Молекулярные основы наследственности (стр. 5 )

Контрольные вопросы. 1. Изменение функции генов в онтогенезе животных: экспрессия, пенетрантность, 2. Критические периоды развития у жи­вотных разных видов. 3. Регуляция синтеза белков в процессе онтогенеза. 4. Гормональная регуляция и генетические процессы онтогенеза. 5. Антиген­ные структуры в гаметах и половой системе самок и самцов. 6. Иммунные процессы, происходящие при оплодотворении. 7. Иммунные процессы взаи­моотношений матери и плода. 8. Биотехнология интенсификации воспроизве­дения у животных, современные методы.

ГЛАВА 10. МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Живым организмам, независимо от их генетической организа­ций, наряду с наследственностью свойственна изменчивость. Наследственным изменениям свойств и признаков у микроорга­низмов, растений, животных и человека всегда уделялось боль­шое внимание. Ч. Дарвин придавал им большое значение в эво­люции и селекции. Одним из широко известных примеров на­следственных изменений, описанных Дарвином, является рож­дение в 1791 г. на ферме Анкон в штате Массачусетс в США коротконогой овцы, родоначальницы анконской породы (рис.48). Он описывает также случаи появления однокопытных живот­ных у свиней и многие другие.

В 1899 г. вышла книга русского ботаника, в то время про­фессора Томского университета, (1861— 1900) «Гетерогенез и эволюция», в которой приведен ряд при­меров наследственной изменчивости признаков у растений как источника происхождения видов. Термин «мутация» был введен в генетику Г. де Фризом, голландским ученым, который в те­чение многих лет (1886—1901) изучал явление наследственной изменчивости у растения энотеры (Oenothera lamarkiana). По­сле тщательного обобщения своих наблюдений он разработал мутационную теорию, которую сформулировал в книге «Мутации и периоды мутаций при происхождении видов» (1901) 'Му­тациями (от лат. mutatio — изменение, перемена) называют на­следственные изменения признака, органа или овойства, обус­ловленные изменениями наследственных структур. Процесс воз­никновения мутаций называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным, когда мутации возникают в природе без вме­шательства человека, и индуцированным, когда мутации вызы­вают искусственно, воздействуя на организм специальными фак­торами, называемыми мутагенами. Растение, животное, микро­организм, у которых произошла мутация, называют мутантами.

Мутации — закономерное генетическое явление, характери­зуемое следующими особенностями. 1) мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными; 2) мутации возника­ют внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправ­ленный характер, могут быть рецессивными и доминантными; 3) мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными. Как, указывают Р. Ригер и А. Михаэлис (1967), мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций. В сель­скохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции; 4) одни и те же мутации могут возни­кать повторно.

В зависимости от того, изменением каких наследственных структур обусловлена мутация, принята следующая их класси­фикация:

Полиплоидия. В широком смысле этого слова полиплоидией называют геномную мутацию, обусловленную изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или созда­ния геномных мутантов (полиплоидов).

Полиплоидные формы в природе могут возникать по ряду причин, например из-за нарушения митоза, в результате которого происходит неравное расхождение хромосомом в анафазе, отсутствие цитокинеза, нарушение функций митотического аппарата; это может наблюдаться и в результате образования и слияния при оплодотворении нередуцированных гамет, образо­вавшихся при нарушении мейоза, а также митотического деле­ния зиготы или соматических клеток в начальные периоды эмб­риогенеза. В зависимости от того, в каких клетках происходит изменение числа хромосом, различают соматическую, мейотическую или зиготическую полиплоидию. В природе полиплоиды чаще всего возникают либо в результате слияния нередуцированных гамет (мейотическая полиплоидия), либо в результате нарушения первого деления эиготы (зиготическая полиплоидия). Индуцированные полиплоиды чаще всего получают, воздействуя на митотическое деление клеток меристемы (органообразовате-льной ткани у растений), точек роста (соматическая полиплои­дия).

С этой целью точки роста прорастающих семян или веге-тирующих растений в течение 1—5 ч обрабатывают слабым рас­твором колхицина (0,01—0,25%). Алкалоид колхицин блокиру­ет развитие митотического аппарата клетки, поэтому в ней не происходит расхождения сестринских хромосом к полюсам и цитокинеза и число хромосом в клетке удваивается. Процесс удвоения числа хромосом в клетке может продолжаться до тех пор, пока будет действовать раствор колхицина.

Полиплоидия — явление, широко распространенное в приро­де, особенно среди растительных организмов. Многие дикорас­тущие и культурные виды растений являются спонтанными по­липлоидами. В зависимости от климатических условий произрастания число полиплоидных видов растений может колебаться от 35 до 85%. Многие виды покрытосеменных растений образу­ют полиплоидные ряды в пределах одного рода. Полиплоидным рядом называют виды одного рода, у которых число хромосом увеличивается кратно гаплоидному. Например, полиплоидный ряд пшеницы (род Triticum) содержит серию видов, четко раз­личимых по числу хромосом:

диплоидные виды (2n=14) —Т. urartu, T. monococcum и др.;

тетраплоидные виды (2n=28) —Т. dicoccum, T. durum, T. turgidum, T. polonicum и др.;

гексаплоидные виды (2n=42) — Т. aestivum, Т. tompactum, Т. spelta, Т. persicum, T. vavilovii и др.

Полиплоидный ряд картофеля (род Solatium) включает виды, содержащие в клетках 24, 48, 72, 96, 120 и 144 хромосомы, полиплоидный ряд щавеля (род Rumex)—20, 40, 60, 80, 100, 120 хромосом.

Наименьшее гаплоидное число хромосом каждого полипло­идного ряда называется его основным числом и обозначается буквой л. Например, у пшеницы основное число хромосом поли­плоидного ряда X=7, у картофеля Х=12, у щавеля X=10. Со­вокупность хромосом основного числа полиплоидного ряда на­зывается геномом. В зависимости от плоидности каждый вид содержит один или несколько геномов Так, растения мягкой пшеницы Г. aestivum имеют гаплоидный набор хромосом n = 21, то есть содержат 3 генома, обозначаемых буквами Л, В и D.

Гаплоидия — геномная мутация, в результате которой воз­никают гаплоиды — организмы с редуцированным (одинарным) числом хромосом. В клетках гаплоидов содержится только по­ловина соматического набора хромосом (я), присущего данно­му виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках — гаметах. Гаплоиды могут возникать спон­танно и могут быть получены индуцированно Гаплоиды бес­плодны, но могут размножаться партеногенетически и сохра­няться при вегетативном размножении. Гаплоидные мутации ис­пользуют в селекции высших растений. Если у гаплоида удво­ить число хромосом с помощью раствора колхицина или другим методом, то можно получить гомозиготное по всем генам, нор­мально плодовитое диплоидное растение.

Эуплоидия (истинная полиплоидия) — геномная мутация, в результате которой возникают эуплоиды — организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Различают автополиплоидию и аллополиплоидию

Автополиплоидия — процесс возникновения автополиплои­дов — организмов, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду. В за­висимости от числа хромосомных гаплоидных наборов различа­ют триплоиды, в клетках которых содержится 3n число хромо­сом, тетраплоиды (4n), пентаплоиды (5n), гексаплоиды (6n) и т. д.

Впервые явление кратного увеличения числа хромосом в клетках было описано профессором МГУ И. И Герасимовым, наблюдавшим полиплоидизацию у водоросли спирогиры в 1890 г. В 1916 г. это явление наблюдал Г. Винклер и дал ему название «полиплоидия».

Автополиплоидия обусловливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным диплоидным растениям. У полиплоидов в первую очередь увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цито­плазмы — пластид, митохондрий, рибосом. Для каждого вида растений существует определенный оптимальный уровень плоидности, то есть такое кратное гаплоидному число хромосом, при котором растения имеют наиболее высокую жизнеспособ­ность и продуктивность. Так, для сахарной свеклы и арбуза оптимальным является триплоидный уровень (у арбуза Зn=33, у свеклы 3n = 27), для ржи, гречихи, редиса, турнепса — тетраплоидный. У этих растений при оптимальном уровне плоидности увеличиваются размеры листовых пластинок, длина и толщина стебля. Чашелистики, лепестки венчика, пыльцевые зерна, пло­ды и семена у автополиплоидов крупнее, чем у исходных дипло­идных растений. Полиплоидные сорта ряда культурных растений получили широкое распространение: тетраплоидная рожь сорт Белта и Ленинградская тетра; гречиха — Искра, Эмка (Польша), Пенкрад (Канада); редис — Новосибирский тетра; клевер — Тетраплоидный ВИК (СССР), Ульва 090, Вейбуллский (Швеция), Трипо (Норвегия); триплоидные гибриды сахарной свеклы — Кубанский полигибрид 9, а также Белоцерковские гибриды 1 и 2 и др.

Особенности мейоза и наследования признаков у автополиплоидов. У диплоидного организма в про­фазе I мейоза происходит нормальная конъюгация двух гомо­логичных хромосом и образование бивалентов. У тетраплоидных организмов в клетках содержится четыре гомологичных хромо­сомы, что приводит в профазе I мейоза к нарушениям процесса конъюгации и образованию наряду с бивалентами увивалентов, тривалентов и тетравалентов. Унивалентами называют одиноч­ные хромосомы в пахитене профазы I, тривалентами—ассоциации трех, тетравалентами — четырех гомологичных хромосом. В результате такого нарушения процесса конъюгации хромосом образуются гаметы и зиготы с числом хромосом, некратным гаплоидному. Так, например, тетраплоидные растения сахарной свеклы, в клетках которых содержится 4n = 36 хромосом, могут образовать гаметы, содержащие от 13 до 23 хромосом, при слиянии которых в процессе оплодотворения образуются зиготы, содержащие от 26 до 46 хромосом. Зиготы, содержащие несба­лансированное число хромосом, как правило, не реализуются в семена и плоды, поэтому одним из существенных недостатков искусственно получаемых автополиплоидов являются понижен­ная семенная продуктивность и череззерница. При длительном размножении и тщательном отборе нормально оерненных рас­тений в процессе селекции достигаются относительная сбалан­сированность хромосомного набора и стабильная семенная про­дуктивность у автополиплоидных растений.

При нормальной конъюгация хромосом и образовании бивалентов наследование признаков у полиплоидных растений осу­ществляется значительно сложнее, чем у диплоидных. В качестве примера можно привести наследование высоты растений у диплондов и тетраплоидов гречихи. У гречихи ген D обусловли­вает высокорослый тип растений с неограниченным ростом Рецессивный аллель этого гена контролирует так называемые детерминантные (карликовые) формы, у которых на вершине стебля вместо точки роста образуется обычная цветочная кисть. При скрещивании диплоидных гомозиготных растений DDXdd в F1 все растения имеют неограниченный тип роста, бывают высокорослыми, а в F2 наблюдается расщепление в отношении 3: 1.

При скрещивании тетраплоидных растений» имеющих гено­типы DDDDxdddd, при отсутствии нарушений в мейозе все растения F1 будут высокорослыми (DDad). Они образуют 3 типа гамет в следующем соотношении: 1DD : 4Dd: 1dd. При равновероятном слиянии этих гамет в процессе оплодотворения у тетраплоидных растений могут в F2 образоваться следующие гено­типы: 1DDDD : 8DDDd : 18DDdd : 8Dddd : 1ddd. При полном до­минировании в F2 может наблюдаться расщепление по феноти­пу в соответствии 35 высокорослых: 1 карликовый. Еще более сложно наследуются у тетраплоидов признаки, обусловленные взаимодействием неаллельных генов по типу комплементарности и полимерии.

Аллополиплоидами называют растения, в кариотипе которых содержатся удвоенные наборы хромосом разных видов и родов Они могут возникать в природе или могут быть получены ис­кусственным путем при удвоении числа хромосом у межвидовых или межродовых гибридов. Аллогюлиплоиды, созданные в ре­зультате удвоения числа хромосом у растений, полученных от скрещивания особей, относящихся к двум разным видам или родам, называются амфидиплоидами (от греч. amphi — оба). Если аллополиплоид содержит удвоенные числа хромосом трех видов или родов, его называют аллртриплоидом.

Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства ис­ходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибриди­зации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и особенно межродовые гибриды, как пра­вило, бесплодны.

Первые амфидиплоиды были получены Г Д. Карпеченко в 1924 г. Он скрещивал редьку Raphanus sativus (2n=18) с ка­пустой Brassika oleracea (2n =18). Хотя эти виды содержат оди­наковое число хромосом, но хромосомы не конъюгируют и рас­тения F1 были бесплодными, хотя и имели мощное развитие. Но единичные гаметы содержали нередуцированное число хромосом (9B+9R). При слиянии таких гамет растения F2 содержали 36 хромосом (18B+18R). У них нормально протекал мейоз, они были плодовитыми, мощно развитыми и давали константное по­томство. Растения сочетали признаки обоих видов. редечно-капустные амфидиплоиды предложил называть «Рафанобрассика» (Raphanobrassika).

Важное практическое значение имеют амфидиплоиды, полученные путем удвоения числа хромосом у пшенично-ржаных межродовых гибридов, названных, по предложению ­рева, Тритикале. Они могут быть окташюидами (2n = 56) и гексаплоидами (2n = 42). Тритикале является ценной зернокормовой культурой. Лучшие сорта этой культуры дают высокий урожай зеленой массы и зерна, поэтому у нас в стране и за рубежом ведется интенсивная работа по созданию сортов тритикале, при­способленных к почвенно-климатическим условиям соответствую­щей зоны.

Октаплоидные тритикале получают при скрещивании с рожью мягкой пшеницы, гексаплоидные — твердой и других видов пше­ниц, имеющих 2n=28 хромосом (схема).

Путем аллоплоидий можно получать растения, содержащие геномы разных видов и родов, и создавать новые формы, не су­ществующие в природе. Этим методом можно воссоздавать (ресинтезировать) уже существующие виды, предки которых исчез­ли. в 1930 г, с помощью аллополиплоидии осуще­ствил ресинтез культурной сливы Он скрестил тёрн с алычой. Среди гибридных растений ему удалось выделить одно, сходное с культурной сливой, в клетках которого содержались присущие этому виду 48 хромосом:

Гетероплоидами или анецплоидами называют организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному Гетероплоиды могут возникать разными путями. В одних случаях они образу­ются в результате отхождения двух гомологичных хромосом к одному полюсу в анафазе I мейоза или в анафазе митоза. Чаще всего они образуются в результате отсутствия конъюгации гомо­логичных хромосом и образования унивалентов. Униваленты, как правило, не ориентируются надлежащим образом и могут отойти к одному полюсу. Причиной возникновения гетероплоидов мо­жет быть также отсутствие разделения хромосом на хроматиды. В этом случае нарушается их расхождение в дочерние клетки при втором делении мейоза. В том и другом случаях могут об­разоваться гаметы с набором хромосом, некратным гаплоидному: п—1, n+1. При слиянии этих гамет в процессе оплодотворения могут образоваться зиготы, содержащие 2n— 1, 2n—2, 2п+1 и 2n+2 хромосом. В зависимости от числа дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п—112— моносомик, 2п—212 — нуллисомик, 2п+15 — трисомик, 2n+25 — тетрасомик. Цифра внизу указывает номер хромосом­ной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.

Гетероплоидию в генетике растений попользуют для опреде­ления групп сцепления генов, в селекции — для получения меж­сортовых замещенных линий и создания так называемых допол­ненных линий, одна пара хромосом у 'которых замещена иден­тичной парой гомологичных хромосом другого сорта, в которой содержатся гены, контролирующие хозяйственно ценные при­знаки. Для этого создается полный набор гетероплоидных форм по всем парам гомологичиых хромосом. Впервые полные серии мносомиков и нуллисомиков были получены Э. Сирсом у мягкой яровой пшеницы сорта Чайниз Спринт (Китайская яровая) в 40—50-х годах. Нуллисомики по разным парам гомологичных хромосом четко различаются по высоте растений, (морфологиче­скому отроению, величине и стерильности колоса, поэтому мож­но определить локализацию генов в соответствующих хромо­сомах.

Полиплоидия у животных и человека. Полиплоидия у живот­ных встречается крайне редко. Единственный известный случай полиплоидии у млекопитающих — золотистый хомячок, в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у жи­вотных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. Ис­кусственно тетраплоидные формы удавалось получать у некото­рых видов рыб и амфибий, но сохранить тетраплоидное число хромосом в потомстве и даже просто получить потомков не уда­валось. Так, у аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. При скрещива­нии двух подвидов японской лягушки были получены аллоплоиды, но они были бесплодны.

Отмечен единичный случай рождений мальчика-триплоида, в генотипе которого содержалось 66 аутосом и XXY-половых хро­мосом; масса при рождении 2190 г; видимых нарушений в раз­витии отдельных частей тела не наблюдалось. Среди абортиро­ванных плодов человека отмечены также случаи образования триплоидных эмбрионов.

Гетероплоидия наиболее изучена у человека. Установлено, что хромосомные нарушения определяют мертворождение или смерть новорожденных в течение первого и последующих лет жизни. Вместе с тем в некоторых случаях рождаются и живут относительно продолжительное время дети-трисомики по какой-либо хромосоме, но во всех случаях трисомия вызывает пороки развития. В 1960 г. был описан синдром Патау — тяжелое забо­левание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости — 1 : 5000—7000 новорожденных. При этом наблю­даются высокая ранняя смертность, пороки головного мозга и лица, полидактилия (многопалость), пороки внутренних органов, в том числе перегородок сердца.

Синдром, или болезнь, Дауна обусловлен трисомией по 21-й хромосоме, наиболее часто встречается у новорожденных, в сред­нем составляет около 1 на 700—800 рождений. Трисомия по этой хромосоме бывает причиной ряда пороков развития: пороки серд­ца, пищеварительного тракта, патология в форме головы и лица, разболтанность суставов, умственная отсталость.

Причиной трисомии является неравное расхождение хромо­сом в мейозе у одного из родителей, чаще — у матери Причин нарушения мейоза может «быть много, в том числе и возраст ма­тери, как это установлено для синдрома Дауна.

Весьма разнообразны случаи гетероплоидии у человека по половым хромосомам. По данным , частота их встречаемости около 1,6:1000 рождений. Моносомия по Х-хромосоме обусловливает синдром Шерешевского—Тернера. Для него характерны бесплодие, недоразвитие половых признаков, врожденные соматические пороки развития, низкий рост.

Довольно часто встречается трисомия по половым хромосо­мам у мальчиков. Причем, если в кариотипе присутствует не­сколько дополнительных Х-хромосом и хотя бы одна У-хромосома, рождаются мальчики. Частота таких рождений составляет 1,39—1,98 на 1000 рождений мальчиков. Отмечены случаи рож­дения мальчиков и с ди - и трисомией по У-хромосоме (синдром Клайнфельтера). В этом случае в начальный период развития у больных не наблюдается существенных аномалий, но для них, как правило, характерно бесплодие.

Хромосомные аберрации (перестройки). Изменение структу­ры хромосом вследствие их разрывов и перестроек называют хромосомными аберрациями. Любому структурному изменению хромосомы предшествует ее разрыв, при котором получаются два фрагмента, каждый из них имеет по одному «клейкому» кон­цу, а они, в свою очередь, способны соединиться с любым дру­гим «клейким» концом этой или другой хромосомы. Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хро­мосомы в момент воздействия мутагенного фактора. Если хро­мосома находится в состоянии одиночной нити (период G\ ин­терфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий пери­од S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации.

Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в со­стоянии двойной нити (период G2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки.

Различают внутри - и межхромосомные аберрации. К внутри-хромосомным относят делеции, дефишенси, инверсии, дуплика­ции и фрагментации. К межхромосомным — транслокации. Тип хромосомной аберрации обозначают символом с указанием по­рядкового номера хромосомы, в которой она произошла. На­пример, если в 5-й хромосоме произошла делеция, ее обознача­ют символом Dl (5), инверсия In (5), транслокация между 5-й и 1-й хромосомами обозначается Т (5—1) (рис. 49).

Делеция — выпадение участка хромосомы в средней ее ча­сти, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпа­дения концевого участка возникает концевая делеция — дефишенси. Когда делеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, напри­мер желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делеции, как правило, легальны и вызывают гибель организма. Известна крупная делеция 21-й хромосомы человека, которая вызывает тяжелую форму белокровия.

Инверсия (In) возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после пово­рота на 180°. В этом случае группа сцепления генов в данной хромосоме сохраняется, но изменяется положение генов относи­тельно друг друга. Инверсия не влияет на фенотип особи, но при этом нарушается конъюгация гомологичных хромосом в мейозе и в анафазе I образуются инверсионные мосты.

Дупликация (Dp) — удвоение участка хромосомы. Обычно дупликация не оказывает сильного влияния на фенотип особи. Вместе с тем увеличение дозы одного и того же гена может вызвать фенотипическое изменение характера проявления при­знака, как это имеет место у дрозофилы при дупликации гена Ваr (полосковидные глаза). При дупликации данного гена уменьшается число фасеток в глазах насекомого и усиливает­ся деформация глаз.

Фрагментация (F) происходит в результате разрыва хромо­сом или хроматид в нескольких местах одновременно и образо­вания отдельных фрагментов хромосом с последующей утерей в митозе тех из них, которые не содержат центромеры. Как правило, фрагментация обусловливает возникновение летальных мутантов.

Транслокация (Т) — обмен участками между негомологичными хромосомами; ее относят к межхромосомным аберрациям, так как структурные изменения происходят одновременно в двух или более негомологичных хромосомах. Транслокации не изме­няют числа генов в данном генотипе и не всегда проявляются фенотипически, но у особей, гетерозиготных по транслокации, нарушается конъюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы. Японский ученый Й. Тазима в 1959 г, при обработке икс-лучами тутового шелкопряда перенес на Y-хромосому (половая хромосома у тутового шелкопряда детер­минирует женский пол) ген черной окраски грены. X-хромосома не несет этого гена, поэтому белые яички дают самцов, черные — самок. С помощью фотоэлемента можно осуществить сортировку грены и снабжать шелководов греной, из которой выводятся только самцы, образующие более крупные коконы.

Генные мутации. Генными, или точковыми, мутациями назы­вают изменения структуры молекулы ДНК на участке опреде­ленного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы. Следует отметить, что молекула ДНК проявляет от­носительно высокую стабильность и устойчивость к мутагенам, обладает свойством восстанавливать первоначальную структуру и исправлять повреждения, если они затрагивают только одну из комплементарных цепочек. Процесс восстановления перво­начальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены фотореактива­ция и темновая репарация,

Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим фер­ментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исход­ную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолето­выми лучами.

Темновая репарация — механизм исправления различных по­вреждений молекулы ДНК, вызванных химическими или физи­ческими мутагенами. Темновая репарация протекает в несколь­ко этапов, которые были установлены на примере Е. coli P. Сетлоу в 1964 г. При этом участвуют четыре типа ферментов, по­следовательное действие которых исправляет повреждение ДНК, если на данном участке повреждена только одна из двух ком­плементарных нитей ДНК. Схематично этот процесс может быть представлен следующим образом (рис. 50):

1.  Фермент эндонуклеаза «обследует» молекулу ДНК, опо­
знает место повреждения, вблизи него «надрезает» нить ДНК в
начале и в конце поврежденного участка и удаляет его.

2.  Фермент экзонуклеаза расширяет поврежденный участок,
удаляя из нити ДНК 500—1000 нуклеотидов, примыкающих к
поврежденному участку. Такое расширение места повреждения
необходимо для последующего его «застраивания».

3.  Фермент ДНК-полимераза синтезирует удаленный участок
молекулы ДНК, располагая нуклеотиды комплементарно второй
неповрежденной нити.

4.  Фермент лигаза скрепляет синтезированные ДНК-полимеразой фрагменты ДНК друг с другом и с концами поврежденной нити ДНК. Таким образом, осуществляется полное восстановление поврежденных участков молекулы ДНК, и она при­обретает первоначальную структуру.

Репарация молекулы ДНК, как правило, протекает в период G1 митотического цикла. При этом происходит исправление структурных повреждений молекулы ДНК, разрывов полинуклеотидных цепей, удаление некомплементарных нуклеотидов.

Если в молекуле ДНК на одном и том же участке одновре­менно повреждаются обе комплементарные нити, то это повреж­дение не восстанавливается и проявляется в виде генных, или точковых, мутаций. Мутации могут возникать в результате вы­падения или вставки нуклеотидных пар в молекуле ДНК на участке соответствующего гена или замены одного нуклеотида на другой, когда вместо тимина становится гуанин или вместо гуанина — аденин.

Под действием мутагена во втором триплете выпадает нуклеотид тимин, а в седьмом произошла вставка нуклеотида тимина. Вследствие этого на участке данного гена произойдет «сдвиг рамки считывания» мРНК и в полипептидной цепи бу­дут кодироваться другие аминокислоты:

В том случае, когда произошло выпадение или добавление хотя бы одной пары нуклеотидов, нарушается транскрипция — сдвигается «рамка считывания» при синтезе мРНК, изменяется порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи, коди­руемой данным геном. Так, например, на одном из участков ДНК у вируса Т4 в норме имеется следующее чередование три­плетов, обеспечивающее соответствующий порядок расположе­ния аминокислот в полипептидной цепи:

Фенотипическое проявление мутации зависит от того, на ка­ком участке произошла вставка или выпадение нуклеотидной пары. Если она выпала вблизи промотора, то есть в начале структурного гена, то транскрибируется сильно измененная мРНК, транслируется «испорченная» полипептидная цепь и бел­ковая молекула, не выполняя своей функции, быстро инактивируется. Если вставка или выпадение нуклеотидной пары произо­шли на конечном участке данного гена в молекуле ДНК или, как в нашем примере, выпадение сочетается с добавлением нуклеотидной пары, то это не приведет к инактивации белковой молекулы, но повлияет на качество кодируемого белка и обус­ловит изменение признака или свойства.

При замене в триплете ДНК одного нуклеотида другим в полипептидной цепи произойдет замена только одной аминокис­лоты. Так, например, на участке ДНК, кодирующем белок гло­бин человека, в триплете ГТЦ нуклеотид гуанин может замениться тимином и в полипептидной цепи вместо аминокислоты глутамина будет кодироваться лизин. Такое явление получило название «миссенс-мутация».

Миссенс-мутацией называют замену на участке структурного гена одной нуклеотидной пары другой, в результате чего коди­руется включение в полипептидную цепь «неправильной» ами­нокислоты. В этом случае в молекуле ДНК возникает новая аллель данного гена, происходит мутационное изменение фено-тйпического проявления признака. Это явление получило назва­ние множественного аллелизма.

Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же гена (локуса), обусловленное точковыми му­тациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате точковой мутации, называют множественными ал­лелями.

Впервые множественный аллелизм был установлен в 1929— 1930 гг. , и ­вым у дрозофилы на примере локуса гена scute. Множественные аллели этого гена — sc1, sc2, sc3 — вызывали различный харак­тер редукции щетинок на теле дрозофилы.

Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина — белка, необходимого для образования сложных молекул гемоглобина крови. Замена толь­ко одной из 300 аминокислот в белковой молекуле глобина обус­ловливает новый тип гемоглобина. В настоящее время известно около 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множе­ственных аллелей. Например, молекула глобина А (нормальный тип гемоглобина) на одном из участков полипептидной цепи имеет следующий порядок чередования аминокислот: — пролин — глутаминовая кислота — глутаминовая кислота — лизин —. Замена нуклеотидов на данном участке ДНК обусловли­вает кодирование другого типа гемоглобина:

В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяже­лое наследственное заболевание — серповидно-клеточную ане­мию.

Примером множественного аллелизма является нарушение кодирования фермейта триптофансинтетазы, обеспечивающего синтез аминокислоты триптофана у кищечной палочки E. coli,

На участке гена, кодирующего синтез данного фермента, вследствие точковой мутации происходит изменение порядка чередования нуклеотидов в молекуле ДНК на участке триплета, кодирующего аминокислоту глицин. Это определяет замену глицина в полипептидной цепи глутамином или аргинином.

Интересно, что у животных белковые молекулы, выполняю­щие сходные функции, различаются небольшим числом аминокислот. Так, молекулы инсулина у животных разных видов от­личаются составом аминокислот только на одном участке моле­кулы (табл. 4).

Генные мутации могут возникать не только в одном, но и в разных генных локусах, имеющих сходное влияние на характер развития признака, поэтому при работе с мутантами бывает не­обходимо установить, действительно ли причиной мутации яв­ляются множественные аллели. Для этого используют метод, предложенный и получивший название «крите­рий аллелизма. Если при скрещивании двух мутантов в F1 про­является признак одного из них, a a F2 наблюдается расщепле­ние в отношении 3: 1, то имеет место множественный аллелизм одного гена.

Если при скрещивании двух мутантов в F1 проявляется при­знак дикого типа, а в F2 имеет место расщепление в отношении 9:7, как при комплементарном взаимодействии, то мутировали разные гены:

Множественные аллели обозначают символом основного гена с буквенным либо цифровым знаком. Например, у томатов в локусе длинного плеча второй хромосомы известна серия аллелей, детерминирующих различную высоту растений. Аллель d+ (дикий тип) контролирует нормальную высоту растений, он доми­нантен к другим аллелям данной серии. По степени доминирования при выращивании растений в теплице аллели располага­ются следующим образом:

Серией множественных аллелей детерминируется и полимор­физм белков у животных. В 1957 г. Эштон у крупного рогатого скота установил полиморфизм белков трансферрина, составля­ющего около 3—6% сыворотки крови. Белок трансферрин состо­ит из одной полипептидной цепи, включающей около 750 амино­кислот. Полиморфизм трансферрина проявляется в виде раз­личных фракций при электрофорезе. Локус трансферрина обо­значают буквами Tf, а его аллели — TfA, TfD, TfE. Наследуются они по типу кодоминирования, то есть в гетерозиготном состоя­нии проявляются фракции, кодируемые обоими аллелями.

Наследование признаков, контролируемых множественными аллелями, имеет сложный характер. Различают следующие ос­новные типы доминирования:

полное доминирование; доминантный аллель подавляет про­явление любого другого аллеля данной серии. Остальные алле­ли детерминируют более слабое проявление признака, а в гете­розиготном состоянии обладают кумулятивным (суммирующим) эффектом. По такому типу наследуется синтез пигмента мела­нина, определяющего интенсивность окраски меха у гвинейской (морской) свинки. Если принять количество меланина, синте­зируемого животными, имеющими генотип СС, за 100%, а саса— за 0 (альбиносы), аллель сr —42%, a cd — 39%, то при полном доминировании аллеля С у животных, имеющих генотипы СС, Ccr, Ccd, Cca, будет содержаться 100% меланина и они будут иметь темную окраску. Содержание меланина у животных» имеющих другие генотипы, зависит от сочетания аллелей: живот­ные с генотипом сrсr будут иметь 84% меланина, crcd— 74, сrса — 42, cdcd— 67, cdca — 39%, саса — 0, то есть будут альбиносами;