Перестройки хромосом в гаметах часто приводят к болезням человека - нарушениям морфологии, физиологии и поведения, особенно часто встречается дупликация и делеция, как правило, все такие болезни сопровождаются заторможенным умственным развитием, то есть чаще всего какие бы ни были хромосомные перестройки, они затрагивают развитие наших умственных способностей, ну а кроме этого болезни сопровождаются чаще всего недоразвитием каких-либо органов (например, маленькая голова).
В эволюции геномные и хромосомные мутации чаще фиксируются у растений, реже у животных. Геномные мутации у животных обычно различают таксоны более высоких порядков например отряды (сельдевые и лососевые), а у растений это могут быть и виды (пшеница и другие культурные растения). Анеуплоидия и перестройки хромосом в гаметах обычно приводят к болезням у животных человека - нарушениям морфологии, физиологии, поведения, и резко снижают возможность оставить потомство. Тем не менее сотни тысяч таких случаев зафиксированы на сегодня эволюцией – это почти любая пара родственных видов, различающиеся по структуре кариотипа (набора хромосом). Ясно, что такие изменения когда-то произошли у индивида и затем закрепились в поколениях.
Например, хромосома №2 человека образована при транслокации, произошедшей у наших предков после ответвления от ствола всех приматов: у орангутанга, гориллы и даже шимпанзе (5 млн. лет расхождения). У всех этих наших родственников по две независимых хромосомы, которые лишь у человека оказались соединенными. Часто, хотя и не всегда, перестройки приводят к понижению жизнеспособности, но в нашем случае получилось не так, мы получили две разных хромосомы шимпанзе, которые соответствуют хромосоме №2 человека. Это видно при поперечном окрашивании хромосом, которые выявляют идентичные в геноме фрагменты хромосом. Все люди на Земле имеют общего предка, у которого произошла эта транслокация (меньше 5 млн. лет назад)
Число хромосом у млекопитающих может различаться в десятки раз, хотя размер генома отличается менее чем на 20%. У человека число пар хромосом 23, а у лошади – 66, у обитающего в Азии оленя-мунтжака – 6 хромосом. Исключение составляет южно-американский грызун, называемый красной вискашевой крысой (латинское название Tympanoctomys barrerae, английское – red viscacha rat), хотя крысе оно весьма отдаленный родственник). У этого животного геном не диплоидный, а тетраплоидный, содержит в два раза больше ДНК, чем у остальных млекопитающих, и 102 хромосомы.
Если до общего предка млекопитающих около 200 миллионов лет и около 60 транслокаций (перестроек разных хромосом), то 1 транслокация сохраняется и дает начало новому виду не реже чем раз в 3 млн лет. А так как недетектируемых внутрихромосомных перестроек больше на 1-2 порядка, то это означает, что носители таких перестроек выживают гораздо чаще, нежели раз в 3 млн. лет. Последний раз такая перестройка в линии человека произошла не более 5 млн. лет назад.
Геномные и хромосомные мутации могут появляться и в соматических клетках человека и животных. В этом случае они не передаются потомству, но часто связаны с развитием рака. Реципрокная транслокация фрагментов между хромосомами 8 и 14 в лимфоцитах человека приводит к лимфоме Бёркита: к гену иммуноглобинов присоединяется ген онкогена с-MYC, меняя его регуляцию.
Таким образом, перестройки, происходящие в соматических клетках, влияют только на нас, а на следующее поколение не влияют. Те перестройки, которые происходят в клетках зародышевого пути, могут пройти через эволюционное «сито» и остаться в поколениях, Это может привести к репродуктивной изоляции индивидов с перестройками от других индивидов внутри данного вида.
Хотя в клетках зародышевого пути геном остается постоянным, изменение структуры генов и генома может быть нормальной частью жизненного цикла. У некоторых эукариот число хромосом в соматических клетках отличается от числа хромосом в клетках зародышевого пути. У некоторых простейших в определенной фазе развития геном распадается по на несколько тысяч хромосом, предположительно соответствующих отдельным генам. Размер генома вегетативных клеток и клеток зародышевого пути также может различаться. Например, у некоторых круглых червей в соматических клетках (но не в клетках зародышевого пути!) подавляющая часть генома утрачивается (явление называется диминуцией хроматина). У человека перестройки генов иммуноглобулинов в лимфатических клетках - условие образования разных антител. Только при таком условии в организме может образовываться то разнообразие антител, которое может обеспечить необходимую защиту. То есть перестройки генома могут быть управляемыми и необходимыми.
Несколько слов про генные мутации. Генные мутации являются скачкообразными изменениями отдельных локусов хромосом – генов. Мутантные гены сохраняют свойство репродукции при делении ядра клетки, вследствие чего мутационные изменения наследуются. Мутации могут быть прямыми (нуклеотид Т в данной позиции заменен на нуклеотид С) и обратными (мутантный нуклеотид С в данной позиции заменен на нуклеотид Т, характерный для дикого типа). Частота мутирования в обоих направления характерна для каждого локуса. Для разных типов мутаций она варьирует от 10-6-10-8 на нуклеотид на генерацию до 3*10-1. Спонтанный мутационный процесс обусловливается свойством самого гена, системой генотипа, физиологическим состоянием организма и колебанием факторов внешней среды. Каждый локус – ген может мутировать в несколько состояний, образуя серию множественных аллелей. Для примера скажем, что существует ген супрессора опухолей, где обнаружены сотни мутаций, при каждой из которой опухоль может развиться в разных местах.
"Горячие пятна" мутаций внутри гена распределены неравномерно. Они характерны не только для спонтанного мутирования, но и при воздействии определенными химическими агентами.
Например, разберем мутации в гене CFTR, которые вызывают муковисцидоз – заболевание, связанное с дефектом проводимости ионных каналов, проявляется в виде заболеваний легких и др. В этом гене описано уже больше тысячи разных мутаций. На графике представлена частота разных мутаций в разных частях гена, видно, что распределение частоты неравномерно в разных его участках – экзонах. Частота встречаемости в популяции разных мутаций одного гена различается в тысячи раз.
Если смотреть реальное распределение мутаций среди людей, оказывается, что каждая из них присутствует со своей частотой в группе, живущей на данной территории. Например для России мутация ΔF508 встречается у 80% больных. А остальные мутации составляют менее 20%, некоторые же не встретятся в России вообще.
На этом слайде показано, как растет частота мутаций с увеличением дозы облучения. Частота мутаций линейно растет с увеличением дозы радиоактивного облучения. «Безопасной» дозы облучения нет (нет порога). Повреждения происходят при любых дозах, так что понятие порога чисто юридическое.