Мутации, изменяющие обмен веществ

Министерство  науки и образования РФ

РФ  ФГОУ ВПО  Костромская ГСХА

Факультет ветеринарной медицины и зоотехнии

Кафедра «Частная зоотехния, разведение и генетика» 

Специальность 111201 – «Ветеринария» 
 
 
 
 

Реферат

По дисциплине «Ветеринарная генетика»

На тему  «Мутации, изменяющие обмен веществ» 
 
 
 

     Выполнила :

      студентка ВмиЗ 511г.

Николаева Юлия Павловна

Проверил:

кандидат  сельскохозяйственных наук, доцент

Белокуров Сергей Гаврилович 
 
 

Кострома 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………….3

1. ПРИЧИНЫ МУТАЦИЙ ……………………………………………………………5
2. ЗНАЧЕНИЕ МУТАЦИЙ В СЕЛЕКЦИИ ЖИВОТНЫХ………………………….7
3. КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ…………………………………………….……9
4. РАЗДЕЛЕНИЕ МУТАЦИЙ ПО ХАРАКТЕРУ ДЕЙСТВИЯ…………………….12
5. ЧАСТОТА НОВЫХ МУТАЦИЙ………………………………………….……….17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     Всем  живым организмам, независимо от их генетической организации, наряду с наследственностью свойственна изменчивость. Под воздействием внутренних и внешних факторов в генетическом материале возникают изменения — мутации, определяющие мутационную изменчивость.

     Одним из широко известных примеров наследственных изменений, описанных Ч. Дарвиным, является рождение в 1791 г. на ферме Анкон в штате Массачусетс в США коротконогой овцы, родоначальницы анконской породы. Он описывает также случаи появления однокопытных животных у свиней и многие другие. В 1899 г. вышла книга русского ботаника, профессора Томского университета С. И. Коржинского (1861—1900) «Гетерогенез и эволюция», в которой приведен ряд примеров наследственной изменчивости признаков у растений как источника происхождения видов.

     Термин  «мутация» был введен в генетику голландским ученым Г.де Фризом, который  в течение многих лет (1886—1903) изучал явление наследственной изменчивости у растения энотеры (Oenothera lamarkiana). После тщательного обобщения своих наблюдений он разработал теорию мутаций, которую сформулировал в книге «Мутации и периоды мутаций при происхождении видов» (1901). Мутациями (от лат. mutatio — изменение, перемена) называют наследственные изменения признака, органа или свойства, обусловленные изменениями наследственных структур. Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным, когда мутации возникают в природе без вмешательства человека, и индуцированным, когда мутации вызывают искусственно, воздействуя на организм специальными факторами, называемыми мутагенами. Растение, животное, микроорганизм, у которых произошла мутация, называют мутантами.

     Теория  мутаций Г. де Фриза включает ряд  положений, которые актуальны по сегодняшний день:

      1.Мутация носит разовый скачкообразный характер, отражающий дискретную природу гена и, как следствие, объективные границы между биологическими видами.

     2. Мутационные изменения имеют наследственный характер, тогда как модификационные изменения — ненаследственны.

        3. Мутации происходят не в одном, а в разных направлениях, что соответствует представлениям Ч. Дарвина о значении разнонаправленной (неопределенной) изменчивости в эволюции.

     В целом учение Г. де Фриза сыграло  в развитии генетической теории положительную  роль. Оно подтвердило целостную  природу наследственных единиц — генов и дискретный характер их изменения.

     В последующие годы большой вклад  в развитие теории мутаций внесли такие отечественные ученые, как Н. В. Тимофеев-Ресовский, А. С. Серебровский, Н. П. Дубинин, М. Е. Лобашов и др.

     В настоящее время убедительно  доказано, что в организме мутации возникают не беспричинно, а под влиянием мутагенных факторов (физических, химических и биологических, в том числе аутомутагенов).

     Мутации — закономерное генетическое явление, характеризуемое следующими особенностями: а) мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными; б) мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, могут быть рецессивными и доминантными; в) одни и те же мутации могут возникать повторно; г) мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными.

     В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции. По мнению Р. Ригера и А. Миха- элиса (1967), мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10 %, вредны для природных популяций. 
 

1. ПРИЧИНЫ МУТАЦИЙ

     В генетике понятием «мутация» обозначаются дискретные изменения наследственной субстанции, в результате которых  появляются фенотипические новые варианты признаков. Эти изменения устойчивы, поскольку наследственная субстанция способна к самовоспроизведению. Таким образом, структурные изменения наследственной субстанции передаются следующим поколениям, обусловливая сохранение нового фенотипа.

     Мутации в природе появляются спонтанно, их причины чаще всего остаются невыясненными. Известно, правда, много мутагенных факторов как физической (различного рода излучения, температурные воздействия), так и химической природы (некоторые активные химические соединения), но их действие по-прежнему ускользает из-под контроля исследователя. Если в рамках эксперимента воздействовать на животных определенным мутагенным фактором, применив совершенно идентичные условия эксперимента (в том числе одинаковую дозу мутагенного фактора), то результаты в виде определенных мутаций у потомков получатся совершенно разными. Эксперимент может подтвердить мутагенность конкретного фактора, но не может определить, в каких признаках реализуются мутации. Мутациями управляет случай, и это относится не только к их причинам, но и к результатам возникающих преобразований. Отсюда следует, что большинство мутационных изменений вредны для организма, хотя в редких случаях можно встретить мутантов, строение и функции которых не ухудшены по сравнению с фенотипом особей, не несущих мутаций.

      Механизмы мутационных изменений в генотипе во всех случаях не одинаковы. Мутации могут захватывать геном (число хромосом), нарушать структуру хромосом или изменять отдельные гены. До недавнего времени считалось, что только последняя группа мутаций играет важную роль у высших животных. Исследования последних лет показали, что очень частой причиной возникновения наследственных изменений являются также геномные мутации. О частоте изменений, обусловливаемых хромосомными мутациями, сегодня известно относительно немного.

     Мутации первой и второй групп часто называются хромосомными аберрациями. В более узком понимании термин этот используется только для обозначения изменений структуры хромосом, но не их числа. 
 

2. ЗНАЧЕНИЕ  МУТАЦИЙ В СЕЛЕКЦИИ ЖИВОТНЫХ

     Рассмотренные выше механизмы и последствия  мутаций показывают, что это явление  не зависит от человеческого контроля. Мутагенезом не удается направленно управлять. Как явления стохастического характера, мутации появляются совершенно случайно и могут затрагивать очень разные признаки организмов. Вред огромного большинства мутационных изменений понятен, если учесть, с одной стороны, степень сложности к жизненных процессов в организме, а с другой — полную случайность изменения генетической информации, управляющей этими процессами. Если воспользоваться очень грубым сравнением мутация сходна с попыткой починки сложного механизма с помощью тяжелого молотка. Такая проба заканчивается чаще всего серьезным повреждением механизма. В связи с этим выраженное большинство мутационных замен имеет летальный или сублетальный характер.

     Существует  и позитивное значение мутаций для  селекции животных, хотя фенотипически  мутации преимущественно проявляются в виде уродств у рождающихся детенышей.

     На  примере существования множественных  аллелей можно также отметить, что мелкие изменения генетической информации, если они не влекут за собой  вредных для организма последствий, становятся причиной изменения генов в популяциях. Действие таких генов сказывается на определенных фенотипических признаках, повышая генетическую изменчивость популяции. Эта изменчивость имеет огромное значение для эволюции видов и не только на основе спонтанных процессов, но и для эволюции, управляемой человеком через селекцию животных. Среди широко известных мутантов, использующихся для практических целей, можно назвать анконскую овцу с укороченными ногами. Для дикого животного такое изменение было бы нежелательным, поскольку ограничивало бы возможности бегства от естественных врагов. У домашних животных этот признак безразличен для вида и полезен для животноводов, поскольку стадо таких животных легче удерживать невысокими изгородями, которых они не в состоянии преодолеть.

     Для практических целей широко используют также различные мутации окраски меха у пушных зверей. Переведенные на клеточное содержание дикие американские норки имели темно-коричневую окраску. После нескольких десятилетий их содержания в неволе получено более чем 100 вариантов окраски в результате мутаций. Отсюда не следует делать вывода о том, что темпы мутационных изменений у животных в неволе во много раз выше, чем у диких животных. Можно думать, что они одинаковы. Однако шансы выживания мутантов и оставления ими потомства в природе ничтожны, а в неволе эта вероятность значительно выше, поскольку в размножении новой фенотипической формы заинтересован человек, окружающий ценных мутантов особой опекой.

     Небольшие изменения в фенотипе животных, даже если они не проявляются в форме  выраженных фенотипических различий, также могут оказаться очень  ценными как материал для селекции количественных признаков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ

     С развитием молекулярной генетики вновь  приобрела актуальное значение классификация  мутаций, основанная на опенке характера действия мутантного гена в отличие от его исходной формы. Данную классификацию разработал Г. Меллер (1927), согласно которой различают пять типов мутаций:

-геномные  мутации

• Полиплоидия
• Гаплоидия
• Гетероплоидия
• Автополиплоидия
• аллополиплоидия

-хромосомные  аберрации

• аберрация
• делеция
• дупликация
• инверсия
• фрагментация
• транслокация

-генные  мутации

• миссенс-мутации
• нонсенс-мутации
• мутации сдвига «рамки считывания»

-мутации  по характеру действия гена  и по фенотипу

• аморфные мутации
• антиморфные мутации
• гиперморфные мутации
• гипоморфные мутации
• неоморфные мутации
• морфологические мутации
• физиологические мутации
• биохимические мутации

-прямые  и обратные мутации

• прямые мутации
• обратные мутации

     Такая классификация условна, так как, различая биохимические, физиологические и морфологические мутации, следует иметь в виду, что в известном смысле любая мутация является биохимической и физиологической, так как изменение гена приводит к изменению биохимического процесса, контролируемого этим геном, и, следовательно, к изменению физиологии клетки и организма.

     При работе с сельскохозяйственными  животными особое внимание уделяют появлению нежелательных, вредных, летальных или полулетальных мутаций (бесшерстность, беззубость, укорочение позвоночника, укорочение нижней челюсти, сращение ноздрей, недоразвитие мозжечка у крупного рогатого скота; изогнутость передних конечностей, частичное отсутствие кожи, бесшерстность у лошадей; отсутствие конечностей, волчья пасть, паралич задних конечностей, дефекты строения копыт у свиней; уродливый череп, отсутствие конечностей, бесшерстность, дефекты строения копыт у овец; коротконогость, карликовость, отсутствие верхней или нижней части клюва, двупалость, отсутствие оперения, слепота у кур). Однако, кроме известных летальных и полулетальных мутаций в ряде случаев выявлены единичные случаи мутаций одного из генов: например, в Ульяновской области обнаружен в 2003 г. самый необычный кот в мире с шестью лапами. Аналогичный мутант-бычок родился в 1998 г. в Ярославской области.

     Большая часть мутаций у животных обусловливает  патологическое развитие органов. Вместе с тем, некоторые мутации используются человеком при выведении новых пород, например создании различных пород норок и лисиц, имеющих ценную окраску меха; мини-кур яичного и мясного направлений продуктивности с геном карликовости (d_w) и т. д. 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. РАЗДЕЛЕНИЕ  МУТАЦИЙ ПО ХАРАКТЕРУ ДЕЙСТВИЯ

         По характеру действия мутации условно делят на:

    -морфологические

    -физиологические

    -биохимические. 
          Морфологические мутации связаны с видимым изменением в строении органов или тканей. К ним относятся, например, ахондроплазия; альбинизм, бесшерстность, безглазость. 
         Физиологические мутации вызывают изменения физиологических процессов. Большинство из них изменяет жизнеспособность особей. 
         Биохимические мутации качественно или количественно изменяют синтез определенных химических веществ в организме. Благодаря им изменяется обмен веществ и, как следствие, его химический состав и потребности в тех или иных веществах. К такому типу относятся мутации, вызывающие непереносимость каких-либо веществ, как, например, повышенная чувствительность собак некоторых пород к ионам меди или непереносимость белков пшеницы.

    Классификация мутаций по действию на фенотип, в отличие от выше приведенной, классификация по действию на разные аспекты фенотипа, несмотря на свою конкретность, не столь полезна, так как самоочевидна, тривиальна и не добавляет нам нового знания:

    - летальные мутации – носитель нежизнеспособен, фенотипа нет.

    - морфологические  мутации – влияют на морфологию организма.

    - физиологические  мутации – влияют на физиологию организма. Иногда выделяют класс поведенческий мутаций, но поведение – всего лишь одно из сложных физиологических проявлений, поэтому их скорее следует считать подклассом физиологических мутаций.

    - биохимические мутации – их влияние можно выявить в биохимическом эксперименте, но они не влияют ни на одну физиологическую функцию. Сюда попадает масса мутаций, не сказывающихся на фенотипе в традиционном, а не молекулярном его понимании, то есть на «обычных» признаках организма. В частности, сюда электроморы белков – их аллельные варианты (продукты разных аллелей одного локуса), различающиеся по электрофоретической подвижности. Хороший вопрос – куда следует относить мутации, влияющие на окраску? Логика заставляет считать их биохимическими мутациями. Однако их очень часто и довольно бездумно записывают в морфологические мутации, вопреки этимологии, указывающей на форму, понимая под морфологией все, что видно глазом.

    - синонимичные мутации – вообще не выявляются в молекулярном продукте гена и могут быть обнаружены лишь при изучении своего материального носителя – соответствующего участка ДНК. Мы помним, что это тот курьезный случай, когда фенотип совпадает с генотипом.

    Есть  еще одна бинарная классификация  мутаций по степени воздействия  на фенотип, которая выглядит тривиальной, но имеет неожиданно большой смысл  – это мутации с качественным эффектом и мутации с количественным эффектом. Суть этой классификации действительно тривиальна и следует из нашего рассмотрения качественных и количественных признаков. Мутации с качественным эффектом приводят к фенотипу, безошибочно отличающемуся от нормального. В том случае, если этот фенотип может быть измерен каким-то параметром, распределения значений этого параметра у нормальных особей и у особей, в которых проявляется данная мутация, не пересекаются. Эффект мутаций с количественным эффектом невелик и сопоставим с изменчивостью признака, привносимой изменчивостью внешней среды или даже с чисто случайной его изменчивостью. Как следствие, носителя такой мутации невозможно выявить по его фенотипу и генетический анализ оказывается возможным лишь методами генетики количественных признаков, оперирующими со многими неразличимыми мутациями подобного типа. Данная «классификация» была бы не достойна упоминания здесь, если бы не одно важнейшее обстоятельство – мутации с небольшим количественным эфектом возникают гораздо чаще, чем мутации с качественным эффектом. А именно, частоты возникновения первых имеют порядок 1/10⁴, а вторых 1/10⁶, то есть мы имеем разницу в сто раз. Этот факт был обнаружен достаточно поздно, поскольку требовал изощренных методов анализа, которые сами по себе не менее интересны, чем причины этого феномена и чем его следствия. Возможно, у нас будет возможность рассмотреть методическую сторону этих исследований, сейчас вкратце коснемся причин и следствий.

    Задним  числом такую высокую частоту  мутаций с небольшим количественным эффектом объяснить легко. Таким  эффектом должны обладать мутации, влияющие не столько на кодирующие части генов, сколько на интенсивность их транскрипции. А мишенью для таких мутаций  может быть весьма протяженная область  ДНК вокруг кодирующей части, которая  влияет на интенсивность транскрипции за счет цис-факторов - разнообразных сайтов связывания с белками-регуляторами, таких как энхансеры, и белками транскрипционной машины или каким-то иным образом.

    Следствия из установленного факта высокой  частоты мутаций с количественным эффектом также вполне серьезны. Организм представляет собой тонко отлаженную машину, построенную за счет тонко  отлаженной генетической программы. Любое  изменение с гораздо большей  вероятностью нарушит отладку и  ухудшит машину в целом, чем улучшит  ее. Поэтому с точки зрения приспособленности  среди мутаций с количественным эффектом преобладают слабо вредные  мутации (slightly deleterious mutations). Следовательно, мутационный процесс сам по себе приводит к постепенному ухудшению приспособленности. То же можно сказать относительно любого важного интегрального признака, на который влияют множество генов: размер тела, плодовитость, интеллект (там, где он имеется) и т. д. Единственной силой, противостоящей этой тенденции к «ухудшению качества» организмов, является естественный отбор – выражаясь формально, особи с большей приспособленностью автоматически имеют больший вклад в следующее поколение. В природе устанавливается динамическое равновесие между мутационным процессом, «ухудшающим» организмы за счет слабо вредных мутаций, и репродуктивным преимуществом, которое имеют носители нормальных аллелей (и даже редких благоприятных мутаций). В условиях, когда какой-то признак перестает влиять на приспособленность, то есть на репродуктивный успех, он начинает деградировать, причем медленно и постепенно каждая мутация имеет весьма малый эффект). Мы можем наблюдать результат этого процесса на примере зрения, которое исчезает у пещерных организмов. Но в данном случае мы видим уже готовый результат длительной эволюции. Мы не можем наблюдать аналогичный процесс деградации интеллекта и физической силы у человека, поскольку находимся внутри очень медленного процесса, занимающего сотни и тысячи поколений. Но в том, что такая деградация человечества в целом имеет место, нет никаких сомнений, коль скоро количество оставленных потомков с какого-то момента развития человечества перестало коррелировать и с силой, и с интеллектом, а скорее наметилась обратная корреляция. Вообще полезно бывает увидеть мир таким, каков он есть. Американцы провели исследование репродуктивного успеха у людей в современном обществе, в котором выяснилось, что в этом отношении с огромным успехом лидировали несколько мужчин, являвшихся активными донорами в банки спермы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. ЧАСТОТА НОВЫХ  МУТАЦИЙ

     Гены  с главным эффектом дают основную информацию о скорости мутационного процесса. Известно, что различные гены имеют разную скорость мутации, некоторые гены мутируют с относительно высокой частотой, другие — менее часто. Скорость генных мутаций у сельскохозяйственных животных не изучена в таких широких масштабах, как у человека и лабораторных животных. Несомненно, разные гены сельскохозяйственных животных также различаются по скорости мутирования, как и у человека.

     Разработаны прямые и косвенные методы определения  скорости мутаций различных генов. Прямой метод применяется в основном по отношению к доминантным мутациям. Этот метод основан на учете числа потомков, имеющих доминантный признак, полученный от родителей, не имеющих его. Точность метода зависит от:

     1) полной пенетрантности доминантного гена;

     2) абсолютной точности определения  кровности потомства;

     3) доминантности признака (он никогда  не является рецессивным);

     4) обусловленности признака только  одним доминантным геном из  одного локуса;

     5) полной генетической обусловленности  признака (он никогда не вызывается  условиями внешней среды).

     С использованием прямого метода была определена мутационная частота для некоторых признаков у человека.

     Скорость  мутаций по доминантному гену, удовлетворяющему изложенным выше требованиям, должна быть выражена числом генов, а не числом случаев в полученном потомстве. Причина этого кроется в том, что в соматических клетках в каждом отдельном локусе гены  сформированы парами. Скорость мутации доминантного гена, равная одному случаю на 20 тыс. родившихся, должна быть выражена как 1 на 40 тыс. гамет, поскольку мутировал только один аллель из двух, имеющихся в локусе.

     Второй (косвенный, или непрямой) метод используется  в генетике человека. Косвенный метод  нельзя применять к сельскохозяйственным животным, поскольку селекционер  сознательно контролирует среднюю  численность потомков, получаемых от одного производителя, и зачастую бракует  тех животных в стаде, которые  производят потомков с дефектами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Мутации в генах, обладающих главными эффектами, возникали в прошлом как у человека, так и у животных. Многие  из этих генов выявлены и изучены. Данные показывают, что скорость мутации для различных генов неодинакова. Новые мутации в большинстве случаев являются рецессивными, и многие из них вредны для организма, хотя  некоторые могут быть желательными. Частота мутации отдельного гена, как правило, низка, и лишь при воздействии каких-то сил она может повышаться.

     Мутации также возникают в полигенных системах, в которых каждый ген  оказывает на один и тот же признак  относительно небольшое воздействие, причем таких генов в этих системах много. К полигенным признакам относится подавляющее большинство хозяйственно-полезных качеств животных, таких, как скорость роста, эффективность использования корма, качество туш и количество ценных компонентов в тушах.

     Генетическое  различие между особями в пределах популяции обусловлено накоплением мутаций на протяжении большого периода времени и представляет исходный материал (сырье), с которым работает селекционер-животновод при совершенствовании своего стада методами разведения.

     Были  предприняты попытки искусственно вызвать (индуцировать) мутации у  сельскохозяйственных животных при  помощи рентгеновских лучей и  других средств с целью получить хотя бы несколько новых полезных мутаций. Такие попытки в практическом плане оказались безуспешными.

     Многие  дефекты у новорожденных животных обусловлены генными мутациями, но многие имеют иное происхождение. Для практиков-животноводов и селекционеров небезынтересно знать, является ли данный дефект по природе генетическим или же он обусловлен негенетическими факторами. Если дефект генетический, то обусловливающий его ген будет передаваться потомкам в последующих поколениях. Если же причины негенетические, то дефект не передается по наследству, но тогда необходимо установить, какие условия и факторы внешней среды ответственны за возникновение дефекта.