Alterações na organização estrutural dos cromossomas. Mutações cromossômicas

Apesar do mecanismo evolutivo comprovado que permite manter a organização físico-química e morfológica constante dos cromossomos em várias gerações celulares, essa organização pode mudar sob a influência de várias influências. Mudanças na estrutura do cromossomo, como regra, são baseadas na violação inicial de sua integridade - quebras, que são acompanhadas por vários rearranjos chamados mutações cromossômicas ou aberrações.

As quebras cromossômicas ocorrem regularmente durante o crossing over, quando são acompanhadas pela troca de regiões correspondentes entre homólogos (ver Seção 3.6.2.3). A violação do cruzamento, em que os cromossomos trocam material genético desigual, leva ao surgimento de novos grupos de ligação, onde seções individuais caem - divisão - ou duplicando - duplicações(Fig. 3.57). Com esses rearranjos, o número de genes no grupo de ligação muda.

As quebras cromossômicas também podem ocorrer sob a influência de vários fatores mutagênicos, principalmente físicos (ionizantes e outros tipos de radiação), alguns compostos químicos e vírus.

Arroz. 3,57. Tipos de rearranjos cromossômicos

A violação da integridade do cromossomo pode ser acompanhada por uma rotação de sua seção, localizada entre duas quebras, em 180 ° - inversão. Dependendo se esta área inclui a região do centrômero ou não, existem pericêntrico e inversões paracêntricas(Fig. 3.57).

Um fragmento de um cromossomo separado dele durante uma quebra pode ser perdido por uma célula durante a próxima mitose se não tiver um centrômero. Mais frequentemente, esse fragmento é anexado a um dos cromossomos - translocação. Muitas vezes, dois cromossomos não homólogos danificados trocam mutuamente seções destacadas - translocação recíproca(Fig. 3.57). É possível anexar um fragmento ao seu próprio cromossomo, mas em um novo local - transposição(Fig. 3.57). Assim, vários tipos de inversões e translocações são caracterizados por uma mudança na localização dos genes.

Os rearranjos cromossômicos, como regra, se manifestam em uma mudança na morfologia dos cromossomos, que pode ser observada ao microscópio de luz. Cromossomos metacêntricos se transformam em submetacêntricos e acrocêntricos e vice-versa (Fig. 3.58), aparecem cromossomos em anel e policêntricos (Fig. 3.59). Uma categoria especial de mutações cromossômicas são aberrações associadas à fusão cêntrica ou separação de cromossomos, quando duas estruturas não homólogas são combinadas em uma - translocação robertsoniana, ou um cromossomo forma dois cromossomos independentes (Fig. 3.60). Com essas mutações, não apenas aparecem cromossomos com uma nova morfologia, mas seu número no cariótipo também muda.

Arroz. 3,58. Mudando a forma dos cromossomos

como resultado de inversões pericêntricas

Arroz. 3,59. Formação do anel ( EU) e policêntrico ( II) cromossomos

Arroz. 3,60. Rearranjos cromossômicos associados à fusão cêntrica

ou separação de cromossomos causa mudanças no número de cromossomos

no cariótipo

Arroz. 3,61. Uma alça formada durante a conjugação de cromossomos homólogos que carregam material hereditário desigual nas regiões correspondentes como resultado do rearranjo cromossômico

As mudanças estruturais descritas nos cromossomos, como regra, são acompanhadas por uma mudança no programa genético recebido pelas células de uma nova geração após a divisão da célula mãe, uma vez que a proporção quantitativa dos genes muda (durante as divisões e duplicações), a natureza de seu funcionamento muda devido a uma mudança na posição relativa no cromossomo (durante a inversão e transposição) ou com uma transição para outro grupo de ligação (durante a translocação). Na maioria das vezes, essas mudanças estruturais nos cromossomos afetam negativamente a viabilidade de células somáticas individuais do corpo, mas os rearranjos cromossômicos que ocorrem nos precursores dos gametas têm consequências especialmente graves.

Alterações na estrutura dos cromossomos nos precursores dos gametas são acompanhadas por uma violação do processo de conjugação de homólogos na meiose e sua subsequente divergência. Assim, a divisão ou duplicação de uma seção de um dos cromossomos é acompanhada pela formação de uma alça por um homólogo com excesso de material durante a conjugação (Fig. 3.61). A translocação recíproca entre dois cromossomos não homólogos leva à formação durante a conjugação não de um bivalente, mas de um quadrivalente, em que os cromossomos formam uma figura cruzada devido à atração de regiões homólogas localizadas em cromossomos diferentes (Fig. 3.62). A participação em translocações recíprocas de um número maior de cromossomos com a formação de um polivalente é acompanhada pela formação de estruturas ainda mais complexas durante a conjugação (Fig. 3.63).

No caso de inversão, o bivalente que ocorre na prófase I da meiose forma uma alça que inclui uma seção mutuamente invertida (Fig. 3.64).

A conjugação e posterior divergência de estruturas formadas por cromossomos alterados leva ao aparecimento de novos rearranjos cromossômicos. Como resultado, os gametas, recebendo material hereditário defeituoso, não são capazes de garantir a formação de um organismo normal de uma nova geração. A razão para isso é uma violação da proporção de genes que compõem os cromossomos individuais e sua posição relativa.

No entanto, apesar das consequências geralmente desfavoráveis ​​das mutações cromossômicas, às vezes elas se revelam compatíveis com a vida da célula e do organismo e proporcionam a possibilidade de evolução da estrutura cromossômica subjacente à evolução biológica. Assim, divisões pequenas em tamanho podem ser preservadas em um estado heterozigoto por várias gerações. As duplicações são menos prejudiciais que a divisão, embora uma grande quantidade de material em dose aumentada (mais de 10% do genoma) leve à morte do organismo.

Arroz. 3,64. Conjugação cromossômica durante inversões:

EU- inversão paracêntrica em um dos homólogos, II- inversão peridêntrica em um dos homólogos

Muitas vezes, as translocações robertsonianas se mostram viáveis, muitas vezes não associadas a uma mudança na quantidade de material hereditário. Isso pode explicar a variação no número de cromossomos nas células de organismos de espécies intimamente relacionadas. Por exemplo, em diferentes espécies de Drosophila, o número de cromossomos no conjunto haploide varia de 3 a 6, o que é explicado pelos processos de fusão e separação de cromossomos. Talvez o momento essencial no aparecimento da espécie Homo sapiens houve mudanças estruturais nos cromossomos em seu ancestral símio. Foi estabelecido que dois braços do grande segundo cromossomo humano correspondem a dois cromossomos diferentes dos grandes macacos modernos (chimpanzés 12 e 13, gorilas e orangotangos 13 e 14). Provavelmente, esse cromossomo humano foi formado como resultado de uma fusão cêntrica, semelhante à translocação robertsoniana, de dois cromossomos símios.

Translocações, transposições e inversões levam a uma variação significativa na morfologia dos cromossomos, subjacente à sua evolução. A análise de cromossomos humanos mostrou que seus cromossomos 4º, 5º, 12º e 17º diferem dos cromossomos correspondentes do chimpanzé por inversões pericêntricas.

Assim, as alterações na organização cromossômica, que na maioria das vezes têm um efeito adverso na viabilidade da célula e do organismo, com certa probabilidade podem ser promissoras, ser herdadas em várias gerações de células e organismos e criar pré-requisitos para a evolução de a organização cromossômica do material hereditário.

A variabilidade mutacional ocorre no caso do aparecimento de mutações - alterações persistentes no genótipo (ou seja, moléculas de DNA), que podem afetar cromossomos inteiros, suas partes ou genes individuais.

As mutações podem ser benéficas, prejudiciais ou neutras. De acordo com a classificação moderna, as mutações são geralmente divididas nos seguintes grupos.

1. Mutações genômicas associada a uma alteração no número de cromossomas. De particular interesse é a POLIPLÓIDE - um aumento múltiplo no número de cromossomos, ou seja, em vez de um conjunto de cromossomos 2n, aparece um conjunto de 3n,4n,5n ou mais. A ocorrência de poliploidia está associada a uma violação do mecanismo de divisão celular. Em particular, a não disjunção de cromossomos homólogos durante a primeira divisão da meiose leva ao aparecimento de gametas com um conjunto 2n de cromossomos.

A poliploidia é generalizada em plantas e muito menos frequentemente em animais (lombrigas, bichos-da-seda, alguns anfíbios). Os organismos poliplóides, como regra, são caracterizados por tamanhos maiores, aumento da síntese de substâncias orgânicas, o que os torna especialmente valiosos para o trabalho de reprodução.

Uma mudança no número de cromossomos associada à adição ou perda de cromossomos individuais é chamada de aneuploidia. Uma mutação de aneuploidia pode ser escrita como 2n-1, 2n+1, 2n-2, etc. Aneuploidia é característica de todos os animais e plantas. Em humanos, várias doenças estão associadas à aneuploidia. Por exemplo, a doença de Down está associada à presença de um cromossomo extra no 21º par.

2. Mutações cromossômicas - este é um rearranjo de cromossomos, uma mudança em sua estrutura. Seções separadas de cromossomos podem ser perdidas, duplicadas, mudar sua posição.

Esquematicamente, isso pode ser mostrado da seguinte forma:

Ordem do gene normal ABCDE

Duplicação ABBCDE de um segmento de um cromossomo

Perda ABDE de uma seção

ABEDC giro de 180 graus

Troca da região ABCFG com cromossomo não homólogo

Como as mutações genômicas, as mutações cromossômicas desempenham um papel enorme nos processos evolutivos.

3. Mutações genéticas associada a uma mudança na composição ou sequência de nucleotídeos de DNA dentro de um gene. As mutações genéticas são as mais importantes de todas as categorias de mutação.

A síntese de proteínas é baseada na correspondência entre o arranjo de nucleotídeos em um gene e a ordem dos aminoácidos em uma molécula de proteína. A ocorrência de mutações genéticas (alterações na composição e sequência de nucleotídeos) altera a composição das proteínas enzimáticas correspondentes e, como resultado, leva a alterações fenotípicas. As mutações podem afetar todas as características da morfologia, fisiologia e bioquímica dos organismos. Muitas doenças hereditárias humanas também são causadas por mutações genéticas.

Mutações em condições naturais são raras - uma mutação de um gene específico por 1000-100000 células. Mas o processo de mutação continua constantemente, há um acúmulo constante de mutações nos genótipos. E se levarmos em conta que o número de genes no corpo é grande, podemos dizer que nos genótipos de todos os organismos vivos há um número significativo de mutações genéticas.

As mutações são o maior fator biológico que determina a enorme variabilidade hereditária dos organismos, que fornece material para a evolução.

As causas das mutações podem ser distúrbios naturais no metabolismo celular (mutações espontâneas) e a ação de vários fatores ambientais (mutações induzidas). Os fatores que causam mutações são chamados de mutagênicos. Os mutagênicos podem ser fatores físicos - radiação, temperatura... Mutógenos biológicos incluem vírus capazes de transferir genes entre organismos não apenas de grupos sistemáticos próximos, mas distantes.

A atividade econômica humana trouxe uma enorme quantidade de mutagênicos para a biosfera.

A maioria das mutações são desfavoráveis ​​para a vida de um indivíduo, mas às vezes ocorrem mutações que podem ser de interesse para os cientistas de reprodução. Atualmente, foram desenvolvidos métodos de mutagênese sítio-dirigida.

1. De acordo com a natureza da mudança no fenótipo, as mutações podem ser bioquímicas, fisiológicas, anatômicas e morfológicas.

2. De acordo com o grau de adaptabilidade, as mutações são divididas em benéficas e prejudiciais. Nocivo - pode ser letal e causar a morte do organismo mesmo em desenvolvimento embrionário.

Mais frequentemente, as mutações são prejudiciais, uma vez que as características são normalmente o resultado da seleção e adaptam o organismo ao seu ambiente. A mutação sempre altera a adaptação. O grau de sua utilidade ou inutilidade é determinado pelo tempo. Se uma mutação permite que o organismo se adapte melhor, dá uma nova chance de sobreviver, então ela é "captada" por seleção e fixada na população.

3. As mutações são diretas e reversas. Estes últimos são muito menos comuns. Normalmente, uma mutação direta está associada a um defeito na função do gene. A probabilidade de uma mutação secundária na direção oposta no mesmo ponto é muito pequena, outros genes sofrem mutações com mais frequência.

As mutações são mais frequentemente recessivas, uma vez que as dominantes aparecem imediatamente e são facilmente "rejeitadas" pela seleção.

4. De acordo com a natureza da mudança no genótipo, as mutações são divididas em gênicas, cromossômicas e genômicas.

Mutações genéticas ou pontuais - uma mudança em um nucleotídeo em um gene em uma molécula de DNA, levando à formação de um gene anormal e, consequentemente, a uma estrutura anormal de proteína e ao desenvolvimento de uma característica anormal. Uma mutação genética é o resultado de um "erro" na replicação do DNA.

O resultado de uma mutação genética em humanos são doenças como anemia falciforme, fenilcetonúria, daltonismo, hemofilia. Como resultado de uma mutação genética, surgem novos alelos de genes, o que é importante para o processo evolutivo.

Mutações cromossômicas - mudanças na estrutura dos cromossomos, rearranjos cromossômicos. Os principais tipos de mutações cromossômicas podem ser distinguidos:

a) deleção - perda de um segmento cromossômico;

b) translocação - a transferência de parte dos cromossomos para outro cromossomo não homólogo, como resultado - uma mudança no grupo de ligação de genes;

c) inversão - rotação de um segmento cromossômico em 180°;

d) duplicação - duplicação de genes em determinada região do cromossomo.

Mutações cromossômicas levam a uma mudança no funcionamento dos genes e são importantes na evolução de uma espécie.

Mutações genômicas - alterações no número de cromossomos em uma célula, o aparecimento de um extra ou perda de um cromossomo como resultado de uma violação na meiose. Um aumento múltiplo no número de cromossomos é chamado de poliploidia (3n, 4/r, etc.). Este tipo de mutação é comum em plantas. Muitas plantas cultivadas são poliplóides em relação aos seus ancestrais selvagens. Um aumento nos cromossomos em um ou dois em animais leva a anomalias no desenvolvimento ou morte do organismo. Exemplo: Síndrome de Down em humanos - trissomia para o 21º par, no total existem 47 cromossomos em uma célula. Mutações podem ser obtidas artificialmente com a ajuda de radiação, raios X, ultravioleta, agentes químicos e exposição térmica.

A lei das séries homológicas N.I. Vavilov. O biólogo russo N.I. Vavilov estabeleceu a natureza da ocorrência de mutações em espécies intimamente relacionadas: "Gêneros e espécies geneticamente próximas são caracterizados por séries semelhantes de variabilidade hereditária com tal regularidade que, conhecendo o número de formas dentro de uma espécie, pode-se prever a presença de formas paralelas em outras espécies e gêneros."

A descoberta da lei facilitou a busca por desvios hereditários. Conhecendo a variabilidade e as mutações em uma espécie, pode-se prever a possibilidade de seu aparecimento em espécies relacionadas, o que é importante na reprodução.



As mudanças na estrutura dos cromossomos incluem deleções, translocações, inversões, duplicações, inserções.

Exclusões estas são mudanças na estrutura dos cromossomos na forma da ausência de seu sítio. Nesse caso, é possível o desenvolvimento de uma deleção simples ou uma deleção com duplicação de uma seção de outro cromossomo.

Neste último caso, o motivo da mudança na estrutura do cromossomo, como regra, é o cruzamento na meiose no transportador de translocação, o que leva ao aparecimento de uma translocação cromossômica recíproca desequilibrada. As deleções podem ser localizadas na extremidade ou no interior do cromossomo e geralmente estão associadas a retardo mental e malformações. Pequenas deleções na região dos telômeros são relativamente frequentemente encontradas em retardo mental não específico em combinação com microanomalias de desenvolvimento. As deleções podem ser detectadas pela aquisição cromossômica de rotina, mas as microdeleções só podem ser identificadas pelo exame microscópico na prófase. Em casos de deleções submicroscópicas, o local ausente só pode ser detectado usando sondas moleculares ou análise de DNA.

microdeleções são definidos como pequenas deleções cromossômicas, distinguíveis apenas em preparações de alta qualidade em metáfase. Essas deleções são mais comuns em múltiplos genes, e o diagnóstico do paciente é sugerido com base em manifestações fenotípicas incomuns que parecem estar associadas a uma única mutação. As síndromes de Williams, Langer-Gidion, Prader-Willi, Rubinstein-Taybi, Smith-Magenis, Miller-Dicker, Alagille, DiGeorge são causadas por microdeleções. As deleções submicroscópicas são invisíveis no exame microscópico e só são detectadas usando métodos específicos de teste de DNA. As deleções são reconhecidas pela ausência de coloração ou fluorescência.

Translocações representam uma mudança na estrutura dos cromossomos na forma de uma transferência de material cromossômico de um para outro. Existem translocações robertsonianas e recíprocas. Frequência 1:500 recém-nascidos. As translocações podem ser herdadas dos pais ou ocorrer de novo na ausência de patologia em outros membros da família.

As translocações robertsonianas envolvem dois cromossomos acrocêntricos que coalescem próximos à região do centrômero com subsequente perda de braços curtos não funcionais e altamente truncados. Após a translocação, o cromossomo é composto por braços longos, que são formados por dois cromossomos emendados. Assim, o cariótipo tem apenas 45 cromossomos. As consequências negativas da perda de armas curtas são desconhecidas. Embora os portadores da translocação Robertsoniana geralmente tenham um fenótipo normal, eles correm maior risco de aborto espontâneo e prole anormal.

As translocações recíprocas resultam da quebra de cromossomos não homólogos em combinação com a troca recíproca de segmentos perdidos. Portadores de uma translocação recíproca geralmente têm um fenótipo normal, mas também têm um risco aumentado de ter filhos com anormalidades cromossômicas e abortos devido à segregação anormal de cromossomos nas células germinativas.

Inversões- alterações na estrutura dos cromossomos que ocorrem quando se quebra em dois pontos. A seção quebrada é virada e unida ao local da ruptura. As inversões ocorrem em 1:100 recém-nascidos e podem ser peri ou paracêntricas. Com inversões pericêntricas, ocorrem quebras em dois braços opostos e a parte do cromossomo que contém o centrômero gira. Tais inversões são geralmente detectadas em conexão com uma mudança na posição do centrômero. Em contraste, com inversões paracêntricas, apenas a área localizada em um ombro está envolvida. Portadores de inversões geralmente têm um fenótipo normal, mas podem ter um risco aumentado de aborto espontâneo e nascimento de filhos com anormalidades cromossômicas.

Cromossomos em anel são raras, mas sua formação é possível a partir de qualquer cromossomo humano. A formação do anel é precedida por deleções em cada extremidade. As extremidades são então “coladas” para formar um anel. As manifestações fenotípicas com cromossomos em anel variam de retardo mental e múltiplas anomalias de desenvolvimento a alterações normais ou minimamente pronunciadas, dependendo da quantidade de material cromossômico "perdido". Se o anel substitui o cromossomo normal, isso leva ao desenvolvimento de monossomia parcial. As manifestações fenotípicas nesses casos são muitas vezes semelhantes às observadas com deleções. Se um anel é adicionado aos cromossomos normais, ocorrem as manifestações fenotípicas da trissomia parcial.

Duplicação chamado de quantidade excessiva de material genético pertencente a um cromossomo. Duplicações podem resultar de segregação anormal em portadores de translocações ou inversões.

Inserções(inserções) são mudanças na estrutura dos cromossomos que ocorrem quando há uma quebra em dois pontos, enquanto a seção quebrada é construída na zona de quebra na outra parte do cromossomo. Três pontos de descontinuidade são necessários para formar uma inserção. Um ou dois cromossomos podem estar envolvidos neste processo.

Deleções teloméricas e subteloméricas. Como os cromossomos estão intimamente entrelaçados durante a meiose, pequenas deleções e duplicações próximas às extremidades são relativamente comuns. Rearranjos cromossômicos subteloméricos são mais frequentemente (5-10%) encontrados em crianças com retardo mental moderado ou grave de etiologia incerta sem sinais dismórficos pronunciados.

Deleções subteloméricas submicroscópicas (menos de 2-3 Mb) são a segunda causa mais comum de retardo mental após a trissomia 21. As manifestações clínicas dessa alteração na estrutura cromossômica em algumas dessas crianças incluem retardo de crescimento pré-natal (cerca de 40% dos casos) e história de retardo mental (50% dos casos). Outros sintomas ocorrem em cerca de 30% dos pacientes e incluem microcefalia, hipertelorismo, defeitos de nariz, orelha ou mão, criptorquidia e baixa estatura. Após descartar outras causas de atraso no desenvolvimento, recomenda-se o método FISH usando múltiplas sondas teloméricas em metáfase.

O artigo foi preparado e editado por: cirurgião

Apesar do mecanismo evolutivo comprovado que permite manter a organização físico-química e morfológica constante dos cromossomos em várias gerações celulares, essa organização pode mudar sob a influência de várias influências. Mudanças na estrutura do cromossomo, como regra, são baseadas na violação inicial de sua integridade - quebras, que são acompanhadas por vários rearranjos chamados mutações cromossômicas ou aberrações.

As quebras cromossômicas ocorrem regularmente durante o crossing over, quando são acompanhadas pela troca de regiões correspondentes entre homólogos (ver Seção 3.6.2.3). A violação do cruzamento, em que os cromossomos trocam material genético desigual, leva ao surgimento de novos grupos de ligação, onde seções individuais caem - divisão - ou duplicando - duplicações(Fig. 3.57). Com esses rearranjos, o número de genes no grupo de ligação muda.

As quebras cromossômicas também podem ocorrer sob a influência de vários fatores mutagênicos, principalmente físicos (ionizantes e outros tipos de radiação), alguns compostos químicos e vírus.

Arroz. 3,57. Tipos de rearranjos cromossômicos

A violação da integridade do cromossomo pode ser acompanhada por uma rotação de sua seção, localizada entre duas quebras, em 180 ° - inversão. Dependendo se esta área inclui a região do centrômero ou não, existem pericêntrico e inversões paracêntricas(Fig. 3.57).

Um fragmento de um cromossomo separado dele durante uma quebra pode ser perdido por uma célula durante a próxima mitose se não tiver um centrômero. Mais frequentemente, esse fragmento é anexado a um dos cromossomos - translocação. Muitas vezes, dois cromossomos não homólogos danificados trocam mutuamente seções destacadas - translocação recíproca(Fig. 3.57). É possível anexar um fragmento ao seu próprio cromossomo, mas em um novo local - transposição(Fig. 3.57). Assim, vários tipos de inversões e translocações são caracterizados por uma mudança na localização dos genes.

Os rearranjos cromossômicos, como regra, se manifestam em uma mudança na morfologia dos cromossomos, que pode ser observada ao microscópio de luz. Cromossomos metacêntricos se transformam em submetacêntricos e acrocêntricos e vice-versa (Fig. 3.58), aparecem cromossomos em anel e policêntricos (Fig. 3.59). Uma categoria especial de mutações cromossômicas são aberrações associadas à fusão cêntrica ou separação de cromossomos, quando duas estruturas não homólogas são combinadas em uma - translocação robertsoniana, ou um cromossomo forma dois cromossomos independentes (Fig. 3.60). Com essas mutações, não apenas aparecem cromossomos com uma nova morfologia, mas seu número no cariótipo também muda.

Arroz. 3,58. Mudando a forma dos cromossomos

como resultado de inversões pericêntricas

Arroz. 3,59. Formação do anel ( EU) e policêntrico ( II) cromossomos

Arroz. 3,60. Rearranjos cromossômicos associados à fusão cêntrica

ou separação de cromossomos causa mudanças no número de cromossomos

no cariótipo

Arroz. 3,61. Uma alça formada durante a conjugação de cromossomos homólogos que carregam material hereditário desigual nas regiões correspondentes como resultado do rearranjo cromossômico

As mudanças estruturais descritas nos cromossomos, como regra, são acompanhadas por uma mudança no programa genético recebido pelas células de uma nova geração após a divisão da célula mãe, uma vez que a proporção quantitativa dos genes muda (durante as divisões e duplicações), a natureza de seu funcionamento muda devido a uma mudança na posição relativa no cromossomo (durante a inversão e transposição) ou com uma transição para outro grupo de ligação (durante a translocação). Na maioria das vezes, essas mudanças estruturais nos cromossomos afetam negativamente a viabilidade de células somáticas individuais do corpo, mas os rearranjos cromossômicos que ocorrem nos precursores dos gametas têm consequências especialmente graves.

Alterações na estrutura dos cromossomos nos precursores dos gametas são acompanhadas por uma violação do processo de conjugação de homólogos na meiose e sua subsequente divergência. Assim, a divisão ou duplicação de uma seção de um dos cromossomos é acompanhada pela formação de uma alça por um homólogo com excesso de material durante a conjugação (Fig. 3.61). A translocação recíproca entre dois cromossomos não homólogos leva à formação durante a conjugação não de um bivalente, mas de um quadrivalente, em que os cromossomos formam uma figura cruzada devido à atração de regiões homólogas localizadas em cromossomos diferentes (Fig. 3.62). A participação em translocações recíprocas de um número maior de cromossomos com a formação de um polivalente é acompanhada pela formação de estruturas ainda mais complexas durante a conjugação (Fig. 3.63).

No caso de inversão, o bivalente que ocorre na prófase I da meiose forma uma alça que inclui uma seção mutuamente invertida (Fig. 3.64).

A conjugação e posterior divergência de estruturas formadas por cromossomos alterados leva ao aparecimento de novos rearranjos cromossômicos. Como resultado, os gametas, recebendo material hereditário defeituoso, não são capazes de garantir a formação de um organismo normal de uma nova geração. A razão para isso é uma violação da proporção de genes que compõem os cromossomos individuais e sua posição relativa.

No entanto, apesar das consequências geralmente desfavoráveis ​​das mutações cromossômicas, às vezes elas se revelam compatíveis com a vida da célula e do organismo e proporcionam a possibilidade de evolução da estrutura cromossômica subjacente à evolução biológica. Assim, divisões pequenas em tamanho podem ser preservadas em um estado heterozigoto por várias gerações. As duplicações são menos prejudiciais que a divisão, embora uma grande quantidade de material em dose aumentada (mais de 10% do genoma) leve à morte do organismo.

Arroz. 3,64. Conjugação cromossômica durante inversões:

EU- inversão paracêntrica em um dos homólogos, II- inversão peridêntrica em um dos homólogos

Muitas vezes, as translocações robertsonianas se mostram viáveis, muitas vezes não associadas a uma mudança na quantidade de material hereditário. Isso pode explicar a variação no número de cromossomos nas células de organismos de espécies intimamente relacionadas. Por exemplo, em diferentes espécies de Drosophila, o número de cromossomos no conjunto haploide varia de 3 a 6, o que é explicado pelos processos de fusão e separação de cromossomos. Talvez o momento essencial no aparecimento da espécie Homo sapiens houve mudanças estruturais nos cromossomos em seu ancestral símio. Foi estabelecido que dois braços do grande segundo cromossomo humano correspondem a dois cromossomos diferentes dos grandes macacos modernos (chimpanzés 12 e 13, gorilas e orangotangos 13 e 14). Provavelmente, esse cromossomo humano foi formado como resultado de uma fusão cêntrica, semelhante à translocação robertsoniana, de dois cromossomos símios.

Translocações, transposições e inversões levam a uma variação significativa na morfologia dos cromossomos, subjacente à sua evolução. A análise de cromossomos humanos mostrou que seus cromossomos 4º, 5º, 12º e 17º diferem dos cromossomos correspondentes do chimpanzé por inversões pericêntricas.

Assim, as alterações na organização cromossômica, que na maioria das vezes têm um efeito adverso na viabilidade da célula e do organismo, com certa probabilidade podem ser promissoras, ser herdadas em várias gerações de células e organismos e criar pré-requisitos para a evolução de a organização cromossômica do material hereditário.

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Uma mudança no número de cromossomos em uma célula significa uma mudança no genoma. (Portanto, tais mudanças são freqüentemente chamadas de mutações genômicas.) Vários fenômenos citogenéticos associados a mudanças no número de cromossomos são conhecidos.

Autopoliploidia

Autopoliploidia é a repetição repetida do mesmo genoma, ou número básico de cromossomos. X).

Este tipo de poliploidia é característico de eucariotos inferiores e angiospermas. Em animais multicelulares, a autopoliploidia é extremamente rara: em minhocas, alguns insetos, alguns peixes e anfíbios. Autopoliplóides em humanos e outros vertebrados superiores morrem nos estágios iniciais do desenvolvimento intrauterino.

Na maioria dos organismos eucarióticos, o número principal de cromossomos ( x) corresponde ao conjunto haplóide de cromossomos ( n); enquanto o número haplóide de cromossomos é o número de cromossomos nas células formadas na corda da meiose. Em seguida, em diplóide (2 n) contém dois genomas x, e 2 n=2x. No entanto, em muitos eucariotos inferiores, muitos esporos e angiospermas, as células diplóides contêm não 2 genomas, mas algum outro número. O número de genomas em células diplóides é chamado de número genômico (Ω). A sequência de números genômicos é chamada poliplóide próximo.

Por exemplo, em cereais x = 7 as seguintes séries poliplóides são conhecidas (o sinal + indica a presença de um poliplóide de um certo nível)

Distinguir entre autopoliplóides balanceados e desbalanceados. Poliplóides balanceados são chamados de poliplóides com um número par de conjuntos de cromossomos e desbalanceados - poliplóides com um número ímpar de conjuntos de cromossomos, por exemplo:

poliplóides desequilibrados			poliplóides balanceados
haplóides	1 x		diplóides	2 x
triplóides	3 x		tetraplóides	4 x
pentaplóides	5 x		hexaplóides	6 x
hectaplóides	7 x		octoplóides	8 x
eneaplóides	9 x		decaplóides	10 x

A autopoliploidia é frequentemente acompanhada por um aumento no tamanho das células, grãos de pólen e tamanho geral dos organismos, um aumento do teor de açúcares e vitaminas. Por exemplo, o álamo triploide ( 3X = 57) atinge dimensões gigantescas, é durável, sua madeira é resistente à deterioração. Entre as plantas cultivadas, tanto os triplóides (várias variedades de morangos, macieiras, melancias, bananas, chá, beterraba sacarina) quanto os tetraplóides (várias variedades de centeio, trevo e uvas) são comuns. Em condições naturais, as plantas autopoliplóides são geralmente encontradas em condições extremas (em altas latitudes, em altas montanhas); além disso, aqui eles podem deslocar formas diplóides normais.

Os efeitos positivos da poliploidia estão associados a um aumento no número de cópias do mesmo gene nas células e, consequentemente, a um aumento na dose (concentração) de enzimas. No entanto, em alguns casos, a poliploidia leva à inibição de processos fisiológicos, especialmente em níveis muito altos de ploidia. Por exemplo, o trigo de 84 cromossomos é menos produtivo do que o trigo de 42 cromossomos.

No entanto, os autopoliplóides (especialmente os desequilibrados) são caracterizados por fertilidade reduzida ou infertilidade completa, que está associada a meiose prejudicada. Portanto, muitos deles são apenas capazes de reprodução vegetativa.

Alopoliploidia

Alopoliploidia é a repetição repetida de dois ou mais conjuntos de cromossomos haploides diferentes, que são denotados por símbolos diferentes. Os poliplóides obtidos como resultado de hibridização à distância, ou seja, do cruzamento de organismos pertencentes a espécies diferentes e contendo dois ou mais conjuntos de cromossomos diferentes, são chamados de alopoliplóides.

Os alopoliplóides estão amplamente distribuídos entre as plantas cultivadas. No entanto, se as células somáticas contiverem um genoma de espécies diferentes (por exemplo, um genoma MAS e um - NO ), então tal alopoliplóide é estéril. A infertilidade dos híbridos interespecíficos simples se deve ao fato de cada cromossomo ser representado por um homólogo, sendo impossível a formação de bivalentes na meiose. Assim, com a hibridização à distância, surge um filtro meiótico que impede a transmissão de inclinações hereditárias para gerações subsequentes sexualmente.

Portanto, em poliplóides férteis, cada genoma deve ser duplicado. Por exemplo, em diferentes espécies de trigo, o número haplóide de cromossomos ( n) é igual a 7. Trigo selvagem (einkorn) contém 14 cromossomos em células somáticas de apenas um genoma duplicado MAS e tem a fórmula genômica 2 n = 14 (14MAS ). Muitos trigos duros alotetraplóides contêm 28 cromossomos de genomas duplicados em células somáticas. MAS e NO ; sua fórmula genômica 2 n = 28 (14MAS + 14NO ). Trigos alohexaploides moles contêm 42 cromossomos de genomas duplicados em células somáticas MAS , NO , e D ; sua fórmula genômica 2 n = 42 (14 UMA+ 14B + 14D ).

Alopoliplóides férteis podem ser obtidos artificialmente. Por exemplo, um híbrido de rabanete-repolho, sintetizado por Georgy Dmitrievich Karpechenko, foi obtido cruzando rabanete e repolho. O genoma do rabanete é simbolizado R (2n = 18 R , n = 9 R ), e o genoma do repolho como símbolo B (2n = 18 B , n = 9 B ). Inicialmente, o híbrido resultante tinha a fórmula genômica 9 R + 9 B . Este organismo (amhiploide) era estéril, pois 18 cromossomos únicos (univalentes) e nem um único bivalente foram formados durante a meiose. No entanto, neste híbrido, alguns gametas acabaram não sendo reduzidos. Quando tais gametas foram fundidos, um anfidiplóide fértil foi obtido: ( 9 R + 9 B ) + (9 R + 9 B ) → 18 R + 18 B . Nesse organismo, cada cromossomo era representado por um par de homólogos, o que garantia a formação normal de bivalentes e a divergência normal de cromossomos na meiose: 18 R + 18 B → (9 R + 9 B ) e ( 9 R + 9 B ).

Atualmente, o trabalho está em andamento para criar anfidiplóides artificiais em plantas (por exemplo, híbridos de trigo-centeio (triticale), híbridos de trigo-sofá) e animais (por exemplo, bichos-da-seda híbridos).

O bicho-da-seda é objeto de intenso trabalho de seleção. Deve-se notar que nesta espécie (como na maioria das borboletas), as fêmeas têm um sexo heterogamético ( XY), enquanto os machos são homogaméticos ( XX). Para a rápida reprodução de novas raças de bicho-da-seda, a partenogênese induzida é usada - ovos não fertilizados são removidos das fêmeas antes mesmo da meiose e aquecidos a 46 ° C. Apenas as fêmeas se desenvolvem a partir de tais ovos diplóides. Além disso, a androgênese é conhecida no bicho-da-seda - se o ovo for aquecido a 46 ° C, o núcleo é morto por raios-X e depois inseminado, então dois núcleos masculinos podem penetrar no ovo. Esses núcleos se fundem para formar um zigoto diploide ( XX), a partir do qual o macho se desenvolve.

O bicho-da-seda é conhecido por ser autopoliploidia. Além disso, Boris Lvovich Astaurov cruzou o bicho-da-seda com a desvantagem selvagem do bicho-da-seda da tangerina e, como resultado, foram obtidos alopoliplóides férteis (mais precisamente, alotetraplóides).

No bicho-da-seda, o rendimento de seda dos casulos masculinos é 20-30% maior do que dos casulos femininos. V.A. Strunnikov, usando mutagênese induzida, criou uma raça na qual machos em X- os cromossomos carregam diferentes mutações letais (sistema de letais balanceados) - seu genótipo l1+/+l2. Quando tais machos são cruzados com fêmeas normais ( ++/ S) apenas os futuros machos eclodem de ovos (seu genótipo l1+/++ ou l2/++), e as fêmeas morrem no estágio embrionário de desenvolvimento, porque seu genótipo ou l1+/Y, ou + l2/S. Para cruzar machos com mutações letais, são usadas fêmeas especiais (seu genótipo + l2/++ Y). Então, quando tais fêmeas e machos com dois alelos letais são cruzados em sua prole, metade dos machos morre e metade carrega dois alelos letais.

Existem raças de bichos-da-seda em que S-cromossomo tem um alelo para a cor escura do ovo. Em seguida, ovos escuros ( XY, de onde as fêmeas devem eclodir), são descartados, restando apenas os leves ( XX), que mais tarde dão casulos masculinos.

Aneuploidia

Aneuploidia (heteropoliploidia) é uma alteração no número de cromossomos nas células que não é um múltiplo do número principal do cromossomo. Existem vários tipos de aneuploidia. No monossomia um dos cromossomos do conjunto diplóide é perdido ( 2 n - 1 ). No polissomia um ou mais cromossomos são adicionados ao cariótipo. Um caso especial de polissomia é trissomia (2 n + 1 ), quando em vez de dois homólogos há três deles. No nulisomia Ambos os homólogos de qualquer par de cromossomos estão ausentes ( 2 n - 2 ).

Em humanos, a aneuploidia leva ao desenvolvimento de doenças hereditárias graves. Alguns deles estão associados a uma mudança no número de cromossomos sexuais (ver Capítulo 17). No entanto, existem outras doenças:

Trissomia no cromossomo 21 (cariótipo 47, + 21 ); Síndrome de Down; a frequência entre os recém-nascidos é de 1:700. Desenvolvimento físico e mental retardado, grande distância entre as narinas, ponte nasal larga, desenvolvimento da dobra da pálpebra (epicante), boca entreaberta. Na metade dos casos, há violações na estrutura do coração e dos vasos sanguíneos. A imunidade é geralmente reduzida. A expectativa média de vida é de 9 a 15 anos.

Trissomia no cromossomo 13 (cariótipo 47, + 13 ); Síndrome de Patau. A frequência entre os recém-nascidos é de 1:5.000.

Trissomia no cromossomo 18 (cariótipo 47, + 18 ); Síndrome de Edwards. A frequência entre os recém-nascidos é de 1:10.000.

haploidia

A redução do número de cromossomos nas células somáticas para o número principal é chamada de haploidia. Existem organismos haplobiontes, para o qual a haploidia é um estado normal (muitos eucariotos inferiores, gametófitos de plantas superiores, insetos himenópteros machos). A haploidia como fenômeno anômalo ocorre entre esporófitos de plantas superiores: no tomate, tabaco, linho, Datura e alguns cereais. As plantas haplóides são caracterizadas pela viabilidade reduzida; são praticamente estéreis.

Pseudopoliploidia(falsa poliploidia)

Em alguns casos, uma mudança no número de cromossomos pode ocorrer sem uma mudança na quantidade de material genético. Figurativamente falando, o número de volumes muda, mas o número de frases não muda. Tal fenômeno é chamado pseudopoliploidia. Existem duas formas principais de pseudopoliploidia:

1. Agmatopoliploidia. Observa-se se grandes cromossomos se quebram em muitos pequenos. Encontrado em algumas plantas e insetos. Em alguns organismos (por exemplo, em lombrigas), a fragmentação de cromossomos ocorre em células somáticas, mas os grandes cromossomos originais são preservados em células germinativas.

2. Fusão de cromossomos. Observa-se se os cromossomos pequenos são combinados em grandes. Encontrado em roedores.