Общая генетика: наследственность, изменчивость и мутации

Введение в общую генетику. Общая генетика является фундаментальной биологической дисциплиной, изучающей организацию наследственного материала. Она устанавливает универсальные для всех живых организмов законы наследственности и изменчивости. Эти два свойства составляют основу эволюции и индивидуального развития. Изучение этих процессов позволяет понять механизмы передачи и реализации генетической информации.

Основные свойства живых систем.Живые системы характеризуются двумя фундаментальными и противоположными свойствами. Наследственность — это свойство сохранять из поколения в поколение сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды. Изменчивость — это свойство организма приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития под влиянием факторов внешней и внутренней среды. Взаимодействие между генотипом и средой формирует окончательный фенотип организма.

Наследственная изменчивость и ее формы. Наследственная (генотипическая) изменчивость обусловлена способностью к изменению самого генетического материала. Она подразделяется на две основные формы. Комбинативная изменчивость обеспечивается перекомбинированием генов, хромосом и их сегментов, несущих различные аллели, что выражается в разнообразии организмов-потомков. Мутационная изменчивость является результатом возникающих стойких изменений генов и/или хромосом, которые обусловливают качественные изменения наследственных признаков.

Понятие мутации и мутационная теория.Термин «мутация» был предложен голландским ботаником Гуго де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901—1903 гг.). Мутации определяются как элементарные, внезапные, качественные и устойчивые изменения единиц наследственности. Основные положения теории де Фриза включают внезапность возникновения, константность проявления, наследуемость и разнонаправленность эффектов (полезные, вредные, нейтральные). Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом, а организм, изменивший свой фенотип в результате мутации, — мутантом.

Исторический контекст изучения мутаций.Особая важность изучения мутационного процесса связана с тем, что мутации служат основой многих наследственных болезней человека. Впервые теорию непрерывно идущего мутационного процесса выдвинул С.И. Коржинский в работе «Гетерогенезис и эволюция» (1899 г.). Позже Томас Гент Морган обнаружил сцепленное наследование признаков и генетическую рекомбинацию, что заложило основу хромосомной теории наследственности и принесло ему Нобелевскую премию. Генотип определяет спектр возможных фенотипов, известный как норма реакции.

Классификация мутаций по происхождению и проявлению.Общая классификация мутаций обширна и учитывает различные критерии. По происхождению выделяют спонтанные мутации (возникающие самопроизвольно) и индуцированные мутации (вызванные экспериментальным воздействием). По проявлению в гетерозиготном состоянии мутации делятся на доминантные и рецессивные. По направлению различают прямые мутации (переводят аллель дикого типа в мутантное состояние) и обратные мутации (реверсии).

Геномные мутации: изменение числа хромосом. Геномные мутации — это изменения кариотипа, выражающиеся в изменении числа хромосомных наборов или отдельных хромосом. Гаплоидия — уменьшение числа хромосом вдвое (гаплоидный набор, n), у человека встречается редко и обычно нежизнеспособно. Полиплоидия — кратное увеличение числа хромосом (например, 3n — триплоидия, 4n — тетраплоидия). Полиплоиды могут быть аутополиплоидами (повтор одного набора) или аллополиплоидами (от скрещивания разных видов).

Причины и примеры полиплоидии. Полиплоидия возникает, как правило, к нарушению расхождения хромосом в митозе или мейозе, либо слиянию соматических клеток. Многие культурные растения являются полиплоидами: пшеница, овес, картофель, яблоня. Примером межвидового скрещивания у животных является мул (осел и лошадь) или лошак (конь и ослица), которые часто бесплодны. У человека триплоидия (69,ХХХ или 69,XXY) часто приводит к спонтанным абортам.

Анеуплоидия и ее типы. Анеуплоидия — это некратное гаплоидному набору изменение числа хромосом (2n+/-1 или 2). Нуллисомия — отсутствие обеих гомологичных хромосом (2n-2), у человека не описана. Моносомия — утрата одной хромосомы из пары (2n-1), пример — синдром Шерешевского-Тернера (45,X). Полисомия — избыток хромосом: трисомия (2n+1) — синдром Дауна (21-я хромосома), синдром Патау (13-я), синдром Эдвардса (18-я), синдром Клайнфельтера (по половым хромосомам); тетрасомия (2n+2).

Хромосомные мутации и перестройки. Хромосомные мутации — это изменения структуры хромосом, включающие перестройки их частей. Хромосомы содержат эухроматин (транскрипционно активный) и гетерохроматин (неактивный). Основные типы перестроек: дупликация (удвоение участка), делеция (утрата участка), инверсия (поворот участка на 180°), транслокация (перемещение участка). Примеры: синдром кошачьего крика (делеция 5p), синдром Орбели (делеция 13q), Филадельфийская хромосома (реципрокная транслокация).

Генные и другие типы мутаций. Генные (точковые) мутации — это изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в пределах гена (вставки, выпадения, замещения). По силе проявления аллелей мутации бывают: гиперморфные (усиление действия гена), гипоморфные (ослабление), неоморфные (новый продукт), аморфные (потеря функции), антиморфные (противоположное действие). По влиянию на жизнеспособность выделяют летальные, полулетальные, условно летальные, стерильные и нейтральные мутации.

Классификация по проявлению и локализации.По характеру регистрируемого проявления мутации делят на морфологические, физиологические, поведенческие (этологические) и биохимические. По локализации изменяемого материала различают ядерные и цитоплазматические (митохондриальные, пластидные) мутации. По месту возникновения: генеративные (в половых клетках, передаются по наследству) и соматические (в соматических клетках, не передаются, характерны для бесполого размножения).

Фенотипическая изменчивость и ее механизмы. Фенотипическая изменчивость не затрагивает генотип. Онтогенетическая изменчивость — это реализация нормы реакции организма во времени в ходе индивидуального развития. Характер проявления генов зависит от свойств самого гена и эпигена — всех факторов, определяющих активность генов. Механизмы этой изменчивости включают транспозируемые (подвижные) элементы, альтернативный сплайсинг и метилирование ДНК.

Модификационная и наследственная изменчивость. Модификационная изменчивость — способность организма изменяться в пределах нормы реакции под влиянием среды. Эпигенетическая изменчивость не затрагивает первичную структуру ДНК. Наследственная изменчивость включает комбинативную и мутационную формы. Комбинативная изменчивость обеспечивает разнообразие потомков за счет перекомбинации родительских генов.

Механизмы комбинативной изменчивости.Основные механизмы комбинативной изменчивости обеспечивают генетическое разнообразие. Это кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом в профазе I мейоза), независимое расхождение хромосом (в анафазе мейоза I) и независимое расхождение хроматид (в анафазе мейоза II). Завершающим механизмом является случайное сочетание гамет при оплодотворении, что приводит к новым, уникальным комбинациям аллелей.

Мутагены и их природа. Мутагены — это факторы, вызывающие мутации. По своей природе они делятся на три основные группы. Физические мутагены включают ионизирующее излучение (ИИ), ультрафиолетовое (УФ) излучение и температуру. Химические мутагены — это никотин, алкоголь, многие лекарства и промышленные агенты. Биологические мутагены включают некоторые вирусы, бактерии и другие биологические агенты.

История изучения физического мутагенеза.В 1925 году отечественные ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов обнаружили повреждающее действие лучей радия на дрожжевые клетки. В 1928 году Г. Мёллер разработал методы количественного учета мутаций у дрозофилы и доказал мутагенный эффект рентгеновских лучей. Ионизирующие излучения (рентгеновские, гамма-лучи, альфа- и бета-частицы) вызывают ионизацию атомов и молекул в клетке. Было установлено, что частота мутаций линейно зависит от дозы облучения.

Особенности разных типов излучений.Наиболее важные характеристики радиационного мутагенеза включают отсутствие пороговой дозы и зависимость эффекта от вида излучения, дозы и состояния систем репарации ДНК. В отличие от ионизирующих излучений, УФ-лучи обладают меньшей энергией и не вызывают ионизации, а лишь возбуждают электроны. Их мутагенный эффект проявляется в основном в клетках, образующих монослой (микроорганизмы, пыльца), и приводит преимущественно к генным мутациям.

Особенности химического мутагенеза. Химический мутагенез имеет ряд специфических особенностей. Эффект зависит от дозы и продолжительности обработки. Для него характерна более высокая частота генных мутаций по сравнению с хромосомными перестройками. Наблюдается задержанный мутагенез — проявление мутации через несколько клеточных поколений. Химические мутагены часто обладают региональной и генной специфичностью, а также канцерогенными и тератогенными свойствами.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Конспекты и лекции по биологии.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников.

Данные публикации будут полезны студентам биологических и медицинских специальностей, начинающим специалистам в области молекулярной биологии, биоинформатики и генетики, а также всем, кто интересуется основами биологии как науки.