Изменчивость организмов. Генные и хромосомные мутации. Репарация ДНК.

Изменчивость Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки. Изменчивость Ненаследственная Наследственная - Модификационная - Комбинативная - Онтогенетическая - Мутационная

Мутации (Г. Де Фриз, 1901 г.) Мутации – стойкие, случайные, ненаправленные качественные или количественные изменения ДНК.

Классификация мутаций 1. По способности наследоваться при половом размножении: Соматические (происходят в соматических клетках, потомкам не передаются) Соматические (происходят в соматических клетках, потомкам не передаются) Генеративные (возникают в половых клетках и передаются потомкам) Генеративные (возникают в половых клетках и передаются потомкам) 2. По проявлению в гетерозиготе: Доминантные Доминантные Рецессивные Рецессивные

3. По уклонению от нормы (дикого типа): Прямые (дикий тип мутантный фенотип) Прямые (дикий тип мутантный фенотип) Обратные (реверсии) (мутантный фенотип дикий тип) Обратные (реверсии) (мутантный фенотип дикий тип) Супрессорные (мутантный фенотип дикий тип) Супрессорные (мутантный фенотип дикий тип) 4. По локализации в клетке: Ядерные Ядерные Цитоплазматические Цитоплазматические 5. По фенотипическому проявлению: Летальные Летальные Морфологические Морфологические Биохимические Биохимические Поведенческие и др. Поведенческие и др.

6. По причинам возникновения: Спонтанные Спонтанные Индуцированные (обусловленные мутагенами) Индуцированные (обусловленные мутагенами) 7. По действию на организм: Полезные Полезные Нейтральные Нейтральные Вредные Вредные 8. По характеру изменения генома: Генные Генные Хромосомные Хромосомные Геномные Геномные

Мутагены Мутагены – факторы, являющиеся причиной возникновения мутаций и повышающие их частоту. Классификация мутагенов: 1. Физические мутагены Ионизирующие излучения Ионизирующие излучения Ультрафиолетовое излучение Ультрафиолетовое излучение Температура Температура 2. Химические мутагены Аналоги азотистых оснований Аналоги азотистых оснований Метилирующие агенты Метилирующие агенты Соли тяжелых металлов и др. Соли тяжелых металлов и др. 3. Биологические мутагены Мобильные генетические элементы Мобильные генетические элементы Вирусы Вирусы Чистая ДНК Чистая ДНК

Генные мутации Генная мутация – изменение структуры ДНК в пределах одного гена. 1. Замена нуклеотида Простая замена (транзиция): AG, TC Сложная замена (трансверсия): AC, AT, GC, GT 2. Инсерция (вставка) нуклеотидов 3. Делеция (выпадение) нуклеотидов 4. Внутригенная инверсия (поворот участка гена на 180°) Сдвиг рамки считывания

Миссенс-мутации приводят к замене аминокислоты Нонсенс-мутации приводят к появлению стоп-кодонов Сеймсенс-мутации – мутации без замены аминокислотного остатка. Обусловлены вырожденностью генетического кода.

Динамические мутации Динамические мутации обусловлены увеличением количества тринуклеотидных повторов. Характеризуются: 1. Антиципацией (усугублением проявлений в каждом последующем поколении) 2. Переходом от премутации (увеличение повторов, не проявляющееся фенотипически) к мутации 3. Увеличением количества повторов во время гаметогенеза. Могут затрагивать регуляторные области гена (синдром ломкой Х-хромосомы), кодирующие участки (хорея Гентингтона) или 3-нетранслируемую область гена (атрофическая миотония).

Молекулярные механизмы возникновения генных мутаций 1. Ошибки ДНК-полимеразы 2. Таутомеризация азотистых оснований 3. Встраивание аналогов азотистых оснований (5- бромурацил, 2-аминопурин) 4. Дезаминирование азотистых оснований 5. Алкилирование азотистых оснований 6. Разрыв фосфодиэфирных связей 7. Апуринизация (разрыв гликозидной связи) 8. Воздействие интеркалирующих агентов (акридиновые красители, этидиум бромид и др.) 9. Формирование тиминовых димеров

Репарация Репарация – исправление повреждений ДНК. Обеспечивает сохранение генетической информации. Виды репарации: 1. Прямая репарация 2. Эксцизионная репарация 3. Рекомбинационная репарация 4. SOS-репарация

Прямая репарация Прямая репарация – восстановление поврежденного звена ДНК в результате обратной реакции (реверсия). Коррекция, осуществляемая ДНК-полимеразой во время репликации. Коррекция, осуществляемая ДНК-полимеразой во время репликации. Фотореактивация (А. Кельнер, 1949 г.) – расщепление пиримидиновых димеров с помощью активируемого видимым светом фермента фотолиазы. У людей отсутствует. Фотореактивация (А. Кельнер, 1949 г.) – расщепление пиримидиновых димеров с помощью активируемого видимым светом фермента фотолиазы. У людей отсутствует. Репарация алкилированного гуанина – ферменты метилтрансферазы удаляют метильную группу, возвращая основание в исходную форму. Репарация алкилированного гуанина – ферменты метилтрансферазы удаляют метильную группу, возвращая основание в исходную форму. Репарация однонитевых разрывов ДНК с помощью фермента полинуклеотидлигазы. Репарация однонитевых разрывов ДНК с помощью фермента полинуклеотидлигазы. Репарация АП-сайтов – ферменты инсертазы осуществляют прямую вставку потерянных азотистых оснований. Репарация АП-сайтов – ферменты инсертазы осуществляют прямую вставку потерянных азотистых оснований.

Эксцизионная репарация Эксцизионная репарация – вырезание поврежденных участков из цепи ДНК с последующим заполнением образовавшейся бреши. 1. Замена модифицированных нуклеотидов 2. Темновая репарация тиминовых димеров 3. Мисмэтч-репарация

Замена модифицированных оснований 1. Фермент гликозилаза распознает и удаляет модифицированное азотистое основание (гидролизует N-гликозидную связь) 2. Ферменты АП-эндонуклеаза и фосфодиэстераза вырезают лишенный основания нуклеотид. 3. ДНК-полимераза застраивает брешь. 4. Полинуклеотидлигаза сшивает одноцепочечный разрыв.

Эксцизионная репарация тиминовых димеров (прокариоты) 1. Комплекс эндонуклеаз UvrABC (эксцинуклеаза) распознает повреждение ДНК. 2. Эксцинуклеаза разрезает цепь ДНК на расстоянии 8 нуклеотидов с 5-конца и 4 нуклеотида с 3-конца от повреждения. 3. Геликаза UvrD вытесняет вырезанный фрагмент. 4. ДНК-полимераза I застраивает брешь. 5. Полинуклеотидлигаза сшивает одноцепочечный разрыв.

Мисмэтч-репарация Мисмэтч репарация – удаление некомплементарных нуклеотидов. 1. Белки MutS и MutL распознают мисмэтч. 2. Эндонуклеаза MutH разрезает цепь вблизи мисмэтча. 3. Экзонуклеаза вырезает участок, включающий некомплементарный нуклеотид. 4. ДНК-полимераза застраивает брешь. 5. Полинуклеотидлигаза сшивает одноцепочечный разрыв.

Рекомбинационная репарация Происходит замещение поврежденного участка одной из нитей молекулы ДНК на неповрежденный в результате встраивания нити из гомологичной хромосомы или сестринской хроматиды. Принимают участие белок RecA, ДНК- полимераза, полинуклеотидлигаза.

SOS-репарация (М. Радман, 1974 г.) Запускается в клетках с большим количеством повреждений ДНК. 1. Белок RecA связывается с белком LexA и разрушает его. 2. Активируется транскрипция генов umuC и umuD. 3. Белковый комплекс UmuCD присоединяется к ДНК-полимеразе и изменяет ее таким образом, что она продолжает синтез на поврежденной ДНК-матрице.

Хромосомные мутации Хромосомные мутации (аберрации, перестройки) – изменения структуры хромосом. 1. Фрагментация хромосом ы 2. Дефишенси (концевые нехватки) – потеря теломерных участков хромосомы. 3. Делеция – потеря участка хромосомы, не включающего теломеру. 4. Дупликация – удвоение участка хромосомы. 5. Инверсия – поворот участка хромосомы на 180°. 6. Транспозиция – перемещение участка хромосомы в другой локус этой же хромосомы. 7. Транслокация – перемещение участка хромосомы в другую хромосому.

Геномные мутации Геномные мутации – изменения количества хромосом. 1. Анеуплоидия – изменение количества отдельных хромосом. Трисомия (2n+1) Трисомия (2n+1) Моносомия (2n-1) Моносомия (2n-1) Нуллисомия (2n-2) Нуллисомия (2n-2) 2. Полиплоидия – увеличение количества наборов хромосом (3n, 4n) 3. Гаплоидия – уменьшение количества наборов хромосом (1n)

Причины изменения структуры и количества хромосом 1. Разрывы фосфодиэфирных связей 2. Неравный кроссинговер 3. Нерасхождение хромосом 4. Анафазное отставание