Изменение числа хромосом (геномные мутации)

Изменение числа хромосом в клетке означает изменение генома. (Поэтому такие изменения часто называют геномными мутациями.) Известны различные цитогенетические феномены, связанные с изменением числа хромосом.

Полиплоидия

Полиплоидия – это цитогенетический феномен, связанный с увеличением геномного числа (числа геномов в клетке).

У большинства эукариотических организмов основное число хромосом (x) совпадает с гаплоидным набором хромосом (n); при этом гаплоидное число хромосом – это число хромосом в клетках, образовавшихся в хорде мейоза. Тогда в диплоидных (2n) содержится два генома x, и 2n=2x. Однако у многих низших эукариот, многих споровых и покрытосеменных растений в диплоидных клетках содержится не 2 генома, а некоторое иное число. Число геномов в диплоидных клетках называется геномным числом (Ω). Последовательность геномных чисел называется полиплоидным рядом.

Автополиплоидия

Автополиплоидия представляет собой многократное повторение одного и того же генома, или основного числа хромосом (х).

Этот тип полиплоидии характерен для низших эукариот и покрытосеменных растений. Для многоклеточных животных (дождевых червей, некоторых насекомых, некоторых рыб и земноводных) автополиплоидия не доказана. Автополиплоиды у человека и других высших позвоночных погибают на ранних стадиях внутриутробного развития.

Различают сбалансированные и несбалансированные автополиплоиды. Сбалансированными полиплоидами называются полиплоиды с чётным числом хромосомных наборов, а несбалансированными – полиплоиды с нечетным числом хромосомных наборов, например:

Автополиплоидия часто сопровождается увеличением размеров клеток, пыльцевых зерен и общих размеров организмов, повышенным содержанием сахаров и витаминов. Например, триплоидная осина (3х = 57) достигает гигантских размеров, долговечна, её древесина устойчива к гниению. Среди культурных растений широко распространены как триплоиды (ряд сортов бананов, сахарной свеклы), так и тетраплоиды (ряд сортов ржи, клевера, винограда). В природных условиях автополиплоидные растения обычно встречаются в экстремальных условиях (в высоких широтах, в высокогорьях); более того, здесь они могут вытеснять нормальные диплоидные формы.

Положительные эффекты полиплоидии связаны с увеличением числа копий одного и того же гена в клетках, и, соответственно, в увеличении дозы (концентрации) ферментов. Однако в ряде случаев полиплоидия приводит к угнетению физиологических процессов, особенно при очень высоких уровнях плоидности. Например, 84-хромосомная пшеница менее продуктивна, чем 42-хромосомная.

Однако автополиплоиды (особенно несбалансированные) характеризуются сниженной плодовитостью или полным бесплодием, что связано с нарушениями мейоза. Поэтому многие из них способны только к размножению вегетативным путем.

Аллополиплоидия

Аллополиплоидия представляет собой многократное повторение двух и более разных гаплоидных хромосомных наборов, которые обозначаются разными символами. Полиплоиды, полученные в результате отдаленной гибридизации, то есть от скрещивания организмов, принадлежащих к различным видам, и содержащие два и более набора разных хромосом, называются аллополиплоиды.

Однако, если в соматических клетках содержится по одному геному от разных видов (например, один геном А и один – В), то такой аллополиплоид – бесплоден. Бесплодие простых межвидовых гибридов связано с тем, что каждая хромосома представлена одним гомологом, и образование бивалентов в мейозе оказывается невозможным. Таким образом, при отдаленной гибридизации возникает мейотический фильтр, препятствующий передаче наследственных задатков в последующие поколения половым путем.

Поэтому у плодовитых полиплоидов каждый геном должен быть удвоен. Например, у разных видов пшеницы гаплоидное число хромосом (n) равно 7. Дикая пшеница (однозернянка) содержит в соматических клетках 14 хромосом лишь одного удвоенного генома А и имеет геномную формулу 2n = 14 (14А). Многие аллотетраплоидные твердые пшеницы содержат в соматических клетках 28 хромосом удвоенных геномов А и В; их геномная формула 2n = 28 (14А + 14В). Мягкие аллогексаплоидные пшеницы содержат в соматических клетках 42 хромосомы удвоенных геномов А, В, и D; их геномная формула 2n = 42 (14A + 14B + 14D).

Плодовитые аллополиплоиды можно получать искусственным путем. Например, редечно-капустный гибрид, синтезированный Георгием Дмитриевичем Карпеченко, был получен путем скрещиванием редьки и капусты. Геном редьки обозначается символом R (2n = 18 R, n = 9 R), а геном капусты – символом B (2n = 18 B, n = 9 B). Первоначально полученный гибрид имел геномную формулу 9 R + 9 B. Этот организм (амфигаплоид) был бесплодным, поскольку в мейозе образовывалось 18 одиночных хромосом (унивалентов) и ни одного бивалента. Однако у этого гибрида некоторые гаметы оказались нередуцированными. При слиянии таких гамет был получен плодовитый амфидиплоид: (9 R + 9 B) + (9 R + 9 B) → 18 R + 18 B. У этого организма каждая хромосома была представлена парой гомологов, что обеспечило нормальное образование бивалентов и нормальное расхождение хромосом в мейозе: 18 R + 18 B → (9 R + 9 B) и (9 R + 9 B).

Аллополиплоиды широко распространены среди культурных растений. В настоящее время ведется работа по созданию искусственных амфидиплоидов у растений (например, пшенично-ржаных гибридов (тритикале), пшенично-пырейных гибридов) и животных (например, гибридных шелкопрядов).

Тутовый шелкопряд – объект интенсивной селекционный работы. Нужно учесть, что у этого вида (как и у большинства бабочек) самки – гетерогаметный пол (XY), а самцы – гомогаметный (XX). Для быстрого размножения новых пород шелкопряда используют индуцированный партеногенез – из самок извлекают неоплодотворенные яйца еще до мейоза и нагревают их до 46 °С. Из таких диплоидных яиц развиваются только самки. Кроме того, у шелкопряда известен андрогенез – если яйцеклетку нагреть до 46 °С, убить ядро рентгеновскими лучами, а затем осеменить, то в яйцеклетку могут проникнуть два мужских ядра. Эти ядра сливаются между собой, и образуется диплоидная зигота (ХХ), из которой развивается самец.

Для тутового шелкопряда известна автополиплоидия. Кроме того, Борис Львович Астауров скрещивал тутового шелкопряда с дикой форой мандаринового шелкопряда, и в результате были получены плодовитые аллополиплоиды (точнее, аллотетраплоиды).

У тутового шелкопряда выход шелка из коконов мужского пола на 20-30 % выше, чем из коконов женского пола. В.А. Струнников с помощью индуцированного мутагенеза вывел породу, у которой самцы в Х–хромосомах несут разные летальные мутации (система сбалансированных леталей) – их генотип l1+/+l2. При скрещивании таких самцов с нормальными самками (++/Y) из яиц выходят только будущие самцы (их генотип l1+/++ или l2/++), а самки погибают на эмбриональной стадии развития, поскольку их генотип или l1+/Y, или +l2/Y. Для разведения самцов с летальными мутациями используются специальные самки (их генотип +l2/++·Y). Тогда при скрещивании таких самок и самцов с двумя летальными аллелями в их потомстве половина самцов погибает, а половина – несет два летальных аллеля.

Существуют породы тутового шелкопряда, у которых в Y–хромосоме имеется аллель темной окраски яиц. Тогда темные яйца (XY, из которых должны вывестись самки), отбраковываются, а оставляются только светлые (ХХ), которые в дальнейшем дают коконы самцов.

Анеуплоидия

Анеуплоидия (гетерополиплоидия) – это изменение числа хромосом в клетках, некратное основному хромосомному числу. Различают несколько типов анеуплоидии. При моносомии утрачивается одна из хромосом диплоидного набора (2n – 1). При полисомии к кариотипу добавляется одна или несколько хромосом. Частным случаем полисомии является трисомия (2n + 1), когда вместо двух гомологов их становится три. При нуллисомии отсутствуют оба гомолога какой-либо пары хромосом (2n – 2).

У человека анеуплоидия приводит к развитию тяжелых наследственных заболеваний. Часть из них связана с изменением числа половых хромосом (см. главу 17). Однако существуют и другие заболевания:

– Трисомия по 21-ой хромосоме (кариотип 47, +21); синдром Дауна; частота среди новорожденных – 1:700. Замедленное физическое и умственное развитие, широкое расстояние между ноздрями, широкая переносица, развитие складки века (эпикант), полуоткрытый рот. В половине случаев встречаются нарушения в строении сердца и кровеносных сосудов. Обычно понижен иммунитет. Средняя продолжительность жизни – 9-15 лет.

– Трисомия по 13-ой хромосоме (кариотип 47, +13); синдром Патау. Частота среди новорожденных – 1:5.000.

– Трисомия по 18-ой хромосоме (кариотип 47, +18); синдром Эдвардса. Частота среди новорожденных – 1:10.000.

Гаплоидия

Уменьшение числа хромосом в соматических клетках до основного числа называется гаплоидия. Существуют организмы – гаплобионты, для которых гаплоидия – это нормальное состояние (многие низшие эукариоты, гаметофиты высших растений, самцы перепончатокрылых насекомых). Гаплоидия как аномальное явление встречается среди спорофитов высших растений: у томата, табака, льна, дурмана, некоторых злаков. Гаплоидные растения отличаются пониженной жизнеспособностью; они практически бесплодны.

Псевдополиплоидия (ложная полиплоидия)

В некоторых случаях изменение числа хромосом может произойти без изменения объема генетического материала. Образно выражаясь, изменяется число томов, но не изменяется число фраз. Такое явление называется псевдополиплоидия. Различают две основные формы псевдополиплоидии:

1. Агматополиплоидия. Наблюдается в том случае, если крупные хромосомы распадаются на множество мелких. Встречается у некоторых растений и насекомых. У некоторых организмов (например, у круглых червей) происходит фрагментация хромосом в соматических клетках, но в половых клетках сохраняются исходные крупные хромосомы.

2. Слияние хромосом. Наблюдается в том случае, если мелкие хромосомы объединяются в крупные. Встречается у грызунов.

Механизмы возникновения полиплоидии.

Использование геномных мутаций в селекции

Исходно автополиплоидия является следствием нерасхождения хромосом при делении клетки: при митозе (тогда возникают митотические полиплоиды) или при мейозе (тогда возникают мейотические полиплоиды). [Нарушения нормального расхождения хромосом иначе называют нарушением сегрегации хромосом.]

Митотические полиплоиды обычно возникают вследствие нерасхождения хромосом в анафазе: вместо двух ядер образуется одно, в котором число хромосом становится в два раза большим, чем в исходном ядре. Таким образом, из диплоидной клетки (2n, или 2х) образуется тетраплоидная (4n, или 4х). У низших эукариот при дальнейших делениях клеток число хромосом может возрастать, и одно ядро может содержать множество хромосомных наборов (8х...16х...32х; и даже до 4000...6000х, например, в макронуклеусе у инфузорий).

7. Механизмы геномных мутаций. Причины нерасхождения хромосом многообразны. Например, существует спонтанная полиплоидизация, которая происходит без видимых причин. В экспериментальных условиях нерасхождение хромосом можно вызвать путем воздействия на клетки митозными ядами. К митозным ядам относятся: колхицин, винбластин, аценафтен и др. Митозные яды разрушают микротрубочки веретена деления, что делает невозможным нормальное расхождение хромосом (такой митоз называется К–митозом). Полиплоидные клетки можно получать, используя рентгеновское облучение, повышенные или пониженные температуры, некоторые химические вещества (эфир, хлороформ). При воздействии перечисленных фактор может изменяться не только число геномов, но и число отдельных хромосом (т.е. возникает анеуплоидия), а также и структура хромосом (т.е. возникают хромосомные перестройки).

Полиплоидные клетки меристем в дальнейшем могут давать начало спорогенным клеткам, и тогда образуются полиплоидные гаметы, например: 4х (спорогенные диплоидные клетки)→ мейоз → 2х (гаплоидные споры с двойным набором хромосом, дающие начало гаплоидным яйцеклеткам или спермиям).

Мейотические полиплоиды возникают вследствие нерасхождения хромосом при мейозе. Рассмотрим типичные нарушения сегрегации хромосом.

1. Нерасхождение по всем хромосомам.

а). Сегрегация вообще отсутствует (например, при полном разрушении веретена деления). Тогда из исходной диплоидной клетки образуется одна тетраплоидная клетка, в которой остается весь исходный хроматин.

б). Первое деление мейоза протекает как митоз: в результате из исходной диплоидной клетки образуется диада – две диплоидные клетки с однохроматидными хромосомами. Образовавшиеся клетки идентичны по отношению друг к другу и по отношению к материнской клетке. При этом в каждой из диплоидных клеток содержится два разных хромосомных набора (два разных генома, например, Х1 Х2). Эти клетки утрачивают способность к делению и дают начало спорам или гаметам. Подобные нарушения встречаются у гибридов, если невозможно образование бивалентов.

в). Первое деление происходит нормально (с образованием гаплоидных клеток с двухроматидными хромосомами), но второе деление блокируется на стадии метафазы II. В результате происходит диплоидизация гаплоидных клеток: каждая двухроматидная хромосома расщепляется на две хроматиды, эти хроматиды не расходятся, и диплоидное число хромосом восстанавливается. Конечным результатом такого мейоза также является образование диады – двух диплоидных клеток, которые дают начало спорам или гаметам. При этом в каждой из диплоидных клеток содержится два одинаковых хромосомных набора (два разных генома, например, в одной клетке Х1Х1, а в другой – Х2Х2). Подобные нарушения встречаются значительно реже, чем предыдущее.

2. Нерасхождение по отдельным хромосомам. Эти нарушения аналогичны предыдущим, но нарушение сегрегации затрагивает лишь отдельные хромосомы. В результате в одних дочерних клетках появляются избыточные хромосомы, а в других клетках эти хромосомы утрачиваются.

Нерасхождение хромосом (как и при митозе) может быть спонтанным, но может быть обусловлено и действием определенных внешних факторов, как при митозе.

В дальнейшем полиплоиды могут использоваться для получения новых полиплоидов путем гибридизации. Например, триплоидные семена получают, скрещивая автотетраплоидные и диплоидные сорта. В этом случае гаметы с удвоенным основным хромосомным числом (2х) сливаются с нормальными гаметами (х). Этот процесс может протекать и в природных условиях, т.е. спонтанно.

ЛЕКЦІЯ №5

ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ

План:

1. История понятия «популяция». Современное определение популяции. Генетическая структура популяции

2. Закон Харди–Вайнберга – основной закон популяционной генетики

3. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных популяциях. Практическое значение закона Харди–Вайнберга

4. Биологическое разнообразие. Генетический полиморфизм популяций как основа биологического разнообразия. Проблема сохранения биоразнообразия