Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 37. Мутації та хвороби

Мутації зумовлені змінами в самому носії генетичної інформації

На відміну від комбінативної мінливості, у випадку мутаційної мінливості відбувається зміна самого носія генетичної інформації, що спричиняє виникнення нових алелів, зміну кількості генів у геномі чи зміну послідовності генів у хромосомах.

Нині під терміном мутація розуміють будь-які зміни генетичного матеріалу, які можуть бути передані спадково. Мутації неминуче виникають у результаті помилок реплікації. Такі мутації називають спонтанними, про їх появу та виправлення йшлося в § 21. Інша група мутацій виникає під впливом хімічних речовин чи опромінювання. Ці мутації отримали назву індукованих, а чинники, що їх зумовлюють, називають мутагенними, або просто мутагенами.

Хімічні мутагени, такі як фенол, формальдегід, наркотичні речовини та компоненти тютюнового диму, порушують процес реплікації чи безпосередньо змінюють нуклеотиди в ДНК. Інтенсивне опромінювання також призводить до зміни послідовностей нуклеотидів, розриву чи злиття цілих хромосом.

Мутації зручно класифікувати за тими рівнями організації генетичного матеріалу, на яких вони відбуваються. Отож мутації за масштабом змін можна розділити на точкові (генні), хромосомні та геномні.

Генні (точкові) мутації можуть призводити до помітних наслідків

Генні, або точкові, мутації передбачають зміни ДНК на рівні окремих генів. Це може бути заміна, а також втрата чи вбудовування нуклеотидів. Деякі точкові мутації називають мовчазними. Мовчазні мутації виникають у некодувальних ділянках ДНК (наприклад, в інтронах або в міжгенних ділянках). Багато мовчазних мутацій трапляється й у ділянках ДНК, що кодують білок. Якщо в результаті точкової мутації триплет ТГТ буде замінений на ТГЦ, то амінокислотна послідовність білка не зміниться, оскільки обидва триплети кодують цистеїн. Така мутація буде мовчазною. А якщо триплет ТГТ буде замінений на ТГГ, то на місці цистеїну в амінокислотному ланцюгу білка стоятиме триптофан. Якщо ТГТ буде змінений на ТГА, то виникне стоп-кодон. На цьому місці синтез амінокислотного ланцюжка буде припинений і утвориться вкорочений білок.

Прикладом захворювання людини, спричиненого точковою мутацією, є серпуватоклітинна анемія (рис. 37.1). У результаті поодинокої нуклеотидної заміни аденіну на тимін у гені гемоглобіну відбувається заміна глутамінової кислоти на валін в амінокислотному ланцюгу. Такий гемоглобін, що мутував, називають гемоглобіном S (від англ. sickle — серп). Еритроцити з гемоглобіном S набувають форми серпа, гірше переносять кисень, швидше та частіше руйнуються, особливо під час проходження крізь капіляри, що призводить до формування численних тромбів. Гомозиготи за цієї мутації часто гинуть від нестачі гемоглобіну в крові — анемії. Гетерозиготи не проявляють патологічних ознак, хоча в їхніх еритроцитах також міститься певна кількість гемоглобіну S.

Рис. 37.1. Серпуватий та нормальні еритроцити

Рис. 37.2. Еритроцити з малярійним плазмодієм серед звичайних

Цікаво, що найчастіше мутантний алель трапляється в тропічному поясі й найбільше його поширення збігається з поширенням малярійного плазмодія, що спричиняє найтяжчу — тропічну — малярію. Малярійний плазмодій — кров’яний паразит, частину свого життєвого циклу проводить в еритроциті, харчуючись його вмістом (рис. 37.2). За кілька днів дозрілий плазмодій руйнує еритроцит і потрапляє в плазму крові. У гетерозигот, що несуть алель гемоглобіну S, виникає стійкість до малярії. Це пов’язано з тим, що їхні еритроцити гинуть до того, як паразит встигає дозріти. Тому наявність алеля гемоглобіну S дає змогу виживати за умов бурхливої тропічної малярії. А в помірному кліматі, де малярія не поширена, цей алель не наділяє гетерозигот жодними перевагами й не поширений (рис. 37.3).

Вбудовування та втрати нуклеотидів можуть призвести до більш серйозних наслідків для генів. Вбудовування одного нуклеотиду в кодувальній частині гена спричинить так званий зсув рамки зчитування. Ось приклад такої мутації. Нехай у нас є послідовність гуаніну, тиміну й аденіну, що повторюється та кодує кілька послідовно з’єднаних залишків амінокислоти гістидину.

ГТА ГТА ГТА ГТА ГТА

Гіс Гіс Гіс Гіс Гіс

Припустімо, що в одному місці цієї ділянки відбулося вбудовування додаткового нуклеотиду (тиміну). Це призведе до зміни кодованої послідовності амінокислот: через зсув триплетів на місці гістидину опиняється треонін, а потім серин.

ГТА ТГТ АГТ АГТ АГТ

Гіс Тре Сер Сер Сер

Така сама ситуація і з втратою нуклеотиду: змінюється рамка зчитування, що призводить до синтезу зовсім іншого білка.

Хромосомні мутації зумовлюють суттєві зміни будови хромосом

Хромосомні мутації — це перебудови хромосом, пов’язані зі зміною послідовності чи кількості генів у хромосомах. Найхарактернішими хромосомними мутаціями є дуплікації, делеції, інверсії та транслокації. У результаті дуплікації якась ділянка хромосоми подвоюється. Під час делеції відбувається втрата ділянки хромосоми. Під час інверсії ділянка хромосоми змінює свою орієнтацію. Під час транслокації ділянка хромосоми змінює своє розташування (рис. 37.4).

Більшість делецій летальні, оскільки спричиняють безповоротну втрату відразу кількох генів. У людини делеції зазвичай призводять до загибелі ембріона на ранніх стадіях розвитку, але іноді ембріонові вдається дожити до народження. Так, делеція кінцевої ділянки п’ятої хромосоми спричиняє розвиток синдрому котячого крику. Синдром має таку дивну назву, оскільки в немовляти видозмінена будова гортані, через що плач нагадує котяче нявчання. Деякі делеції можуть позитивно позначитися на життєздатності організму. Так, делеція гена білка-рецептора CCR5 зумовлює несприйнятливість до ВІЛ. Річ у тім, що ВІЛ використовує цей білок на поверхні клітини як основу для проникнення в клітину. Можливо, втрата CCR5 має й негативні наслідки, але за наявності патогена переваги очевидні (можна помітити паралелі із серпуватоклітинною анемією, чи не так?).

Рис. 37.3. Поширення людей з алелем гемоглобіну S (А) і поширення малярії (Б)

Рис. 37.4. Різні варіанти хромосомних мутацій

1. Інверсія. 2. Транслокація. 3. Делеція. 4. Дуплікація.

Дуплікації, навпаки, можуть бути основою для розвитку подальшого генетичного різноманіття: у разі «невдалої» мутації в гені в геномі є ще одна, «резервна», копія. Інакше кажучи, наявність кількох копій гена дає змогу «експериментувати» з однією з них без істотної шкоди для організму. І в якусь мить, можливо, «резервна» копія стане для організму кориснішою, ніж основна.

Транслокації та інверсії зазвичай не призводять до змін фенотипу, але відіграють важливу роль у процесі виникнення нових видів. Іноді в процесі транслокації відбувається злиття цілих хромосом. Так, у шимпанзе й інших людиноподібних мавп 24 пари хромосом. Доведено, що в процесі еволюції людини дві хромосоми різних пар злилися з утворенням однієї великої (в упорядкованому каріотипі людини вона у другій парі). Тому каріотип людини складається з 23 пар хромосом.

Геномні мутації змінюють кількість хромосом у геномі

Геномні мутації пов’язані зі зміною кількості хромосом у геномі. Найпоширенішим прикладом геномних мутацій є кратне збільшення гаплоїдних наборів хромосом — поліплоїдія. У результаті поліплоїдії виникають організми з три-, тетра- (4), пента- (5), гексаплоїдними (6) та ще більшими наборами хромосом. Це явище найпоширеніше в рослин (рис. 37.5). Зазвичай поліплоїдні рослини більші за диплоїдні за розміром, тому сільське господарство зацікавлене в отриманні поліплоїдних рослин (докладніше про це в § 59 ). На щастя, цього можна досягти простою хімічною обробкою, що веде до руйнування веретена поділу. У результаті цього мітоз не завершується, і збільшений удвічі (наприклад, тетраплоїдний) набір хромосом зберігається в одному ядрі. Цікаво, що особини, які містять непарну кількість наборів хромосом, стерильні, бо не можуть здійснити мейоз. Так, при схрещуванні тетраплоїдних рослин кавуна з диплоїдними матимемо триплоїдні кавуни без насіння. Однак це не заважає розмножувати такі рослини у вегетативний спосіб.

До геномних мутацій належать і зміни кількості окремих хромосом. Одна з таких найпоширеніших у людини геномних мутацій — трисомія за 21-ю хромосомою, що призводить до розвитку синдрому Дауна. Трисомія означає, що замість двох копій 21-ї хромосоми, які є в здорової людини, у пацієнта — три копії (рис. 37.6, Б). Така аномалія спричиняє розвиток патологічного стану: у дітей спостерігається серйозне відставання в розумовому та психічному розвитку.

Рис. 37.5. Поліплоїдні організми

А. Порівняння розмірів поліплоідноі та диплоідноі суниці. Б. Триплоідний кавун без кісточок.

Рис. 37.6. Синдром Дауна

A. Обличчя дитини із синдромом Дауна. Б. Хромосомний набір при синдромі Дауна. B. Залежність імовірності народження Дитини із синдромом Дауна від віку матері.

Проте є чимало випадків, коли люди із синдромом Дауна здобувають вищу університетську освіту, стають талановитими акторами та музикантами. Синдром Дауна — нерідкісне явище, у середньому воно буває один раз на 1000 вагітностей (рис. 37.6, В). Дуже важливою є залежність імовірності народження дитини із синдромом Дауна від віку матері. У жінки віком 25 років імовірність народження такої дитини близько 1 : 1500, віком 40 років — 1 : 100, віком 45 — 1 : 25.

Заслуговують уваги геномні мутації, що призводять до зміни кількості статевих хромосом. Як ви пам’ятаєте з § 35, жінки мають статеві хромосоми XX, а чоловіки — XY.

При моносомії за Х-хромосомою набір статевих хромосом буде Х0 (є лише одна Х-хромосома, відсутня хромосома в парі позначається нулем), і розвивається синдром Шерешевського-Тернера (рис. 37.7). При цьому організм розвивається за жіночим типом — народжується дівчинка. У пацієнтки наявні численні аномалії розвитку, низький зріст, нездатність мати дітей. Щоправда, правильна гормональна терапія може значно полегшити прояв симптомів.

Поєднання статевих хромосом XXY призводить до розвитку синдрому Клайнфельтера. Організм розвивається за чоловічим типом — народжується хлопчик. Патологія зазвичай не виявляється до періоду статевого дозрівання. З дозріванням проявляється порушення функції статевих залоз, непропорційний розвиток молочних залоз, висока ймовірність ожиріння та розвитку цукрового діабету, безпліддя.

Цікавими випадками є поєднання хромосом XYY, XYYY та XYYYY, що мають назву полісомії за Y-хромосомою. У чоловіків з таким набором хромосом немає жодних істотних відхилень у розвитку, але вони більш неврівноважені та схильні до агресії. Доведено, що серед ув’язнених частка чоловіків із полісомією за Y-хромосомою вища, ніж загалом у популяції людей.

Рис. 37.7. Хромосомні набори за різних геномних мутацій

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. До збільшення кількості індукованих мутацій призводить

  • А збільшення кількості помилок під час реплікації
  • Б зменшення кількості хімічних мутагенів, що поглинаються організмом
  • В збільшення кількості хромосом у клітинах
  • Г збільшення дози рентгенівського опромінення
  • Д збільшення частоти поділу клітини

2. При незасвоєнні організмом амінокислоти фенілаланіну (захворювання має назву фенілкетонурія) у гені ферменту фенілаланін-4-гідроксилази виникають мутації. Вони належать до типу

  • А мовчазних
  • Б точкових
  • В хромосомних
  • Г геномних
  • Д поліплоїдних

3. Найчастіше з-поміж хромосомних мутацій негативні наслідки має

  • А делеція
  • Б транслокація
  • В інверсія
  • Г дуплікація
  • Д вбудовування копії ділянки хромосоми

4. Пшениця однозернянка має 14 хромосом, пшениця тверда — 28 хромосом, а пшениця м’яка — 42 хромосоми. Механізм утворення різних видів пшениці — це

  • А транслокація
  • Б делеція
  • В полісомія
  • Г поліплоїдія
  • Д полімерія

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

5. За дотримання яких умов мутація, що виникла, буде мовчазною?

6. Чому багато важливих генів у нашому геномі містяться в кількох копіях?

7. Спираючись на знання про властивості поліплоїдних рослин, спрогнозуйте властивості гаплоїдів, тобто сортів рослин, у яких замість нормального диплоїдного набору — гаплоїдний.

8. Чому рослини з непарним набором хромосом зазвичай не можуть здійснити мейоз під час утворення статевих клітин?

9. Чому організм людини за відсутності однієї хромосоми з пари, як при синдромі Шерешевського-Тернера, залишається життєздатним?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

10. Чому зі збільшенням віку матері зростає ймовірність народження дитини із синдромом Дауна? Чи є така сама залежність для віку батька?

11. Чому зайва хромосома в одній парі призводить до негативних наслідків, адже всі необхідні гени організм має, а деякі ще й у «запасному» варіанті?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

12. Які ще є способи класифікації мутацій, окрім описаних у параграфі? У кожному способі класифікації зазнач той вид мутацій, що відбувається найчастіше.

13. Чому в споріднених видів (що належать до одного роду) є подібні набори наслідків мутацій?