Amerikai tudósok három csoportjának, egymástól függetlenül, először sikerült kapcsolatot létesítenie bizonyos gének mutációi és annak valószínűsége között, hogy egy gyermekben autizmus spektrumzavarok alakulnak ki – írja a The New York Times. Ráadásul a kutatók megállapították tudományos megerősítés korábban azonosított közvetlen kapcsolat a szülők, különösen az apák életkora és az autizmus kialakulásának kockázata között.

Mindhárom csoport a genetikai mutációk egy ritka, "de novo" nevű csoportjára összpontosított. Ezek a mutációk nem öröklődnek, hanem a fogantatás során keletkeznek. Mint genetikai anyag vérmintát vettek olyan családtagoktól, akiknél a szülők nem autisták, és a gyerekeknél különböző autizmus spektrum zavarok alakultak ki.

A tudósok első csoportja, amelyet Matthew W. State, a Yale Egyetem genetikai és gyermekpszichiátriai professzora vezetett, munkája április 4-én jelent meg a Nature folyóiratban, 200 autizmussal diagnosztizált emberben, akiknek szülei , de novo mutációk jelenlétét elemezték. a testvérek nem voltak autisták. Ennek eredményeként két gyermeket fedeztek fel, akiknek ugyanaz a mutációja van ugyanabban a génben, és a diagnózison kívül semmi más nem kapcsolta össze őket.

„Olyan ez, mintha dartsozás közben kétszer találnánk el ugyanazt a pontot.

Az Evan E. Eichler, a Washingtoni Egyetem genetikai professzora által vezetett csapat 209 autista gyermeket nevelő család vérmintáját vizsgálta, és egy gyermekben ugyanazt a mutációt találta ugyanabban a génben. Ezenkívül két különböző családból származó autista gyermeket azonosítottak, akiknek azonos „de novo” mutációi voltak, de különböző génekben. Nem figyeltek meg ilyen egybeeséseket a nem autista alanyok körében.

A kutatók harmadik csoportja, Mark J. Daly professzor, a Harvard Egyetem professzora vezetésével több esetben is de novo mutációt talált ugyanabban a három génben autista gyerekekben. Bármely ember genotípusában legalább egy ilyen típusú mutáció megtalálható, de Daly úgy véli, az autistáknál átlagosan lényegesen több van belőlük.

Mindhárom kutatócsoport megerősítette a korábban megfigyelt összefüggést a szülők életkora és a gyermek autizmusa között. Hogyan idősebb szülők, mindenekelőtt az apa, annál nagyobb a „de novo” mutációk kockázata. 51 mutáció elemzése után az Eichler professzor vezette csapat megállapította, hogy ez a fajta károsodás négyszer gyakoribb a férfi DNS-ben, mint a női DNS-ben. És még gyakrabban, ha a férfi életkora meghaladja a 35 évet. Így a tudósok azt sugallják, hogy az utódok fogantatáskor kapott károsodott apai genetikai anyaga a forrása azoknak a mutációknak, amelyek autista rendellenességek kialakulásához vezetnek.

A tudósok egyetértenek abban, hogy az autizmus genetikai természetének kutatása még hosszú ideig tart. Különösen Eichler és Daly csapata talált bizonyítékot arra, hogy a de novo mutációkat tartalmazó gének ugyanazokban a biológiai folyamatokban vesznek részt. „De ez csak a jéghegy csúcsa” – mondja Eichler professzor. „A legfontosabb, hogy mindannyian egyetértsünk abban, hol kezdjük.

5. FEJEZET A SZERVEZET VÁLTOZTATÁSA

5. FEJEZET A SZERVEZET VÁLTOZTATÁSA

Összes információ

Egy szervezet variabilitása genomjának változatossága, amely meghatározza az ember genotípus- és fenotípusbeli különbségeit, és előidézi genotípusainak és fenotípusainak evolúciós sokféleségét (lásd 2. és 3. fejezet).

Az embrió, embrió, magzat méhen belüli fejlődése, az emberi test további posztnatális fejlődése (csecsemőkor, gyermekkor, serdülőkor, serdülőkor, felnőttkor, öregedés és halálozás) az ontogenezis genetikai programjának megfelelően, a sejtek fúziójával alakul ki. anyai és apai genom (lásd 2. és 12. fejezet).

Az ontogenezis során az egyén testének genomja és a benne kódolt információ folyamatos átalakuláson megy keresztül a tényezők hatására. környezet. A genomban bekövetkező változások nemzedékről nemzedékre továbbíthatók, ami változékonyságot okoz a leszármazottakban a szervezet jellemzőiben és fenotípusában.

A 20. század elején. W. Hacker német zoológus azonosította a genetika azon ágát, amely a genotípusok és fenotípusok közötti összefüggések és kapcsolatok tanulmányozásával, valamint variabilitásuk elemzésével foglalkozik, és elnevezett. fenogenetika.

Jelenleg a fenogenetikusok a variabilitás két osztályát különböztetik meg: a nem öröklődőt (vagy módosulást), amely nem terjed nemzedékről nemzedékre, és az örökleteset, amely nemzedékről nemzedékre terjed.

viszont örökletes változékonyság Két osztály is létezik: kombinatív (rekombináció) és mutációs. Az első osztály variabilitását három mechanizmus határozza meg: az ivarsejtek véletlenszerű találkozása a megtermékenyítés során; crossing over vagy meiotikus rekombináció (a homológ kromoszómák közötti egyenlő szakaszok cseréje a meiózis első osztódásának profázisában); a homológ kromoszómák független divergenciája az osztódási pólusokhoz a leánysejtek kialakulása során a mitózis és a meiózis során. A második változékonysága

osztályt pont-, kromoszómális és genomiális mutációk okozzák (lásd alább).

Tekintsük egymás után az organizmus változatosságának különböző osztályait és típusait egyéni fejlődésének különböző szakaszaiban.

Változékonyság az ivarsejtek megtermékenyülése során és a születő szervezet genomjának működésének kezdete

Az anyai és apai genom nem működhet külön egymástól.

Csak két szülői genom, egyesülve egy zigótában, biztosítja a molekuláris élet eredetét, egy új minőségi állapot kialakulását - a biológiai anyag egyik tulajdonságát.

ábrán. A 23. ábra két szülői genom interakciójának eredményeit mutatja az ivarsejt megtermékenyítés során.

A megtermékenyítési képlet szerint: zigóta = petesejt + spermium, a zigóta fejlődésének kezdete a kettős (diploid) kialakulásának pillanata, amikor két haploid szülői ivarsejt találkozik. Ekkor keletkezik a molekuláris élet, és elindul a szekvenciális reakciók láncolata, amely először a zigóta genotípus génjeinek kifejeződése, majd az abból előkerült szomatikus leánysejtek genotípusai alapján történik. Az egyes gének és géncsoportok a test összes sejtjének genotípusában elkezdenek „bekapcsolni” és „kikapcsolni” az ontogenezis genetikai programjának végrehajtása során.

A lezajló eseményekben a főszerep a tojásé, amelynek a sejtmagjában és a citoplazmában minden a csírázáshoz szükséges.

Rizs. 23. Két szülői genom interakciójának eredményei az ivarsejtek megtermékenyítése során (képek a www.bio.1september.ru; www.bio.fizteh.ru; www.vetfac.nsau.edu.ru oldalról)

az élet fejlődése és folytatása, a sejtmag és a citoplazma szerkezeti és funkcionális összetevői (a lényeg biológiai matriarchátus). A spermium DNS-t tartalmaz, és nem tartalmaz citoplazmatikus komponenseket. A petesejtbe való behatolás után a spermium DNS érintkezésbe kerül a DNS-ével, így a zigótában „bekapcsol” a szervezet egész életében működő fő molekuláris mechanizmus: két szülői genom DNS-DNS kölcsönhatása. Szigorúan véve a genotípus aktiválódik, amelyet az anyai és apai eredetű DNS-nukleotidszekvenciák megközelítőleg egyenlő része képvisel (a citoplazma mtDNS-ének figyelembevétele nélkül). Egyszerűsítsük le az elmondottakat: a molekuláris élet kezdete a zigótában a tojás belső környezete (homeosztázisa) állandóságának megsértése, a többsejtű szervezet teljes ezt követő molekuláris élete pedig a homeosztázis helyreállításának vágya. környezeti tényezőknek kitéve vagy két ellentétes állapot egyensúlya: stabilitás Az egyik oldalonés változékonyság másikkal. Ezek azok az ok-okozati összefüggések, amelyek meghatározzák egy szervezet molekuláris életének kialakulását és folytonosságát az ontogenezis során.

Most pedig figyeljünk egy élőlény genomja variabilitásának, mint evolúciós terméknek az eredményeire és jelentőségére. Először is vizsgáljuk meg a zigóta vagy a test összes sejtje, szövete, szerve és rendszere őssejtje genotípusának egyediségét.

Maga a megtermékenyítés véletlenül történik: egy női ivarsejtet csak egy férfi ivarsejt termékenyít meg a férfi ejakulátumban található 200-300 millió spermiumból. Nyilvánvaló, hogy minden tojást és minden spermiumot számos genotípusos és fenotípusos jellemző különböztet meg egymástól: megváltozott vagy változatlan gének jelenléte az összetételben és kombinációkban (a kombinatív variabilitás eredménye), a DNS nukleotid szekvenciák különböző szekvenciái, különböző méretű, formájúak. , funkcionális aktivitás (motilitás), ivarsejtek érettsége stb. Ezek a különbségek teszik lehetővé, hogy bármely ivarsejt genomjának egyediségéről, következésképpen a zigóta és az egész szervezet genotípusáról beszéljünk: az ivarsejtek megtermékenyítésének balesetéről ivarsejtek egy genetikailag egyedi egyéni szervezet születését biztosítja.

Más szóval, az ember molekuláris élete (mint egy biológiai lény élete általában) „sors ajándéka”, vagy ha úgy tetszik „isteni ajándék”, mert egy adott egyén helyett ugyanazzal

fennállt annak a lehetősége, hogy genetikailag eltérő testvérek születhettek.

Most folytassuk a vitát az örökítőanyag stabilitása és változékonysága közötti egyensúlyról. Tágabb értelemben az ilyen egyensúly fenntartása az örökítőanyag stabilitásának egyidejű megőrzése és megváltoztatása (átalakítása) belső (homeosztázis) és külső környezeti tényezők (reakciónorma) hatására. A homeosztázis a két genom fúziója által okozott genotípustól függ (lásd 23. ábra). A reakció sebességét a genotípus és a környezeti tényezők kölcsönhatása határozza meg.

Norma és reakciótartomány

A test sajátos reakcióját a környezeti tényezők hatására nevezzük reakció norma. A gének és a genotípus felelősek az egyes jellemzők és az egész szervezet fenotípusának kialakulásáért és módosulási köréért. Ugyanakkor a genotípus nem minden képessége valósul meg a fenotípusban, i.e. fenotípus - a genotípus megvalósításának egy adott (egyéni) esete speciális feltételek környezet. Ezért például a teljesen azonos genotípusú (100%-ban közös gének) rendelkező egypetéjű ikrek között észrevehető fenotípusos különbségek derülnek ki, ha az ikrek különböző feltételek környezet.

A reakció normája lehet szűk vagy széles. Az első esetben egy egyedi tulajdonság (fenotípus) stabilitása szinte a környezeti hatásoktól függetlenül megmarad. Példák szűk reakciónormájú génekre ill nem plasztikus gének A vércsoport antigének szintézisét kódoló gének, a szemszín, a hajgöndör stb. Hatásuk minden (élettel kompatibilis) külső körülmény között azonos. A második esetben egy egyedi tulajdonság (fenotípus) stabilitása a környezet hatásától függően változik. Példa a széles reakciósebességű génekre ill plasztikus gének- a vörösvértestek számát szabályozó gének (különbözik a hegyre felmenők és a hegyről lefelé haladók). Egy másik példa a széles reakciónormára a színváltozás bőr(barnulás), amely a testet érő ultraibolya sugárzás intenzitásával és idejével függ össze.

Beszélni valamiről választartomány, szem előtt kell tartani az egyénben (genotípusában) megjelenő fenotípusos különbségeket attól függően

„kimerült” vagy „dúsított” környezeti feltételek, amelyek között a szervezet található. Az I.I. meghatározása szerint Schmalhausen (1946) szerint „nem a tulajdonságok öröklődnek, hanem az élőlények létfeltételeinek változásaira adott reakciójuk normája”.

Így a reakció normája és tartománya a környezeti feltételek változása esetén a szervezet genotípusos és fenotípusos variabilitásának határai.

Azt is meg kell jegyezni, hogy a gének és a genotípus fenotípusos megnyilvánulását befolyásoló belső tényezők közül az egyén neme és életkora bizonyos jelentőséggel bír.

A tulajdonságok és fenotípusok kialakulását meghatározó külső és belső tényezők a fejezetben megjelölt három fő tényezőcsoportba tartoznak, ideértve a géneket és a genotípust, a szülői genomok közötti intermolekuláris (DNS-DNS) és intergenikus kölcsönhatások mechanizmusait, valamint a környezeti tényezőket.

Természetesen a szervezet környezeti feltételekhez való alkalmazkodásának alapja (az ontogenezis alapja) a genotípusa. Különösen a kóros gének és környezeti tényezők negatív hatásait nem elnyomó genotípusú egyedek kevesebb utódot hagynak maguk után, mint azok, akiknél a nemkívánatos hatások elnyomódnak.

Valószínű, hogy az életképesebb szervezetek genotípusaiban speciális gének (módosító gének) vannak, amelyek elnyomják a „káros” gének működését oly módon, hogy helyette a normál típusú allélok válnak dominánssá.

NEM ÖRÖKÜLŐ VÁLTOZATOSSÁG

Ha a genetikai anyag nem örökletes változékonyságáról beszélünk, vegyünk ismét egy példát egy széles reakciónormára - a bőrszín változására ultraibolya sugárzás. A „barna” nem öröklődik nemzedékről nemzedékre, i.e. nem öröklődik, bár előfordulásában plasztikus gének vesznek részt.

Ugyanígy nem öröklődnek a sérülések, a szövetek és a nyálkahártyák égési sérülései, fagyási sérülései, mérgezései és sok más, kizárólag környezeti tényezők által okozott tünet sem. Ugyanakkor hangsúlyozni kell: a nem öröklődő változások vagy módosulások örökleteshez kapcsolódnak.

egy adott szervezet természetes tulajdonságai, mert egy adott genotípus hátterében, meghatározott környezeti feltételek mellett alakulnak ki.

Örökletes kombinatív változékonyság

Ahogy a fejezet elején elhangzott, a kombinatív variabilitás az ivarsejtek megtermékenyítés során bekövetkező véletlenszerű találkozási mechanizmusán túl magában foglalja a meiózis első osztódásában bekövetkező átkelés mechanizmusait, valamint a kromoszómák önálló divergenciáját az osztódási pólusokhoz a lánya kialakulása során. mitózis és meiózis során (lásd a 9. fejezetet).

Átkelés az első meiotikus felosztásban

A mechanizmus miatt átkelés a gének kromoszómához való kapcsolódása a meiózis első osztódásának profázisában az apai és anyai eredetű gének keveredése (csere) következtében rendszeresen megszakad (24. ábra).

A 20. század elején. az átkelő megnyitásakor T.H. Morgan és tanítványai azt javasolták, hogy két gén közötti átkelés nem csak egy, hanem kettő, három (kettős, illetve háromszoros keresztezés) és több ponton is megtörténhet. A cserepontokkal közvetlenül szomszédos területeken az átkelés megakadályozását észlelték; ezt az elnyomást hívták interferencia.

Végül kiszámították: egy férfi meiózishoz 39-64 chiasma vagy rekombináció, egy női meiózishoz pedig akár 100 chiasma is tartozik.

Rizs. 24. Az átkelés sémája a meiózis első osztályában (Sevcsenko V.A. et al., 2004 szerint):

a - homológ kromoszómák testvérkromatidjai a meiózis kezdete előtt; b - pachytene alatt vannak (spiralizációjuk látható); c - diplotén és diakinézis alatt is vannak (a nyilak jelzik a chiazmus átkelés helyét vagy a csereterületeket)

Ennek eredményeként arra a következtetésre jutottak: a gének kromoszómákhoz való kapcsolódása folyamatosan megszakad a keresztezés során.

Az átlépést befolyásoló tényezők

A keresztezés a szervezetben az egyik szabályos genetikai folyamat, amelyet számos gén irányít mind közvetlenül, mind a sejtek fiziológiás állapotán keresztül a meiózis, sőt a mitózis során.

Az átlépést befolyásoló tényezők a következők:

Homo- és heterogametikus szex ( arról beszélünk O mitotikus átkelés hímekben és nőstényekben olyan eukariótákban, mint a Drosophila és a selyemhernyó); Így Drosophilában az átkelés normálisan megy; nál nél selyemhernyó- szintén normális vagy hiányzik; embereknél figyelmet kell fordítani a vegyes („harmadik”) nemre, és különösen a keresztezés szerepére a nemi fejlődés anomáliáiban a férfi és női hermafroditizmusban (lásd a 16. fejezetet);

Kromatin szerkezete; a keresztezési frekvenciához különböző területeken a kromoszómákat a heterokromatikus (pericentromer és telomer régiók) és az eukromatikus régiók eloszlása ​​befolyásolja; különösen a pericentromer és telomer régiókban csökken a keresztezés gyakorisága, és előfordulhat, hogy a gének közötti keresztezés gyakorisága által meghatározott távolság nem felel meg a ténylegesnek;

A test funkcionális állapota; Az életkor növekedésével a kromoszóma spiralizáció mértéke és a sejtosztódás sebessége változik;

Genotípus; olyan géneket tartalmaz, amelyek növelik vagy csökkentik az átkelés gyakoriságát; Ez utóbbiak „zárhelyei” a kromoszóma-átrendeződések (inverziók és transzlokációk), amelyek megnehezítik a kromoszómák normális konjugációját a zigoténben;

Exogén tényezők: hőmérséklet, ionizáló sugárzás és koncentrált sóoldatok, kémiai mutagének, gyógyszerek és hormonok, amelyek általában növelik az átkelés gyakoriságát.

A meiotikus és mitotikus átkelés gyakoriságát és az SCO-t néha a gyógyszerek, rákkeltő anyagok, antibiotikumok és mások mutagén hatásának megítélésére használják. kémiai vegyületek.

Egyenlőtlen átkelés

Ritka esetekben az átkelés során a testvérkromatidák aszimmetrikus pontjain törések figyelhetők meg, és ezek kicserélődnek

egyenlőtlen területekre vannak osztva egymás között - ez egyenlőtlen átkelés.

Ugyanakkor leírtak olyan eseteket, amikor a mitózis során homológ kromoszómák mitotikus konjugációja (helytelen párosítás) figyelhető meg, és rekombináció történik a nem testvérkromatidák között. Ezt a jelenséget az ún génátalakítás.

Ennek a mechanizmusnak a jelentőségét nehéz túlbecsülni. Például a homológ kromoszómák helytelen párosítása a szomszédos ismétlődések mentén a PMP22 gént tartalmazó kromoszóma régió megkettőződése (duplikációja) vagy elvesztése (deléció) fordulhat elő, ami örökletes autoszomális domináns motor-szenzoros fejlődéshez vezet. neuropátia Charcot-Marie-Tooth.

Az egyenlőtlen keresztezés a mutációk előfordulásának egyik mechanizmusa. Például a perifériás protein mielint a PMP22 gén kódolja, amely a 17. kromoszómán található, és körülbelül 1,5 millió bp hosszúságú. Ezt a gént két, körülbelül 30 kb hosszúságú homológ ismétlődés szegélyezi. (az ismétlődések a gén oldalain találhatók).

Különösen sok mutáció fordul elő az egyenlőtlen keresztezés eredményeként a pszeudogénekben. Ezután vagy az egyik allél fragmense átkerül egy másik allélba, vagy egy pszeudogén fragmentum egy génbe. Például hasonló mutáció figyelhető meg, amikor egy pszeudogén szekvenciát adnak át a 21-hidroxiláz génre (CYP21B) adrenogenitális szindrómában vagy veleszületett mellékvese hiperpláziában (lásd 14. és 22. fejezet).

Ezenkívül az egyenlőtlen keresztezés során bekövetkező rekombinációk következtében a HLA I. osztályú antigéneket kódoló gének több allél formája képződhet.

A homológ kromoszómák független eltérése az osztódási pólusoktól a leánysejtek kialakulása során a mitózis és a meiózis során

A szomatikus sejt mitózisát megelőző replikációs folyamat következtében a DNS nukleotidszekvenciák teljes száma megduplázódik. Egy pár homológ kromoszóma képződik két apai és két anyai kromoszómából. Ha ezt a négy kromoszómát két leánysejtre osztják fel, mindegyik sejt egy apai és egy anyai kromoszómát kap (minden pár kromoszómakészlethez), de a kettő közül melyik, az első vagy a második, nem ismert. Bekövetkezik

a homológ kromoszómák véletlenszerű eloszlása. Könnyen megszámolható: a 23 kromoszómapár különböző kombinációinak köszönhetően teljes leánysejtek 2 23, vagyis több mint 8 millió (8 χ 10 6) változata a rajtuk elhelyezkedő kromoszómák és gének kombinációinak. Következésképpen a kromoszómák leánysejtekbe történő véletlenszerű eloszlásával mindegyiknek saját egyedi kariotípusa és genotípusa lesz (a kromoszómák és a hozzájuk kapcsolódó gének kombinációjának saját változata). Meg kell jegyezni, hogy van egy patológiás változata a kromoszómák leánysejtekbe való eloszlásának. Például, ha két leánysejt egyikébe csak egy (apai vagy anyai eredetű) X kromoszóma kerül, monoszómiához vezet (Shereshevsky-Turner szindróma, 45-ös kariotípus, XO), három azonos autoszóma bejutása triszómiához (Down szindróma, 47,XY ,+21 Patau, 47,ХХ,+13 és Edvadsa, 47,ХХ,+18, lásd még a 2. fejezetet;

Ahogy az 5. fejezetben megjegyeztük, két apai vagy két anyai eredetű kromoszóma egyidejűleg bejuthat egy leánysejtbe – ez egy meghatározott kromoszómapár uniparentális izodiszómiája: Silver-Russell szindróma (két anyai kromoszóma 7), Beckwitt-Wiedemann szindróma (két apai kromoszóma) kromoszóma 11), Angelman (két apai kromoszóma 15), Prader-Willi (két anyai kromoszóma 15). Általában a kromoszóma-eloszlási rendellenességek térfogata eléri az összes kromoszóma-rendellenesség 1%-át az emberben. Ezek a rendellenességek nagy evolúciós jelentőséggel bírnak, mivel az emberi kariotípusok, genotípusok és fenotípusok populációinak sokféleségét hozzák létre. Ráadásul minden kóros változat az evolúció egyedi terméke.

A második meiotikus osztódás eredményeként 4 leánysejt képződik. Mindegyikük kap egy anyai vagy apai kromoszómát mind a 23 kromoszómából.

Elkerülni lehetséges hibákat további számításainkban szabálynak fogjuk fel: a második meiotikus osztódás eredményeként a hím ivarsejtek 8 millió és a női ivarsejtek 8 millió változata is kialakul. Ezután a válasz arra a kérdésre, hogy két ivarsejt találkozása esetén mekkora a kromoszómák és a rajtuk elhelyezkedő gének kombinációinak összmennyisége, a következő: 2 46 vagy 64 χ 10 12, azaz. 64 billió.

Ilyen (elméletileg lehetséges) számú genotípus kialakulása két ivarsejt találkozása esetén egyértelműen megmagyarázza a genotípusok heterogenitásának jelentését.

A kombinatív változékonyság értéke

A kombinációs variabilitás nemcsak az örökítőanyag heterogenitása és egyedisége miatt fontos, hanem a DNS-molekula stabilitásának helyreállítása (javítása) szempontjából is, ha mindkét szál károsodik. Példa erre az egyszálú DNS-rés kialakulása a javítatlan lézióval szemben. A keletkező rés nem korrigálható pontosan anélkül, hogy a normál DNS-szálat bevonnánk a javításba.

Mutációs változékonyság

A genotípusok és fenotípusok kombinatív variabilitásból eredő egyedisége és heterogenitása mellett a humán genom és a jelenség variabilitásához nagyban hozzájárul az örökletes mutációs variabilitás és az ebből eredő genetikai heterogenitás.

A DNS nukleotid szekvenciák variációi nagyjából mutációkra és genetikai polimorfizmusokra oszthatók (lásd a 2. fejezetet). Ugyanakkor, ha a genotípusok heterogenitása a genom variabilitás állandó (normál) jellemzője, akkor mutációs variabilitás- általában ez a patológiája.

A genom kóros variabilitását támasztja alá például az egyenlőtlen keresztezés, a kromoszómák hibás divergenciája az osztódási pólusokhoz a leánysejtek kialakulása során, genetikai vegyületek és allélsorozatok jelenléte. Más szóval, az örökletes kombinatív és mutációs variabilitás az emberben jelentős genotípusos és fenotípusos diverzitásban nyilvánul meg.

Tisztázzuk a terminológiát és mérlegeljük általános kérdéseket mutációs elméletek.

A MUTÁCIÓK ELMÉLETE ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI

Mutáció változás van szerkezeti szervezet, az örökítőanyag és az általa szintetizált fehérjék mennyisége és/vagy működése. Ezt a koncepciót először Hugo de Vries javasolta

1901-1903 között „Mutációelmélet” című munkájában, ahol a mutációk alapvető tulajdonságait írta le. Ők:

Hirtelen megjelenni;

Nemzedékről nemzedékre továbbadva;

A domináns típus (heterozigótákban és homozigótákban manifesztálódik) és recesszív típus (homozigótákban manifesztálódik) szerint öröklődik;

Nincs irányuk ("mutál" bármely lókuszt, kisebb változásokat okozva vagy befolyásolja az életjeleket);

Fenotípusos megnyilvánulásuk szerint lehetnek károsak (a legtöbb mutáció), előnyösek (rendkívül ritkák) vagy közömbösek;

Szomatikus és csírasejtekben fordul elő.

Ezenkívül ugyanazok a mutációk ismétlődően előfordulhatnak.

Mutációs folyamat vagy mutagenezis, a mutációk kialakulásának folyamatosan zajló folyamata mutagének – az örökítőanyagot károsító környezeti tényezők – hatására.

Első folyamatos mutagenezis elmélete javasolta 1889-ben a Szentpétervári Egyetem orosz tudósa, S.I. Korzsinszkij „Heterogenezis és evolúció” című könyvében.

A jelenlegi vélekedés szerint a mutációk megjelenhetnek spontán módon, látható külső okok nélkül, de a sejtben és a testben kialakuló belső körülmények hatására - ezek spontán mutációk, ill. spontán mutagenezis.

Az expozíció által mesterségesen okozott mutációk külső tényezők fizikai, kémiai vagy biológiai természetűek, indukált mutációk, vagy indukált mutagenezis.

A leggyakoribb mutációkat ún főbb mutációk(például a Duchenne-Becker izomdisztrófia, cisztás fibrózis, sarlósejtes vérszegénység, fenilketonuria stb. génjeinek mutációi). Most olyan kereskedelmi készleteket hoztak létre, amelyek lehetővé teszik a legfontosabbak automatikus azonosítását.

Az újonnan előforduló mutációkat új mutációknak vagy mutációknak nevezzük de novo. Ilyenek például a mutációk, amelyek számos autoszomális domináns betegség hátterében állnak, mint például az achondroplasia (a betegség eseteinek 10%-a családi forma), Recklinghausen neurofibromatosis I. típusú (50-70% családi formák), Alzheimer-kór, Huntington-kórea .

A gén (tulajdonság) normál állapotából patológiás állapotba vezető mutációkat nevezzük egyenes.

A gén (tulajdonság) kóros állapotából a normál állapotba történő mutációkat fordított ill reverziók.

A visszaállás képességét először 1935-ben N.V. Timofejev-Reszovszkij.

A gén utólagos, az elsődleges mutáns fenotípust elnyomó mutációit nevezzük elnyomó. Elnyomás lehet intragén(helyreállítja a fehérje funkcionális aktivitását; az aminosav nem felel meg az eredetinek, azaz nincs valódi reverzibilitás) ill. extragén(a tRNS szerkezete megváltozik, aminek következtében a mutáns tRNS egy másik aminosavat tartalmaz a polipeptidben a hibás triplet által kódolt aminosav helyett).

A szomatikus sejtekben lévő mutációkat ún szomatikus mutációk. Patológiás sejtklónokat (kóros sejtek halmazát) képeznek, és normál és kóros sejtek egyidejű jelenléte esetén a sejtmozaik kialakulásához vezetnek (például Albright örökletes osteodystrophiájában a betegség kifejeződése attól függ, a kóros sejtek száma).

A szomatikus mutációk lehetnek familiárisak vagy szórványosak (nem családi). Ezek a rosszindulatú daganatok és a korai öregedési folyamatok kialakulásának hátterében állnak.

Korábban axiómának számított, hogy a szomatikus mutációk nem öröklődnek. Az elmúlt években bebizonyosodott, hogy a rák multifaktoriális formáinak 90%-ának és a monogén formáinak 10%-ának örökletes hajlamának nemzedékről generációra való átadása, amely szomatikus sejtek mutációiban nyilvánul meg.

A csírasejtek mutációit ún csíramutációk.Úgy gondolják, hogy kevésbé gyakoriak, mint a szomatikus mutációk, minden örökletes és néhány veleszületett betegség hátterében állnak, nemzedékről nemzedékre terjednek, és lehetnek családi vagy szórványosak is. Az általános mutagenezis leginkább tanulmányozott területe a fizikai és különösen a sugárzási mutagenezis. Az ionizáló sugárzás bármely forrása káros az emberi egészségre, általában erős mutagén, teratogén és rákkeltő hatású. Egyetlen dózisú sugárzás mutagén hatása sokkal nagyobb, mint a krónikus sugárzásé; A 10 rad sugárdózis megduplázza a mutációs rátát emberben. Bebizonyosodott, hogy az ionizáló sugárzás mutációkat okozhat, amelyek a

örökletes (veleszületett) és onkológiai betegségekre, és ultraibolya - DNS-replikációs hibák indukálására.

A legnagyobb veszély az kémiai mutagenezis. A világon körülbelül 7 millió kémiai vegyület található. A nemzetgazdaságban, a termelésben és a mindennapi életben megközelítőleg 50-60 ezret használnak folyamatosan. vegyi anyagok. Évente körülbelül ezer új vegyületet vezetnek be a gyakorlatba. Ezek 10%-a képes mutációt indukálni. Ide tartoznak a gyomirtó és peszticidek (köztük a mutagének aránya eléri az 50%-ot), valamint számos gyógyszerek(egyes antibiotikumok, szintetikus hormonok, citosztatikumok stb.).

Van még biológiai mutagenezis. A biológiai mutagének közé tartoznak a vakcinák és szérumok idegen fehérjéi, vírusok (varicella, kanyaró rubeola, gyermekbénulás, herpes simplex, AIDS, encephalitis) és DNS, exogén faktorok (rossz fehérjetáplálkozás), hisztamin vegyületek és származékai, szteroid hormonok (endogén faktorok) . Erősítse a külső mutagén hatását comutagének(toxinok).

A genetika története számos példát tartalmaz a gének és a tulajdonságok közötti kapcsolatok fontosságára. Az egyik a mutációk osztályozása fenotípusos hatásuk függvényében.

A mutációk osztályozása fenotípusos hatásuk függvényében

A mutációk ezen osztályozását először 1932-ben G. Möller javasolta. A besorolás szerint a következőket azonosították:

Amorf mutációk. Ez egy olyan állapot, amelyben a patológiás allél által szabályozott tulajdonság nem fejeződik ki, mivel a kóros allél inaktív a normál allélhoz képest. Ilyen mutációk közé tartozik az albinizmus gén (11q14.1) és körülbelül 3000 autoszomális recesszív betegség;

Antimorf mutációk. Ebben az esetben a kóros allél által szabályozott tulajdonság értéke ellentétes a normál allél által szabályozott tulajdonság értékével. Az ilyen mutációk körülbelül 5-6 ezer autoszomális domináns betegség génjeit foglalják magukban;

Hipermorf mutációk. Egy ilyen mutáció esetén a kóros allél által szabályozott tulajdonság kifejezettebb, mint a normál allél által szabályozott tulajdonság. Példa - gete-

rozigotikus gének hordozói a genom instabilitásából eredő betegségek miatt (lásd a 10. fejezetet). Számuk a Föld lakosságának mintegy 3%-a (majdnem 195 millió ember), maguk a betegségek száma eléri a 100 nosológiát. Ezek közül a betegségek: Fanconi vérszegénység, ataxia telangiectasia, xeroderma pigmentosum, Bloom-szindróma, progeroid szindrómák, a rák számos formája stb. Ezen túlmenően a rák gyakorisága e betegségek génjeinek heterozigóta hordozóiban 3-5-ször magasabb, mint a normális, és magukban a betegekben (e gének homozigótáiban) a rák előfordulása több tízszerese a normálisnak.

Hipomorf mutációk. Ez egy olyan állapot, amelyben egy patológiás allél által szabályozott tulajdonság kifejeződése gyengül a normál allél által szabályozott tulajdonsághoz képest. Az ilyen mutációk közé tartoznak a pigmentszintézis gének mutációi (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), valamint több mint 300 formája autoszomális recesszív betegségek.

Neomorf mutációk. Ilyen mutációról azt mondják, hogy akkor fordul elő, ha a kóros allél által szabályozott tulajdonság más (új) minőségű, mint a normál allél által szabályozott tulajdonság. Példa: új immunglobulinok szintézise válaszul idegen antigének behatolására a szervezetbe.

G. Möller osztályozásának maradandó jelentőségéről szólva meg kell jegyezni, hogy 60 évvel megjelenése után a pontmutációk fenotípusos hatásait különböző osztályokba sorolták aszerint, hogy milyen hatást gyakoroltak a gén fehérjetermékének szerkezetére, ill. /vagy kifejezési szintjét.

Különösen, Nobel díjas Victor McKusick (1992) olyan mutációkat azonosított, amelyek megváltoztatják egy fehérje aminosavszekvenciáját. Kiderült, hogy a monogén betegségek 50-60%-ában ezek a felelősek, a fennmaradó mutációk (az esetek 40-50%-a) pedig a génexpressziót befolyásoló mutációkért.

A fehérje aminosav-összetételének változása kóros fenotípusban nyilvánul meg, például a bétaglobin gén mutációi által okozott methemoglobinémia vagy sarlósejtes vérszegénység esetén. A normál génexpressziót befolyásoló mutációkat viszont izolálták. A géntermék mennyiségének megváltozásához vezetnek, és egy adott fehérje hiányához kapcsolódó fenotípusokban nyilvánulnak meg, pl.

Azokban az esetekben hemolitikus anémia, autoszómákon lokalizált gének mutációi okozzák: 9q34.3 (adenilát kináz hiány); 12p13.1 (triózfoszfát-izomeráz hiány); 21q22.2 (foszfofruktokináz-hiány).

A mutációk V. McKusick (1992) osztályozása természetesen az osztályozások új generációja. Ugyanakkor megjelenésének előestéjén széles körben elfogadottá vált a mutációk osztályozása az örökítőanyag szerveződési szintjétől függően.

A mutációk osztályozása az örökítőanyag szerveződési szintjétől függően

Az osztályozás a következőket tartalmazza.

Pontmutációk(a génszerkezet megsértése különböző pontokon).

Szigorúan véve a pontmutációk egy gén nukleotidjaiban (bázisaiban) bekövetkező változásokat foglalják magukban, ami az általuk szintetizált fehérjetermékek mennyiségének és minőségének megváltozásához vezet. Bázisváltozások azok szubsztitúciói, inszerciói, mozgásai vagy deléciói, amelyek a gének szabályozó régióinak (promoter, poliadenilációs hely), valamint a gének kódoló és nem kódoló régióinak (exonok és intronok, splicing) mutációival magyarázhatók. oldalak). A bázisszubsztitúciók háromféle mutáns kodont eredményeznek: missense mutációk, semleges mutációk és nonszensz mutációk.

A pontmutációk egyszerű mendeli tulajdonságokként öröklődnek. Gyakoriak: 200-2000 szülésből 1 eset - primer hemochromatosis, nem polipózisos vastagbélrák, Martin-Bell szindróma és cisztás fibrózis.

A pontmutációk, amelyek rendkívül ritkák (1:1 500 000), az adenozin-deamináz hiányból eredő súlyos kombinált immunhiány (SCID). Néha a pontmutációk nem a mutagéneknek való kitettség miatt jönnek létre, hanem a DNS-replikáció hibájaként. Sőt gyakoriságuk nem haladja meg az 1:10 5 -1:10 10 értéket, mivel a sejtjavító rendszerek segítségével szinte

Strukturális mutációk vagy kromoszóma-rendellenességek (megzavarják a kromoszómák szerkezetét és új génkapcsolati csoportok kialakulásához vezetnek). Ezek deléciók (vesztések), duplikációk (kettőzések), transzlokációk (mozgások), inverziók (180°-os elforgatás) vagy beillesztések (inszerciók). Az ilyen mutációk a szomatikusra jellemzőek

logikai sejtek (beleértve az őssejteket is). Gyakoriságuk 1:1700 sejtosztódás.

Számos olyan szindróma létezik, amelyeket szerkezeti mutációk okoznak. A leghíresebb példák: „macska kiáltása” szindróma (kariotípus: 46,ХХ,5р-), Wolf-Hirschhorn szindróma (46,ХХ,4р-), Down-szindróma transzlokációs formája (kariotípus: 47, ХУ, t () 14;21) ).

Egy másik példa a leukémia. Előfordulásukkor az úgynevezett szeparáció (transzlokáció a gén szerkezeti része és promóterrégiója között) következtében a génexpresszió megszakad, és ennek következtében a fehérjeszintézis megbomlik.

Genomiális(számszerű) mutációk- a kromoszómák vagy részeik számának megsértése (új genomok vagy részeik megjelenéséhez vezet teljes kromoszómák vagy részeik hozzáadásával vagy elvesztésével). Ezeknek a mutációknak az eredete a mitózisban vagy meiózisban előforduló kromoszómák nem diszjunkciója.

Az első esetben ezek aneuploidok, osztatlan citoplazmával rendelkező tetraploidok, 6, 8, 10 pár kromoszómával vagy több poliploidok.

A második esetben ez az ivarsejtek képződésében részt vevő páros kromoszómák nem szétválása (monosómia, triszómia), vagy egy petesejt két spermium általi megtermékenyítése (diszpermia vagy triploid embrió).

Az övék tipikus példák már többször idézték - ezek a Shereshevsky-Turner-szindróma (45, XX), a Klinefelter-szindróma (47, XXY), a Down-szindróma rendszeres triszómiája (47, XX, +21).

Az Egyesült Államok legnagyobb genetikai laboratóriuma, a Reprogenetics vezető kínai tudósokkal, számos New York-i intézettel és a PGD területére szakosodott orvosi központtal együttműködve közzétette új tanulmányok eredményeit, amelyek szerint mutációk kimutathatók embriók in vitro megtermékenyítés (IVF) után.

A vizsgálat elvégzéséhez egy kis (megtakarító) biopszia, mindössze körülbelül 10 embrionális sejt elegendő, míg a legtöbb új (De Novo) mutáció, amely aránytalanul magas százalékban okoz genetikai betegségeket, kimutatható PGD segítségével. A módszer egyedisége egy új kifejlesztésében rejlik eredeti folyamat kiterjesztett teljes genom szűrés.

Új (De Novo) mutációk csak a csírasejtekben és az embriókban fordulnak elő megtermékenyítés után. Ezek a mutációk jellemzően nincsenek jelen a szülők vérében, és még a hordozó szülők átfogó szűrése sem mutatja ki őket. A standard PGD nem tudja kimutatni ezeket a mutációkat, mert a tesztek nem elég érzékenyek, vagy csak a genom nagyon szűk specifikus régióira koncentrálnak.

„Ezek az eredmények fontos lépés a teljes genom szűrés fejlesztésében, amelynek célja a legegészségesebb embriók megtalálása PGD-ben" - mondja Santiago Munné, Ph.D., a Reprogenetics alapítója és igazgatója, valamint a Recombine alapítója. új megközelítés szinte minden genomiális változást képes kimutatni, így nincs szükség további genetikai vizsgálatokra a terhesség alatt vagy születés után, miközben biztosítja a legegészségesebb embrió kiválasztását a várandós anyának való átvitelhez."

Tudományosan is bizonyított új módszer 100-szorosára csökkenti a hibaarányt (a korábbi módszerekhez képest).

"Figyelemre méltó, hogy az új (de novo) mutációk ilyen nagy érzékenységgel és kivételesen alacsony hibaaránnyal detektálhatók kis számú embrionális sejt felhasználásával" - mondja Brock Peters, Ph.D., a tanulmány vezető tudósa. „A kidolgozott módszer nem csak az orvosi pont szempontból, de gazdaságilag is, és alig várjuk, hogy folytathassuk kutatómunkánkat ezen a területen."

Az új mutációk olyan súlyos veleszületett agyi rendellenességekhez vezethetnek, mint az autizmus, epilepsziás agyvelőbántalmak, skizofrénia és mások. Mivel ezek a mutációk egyediek az embriót létrehozó spermiumra és petesejtre, a szülők genetikai vizsgálata nem tudja kimutatni őket.

"Az újszülöttek legfeljebb öt százaléka szenved genetikai hiba okozta betegségben" - mondja Alan Berkley, MD, professzor és a New York-i Egyetem Termékenységi Központjának szülészeti és nőgyógyászati ​​osztályának igazgatója. "Megközelítésünk átfogó, és célja a tökéletesen egészséges embriók azonosítása. Ez nagymértékben enyhítheti az IVF által okozott érzelmi és fizikai stressz egy részét, különösen azon párok esetében, akiknél fennáll a genetikai rendellenességek továbbörökítése."

A cikk kifejezetten az IVF School programhoz készült, anyagok alapján

A következő típusú mutációkat különböztetjük meg:

A) genomi mutációk, ami a kromoszómák számának megváltozásához vezet. A genomi mutációk gyakran előfordulnak növényekben. Ebben az esetben előfordulhat, hogy teljes kromoszómakészletek szaporodnak (poliploidia), vagy nő (triszómia) vagy csökken (monoszómia) az egyes kromoszómák száma;

b) kromoszómamutációk(lásd 2.2. fejezet), amelyben a kromoszómák szerkezete felborul, de számuk a sejtben változatlan marad. A kromoszómamutációk mikroszkópos vizsgálattal kimutathatók.

V) génmutációk, nem vezet a kromoszómákban mikroszkóppal kimutatható változásokhoz; ezek a mutációk csak a fenotípusos változások genetikai elemzésével mutathatók ki (lásd 3.6 pont).

Az emberi mutációk fehérjék és DNS szintjén történő vizsgálata (különösen a hemoglobin gének mutációi) nagyban hozzájárult molekuláris természetük megértéséhez. E vizsgálatok és a kromoszómaszerkezet nagy felbontású differenciális festési módszerekkel végzett elemzésének eredményei a kromoszóma- és génmutációk közötti határ elmosódásához vezettek. Ma már tudjuk, hogy deléciók és inszerciók lehetségesek molekuláris szinten, és hogy az egyenlőtlen keresztezés megváltoztathatja a mikrostruktúrát. A differenciális festési módszerek lehetővé tették a korábban megkülönböztethetetlen kromoszóma-átrendeződések mikroszkóp alatt történő kimutatását. Emlékeztetni kell arra, hogy a differenciális festéssel kimutatott kromoszómaváltozások több nagyságrenddel különböznek

5 Mutációk 143

olyan változásoktól, mint a szerkezeti gének deléciói. Ezért a szerkezeti kromoszóma-rendellenességek és a génmutációk közötti különbségtétel gyakorlati célokra hasznos.

A sejtek, amelyekben mutációk fordulnak elő. Kivéve típus genetikai károsodás, rendkívül fontos lokalizáció. A mutációk csíra- és szomatikus sejtekben egyaránt előfordulhatnak. A csírasejtekben keletkező anyagok átkerülnek a következő generáció egyedeire, és általában a leszármazottak minden sejtjében megtalálhatók, akik hordozóivá válnak. Szomatikus mutációk csak a megfelelő mutáns sejt utódjaiban mutathatók ki, ami „mozaik” egyedhez vezet. Fenotípusos következmények csak akkor jelennek meg, ha ezek a mutációk megzavarják a mutáns sejtekben rejlő specifikus funkciók megvalósítását.

Mutációs frekvenciák. A mutációs folyamat tanulmányozása során az egyik leggyakrabban használt paraméter az frekvencia megjelenése mutációk(vagy mutációs ráta). Az emberrel kapcsolatban úgy definiálják, mint annak valószínűségét, hogy egy mutáció egy generáció élete során bekövetkezik. Általában ez a megtermékenyített peték mutációinak gyakoriságára vonatkozik. A szomatikus sejtek mutációs rátájának kérdését a fejezet tárgyalja. 5 1.6.

A mennyiség összehasonlításához de novo mutációkat minden esetben elvégeztük az alany és szülei (trió) exómáinak párhuzamos szekvenálását. Különösen sok (a kontrollcsoporthoz viszonyítva) veleszületett szívbetegségben szenvedő betegeknél találtak nem szinonim szubsztitúciót a 3-as hiszton lizin 4 metilációjában, demetilációjában és metilációjának felismerésében részt vevő génekben, valamint a H2BK120 ubikvitinilációjáért felelős génekben. szükséges a H3K4 metilezése előtt. E gének sajátossága, hogy a bennük lévő mutációk mindegyike több, a szervezet fejlődésében fontos szerepet játszó gén expressziójának megzavarásához vezet.

Érdekesség, hogy egy hasonló, autista betegeken végzett vizsgálat eredményei szerint a H3K4 metiláció felismerésében részt vevő gének (СHD7, CHD8 és mások) is szerepeltek a jelöltek listáján. A munka felsorolja azokat a mutációkat, amelyek mindkét betegségben (autizmus és veleszületett szívbetegség) közösek, és normális körülmények között korábban soha nem észleltek. A szerzők azt sugallják, hogy hasonló mechanizmus révén más örökletes betegségek is kialakulhatnak.

Forrás
Természet. 2013. május 12. De novo mutációk hisztonmódosító génekben veleszületett szívbetegségben. Zaidi S, Choi M, Wakimoto H, Ma L, Jiang J, Overton JD, Romano-Adesman A, Bjornson RD, Breitbart RE, Brown KK, Carriero NJ, Cheung YH, Deanfield J, Depalma S, Fakhro KA, Glessner J, Hakonarson H, Italia MJ, Kaltman JR, Kaski J, Kim R, Kline JK, Lee T, Leipzig J, Lopez A, Mane SM, Mitchell LE, Newburger JW, Parfenov M, Pe"er I, Porter G, Roberts AE, Sachidanandam R, Sanders SJ, Seiden HS, State MW, Subramanian S, Tikhonova IR, Wang W, Warburton D, White PS, Williams IA, Zhao H, Seidman JG, Brueckner M, Chung WK, Gelb BD, Goldmuntz E, Seidman CE , Lifton RP.

Felirat a képhez
De novo mutációk a H3K4 és H3K27 metabolikus útvonalakban. Az ábra azokat a géneket sorolja fel, amelyekben a mutációk befolyásolják a metilációt, a demetilációt és a hiszton módosulások felismerését. A kereteltolódást és az illesztési hely mutációit hordozó gének piros színnel vannak jelölve; a nem szinonim szubsztitúciót hordozó gének kék színnel jelennek meg. Az SMAD (2) elnevezés azt jelenti, hogy ezt a mutációt egyszerre két betegnél észlelték. Azok a gének, amelyek termékei együtt működnek, egy téglalapban vannak bekarikázva.