Сиволоб А.В., Рушковський С.Р., Кир’яченко С.С. та ін. Генетика. Підручник

Подождите немного. Документ загружается.

Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу

141

ють адаптивної переваги. Адаптивні та нейтральні варіанти закріп-

люються в популяціях – саме вони забезпечують такі явища, як мно-

жинний алелізм і генетичний поліморфізм (див. розділи 3 і 8).

Слід зауважити, що точкові мутації приводять до зміни спадкової

програми не обов'язково тільки тоді, коли вони відбуваються в коду-

ючих ділянках геному. Нуклеотидні заміни в некодуючих ділянках

можуть впливати на експресію генів: заміни нуклеотидів у 5'- або

3'-кінцевих ділянках мРНК, що не транслюються, можуть впливати на

час життя мРНК; заміни в інтронах – на ефективність сплайсингу;

у регуляторних ділянках гена – на рівень експресії. Таким чином, не

завжди поліморфізм ДНК у некодуючих ділянках є нейтральним.

Говорячи про наслідки мутаційної мінливості, слід відмежувати ті,

що стосуються окремого організму (індивідуальні наслідки), від нас-

лідків для популяцій і видів у цілому (еволюційні наслідки). Мутації

в соматичних клітинах часто приводять до негативних ефектів для

окремих організмів: наприклад, усі типи мутацій, від точкових до ге-

номних, можуть бути причиною виникнення злоякісних новоутво-

рень. Але такі мутації не спадкуються в наступних поколіннях нащад-

ків. Генеративні мутації зумовлюють розвиток особин, усі клітини

яких будуть нести дану зміну. Типовим проявом таких мутацій є різ-

номанітні спадкові хвороби (див. розділ 7).

Зрозуміло, що для популяцій і груп організмів, а отже, і для видо-

утворення, найбільш значимими є генеративні мутації. У ході розвитку

різних класів хребетних (від круглоротих до ссавців) спостерігається

значна кількість хромосомних і геномних перебудов, які в основному

представлені транслокаціями, інверсіями та змінами кількості хромо-

сом. Так, людина відрізняється від людиноподібних мавп робертсо-

нівською транслокацією (друга хромосома людини є транслокаційною

формою двох акроцентричних хромосом мавп, див. розділ 7).

Важливу роль в еволюції рослинного й тваринного світу відігра-

ють геномні мутації (поліплоїдії та анеуплодії). Проте, як правило, від-

сутність у каріотипі однієї з хромосом гомологічної пари приводить до

зниження життєздатності особин, а в деяких випадках має летальні

наслідки. Такий ефект можна пояснити або недостатністю певних біл-

кових продуктів (експресуються гени лише однієї хромосоми), або наяв-

ністю в хромосомі, яка присутня в анеуплоїдному ядрі, летальних алель-

них варіантів певних генів. Слід зазначити, що фенотиповий ефект мо-

носомії залежить від того, яка хромосома втрачена. У людини, напри-

клад, моносомії за статевою Х-хромосомою (синдром Шерешевського –

Тернера, див. розділ 7) мають менш несприятливий для організму ефект

порівняно з моносоміями за аутосомами, які є летальними. У дрозофіли

Генетика

142

нежиттєздатними є особини з нестачею четвертої хромосоми, тоді як

нестача другої, третьої або Х-хромосоми не має летальних наслідків.

У рослин (пшениці, кукурудзи, тютюну) моносомні форми можуть не

відрізнятися від нормальних диплоїдних особин або мати незначні від-

мінності в розмірах окремих частин рослини.

Що стосується наявності в каріотипі додаткової хромосоми, то

зниження життєздатності або летальність трисомій загалом характер-

на для представників тваринного світу. Рослини-трисоміки часто

є життєздатними й мають незначні відхилення від нормальних орга-

нізмів: у дурману Datura stramonium, наприклад, описані життєздатні

трисоміки по кожній із 12 пар хромосом.

Поліплоїдія найбільше розповсюджена в рослинному світі. Збіль-

шення наборів хромосом у рослин приводить до збільшення їхньої ве-

гетативної маси та розвитку стійкості до несприятливих умов. Розпо-

всюдженість поліплоїдних форм у рослин пов'язана з тим, що для них

характерне вегетативне розмноження та самозапилення. Поліплоїдні

форми у тварин найчастіше не є життєздатними, оскільки поліплоїдія

несумісна зі статевим процесом. Часто поліплоїдія у тварин зумовлює

їхню стерильність, особливо це стосується алополіплоїдних форм. Від-

повідно, поліплоїдні форми є характерними для тварин із партеноге-

нетичним розмноженням.

МОДИФІКАЦІЙНА МІНЛИВІСТЬ

Будь-який організм є відкритою системою: реалізація спадкової

програми відбувається не тільки під контролем генотипу, але й під

впливом оточуючого середовища. Умови середовища можуть зумов-

лювати як ступінь прояву спадкової ознаки (експресивність), так

і ймовірність прояву ознаки взагалі (пенетрантність). Таким чином,

особини з однаковими генотипами, залежно від впливу навколишньо-

го середовища, можуть мати відмінні фенотипи. Така мінливість на -

зивається фенотиповою, або модифікаційною. Класичним прикладом

фенотипових змін у межах одного організму є різні форми листової

пластинки у стрілолиста – залежно від розташування листя в підвод -

ній або надводній частині рослини (рис . 4.10). Модифікаційним змі-

нам в основному піддаються кількісні та якісні полігенні ознаки.

Наприклад, зріст, вага, схильність до розповсюджених хвороб, трива-

лість життя значно залежать від умов середовища.

Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу

143

а б

Рис. 4.10. Модифікація листової пластинки у стрілолиста:

підводні (а) і надводний (б) листки

Модифікаційна мінливість зумовлена не змінами послідовностей

ДНК, а змінами в експресії генів (від ефективності транскрипції до

особливостей перебігу біохімічних реакцій) під впливом факторів

навколишнього середовища. Очевидно, що такі зміни не спадкуються,

проте межі модифікаційної мінливості (норма реакції) для кожної окре-

мої ознаки повністю визначаються генотипом. Розмах норми реакції

є адаптивною ознакою та визначає межі змін умов навколишнього се-

редовища, в яких може існувати особина, тобто окремий генотип.

Результатом модифікаційної мінливості може бути поява організ-

мів, які фенотипово копіюють прояв певного генотипу. Такі феноти-

пові форми називають фенокопіями. По суті, фенокопії є проявом

крайніх варіантів норми реакції. Наприклад, недостатність вітаміну

D спричинює розвиток рахіту, який за симптоматикою нічим не від-

різняється від спадкового захворювання, зумовленого мутаціями, які

приводять до нечутливості до вітаміну D.

До окремого типу модифікаційної мінливості відносять так звані

довготривалі модифікації, які можуть спадкуватися протягом декіль-

кох поколінь. Відомим прикладом є зміна забарвлення в колорадсько-

го жука, яка виявляється після витримування лялечок за високих те-

мператур. Змінене забарвлення зберігається для кількох поколінь,

а потім повертається до вихідного стану. При цьому спадкування

відбувається виключно по материнській лінії: змін у геномі не відбу-

Генетика

144

вається, а тривалість модифікації пояснюється накопиченням у ци-

топлазмі клітин зародкового шляху стабільних мРНК генів теплового

шоку, які з цитоплазмою яйцеклітини передаються нащадкам. Зро-

зуміло, що через декілька поколінь відбудеться "розведення" цих

мРНК: їхня кількість стане врешті-решт недостатньою для прояву

зміненого забарвлення.

Контрольні запитання і завдання

1. Дайте визначення терміну "мінливість". Які існують типи мінливості?

2. Чим зумовлена спадкова мінливість?

3. Що таке мутації? Чим соматичні мутації відрізняються від генера-

тивних.

4. Опишіть типи точкових мутацій.

5. Опишіть типи хромосомних і геномних мутацій.

6. Що є джерелом мутаційних змін?

7. Які пошкодження ДНК виникають у процесі життєдіяльності клітин

і внаслідок помилок реплікації та репарації?

8. Опишіть механізми виникнення хромосомних і геномних мутацій.

9. Дайте визначення поняття "мутагенний фактор". Що таке пряма та

опосередкована дія мутагену?

10. Які типи хімічних мутагенів ви знаєте. Опишіть механізми їхньої

дії. Що таке промутагени?

11. Поясніть механізми мутагенної дії фізичних факторів.

12. Які мутагенні чинники можна віднести до факторів біологічної

природи? Які механізми їхньої дії?

13. Які наслідки мутаційної мінливості є негативними ? Позитивними?

14. Що таке модифікаційна мінливість? Які основні причини її прояву?

Чим модифікаційна мінливість відрізняється від мутаційної?

15. Що таке фенокопії?

16. Що таке довготривалі модифікації? Поясніть механізми їхнього

утворення.

РОЗДІЛ 5

Генетика бактерій, вірусів

і одноклітинних еукаріотів

Прокаріотична клітина відрізняється порівняно простою органі-

зацією (відсутність ядра та розвиненої компартменталізації, відсут-

ність мейозу, порівняно невелика кількість ДНК), що робить її зруч-

ним об'єктом досліджень. Саме вивчення прокаріотів зіграло провідну

роль у з'ясування багатьох базових принципів функціонування гене-

тичного апарату, особливо в перші десятиліття після початку інтенсив-

них досліджень молекулярних основ спадковості. При збереженні за-

гальних принципів, організація та функціонування спадкового апа-

рату таких порівняно простих систем має певні особливості.

ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО АПАРАТУ

ПРОКАРІОТІВ

Як правило, бактеріальний геном представлений однією циркуляр-

ною молекулою ДНК (бактеріальною хромосомою). Ця ДНК взаємодіє з

білками, формуючи нуклеоїд, який займає певну зону бактеріальної клі-

тини. Загальна довжина хромосоми, наприклад, у Escherichia coli, ста-

новить 4,6 млн пар основ, близько 90 % яких припадають на кодуючі

послідовності (див. табл. 1.1). Середній розмір гена E. coli – 950 пар ос-

нов (прокаріотичні гени не містять інтронів), середня довжина міжген-

ної ділянки – 118 пар основ. Проте міжгенні зони мають досить нерів-

номірний розподіл по довжині, яка варіює від 0 до 1730 пар основ.

Генетика

146

У бактеріальному геномі присутні також мобільні елементи класу

ДНК-транспозонів, цілком аналогічні транспозонам у геномах еукарі-

отів (див. розділ 6). Бактеріальні транспозони поділяють на два типи,

які дещо різняться між собою за будовою послідовностей і довжиною:

IS-елементи (insertion sequences), розмір яких варіює від 700 до

1400 пар основ, і власне транспозони (Tn) більшого розміру. Транспо-

зони обох типів часто містять гени транспозази. Транспозаза здійс-

нює каталіз хімічних реакцій, які забезпечують переміщення транс-

позона в інше місце геному (див. розділ 6). Крім генів транспозази

у складі Tn-транспозонів можуть бути присутніми інші гени.

Реплікація бактеріальної хромосоми розпочинається з ділянки

ориджину (як правило, єдиного, розділ 1) і продовжується в обидва

боки двома реплікативними вилками (рис. 5.1). Вважається, що ори-

джин при цьому взаємодіє з клітинною мембраною; між новим (щойно

синтезованим) і старим ориджинами під час реплікації нарощується

клітинна оболонка, по завершенні реплікації відбувається поділ дочірніх

клітин – до кожної переходить повний материнський набір генів.

риджин

Реплікативна

вилка

Рис. 5.1. Синхронізація реплікації

та клітинного поділу бактеріальної клітини

Характерною відзнакою бактерій є наявність у клітині, поряд із бак-

теріальною хромосомою, невеликих автономних елементів геному –

плазмід. Плазміда є циркулярною молекулою ДНК (типовий розмір

близько 3 тис. пар основ), яка містить кілька генів і реплікується не-

залежно від бактеріальної хромосоми (має власний ориджин). Плазмі-

ди широко використовуються як зручний інструмент молекулярно-

біологічних досліджень (див. розділ 9).

Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів

ОБМІН ГЕНЕТИЧНИМ МАТЕРІАЛОМ

МІЖ БАКТЕРІЯМИ

Хоча бактерії розмножуються шляхом клітинного поділу, у них

спостерігається також своєрідний "статевий процес" перенесення ге-

нетичного матеріалу від однієї клітини до іншої. Таке перенесення

відбувається під час

кон'югації – безпосереднього контакту між клі-

тинами. Залежить кон'югація від присутності в одній із клітин особ-

ливої плазміди –

F-фактора (фактора фертильності) – яка, як і багато

інших плазмід, може існувати автономно, а може вбудовуватись у ба-

ктеріальну хромосому шляхом сайт-специфічної рекомбінації. В E. coli

існує два "статеві" типи клітин, що позначаються як F

і F

–

, – кон'юга-

ція супроводжується перенесенням ДНК від клітини F

до F

–

F-фактор містить кілька генів, у тому числі такі, що відповідають

за утворення так званих пілів – трубчастих виростів на поверхні клі-

тини. Пілі з'єднуються з рецепторами клітин F

–

, і між клітинами двох

типів утворюється цитоплазматичний місток (рис. 5.2). Специфічна

нуклеаза робить одноланцюговий розріз у ДНК F-фактора, інтакт-

ний ланцюг слугує матрицею для добудови 3'-кінця, що залишився в

місці розрізу, – відбувається реплікація циркулярної ДНК F-фактора

за так званим типом кільця, що котиться (такий механізм реплікації

використовується також для копіювання ДНК багатьох бактеріофа-

гів). Процес добудови 3'-кінця виштовхує 5'-кінцеву одноланцюгову

ділянку, яка проникає у клітину F

–

, де використовується як матриця

для синтезу другого ланцюга ДНК. У результаті клітина F

–

перетворю-

ється на F

(рис. 5.3).

Частота кон'югації та подвоєння і перенесення F-фактора є неви-

сокою (~10

–5

), якщо F-фактор існує автономно від бактеріальної хро-

мосоми (як на рис. 5.2). Коли F-фактор вбудовується в бактеріальну

хромосому, частота зростає до 10

–2

–10

–1

– такі штами клітин F

позна-

чаються як Hfr (high frequency recombination). При кон'югації клітин

–

і Hfr вбудований F-фактор ініціює реплікацію за типом кільця, що

котиться, цілої бактеріальної хромосоми (рис. 5.3): у клітині Hfr хромо-

сома відновлюється, у клітину F

–

переноситься її копія. Насправді ж

ціла хромосома потрапляє до клітини F

–

дуже рідко – як правило, від-

бувається порушення кон'югаційної трубки й розрив хромосоми, кот-

ра переноситься, (як видно з рис. 5.3, це не порушує вихідну хромо-

сому у клітині Hfr – там завжди є інтактний ланцюг ДНК, який може

Генетика

148

бути використаний у ролі матриці для відновлення цілісності дволан-

цюгової молекули). Оскільки на початку процесу в клітину F

–

потрап-

ляє лише частина F-фактора, а щоб він опинився там повністю, вихі-

дна хромосома має зробити повний "оберт" (рис. 5.3), як правило, клі-

тина F

–

не перетворюється на F

при кон'югації з клітиною Hfr.

ромосома

F-фактор

Рис. 5.2. Перенесення F-фактора з клітини F

у F

–

Рис. 5.3. Перенесення ДНК від клітини Hfr до F

–

ДНК інтегрованого F-фактора позначено червоним

Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів

149

Коли в клітині F

–

опиняється частина гомологічної ДНК іншої бакте-

рії, починається гомологічна рекомбінація, описана в розділі 1, – об-

мін ділянками між донорною ДНК і ДНК клітини-реципієнта. Резуль-

туюча клітина-реципієнт залишається гаплоїдною – "зайва" ДНК, що

не потрапила до хазяйської хромосоми, піддається деградації нуклеа-

зами, оскільки вона не є циркулярною . Таким чином, між двома бак-

теріальними штамами відбувається своєрідне часткове схрещування,

яке можна досліджувати за допомогою звичайних методів генетично-

го аналізу. Розглянемо, наприклад, схрещування Hfr-штаму дикого

типу за генами thr

та leu

(визначають здатність синтезувати відпо-

відні амінокислоти), який містить також ген чутливості до стрептомі-

цину Str

, із штамом F

–

, що має ген стійкості до стрептоміцину Str

і мутантні гени thr

–

та leu

–

(ауксотрофний штам, який потребує при-

сутності відповідних амінокислот у поживному середовищі):

Hfr, thr

leu

Str

× F

–

, thr

–

leu

–

Str

З певною частотою в такому схрещуванні утворюються рекомбіна-

нтні бактерії дикого типу F

–

, thr

leu

Str

, які можна відібрати, виро-

щуючи культуру на середовищі зі стрептоміцином.

Оскільки перенесення генів із клітини Hfr у F

–

відбувається послі-

довно, починаючи із сайта інтеграції F-фактора (рис. 5.3), можна кар-

тувати розміщення генів у бактеріальній хромосомі (у порядку потра-

пляння їх до клітини F

–

). Для цього кон'югацію (після змішування клі-

тин двох типів у рідкому середовищі) зупиняють шляхом струшуван-

ня пробірки через певні проміжки часу. Це дозволило свого часу

отримати детальні генетичні карти бактеріальної хромосоми (відстані

на таких картах вимірюють у хвилинах) і довести її циркулярність.

F-фактор, інтегрований до хромосоми, може також вирізатися

з неї з утворенням автономної плазміди. Таке вирізання іноді буває

неточним: ділянка F-фактора залишається в хромосомі, замінюючись

на ділянку хромосоми в складі плазміди. Утворюється так званий

F'-фактор, який здатен переносити в інші клітини бактеріальні гени

незалежно від бактеріальної хромосоми (явище сексдукції). Після та-

кого перенесення можна отримати частково диплоїдні клітини – за

генами, що перебувають у складі F'-фактора. Між останнім і хромо-

сомою клітини-реципієнта можлива гомологічна рекомбінація, що

приводить або до утворення Hfr-клітин і дуплікації генів (одиночний

кросинговер – вбудовування F'-фактора у хромосому ), або до обміну

ділянками між хромосомою та F'-фактором (подвійний кросинговер).

Генетика

150

БАКТЕРІОФАГИ

Бактеріофаги (бактеріальні віруси) поділяють на два типи: віруле-

нтні, які проникають у клітину, розмножуються та зумовлюють руй-

нування клітини (літичний шлях), і помірні – такі, що можуть викори-

стовувати або літичний шлях, або шлях лізогенії, коли ДНК фага за

допомогою сайт-специфічної рекомбінації (див. наступний підрозділ)

вбудовується в бактеріальний геном (фаг перетворюється на профаг).

В останньому випадку за несприятливих для бактерії умов може від-

буватися індукція бактеріофага – перехід до літичного шляху.

Процес перенесення генетичного матеріалу між бактеріальними клі-

тинами за рахунок активності бактеріофагів називають

трансдукцією.

Здійснюють її зазвичай помірні бактеріофаги: після практично необ-

меженого існування фагової ДНК у бактеріальному геномі, індукція

іноді зумовлює вирізання фагової ДНК разом із бактеріальними ді-

лянками. Далі відбувається реплікація цієї ДНК, синтез білків оболон-

ки бактеріофага (закодованих у генах фагової ДНК) і збирання фаго-

вих частинок. Фагові частинки потім інфікують інші клітини, і якщо

реалізується шлях лізогенії, вбудовуються в ДНК клітини-хазяїна

разом із захопленими раніше бактеріальними генами. До помірних

фагів належать, зокрема, фаги Р1, Р22, λ (див. нижче огляд життєвого

циклу фага λ). ДНК помірних фагів може розглядатися як частина

бактеріального геному, яка іноді виходить з під контролю: гени бак-

теріофага жодним чином не відрізняються від бактеріальних, тобто

перебувають під контролем промоторів, що впізнаються бактеріаль-

ною РНК-полімеразою клітини-хазяїна.

Бактеріофаги групи Т відносять до таких, що реалізують тільки лі-

тичний шлях. Як і для помірних фагів, їхній геном представлений од-

нією лінійною дволанцюговою ДНК. ДНК Т-парних фагів (Т2, Т4, Т6)

містить приблизно 200 тис. пар основ, фагові гени кодують білки сис-

теми реплікації (у тому числі й власну ДНК-полімеразу), білки фагової

оболонки та певні регуляторні білки, що сприяють перемиканню ро-

боти клітинних систем на користь бактеріофага. Після проникнення

ДНК у клітину починається транскрипція групи фагових генів бакте-

ріальною РНК-полімеразою, згодом – реплікація фагової ДНК, синтез

фагових білків, збирання частинок бактеріофага й лізис клітини.