22. Геномные мутации: классификация, причины, механизмы, роль в возникновении хромосомных синдромов. Антимутационные механизмы.
Геном определяется как совокупность наследственного материала (генов, сайтов, нуклеотидных последовательностей ДНК) в гаплоидном наборе хромосом клеток организмов соответствующего биологического вида. Геном видоспецифичен, поскольку он отождествляется с полным набором генов, необходимых для формирования видовых характеристик организмов в процессе индивидуального развития (онтогенез).
Геномные мутации представлены двумя группами изменений в генетическом аппарате эукариот. Во-первых, это изменение числа геномов на клетку в сравнении с диплоидным или удвоенным как в сторону уменьшения до одинарного - гаплоидия, так и в сторону увеличения до трехкратного, четырехкратного и далее - полиплоидия. Примеры обоих вариантов геномных мутаций такого рода, а также их влияние на жизнеспособность особей-мутантов - см. п. 4.3.3. Эти примеры относятся к миру животных. В мире растений негативные последствия мутаций, связанных с изменением количества геномов, не столь очевидны. Напротив, селекционеры нередко индуцируют такие мутации, получая путем отбора среди мутантов новые сорта. Так, если сравнить количество генетического материала (ДНК) в клетках культивируемых сортов злаковых, например пшеницы, легко убедиться в различиях, которые в абсолютном выражении кратны величине, соответствующей одинарному (гаплоидному) набору хромосом, т. е. геному.
Геномные мутации, состоящие в изменении числа геномов, приводят к изменению дозы всех структурных генов и нуклеотидных последовательностей с другими (регуляторными, сервисными, конценсусными) функциями. Из приведенных примеров следует, что для индивидуального развития и жизнедеятельности неблагоприятны в одинаковой мере как уменьшение (гаплоидия), так и увеличение (полиплоидия) дозы генов в сравнении с удвоенной (диплоидия).
Во-вторых, к геномным мутациям относят изменения числа отдельных хромосом - анэуплоидия. Среди мутаций такого рода выделяют 2 варианта. С одной стороны, это уменьшение числа гомологичных хромосом конкретной пары в диплоидном наборе с двух до одной - мо-носомия, с другой - увеличение числа до трех и более - трисомия, полисомия. Геномные мутации, заключающиеся в изменении числа отдельных хромосом, приводят к нарушению генного баланса по той или иной группе сцепления (см. п. 4.3.2.1). Достоверно установлено, что полные моносомии по аутосомам нежизнеспособны. Во всяком случае среди родившихся людей организмы-моносомики по аутосомам не обнаружены. Напротив, жизнеспособные особи-моносомики по половым хромосомам известны. Так, у людей с синдромом Шерешевского-Тернера (рис. 4.20) утрачена одна из половых хромосом - кариотип 45ХО. Именно по хромосомам Х и Y возможна полисомия. В частности, среди людей обнаружены три-, тетра-, пентасомики по хромосоме Х -
Рис. 4.20. Синдром моносомии Х (ХО-синдром, синдром Шерешевского-Тернера): а - внешний вид больной; б - кариотип женщины с синдромом ХО: I - выраженная трапециевидная шейная складка, широкая грудная клетка, широко расставленные и слабо развитые соски молочных желез; II - характерные лимфатические отеки на ногах
Рис. 4.21. Кариотип женщины с синдромом трисомии Х
кариотипы 47ХХХ (рис. 4.21), 48ХХХХ, 49ХХХХХ. Обнаружены субъекты с увеличенным числом хромосом Y (кариотипы 47ХYY, 48ХYYY) - синдром Клайнфельтера. Названный синдром воспроизводится и при ка-риотипе XXY (рис. 4.22). Встречаются кариотипы 48ХХХY и 48ХХYY, а также мозаики, в организме которых часть клеток имеет моносомию по хромосоме Х, тогда как часть клеток отличается обычным мужским кариотипом - 45Х0/46ХY). Лица с кариотипами, приведенными выше и имеющими отклонения от нормального, характеризуются более или менее выраженным нарушением здоровья, в частности полового.
Известны организмы-трисомики по аутосомам. Лица с синдромом Дауна, например, характеризуются трисомией по хромосоме 21. «Лишняя» хромосома 21 у таких пациентов может существовать самостоятельно (рис. 4.23) или же быть транслоцированной на другую хромосому
Рис. 4.22. Синдром Клайнфельтера: а - внешний вид больного (характерен высокий рост, непропорционально длинные конечности); б - кариотип больного (XXY)
Рис. 4.23. Синдром трисомии 21 (синдром Дауна): а - внешний вид больного; б - кариотип больного
(рис. 4.24). Молекулярно-цитогенетические и клинико-генетические исследования последних десятилетий показали, что хромосома 21 имеет «критический» участок (q22.3). Увеличение дозы сайтов этого участка до трех, собственно, и дает развитие синдрома Дауна (частичная трисо-мия по хромосоме 21). Предположительно ключевую роль в развитии типичной для названного синдрома умственной отсталости играет увеличение дозы гена фермента супероксиддисмутазы, располагающегося в критическом участке q22.3. Напомним, что этот фермент - важный участник внутриклеточных антиоксидантных механизмов, обеспечивающих снижение негативных последствий образования АФК (свободные радикалы), см. п. 2.4.8. Установлено, что у человека, наряду с трисоми-ей 21, совместимы с жизнью трисомии по хромосомам 8 (рис. 4.25), 13 (синдром Патау - рис. 4.26) и 18 (синдром Эдвардса - рис. 4.27), тогда как полные трисомии по хромосомам 1, 5, 6, 11 и 19 приводят к гибели эмбриона на ранних стадиях развития. Трисомия по хромосоме 16 обнаруживается только в материале абортусов.
Цитологические механизмы геномных мутаций связаны с нарушением гаметогенеза (мейоза): с нерасхождением или утратой геномов (полиплоидия, гаплоидия), а также отдельных хромосом (анэуплоидия). Нерасхождение в мейозе геномов приводит к образованию диплоидных гамет. При оплодотворении таких гамет гаплоидной гаметой возникают триплоидные особи. Рождение тетраплоидных организмов имеет в своей основе более сложные нарушения мейоза или же события на стадии первых дроблений зиготы.
Из практики селекционной работы известны примеры образования жизнеспособных и дающих потомство гетерополиплоидных растений. В частности, речь идет о межвидовом гибриде капусты и редьки (Г.Д. Кар-печенко). В гаплоидном геноме гамет этого гибрида объединены геномы (хромосомы) родителей - капусты и редьки. Названный гибрид не нашел применения в сельском хозяйстве, поскольку в противоречии с ожидаемым - надземная часть капусты и подземная редьки, и перспектива получать с одной площади земли одновременно урожай двух разных овощей - он имел надземную часть редьки и подземную капусты.
К первичной гаплоидности может привести развитие особи из яйцеклетки без оплодотворения (партеногенез).
К анэуплоидиям ведет нерасхождение хромосом в анафазе первого деления мейоза. При этом одна из будущих гаплоидных половых клеток несет «лишнюю» хромосому, тогда как вторая лишена этой хромосомы.
Рис. 4.24. Кариотип при транслокационном синдроме Дауна. Одна хромосома 21 присоединена к хромосоме 15 - указано стрелкой
Рис. 4.25. Синдром трисомии 8: а - внешний вид больного; б - контрактуры в межфаланговых суставах кистей
Рис. 4.26. Синдром трисомии 13 (синдром Патау): а - внешний вид больного; б - кариотип больного трисомией в группе D
Рис. 4.27. Синдром трисомии 18 (синдром Эдвардса): а - внешний вид больного; б - кариотип больного трисомией в группе Е
Рис. 4.28. Нарушение расхождения отдельных бивалентов (1, 2, 3) как причина анэуплоидий: а - метафаза I мейоза; б - образование аномальных гамет вследствие нарушения расхождения 3-го бивалента в анафазе I мейоза; в - оплодотворение аномальной гаметы нормальной гаметой особи другого пола; г - образование зигот с анэуплоидными кариотипами (моносомия и три-сомия по хромосоме 3, соответственно сверху и снизу)
Участие таких гамет в оплодотворении приводит соответственно к три-сомиям и моносомиям (рис. 4.28).
Антимутационные барьеры и механизмы:
Важное значение для ограничения неблагоприятных последствий генных мутаций имеют естественные антимутационные барьеры. Одним из них является парность хромосом в диплоидных наборах хромосом эукариот, которая препятствует проявлению рецессивных мутаций у гетерозиготных особей. Главным антимутационным барьером рассматривается выработавшая в процессе эволюции способность к репарации наследственного материала. Её сущность - в устранении из наследственного материала клетки изменённого участка.
Различают 3 системы репарации генетического материала:
ü эксцизионная репарация (репарация путём «вырезания»):
Механизм эксцизионной репарации заключается в ферментативном разрушении изменённого участка молекулы ДНК с последующим восстановлением на этом отрезке нормальной последовательности нуклеотидов.
Такой механизм включает следующие этапы:
а) разрыв спирали ДНК у места повреждения при участии эндонуклеаз;
б) удаление поврежденного участка с запасом в обе стороны с помощью эндонуклеаз;
в) синтез при участии ДНК-полимеразы на месте дефекта нормального участка ДНК;
г) «сшивание» последнего с образовавав-шимися концами спирали ДНК при помощи фермента ДНК-лигазы (восстановление непрерывности ДНК).
ü Фоторепарация - заключается в расщеплении ферментом (дезоксирибо-пиримидинфотолиазой), активируемым видимым светом, циклобутановых димеров, возникающих в ДНК под действием ультрафиолетового излучения.
ü пострепликативная репарация - «включается» тогда, когда эксцизионная репарация «не справляется» с устранением всех повреждений, возникших в ДНК до её репликации. При репликации во второй спирали ДНК возникают бреши - однонитевые пробелы, соответствующие изменённым нуклеотидам первой спирали. Бреши заполняются участками цепи с нормальной последовательностью нуклеотидов уже в ходе пострешгикативной репарации при участии ДНК-полимеразы.
23. Человек как объект генетических исследований. Цитогенетический метод, значение для диагностики хромосомных синдромов. Правила составления идиограмм здоровых людей. Идиограммы при хромосомных синдромах (аутосомных и гоносомных). Примеры.
Основные закономерности наследственности и изменчивости живых организмов были открыты благодаря разработке и применению гибридологического метода генетического анализа (Мендель). Наиболее удобными объектами для анализа потомства стали горох, дрозофила, дрожжи. Отличительной особенностью этих видов является достаточно высокая плодовитость, короткий жизненный цикл и быстрая смена поколений, небольшое число групп сцепления в их геномах и умеренное модифицирование признаков под влиянием окружающей среды.
С точки зрения приведенных выше характеристик видов, удобных для применения гибридологического метода генетического анализа, человек как вид обладает рядом особенностей, не позволяющих применять этот метод для изучения его наследственности и изменчивости:
-невозможность направленного скрещивания и малочисленность потомства, компенсируется подбором в популяции семей с интересующим генетика признаком в количестве, достаточном для проведения статистического анализа потомства;
-позднее половое созревание;
-большое число хромосом;
-большинство признаков человека являются полигенными;
-генетический полиморфизм многих признаков;
Достоинством человека как объекта генетических исследований является большое число супружеских пар.
Все перечисленные особенности человека делают невозможным применение для изучения его наследственности и изменчивости гибридологического метода генетического анализа. Однако генетиками разработаны методы, позволяющие изучать наследование и изменчивость признаков человека, несмотря не перечисленные ограничения:
-генеалогический
-близнецовый
-цитогенетический
-популяционно-статистический
-биохимический
-дерматоглифика
-молекулярно-генетический
-пренатальная диагностика