10. Гаплоидия

Гаплоидия — это явление уменьшения числа хромосом, когда в соматической клетке присутствует только гаплоидный набор хромосом. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор хромосом.

Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле пчел (трутень), спорообразующих грибов и одноклеточных водорослей.

У высших растений гаплоид впервые был обнаружен у дурмана в 1921 г., затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы. В настоящее время гаплоидия известна у 71 вида.

Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

1. Проявляются рецессивные гены, так как их не прикрывают доминантные аллели.

2. По внешнему виду, как правило, они сходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их. Исключение – трутень.

3. Клетки имеют меньший размер, что может объясняться уменьшением дозы генов.

4. Гаплоиды почти бесплодны, так как у них в мейозе не образуются полноценные гаметы: хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно, образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет образуется диплоид, гомозиготный по всем генам.

Растения, полученные от гаплоида путем вегетативного размножения, имеют фенотип, полностью соответствующий генотипу. Изучая гаплоидные растения, можно выявлять полезные и вредные рецессивные мутации.

Лекция № 10

Тема лекции: Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК

План лекции:

1. Механизмы точковых мутаций

2. Экспансия тринуклеотидных повторов

3. Прямая коррекция мутационных повреждений

3.1. Репарация ДНК-полимеразой

3.2. Световая репарация

3.3. Репарация алкилирующих повреждений

3.4. Репарация лигазой

4. Эксцизионная репарация

4.1. Темновая репарация

4.2. Репарация неспаренных оснований

4.3. Пострепликативная репарация

4.4. SOS - репарация

1. Механизмы точковых мутаций

Основные механизмы точковых мутаций (как спонтанных, так и индуцированных):

1. Ферментативная модификация структуры нуклеотидов.

2. Ошибки репликации.

3. Ошибки репарации.

4. Воздействие мутагенных факторов.

Так, у E.coli большое число спонтанных мутаций возникает путем ферментативной модификации цитозина. Фермент метилаза добавляет группу -СН₃ к некоторой части цитозиновых остатков в молекуле ДНК, образуется 5–метилцитозин. В результате происходят транзиции от G - C к А - Т.

Теперь, что касается ошибок репликации, точнее, ошибок в работе ДНК-полимераз, то они возникают с частотой примерно 10^-5. Корректирующая 3'-5'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз снижает эту частоту до 10^-10. Репаративные процессы еще более уменьшают возможность подобных ошибок. Тем не менее, число их все же достаточно для возникновения мутаций.

Ошибки возникают и в молекулярных механизмах репарации.

Среди мутагенных факторов, как известно, выделяют ионизирующие и неионизирующие излучения, а также химические и биологические агенты.

Проникая в ткани, ионизирующие излучения разрывают химические связи, в том числе и в ДНК. В результате возникают хромосомные перестройки и разрывы, а также точковые мутации.

Ультрафиолетовый свет не является ионизирующим, тем не менее это довольно эффективный мутаген. Связано это с тем, что пурины и пиримидины интенсивно поглощают ультрафиолет с длиной волны 254-260 нм, в результате чего возникают димеры между молекулами тимина находящимися рядом в одной и той же цепи ДНК или на противоположных цепях. Со значительно меньшей частотой образуются димеры других пиримидинов. Возникновение димера приводит к выпячиванию в цепи ДНК. Большинство таких нарушений репарируется, оставшиеся нерепарированными приводят к мутациям.

Многие химические соединения могут индуцировать мутации. Это аналоги оснований; соединения, модифицирующие основания; интеркалирующие агенты.

Аналоги оснований по молекулярной структуре очень похожи на обычные азотистые основания. Эти соединения вызывают мутации потому, что они могут существовать в альтернативных (таутомерных) состояниях. В каждом из двух состояний аналоги спариваются с разными нормальными основаниями, в результате чего может произойти их замена. Например, 5-бромурацил в нормальном состоянии спаривается с аденином, в более редком таутомерном состоянии — с гуанином.

Агенты, модифицирующие основания. Ряд химических агентов действуют как мутагены, непосредственно модифицируя химическую структуру оснований. К ним относятся дезаминирующие, гидроксилирующие и алкилирующие агенты.

Азотистая кислота (HNO₂) осуществляет окислительное дезаминирование, т. е. удаляет аминогруппы (-NН₃) из таких оснований как гуанин, цитозин и аденин.

Например, когда модифицируется цитозин, получается урацил (который спаривается с аденином). В итоге происходит транзиция от C-G к Т-А в ходе акта репликации.

Другим мутагеном, модифицирующим основания, является гидроксиламин (NH₂OH), который специфически реагирует с цитозином, добавляя гидроксильную группу (-ОН), в результате чего он спаривается уже не с гуанином, а с аденином.

И наконец, рассмотрим алкилирующий агент метилметансульфонат, алкилирующий гуанин, т.е. он добавляет группы –СН₃ или –С₂Н₅ к кислороду в 6-й позиции, в результате чего образуется О⁶-алкилгуанин или О⁶-метилгуанин. Метилированный гуанин будет спариваться не с цитозином, а с тимином.

Интеркалирующие агенты. К этой группе относятся профлавин, акридин, этидиумбромид и др. Они встраиваются (интеркалируют) между соседними нуклеотидами в одной или обеих цепях ДНК.

Если интеркалирующий агент встраивается между соседними основаниями в матричной цепи ДНК, дополнительное основание, в данном случае G (его выбор случаен), включается во вновь синтезируемую цепь и возникает мутация сдвига рамки. Похожая ситуация будет и при удалении интеркалирующего агента.

Весьма часто в клетке происходят инсерции мобильных элементов. Когда мобильный элемент вырезается из места встройки, могут возникнуть делеции прилегающего материала.

Существует такое понятие, как горячие точки мутирования (hotspots) – это участки гена, в которых частота мутации на 1…3 порядка выше, чем в соседних сайтах. Для каждого мутагена они свои и их локализация связана со специфичностью воздействия мутагена на молекулу ДНК.