Біологія. 11 клас. Балан

§ 11. Мутаційна мінливість

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: що таке комбінативна мінливість? Що таке гаплоїдний, диплоїдний і поліплоїдний набори хромосом? Що таке рекомбінація, репарація, стоп-кодони, аутосоми, гетерохромосоми, гомо- та гетерозиготи? Що таке репарація ДНК?

Однією із загальних властивостей живої матерії є відносна консервативність спадкової інформації. У роздільностатевих організмів нащадки отримують частину алельних генів від матері, іншу - від батька, що зумовлює певну подібність батьків і нащадків. Унаслідок нестатевого розмноження нащадки часто є генетичною копією материнського організму. Однак існує спадкова мінливість, пов’язана зі змінами в генотипі особин певного виду. Вона може бути комбінативною та мутаційною.

Які особливості комбінативної мінливості?

Комбінативна, або комбінаційна, мінливість пов’язана із виникненням різних комбінацій алельних генів (рекомбінацій). Нові комбінації алельних генів можуть виникати: внаслідок кросинговеру під час кон’югації гомологічних хромосом у профазі та їхнього подальшого незалежного розходження в анафазі першого поділу мейозу, а також випадкового поєднання алельних генів батьків при злитті гамет під час запліднення. Отже, комбінативна мінливість зумовлює появу особин з різними варіантами фенотипу, тобто є одним із джерел мінливості.

Джерелом комбінативної мінливості є й кон’югація - одна з форм статевого процесу, під час якої відбувається обмін спадковою інформацією між двома особинами (бактерії, інфузорії, водорості, гриби). Комбінативну мінливість спостерігають також в організмів, які розмножуються нестатево. Наприклад, у прокаріотів передача спадкової інформації можлива від клітини до клітини за участю вірусів-бактеріофагів.

Які особливості мутаційної мінливості? Які існують типи мутацій?

Як ви пам’ятаєте, мутації (від лат. мутатіо - зміна) - стійкі зміни генетичного матеріалу, які виникають раптово і можуть призводити до зміни тих чи інших спадкових ознак організму. Підвалини вчення про мутації заклав голландський учений Г. де Фріз (мал. 11.1), який і запропонував сам термін. Подальші дослідження показали, що здатність до мутацій - універсальна властивість всіх живих істот.

Мал. 11.1. Гуго де Фріз (1848-1935) - один з трьох учених, які підтвердили закони спадковості Г. Менделя

Мутації можуть виникати у будь-яких клітинах організму і спричиняти різноманітні зміни генетичного матеріалу. Відповідно змінюється фенотип особин. Генеративні мутації виникають у статевих клітинах та успадковуються під час статевого розмноження.

Соматичні мутації відбуваються в нестатевих (соматичних) клітинах і при статевому розмноженні нащадкам не передаються. Вони можуть успадковуватися лише за нестатевого розмноження. Соматичні мутації можуть призводити до важких захворювань. Наприклад, мутації клітин червоного кісткового мозку людини спричиняють лейкоз - злоякісне розмноження нетипових лейкоцитів, а тканин інших типів - утворення пухлин (мал. 11.2).

Залежно від характеру впливу на життєдіяльність організмів розрізняють летальні, сублетальні і нейтральні мутації. Летальні мутації, проявляючись у фенотипі, призводять до загибелі особини ще до початку постембріонального розвитку або набуття здатності до розмноження. Сублетальні мутації знижують життєздатність, спричиняючи загибель певної частини особин - від 10 % до 50 %. Нейтральні мутації (від лат. нейтраліс - той, що не належить ні тому, ні іншому) у звичних для організмів умовах існування не впливають на їхню життєздатність. У певних випадках, особливо за змін умов навколишнього середовища, нейтральні мутації можуть виявитися корисними або шкідливими. Ймовірність того, що мутація, яка щойно виникла, виявиться корисною, дуже мала.

Залежно від характеру змін генетичного матеріалу розрізняють мутації: пов’язані з кратним збільшенням або зменшенням кількості хромосомних наборів; пов’язані зі зміною кількості окремих гомологічних хромосом; пов’язані зі зміною будови окремих хромосом та точкові, спричинені порушенням послідовності розташування нуклеотидів у молекулах нуклеїнових кислот.

Збільшення кількості хромосомних наборів зумовлює поліплоїдію (від грец. поліплоос - багаторазовий та ейдос - вид). Поліплоїдію найчастіше спостерігають у рослин, рідше - у тварин (переважно одноклітинних, інколи - багатоклітинних, які розмножуються вегетативно чи партеногенетично).

Мал. 11.2. Утворення пухлини внаслідок мутації соматичної клітини (зверніть увагу на неконтрольований поділ клітин)

Мал. 11.3. 1. Схема утворення поліплоїдних полуниць: завдяки застосуванню алкалоїда колхіцина отримують гамети з диплоїдним набором хромосом. При їхньому злитті виникає тетраплоїдна зигота, з якої розвивається рослина. 2. Диплоїдні (2n) та поліплоїдні (4n) плоди полуниці

Поліплоїдія може виникати внаслідок: подвоєння числа хромосом, яке не супроводжується наступним поділом клітини; утворення гамет з не зменшеним унаслідок порушення процесу мейозу числом хромосом. Її може також спричинити злиття нестатевих клітин або їхніх ядер.

Поліплоїдія часто сприяє збільшенню розмірів організмів, прискоренню процесів життєдіяльності і підвищенню продуктивності (мал. 11.3). Це пояснюють тим, що інтенсивність біосинтезу білків прямо залежить від числа гомологічних хромосом у ядрі: чим їх більше, тим більше одночасно утворюється молекул білка. Проте поліплоїдія може знижувати плодючість через порушення процесу мейозу. У поліплоїдних організмів можуть утворюватись гамети з різними наборами хромосом (особливо за непарної кількості наборів хромосом: 3n, 5n тощо). Такі гамети не здатні до злиття.

Поліплоїдія відіграє важливу роль в еволюції рослин як один з механізмів утворення нових видів. Її використовують у селекції під час виведення високопродуктивних сортів (м’якої пшениці, цукрового буряку, суниць садових тощо).

Мутації, які супроводжуються зменшенням числа наборів хромосом, мають протилежні наслідки. Гаплоїдні форми, порівняно з диплоїдними, менші за розмірами; їхні продуктивність і плодючість знижені. У селекції такий тип мутацій використовують для отримання гомозиготних за всіма генами особин: спочатку виводять гаплоїдні форми, а згодом подвоюють число хромосом.

Мутації, пов’язані зі зміною числа окремих гомологічних хромосом, значно впливають на фенотип мутантних особин. Наприклад, зародок людини з хромосомним набором 44 аутосоми (А) + Х-хромосома розвивається в жіночий організм зі значними вадами (крилоподібна згортка шкіри на шиї, порушення у будові кісток, кровоносної і сечостатевої систем, не розвиваються статеві залози). А зародки з хромосомним набором 44А + XXX розвиваються в жінок, які лише неістотно відрізняються від нормальних.

Мал. 11.4. Утрату певної ділянки хромосоми називають делецією (від лат. делетіо - знищення). Знайдіть на малюнку втрачену ділянку

У чоловіків можуть з’являтись одна (XXY, XYY), дві (XXXY, XYYY, XXYY) чи три (XXXXY, XXXYY) зайві статеві хромосоми. Найчастіше зустрічається варіант XXY. Частота появи хлопчиків із цією мутацією становить 1 на 500-700 новонароджених. Для чоловіків із цим синдромом характерні високий зріст, видовжені кінцівки, відносно короткий тулуб, безпліддя, схильність до ожиріння, кволість, часто розумова відсталість. Поява зайвої 8-ї хромосоми теж призводить до порушень, але не таких значних (косоокість, короткопалість, збільшення розмірів вух, носа, незначна розумова відсталість та ін.). Пригадайте, що поява зайвої 21-ї хромосоми спричиняє хворобу Дауна.

Особливий вид мутацій, пов’язаних зі зміною числа окремих хромосом, - їхнє злиття або розділення. Злиття хромосом полягає у з’єднанні двох негомологічних хромосом в одну. Зрідка спостерігають розщеплення однієї хромосоми на дві.

Відомі різні типи зміни будови окремих хромосом: втрата ділянки; вбудовування ділянки іншої гомологічної або негомологічної хромосоми; обертання ділянки на 180° тощо. Для таких мутацій характерні значні за масштабами зміни нуклеотидних послідовностей ДНК, до яких залучені ділянки завдовжки від 1 млн пар нуклеотидів і більше.

У разі втрати ділянки хромосома стає коротшою і втрачає певні гени (мал. 11.4). Внаслідок цього у фенотипі гетерозиготних організмів можуть проявлятися рецесивні алелі, розташовані у відповідній ділянці іншої гомологічної хромосоми. У людини у разі втрати короткого плеча п’ятої хромосоми спостерігають синдром «котячого крику». Плач хворих малюків нагадує нявкання котів, для них характерні маленькі розміри голови, уповільнений ріст і розумова відсталість. Втрата ділянки 21-ї хромосоми людини викликає важку форму білокрів’я.

У хромосому може вбудуватися додатковий фрагмент, який належав гомологічній або негомологічній хромосомі (мал. 11.5).

Як втрата певної ділянки, так і подвоєння певних фрагментів хромосоми можуть бути спричинені порушенням процесу кон’югації гомологічних хромосом під час мейозу та виникають унаслідок розривів хромосоми (мал. 11.6).

Мал. 11.5. Вбудовування додаткового фрагмента у гомологічну хромосому. Такий тип мутацій називають дуплікацією (від лат. дуплікатіо - подвоєння)

Мал. 11.6. Мутація у дрозофіли, пов’язана з подвоєнням певної ділянки Х-хромосоми; у нормальних самок (1) око складається з 800 фасеток; у гетерозиготних за мутантним алелем (2) - із 350; самки, гомозиготні за мутантним алелем (3), мають усього 70 фасеток

Мутації, за яких дві негомологічні хромосоми обмінюються своїми ділянками (мал. 11.7), можуть викликати нездатність до статевого розмноження.

Інколи ділянка хромосоми, яка утворилася внаслідок двох розривів, повертається на 180° і за допомогою ферментів знову вбудовується в хромосому (мал. 11.8). При цьому кількість генів хромосоми може залишатися незмінною. Однак змінюється послідовність розташування генів. Тому наслідком таких мутацій може бути стерильність організмів.

Переміщення ділянки всередині однієї хромосоми або ж в іншу викликає зміни послідовностей нуклеотидів (мал. 11.9). Наприклад, у дрозофіли один з генів Х-хромосоми здатний переміщуватись в аутосому. Вчені з’ясували, що наявність рухомих генетичних елементів є універсальною властивістю прокаріотів та еукаріотів. Припускають, ці хромосомні мутації сприяють включенню до геному нових генів, що урізноманітнює генетичний матеріал виду, роблячи його екологічно пластичнішим.

Мал. 11.7. Мутації, при яких дві негомологічні хромосоми обмінюються своїми ділянками, називають транслокаціями (від лат. транс - через та локатіо - розміщення). Знайдіть на малюнку ділянки, якими обмінялися негомологічні хромосоми

Мал. 11.8. Тип мутацій, коли ділянка хромосоми, яка утворилася внаслідок двох розривів, повертається на 180° і за допомогою ферментів знову вбудовується в хромосому, називають інверсіями (від лат. інверсіо - перевертання). Знайдіть ділянку, положення якої в хромосомі змінилося на 180°

Мал. 11.9. Транспозицією (від лат. транс - через та позитіон - положення) називають переміщення ділянки всередині хромосоми або ж в іншу хромосому. Знайдіть на малюнку ділянку, яка перемістилася всередині хромосоми

Спільними наслідками мутацій, пов’язаних зі зміною будови хромосом, можуть бути порушення мейозу, зокрема, кон’югації гомологічних хромосом. Наприклад, гомологічні хромосоми не розходяться після кон’югації і потрапляють лише до частини утворених гамет. Так виникають статеві клітини з відмінними хромосомними наборами.

Точкові мутації - це стійкі зміни окремих послідовностей нуклеотидів у молекулах нуклеїнових кислот. Цей найпоширеніший тип мутацій може зачіпати будь-які ознаки організму (мал. 11.10) і необмежений час передаватися між послідовними поколіннями. Точкові мутації часто виникають унаслідок помилок у процесі подвоєння молекул ДНК або їхнього відновлення (репарації).

Точкові мутації можна поділити на дві групи. Перша група мутацій пов’язана із заміною у складі нуклеїнової кислоти одних нітратних основ на інші. Друга група - це зникнення певних пар нуклеотидів або вбудовування нових. Пригадайте, що генетична інформація, закодована у вигляді послідовності нуклеотидів, починає зчитуватись з певного місця і зчитується послідовно триплет за триплетом. Унаслідок зникнення одних пар нуклеотидів або появи нових цей процес порушується і відповідно змінюється структура синтезованого білка. Заміна нуклеотиду у складі нуклеїнової кислоти може призвести до появи стоп-кодону, що викликає синтез вкороченого нефункціонального поліпептиду.

Розрізняють стійкі алелі, мутації в яких відбуваються відносно рідко, і нестійкі, що змінюються значно частіше.

Точкові мутації можуть бути домінантними, напівдомінантними і рецесивними. Більшість з них рецесивні, тому вони проявляються лише в гомозиготному стані. Але навіть летальні мутації у гетерозиготному стані можуть тривалий час зберігатись у популяції.

У нормальних умовах мутації окремих алелів відбуваються досить рідко. Але, оскільки кількість генів організму значна, то і загальна кількість мутацій також помітна. Наприклад, у дрозофіли приблизно 5 % гамет несуть різноманітні мутації.

Мал. 11.10. Точкові мутації крил у дрозофіли (зверніть увагу на зміну форми та розташування жилок)

Нові терміни та поняття. Комбінативна мінливість, мутації, поліплоїдія.

Запитання для повторення: 1. Який тип мінливості називають спадковою? 2. Що спільного та відмінного між комбінативною та мутаційною мінливістю? 3. Які типи мутацій вам відомі? 4. З чим пов’язані генні мутації?

Проблемне завдання. Поміркуйте, чому мутації, пов’язані з кратним зменшенням хромосомного набору, більш негативно впливають на життєздатність організмів, порівняно з тими, які спричинюють кратне збільшення цього набору.