Изменчивость и виды мутаций у человека. решение ситуационных задач

ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ВИДЫ МУТАЦИЙ У ЧЕЛОВЕКА

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изменчивость – это способность дочерних организмов отличаться от родительских форм морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками и особенностями индивидуального развития. Различают две основные формы изменчивости: фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную).

Фенотипической, или модификационной, изменчивостьюназывают изменения фенотипа под действием факторов внешней среды без изменения генотипа (изменяется лишь функциональная активность генов). Она носит адаптивный (приспособительный) характер. Например, отличия у монозиготных близнецов при их жизни в различных условиях среды.

Границы модификационной изменчивости, которые определяются генотипом, называютсянормой реакции. Она может быть узкой, когда признак изменяется незначительно (например, жирность молока у крупного рогатого скота) и широкой, когда признак изменяется в широких пределах (например, пигментация кожи у человека).

Генотипическая изменчивость связана с изменениями генетического материала, которые передаются по наследству. Она подразделяется на комбинативную и мутационную.

Комбинативная изменчивость связана с новыми комбинациями генов родителей при образовании гамет и зигот. Ее механизмы:

перекомбинация генов при кроссинговере в профазу мейоза I;

независимое расхождение хромосом в анафазу мейозаI и II;

независимое расхождение хроматид в анафазу мейозаI и II;

случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Примером комбинативной изменчивости может служить появление зеленой окраски семян гороха при скрещивании гетерозиготных растений с желтыми семенами.

Мутационной изменчивостью называется скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Термин «мутация» предложил Г. Де Фриз в 1901 г. Мутационная изменчивость принципиально отличается от комбинативной. Мутации – это вновь возникшие изменения генетического материала, тогда как комбинативная изменчивость – это новое сочетание родительских генов в зиготе.

Мутации обладают следующими свойствами:

возникают внезапно, скачкообразно;

передаются из поколения в поколение (наследуются);

не направлены (не адаптивны), т.е. под действием одного фактора может мутировать любой участок хромосомы;

одни и те же мутации могут возникать повторно.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом. Факторы, способные вызывать мутации, называютсямутагенными факторами. Они бывают:

физические (различные виды излучений, температура, влажность и т.д.);

химические (формалин, аналоги азотистых оснований, иприт, лекарственные вещества и др.);

биологические (вирусы, микоплазмы, бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты).

По причинам, вызвавшим мутации, их подразделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают в естественных условиях под действием мутагенных факторов среды без вмешательства человека. Они происходят относительно редко. Индуцированные мутации возникают при направленном воздействии на организм мутагенными факторами. Впервые индуцированные мутации были получены Г.А. Надсоном и Г.А. Филипповым (1925) при облучении грибов радием и Г. Меллером (1927) при облучении мух дрозофил рентгеновскими лучами. Спонтанные мутации служат исходным материалом для естественного отбора, а индуцированные – для искусственного отбора.

По мутировавшим клеткам мутации подразделяют на соматические и генеративные. Соматические мутации происходят в соматических клетках и проявляются у самой особи. Они передаются по наследству при вегетативном размножении и не наследуются при половом. Примеры соматических мутаций: у человека могут быть глаза разного цвета. Генеративные мутации происходят в половых клетках. Они передаются по наследству при половом размножении и выявляются фенотипически у потомков, например альбинизм, гемофилия. Генеративные мутации являются материалом для естественного отбора.

По исходу для организма все мутации подразделяют на отрицательные–летальные(несовместимые с жизнью, например отсутствие в кариотипе человека первых крупных хромосом),полулетальные(снижающие жизнеспособность организма, например синдром Дауна), нейтральные(например, наличие веснушек) и положительные (повышающие приспособленность и жизнестойкость организма, например появление у хордовых двух-, трех- и четырехкамерного сердца). Последние встречаются относительно редко, однако именно они являются элементарным материалом, лежащим в основе прогрессивной эволюции.

По изменению генетического материала мутации подразделяются на геномные,хромосомные игенные.

Геном в узком смысле слова – это содержание наследственного материала в гаплоидном наборе хромосом, в широком – синоним генотипа. Геномныемутации обусловлены изменениями количества хромосом в кариотипе особи. Это может быть полиплоидия– кратное гаплоидному увеличение количества хромосом (3n, 4n, 5n, …) в кариотипе. Эти мутации связаны с нарушением расхождения хромосом при митозе и мейозе. Полиплоидия распространена, главным образом, у растений. Полиплоидные формы растений имеют более крупные листья, цветы, плоды и семена. Для большинства животных и человека полиплоидия является летальной мутацией.

Гетероплоидия (анеуплоидия) – вид геномной мутации,при которой происходит некратное гаплоидному уменьшениеилиувеличение числа хромосом (общая формула гетероплоидий:2n±1, 2n±2 …). Различают трисомии – три гомологичные хромосомы в кариотипе, например синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме); моносомии – в кариотипе одна из пары гомологичных хромосом, например при синдроме Шерешевского – Тернера (моносомия Х); нулисомии – отсутствие пары гомологичных хромосом (летальная мутация). Большинство гетероплоидий приводят к нарушению нормального развития организмов.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Это может быть потеря участка (делеция) (например, синдром «кошачьего крика» у человека) или удвоение фрагмента хромосомы (дупликация), поворотчасти хромосомы на 180⁰ (инверсия), перенос части одной хромосомы на другую, негомологичную (транслокация). Многие хромосомные мутации снижают жизнеспособность организма.

Генные мутации связаны с изменением структуры молекулы ДНК. Это могут быть нарушения порядка нуклеотидов вследствие добавления, выпадения или перестановки их. При этом изменяется кодируемый геном белок, что может проявляться фенотипически (например, серповидно-клеточная анемия, гемофилия).

Генокопии – это одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов. Примером генокопий могут служить различные виды гемофилии, клинически проявляющиеся свертываемости крови, связанные с недостаточностью восьмого или девятого факторов свертывающей системы (гемофилия A и Bсоответственно).

Фенокопии – это явление, когда признак под действием факторов внешней среды изменяется и копирует признаки другого генотипа (ненаследственная изменчивость копирует наследственную). Например, если беременная женщина заразилась токсоплазмозом, то у ребенка может наблюдаться поражение головного мозга (водянка) как при болезни Дауна.

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

ЗАДАЧА 1.

Нормальный гемоглобин (HbA), содержащейся в эритроцитах человека, определяется следующей последовательностью нуклеотидов смысловой цепи ДНК:

3´ ЦАА ГТА ГАА ТГА ГТТ ЦТТ ТТТ 5´

При заболевании серповидно-клеточной анемии (СКА) эритроциты содержат гемоглобин HbSи имеют форму серпа. Точковая мутация связана с заменой одной пары оснований ДНК в 6 триплете. В результате в молекуле гемоглобинаглутаминовая кислота в6-м положении меняется на валин. Напишите последовательность аминокислот в начальном участке HbAи HbSи выясните, какие изменения произошли в ДНК.

Решение:

Восстановим состав нормальной ДНК, пользуясь принципами комплементарности и антипараллельности:

5´ ГТТ ЦАТ ЦТТ АЦТ ЦАА ГАА ААА 3´

3´ ЦАА ГТА ГАА ТГА ГТТ ЦТТ ТТТ 5´

Построим молекулу нормальной иРНК на смысловой нити ДНК (начиная с 3´ конца), пользуясь принципами комплементарности и антипараллельности:

5´ ГУУ ЦАУ ЦУУ АЦУ ЦАА ГАА ААА 3´

Пользуясь таблицей генетического кода, содержащей кодоны иРНК, устанавливаем аминокислотный состав участка нормальной молекулы гемоглобина (HbA):

1 2 3 4 5 6 7

- вал – гис – лей – тре – гли – глу – лиз -

Как следует из условия, в молекуле гемоглобина приСКА глутаминовая кислота вшестомположении замещается валином. Следовательно, аминокислотный состав данного участка мутантного гемоглобина(HbS) будет следующим:

1 2 3 4 5 6 7

-вал – гис – лей – тре – гли – вал – лиз –

Согласно таблице генетического кода, валин кодируется четырьмя вариантами триплетов – ГУУ; ГУЦ; ГУА; ГУГ. Однако лишь один из них (ГУА) отличается от триплета, кодирующегоглутаминовую кислоту(ГАА), одним основанием. Следовательно, нуклеотидный состав иРНК при СКА выглядит следующим образом:

5´ ГУУ-ЦАУ-ЦУУ-АЦУ-ЦАА-ГУА-ААА 3´

Восстановим состав молекулы ДНК при СКА, пользуясь принципами комплементарности и антипараллельности:

5´ ГТТ ЦАТ ЦТТ АЦТ ЦАА ГТА ААА 3´

3´ ЦАА ГТА ГАА ТГА ГТТ ЦАТ ТТТ 5´

Ответ.

Участок молекулыHbA:- вал – гис – лей – тре – гли – глу – лиз - ;

Участок молекулыHbS: - вал – гис – лей – тре – гли – вал – лиз - ;

Замена в шестом положении глутаминовой кислоты навалин связана с точковой мутацией в ДНК – замена в семнадцатом положении тимина на аденин.

ЗАДАЧА 2.

Ионизирующая радиация способна «выбивать» отдельные нуклеотиды из молекулы ДНК без нарушения ее целостности. Одна из цепей ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов:ААТЦАЦГАТЦЦТТЦТАГГААГ. Как изменится первичная структура закодированного в ней белка, если будет выбит:

а) второй триплет;

б) третий нуклеотид?

Решение:

ААТ ЦАЦ ГАТ ЦЦТ ТЦТ АГГ ААГ – исходная цепочка ДНК

УУА ГУГ ЦУА ГГА АГА УЦЦ УУЦ – исходная цепочка и-РНК

лей – вал – лей – гли – арг – сер – фен – исходный полипептид

а) ДНК* - ААТ ГАТ ЦЦТ ТЦТ АГГ ААГ

и-РНК*- УУА ЦУА ГГА АГА УЦЦ УУЦ

белок* - лей – лей – гли – арг – сер – фен

б) ДНК* - ААЦ АЦГ АТЦ ЦТТ ЦТА ГГА АГ

и-РНК*- УУГ УГЦ УАГ ГАА ГАУ ЦЦУ УЦ

белок* - лей – цис – Non

ЗАДАЧА 3.

Все клетки больного мужчины имеют 47 хромосом за счет лишней Х-хромосомы. Укажите название этой мутации, все возможные механизмы ее возникновения и вероятность передачи ее потомству.

Решение.

Анеуплоидия – трисомияпо половым хромосомам(синдром Клайнфельтера).

Не расхождение хромосом при мейозе во время овогенеза или сперматогенеза:

а) сливается яйцеклетка, имеющая двеХ-хромосомы и сперматозоид, содержащий Y-хромосому;

б) сливается яйцеклетка, имеющая Х-хромосому и сперматозоид, имеющий X- и Y-хромосомы. Такие мужчины бесплодны.

ЗАДАЧА 4.

Мужчина фенотипически здоров, но у него обнаружена сбалансированная транслокация хромосомы 21 на хромосому15. Может ли эта мутация отразиться на его потомстве?

Решение:

Эта хромосомная мутация может повлечь за собой нарушения мейоза при сперматогенезе. Возможно образование 4-х вариантов сперматозоидов:

23 хромосомы, хромосома 21свободна;

23 хромосомы, но хромосома 21 транслоцирована;

24 хромосомы за счет двух хромосом 21, свободной и транслоцированной;

22 хромосомы, хромосома 21отсутствует.

Таким образом, имеется высокая вероятность рождения детей с болезнью Дауна или мертворождения с нулисомией по 21 хромосоме.

ЗАДАЧА 5.

Женщина, переболевшая во время беременности коревой краснухой, родила глухого сына. У нее и мужа слух нормальный, в родословной обоих супругов глухота не отмечена. Определите возможный механизм появления глухоты у ребенка; вероятность повторного рождения глухого ребенка в данной семье; вероятность рождения глухих внуков, если их глухой сын, став взрослым, женится на глухонемой женщине, у которой родители и обе сестры тоже глухонемые (ген глухоты рецессивный).

Решение.

Фенокопия. Вирус краснухи не позволил генам, отвечающим за развитие органа слуха, реализовать свою информацию. Глухота здесь ненаследственный признак, поэтому вероятность повторного рождения глухого ребенка равна 0%, если не будет повторного заболевания во время беременности. Жена сына страдает наследственной глухотой, она является гомозиготной по гену глухоты, но у детей слух будет нормальным, так как они получают от своего отца доминантный ген нормального слуха; они будут гетерозиготными носителями гена глухоты.

ЗАДАЧА 6.

Эдик родился с фенилкетонурией, но благодаря соответствующей диете развивался нормально. С какими формами изменчивости связаны его болезнь и выздоровление?

Решение.

Болезнь связана, во-первых, с мутационной изменчивостью (генеративная мутация у кого-то из предков Эдика), в результате которой возник ген фенилкетонурии в данной семье. Во-вторых, с комбинативной изменчивостью, благодаря которой этот ген перешел в гомозиготное состояние. Выздоровление Эдика связано с модификационной изменчивостью. Генотип у Эдика не изменился, но соответствующие внешние воздействия нормализовали его фенотип.

ЗАДАЧА 7.

В результате мутации последовательность генов в хромосоме изменилась с ABCDEFGHна ACBDEFH. Определите тип хромосомной мутации.

Решение.

Выпишем первоначальную последовательность генов – ABCDEFGH,под ней запишем полученную в результате мутации – ACBDEFH.

Из такой записи становится понятным, что: поменялись местами гены B и C, т.е. имела место инверсия (однако, по условию задачи невозможно определить перицентрическая или парацентрическая);

Выпал ген G, т.е. имела место нехватка (делеция).

Таким образом, в данном случае произошли делецияи инверсия генов одновременно.

ЗАДАЧА 8.

Охарактеризуйте кариотип клетки, содержащий следующую мутацию: 46,XY, 15+, 21-.

Решение.

В кариотипе 46 хромосом, половые хромосомы XY, т.е. пол мужской, имеется дополнительная15-я хромосома, одновременно отсутствует хромосома из 21-й пары.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

Задача 1. При воздействии азотистой кислоты на молекулу ДНК цитозин заменяется на гуанин. Какое строение будет иметь участок синтезируемого белка (один из вариантов), если должен был образоваться полипептид с такой последовательностью аминокислот:сер – иле – тре – про – сер, но все цитозиновыенуклеотиды соответствующего участка ДНК подверглись указанному химическому превращению?

Задача 2. Может ли нормальная стволовая клетка костного мозга человека иметь 92 хромосомы?

Задача 3. Все клетки больного мужчины имеют по 47 хромосом за счет лишней Y-хромосомы. Укажите название этой мутации и возможные механизмы ее возникновения?

Задача 4. Некоторые клетки больного человека имеют нормальный кариотип, другие – 47или 45 хромосом. Укажите название и возможные механизмы этого явления.

Задача 5. Отец голубоглазый, мать кареглазая, а у дочери один глаз карий, другой – голубой. Как это можно объяснить?

Задача 6. У женщины с моносомией по Х-хромосоме обнаружен дальтонизм. Укажите ее генотип по гену дальтонизма и вероятность передачи этого гена потомству.

Задача 7. У пожилых супругов родился сын, гетерозиготный по гену дальтонизма. Что вы можете сказать о его кариотипе?

Задача 8. В результате патологического митоза клетка человека, имевшая нормальный хромосомный набор, разделилась так, что одна дочерняя клетка получила 45 хромосом, а другая – 47. Укажите возможный механизм этой мутации.

Задача 9. Владимир и Валерий – монозиготные близнецы. Елена и Светлана – тоже. Владимир женился на Елене, а Валерий – на Светлане. В обеих семьях родились сыновья. Будут ли они сходны друг с другом в такой же степени, как монозиготные близнецы?

Задача 10. Родители и их дочь страдают тучностью. Приемная дочь, выросшая в этой семье с младенчества, имеет повышенную массу тела, но в меньшей степени, чем родная дочь. И родители и дочери ведут малоподвижный образ жизни, не занимаются физической культурой. Родной сын, обучающийся в училище олимпийского резерва по специальности спортивная гимнастика, имеет нормальную массу тела. Чем объясняются различия массы тела у детей?

Задача 11. У пожилых супругов родилась дочь, больная гемофилией B (сцепленный с полом признак). Отец – гемофилик, мать имеет нормальную свертываемость крови и благополучный в отношении гемофилии генотип. Укажите возможные механизмы появления гемофилии у дочери; назовите особенности ее генотипа и фенотипа.

Задача 12. Две подруги, Инна и Ирина, выросли вместе в нормальных условиях. В возрасте 22 года обе вышли замуж за молодых здоровых мужчин. Одинакова ли вероятность рождения у них здоровых детей, если мать Инны на18 лет старше, чем мать Ирины? Обоснуйте свой ответ.

ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ

Задача 1. Используя таблицу генетического кода, определяем предполагаемую последовательность нуклеотидов и-РНК (из-за избыточности генетического кода последовательность нуклеотидов и-РНК может быть различной):

и-РНК – АГУАУААЦГЦЦГАГУ

ДНК – ТЦАТАТТГЦГГЦТЦА

После воздействия азотистой кислоты на молекулу ДНК, она приобрела следующее строение:

ДНК* ТГАТАТТГГГГГТГА

Строим и-РНК и белок.

и-РНК* АЦУАУААЦЦЦЦЦАЦУ

белок тре – иле – тре – про – тре

Задача 2. Может: в анафазе митоза и в телофазе до завершения цитокинеза.

Задача 3.Анеуплоидия – трисомияпо половым хромосомам.

НерасхождениеY-хромосом при втором мейотическом делении во время сперматогенеза.

Задача 4. Мозаицизм. Нерасхождение одной пары гомологичных хромосом при митозе на ранней стадии эмбриогенеза.

Задача 5. Девочка гетерозиготна по генам, определяющим окраску глаз, и у нее оба глаза должны быть карими. Но во время эмбриогенеза в клетках, образующих зачаток одного глаза, произошла соматическая генная мутация, и ген кареглазости превратился в ген голубоглазости; другой глаз остался карим.

Задача 6. Она гемизиготна. Вероятность равна 0, так как женщина будет бесплодна (синдром Шерешевского – Тернера).

Задача 7. У него трисомияпо половым хромосомам – XXY(синдром Клайнфельтера).

Задача 8. В митотическом веретене отсутствовала нить, связывающая данную хромосому с центриолью, поэтому хроматиды не разошлись, а обе переместились к полюсу клетки.

Задача 9. Нет, так как имеет место комбинативная изменчивость.

Задача 10. Тучность является мультифакториальной патологией, зависит от генотипа и условий внешней среды (режима питания и двигательной активности). У родной дочери тучность объясняется как генетической предрасположенностью, так и гиподинамией, а у приемной дочери – только гиподинамией и перееданием. У родного сына существует генетическая предрасположенность к тучности, но постоянный спортивный режим не позволил ей реализоваться.

Задача 11. Возможны 2 механизма появления гемофилии у дочери:1) в гаметах матери произошла генная мутация, вследствие этого девочка гомозиготна по гену гемофилии; 2) нарушение расхождения Х-хромосом в анафазе мейоза I или нарушение расхождения хроматидХ-хромосомы в анафазе мейоза II, в результате чего обе Х-хромосомы попали в редукционное тельце, а яйцеклетка осталась без Х-хромосом. В этом случае девочка имеет только однуХ-хромосому, полученную от отца, и гемизиготна по гену гемофилии.

Задача 12. У Инны вероятность рождения здоровых детей ниже, чем у Ирины, так как она родилась от пожилой матери. У пожилых женщин в половых клетках частота мутаций возрастает, и они передаются детям.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Основные источники:

1. Рубан Э.Д.Генетика человека с основамимедицинской генетики: учебник / Э Д. Рубан. – Изд. 4-е, стер. – Ростов н/Д, «Феникс», 2014.

2. Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э., Рачковская И.В., Давыдов В.В. Общая и медицинская генетика. Лекции и задачи / Серия «Учебники, учебные пособия» – Ростов-на-Дону, «Феникс», 2002.

3. Тимолянова Е.К. Медицинская генетика для медсестер и фельдшеров. – Ростов-на-Дону, «Феникс», 2007.

4. Хандогина Е.К., Рожкова З.Н., Хандогина А.В. Основы медицинской генетики. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.

5. Акуленко Л.В., Угаров И.В. Медицинская генетика: учеб. для студентов сред. образоват. учреждений и фак. сред. проф. образования мед. вузов, обучающихся по специальностям 060101.52 «Лечеб. дело», 060102.51 и 060102.52 «Акушер. дело», 060109.51 «Сестр. дело» по дисциплине «Мед. генетика» / Л.В. Акуленко, И.В. Угаров; под ред. О.О. Янушевича и С.Д. Арутюнова. – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2011.

2. Дополнительные источники:

1. Атлас по цитогенетике. – М.: Мир, 1988.

2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3-х томах под ред. Р. Сопера. – М. Мир, 1996.

3. Приходченко Н.Н., Шкурат Т.П. Основы генетики человека. – Ростов-на-Дону, «Феникс», 1997.

4. Савченко А.Ю., Рождественский А.С., Литвинович Е.Ф., Захарова Н.С., Шестирикова А.А. Основы медицинской и клинической генетики. Ростов-на-Дону, «Феникс» Омск, ГОУ ВПО ОмГМА Росздрава, 2008 г.

5. Сингер М., Берг П. Гены и геномы / Пер. с англ. – М.: Мир, 1998.

6. Слюсарев А.А., Жукова С.В. Биология. Киев, 1987.

7. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: в трех томах. М., 1993.

8. Под редакцией академика РАМН Бочкова Н.П. Медицинская генетика. Москва, Издательская группа «ГЭОТАР – Медиа», 2008.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/196727-izmenchivost-i-vidy-mutacij-u-cheloveka-reshe