Мутации, связанные с изменением структуры молекулы ДНК, называются генными. Они представляют собой выпадение или вставку одного, или нескольких азотистых оснований, либо то и другое одновременно, а также замену азотистых оснований. Последние описаны Э. Фризом (1963). Он различал два типа замен: транзиции и трансверзии.
При транзиции одно пуриновое или пиримидиновое основание заменяется соответственно другим пуриновым или пиримидиновым основанием:
Г - Ц
А - Т
Трансверзии встречаются чаще транзиций. При трансверзии пуриновое основание заменяется пиримидиновым и наоборот:
Г - Ц Г- Ц А - Г А - Г
Ц - Г Г - А Т - А Ц - Г
Все генные мутации приводят к изменению смысла кодона и к нарушению считывания информации в цепи ДНК. Различают три типа таких изменений.
Миссенс- и нонсенс-мутации обычно происходят при замене азотистых оснований. К изменению смысла кодонов приводят и выпадения или вставки азотистых оснований. Все эти мутации возникают спонтанно и могут быть вызваны любыми мутагенными факторами среды.
Хромосомные мутации. В клетке под обычным световым микроскопом можно рассмотреть хромосомные мутации, или аберрации. Они являются более грубыми нарушениями наследственных структур, чем генные, и касаются структуры и количества хромосом в клеточном наборе.
Структурные хромосомные мутации связаны с нарушением целостности структуры хромосомы, групп сцепления генов, с процессом ее фрагментации. Эти мутации бывают двух типов:
Для формирования структурной мутации требуются два и более разрыва хромосомы. Различают хромосомные и хроматидные аберрации. Если разрыв затрагивает одну хроматиду, перестройка называется хроматидной, но после репликации она может стать хромосомной.
1. К внутрихромосомным перестройкам относятся делеции, дупликации, инверсии и инсерции. (рис. 19).
| Рис. 20. Схема формирования кольцевых хромосом и фрагментов | |
| Рис. 19. Схема внутрихромосомных аберраций |
1. Межхромосомные перестройки происходят между негомологичными хромосомами.
Транслокация – это обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают:
Иногда может происходить поперечный, а не продольный разрыв хроматид в области центромер; в этом случае образуются изохромосомы (рис. 24), представляющие собой зеркальное отображение двух одинаковых плеч (длинных или коротких).
| Исходные Хромосомы после хромосомы транслокации Рис. 21. Схема реципрокной транслокации | Исходные Хромосомы после хромосомы транслокации Рис. 22. Схема нереципрокной транслокации |
При одностороннем переносе фрагмента одной хромосомы на другую возникает нереципрокная транслокация. Грубые транслокации могут привести к резкому снижению жизнеспособности клетки и организма в целом.
Мутации, происходящие вследствие изменения количества хромосом, составляют группу количественных хромосомных мутаций или геномных. Они называются геномными, поскольку представляют собой на-
| Исходные Хромосомы после хромосомы транслокации Рис. 23. Схема робертсоновской транслокации | Рис. 24. Схема образования изохромосом |
рушение геномного числа хромосом. В основе этого нарушения лежат механизмы нерасхождения хромосом в момент деления клеток, особенно в мейозе. Изменение числа хромосом осуществляется в двух направлениях: в сторону – увеличения, или уменьшения их количества, кратного гаплоидному (полиплоидия), и в сторону потери или включения отдельных хромосом или их пар в клеточном наборе (гетероплоидия).
Гаплоидия (1n) – одинарный набор хромосом в соматических клетках, например у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как в этом случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека это летальная мутация.
Полиплоидия – это кратное гаплоидному увеличение числа хромосом в соматических клетках (Зп, 4п, 5п). Полиплоидия используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации. Полиплоидия в свою очередь подразделяется наавтополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет умножения геномов одного вида) и аллополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет слияния геномов разных видов)
Автополиплоидия встречается часто у высших растений и широко используется в селекции растений, т.к. увеличение числа хромосом в клеточном наборе приводит к усилению хозяйственно полезных признаков. Например, к увеличению размеров клеток, цветов, плодов, количества зерна, зеленой массы, содержания белка, сахара в плодах и корнеплодах, иногда к повышению устойчивости к вредным воздействиям и заболеваниям. У позвоночных и многих беспозвоночных полиплоидия встречается редко. Она может привести к гибели организма уже на ранних стадиях развития. Первые исследования полиплоидии были проведены И.И. Герасимовым в 1898-1901 гг. Ему удалось получить тетраплоидные клетки у водоросли спирогиры.
Аллополиплоидия впервые была описана советским ученым Г.Д. Карпеченко в 1927 г. Ему удалось получить плодовитый гибрид редьки и капусты. В клетках этих растений содержится одинаковый по количеству набор хромосом, но они негомологичны.
Гетероплоидия, или анеуплоидия, некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2п+1). Впервые была обнаружена К. Бриджесом (1916 г.) у дрозофилы. В настоящее время она известна у многих видов животных и растений. Возникает гетероплоидия в результате нерасхождения отдельных пар гомологичных хромосом в мейозе. При этом в одной гамете могут оказаться сразу две хромосомы из пары, а в другую не попадет ни одной.
Существует несколько разновидностей анеуплоидии:
Гетероплоидия сопровождается значительными фенотипическими изменениями. У людей при этом обнаруживаются множественные дефекты физического и умственного развития. Описана гетероплоидия у растений (пшеница, табак, кукуруза) и некоторых домашних животных. У гетероплоидов также нарушен гаметогенез, но вместе с тем у них могут образовываться нормальные гаплоидные половые клетки.
Геномные мутации всегда проявляются фенотипически и легко обнаруживаются цитогенетическими методами.