Причины мутаций

Мутации

Мута́ция  — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Термин предложен Гуго де Фризом. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Причины мутаций

Мутации делятся  на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около   —   на нуклеотид за клеточную генерацию.  Ученый Холдейн сделал расчет средней вероятности появления спонтанных перестроек, которая составила 5*10-5 за 1 поколение. Спонтанный процесс зависит от внутренних и от внешних факторов (мутационное давление среды). 
Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации – это изменения, происходящие в ДНК клетки. 

Бывают: 
1.полезными (встречаются только со слабым фенотипическим эффектом); 
2.вредными (с сильным фенотипическим эффектом); 
3. нейтральными (синонимические замены нуклеоидов). 
Они передаются по наследству, являются материалом для естественного отбора. 
 
Хромосомные мутации – это один из типов мутаций (существуют еще генные, геномные, цитоплазматические и соматические), характеризующийся изменением структуры хромосом. 

Эти изменения  происходят в результате нарушения  целостности хромосомы – из-за разрывов, которые сопровождаются перестройками (мутациями или аберрациями). 
 
Главная причина хромосомных мутаций  – это воздействие факторов окружающей среды (мутагенов), вызывающих индуцированные мутации. 

Известны мутагены 3-х видов: 
1.физические (рентгеновские и гамма лучи, ультрафиолетовое излучение, низкие и высокие температуры, давление, электромагнитное излучение и т.д.); 
2.химические (цитостатики, фенолы, спирты, соли тяжелых металлов и т.д.); 
3.биологические (вирусы и бактерии). 

В большинстве  случаев установлены вредные  хромосомные мутации, болезни, которые  они приносят человеку, часто несовместимы с жизнью. 

Основная  характеристика хромосомной мутации  состоит в том, что все хромосомные  перестройки, как и другие мутации, случайны. Они меняют генные функции, осуществляют распределение генов  по геному случайно.

Из-за случайных  хромосомных мутаций возникают  новые многообразные «генные  коалиции», приспособительная ценность которых определяется отбором. 

 

Классификация хромосомных мутаций 
Хромосомные перестройки обычно классифицируют по видам и типам. 

Различают виды хромосомных мутаций: 
1.внутрихромосомные;

Внутрихромосомные мутации отличаются аберрациями (отклонениями от нормы) в пределах одной хромосомы. К хромосомным мутациям относятся делеции, инверсии, дупликации. Все они входят в состав внутрихромосомных отклонений. 

Делеция — утрата концевого или внутреннего участка хромосомы. Такая мутация может повлечь за собой множество аномалий в период эмбрионального развития (например, врожденный порок сердца).

Инверсия - это поворот фрагмента хромосомы на 180° и встраивание его после этого на прежнее место. Порядок расположения генов нарушается, но без дополнительных условий это не влияет на фенотип.

Дупликация — умножение участка хромосомы. Такая аберрация приводит к появлению врожденных пороков развития. 
 
2.межхромосомные;

Межхромосомные мутации (транслокации) — обмен фрагментами между хромосомами, имеющими несходные гены (негомологичные). 

   Транслокации подразделяются на: 
    1.реципрокные (обмен происходит между двумя хромосомами); 
    2.нереципрокные ( фрагмент одной из хромосом переносится на другую) ; 
    3.робертсоновские (образование одной метацентрической хромосомы вместо двух акроцентрических, т.е. «Центрическое слияние»).  
 
3.изохромосомные.

Изохромосомные мутации происходят в результате образования копий хромосом, зеркальных фрагментов двух других, содержащих одинаковые наборы генов. Эта аберрация получила название «центрическое соединение» в результате факта поперечного разрыва хроматид, происходящего через центромеры 

Также хромосомные  мутации подразделяют на типы:  численные  и структурные. Численные в свою очередь делятся на анеуплоидии (утрата (моносомия) или появление (трисомия) дополнительных хромосом)  и полиплоидии (кратное увеличение количества хромосом). 

Структурные представлены транслокациями, делециями, инверсиями, инсерциями (когда сегмент одной хромосомы переносится в другую),  изохромосомами и центрическими кольцами (когда фрагмент хромосомы замкнут в кольцо).

 

 
Связь генных, геномных и хромосомных мутаций. 

Генные и  хромосомные мутации, а также  геномные - взаимосвязаны между собой. Генные мутации характеризуются  изменениями в строении  генов, из которых состоят хромосомы.

Мутацию считают  хромосомной, если происходят изменения  в строении. А геномные мутации  характеризуются изменением количества хромосом.

В свою очередь  геномные и хромосомные мутации  имеют общую классификацию в  делении на анеуплоидии и полиплоидии. Робертсоновская транслокация является переходной от хромосомной мутации к геномной.

Эти два типа мутаций объединяют таким понятием и направлением в  медицине, как «хромосомные аномалии», включающее в себя:  
1.хромосомные болезни ( например, болезнь Дауна); 
2.внутриутробную патологию (выкидыши, спонтанные аборты) ; 
3.соматическую патологию (лучевая болезнь лейкозы).  

В настоящее  время известно где-то 1000 хромосомных  аномалий. Все эти хромосомные  мутации человека изучены и описаны. Из них в виде синдромов описаны около 300 форм. 

Хромосомные болезни 
Хромосомные болезни (вызванные хромосомными мутациями, а также геномными) – это большая группа наследственных врожденных заболеваний, характеризующихся врожденными множественными пороками развития. Они появляются по причине наиболее крупных изменений ДНК: трисомии, делеций, дупликаций и др.

Эти повреждения  возникают при созревании гамет, при оплодотворении, на ранних стадиях дробления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Сбой, неверное «расхождение» хромосом плода,  может случиться  даже  в момент слияния абсолютно здоровых клеток родителей. Этот процесс  не поддается контролю и является еще  не до конца изученным.   

Все последствия хромосомных мутаций  чаще всего неблагоприятны для человека. Они вызывают нередко: 
1.самопроизвольный аборт (до 70%); 
2.мертворождения (7,2%) всевозможные пороки развития; 
3.обуславливают замедление умственного развития; 
4.появление опухолей.

При хромосомных  болезнях степень поражения органов  обуславливают многие факторы: тип  хромосомной аномалии, недостающий  или избыточный материал индивидуальной хромосомы, генотип организма, условия  среды.

Все хромосомные болезни разделяются  по 2-м большим группам: 
1. Вызванные нарушением числа хромосом (геномные мутации). Геномные мутации самые многочисленные и составляют основную долю хромосомных болезней. Представлены в виде моносомий, трисомий и других форм полисомий. Сюда же можно отнести триплоидии и тетраплоидии, при которых дети погибают в первые часы и дни рождения или в утробе.   

Наиболее  часто встречается болезнь (синдром) Дауна или трисомия-21, в основе которой лежат генетические дефекты. Была описана в 1866 г. педиатром Дауном и в настоящее время является самой изученной хромосомной  болезнью. Встречается примерно у одного из 700 новорожденных. В 94 % случаев болезнь обусловлена трисомией по 21 хромосоме, а в остальных – транслокацией 21 хромосомы.  

2. Вызванные  изменением структуры хромосом (хромосомные  мутации). Представлены частичной  моносомией (делецией), частичной трисомией (дупликацией) и др. К примеру, выявлено минимум 200 случаев синдрома частичной трисомии (по короткому плечу хромосомы 9).

Признаки этого заболевания  следующие: 
1.умственная отсталость; 
2.задержка роста микробрахицефалия; 
3.энофтальм, т.е. глубоко посаженные глаза; 
4.округлый кончик носа; 
5.врождённые пороки сердца и др. 

Такие эффекты  дают хромосомные мутации, примеры  с синдромом Дауна и синдромом  частичной трисомии показательны.

Ряд хромосомных  болезней также связан с изменением числа половых хромосом. Больные  с такими аномалиями не дают потомства.

Этиологическое  лечение хромосомных болезней пока не разработано. Их можно лишь постараться  предотвратить путем метода пренатальной диагностики.

Наука ставит перед собой задачи уменьшения генетического  груза посредством снижения вероятностей мутаций и предотвращения их, устранения  изменений ДНК с помощью генной инженерии.

 

 

 

Индуцированный  мутационный процесс - это возникновение наследственных изменений под влиянием направленного действия факторов внешней и внутренней среды. Возникновения мутаций без установленных причин принято называть спонтанным мутационным процессом.  
Мутационная изменчивость обусловлена как влиянием на организм факторов внешней среды, так и его физиологическим состоянием.  
Частота возникновения мутаций зависит от:  
      • генотипа организма;  
      • фазы онтогенеза;  
      • стадии онтогенеза;  
      • стадии гаметогенеза;  
      • митотического и мейотического циклов хромосом;  
      • химического строения отдельных участков хромосом и др.  
 
Свойства мутаций:  
      • мутации возникают внезапно, скачкообразно;  
      • мутации наследуются, т.е. передаются от поколения к поколению;  
      • мутации не направленные - подвергаться мутациям может любой локус (участок хромосомы), вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков;  
      • одни и те же мутации могут возникать повторно;  
      • за проявлением мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными. 

 

 

  Классификация мутаций:  
      Мутации можно объединить в группы - классифицировать по характеру проявления, по месту или уровню их возникновения.  
      Мутации по характеру проявления - бывают доминантными и рецессивными. Большинство из них рецессивные и не проявляются в гетерозиготных организмах. Как правило, мутации вредны, ибо нарушают четко сбалансированную систему биохимических превращений.    

 Доминантные мутации проявляются сразу в гомо-и гетерозиготных организмах, преимущественно такие особи нежизнеспособны и гибнут на ранних стадиях онтогенеза. Мутации часто снижают жизнестойкость или плодовитость.

Мутации, которые  резко влияют на жизнеспособность и  частично или полностью останавливают  развитие, называютсяполулетальными, а несовместимые с жизнью - летальными. У человека к таким мутациям относится рецессивный ген гемофилии.

Мутации по месту возникновения.    

 Мутации,  возникающие в соматических тканях, получили название соматических мутаций. Соматические клетки составляют популяцию, образованную при бесполом размножении (делении) клеток. Соматические мутации обуславливают генотипическое разнообразие тканей, часто не передаются по наследству и ограниченные тем индивидуумом, в которого они возникли. Соматические мутации возникают в диплоидных клетках, поэтому проявляются только при доминантных генах или при рецессивных, но в гомозиготном состоянии. Чем раньше в эмбриогенезе человека возникла мутация, тем больший участок соматических клеток отклоняется от нормы. И наоборот, чем позже в процессе развития организм испытывает мутационное воздействие, тем меньший участок ткани, которая образуется из мутационной клетки. Например, окраска радужной оболочки глаза - белый или карий сегменты на голубой радужке - обусловлены соматической мутацией. Считают, что следствием соматических мутаций является раковое перерождение. Злокачественный рост вызывается канцерогенами, среди которых наиболее негативные - проникающая радиация и активные химические соединения (вещества), и хотя соматические мутации не наследуются, они снижают репродуктивные возможности организма, в котором возникли.     

 Мутации,  возникающие в гаметах или  в клетках, с которых они  образуются, получили название генеративных или терминальных мутаций. Чем раньше в половых клетках возникает мутация, тем больше будет доля половых клеток, которые будут нести новую мутацию. Верхний предел доли клеток, которые будут содержать индуцированную или спонтанную мутацию, составляет 50 процентов. Существует мнение, что наибольшее количество мутаций в половых клетках возникает в овоцитах. Поскольку сперматогонии подвергаются постоянному делению, то среди них может происходить отбор против мутаций, обуславливающих вредный эффект, и частота мутаций снижается до периода половой зрелости. Женщина, наоборот, рождается почти со всеми мутантными изменениями, в линии половых клеток нет параллельного митотического отбора. Овоциты не только не испытывают митоза, они остаются малоактивными на протяжении десятилетий, пока не станут яйцеклетками. За этот период овоциты стареют, становятся непропорционально чувствительными  к спонтанной мутации. На половые клетки наибольшее влияние осуществляют цезий-137, стронций-90 и углерод-14.    

 Генеративные  мутации при половом размножении  передаются следующим поколениям. Доминантные мутации появляются  уже в первом поколении, а  рецессивные - только во втором  и последующих поколениях, с переходом  в гомозиготное состояние.