурные аберрации). Структурные аберрации представляют собой внутрихромосомные или межхромосомные перестройки, возникающие при разрывах хромосом под воздействием мутагенов окружающей среды либо как результат нарушений в механизме кроссинговера, приводящих к неправильному (неравноценному) генетическому обмену между гомологичными хромосомами после ферментативного "разрезания" их конъюгирующих участков.
К числу внутрихромосомных перестроек относятся делеции (нехватки), т.е. потери отдельных участков хромосом, дупликации (дубликации), связанные с удвоением тех или иных участков, а также инверсии и нереципрокные транслокации (транспозиции), изменяющие порядок расположения генов в хромосоме (в группе сцепления). Примером межхромосомных перестроек являются реципрокные транслокации (рис. 5.2).
Делеции и дупликации могут изменять численность отдельных генов в генотипе индивидуума, что приводит к нарушению баланса их регуляторных взаимоотношений и соответствующим фенотипическим проявлениям. Значительные по размерам делеции обычно бывают летальными в гомозиготном состоянии, тогда как очень мелкие делеции чаще всего не являются непосредственной причиной гибели гомозигот.
Инверсия возникает в результате полного разрыва двух краев хромосомного участка с последующим поворотом этого участка на 180° и воссоединением разорванных концов. В зависимости от того, включается или не включается центромера в инвертированный участок хромосомы, инверсии подразделяются на перицентрические и парацентрические (см. рис. 5.2). Появляющиеся при этом перестановки в расположении генов отдельной хромосомы (перестройки группы сцепления) также могут сопровождаться нарушениями экспрессии соответствующих генов.
Перестройки, изменяющие порядок и (или) содержание генных локусов в группах сцепления, происходят и в случае транслокаций. Наиболее часто встречаются реципрокные транслокации, при которых наблюдается взаимный обмен предварительно разорванными участками между двумя негомологичными хромосомами. В случае нереципрокной транслокации происходит перемещение (транспозиция) поврежденного участка в пределах той же хромосомы либо в хромосому другой пары, но без взаимного (реципрокного) обмена (см. рис. 5.2).
объяснения механизма таких мутаций. Эти перестройки заключаются в центрическом слиянии двух негомологичных хромосом в одну либо в разделении одной хромосомы на две в результате ее разрыва в области центромеры. Следовательно, такие перестройки могут приводить к изменению числа хромосом в кариотипе, не влияя на общее количество генетического материала в клетке. Полагают, что робертсоновские транслокации являются одним из факторов эволюции кариотипов у разных видов эукариотических организмов.
Как было отмечено ранее, помимо ошибок в системе рекомбинации причиной структурных аберраций обычно являются разрывы хромосом, возникающие при действии ионизирующей радиации, некоторых химических веществ, вирусов и других агентов.
Результаты экспериментального изучения химических мутагенов свидетельствуют о том, что наиболее чувствительными к их воздействию являются гетерохроматиновые участки хромосом (чаще всего разрывы происходят в районе центромеры). В случае ионизирующей радиации такой закономерности не наблюдается.
Базисные термины и понятия: аберрация; анеуплоидия (гетероплоидия); делеция (нехватка); дупликация (дубликация); летальность; "митотические яды"; моносомия; нереципрокная транслокация; нуллисомия; парацентрическая инверсия; перицентрическая инверсия; полиплоидия; полисемия; реципрокная транслокация; робертсоновская транслокация; транспозиция; трисомия; хромосомная мутация.
3.5.3.2. Распределение материала материнских хромосом между дочерними клетками в митозе
В ходе митотического деления обеспечивается закономерное распределение сестринских хроматид каждой хромосомы между дочерними клетками. В составе дочерних хромосом (бывших сестринских хроматид) каждая клетка нового поколения получает одну из двух молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации материнской двойной спирали. Следовательно, новое поколение клеток получает одинаковую генетическую информацию в составе каждой группы сцепления.
Таким образом, процессы, происходящие с хромосомами при подготовке клеток к делению и в самом делении, обеспечивают самовоспроизведение и постоянство их структуры в ряду клеточных поколений (см. разд. 3.6.2.1).
После митоза хромосомы дочерней клетки представлены одной молекулой ДНК, компактно упакованной с помощью белков в одну хроматиновую нить, т.е. имеют такую же структуру, какую имели хромосомы материнской клетки до начала процесса репликации ДНК. Если вновь образованная клетка выбирает путь подготовки к делению, то в ней должны произойти все описанные выше события, связанные с динамикой структурной организации ее хромосом.
3.5.3.3. Изменения структурной организации хромосом. Хромосомные мутации
Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянной физико-химическую и морфологическую организацию хромосом в ряду клеточных поколений, под влиянием различных воздействий эта организация может изменяться. В основе изменения структуры хромосомы, как правило, лежит первоначальное нарушение ее целостности - разрывы, которые сопровождаются различными перестройками, называемымихромосомными мутациями или
аберрациями.
Разрывы хромосом происходят закономерно в ходе кроссинговера, когда они сопровождаются обменом соответствующими участками между гомологами (см. разд. 3.6.2.3). Нарушение кроссинговера, при котором хромосомы обмениваются неравноценным генетическим материалом, приводит к появлению новых групп сцепления, где отдельные участки выпадают - делении - или удваиваются -дупликации (рис. 3.57). При таких перестройках изменяется число генов в группе сцепления.
Разрывы хромосом могут возникать также под влиянием различных мутагенных факторов, главным образом физических (ионизирующего и других видов излучения), некоторых химических соединений, вирусов.
Рис. 3.57. Виды хромосомных перестроек
Нарушение целостности хромосомы может сопровождаться поворотом ее участка, находящегося между двумя разрывами, на 180° - инверсия. В зависимости от того, включает ли данный участок область центромеры или нет, различают
перицентрические и парацентрические инверсии(рис. 3.57).
Фрагмент хромосомы, отделившийся от нее при разрыве, может быть утрачен клеткой при очередном митозе, если он не имеет центромеры. Чаще такой фрагмент прикрепляется к одной из хромосом - транслокация. Нередко две поврежденные негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками - ре-ципрокная транслокация (рис. 3.57). Возможно присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте -транспозиция (рис. 3.57). Таким образом, различные виды инверсий и транслокаций характеризуются изменением локализации генов.
Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом, что можно наблюдать в световой микроскоп. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и
акроцентрические и наоборот (рис. 3.58), появляются кольцевые и полицентрические хромосомы (рис. 3.59). Особую категорию хромосомных мутаций представляют аберрации, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом, когда две негомологичные структуры объединяются в одну - робертсоновская транслокация, или одна хромосома образует две самостоятельные хромосомы (рис. 3.60). При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.
Рис. 3.58. Изменение формы хромосом в результате перицентрических инверсий
Рис. 3.59. Образование кольцевых (I ) и полицентрических (II ) хромосом
Рис. 3.60. Хромосомные перестройки, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом являются причиной изменения числа хромосом в кариотипе
Рис. 3.61. Петля, образующаяся при конъюгации гомологичных хромосом, которые несут неравноценный наследственный материал в соответствующих участках в результате хромосомной перестройки
Описанные структурные изменения хромосом, как правило, сопровождаются изменением генетической программы, получаемой клетками нового поколения после деления материнской клетки, так как изменяется количественное соотношение генов (при делениях и дупликациях), меняется характер их функционирования в связи с изменением взаимного расположения в хромосоме (при инверсии и транспозиции) или с переходом в другую группу сцепления (при транслокации). Чаще всего такие структурные изменения хромосом отрицательно сказываются на жизнеспособности отдельных соматических клеток организма, но особенно серьезные последствия имеют хромосомные перестройки, происходящие в предшественниках гамет.
Изменения структуры хромосом в предшественниках гамет сопровождаются нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делении или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал (рис. 3.61). Реципрокная транслокация между двумя
негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста благодаря притягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах (рис. 3.62). Участие в реципрокных транслокациях большего числа хромосом с образованием поливалента сопровождается формированием еще более сложных структур при конъюгации (рис. 3.63).
Рис. 3.62. Образование при конъюгации квадривалента из двух пар хромосом, несущих реципрокную транслокацию
Рис. 3.63. Образование при конъюгации поливалента шестью парами хромосом, участвующих
в реципрокных транслокациях: I - конъюгация между парой
хромосом, не несущих транслокацию; II - поливалент, образуемый шестью парами хромосом, участвующих
в транслокации
В случае инверсии бивалент, возникающий в профазе I мейоза, образует петлю, включающую взаимно инвертированный участок (рис. 3.64).
Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных измененными хромосомами, приводит к появлению новых хромосомных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наследственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этой является нарушение соотношения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения.
Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делении могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем
делении, являются дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма.
Рис. 3.64. Конъюгация хромосом при инверсиях:
I - парацентрическая инверсия в одном из гомологов,II - перидентрическая инверсия в одном из гомологов
Нередко жизнеспособными оказываются робертсоновские транслокации, часто не связанные с изменением объема наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Например, у разных видов дрозофилы количество хромосом в гаплоидном наборе колеблется от 3 до 6, что объясняется процессами слияния и разделения хромосом. Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные изменения хромосом у его обезьяноподобного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных человекообразных обезьян (12-й и 13-й - шимпанзе, 13-й и-14-й -гориллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом.
К существенному варьированию морфологии хромосом, лежащему в основе их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и инверсии. Анализ хромосом человека показал, что его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями.
Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определенной вероятностью могут быть перспективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации наследственного материала.
