Геномний рівень і біологічна мінливість

Геномний рівень і біологічна мінливість. геномні мутації

Геномні мутації представлені двома групами змін в генетичному апараті еукаріот. По-перше, це зміна числа геномів на клітку в порівнянні з диплоїдним або подвоєним як в сторону зменшення до одинарного - Гаплоїдія, так і в бік збільшення до трикратного, чотириразового і далі - полиплоидия. Приклади обох варіантів геномних мутацій такого роду, а також їх вплив на життєздатність особин-мутантів - див. П. 4.3.3. Ці приклади відносяться до світу тварин. У світі рослин негативні наслідки мутацій, пов'язаних зі зміною кількості геномів, не настільки очевидні. Навпаки, селекціонери нерідко індукують такі мутації, отримуючи шляхом відбору серед мутантів нові сорти. Так, якщо порівняти кількість генетичного матеріалу (ДНК) в клітинах культивованих сортів злакових, наприклад пшениці, легко переконатися в розбіжностях, які в абсолютному вираженні кратні величині, відповідної одинарному (гаплоидному) набору хромосом, т. Е. Геному.

Геномні мутації, що складаються в зміні числа геномів, призводять до зміни дози всіх структурних генів і нуклеотиднихпослідовностей з іншими (регуляторними, сервісними, конценсуснимі) функціями. З наведених прикладів випливає, що для індивідуального розвитку і життєдіяльності несприятливі в однаковій мірі як зменшення (Гаплоїдія), так і збільшення (поліплоїдія) дози генів в порівнянні з подвоєною (диплоидов).

По-друге, до геномних мутацій відносять зміни числа окремих хромосом - анеуплоідія. Серед мутацій такого роду виділяють 2 варіанти. З одного боку, це зменшення числа гомологічниххромосом конкретної пари в диплоїдний набір з двох до одного - мо-носом, з іншого - збільшення числа до трьох і більше - трисомія, полисомой. Геномні мутації, які полягають у зміні числа окремих хромосом, призводять до порушення генного балансу по тій чи іншій групі зчеплення (див. П. 4.3.2.1). Достовірно встановлено, що повні моносомии по аутосомам нежиттєздатні. У всякому разі серед народжених людей організми-моносоміком по аутосомам не виявлені. Навпаки, життєздатні особини-моносоміком за статевими хромосомами відомі. Так, у людей з синдромом Шерешевського-Тернера (рис. 4.20) втрачена одна з статевих хромосом - каріотип 45ХО. Саме по хромосомах Х і Y можлива полисомой. Зокрема, серед людей виявлені три-, тетра-, пентасомікі по хромосомі Х -

Мал. 4.20. Синдром моносомии Х (ХО-синдром, синдром Шерешевського-Тернера): а - зовнішній вигляд хворої; б - каріотип жінки з синдромом ХО: I - виражена трапецієвидна шийна складка, широка грудна клітка, широко розставлені і слабо розвинені соски молочних залоз; II - характерні лімфатичні набряки на ногах

Мал. 4.21. Каріотип жінки з синдромом трисомії Х

каріотипи 47ХХХ (рис. 4.21), 48ХХХХ, 49ХХХХХ. Виявлено суб'єкти зі збільшеним числом хромосом Y (каріотипи 47ХYY, 48ХYYY) - синдром Клайнфельтера. Названий синдром відтворюється і при ка-ріотіпе XXY (рис. 4.22). Зустрічаються каріотипи 48ХХХY і 48ХХYY, а також мозаїки, в організмі яких частина клітин має моносомія по хромосомі Х, тоді як частина клітин відрізняється звичайним чоловічим каріотипом - 45Х0 / 46ХY). Особи з каріотипами, наведеними вище і мають відхилення від нормального, характеризуються більш-менш вираженим порушенням здоров'я, зокрема статевого.

Відомі організми-трисомік по аутосомам. Особи з синдромом Дауна, наприклад, характеризуються трисомія по хромосомі 21. «Зайва» хромосома 21 у таких пацієнтів може існувати самостійно (рис. 4.23) або ж бути транслоцироваться на іншу хромосому

Мал. 4.22. Синдром Клайнфельтера: а - зовнішній вигляд хворого (характерний високий зріст, непропорційно довгі кінцівки); б - каріотип хворого (XXY)

Мал. 4.23. Синдром трисомії 21 (синдром Дауна): а - зовнішній вигляд хворого; б - каріотип хворого

(Рис. 4.24). Молекулярно-цитогенетичні та клініко-генетичні дослідження останніх десятиліть показали, що хромосома 21 має «критичний» ділянку (q22.3). Збільшення дози сайтів цієї ділянки до трьох, власне, і дає розвиток синдрому Дауна (часткова Тріс-мія по хромосомі 21). Імовірно ключову роль у розвитку типовою для названого синдрому розумової відсталості грає збільшення дози гена ферменту супероксиддисмутази, розташованого в критичній ділянці q22.3. Нагадаємо, що цей фермент - важливий учасник внутрішньоклітинних антиоксидантних механізмів, що забезпечують зниження негативних наслідків освіти АФК (вільні радикали), см. П. 2.4.8. Встановлено, що у людини, поряд з трисомії-їй 21, сумісні з життям трисомії по хромосомах 8 (рис. 4.25), 13 (синдром Патау - рис. 4.26) і 18 (синдром Едвардса - рис. 4.27), тоді як повні трисомії по хромосомах 1, 5, 6, 11 і 19 призводять до загибелі ембріона на ранніх стадіях розвитку. Трисомія по хромосомі 16 виявляється тільки в матеріалі абортусов.

Цитологічні механізми геномних мутацій пов'язані з порушенням гаметогенеза (мейозу): з нерозходженням або втратою геномів (поліплоїдія, Гаплоїдія), а також окремих хромосом (анеуплоідія). Нерасхожденіе в мейозі геномів призводить до утворення диплоїдних гамет. При заплідненні таких гамет гаплоидной гаметой виникають триплоїдні особини. Народження тетраплоідних організмів має в своїй основі більш складні порушення мейозу або ж події на стадії перших дроблень зиготи.

З практики селекційної роботи відомі приклади освіти життєздатних і дають потомство гетерополіплоідних рослин. Зокрема, мова йде про межвидовом гібриді капусти і редьки (Г.Д. Кар-Печенко). У гаплоидном геномі гамет цього гібрида об'єднані геноми (хромосоми) батьків - капусти і редьки. Названий гібрид не знайшов застосування в сільському господарстві, оскільки в протиріччі з очікуваним - надземна частина капусти і підземна редьки, і перспектива отримувати з однієї площі землі одночасно урожай двох різних овочів - він мав надземну частину редьки і підземну капусти.

До первинної гаплоидности може привести розвиток особини з яйцеклітини без запліднення (партеногенез).

До анеуплоідіі веде нерасхождение хромосом в анафазе першого поділу мейозу. При цьому одна з майбутніх гаплоїдних статевих клітин несе «зайву» хромосому, тоді як друга позбавлена цієї хромосоми.

Мал. 4.24. Каріотип при Транслокаційний синдромі Дауна. Одна хромосома 21 приєднана до хромосомі 15 - зазначено стрілкою

Мал. 4.25. Синдром трисомії 8: а - зовнішній вигляд хворого; б - контрактури в міжфалангових суглобах кистей

Мал. 4.26. Синдром трисомії 13 (синдром Патау): а - зовнішній вигляд хворого; б - каріотип хворого трисомія в групі D

Мал. 4.27. Синдром трисомії 18 (синдром Едвардса): а - зовнішній вигляд хворого; б - каріотип хворого трисомія в групі Е

Мал. 4.28. Порушення розбіжності окремих бівалентов (1, 2, 3) як причина анеуплоідіі: а - метафаза I мейозу; б - утворення аномальних гамет внаслідок порушення розходження 3-го бивалента в анафазе I мейозу; в - запліднення аномальної гамети нормальною гаметой особи іншої статі; г - утворення зигот з анеуплоїдними каріотипами (моносомія і три-сомія по хромосомі 3, відповідно зверху і знизу)

Участь таких гамет в заплідненні призводить відповідно до три-соміям і Моносомія (рис. 4.28).