Мутації: точкові, хромосомні і геномні

Уявімо, що під час копіювання тексту в одному слові випадково змінилася літера, загубився склад або цілий абзац опинився не на своєму місці. Схожі події відбуваються й у спадковому матеріалі — їх називають мутаціями. Термін «мутація» запровадив нідерландський ботанік Гуго де Фріз 1901 року, описуючи раптові спадкові зміни в енотери (ослинника).

Мутація — це раптова стійка зміна генетичного матеріалу, яка передається дочірнім клітинам під час поділу. Організм, що несе таку зміну, називають мутантом. Сукупність усіх мутацій у популяції становить мутаційну мінливість — один із двох типів спадкової мінливості (поряд із комбінативною).

Властивості мутацій

• Раптовість — мутація виникає як одноразова подія, а не поступово.

• Стрибкоподібність — спадковий матеріал змінюється окремою подією; видима нова ознака може з'явитися не одразу, якщо мутація рецесивна.

• Неспрямованість — мутації не виникають «на замовлення» організму; вони не є відповіддю на потребу в певній ознаці.

• Спадковість — зміна передається наступним поколінням клітин або організмів.

• Повторюваність — та сама мутація може виникати незалежно в різних особин одного виду.

• Неоднакова частота — одні гени або ділянки хромосом мутують частіше, ніж інші.

Класифікація мутацій за рівнем змін

За рівнем змін мутації поділяють на генні (точкові) — зміни нуклеотидної послідовності одного гена; хромосомні — зміни будови хромосом; геномні — зміни кількості хромосом.

Класифікація мутацій за наслідками

За впливом на пристосованість організму мутації поділяють на:

• Шкідливі — знижують життєздатність. Летальні мутації спричиняють загибель організму на ранніх стадіях розвитку.

• Нейтральні — не впливають на пристосованість у певних умовах. Наприклад, синонімічна заміна нуклеотида, яка не змінює амінокислоту, часто буває нейтральною, але не кожна така заміна гарантовано нейтральна.

• Корисні — підвищують пристосованість. Трапляються рідко. Класичний приклад — мутація, що дає бактеріям стійкість до антибіотика.

За проявом алеля мутації бувають домінантними (проявляються в гетерозиготі) і рецесивними (маскуються в гетерозиготі, якщо другий алель нормальний). Більшість мутацій втрати функції є рецесивними.

Мутації проти модифікацій

Важливо не плутати мутаційну мінливість із модифікаційною. Ось ключові відмінності:

Запам'ятай: мутація змінює сам генетичний матеріал, а модифікація — лише його прояв під впливом середовища.

Генна мутація — це зміна нуклеотидної послідовності в межах одного гена. У шкільній програмі терміни «генна мутація» і «точкова мутація» часто вживають як синоніми, хоча у вузькому значенні точкова стосується зміни лише одного нуклеотида (або однієї пари нуклеотидів).

Розрізняють три основні типи генних мутацій:

Заміна нуклеотида

Один нуклеотид замінюється на інший. Якщо це відбувається в кодувальній ділянці гена, змінюється один кодон, а отже, може змінитися одна амінокислота в білку. Найвідоміший приклад — серпоподібноклітинна анемія. У гені β-ланцюга гемоглобіну замінено один нуклеотид: кодон мРНК ГАГ (глутамінова кислота) перетворюється на ГУГ (валін). У шостій позиції зрілого β-глобіну (без ініціаторного метіоніну) глутамінову кислоту замінює валін. Через це гемоглобін полімеризується за низького вмісту кисню, еритроцити набувають форми серпа.

Однак через виродженість генетичного коду заміна може не змінити амінокислоти — тоді мутацію називають синонімічною. Наприклад, кодони ГГУ і ГГА кодують гліцин, тому заміна У → А в третьому положенні не вплине на білок.

Вставка або випадіння нуклеотида

Коли в кодувальній ділянці гена вставляється або випадає один нуклеотид, зсувається рамка зчитування: усі наступні кодони змінюються, і часто виникає передчасний стоп-кодон. Таку мутацію називають мутацією зсуву рамки (фреймшифт). Наприклад, послідовність АТГ-ГАЦ-ЦГА… після випадіння першого А перетвориться на ТГГ-АЦЦ-ГА… — білок буде повністю іншим і, найімовірніше, нефункціональним.

Якщо ж вставляється або випадає три нуклеотиди (або число, кратне трьом), рамка зчитування не зсувається — білок втрачає або набуває по одній амінокислоті на кожні три нуклеотиди (3 нуклеотиди — одну, 6 — дві тощо), але решта послідовності залишається правильною. Розв'язування таких задач за таблицею генетичного коду — тема окремого уроку «Задачі з молекулярної біології».

Приклади спадкових хвороб, спричинених генними мутаціями

• Фенілкетонурія — мутації гена фенілаланінгідроксилази, що порушують перетворення фенілаланіну на тирозин.

• Альбінізм — порушення синтезу меланіну через мутації генів тирозинази.

• Гемофілія — мутації генів факторів згортання крові (найчастіше фактора VIII або IX).

• Порушення кольоросприйняття (дальтонізм) — мутації генів фоторецепторів сітківки.

Детальний перебіг цих хвороб розглядають в уроці «Спадкові хвороби людини».

Як виявити генну мутацію?

Генні мутації не видно у світловий мікроскоп — хромосоми зовні не змінюються. Їх виявляють біохімічними методами (наприклад, аналіз амінокислотної послідовності білка) або молекулярно-генетичними (секвенування ДНК, ПЛР).

Хромосомні мутації (їх також називають хромосомними перебудовами або абераціями) змінюють будову хромосом. Великі перебудови можна побачити в каріотипі під світловим мікроскопом, дрібні потребують спеціальних методів фарбування або молекулярного аналізу.

Щоб зрозуміти суть кожної перебудови, уяви хромосому як послідовність букв. Нехай нормальна хромосома має вигляд:

ABCDEFGH

Делеція (нестача)

Делеція — це втрата ділянки хромосоми. Наприклад, якщо з нашої послідовності випали літери DE, отримаємо:

ABCFGH

Відома хвороба, спричинена делецією, — синдром «котячого крику» (крі-дю-шат). Він виникає через втрату частини короткого плеча 5-ї хромосоми. Діти з цим синдромом мають характерний плач, схожий на котяче нявкання, розумову відсталість і специфічні риси обличчя.

Дуплікація (подвоєння)

Дуплікація — це повторення ділянки хромосоми. Наприклад, ділянка DE повторюється:

ABCDEDEFGH

У дрозофіли дуплікація ділянки X-хромосоми спричиняє смужкоподібні очі (мутація Bar) — замість нормальної овальної форми око стає вузьким, смужкоподібним.

Інверсія

Інверсія — це поворот ділянки хромосоми на 180° у тій самій хромосомі. Наприклад, ділянка DEF повертається:

ABCFEDGH

Набір генів залишається той самий, але змінюється їхній порядок. Це може порушити роботу генів, якщо інверсія розриває ген у місці розриву або змінює регуляторні ділянки.

Транслокація

Транслокація — це перенесення ділянки однієї хромосоми на іншу, негомологічну хромосому, або обмін ділянками між негомологічними хромосомами. Уявімо дві хромосоми:

ABCDEF і MNOPQ

Після взаємної транслокації (обміну ділянками EF і PQ):

ABCDPQ і MNOEF

Транслокаційна форма синдрому Дауна виникає, коли довге плече 21-ї хромосоми приєднується до іншої хромосоми (найчастіше до 14-ї). Детальніше про каріотип людини — в окремому уроці.

Не плутай із кросинговером

Кросинговер — це обмін рівноцінними ділянками між гомологічними хромосомами під час мейозу. Це нормальний процес, джерело комбінативної мінливості, а не мутація. Транслокація ж відбувається між негомологічними хромосомами.

Також зверни увагу: термін «делеція» вживають і для випадіння нуклеотидів у гені (генна мутація), і для втрати ділянки хромосоми (хромосомна мутація). Дивись на масштаб зміни: якщо зміна стосується одного-двох нуклеотидів — це генна мутація; якщо видима ділянка хромосоми — хромосомна.

Геномні мутації змінюють кількість хромосом у клітині. Причини — порушення розходження хромосом у мейозі або мітозі, неповний цитокінез або злиття нередукованих гамет під час запліднення.

Поліплоїдія

Поліплоїдія — це кратне збільшення кількості гаплоїдних наборів хромосом. Якщо нормальна диплоїдна клітина має 2n хромосом, то поліплоїдна може мати 3n (триплоїдія), 4n (тетраплоїдія), 6n (гексаплоїдія) тощо.

Поліплоїдія виникає, коли під час мітозу поділ цитоплазми не відбувається (ендомітоз) або коли зливаються нередуковані гамети (з 2n замість n).

Поліплоїдія дуже поширена в рослин. Наприклад:

• М'яка пшениця — гексаплоїд (6n = 42 хромосоми, 6 наборів по 7).

• Картопля — тетраплоїд (4n = 48 хромосом, 4 набори по 12).

• Суниця — октаплоїд (8n).

У тварин поліплоїдія трапляється рідко. Повна поліплоїдія в людини зазвичай спричиняє загибель ембріона на ранніх стадіях. Поліплоїдність окремих тканин (наприклад, клітин печінки) — це інше явище, не мутація.

Анеуплоїдія (гетероплоїдія)

Анеуплоїдія — це зміна кількості окремих хромосом, а не цілих наборів. Основні варіанти:

• Трисомія (2n + 1) — три хромосоми замість пари.

• Моносомія (2n − 1) — одна хромосома замість пари.

Причина анеуплоїдії — нерозходження гомологічних хромосом у мейозі I або хроматид у мейозі II. У результаті одна гамета отримує дві копії хромосоми, а інша — жодної.

Анеуплоїдія в людини

• Синдром Дауна — трисомія за 21-ю хромосомою (47,+21). У каріотипі 47 хромосом замість 46.

• Синдром Клайнфельтера — 47,XXY (трисомія за статевими хромосомами в чоловіків).

• Синдром Тернера — Шерешевського — моносомія за X-хромосомою (45,X0).

Прояви цих синдромів детально розглядають у курсі «Генетика і задачі з генетики».

Важливо: синдром Дауна в медицині називають хромосомною хворобою, але за типом мутації трисомія — це геномна мутація (анеуплоїдія). Не плутай трисомію (47 хромосом, 2n + 1) із триплоїдією (69 хромосом, 3n) — це різні явища!

Гаплоїдія

Штучне отримання гаплоїдів із диплоїдної рослини (наприклад, через культуру пилку) зменшує число наборів хромосом. Гаплоїди часто менш життєздатні й стерильні. Нормальні гамети й гаметофіти рослин є гаплоїдними без жодної мутації — це їхній природний стан. Поліплоїдію активно використовують у селекції (урок «Методи селекції»).

Мутації класифікують не лише за типом зміни генетичного матеріалу, а й за типом клітин, у яких вони виникають. Це визначає, чи передасться мутація нащадкам.

Генеративні мутації

Генеративні мутації виникають у статевих клітинах (гаметах) або в клітинах, з яких вони утворюються (статеві залози, меристеми рослин). Якщо така гамета бере участь у заплідненні, мутація потрапляє в зиготу і, найімовірніше, буде присутня в усіх клітинах організму, що розвинеться. Таким чином генеративна мутація успадковується наступним поколінням.

Соматичні мутації

Соматичні мутації виникають у клітинах тіла (соми) — у шкірі, м'язах, печінці тощо. Вони передаються лише тим клітинам, що походять від зміненої в результаті мітозу. В людини за статевого розмноження соматичні мутації дітям не передаються, оскільки статеві клітини не зазнали зміни.

Соматична мутація може спричинити утворення пухлини або ділянки тканини з іншою ознакою — організм стає мозаїкою, тобто має клітини з різними генотипами.

Соматичні мутації в рослин

У рослин ситуація інша: соматичну мутацію можна зберегти за допомогою вегетативного розмноження. Класичний приклад — брунькова мутація (спорт). Якщо на одній гілці яблуні з'явилися плоди іншого забарвлення через соматичну мутацію в бруньці, цю гілку можна розмножити щепленням. Так виникли деякі сорти плодових культур (наприклад, деякі сорти яблуні, що походять від брунькових мутацій).

Два ключові питання до будь-якої мутації:

1. Що змінилося — ген, будова хромосоми чи кількість хромосом?

2. У яких клітинах сталася зміна — соматичних чи генеративних?

Відповіді на ці питання визначають, чи буде мутація спадковою для наступного покоління організмів.

Приклад 1. Логічні пари: приклад → тип мутації

Установи відповідність між прикладом (1–4) і типом мутації (А–Д). Одна буква зайва.

Залишається варіант Д — хромосомна — інверсія, який не підходить до жодного прикладу.

Розв'язання: 1 → А (заміна нуклеотида — генна мутація); 2 → Б (втрата ділянки хромосоми — делеція); 3 → В (трисомія за 21-ю хромосомою — анеуплоїдія); 4 → Г (6 наборів — поліплоїдія).

Приклад 2. Визначення типу хромосомної мутації за схемою

Нормальна хромосома має послідовність ABCDEFGH. Змінена хромосома — ABCFEDGH. Який тип мутації відбувся?

Розв'язання: Порівняй дві послідовності. У нормальній ділянка DEF розташована в порядку D→E→F. У зміненій вона стала F→E→D — тобто повернулася на 180°. Це інверсія.

Чому не делеція? Делеція — втрата ділянки, а тут усі букви присутні. Чому не дуплікація? Дуплікація — повторення, а тут жодна буква не повторюється. Чому не транслокація? Транслокація — перенесення на іншу хромосому, а тут зміна в межах однієї хромосоми.

Відповідь: інверсія.

Приклад 3. Збереження соматичної мутації в рослин

На одній гілці яблуні через підтверджену брунькову мутацію з'явилися червоні плоди замість зелених. Як зберегти цю ознаку?

Розв'язання: Це соматична мутація (виникла в бруньці — частині тіла рослини). За статевого розмноження (насінням) вона не передасться, оскільки статеві клітини можуть не нести цієї мутації. Крім того, сіянці яблуні не зберігають ознак сорту через комбінативну мінливість. Правильний спосіб — розмножити гілку вегетативно, щепленням.

Чому не підходять інші варіанти? «Висіяти насіння цих плодів» — сіянці не зберігають ознак материнського сорту. «Це модифікація, її не зберегти» — мутація підтверджена, вона спадкова для клітинних нащадків. «Схрестити з іншим сортом» — при схрещуванні ознака може розщепитися або не проявитися.

Приклад 4. Аналіз двох тверджень

Оціни правильність двох тверджень:

• I. Трисомія за 21-ю хромосомою — геномна мутація.

• II. Мутації завжди шкідливі для організму.

Розв'язання: Твердження I правильне — трисомія (2n + 1) належить до анеуплоїдії, а анеуплоїдія — різновид геномних мутацій. Твердження II неправильне — мутації бувають не лише шкідливими, а й нейтральними або (рідко) корисними.

Відповідь: правильне лише I.

• Відносять синдром Дауна (трисомія 21) до структурних хромосомних мутацій, а не до геномних. Насправді трисомія — це зміна кількості хромосом (анеуплоїдія), тобто геномна мутація.

• Плутають трисомію (2n + 1 = 47) із триплоїдією (3n = 69). Трисомія — зайва одна хромосома, триплоїдія — цілий зайвий гаплоїдний набір.

• Плутають дуплікацію ділянки хромосоми з поліплоїдією. Дуплікація — повторення невеликої ділянки в межах однієї хромосоми, поліплоїдія — кратне збільшення всього набору хромосом.

• Плутають інверсію (поворот ділянки в тій самій хромосомі) із транслокацією (перенесення ділянки на негомологічну хромосому). При інверсії всі гени залишаються в тій самій хромосомі, змінюється лише їхній порядок.

• Вважають усі мутації шкідливими. Насправді багато мутацій нейтральні (не впливають на пристосованість), а деякі можуть бути корисними (наприклад, стійкість бактерій до антибіотиків).

• Вважають мутації спрямованими на користь організму. Мутації виникають випадково, незалежно від потреб організму.

• Вважають, що соматична мутація людини передається дітям. Соматичні мутації виникають у клітинах тіла, а не в статевих клітинах, тому за статевого розмноження вони не успадковуються.

• Вважають, що генну мутацію видно в каріотипі під світловим мікроскопом. Генні мутації змінюють лише нуклеотидну послідовність ДНК, а не вигляд хромосом — їх виявляють молекулярними методами.

Мутації, їхні властивості й типи належать до теми 2.3 «Закономірності мінливості організмів» (розділ 2 програми НМТ з біології). Від тебе вимагають:

• Розрізняти типи мутацій — геномні, хромосомні, точкові (генні), соматичні й генеративні.

• Порівнювати мутаційну й модифікаційну мінливість.

У демоваріанті НМТ-2026 тему 2.3 представляє завдання № 9 — це вибір однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г). За нього можна отримати 0 або 1 бал.

Тему мутацій можна перевірити й завданням на логічні пари (завдання 25–28). У них потрібно встановити відповідність між чотирма прикладами (1–4) і п'ятьма варіантами відповідей (А–Д), одна буква зайва. Кожна правильно встановлена пара приносить 1 бал, максимум — 4 бали. Наприклад, «приклад → тип мутації».

Довідкових матеріалів на тестуванні немає. Записи каріотипів (наприклад, 47,+21) і буквені схеми хромосом (ABCDEFGH) потрібно вміти читати самостійно.

Стратегія розв'язування

1. Спершу визнач рівень зміни: ген (нуклеотидна послідовність), будова хромосоми чи кількість хромосом.

2. Потім уточни конкретний тип: для генних — заміна, вставка чи випадіння; для хромосомних — делеція, дуплікація, інверсія чи транслокація; для геномних — поліплоїдія чи анеуплоїдія.

3. Визнач, у яких клітинах сталася мутація (соматичні чи генеративні), щоб зрозуміти, чи передасться вона нащадкам.

• Мутації — раптові, стрибкоподібні, неспрямовані, спадкові зміни генетичного матеріалу.

• За наслідками бувають шкідливі (зокрема летальні), нейтральні, рідко корисні.

• Генні (точкові) мутації — заміна, вставка або випадіння нуклеотидів у гені. Вставка чи делеція в кодувальній ділянці зсуває рамку зчитування, якщо число нуклеотидів не кратне трьом.

• Хромосомні мутації — делеція (втрата ділянки), дуплікація (подвоєння), інверсія (поворот на 180°), транслокація (перенесення на негомологічну хромосому).

• Геномні мутації — поліплоїдія (кратне збільшення наборів: 3n, 4n, 6n) і анеуплоїдія (зміна кількості окремих хромосом: 2n + 1, 2n − 1).

• Вільна трисомія за 21-ю хромосомою (синдром Дауна) — геномна мутація (анеуплоїдія). Транслокаційна форма синдрому Дауна має інший механізм.

• Генеративні мутації виникають у статевих клітинах і можуть передаватися через гамети нащадкам.

• Соматичні мутації виникають у клітинах тіла; в людини за статевого розмноження не успадковуються. У рослин соматичні мутації можна зберегти вегетативним розмноженням (щепленням).