Выделяют несколько причин нарушений генетической программы клетки.
К изменениям биохимической структуры генов относят точечные мутации с выпадением какого-либо из нуклеотидов, приводящие к дисфункции программирования генетической информации; выпадение части хромосомы; полимеризацию с образованием дополнительных участков хромосом. Может отсутствовать или появиться одна или несколько новых хромосом.
Активация патологических генов может быть связана со структурными изменениями в генах-регуляторах, с активацией летальных генов при гомозиготности по аутосомно-рецессивным генам или проявлении патогенных генов, связанных с полом. Кроме того, проявление патогенного аутосомно-рецессивного признака может быть связано с другим геном (сцепленные гены и признаки).
Репрессия (подавление) «жизненно важных генов» обусловлена вышеперечисленными причинами.
Внедрение в геном фрагмента чужеродной ДНК с патогенными свойствами, например вируса, может привести к гибели клетки или персистенции вируса внутри нее. Данная персистенция нередко приводит к возникновению злокачественного опухолевого роста. В условиях эксперимента исследователи в клетку вводят как патологические, так и недостающие гены (генная инженерия).
Все перечисленные нарушения генома могут передаваться по наследству, если они возникли в половых клетках, либо вести к соматическим изменениям в организме животного без передачи по наследству (геном изменен в соматических клетках).
Генетический материал может быть изменен столь грубо, что это становится хорошо заметным даже при изучении хромосом с помощью световой микроскопии во время деления. Это так называемые геномные и хромосомные мутации.
Геномные мутации ведут к грубому изменению структуры ядерного наследственного материала в целом. Сопровождаются изменением числа и формы хромосом, соотношением их содержания в различных клетках. Нередко геномные мутации характеризует анэуплоидия, гетероплоидия или полиплоидия, что часто наблюдают в злокачественных опухолевых клетках при нарушении митоза (при редуцированном митозе). Геномная мутация может быть обусловлена тем, что одна из хромосом представлена не двумя, как обычно в соматической клетке, а тремя и более копиями. Пример такой мутации — синдром Дауна. Синдром Дауна у человека вызван транслокацией (присоединением) 21 хромосомы в 14 или 22 с образованием ее дополнительной копии.
Хромосомные мутации возникают при изменении структуры отдельных хромосом, увеличении или уменьшении размеров плеч, транслокации участка одной хромосомы на другую, поворотом участка хромосомы на 180°. Нехватка одного из участков хромосомы называется делецией. Выпадение значительных участков хромосомы обычно ведет к гибели организма. Удвоение части хромосомы — дупликация. Переворот участка хромосомы на 180° обозначают как инверсию и фенотипически она может не проявляться. Обмен участками между негомологичными хромосомами — транслокация — обычно ведет к нарушениям развития организма, несовместимым с жизнью.
Генная, или точечная, мутация — это замена отдельных нуклеотидов или небольших участков генома в пределах одного гена. Генная мутация незаметна при гистологическом исследовании, но изменяет фенотип клетки, что ведет к формированию в клетке и/или в организме в целом новых признаков.
Выделяют конформационные мутации, когда происходит замена одного нуклеотида другим с изменением двойной спирали ДНК.
Иногда мутация не приводит к изменению информации, хранимой геномом. Такое изменение генома называют молчащей мутацией. Если мутация вызывает искажение информации, хранимой геномом, го ее называют мутацией, искажающей биологический смысл наследственной информации. Это приводит к образованию ферментов с измененной активностью, обеспечивает новые признаки, необычные для клетки и целого организма.
Под мутацией, не имеющей смысла, понимают генную мутацию, которая так изменяет структуру гена, что считывание с него информации становится невозможным, либо образуется последовательность иРНК, которая не может транслироваться рибосомой.
Трансзиционная мутация заключается в замене пуринов (аденин на гуанин или наоборот) или пиримидинов. Трансверзионная мутация — это замена пурина на пиримидин или наоборот.
Мутагены — это факторы любой природы, изменяющие структуру генома и вызывающие мутации. Выделяют эндогенные и экзогенные мутагены. Это могут быть воздействия физической природы (ионизирующая радиация, ультрафиолетовое излучение, травмы, повышенная температура). Химическими мутагенами являются некоторые пестициды, промышленные яды (бензол, бензопирен, эпоксиды, некоторые альдегиды), ртутные соединения, цитостатики. Мутагенное действие оказывают некоторые пищевые добавки (цикламаты, ароматические углеводы), пероксидные соединения липидов, свободные кислородные радикалы, содержащиеся в пероксиде водорода и озоне.
В результате мутаций возникают генетические заболевания.
1. Заболевания, полностью вызванные влиянием патологического гена. Эти нарушения проявляются всегда вне зависимости от особенностей, предшествующих жизнедеятельности клеток и организма в целом. Обычно проявления, вызванные такими мутациями, можно наблюдать уже с момента рождения животного или человека. С возрастом степень повреждений может усиливаться или находиться в малодинамичном (стационарном) состоянии. Однако имеется ряд мутаций, которые могут проявляться и в позднем возрасте (некоторые миопатии, хорея Гентингтона).
2. Болезни, при которых генетический фактор проявляется лишь при наличии соответствующих условий окружающей среды и особенностей индивидуального развития. Так, склонность к сахарному диабету может проявиться в зависимости от особенностей питания. Этот вид наследственных заболеваний практически всегда выявляют после рождения, иногда в пожилом и старческом возрасте.
3. Заболевания, при которых наследственность является ведущим причинным фактором. Заболевание проявляется, но его степень, скорость и тяжесть течения различны в связи с уровнем аккумуляции в организме последствий влияния этиологических факторов, возникающих в процессе жизнедеятельности.
Наследственные болезни могут передаваться по аутосомно-доминантному, аутосомно-рецессивному механизму наследования и быть сцепленными с полом.
Аутосомно-доминантный тип наследования проявляется даже в случае монозиготной передачи по наследству и встречается в половине случаев, когда один из родителей гетерозиготен по патологическому гену, а второй родитель здоров. В случае гомозиготности одного из родителей болезнь встречается у всех детей.
Аутосомно-рецессивный механизм наследования мутации сопровождается проявлением признака в клетке лишь в том случае, когда гены в обеих хромосомах мутантные. Иначе заболевание проявится, если мутантные гены находятся в гомозиготном состоянии.
В случае неполного доминирования ген появляется и в монозиготном и дизиготном состояниях, но степень поражения в монозиготном варианте гораздо слабее.
Наследственные заболевания, связанные с полом, обусловлены передачей генных нарушений в половых хромосомах, поэтому проявления болезни прямо связаны с половой принадлежностью особи.
Иногда генные мутации передаются через соматические хромосомы и их появления зависимы от пола. Например, атеросклероз сосудов при одинаковых условиях развивается раньше у особей мужского пола, так как женские половые гормоны блокируют развитие заболевания. Хорея Гентингтона раньше развивается у мужчин, чем у женщин, так как у первых быстрее идут процессы полимеризации генов.
Нарушения в реализации генетической программы связаны со следующими явлениями.
Расстройства митоза сопровождаются неравномерным распределением хромосом (редуцированный митоз или амитоз) и приводят к дисплазии (образованию клеток-монстров). Другой вариант последствий — это образование полиплоидных или многоядерных клеток. Массовое подавление митозов при потере способности клеток к делению ведет к нарушениям регенерации органов и тканей. Причинами являются изменения регуляции оперона, повреждение клеточного центра и/или микротрубочек, изменение цитотомии на фоне нарушения формирования микротрубочек и актоминимиозиновых взаимодействий, нарушения энергетического обеспечения деления и т. д. Нарушения в ходе митотического цикла зависят от стадии. В пресинтетический период интерфазы возникают разрывы в молекуле ДНК в ходе считывания генетической информации (транскрипции), тогда хромосомы и система контроля над процессами считывания генома распределяются неправильно. В синтетический период может нарушиться процесс репликации ДНК из-за блокирования ДНК-полимеразы, недостатка нуклеотидов, недостаточности энергетического обеспечения и т. д. В постсинтетический период, как и в предшествующие, может развиться нарушение содержания или блокада циклинзависимых киназ и циклинов, крупные повреждения генома. В процессе митоза могут произойти нарушения содержания митоз-стимулирующего фактора, слишком ранняя цитотомия или, наоборот, ее блокада (нарушение активности акто-минимиозиновых комплексов), неправильная сборка нитей веретена деления. Это лишь некоторые из многочисленных возможных вариантов нарушений этого процесса.
Нарушения мейоза обусловлены патологией в регуляции оперона, повреждением клеточного центра и/или полимеризации микротрубочек, изменениями в цитогомии на фоне сбоя в формировании микротрубочек и акто-минимиозиновых взаимодействий, патологией энергетического обеспечения деления. Это связано с изменением активности половых гормонов, патологией поддерживающих клеток извитых канальцев семенников, фолликулярного эпителия яичников и приводит к бесплодию или наследственным уродствам.
Тератогенные расстройства, связанные с изменением развертывания нормальной генетической программы в момент коммитирования генома и детерминации клеток. Они сопровождаются врожденными, ненаследуемыми расстройствами развития (уродствами). Клетки начинают формировать не те ткани и органы, которые предполагались программой развития. Тератогенными факторами могут быть гиповигаминозы, гипервитаминозы, травмы, ионизирующее излучение, некоторые лекарственные препараты, гипоксия и т. д.
Нарушения внеядерной наследственности в первую очередь происходят в геноме митохондрий. Патологические нарушения обусловлены мутациями в геноме, повреждениями трансляции на рРНК и др. Изменяется активность цепей окислительного фосфорилирования, и снижаются защитно-компенсаторные возможности организма к гипоксии, физическим перегрузкам и т. д.
Одним из нарушений функций генома является синдром преждевременного старения клеток (тканей и организма). Это группа заболеваний, которые могут быть вызваны несколькими причинами. Среди них выделяют нарушение процессов метилирования ДНК, чрезмерно быстрое разрушение теломеров хромосом, накопление мутаций в геноме.