§60. Генотипические мутации

Определения и обозначения

Генотипическая мутация — устойчивое наследуемое изменение генетического материала, то есть ДНК или хромосом. Она отличается от модификационной изменчивости: условия среды могут изменить проявление признака, не меняя генотипа. Поэтому изменение окраски или размера само по себе ещё не доказывает, что произошла мутация. Чтобы установить её, нужно обнаружить изменение генетического материала.

Генная мутация — изменение последовательности нуклеотидов внутри одного гена. Основные варианты — замена одного нуклеотида другим, выпадение (делеция) и вставка нуклеотидов. Такие изменения могут менять прочтение генетической информации и синтез белка. Понятие помогает связать небольшое изменение ДНК с возможным изменением признака.

Хромосомная мутация — перестройка структуры хромосомы, затрагивающая один или несколько её участков. При делеции участок теряется, при дупликации он удваивается, при инверсии разворачивается на 180°, а при транслокации перемещается на другую хромосому. В результате может измениться расположение или количество генов. По названию перестройки можно определить, что именно случилось с хромосомой.

Геномная мутация — изменение числа хромосом или целых хромосомных наборов. Анеуплоидия означает, что число отдельных хромосом отличается от обычного, например одна хромосома добавлена или отсутствует. Полиплоидия — наличие более двух полных наборов хромосом. Эти термины позволяют отличить изменение числа хромосом от перестройки их структуры.

Как это устроено

Наследственная информация записана в последовательности ДНК, а ДНК упакована в хромосомы. Если меняется последовательность нуклеотидов или устройство хромосомы, клетка может получить и передать дочерним клеткам изменённый вариант генетического материала. Именно поэтому мутации способны сохраняться в поколениях клеток. Для передачи от организма потомству изменение должно попасть в половую клетку или клетку, из которой она развивается.

Замена, выпадение и вставка нуклеотидов по-разному влияют на работу гена. Замена может превратить один кодон в другой; тогда в белке иногда меняется аминокислота, а иногда последовательность белка остаётся прежней. Вставка или выпадение числа нуклеотидов, не кратного трём, способно сдвинуть рамку считывания: следующие кодоны будут прочитаны иначе. В результате белок может изменить свойства или перестать нормально синтезироваться, хотя эффект зависит от места и характера изменения.

Хромосомные перестройки изменяют расположение и количество участков ДНК. Делеция убирает часть генов, дупликация создаёт дополнительную копию участка, инверсия меняет его ориентацию, а транслокация переносит участок на другую хромосому. Поэтому меняются состав хромосомы или соседство генов, а иногда нарушается их работа. Последствия зависят от размера перестройки и от того, какие гены она затронула.

При делении клетки хромосомы должны точно распределиться между дочерними клетками. Если пара хромосом или хроматиды не расходятся, одна клетка может получить лишнюю хромосому, а другая — недостающую; так возникает анеуплоидия. Полиплоидия связана не с одной лишней хромосомой, а с увеличением числа целых наборов. Она возможна, например, когда клетка удваивает хромосомы, но не делится, или когда при образовании гамет возникают клетки с полным набором вместо половинного.

Мутации могут возникать спонтанно из-за случайных ошибок копирования ДНК или естественных повреждений. Индуцированные мутации появляются чаще под действием мутагенов — например, некоторых химических веществ или излучения, повреждающих генетический материал. Однако изменение не обязательно ухудшает работу организма: оно может быть вредным, нейтральным или полезным. Эффект зависит от того, какой участок затронут, от других генов и от условий среды.

Основные типы генотипических мутаций

Пользуйтесь таблицей как последовательностью вопросов: что изменилось — нуклеотиды, структура хромосомы или её число? Затем уточните вариант мутации и свяжите его с возможным эффектом. Последствия указаны как возможные, а не обязательные: конкретный результат зависит от места изменения и условий.

Разбор задач

Задача 1. В последовательности гена один нуклеотид заменён другим. Определите тип мутации и объясните, почему её последствия могут различаться. В условии говорится о замене внутри гена, а не о перестройке хромосомы или изменении числа хромосом. Следовательно, сначала нужно классифицировать изменение по его масштабу.

1. Изменяется нуклеотидная последовательность одного гена, значит, это генная мутация.
2. Замена может изменить кодон, но генетический код избыточен: разные кодоны иногда задают одну аминокислоту.
3. Если аминокислота изменилась, эффект зависит от того, насколько важна эта позиция для структуры и работы белка.

Ответ: это генная мутация типа «замена». Она может не изменить белок, заменить в нём одну аминокислоту или повлиять на работу белка; результат зависит от нового кодона и положения изменения.

Задача 2. Участок хромосомы утратился, а другой участок развернулся на 180°. Назовите обе мутации и определите их тип. Здесь описаны два отдельных изменения структуры хромосомы. Каждое нужно соотнести с тем, что произошло с участком, а не с количеством хромосом.

1. Утрата участка называется делецией.
2. Разворот участка на 180° называется инверсией.
3. Оба события меняют структуру хромосомы, поэтому относятся к хромосомным мутациям.

Ответ: произошли делеция и инверсия; обе мутации хромосомные. При делеции часть генетического материала теряется, а при инверсии участок сохраняется, но меняет ориентацию.

Задача 3. В клетках организма обнаружено 47 хромосом вместо 46. Предложите вероятный механизм возникновения изменения и классифицируйте мутацию. Сначала сравните число хромосом с обычным для организма, затем определите, меняется ли структура хромосомы или их количество. Условие сообщает именно о лишней хромосоме.

1. Изменилось число отдельных хромосом, а не последовательность генов или структура хромосомы.
2. Такое изменение относится к геномным мутациям; увеличение или уменьшение числа отдельных хромосом называется анеуплоидией.
3. Вероятная причина — нерасхождение хромосом при делении, из-за которого клетка получила лишнюю хромосому.

Ответ: это геномная мутация — анеуплоидия. Она могла возникнуть из-за ошибки расхождения хромосом при делении клетки или при образовании половой клетки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать мутацией любое изменение признака. Так думают, потому что наблюдают внешний результат, но он может возникнуть под влиянием питания, температуры или других условий без изменения ДНК. Чтобы проверить себя, спросите, обнаружено ли изменение генетического материала. Если нет, одного изменившегося признака недостаточно для вывода о мутации.

Ошибка — называть любую мутацию наследуемой потомством. Мутация действительно может копироваться при делении клетки, поэтому эти два значения слова «наследуемая» легко смешать. Однако изменение в соматической клетке обычно не попадает в половые клетки. Проверьте, возникла ли мутация в половой клетке или её предшественнице: только тогда она может передаться следующему поколению.

Ошибка — путать хромосомную и геномную мутации. Обе связаны с хромосомами, поэтому различие можно упустить, если не уточнить, что изменилось. При хромосомной мутации перестраивается структура хромосомы, а при геномной меняется число хромосом или наборов. Для проверки сформулируйте изменение одним словом: «участок» или «количество».

Ошибка — считать все мутации вредными. К такому выводу подталкивает то, что часто обсуждают мутации, вызывающие нарушения, но изменение может быть нейтральным или полезным. Его эффект определяется генотипом организма и условиями среды, в которых проявляется признак. Проверяя вывод, уточните, для какого признака и в какой среде оценивается мутация.

Связь с другими темами

Чтобы понять генотипические мутации, нужно знать строение ДНК и гена: тогда ясно, что именно меняется при замене нуклеотида. Генетический код и синтез белка объясняют, почему изменение гена иногда влияет на белок и признак. Знания о хромосомах, митозе и мейозе помогают разобраться в перестройках и ошибках расхождения. Эти понятия пригодятся при изучении наследственных заболеваний, генетики человека и эволюции: мутации создают наследственную изменчивость, на которой может действовать естественный отбор.

Что запомнить

• Мутация — устойчивое изменение генетического материала.
• Генные мутации затрагивают последовательность нуклеотидов в гене.
• Хромосомные мутации меняют структуру хромосом.
• Геномные мутации меняют число хромосом или их наборов.
• Мутации бывают спонтанными и индуцированными.
• Последствия мутации могут быть вредными, нейтральными или полезными.
• Наследование мутации зависит от того, в каких клетках она возникла.