Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2008 №5 - Смолин

части гомологичных хромосом меняются местами. В результате получаются хромосомы, составленные из кусков папиных и маминых хромосом. Механизм гомологичной рекомбинации — однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея.

Гомологичная рекомбинация, механизм: однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея

Геномные, хромосомные и генные мутации

Теперь поговорим о мутациях: геномных, хромосомных и генных.

Пример геномной мутации — удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия), она может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.

9.27. Удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия) может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.

Какое это имеет отношение к нам? У прямых предков человека как вида полиплоидия (чаще всего удвоение) случалась неоднократно, но последний раз — более 100 миллионов лет назад. У животных и растений она встречается часто, особенно у культурных растений. При отборе человек просто не замечал, что отбирал полиплоиды. Например, культурный картофель — тетраплоид, банан — триплоид, он пригоден к употреблению, так как не образует семян, в отличие от диплоида, который состоит из жестких семян и почти не имеет мякоти.

При скрещивании дикорастущих видов было ресинтезировано несколько видов культурных растений, например, слива (Prunus domestica). Константная и гибридная форма, полностью сходная с домашней сливой получена при скрещивании терна P.spinosa (2n=32) с алычой P.divaricata (2n=16). Это растение имело, как и P.domestica, 2n=48 хромосом. Вероятно, дикая слива в ходе эволюции получилась именно таким путем.

А триплоиды просто так не получишь, у них даже семян не образуется, но они удобны в практических целях человека, например для получения большей урожайности и плодов без семян (у арбузов, бананов и т. д.) У арбуза гаплоидный набор n = 11 хромосом. Скрещивание тетраплоидного (4n=44) и диплоидного (2n = 22) арбуза дало триплоид (3n = 33) — бессемянный, крупноплодный, устойчивый к заболеваниям, в отличие от родительских форм.

Межвидовое скрещивание можно наблюдать у близкородственных животных: осла с лошадью — мул, или у коня с ослицей — лошак, они более выносливы, хоть и бесплодны. Вероятность появления потомства у мулов и лошаков (а это зависит от того, отойдут ли при делении все хромосомы правильно к одному полюсу) равна одной второй в степени n, где n — гаплоидное число хромосом. С такой частотой будут образовываться яйцеклетки и сперматозоиды, соответствующие по хромосомному составу родителям — ослу или лошади. Видно, что вероятность эта очень мала.

Теперь поговорим о хромосомных мутациях. Хромосомные мутации — изменение числа отдельных хромосом в геноме (анеуплоидия) или целостности хромосом (перестройки). Это одна из причин болезней человека. Моносомия (In) или трисомия (3n) хромосомы в оплодотворенной яйцеклетке будут смертельны для плода (кроме половых и мелких хромосом), а в соматических клетках часто приводит к раку.

Каждая из 23 хромосом может быть покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа). Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (G-окрашивание, слева, полоса до 0,1 % от длины генома). Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при опухолевых заболеваниях. Опухолевые заболевания почти всегда связаны с перестройками генома. Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22.

Хромосомы человека

Каждая из 23 хромосом м.б. покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа)

Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (D-окрашивание, слева, полоса до 0,1 %)

Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при раке.

Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22

Синдром Дауна — трисомия по хромосоме 21

Изменение числа хромосом, как и всякая мутация, связано с физиологическим состоянием организма. С возрастом организм начинает функционировать хуже, это приводит, в частности, к повышению частоты рождения детей с синдромом Дауна. Подавляющая часть случаев синдрома Дауна вызвана нерасхождением пары хромосом 21 в мейозе у матери. Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но есть и семейные случаи — транслокация гена из хр21 на другую хромосому.

На слайде видно, что 21-я хромосома представлена трижды. Две копии вместо одной чаще присутствуют в еще неоплодотворенной яйцеклетке, а не в сперматозоиде. Это было выявлено по анализу микросателлитов, о чем будет рассказано на следующих лекциях. Сейчас до трех месяцев беременности можно провести хромосомный анализ, для этого берут клетки околоплодной жидкости и смотрят, есть ли трисомия по 21-ой хромосоме. Во многих европейских странах после 35 лет анализ беременной женщины на выявление у плода синдрома Дауна обязателен, в связи с повышением частоты рождаемости больных детей при увеличении возраста матери.

Теперь поговорим о хромосомных перестройках. Основные типы хромосомных перестроек:

1. дупликация — удвоение сегмента

2. делеция — утрата сегмента,

3. инверсия — переворот сегмента,

4. транслокация — перенос сегмента на другую хромосому Все они являются причинами многих болезней.

Перестройки хромосом в гаметах часто приводят к болезням человека — нарушениям морфологии, физиологии и поведения, особенно часто встречается дупликация и делеция, как правило, все такие болезни сопровождаются заторможенным умственным развитием, то есть чаще всего какие бы ни были хромосомные перестройки, они затрагивают развитие наших умственных способностей, ну а кроме этого болезни сопровождаются чаще всего недоразвитием каких-либо органов (например, маленькая голова).

Основные типы хромосомных перестроек:

1. дупликация — удвоение сегмента

2. делеция — утрата сегмента,

3. инверсия — переворот сегмента,

4. транслокация — перенос сегмента на другую хромосому

В эволюции геномные и хромосомные мутации чаще фиксируются у растений, реже у животных. Геномные мутации у животных обычно различают таксоны более высоких порядков например отряды (сельдевые и лососевые), а у растений это могут быть и виды (пшеница и другие культурные растения). Анеуплоидия и перестройки хромосом в гаметах обычно приводят к болезням у животных человека — нарушениям морфологии, физиологии, поведения, и резко снижают возможность оставить потомство. Тем не менее, сотни тысяч таких случаев зафиксированы на сегодня эволюцией