Посттрансляционные процессы. 2 страница. Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы

Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к проявлению новых признаков. Так, у дрозофилы ген полоско-видных глаз (вмэсто круглых) обусловлен удвоением участка в одной из хромосом.

Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180°. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами. Н. П. Дубинин установил, что инверсии широко распространены, в частности у дрозофил, взятых из природы, и, по-видимому, могут играть роль в эволюции видов.

Транслокации возникают в тех случаях. когаа участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. хромосоме из другой пары Транслокачия участка одной из хромосом (21-й) известна у человека; оно может быть причиной болезни Дауна Большинство крупных хромосомных аберраций в зиготах у человека приводит к тяжелым аномалиям, несовместимым с жизнью, либо к гибели зародышей еще во время внутриутробного развития.

Полиплоидия. Это увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. Вспомним, что половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (л), а для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный набор (2л). У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору: Зn — триплоид, 4n — тетраплоид, 5n — пентаплоид, 6n — гексаплоид и т. д. По-видимому, эволюция ряда цветковых растений шла путем полиплоидизации. Культурные растения в своем большинстве— полиплоиды.

Формы, возникающие в результате умножения хромосом одного генома, носят название автоплоидных. Однако известна и другая форма полиплоидии — аллоплоидия, при которой умножается число хромосом двух разных геномов. Аллополиплоиды искусственно получены при гибридизации ряда видов растений и животных. Так, Г. Д. Карпеченко создал аллополиплоидный гибрид редьки и капусты. В данном случае каждый исходный вид имеет 18 хромосом, а гибридный — 36, так как является аллотетраплоидом.

Полиплоидные формы известны и у животных. По-видимому, эволюция некоторых групп простейших, в частности инфузорий и радиолярий, шла также путем полиплоидизации. У некоторых многоклеточных животных полиплоидные формы удалось создать искусственно (тутовый шелкопряд).

Гетероплоидия. В результате нарушения мейоза и митоза число хромосом может изменяться и становиться не кратным гаплоидному набору. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается в тройном числе, получило название трисомии. Если наблюдается трисомия по одной хромосоме, то такой организм называется трисомиком и его хромосомный набор равен 2n + 1. Трисомия может быть по любой из хромосом и даже по нескольким. Двойной трисомик имеет набор хромосом 2n + 3 тройной — 2лn + 3 и т.

Явление трисомии впервые описано у дурмана. Известна трисомня и у других видов растений и животных, а также у человека. Трисомиками являются, например, люди с синдромом Дауна. Трисомики чаще всего либо нежизнеспособны, либо отличаются пониженной жизнеспособностью и рядом патологических признаков.

Явление, противоположное трисомии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называется моносомией, организм же—моносомиком; его кариотип — 2n— 1. При отсутствии двух различных хромосом организм является двойным моносомиком (2n — 2). Если из диплоидного набора выпадают обе гомологические хромосомы, организм называется ну-лисомиком. Он, как правило, нежизнеспособен.

Из сказанного видно, что анэуплоидия, т. е. нарушение нормального числа хромосом, приводит к изменениям в строении и к снижению жизнеспособности организма. Чем больше нарушение, тем ниже жизнеспособность. У человека нарушение сбалансированного набора хромосом елечет засобой болезненные состояния, известные под общим названием хромосомных болезней.

(27) Модификационная изменчивость. Модификациями называются фенотипические изменения, возникающие под влиянием условий среды. Размах модифика-ционной изменчивости ограничен нормой реакции. Возникшее конкретное модификационное изменение признака не наследуется, но диапазон модифика-ционной изменчивости, норма реакции, генетически обусловлен и наследуется. Модификационные изменения не влекут за собой изменений генотипа.

Норма реакции, лежащая в основе модификационной изменчивости, складывалась исторически в результате естественного отбора. В силу этого модификационная изменчивость, как правило, целесообразна. Она соответствует условиям обитания, является приспособительной.

Модификационной изменчивости подвержены такие признаки, как рост животных и растений, их масса, окраска и т. д. Возникновение модифи-кационных изменений связано с тем, что условия среды воздействуют на ферментативные реакции, протекающие в развивающемся организме, и в известной мере изменяют их течение. К модификационной изменчивости следует отнести также фенокопии. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. В развитии фенокопии могут играть роль разнообразные факторы среды — климатические, физические, химические, биологические. Некоторые инфекционные болезни (краснуха, токсоплазмоз), которые перенесла мать, также могут стать причиной фенокопии ряда наследственных болезней и пороков развития. Наличие фенокопии нередко затрудняет постановку диагноза, поэтому существование их врач всегда должен иметь в виду.

Особую группу модификационной изменчивости составляют длительные модификации. Эти изменения возникают под влиянием внешних условий. Так, при воздействии высокой или пониженной температуры на куколок колорадского картофельного жука окраска взрослых животных изменяется. Этот признак держится в нескольких поколениях, а затем возвращается прежняя окраска. Указанный признак передается потомкам лишь под воздействием температуры на женские особи и не передается, если влиянию фактора подвергались только самцы. Следовательно, длительные модификации наследуются по типу цитоплаЗма-тической наследственности. По-видимому, под влиянием внешнего фактора происходят изменения в тех частях цитоплазмы, которые затем могут ауто-репроду цироваться.

Фенокопии. В патологии человека большую роль играют также фенокопии, сходные по проявлению с генетически обусловленными изменениями. Так, если мать во время беременности болела коревой краснухой, то у ребенка часто бывает врожденное уродство — расщелина губы и неба. Это пример феноко-пии, так как признак развивается при отсутствии мутантного гена, определяющего данную аномалию. Понятно, что в этом случае признак не будет наследоваться.

Организм матери представляет собой среду, в которой развивается плод, и неблагоприятное воздействие каких-либо факторов (физических, химических, биологических) может вызвать нарушения на этапе реализации генетической информации при нормальном генотипе. Причиной фенокопии — врожденных пороков развития (уродств)— могут быть и другие заболевания (ток-соплазмоз, сифилис). Фенокопии

могут развиваться в разные периоды жизни под влиянием различных повреждающих факторов. Так, у человека бывают судорожные припадки, напоминающие наследственно обусловленную эпилепсию, однако причиной их может быть воспалительный процесс в мозге или опухоль. При недостатке йода в окружающей среде развиваются проявления кретинизма, напоминающие наследственные. Некоторые поражения печени копируют наследственное заболевание — болезнь Коновалова — Вильсона, обычный детский рахит, возникающий от недостатка витамина О, по своему проявлению сходен с наследственной витамииоустойчивой формой рахита.

Обычно у новорожденных в течение первых дней бывают проявления желтухи. Это нормальное физиологическое явление, связанное с распадом избытка эритроцитов — у плода их больше вследствие меньшей обеспеченности кислородом. В какой-то период эти проявления могут напоминать патологическое явление, связанное с наследственно-обусловленной несовместимостью крови матери и ребенка по резус-фактору.

Существование гено- и фенокопии усложняет постановку диагноза. Врач должен иметь в виду, что некоторые сходные заболевания могут иметь как наследственную (эндогенную), так и ненаследственную (экзогенную) природу. Анализ и установление природы заболевания составляют важнейшую задачу для прогноза в отношении возможности рождения в будущем здорового ребенка.

(28) Мутационная изменчивость. Мутацией (лат. mutatio—перемена) называется изменение, обусловленное реорганизацией воспроизводящих структур, изменением ее генетического аппарата. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих генотипа особи. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, что иногда резко отличает организм от исходной формы.

Растениеводам и животноводам такие изменения были известны давно. Ряд наследственных изменений описал Дарвин в труде «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868). Мутационной изменчивости посвятил свои работы С. И. Коржинский (1899) и Г. де Фриз (1901). Последнему принадлежит термин «мутация».

В настоящее время известны мутации у всех классов животных, растений и вирусов. Существует много мутаций и у человека. Именно мутациями обусловлен полиморфизм человеческих популяций: различная пигментация кожи, волос, окраска глаз, форма носа, ушей, подбородка и т. д. В результате мутаций появляются и наследственные аномалии в строении тела, и наследственные болезни человека.С мутационной изменчивостью связана эволюция— процесс образования новых видов, сортов и пород. По характеру изменений генетического аппарата различают мутации, обусловленные: а) изменением числа хромосом (геномные) б) изменением структуры хромосом (хромосомные аберрации); в) изменением молекулярной структуры гена (генные, или точковые мутации).

Геномная изменчивость. Гаплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом, названы геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, получили название геномных. К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия (анэуплоидия).

Полиплоидия. Это увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. Вспомним, что половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (л), а для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный набор (2л). У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору: Зn — триплоид, 4n — тетраплоид, 5n — пентаплоид, 6n — гексаплоид и т. д. По-видимому, эволюция ряда цветковых растений шла путем полиплоидизации. Культурные растения в своем большинстве— полиплоиды.

Гетероплоидия. В результате нарушения мейоза и митоза число хромосом может изменяться и становиться не кратным гаплоидному набору. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается в тройном числе, получило название трисомии. Если наблюдается трисомия по одной хромосоме, то такой организм называется трисомиком и его хромосомный набор равен 2n + 1. Трисомия может быть по любой из хромосом и даже по нескольким. Двойной трисомик имеет набор хромосом 2n + 3 тройной — 2лn + 3 и т.

Хромосомные абберации. Возникают и результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают четыре основных типа хромосомных аберраций: нехватки, удвоения (дупликации), инверсии, транслокации.

Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы приводят организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной из хромосом у кукурузы ее проростки лишены хлорофилла.

Генные мутации. затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Его может составить только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК обусловливает изменение в последовательности триплетов и е конечном итоге изменяет программу синтеза белка. Следует помнить, что нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется репарация.

Большинство мутаций, с которыми связаны эволюция органического мира и селекция,— трансгенации. Вот несколько примеров мутаций, широко используемых при изучении закономерностей наследственности. У дрозофилы, имеющей в норме красные глаза, появились мутанты с глазами белого цвета, абрикосового цвета, цвета слоновой кости и т. д. Так возникла большая серия аллелей, включающая более 10 мутантных изменений окраски глаз.

Альбинизм животных — типичная генная мутация В результате мутации гороха появились растения с Желтыми и зеленымисеменами, с гладкими и морщинистыми зернами, белыми и пурпурными цветками и т. д. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса как известно, являются алле.1ьными. Появление мутации для каждого генного локуса — событие довольно редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутирования. Так, у человека мутация, приводящая к карликовости, встречается в 5—13 гаметах на миллион, мышечной дистрофии (мышечная слабость) в 8—11, микроцефалии (недоразвитие мозга) — в 27, ретинобластомы (опухоль сетчатки глаза) — в 3—12 гаметах на миллион и т. д. Для каждой аллели частота мутирования более или менее постоянна и колеблется в пределах 10^-5—10^-7. Однако ввиду огромного числа генов у каждого организма мутации довольно часты. Так, у высших растений и животных до 10 % гамет несут какие-либо новые, спонтанно возникшие изменения.

Соматические мутации. Мутации возникают в любых клетках, поэтому их делят на соматические и генеративные. Биологическое значение их неравноценно и связано с характером размножения организмов.

При половом размножении признаки, появившиеся в результате соматических мутаций, потомкам не передаются и в процессе эволюции никакой роли не играют. Однако в- индивидуальном развитии они могут влиять на формирование признака: чем в более ранней стадии развития возникнет соматическая мутация, тем больше участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Например, мозаиками являются люди, у которых цвет одного глаза отличается от цвета другого, или животные определенной масти, у которых на теле появляются пятна другого цвета, и т. п. Не исключено, что соматические мутации, влияющие на метаболизм, являются одной из причин старения и злокачественных новообразований.

Если мутация происходит в клетках, из которых развиваются гаметы, или в половой клетке, то новый признак проявится в ближайшем или последующих поколениях. Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма. Это объясняется тем, что функционирование каждого органа сбалансировано в отношении как других органов, так и внешней среды. Нарушение существующего равновесия обычно ведет к снижению жизнедеятельности или гибели организма. Мутации, снижающие жизнедеятельность, называются полулетальными.. Мутации, не совместимые с жизнью, носят название летальных (лат. letalis — смертельный). Однако некоторая часть мутаций может оказаться полезной. Такие мутации являются материалом для прогрессивной эволюции, а также для селекции ценных пород домашних животных и культурных растений. По-видимому, чаще всего «полезные» мутации в сочетании с отбором лежат в основе эволюции.

(29) Репарация генетического материала. В процессе жизнедеятельности под действием различных факторов в ДНК возникают повреждения, некоторые из них могут ликвидироваться благодаря репарации ДНК. Механизм репарации ДНК изучен на кишечной палочке. При воздействии на культуру кишечной палочки ультрафиолетовыми лучами на нити ДНК возникают повреждения - димеры (цитозин-цитозин, цитозин-тимин, чаще всего возникают димеры тимина, соединенные через атомы углерода и представляющие собой наиболее стойкие соединения). Димеры тимина приводят культуру кишечной палочки к гибели, если ее поместить в темноту. На свету димеры тимина расщепляются под действием фермента на два тимина, тем самым, восстанавливая структуру ДНК, это явление называется световая фотореактивация. Исправляются повреждения, возникшие под действием ультрафиолетовых лучей. Повреждения, возникшие под влиянием других факторов (ионизирующая радиация, химические вещества и др.) исправляется в результате темновой фазы репарации. Она осуществляется в 5 этапов:

1. Фермент эндонуклеаза надрезает цепочку ДНК в месте возникновения повреждения. Фермент нуклеаза вырезает поврежденный участок,

2. Фермент экзонуклеаза расширяет брешь.

3. ДНК-полимераза латает брешь, синтезируя участок ДНК комплементарно неповрежденной цепочке.

4. Ферменты лигазы сшивают вновь построенный участок со старым, и целостность ДНК восстанавливается.

Темновая репарация происходит во всех клетках на всех фазах жизненного цикла. У бактерий восстанавливается до 95% повреждений.

Темновая репарация обнаружена у высших организмов в культуре тканей. У человека известны заболевания, связанные с возникновением мутаций в генах, детерминирующих ферменты темновой репарации. В настоящее время известно около 10 наследственных заболеваний с нарушением репарационных процессов в ДНК.

Пигментная ксеродерма - группа заболеваний, при которых отмечается повышенная чувствительность кожи к солнечным лучам (покраснение. Пигментация, изъязвления, злокачественные образования). Это рецессивно аутосомное заболевание. Фибробласты кожи больных людей более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем фибробласты здоровых людей. Это связано с тем, что они обладают пониженной способностью выщеплять димеры тимина, следовательно, имеет место нарушение репарации на первом ее этапе, то есть

произошла мутация в гене, кодирующем синтез ультрафиолетовой специфической эндонуклеазы. Возможны нарушения и на других этапах репарации ДНК или даже на нескольких этапах.

Атаксия - телеангиоэктазия (синдром Луи Бара) - прогрессирующая атаксия мозжечка с нарушением координации движений, телеангиоэктазия склер. В этом случае сильно запаздывает второй этап репарации - удаление поврежденных оснований молекулы ДНК.

Панцитопения при гипо- и апластических анемиях. Поражены все ростки костного мозга. При этом заболевании нарушен третий этап темновой репарации – синтез экзонуклеазы, завершающей вырезание поврежденного участка ДНК.

Синдром Блума - сочетание недоразвития скелета, гипофизарной карликовости, гипогонадизма с врожденной телеангиоэктатической эритермой лица, участками гиперкератоза и гиперпигментации на туловище. Эти аномалии связаны с нарушением пострепликативного восстановления - 4, 5 этапов репарации.

На нити ДНК в структуре гена могут возникнуть и нерепарируемые изменения - генные или точковые мутации:

1. Миссенс-мутация. Связаны с заменой одного нуклеотида на другой. В результате такой мутации возникло заболевание серповидноклеточная анемия. У гомозиготных носителей этого гена в эритроцитах содержится гемоглобин S, отличающийся от нормального гемоглобина. А только одной аминокислотой, потерявшей способность легко связывается с кислородом.

2. Нонсенс-мутация. Связана с образованием бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА).

3. Мутация со "сдвигом рамки". Наблюдаются при вставке или выпадении одного нуклеотида.

Выявлены механизмы, снижающие частоту фенотипического проявления мутаций и биологические антимутагенные факторы:

1. триплетносгь и вырожденность генетического кода;

2. диплоидность (гегерозиготность) генотипа. Мутации чаще всего рецессивные и проявляются только в гомозиготном состоянии;

3. повторы генов на нити ДНК;

4. репаративные процессы;

5. метилирование ДНК (присоединение метальной группы СН₃ под действием фермента метилазы) предохраняет ДНК от действия рестрикгаз (ферментов, расщепляющих ДНК). С возрастом процесс метилирования усиливается.

(30) Биология развития. Во времени жизнь организована как смена поколений организмов. Организмы каждого поколения осуществляют закономерный процесс развития или жизненный цикл. Наиболее демонстративен жизненный цикл многоклеточных растений и животных, размножающихся половым способом, который начинается одной клеткой — зиготой. Совершающиеся в определенной* последовательности преобразования клеток, образующихся в результате деления зиготы и ее потомков, обусловливают рост организма, выделение в нем клеток разных направлений специализации и частей, различающихся строением и выполняемыми функциями, и наконец, достижение состояния зрелости. Зрелый организм выполняет главную биологическую задачу — воспроизведение особей следующего поколения. В дальнейшем организм стареет, что проявляется в снижении уровня его жизнедеятельности. Жизненный цикл завершается смертью. Жизненные циклы некоторых одноклеточных эукариот и микроорганизмов нередко исчерпываются клеточным циклом. Их усложнение связано с возможностью образования цист или спор, включением стадии полового размножения. Переходной формой между циклами одноклеточных и многоклеточных организмов служит жизненный цикл некоторых колониальных простейших, например Volvoх. В отличие от одноклеточных у них происходит стабильное выделение в развитии линий генеративных и соматических клеток, однако не наблюдается разнообразия морфофункциональных специализаций соматических клеток. У многих простейших и низших многоклеточных циклы отличаются высокой степенью сложности.

Совокупность взаимосвязанных и детерминированных хронологических событий, закономерно совершающихся в процессе осуществления организмом жизненного цикла, обозначают терминами «онтогенез» или «индивидуальное развитие».

Различают два главных типа индивидуального развития — непрямое (с метаморфозом) и прямое. Первый из названных типов характеризуется наличием особой вставочной формы - личинки, более или менее отличной от зрелой особи по строению тела и ведущей активный образ жизни. Некоторые личинки имеют органы захвата и переработки пищи, тогда как другие снабжены лишь органами расселения. Последнее типично для личинок паразитов (мирацидий и циркария сосальщиков, корацидий широкого лентеца). Совокупность процессов, в результате которых происходит переход от личиночной к взрослой форме, называется метаморфозом. Он заключается в изменении внешнего вида и строения животного и достижении им половозрелого состояния. Непрямой тип индивидуального развития свойствен видам, откладывающим яйца с относительно малым количеством желтка.

При прямом развитии зародышевый период заканчивается рождением молодой формы, имеющей общий план строения, набор органов и систем, характерный для зрелого состояния, но отличающейся меньшими размерами, функциональной и структурной незрелостью органов и систем. Этот тип развития присущ животным, откладывающим яйца с высоким содержанием желтка.

Характерные особенности имеет тип развития плацентарных млекопитающих и человека. Он является вариантом прямого развития, но отличается тем, что непосредственно по окончании зародышевого периода после рождения новый организм не способен к самостоятельному образу жизни, так как нуждается в специфическом питании — секрете определенных желез материнского организма (молоко).

Изменения в индивидуальном развитии проявляются на разных уровнях организации особи — генетическом, молекулярно-биохимиче-ском, клеточном, тканевом, органном, системном. Исследования индивидуального развития проводятся с участием специалистов многих отраслей биологической науки — генетиков, биохимиков, морфологов, эмбриологов, молекулярных биологов. Усиление роли междисциплинарных исследований онтогенеза, наметившееся в начале текущего столетия, привело к возникновению самостоятельной области науки о живом — биологии развития. Она изучает наследственные, молекулярные, структурные основы, а также механизмы регуляции онтогенетических изменений на всех этапах жизненного цикла особи.

Основу процесса индивидуального развития составляет наследственная информация, получаемая потомками от родителей. Достаточно, однако, сравнить, например, человека на начальной, одноклеточной стадии онтогенеза и во взрослом состоянии, чтобы прийти к заключению о том, что в ходе развития объем информации, воспроизведенный в структурах и метаболизме организма, возрастает. Об этом свидетельствует, в частности, большее разнообразие химических соединений, их неслучайное распределение в органах, наличие самих органов и многое другое, что мы наблюдаем у взрослой особи и не обнаруживаем в зиготе. Накопление информации в процессе развития служит важной чертой онтогенеза и свидетельствует о его системном характере. Первичная наследственная информация зиготы играет роль инструкции, в соответствии с которой при активном регулирующем влиянии факторов окружающей среды в развивающемся организме последовательно образуются и закономерно взаимодействуют друг с другом молекулы и структуры разных уровней сложности. С учетом этого замечания онтогенез можно определить как процесс реализации потомком наследственной информации родителей в определенных условиях окружающей среды. Это определение подчеркивает, что генетические закономерности играют важную роль в индивидуальном развитии, но не исчерпывают всего его содержания.

Кроме зародышевого развития, роста, старения биология развития изучает также молекулярно-генетические, клеточные и системные механизмы регенерации — совокупности процессов, обусловливающих восстановление структур, снашиваемых в процессе жизнедеятельности организма или утрачиваемых вследствие травмы.

Посттрансляционные процессы. 2 страница. Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дуб­лирующего участка хромосомы

Посттрансляционные процессы. 2 страница. Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы