11. Генные мутации

Генные (точковые) мутации связаны с относительно небольшими изменениями последовательностей нуклеотидов. Генные мутации подразделяются на изменения структурных генов и изменения регуляторных генов.

Типы мутаций:

1. Вставка (инсерция) или выпадение (делеция) пары или нескольких пар нуклеотидов, они приводят к сдвигу рамки считывания. В зависимости от места вставки или выпадения нуклеотидов изменяется меньшее или большее число кодонов.

2. Транзиция – замена оснований пуринового на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое, например: А  Г, Ц  Т.

3. Трансверзия – замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А  Ц, Г  Т.

Изменения структурных генов приводят:

а) к миссенс-мутациям – изменению смысла кодонов и образованию других белков;

б) к нонсенс-мутациям – образованию СТОП-кодонов (УАА,УАГ,УГА).

Последствия мутаций регуляторных генов:

1. Белок-репрессор не подходит к оператору («ключ не входит в замочную скважину») – структурные гены работают постоянно (белки синтезируются все время).

2. Белок-репрессор плотно «присоединяется» к оператору и не снимается индуктором («ключ не выходит из замочной скважины») – структурные гены постоянно не работают и не синтезируются белки, закодированные в данном опероне.

3. Нарушение чередования репрессии и индукции – при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии белок не синтезируется. Это связано с мутациями гена-регулятора или операторной последовательности.

Генные мутации являются основной причиной генных болезней, частота проявления которых в популяциях человека достигает 1-2%.

12. Модификационная изменчивость. Модификации

Мы знаем, что модификационная изменчивость – частный случай ненаследственной изменчивости.

Модификационная изменчивость – способность организмов с одинаковым генотипом развиваться по-разному в разных условиях окружающей среды. В популяции таких организмов возникает определенный набор фенотипов. При этом организмы должны быть одного возраста.

Фенотипические ненаследственные различия, возникающие под влиянием условий среды у одинаковых по генотипу организмов, Карл Нэгели в 1884 г. назвал модификациями.

Примеры модификаций широко известны и многочисленны.

Морфология листьев у водяного лютика и стрелолиста зависит от того, в какой среде, воздушной или подводной, они развиваются (рис. 4.23).

Если надземную часть стебля картофеля искусственно лишить доступа света, на ней развиваются клубни, висящие в воздухе.

У камбалы, ведущей донный образ жизни, верхняя сторона тела темная, что делает ее незаметной для приближающейся добычи, а нижняя — светлая. Но если аквариум со стеклянным дном и освещается не сверху, а снизу, то темной становится нижняя поверхность тела.

Кролики горностаевой породы имеют белый мех на теле, кроме конца морды, лап, хвоста и ушей. Если выбрить участок, например, на спине и держать зверька при пониженной температуре (0-1 °С), то на выбритом месте отрастает черная шерсть. Если выщипать часть черных волос и поместить кролика в условия повышенной температуры, то вновь отрастает белая шерсть.

Норма реакции – это свойство данного генотипа в определенных пределах изменять фенотип в зависимости от условий среды. Иначе говоря, это диапазон возможной изменчивости в реализации генотипа.

С. М. Гершензон [1983] описывает следующие свойства модификаций:

1. Степень выраженности модификации пропорциональна силе и продолжительности воздействия. Эта закономерность коренным образом отличает модификации от мутаций, особенно генных.

2. В подавляющем большинстве случаев модификация представляет собой полезную, приспособительную реакцию организма на тот или иной внешний фактор. Это можно видеть на примере вышеперечисленных модификаций у различных организмов.

3. Адаптивными бывают только те модификации, которые вызываются обычными изменениями природных условий, с которыми данный вид сталкивался раньше множество раз. Если же организм попадает в необычные, экстремальные обстоятельства, то возникают модификации, лишенные приспособительного значения - морфозы.

Если действовать на личинок или куколок дрозофилы рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, а также предельно переносимой температурой, то у развивающихся мух наблюдаются разнообразные морфозы.

4. В отличие от мутаций, модификации обратимы, т. е. возникшее изменение постепенно исчезает, если устранено вызвавшее его воздействие. Так, загар у человека проходит, когда кожа перестает подвергаться инсоляции, объем мышц уменьшается после прекращения тренировки и т. д.

5. В отличие от мутаций, модификации не передаются по наследству. Это положение наиболее остро обсуждалось на протяжении всей истории человечества. Ламарк считал, что наследоваться могут любые изменения организма, приобретенные в течение жизни (ламаркизм). Даже Дарвин признавал возможность наследования некоторых модификационных изменений.

Первый серьезный удар по представлению о наследовании приобретенных признаков нанес А. Вейсман. Он на протяжении 22 поколений отрубал белым мышам хвосты и скрещивал их между собой. В общей сложности было обследовано 1592 особи, и ни разу не было обнаружено укорочения хвоста у новорожденных мышат. Результаты эксперимента были опубликованы в 1913 г., однако в нем не было особой необходимости, поскольку преднамеренные повреждения у человека, сделанные из ритуальных или «эстетических» соображений, — обрезание, протыкание ушей, уродование ступней, черепа и т. д., как известно, также не наследуются.

В СССР в 30-50-х гг. получили широкое распространение ошибочные теории Лысенко о наследовании «приобретенных признаков», т. е. фактически модификаций. Множество опытов, проведенных на разных организмах, показало ненаследуемость модификаций, и исследования такого рода представляют теперь лишь исторический интерес.

В 1956-1970 гг. Ф. Криком сформулирована так называемая «центральная догма молекулярной биологии», согласно которой перенос информации возможен только от ДНК к белкам, но не в обратном направлении.

Каковы же особенности строения и функционирования генома, которые приводят к модификационной изменчивости?

Запишите генетические механизмы модификационной изменчивости:

1. Зависимость проявления генов от условий среды (наличие механизмов регуляции экспрессии, индукторов, репрессоров и т.д.).

2. Полигенная детерминация любого признака (комплементарность, эпистаз, полимерия).

3. Плейотропность действия гена.

4. Гетерозиготность организма, вследствие чего у некоторых генов могут изменяться отношения доминирования (неполное доминирование, сверхдоминирование и др.).

5. Альтернативные пути метаболизма и развития в клетке, когда блокирование одного пути компенсируется другим.