X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Одним из наиболее трудно объяснимых явлений в истории человечества является наследственность. Многие ученые выдвигали свои гипотезы о возникновении наследственной патологии. Однако их предположения не были основаны на строгих научных наблюдениях. В XX веке с развитием генетики было выяснено и научно подтверждено, что такие патологии имеют наследственную природу. Актуальность же этой проблемы сохраняется и на сегодняшний день.

Цель: исследование геномных и хромосомных мутаций, а также влияние физических факторов на частоту данных мутаций.

Задачи:

1.Рассмотреть краткий исторический аспект в изучении мутаций.

2.Рассмотреть классификацию мутаций.

3.Исследовать геномные и хромосомные мутации.

4. Изучить мутагены и их классификацию.

5. Выявить влияние физических факторов на частоту данных мутаций.

Краткая история развития изучения мутаций

Наследственные изменения, которые возникают внезапно и имеют скачкообразный характер, называются мутациями (лат. Mutatio – изменение). Отдельные мутации известны науке уже давно. Ч. Дарвин в своей книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» описал значительное количество мутаций, которые он назвал «единичными изменениями».

Термин «мутация» в современном звучании был предложен Гуго де Фризом в классическом труде «Мутационная теория» (1890 г.). Главным объектом его исследований было растение энотера. Одновременно с русским исследователем С.И. Коржинским он обнаружил среди энотер один экземпляр, значительно превосходивший другие по размеру. На протяжении пяти лет ученый следил за развитием этой энотеры. Все потомки этого измененного (мутантного) организма сохранили «гигантизм» – они были высокие, с большим количеством листьев, стеблей. Де Фриз нашел и другие мутантные формы энотеры – низкого роста, более нежного строения, некоторые были очень слабы, а другие весьма крепки. Различались и плоды растений: у одних растений они были сходны с плодами материнского вида, у других – короче и толще, у третьих – тоньше и длиннее.

Де Фриз удивительно правильно сформулировал понятие мутации: явление скачкообразного, прерывного изменения наследственного признака. С.И. Коржинский, просмотрев огромное количество архивных ботанических материалов, пришел к аналогичному выводу: «возникновение новых форм есть явление, общее для всего мира живых существ, а наследственные изменения всегда возникают скачками, а не постепенно».

Попытки искусственно вызвать мутации предпринимались еще Луи Пастером, который сконструировал специальный аппарат, при помощи которого надеялся нарушить наследственность. Другие исследователи пытались вызвать мутации с помощью химических соединений, резких изменений температуры.

К сожалению, эти работы не только не получили признания, но и не имели значения, поскольку тогда еще не было метода, позволяющего определить частоту мутаций, отличить истинные мутации от простого расщепления признаков.

Только в 1925 г. наши соотечественники Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов добились успеха: в их экспериментах облучение дрожжей рентгеновскими лучами достоверно увеличило частоту мутаций. Спустя два года, в 1927 г., сходный результат получил американский ученый Г.Меллер, облучая плодовую мушку дрозофилу – классический объект генетических исследований. В том же году в Берлине состоялся V Международный генетический съезд, на котором сообщение Г.Меллера стало сенсацией: рентгеновские лучи вызывали 150-кратное увеличение частоты мутаций.

Через 9 лет американский ученый Т.Морган продолжил изучение на дрозофиле радиационного мутагенеза. Вскоре совместными усилиями генетиков всего мира было идентифицировано более 500 мутаций, вызванных облучением. В 1946 г. за работы в этой области Г.Меллер был удостоен Нобелевской премии.

Прошло совсем немного времени, и в 1955–1958 гг. ученые нашей страны во главе с академиком Н.П. Дубининым, оценивая генетический эффект радиации, установили, что доза 10 рад (10 бэр) удваивает частоту мутаций в клетках фибробластов человека

(в культуре). Эта величина в качестве максимально допустимой дозы была принята Научным комитетом по радиации, а затем утверждена Генеральной Ассамблеей ООН (Женева).

Исследования мутагенного эффекта химических соединений были начаты также достаточно давно. Первые экспериментальные работы были проведены нашими соотечественниками – известными учеными В.В. Сахаровым и М.Е. Лобашевым в 1934 г. Они показали, что действие химических соединений вызывает увеличение частоты мутаций в клетках гречихи. Позже И.А. Раппопорт в СССР и Ш.Ауэрбах в Великобритании открыли мощные химические мутагены и назвали их супермутагенами.

В 1946 г. И.А. Раппопорт обнаружил, что при действии формальдегида в сублетальной дозе на личинок дрозофилы возникло 47 летальных мутаций (в расчете на 794 хромосомы), сцепленных с полом. В контрольной группе была найдена только одна мутация на 833 хромосомы.

Ш.Ауэрбах и Д.Робсон показали, что под действием серного и азотного аналогов горчичного газа (иприта) на дрозофилу частота мутаций, сцепленных с полом, возрастала с 0,2% (контроль) до 24%.

В дальнейшем эти авторы обнаружили, что указанные вещества вызывают как перестройки хромосом, так и все виды прямых и обратных мутаций. Проведенные английскими учеными сравнения действия химических веществ (иприт, формальдегид и уретан) с радиационным воздействием не выявили принципиальных различий в характере индуцируемых изменений: химические соединения, подобно радиационному облучению, индуцируют как генные, так и хромосомные мутации.

Впоследствии было показано, что большое количество искусственно синтезируемых веществ – мутагены и канцерогены. Это открытие привело к заключению, сделанному в 70-х гг. прошлого столетия профессором кафедры медицинской генетики Висконского университета Кру: «Есть все основания для беспокойства в связи с тем, что некоторые химические вещества могут быть настолько же опасными, как радиация, и даже больше».

В 1960-х гг. была сделана первая попытка классификации химических мутагенов по их структуре и действию.

Классификация мутаций

По месту их возникновения:

генеративные — возникшие в половых клетках. Они не влияют на признаки данного организма, а проявляются только в следующем поколении.

соматические — возникающие в соматических клетках. Эти мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении (черное пятно на фоне коричневой окраски шерсти у каракулевых овец). Сохранить соматические мутации можно только путем бесполого размножения (прежде всего вегетативного).

По адаптивному значению:

Полезные — повышающие жизнеспособность особей.

Вредные:

летальные — вызывающие гибель особей;

полулетальные — снижающие жизнеспособность особи (у мужчин рецессивный ген гемофилии носит полулетальный характер, а гомозиготные женщины оказываются нежизнеспособными).

нейтральные — не влияющие на жизнеспособность особей.

Эта классификация весьма условна, так как одна и та же мутация в одних условиях может быть полезной, а в других — вредной.

По характеру проявления:

доминантные, которые могут делать обладателей этих мутаций нежизнеспособными и вызывать их гибель на ранних этапах онтогенеза (если мутации являются вредными);

рецессивные — мутации, не проявляющиеся у гетерозигот, поэтому длительное время сохраняющиеся в популяции и образующие резерв наследственной изменчивости (при изменении условий среды обитания носители таких мутаций могут получить преимущество в борьбе за существование).

По степени фенотипического проявления:

крупные — хорошо заметные мутации, сильно изменяющие фенотип (махровость у цветков);

малые — мутации, практически не дающие фенотипического проявления (незначительное удлинение остей у колоса).

По характеру их появления:

спонтанные — мутации, возникшие естественным путем под действием факторов среды обитания;

индуцированные — мутации, искусственно вызванные действием мутагенных факторов.

По характеру изменения генотипа:

1. Генные – мутации, выражающиеся в изменении структуры отдельных участков ДНК

2. Хромосомные – мутации, характеризующиеся изменением структуры отдельных хромосом.

3. Геномные – мутации, характеризующиеся изменением числа хромосом.

По месту их проявления:

1. Ядерные

a. Хромосомные

b. Точковые - Генная мутация, представляющая собой замену (в результате транзиции или трансверсии), вставку или потерю одного нуклеотида.

c. Геномные

2.Цитоплазменные–мутации, связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

Геномные мутации

Геномными называют мутации, в результате которых происходит изменение в клетке числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения митоза или мейоза, приводящих либо к неравномерному расхождению хромосом к полюсам клетки, либо к удвоению хромосом, но без деления цитоплазмы.

Различают полиплоидию и анеуплоидию. В первом случае происходит кратное (в 2, 3, 4 и т. д. раза) увеличение числа хромосом. Во втором случае число хромосом увеличивается или уменьшается не кратно, обычно на одну или две хромосомы.

Полиплоидия как геномная мутация широко распространена среди растений. Различают автополиплоидию (кратное увеличение числа хромосом одного организма) и аллополиплоидию (кратное увеличение числа хромосом межвидового или межродового гибрида, после чего он может стать плодовитым).

Другой вид геномных мутаций — анеуплоидия — обычно приводит к серьезным аномалиям развития. Особенно при изменении числа аутосом. Изменение числа половых хромосом оказывает на фенотип менее значительное влияние.

Организмы, имеющие одну добавочную хромосому, называются триплоидами. У человека триплоидами по 21 хромосоме являют люди с синдромом Дауна. Это единственные триплоиды человека обладающие относительно нормальной жизнеспособностью.

Триплоидия по другим аутосомам обычно приводит к гибели в период эмбрионального или раннего постэмбрионального развития.

Организмы с недостатком одной хромосомы называются моносомиками. У них одна из хромосом не имеет гомологичной. Если отсутствует целая пара гомологичных хромосом, то организм называется нулисомиком. Обычно зиготы-моносомики, а тем более нулисомики не развиваются. Поэтому такие организмы в частности у человека почти не описаны (это не касается моносомии по половым хромосомам). У человека жизнеспособным является частичный моносомик, у которого в результате делеции теряется часть 5-й хромосомы (возникает синдром кошачьего крика).

Существуют мозаичные организмы, у которых геномную мутацию имеют лишь часть клеток. Такой диагноз как мозаицизм ставится, если клеток с ненормальным числом хромосом больше четверти. Не следует путать мозаичные организмы с химерными, которые к геномным мутациям не имеют отношения. При химеризме организм состоит из клеток разных зигот (фактически разных особей), при этом все клетки обычно имеют нормальный кариотип.

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации - это структурные изменения отдельных хромосом, как правило, видимые в световом микроскопе. В хромосомную мутацию вовлекается большое число (от десятков до не­скольких сотен) генов, что приводит к изменению нормального диплоидного набора. Несмотря на то что хромосомные аберрации, как правило, не изменяют последовательность ДНК в специфических генах, изменение числа копий генов в геноме приводит к генетическому дисбалансу вследствие недостатка или избытка генетического материала.

Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные (рис.1).

Рисунок 1.Виды хромосомных мутаций.

— делеции (от лат. deletio — уничтожение)— утрата одного из участков хромосомы, внутреннего или терминального. Это может обусловить нарушение эмбриогенеза и формирование множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча 5-й хромосомы, обозначаемая как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, порокам сердца, отставанию умственного развития). Этот симптомокомплекс известен как синдром «кошачьего крика», (рис.2) поскольку у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье;

Рисунок 2.Синдром кошачьего крика.

— инверсии (от лат. inversio — перевертывание). В результате двух точек разрывов хромосомы образовавшийся фрагмент встраивается на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается только порядок расположения генов;

— дупликации (от лат duplicatio — удвоение) — удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по одному из коротких плеч 9-й хромосомы обусловливает множественные пороки, включая микроцефалию (рис.3), задержку физического, психического и интеллектуального развития).

Рисунок 3. Микроцефалия.

Рисунок 4. Схемы наиболее частых хромосомных аберраций. Делеции: 1 - концевая; 2 - интерстициальная. Инверсии: 1 - перицентрическая (с захватом центромеры); 2 - парацентрическая (в пределах одного плеча хромосомы).

Межхромосомные мутации, или мутации перестройки — обмен фрагментами между негомологичными хромосомами.

Такие мутации получили название транслокации:

- реципрокная транслокация, когда две хромосомы обменива­ются своими фрагментами;

- нереципрокная транслокация, когда фрагмент одной хромо­сомы транспортируется на другую;

- «центрическое» слияние (робертсоновская транслокация) - соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч.

При поперечном разрыве хроматид через центромеры «сестринские» хроматиды становятся «зеркальными» плечами двух разных хромосом, содержащих одинаковые наборы генов. Такие хромосомы называют изохромосомами.

Как внутрихромосомные (делеции, инверсии и дупликации), так и межхромосомные (транслокации) аберрации и изохромосомы связаны с физическими изменениями структуры хромосом, в том числе с механическими разломами.

Мутагены и их классификация

Мутагены - химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения - мутации.

Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.

1. Физические мутагены:

ионизирующее излучение;

радиоактивный распад;

ультрафиолетовое излучение;

моделированное радиоизлучение и электромагнитные поля;

чрезмерно высокая или низкая температура.

2. Химические мутагены:

окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

пестициды (например, гербициды, фунгициды);

некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды);

продукты переработки нефти;

органические растворители;

лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).

к химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК)

3. Биологические мутагены:

специфические последовательности ДНК ;

некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);

продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);

антигены некоторых микроорганизмов.

Среди физических мутагенов различают ионизирующую радиацию и ультрафиолетовое излучение (УФ), входящие в ту часть электромагнитного спектра, который содержит волны более короткие и с большей энергией, чем видимый свет. Ионизирующие излучения и УФ излучения ответственны примерно за 10% всех встречающихся в ДНК мутаций.

Ионизирующие излучения – это рентгеновское излучение, протоны и нейтроны космических лучей, а также лучи, освобождаемые элементами изотопов. Ионизирующие излучения индуцируют генные мутации, а также хромосомные разрывы, сопровождающиеся аберрациями.

Наиболее выраженное действие излучение оказывает на половые клетки человека, вплоть до развития бесплодия. Характерной особенностью ионизирующего излучения является то, что для него отсутствует пороговость в дозе, и оно обладает коммулятивным эффектом. УФ излучение не опасно для половых клеток человека, поскольку поглощается кожей, но опасно для самой кожи, т.к. вызывает образование в клетках кожи тиминовых димеров, вызывающих развитие в ней злокачественных новообразований.

Особенности действия физических мутагенов

Ионизирующее излучение (альфа–, бета–, гамма–, нейтронное и рентгеновское излучение), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ-излучение, экстремальные температуры.

Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры.

Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.

1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма- квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа- частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.) Опосредованное воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

3. Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин – тимин» и «тимин – цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

4. Особенности мутагенного действия экстремальных температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем.

Заключение

Таким образом, мутационный процесс является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям. В результате мутаций могут изменяться самые различные биохимические, физиологические и морфологические признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших изменения, – мутантов – могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначительные отклонения от среднего для данного вида значения признака.

В ходе проделанного исследования, следует отметить, что задачи науки на ближайшие время определяются уменьшением генетического груза путем предотвращения или снижения вероятности мутаций и устранения, возникших в ДНК изменений.

Список используемой литературы:

1. Рубан Э.Д. Генетика человека с основами медицинской генетики. Учебник/ / Э.Д. Рубан. – Изд.: Феникс, 2014. – 320 с.

2. Сазанов, А.А. Генетика: учебное пособие / А.А. Сазанов. – Издательство: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2011.

3. Хандогина, Е.К. Основы медицинской генетики: учебное пособие / Е.К. Хандогина, А.А. Хандогина, З.Н. Рожкова. – Изд. : Форум Инфра-М, 2009. – 176 с.

4. https://krasgmu.net/publ/gennye_mutacii_prichiny_primery_klassifikacija/2-1-0-1253

5. https://studwood.ru/1673321/meditsina/faktory_vliyayuschie_chastotu_genomnyh_hromosomnyh_mutatsiy

6. http://teachpro.ru/EOR/School%5COBJSupplies8/Html/der08145.htm

7. http://biofile.ru/bio/6686.html

Код для цитирования: Скопировать