Реферат: Проблема мутации Введение

Проблема мутации

Введение

Генетика – наука сравнительно молодая. Лишь на рубеже XVIII – XIX веков были сделаны попытки оценить наследственность людей. Мопертюи в 1750 году впервые предположил, что различные патологии могут передаваться по наследству. Затем в XIX веке были выявлены некоторые закономерности. Однако официальной датой рождения генетики принято считать весну 1900 года, когда независимо друг от друга голландский ученый Г. де Фриз, немецкий Корренс и австрийский ученый Чермак "переоткрыли" законы Менделеева, что и дало толчок к развитию генетических исследований. Уже в 1901 - 1903 годах Г. де Фризом была создана мутационная теория, постулаты которой справедливы и сегодня: мутации возникают внезапно, устойчивы, могут быть прямыми и обратными и, наконец, могут возникать повторно.

^ Генотипическая изменчивость

Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточным, организменном и популяционном уровнях. Генетика человека говорит о законах наследственности и изменчивости у человека в норме и при патологиях. Так что же такое изменчивость? Генотипическая изменчивость — изменения, произошедшие в структуре генотипа и передаваемые по наследству. К этому типу изменчивости относят комбинативную и мутационную изменчивость, которые ведут к увеличению внутривидового разнообразия в природе. Предполагалось, что именно изменчивости таких типов мутаций и сыграли немаловажную роль в мировой эволюции.

Комбинативная изменчивость

Комбинативная изменчивость возникла с появлением полового размножения, она связана с различными вариантами перекомбинации родительских задатков и является источником бесконечного разнообразия сочетаемых признаков. Так, дети, рожденные в разное время у одной родительской пары, похожи, но всегда отличаются рядом признаков.

Комбинативная изменчивость обуславливается вероятностным участием гамет в оплодотворении, имеющих различные перекомбинации хромосом родителей. При этом минимальное число возможных сортов гамет у мужчин и женщин огромно, оно равно 223 (без учета кроссинговера). Поэтому вероятность рождения на земле двух одинаковых людей ничтожно мала.

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость связана с процессом образования мутаций. Мутации — это внезапные скачкообразные стойкие изменения в структуре генотипа. Организмы, у которых произошла мутация, называются мутантами. Мутационная теория была создана, как говорилось выше, Гуго де Фризом в 1901 - 1903 гг. На основных ее положениях строится современная генетика: мутации, дискретные изменения наследственности, в природе спонтанны, мутации передаются по наследству, встречаются достаточно редко и могут быть различных типов. В зависимости от того, какой признак положен в основу, на сегодняшний день существует несколько систем классификации мутаций.

Классификация мутаций

По способу возникновения

По способу возникновения различают спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные — происходят в природе крайне редко с частотой 1 – 100 на миллион экземпляров данного гена. В настоящие время очевидно, что спонтанный мутационный процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов, которые называют мутационным давлением среды.

Индуцированные мутации возникают при воздействии на человека мутагенами — факторами, вызывающими мутации.

Мутагены бывают трех видов:

физические (радиация, электромагнитное излучение, давление, температура и т. д.);

химические (цитостатики, спирты, фенолы и т. д.);

биологические (бактерии и вирусы).

По отношению к зачатковому пути

По отношению к зачатковому пути существуют соматические и генеративные мутации.

Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и поэтому не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета участвовала в оплодотворении.

^ По адаптивному значению

По адаптивному значению выделяют положительные, отрицательные и нейтральные мутации. Эта классификация связана с оценкой жизнеспособности образовавшегося мутанта.

^ По изменению генотипа

По изменению генотипа мутации бывают генные, хромосомные и геномные.

По локализации в клетке

По локализации в клетке мутации делятся на ядерные и цитоплазматические.

Плазматические мутации возникают в результате мутаций в плазмогенах, находящихся в митохондриях. Полагают, что именно они приводят к мужскому бесплодию, причем такие мутации в основном наследуются по женской линии.

^ Генные мутации

Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернуться на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно-клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глютамина — валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма.

Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятная мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, "Молчащая мутация" — изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокислотная последовательность белка не меняется.

^ Хромосомные мутации

Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, поэтому их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся на внутрехромосомные и межхромосомные.

К внутрехромосомным относятся:

дубликация — один из участков хромосомы представлен более одного раза;

делеция — утрачивается внутренний участок хромосомы;

инверсия — повороты участка хромосомы на 180 градусов.

Межхромосомные перестройки (их еще называют транслокации) делятся на:

реципрокные — обмен участками негомологичных хромосом;

нереципрокные — изменение положения участка хромосомы;

дицентрические — слияние фрагментов негомологичных хромосом;

центрические — слияние центромер негомологичных хромосом.

Хромосомные мутации проявляются у 1 % новорожденных. Однако исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распространенный пример — синдром "Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяуканье кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к патологическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны — 24. Таким образом, различие составляет всего одна хромосома. Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.

^ Геномные мутации

Главная отличительная черта геномных мутаций связана с нарушением числа хромосом в кариотипе. Эти мутации также подразделяются на два вида: полиплоидные и анеуплоидные.

Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром впервые был обнаружен в 60 годах. Вообще полиплодия характерна, в основном, для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие), а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение ведет практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается еще реже, но также зачастую приводит к летальному исходу.

Анеуплоидные же мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, некратному гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают особи с аномальным числом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти еще на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе.

В целом же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.

Геномные мутации — одни из самых страшных. Они ведут к таким заболеваниям как синдром Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600 новорожденных), синдром Клайнфельтера и др.

^ Спонтанные мутации

Мутации, помимо качественных свойств, характеризует и способ возникновения. Спонтанные (случайные) — мутации, возникающие при нормальных условиях жизни.

Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показало, что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций, которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.

^ Индуцированные мутации

Индуцированный мутагенез — это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г. А. Надсоном и Г. С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз — удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.

Заключение

Мутационный процесс является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям. Задачи науки на ближайшие время определяются как уменьшения генетического груза путем предотвращения или снижения вероятности мутаций и устранения возникших в ДНК изменений с помощью генной инженерии.

Генная инженерия — новое направление в молекулярной биологии, появившееся в последние время, которое в будущем может обратить мутации на пользу человеку, в частности, эффективно бороться с вирусами. Уже сейчас существуют вещества, называемые антимутагенами, которые приводят к ослаблению темпов мутирования. Успехи современной генетики находят применение в диагностике, профилактике и лечении ряда наследственных патологий. Так, в 1997 году в США была получена рекомбинативная ДНК. С помощью генной инженерии уже сконструированы искусственные гены инсулина, интерферона и других веществ.

Приблизительная частота мутаций различных генов у человека

Характер наследования

Заболевание

Частота мутаций

Число мутаций на 10 в 6 гамет


Аутосомно–доминантный

Туберкулезный склероз

8*10-4

800

Талассемия

4*10-4

400

Ретинобластома

2.3*10-5

23

Аниридия

5*10-6

---

Аутосомно-рецессивный

Альбинизм

2.8*10-5

28

Цветовая слепота

2.8*10-5

28

Ихтиоз

1.1*10-5

11

Рецессивный

Гемофилия

3.2*10-5

32


Словарь терминов

Альбинизм — дипегминтация кожи, волос, глаз; отсутствие окраски, не меняющееся с возрастом.

Аллель — одно из возможных состояний гена, каждое из которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов.

Анеуплодия — явление, при котором клетки имеют несбалансированный набор хромосом.

Доминантные аллели — аллели, проявляющиеся всегда.

Гамета — половая клетка, содержащая гаплоидный набор хромосом.

Генетический груз — все нарушения генетической информации человека, вызывающие отрицательные реакции.

Геном — совокупность генов в гаплоидной клетке.

Генотип — совокупность ядерных генов организма.

Деменция — одна из форм слабоумия.

Мутаген — фактор, вызывающий мутацию.

Негомологичные хромосомы — хромосомы, содержащие несходные гены.

Рецессивный ген — ген, проявление которого подавляется другими аллелями данного гена.

Фенотип — совокупность внешних признаков организма на данном этапе онтогенеза, формирующихся в результате взаимодействия генотипа с внешней средой.

Экзоны — фрагменты прерывистого гена эукариот, несущие в себе информацию о последовательности аминокислот в полипептиде.

Библиографический список

.Приходченко Н. Н., Шкурат Т. П. Основы генетики человека. — М.: Феникс, 1997 г.

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. 3 тома. — М.: Мир,1988 г.

Гилберт С. Биология развития. 3 тома. — М.: Мир, 1993 г.

Головачев Г. Д. Наследственность человека. — Т.: Наука, 1983 г.

Дубинин Н. П. Новое в современной генетики. — М.: Наука, 1989 г.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. 3 тома. — М.: Мир, 1990 г.