Augalų genomo mutacijos: haploidija ir poliploidija

Genetinio kintamumo šaltiniai:

– Mutacijos

• Genų/Taškinės

• Nebranduolinės/ Citoplazminės

• Chromosomų

• Genominės

– Kombinacinis kintamumas

• Krosingoveris

• Rekombinacijos

– Kartotinės genomo sekos

– Epigenetika

Mutacija 

genetinės informacijos pakytis, atsirandantis dėl jos reprodukcijos klaidų dalinantis ląstelėms mitozės arba mejozės metu.

Mutacija įvykusi mitozės metu gali sukelti individo požymių pokyčius, tačiau ji neperduodama palikuonims.

Mutacija įvykusi mejozės metu, pokyčius gali sukelti ne pačiam individui, o jo palikuonims. T.y. palikuonis gali turėti savybes, kurių neturėjo tėvai.

Mutacijos gali būti savaiminės arba jas gali sukelti radiacija, cheminės medžiagos ar aplinkos stresas.

Dėl mutacijų gali padidėti arba sumažėti chromosomų skaičius, kisti genų išsidėstymo tvarka chromosomose arba nukleotidų seka gene.

Mutacijos pagal poveikį ir svarbą skirstomos į:

– žalingas – palikuonys negyvybingi – tai dažniausias mutacijų tipas. Tokie aleliai greitai pašalinami iš populiacijos natūralios atrankos dėka, arba nukenksminami pervedant į recesyvinę būklę

– neutralias– naujos savybės neįtakoja prisitaikymo, išlikimo ir reprodukcijos.

– palankias– naujos savybės padidina prisitaikymą, išlikimą, reprodukciją; populiacijose tokių alelių dažnis didėja ir gali būti perduotas į kitas populiacijas.

Genų arba taškinės mutacijos

tai DNR nukleotidų sekos pokyčiai, dėl kurių atsiranda naujų geno alelių.

Pakitus nukleotidų sekai pakinta ir kodonai, o kartu ir aminorūgščių seka baltymo polipeptidinėje grandinėje.

Taškinių mutacijų atsiranda tada, kai viena nukleotidų pora pakeičiama kita arba kai iškrinta ar įsiterpia viena arba kelios nukleotidų poros.

Pagal tai genų mutacijos skirstomos į:

nukleotidų pakaitos

- neprasmingas (nonsens)

- keičiančias prasmę (misens)

- neutralias (silence)

rėmelio poslinkio mutacijas

mutacijas, atsiradusias dėl atskirų nukleotidų tripletų pasikartojimų.

Neprasmingos (nonsens) mutacijos

kai įsiterpia stop kodonas (UAA, UGA arba UGG)

Kai aminorūgštį koduojantis tripletas keičiasi į terminalinį kodoną, baltymo sintezė nutrūksta. T.y. nesusidaro pilnai funkcionuojantis baltymas, nes gali būti prarandamos svarbiausios jo dalys.

Keičiančios prasmę (misens) mutacijos

kai pasikeitus nukleotidų porai vietoj vienos aminorūgšties koduojama kita

tikroji reversija

Mutantinio kodono grįžimas į pradinę nukleotidų seką

netikroji reversija

Kai mutantinis nonsens kodonas virsta kitokios, negu iki jo atsiradimo buvusios, aminorūgšties kodonu

Dėl netikrosios reversijos sugrįžta koduojamo baltymo sintezė, bet pakeista aminorūgštis gali turėti įtakos baltymo aktyvumui.

Dažniausiai dėl netikrosios reversijos sumažėja baltymų fermentinis aktyvumas.

Rėmelio poslinkio mutacijos

atsiranda įsiterpus arba iškritus vienai ir daugiau nukleotidų porų DNR sekoje.

Rėmelio poslinkio mutacijos sukuria visiškai naują kodonų seką.

Visiškai nauja visų aminorūgščių seka yra naujas baltymas, kuris neatlieka įprastų funkcijų.

Dėl rėmelio poslinkio mutacijų geno pradžioje gali susidaryti ir stop kodonų UAA, UAG bei UGA sekos, kurios savo ruoštu iššaukia nonsens mutacijas

Nebranduolinės (citplazminės) mutacijos

tai mutacijos, kurios atsiranda mitochondrijų, plastidžių arba plazmidžių genetinėje informacijoje.

Dauguma šių mutacijų yra taškinės, nors žinomi ir stambūs mitochondrijų genomo persitvarkymai: delecijos, duplikacijos.

Tokie mitochondrijų genomo persitvarkymai ląstelei yra pražūtingi, nes dėl pakitusios informacijos mitochondrijos negali atlikti pagrindinės savo funkcijos – ląstelės kvėpavimo.

Žinomos ir chloroplastų mutacijos, dėl kurių sutrinka chlorofilo sintezė.

Tokie augalai turi baltus lapus ir negali vykdyti fotosintezės.

Jie išgyvena įskiepijus į normalius, fotosintezę vykdančius, augalus.

Chromosomų mutacijos (aberacijos)

chromosomų sandaros pakitimai arba persitvarkymai, dėl kurių gali pasikeisti genų seka chromosomoje.

Informaciniu požiuriu skiriama ar:

1) pakinta informacijos kiekis (delecija, dublikacija, insercija)

2) informacija lieka ta pati, bet ji yra pertvarkoma (inversija, translokacija)

Chromosomų delecijos (praradimai, iškritos, pametimai) būna dviejų tipų:

1) kuomet dėl vieno trūkio pametamas chromosomos galas ir

2) kuomet pametamas vidurinis chromosomos fragmentas.

Jeigu diploidinis organizmas buvo heterozigotinis (Aa) ir iškrito chromosomos fragmentas, kuriame yra dominuojantis geno alelis (A), galės pasireikšti recesyviojo alelio lemiamas požymis (a).

Chromosomų inversijos, kai kuri nors nutrūkusi chromosomos dalis prie jos vėl prisijungia, tačiau pasisukusi kitu galu:

Chromosomos fragmentas ne pametamas, o apsisuka 180º, ir trūkių galai vėl sujungiami.

Dėl inversijos keičiasi genų padėtis chromosomoje, o kartu ir jų aktyvumas.

Heterozigotoje inversijos sutrikdo normalią krosingoverio eigą, dėl to mejozės metu formuojasi negyvybingos gametos.

Dažnai giminingos rūšys skiriasi pagal chromosomų inversijas.

Chromosomų duplikacijos

tai chromosomos atkarpos padvigubėjimas arba pakartojimas daugiau kartų.

Dažnai duplikacijų susidaro įvykus netolygiam krosingoveriui. Dėl to vienos chromosomos atkarpa duplikuojasi, o kita ją praranda

Duplikacijos, kaip ir kitos chromosomų mutacijos, dažnai sumažina organizmo gyvybingumą.

Chromosomų translokacijos

tai tokie chromosomų persitvarkymai, kai chromosomos fragmentas keičia savo vietą.

Gali būti viduchromosominės translokacijos, kai chromosomos segmentas pakeičia vietą toje pačioje chromosomoje,

ir tarpchromosominės translokacijos, kuomet vienos chromosomos fragmentas prijungiamas prie kitos chromosomos

Chromosomų insercijos

tai tokie chromosomų persitvarkymai, kai į chromosomą įsiterpia papildoma genetinė informacija.

Į chromosomas gali įsiterpti ir į ląstelę patekusi svetima DNR, pvz., viruso arba paties genomo judrieji elementai, transpozonai.

Keisdamas savo vietą transpozonas gali įsiterpti į kurį nors kitą chromosomos geną ir taip blokuoti jo transkribavimą.

Dažnai transpozono persikėlimas iš vienos vietos į kitą lydimas chromosomų trūkių.

Todėl transpozonai gali būti įvairių chromosomų mutacijų priežastimi.

Genomų mutacijos

chromosomų skaičiaus pasikeitimai:

- Haploidija – viengubas chromosomų skaičius (kai augalas išauginamas iš žiedadulkės ar mezginės)

- Poliploidija (euploidija)– kai mutanto ląstelės branduolyje yra daugiau negu du chromosomų rinkiniai. rūšiai būdingas viengubas (x) chromosomų rinkinys yra padidėjęs kelis kartus

- Heteroploidija (aneuploidija) - kai pakinta pavienių chromosomų skaičius

Haploidai gaunami naudojant dulkinių kultūrą:

Ląstelės (haploidinės) iš dulkinių pirmiausia auginamos ant (kietosios) maitinamosios terpės.

Vėliau perkeliama į skystą auginamąją terpę, kuri papildyta spec. amino rūgštimis, kurių pagalba susiformuoja augalas.

Toks augalas gali būti auginamas ne steriliom sąlygom, tačiau yra nestabilus.

Dvigubų haploidų kūrimas:

Iš jautraus, haploidinio augalo paimamos somatinės ląstelės auginamos ant maitinamosios terpės.

Veikiant mutagenais, išsivysto atsparus haploidinis augalas.

Veikiant kolchicinu haploidinis rinkinys yra padvigubinamas.

Išsivysto atsparus dvigubas haploidas (DH).

vienos rūšies genomo kelis kartus pakartotos visos chromosomos, tokie poliploidai dar vadinami

Jeigu skirtingų rūšių genomai:

autopoliploidais

alopoliploidais

Natūraliai poliploidų gali atsirasti dviem būdais:

1) kai sutrinka mitozė: neišsiskiria seserinės chromatidės, chromosomų rinkinys ląstelės branduolyje padvigubėja, nes kiekviena chromatidė duoda pradžią naujai chromosomai. (somatinių ląstelių poliploidija)

2) kai mejozės I dalijimosi metu neišsiskiria homologinių chromosomų poros arba II dalijimosi metu neišsiskiria dukterinės chromatidės, formuojasi neredukuotos diploidinės gametos.

Kai haploidinė gameta susilieja su diploidine gameta, vystosi triploidas (3n).

Esant nelyginiam chromosomų rinkinių skaičiui mejozės I dalijimosi metu dažniausiai susidaro nesubalansuoti chromosomų rinkiniai, kuriuose vienų chromosomų yra per daug, kitų trūksta. Tik tos lytinės ląstelės, kurios turi subalansuotus chromosomų rinkinius (n, 2n), yra gyvybingos.

Poliploidija vs. Politenija:

Poliploidija - didėja chromosomų skaičius

Politenija– didėja chromosoma (!), kuri susidaro daug kartų kopijuojantis DNR, tačiau dukterinės DNR kopijos neišsiskiria Rastos vabzdžių seilių liaukose. Aptinkamos ir augalų rūšyse.

Heteroploidija/Aneuploidija

pakinta ne visų, bet pavienių chromosomų skaičius.

Mechanizmai, kurie lemia chromosomų skaičiaus pokyčius:

1) Chromosomų arba chromatidžių neišsiskyrimas mejozės metu

2) Anomalijos mitozės metu

Trisomija

jeigu n + 1 rinkinį turinti gameta susilies su normalia haploidine gameta (n), tai zigota turės tris homologines chromosomas ir iš jos išsivystęs organizmas bus trisomikas 2n + 1

Monosomija

normaliai haploidinei gametai susiliejus su n – 1 bus monosomikas 2n – 1

Aneuploidai atsiranda neišsiskyrus homologinėms chromosomoms mejozės I dalijimosi metu:

Visos keturios gametos yra nenormaliai išsivystę

50% trisominių

50% monosominių

Aneuploidai atsiranda chromosomų seserinėms chromatidėms neišsiskyrus mejozės II dalijimosi metu:

50% gametų yra normalios

50% nenormaliai išsivystę, monosominės arba trisominės

Aneuploidai atsiranda esant anomalijoms mitozės metu:

a) Seserinės chromatidės neteisingai atsiskiria, todėl būsimos ląstelės bus trisominės (kairėje) ir monosominės (dešinėje)

b) Seserinė chromatidė nepritraukiama prie polio, todėl ląstelės bus arba normalios (kairėje) arba monosominės (dešinėje)

To paties geno skirtingi epigenetiškai reguliuojami variantai vadinami

epialeliais.

Epigenetiniai reiškiniai pasireiškia:

aplinkos stresorių poveikyje; genomo streso atveju (dėl poliploidizacijos); virusų, judriųjų elementų mutagenų sukeltų DNR pakitimų neutralizacijoje, transgenų (GMO) nutildyme; tolimoje hibridizacijoje, in vitro dauginime (somakloninio kintamumo).

Pagrindinai epigenetinių pokyčių mechanizmai:

1. DNR metilinimas

2. Histonų modifikacija

DNR metilinimas:

• Aktyvuojama metiltransferazė, kuri perneša metilo grupę ir inaktyvuoja citoziną (5 metilcitozinas) tolimesnei transkripcijai.

• Metilinimas vyksta 5’C citozino aromatiniame žiede.

DNR demetilinimas:

DNR gliukolazės pašalina 5-metilcitoziną ir iškritusios bazės atstatymo mechanizmu pakeičia jį su nemetilintu citozinu.

Histonų modifikacija:

Histonai – baltymai, priskiriami globulinams, kurių NH2 galai vadinami N' – galinės uodegos, nuolat chemiškai modifikuojamos.

Pagrindinės histonų modifikacijos: acetilinimas, metilinimas ir fosforilinimas.

Geriausiai ištirtas histonų N’-galo acetilinimas ir metilinimas, kai prie lizino amino rūgščių (K) prisijungia acetilo arba metilo grupės.

Acetilinimo metu sumažinamas histonų teigiamas krūvis, jie praranda giminingumą su DNR ir tokiu būdu skatinama transkripcija.

Hipoacetilinimas slopina genų raišką, nes chromatinas iš euchromatino virsta heterochromatinu.

Metilinimo metu prie lizino gali būti prijungta viena arba kelios metilo grupės.

Fosforilinimas vyksta prijungiant fosforo grupes prie serino arba treonino (S ir T) amino rūgščių.

Epigenetinis reguliavimas augaluose

• Transpozonų nutildymas

• Žydėjimo laiko valdymas

• Genomo imprintingas

• Paramutacijos (genų nutildymas)

• Epigenomo atstatymas

Transpozonų nutildymas

• Išskirtinai kukurūzas turi daug aktyvių transpozonų

• Epigenetikos mechanizmai slopina svetimos DNR veikimą (transpozonų, virusų)

• Mutantai sugeba nutildytus transpozonus aktyvuoti

Mažų RNR homologinių lokusų tankis yra didžiausias

centromerinėse ir pericentromerinėse srityse, kuriose yra didelis kartotinių sekų klasių, tokių kaip transpozonai, tankis.

jos dalyvauja transpozonų nutildyme

Vernalizacija

žemų temperatūrų laikotarpis, būtinas žydėjimo indukcijai

Genomo imprintingas

• Zigota kiekvienam genui turi dvi kopijas: vieną iš tėvo ir kitą iš motinos

•Daugumoje lokusų abi kopijos yra aktyvios

• Kai kuriuose lokusuose, vadinamuose imprintingo lokusais, matosi iš kurio tėvo perduotas požymis.

• Tokių lokusų raiška kontroliuojama epigenetiškai