Генотипическая

1. Комбинативная

2. Мутационная

Формирование различных типов изменчивости является следствием взаимодействия внешней среды и генотипа.

Характеристика фенотипической изменчивости.

Фенотипическая изменчивость – изменения фенотипа, возникающие под действием условий внешней среды, не затрагивающие генотип, хотя степень их выраженности определяется генотипом.

Онтогенетическая изменчивость – это постоянная смена признаков в процессе развития особи (онтогенез земноводных, насекомых, развитие морфофизиологических и психических признаков у человека).

Модификационная изменчивость – фенотипические изменения, возникающие вследствие воздействия факторов внешней среды на организм.

Модификационная изменчивость детерминируется генотипом. Модификации не передаются по наследству и бывают сезонные и экологические.

Сезонные модификации – генетически детерминированная смена признаков в результате сезонных изменений климатических условий.

Экологические модификации – адаптивные изменения фенотипа в ответ на изменение условий внешней среды. Фенотипически они проявляются в степени выраженности признака. Экологические модификации затрагивают количественные (масса животных, потомство) и качественные (цвет кожи у человека под влиянием УФ-лучей) признаки.

Свойства модификаций:

Модификации не передаются по наследству.

Возникают постепенно, имеют переходные формы.

Модификации образуют непрерывные ряды и группируются вокруг среднего значения.

Возникают направленно – под влиянием одного и того же фактора среды группа организмов изменяется сходным образом.

Приспособительный (адаптивный ) характер имеют все наиболее распространенные модификации.

Так повышение числа эритроцитов и содержание Hb в крови животных и человека в горах представляют приспособление для лучшего использования кислорода. Загар – приспособление к воздействию чрезмерной инсоляции. Установлено, что адаптивными бывают только те модификации, которые вызываются обычными изменениями природных условий. Не имеет приспособительного значения модификации, вызываемые различными химическими и физическими факторами. Так, воздействуя повышенной температурой на куколки дрозофилы, можно получить особи с закрученными крыльями, с вырезками на них, что напоминает мутации.

Экологические модификации обратимы и со сменой поколений при условии изменения внешней среды могут не проявляться (колебания удоев молока, смена количества эритроцитов и лейкоцитов при заболеваниях или изменениях условий обитания). Если в ряду поколений условия не меняются, то степень выраженности признака в потомстве сохраняется. Такие модификации называются длительными. При изменении условий развития длительные модификации не наследуются. Ошибочно мнение, что воспитанием и внешним воздействием можно закрепить в потомстве новый признак (пример дрессировки собак).

Модификации носят адекватный характер, т.е. степень выраженности признака находится в прямой зависимости от вида и продолжительности действия фактора. Так, улучшение условий содержания скота вызывает увеличение массы животных.

Одним из основных свойств модификаций является их массовость – один и тот же фактор вызывает одинаковое изменение особей, сходных генотипически. Предел и степень выраженности модификаций контролируется генотипом.

Модификации обладают разной степенью стойкости: длительные и кратковременные. Так, загар у человека проходит по окончании действия инсоляции. Другие модификации, возникшие на ранних стадиях развития могут сохраняться в течение всей жизни (кривоногость после рахита).

Модификации однозначны для самых примитивных и высокоорганизованных организмов. К числу таких модификаций относятся фенотипические изменения, связанные с питанием. Изменения не только количества, но и качества пищи могут обусловить возникновение следующих модификаций: авитаминоза человека, дистрофии, рахита. К наиболее частым модификациям человека относятся фенотипические признаки, вызываемые физическими нагрузками: увеличение объема мышц в результате тренировки, усиление кровоснабжения, негативные изменения при малоподвижном образе жизни.

Поскольку модификации не наследуются, во врачебной практике важно отличить их от мутаций. Модификации, возникающие у человека, поддаются коррекции, в то время как мутационные изменения вызывают неизлечимые патологии.

Вариации в проявлении гена не являются беспредельными. Они ограничиваются нормой реакции организма.

Норма реакции – это предел модификационной изменчивости признака. Наследуется норма реакции, а не сами модификации, т.е. способность к развитию признака, а форма его проявления зависит от условий окружающей среды. Норма реакции – конкретная количественная и качественная характеристика генотипа. Различают признаки с широкой нормой реакции и узкой. К широкой – относятся количественные показатели: масса животных, урожайность сельскохозяйственных культур. Узкая норма реакции проявляется у качественных признаков: процент жирности молока, содержание белков в крови у человека. Однозначная норма реакции так же характерна для большинства качественных признаков – цвет волос, глаз.

Под влиянием некоторых вредных факторов, с которыми человек не сталкивается в процессе эволюции, может возникать модификационная изменчивость, лежащая за пределами нормы реакции. Возникают уродства или аномалии, которые называются морфозами. Это изменения морфологических, биохимических, физиологических признаков у млекопитающих. Например, 4 сердца, один глаз, две головы; у человека – отсутствие конечностей у детей при рождении, непроходимость кишечника, опухоль верхней губы. Причиной возникновения таких изменений являются тератогены: препарат талидомид, хинин, галлюциноген ЛСД, наркотики, алкоголь. Морфоз резко изменяет новый признак в отличие от модификаций, вызывающих изменения степени выраженности признака. Морфозы могут возникать в критические периоды онтогенеза и не носят приспособительного характера.

Фенотипически морфозы бывают сходны с мутациями и в таких случаях они называются фенокопиями. Механизмом фенокопий является нарушение реализации наследственной информации. Они возникают вследствие подавления функции определенных генов. По своему проявлению они напоминают функцию известных генов, но не наследуются.

Генотипическая изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в обеспечении генетического полиморфизма человечества.

Генотипическая изменчивость – изменчивость организма, обусловленная изменением генетического материала клетки или комбинациями генов в генотипе, которые могут привести к появлению новых признаков или к новому их сочетанию.

Изменчивость, возникающая при скрещивании, в результате различных комбинаций генов, их взаимодействия между собой, называется комбинативной. При этом структура гена не меняется.

Механизмы возникновения комбинативной изменчивости:

кроссинговер;

независимое расхождение хромосом в мейозе;

случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Комбинативная изменчивость наследуется согласно правилам Менделя. На проявление признаков при комбинативной изменчивости оказывают влияние взаимодействие генов из одной и разных аллельных пар, множественные аллели, плейотропное действие генов, сцепление генов, пенетрантность, экспрессивность гена и т.д.

Благодаря комбинативной изменчивости обеспечивается большое разнообразие наследственных признаков у человека.

На проявление комбинативной изменчивости у человека оказывает влияние система скрещивания или система браков: инбридинг и аутбридинг.

Инбридинг – родственный брак. Он может быть в разной мере тесным, что зависит от степени родства вступающих в брак. Брак братьев с сестрами или родителей с детьми называется первой степени родства. Менее тесный – между двоюродными братьями и сестрами, племянниками с дядями или тетями.

Первое важное генетическое следствие инбридинга – повышение с каждым поколением гомозиготности потомков по всем независимо наследуемым генам.

Второе – разложение популяции на ряд генетически различных линий. Изменчивость инбридируемой популяции будет возрастать, тогда как изменчивость каждой выделяемой линии снижается.

Инбридинг часто ведет к ослаблению и даже вырождению потомков. У человека инбридинг, как правило, вреден. Это усиливает риск заболеваний и преждевременной смерти потомков. Но известны примеры длительного тесного инбридинга, несопровождающегося вредными последствиями, например, родословная фараонов Египта.

Поскольку изменчивость любого вида организмов в каждый данный момент представляет конечную величину, ясно, что число предков в каком-то поколении должно бы превысить численность вида, что невозможно. Отсюда вытекает, что среди предков происходили браки в той или иной степени родства, вследствие чего фактическое число разных предков сокращалось. Это можно показать на примере человека.

У человека за столетие рождается в среднем 4 поколения. Значит, 30 поколений назад, т.е. приблизительно в 1200 году н.э. у каждого из нас должно было быть 1 073 741 824 предка. Фактически же численность в ту пору не достигала 1 млрд. Приходится заключить, что в родословной каждого человека много раз встречались браки между родственниками, хотя в основном настолько отдаленными, что они не подозревали о своем родстве.

На самом деле такие браки встречались гораздо чаще, чем следует из приведенного соображения, т.к. на протяжении большей части своей истории человечество существовало в форме изолированных друг от друга народов и племенных групп.

Поэтому братство всех людей представляет собой действительно реальный генетический факт.

Аутбридинг – неродственный брак. Неродственными особями считаются особи, у которых нет общих предков в 4-6 поколениях.

Аутбридинг повышает гетерозиготность потомков, объединяет в гибридах аллели, которые существовали у родителей порознь. Вредные рецессивные гены, находившие у родителей в гомозиготном состоянии, подавляются у гетерозиготных по ним потомков. Возрастает комбинация всех генов в геноме гибридов и соответственно широко будет проявляться комбинативная изменчивость.

Комбинативная изменчивость в семье касается как нормальных, так и патологических генов, способных присутствовать в генотипе супругов. При решении вопросов медико-генетических аспектов семьи требуется точное установление типа наследования заболевания – аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный или сцепленный с полом, в противном случае прогноз окажется неверным. При наличии у обоих родителей рецессивного аномального гена в гетерозиготном состоянии вероятность заболевания ребенка – 25%.

Частота синдрома Дауна у детей рожденных матерями 35-летнего возраста – 0,33%, 40-летнего и старше – 1,24%.

Мутационная изменчивость. Теория Х. Де Фриза. Классификация и характеристика мутаций.

Мутационная изменчивость – это такой тип изменчивости, при которой происходит скачкообразное, прерывистое изменение наследственного признака. Мутации – это внезапно возникающие стойкие изменения генетического аппарата, включающие как переход генов из одного аллельного состояния в другое, так и различные изменения структуры генов, числа и структуры хромосом, плазмогенов цитоплазмы.

Термин мутация впервые был предложен Х. де Фризом в его труде «Мутационная теория» (1901-1903). Основные положения этой теории:

Мутации возникают внезапно, новые формы вполне устойчивы.

Мутации являются качественными изменениями.

Мутации могут быть полезными и вредными.

Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Все мутации делят на группы (Табл. 9). Первостепенная роль принадлежит генеративным мутациям , возникающим в половых клетках. Генеративные мутации, вызывающие изменение признаков и свойств организма, могут быть обнаружены, если гамета, несущая мутантный ген, участвует в образовании зиготы. Если мутация доминантна, то новый признак или свойство проявляются даже у гетерозиготной особи, происшедшей из этой гаметы. Если мутация рецессивная, то она может проявиться только через несколько поколений при переходе в гомозиготное состояние. Примером генеративной доминантной мутации у человека может служить появление пузырчатости кожи стоп, катаракты глаза, брахифалангии (короткопалость с недостаточностью фаланг). Примером спонтанной рецессивной генеративной мутации у человека можно рассматривать гемофилию в отдельных семьях.

Таблица 9 - Классификация мутаций

Соматические мутации по своей природе ничем не отличаются от генеративных, но их эволюционная ценность различна и определяется типом размножения организма. Соматические мутации играют роль у организмов с бесполым размножением. Так, у вегетативно размножающихся плодовых и ягодных растений соматическая мутация может дать растения с новым мутантным признаком. Наследование соматических мутаций в настоящее время приобретает особое значение в связи с изучением причин возникновения рака у человека. Предполагают, что для злокачественных опухолей превращение нормальной клетки в раковую происходит по типу соматических мутаций.

Генные или точковые мутации – это цитологически невидимые изменения хромосом. Генные мутации могут быть как доминантными, так и рецессивными. Молекулярные механизмы генных мутаций проявляются в изменении порядка нуклеотидных пар в молекуле нуклеиновой кислоты в отдельных сайтах. Сущность локальных внутригенных изменений может быть сведена к четырем типам нуклеотидных перестроек:

Замена пары оснований в молекуле ДНК:

а) Транзиция: замена пуриновых оснований на пуриновые или пиримидиновых на пиримидиновые;

б) Трансверзия: замена пуриновых оснований на пиримидиновые и наоборот.

Делеция (выпадение) одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

Вставка одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

Дупликация – повтор нуклеотидной пары;

Перестановка положения нуклеотидов внутри гена.

Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам списывания с него генетической информации, нужной для протекания биохимических процессов в клетке, и приводит к появлению новых свойств в клетке и организме в целом. По-видимому, точковые мутации являются наиболее важными для эволюции.

По влиянию на характер кодируемых полипептидов точковые мутации могут быть представлены в виде трех классов:

Миссенс-мутации – возникают при замене нуклеотида внутри кодона и обусловливают подстановку в определенном месте в цепи полипептида одной неверной аминокислоты. Физиологическая роль белка изменяется, что создает поле для естественного отбора. Это основной класс точковых, внутригенных мутаций, которые появляются в естественном мутагенезе под воздействием радиации и химических мутагенов.

Нонсенс-мутации – появление внутри гена терминальных кодонов за счет изменения отдельных нуклеотидов в пределах кодона. В результате процесс трансляции обрывается в месте появления терминального кодона. Ген оказывается способным кодировать только обрывки полипептида до места появления терминального кодона.

Мутации сдвига рамки чтения возникают при появлении внутри гена вставок и делеций. В этом случае после измененного сайта изменяется все смысловое содержание гена. Это вызывается новой комбинацией нуклеотидов в триплетах, поскольку триплеты после выпадения или вставки приобретают новый состав в силу сдвига на одну пару нуклеотидов. В результате вся цепь полипептида после места точковой мутации приобретает другие неверные аминокислоты.

Хромосомные перестройки возникают в результате разрыва участков хромосомы и их перекомбинаций. Различают:

Дефишенси и делеции – нехватка, соответственно концевого и срединного участка хромосомы;

Дупликации – удвоение или умножение тех или иных участков хромосомы;

Инверсии – изменение линейного расположения генов в хромосоме вследствие переворота на 180˚ отдельных участков хромосомы.

Межхромосомные перестройки связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами. Такие перестройки получили название транслокации.

Геномные мутации затрагивают геном клетки и вызывают изменение числа хромосом в геноме. Это может происходить за счет увеличения или уменьшения числа гаплоидных наборов или отдельных хромосом. К геномным мутациям относят полиплоидию и анеуплоидию.

Полиплоидия – геномная мутация, состоящая в увеличении числа хромосом, кратному гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются: 3n – триплоидами, 4n – тетраплоидами и т.д. Полиплоидия приводит к изменению признаков организма: увеличению плодовитости, размеров клеток, биомассы. Используется в селекции растений. Полиплоидия известна и у животных, например, у инфузорий, тутового шелкопряда, земноводных.

Анеуплоидия – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору: 2n+1; 2n-1; 2n-2; 2n+2. У человека такие мутации вызывают патологии: синдром трисомии по Х-хромосоме, трисомия по 21-й хромосоме (болезнь Дауна), моносомия по Х-хромосоме и т.д. Явление анеуплоидии показывает, что нарушение числа хромосом приводит к изменению в строении и снижению жизнеспособности организма.

Цитоплазматические мутации – это изменение плазмогенов, приводящее к изменению признаков и свойств организма. Такие мутации стабильны и передаются из поколения в поколение, например, потеря цитохромоксидазы в митохондриях дрожжей.

По адаптивному значению мутации делят: на полезные , вредные (летальные и полулетальные) и нейтральные . Это деление условно. Между полезными и летальными мутациями существуют почти непрерывные переходы вследствие экспрессивности гена. Примером летальных и сублетальных мутаций у человека можно назвать эпилойю (синдром, характеризующийся разрастанием кожи, умственной отсталостью) и эпилепсию, а также наличие опухолей сердца, почек, врожденный ихтиоз, амавротическую идиотию (отложение в ЦНС жирового вещества, сопровождающееся дегенерацией мозгового вещества, слепотой), талассемию и др.

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях без специального воздействия необычными агентами. Мутационный процесс характеризуется, главным образом, частотой возникновения мутаций. Определенная частота возникновения мутаций характерна для каждого вида организмов. Одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие. Установленные закономерности частоты спонтанного мутирования сводятся к следующим положениям:

различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой (имеются гены мутабильные и стабильные);

сходные гены в разных генотипах мутируют с разной частотой.

Каждый ген мутирует относительно редко, но т.к. число генов в генотипе велико, то суммарная частота мутирования всех генов оказывается довольно высокой. Так, у человека частота возникновения мутаций в популяции составляет для талассемии 4·10 -4 , альбинизма – 2,8·10 -5 , гемофилии – 3,2·10 -5 .

На частоту спонтанного мутагенеза могут влиять особые гены – гены-мутаторы , которые могут резко изменять мутабильность организма. Такие гены открыты у дрозофилы, кукурузы, кишечной палочки, дрожжей и др. организмов. Допускается, что гены-мутаторы изменяют свойства ДНК‑полимеразы, влияние которой ведет к массовой мутации.

На спонтанный мутагенез влияют физиологическое и биохимическое состояние клетки. Так, показано, что в процессе старения частота мутаций значительно увеличивается. Среди возможных причин спонтанного мутирования можно назвать накопление в генотипе мутаций, блокирующих биосинтез тех или иных веществ, вследствие чего будет происходить чрезмерное накопление предшественников таких веществ, которые могут обладать мутагенными свойствами. Определенную роль в спонтанном мутировании человека может играть естественная радиация, за счет которой можно отнести от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций у человека.

На основании изучения спонтанных мутаций внутри популяций одного вида и при сравнении популяций разных видов Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов». Чем генетически ближе расположены в общей системе роды, тем полнее сходство изменчивости в их рядах. Главное в законе гомологичных рядов состояло в новом подходе к пониманию принципов мутаций в природе. Оказалось, что наследственная изменчивость является исторически сложившимся явлением. Мутации являются случайными, если их брать по отдельности. Однако, в целом, они в свете закона гомологичных рядов становятся в системе видов закономерным явлением.

Мутации, идущие как бы случайно в разных направлениях, при их объединении обнаруживают общий закон.

Индуцированный мутационный процесс – возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды.

Механизмы возникновения мутаций. Мутагенез и канцерогенез. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды мутагенами.

Все факторы мутагенеза могут быть разбиты на три вида: физические, химические и биологические.

Среди физических факторов наибольшее значение имеют ионизирующие излучения. Ионизирующие излучения делят на:

электромагнитные (волновые), к ним относят рентген-лучи с длиной волны от 0, 005 до 2 нм, гамма-лучи и космические лучи;

корпускулярные излучения – бета-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны (быстрые и тепловые), альфа-частицы (ядра атомов гелия) и др. Проходя через живое вещество, ионизирующие излучения выбивают электроны из внешней оболочки атомов и молекул, что ведет к их химическим превращениям.

Различные животные характеризуются различной чувствительностью к ионизирующим излучениям, которая колеблется от 700 рентген для человека до сотен тысяч и миллионов рентген для бактерий и вирусов. Ионизирующие излучения вызывают в первую очередь изменения в генетическом аппарате клетки. Показано, что ядро клетки в 100 тыс. раз чувствительнее к радиации, чем цитоплазма. Значительно чувствительнее к радиации незрелые половые клетки (сперматогонии), чем зрелые (сперматозоиды). ДНК хромосом наиболее чувствительна к действию радиации. Развивающиеся изменения выражаются в генных мутациях и перестройках хромосом.

Показано, что частота мутаций зависит от общей дозы радиации и прямо пропорциональна дозе облучения.

Ионизирующие излучения действуют на генетический аппарат не только прямо, но и косвенно. Они вызывают радиолиз воды. Возникающие при этом радикалы (Н + , ОН -) оказывают повреждающее действие.

К сильным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовые лучи (длина волны до 400 нм), которые не ионизируют атомы, а только возбуждают их электронные оболочки. В итоге в клетках развиваются химические реакции, которые могут приводить к мутации. Частота возникновения мутаций увеличивается с увеличением длины волны до 240-280 нм (соответствует спектру поглощения ДНК). УФ лучи вызывают генные и хромосомные перестройки, но в значительно меньшем количестве, чем ионизирующее излучение.

Гораздо более слабым физическим мутагеном является повышенная температура. Повышение температуры на 10 увеличивает частоту мутации в 3-5 раз. При этом возникают в основном генные мутации у низших организмов. На теплокровных животных с постоянной температурой тела и человека этот фактор не влияет.

Химические мутагены насчитывают множество разнообразных веществ и их список непрерывно пополняется. Самыми сильными химическими мутагенами являются:

алкилирующие соединения: диметилсульфат; иприт и его производные – этиленимин, нитрозоалкил-нитрометил, нитрозоэтилмочевина и др. Иногда эти вещества являются супермутагенами и канцерогенами.

Вторую группу химических мутагенов составляют аналоги азотистых оснований (5-бромурацил, 5-бромдезоксиуродин, 8-азогуанин, 2‑аминопурин, кофеин и др.).

Третью группу составляют акридиновые красители (акридин желтый, оранжевый, профлавин).

Четвертую группу составляют разные по строению вещества: азотистая кислота, гидроксиламин, разные перекиси, уретан, формальдегид.

Химические мутагены могут индуцировать как генные, так и хромосомные мутации. Они вызывают больше генных мутаций, чем ионизирующие излучения и УФ-лучи.

К биологическим мутагенам относят некоторые виды вирусов. Показано, что большинство вирусов человека, животных и растений индуцируют мутации у дрозофилы. Допускается, что молекулы ДНК-вирусов представляют мутагенный элемент. Способность вирусов вызывать мутации обнаружены у бактерий и актиномицетов.

По-видимому, все мутагены, как физические, так и химические, в принципе универсальны, т.е. могут вызывать мутации у любых форм жизни. Для всех известных мутагенов не существует нижнего порога их мутагенного действия.

Мутации вызывают врожденные уродства и наследственные болезни человека. Поэтому насущной задачей является ограждение людей от действия мутагенов. Огромное значение в этом отношении имело запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере. Очень важно соблюдать меры защиты людей от радиации в атомной индустрии, при работе с изотопами, рентген-лучами. Определенную роль могут сыграть антимутагены – вещества, снижающие эффект действия мутагенов (цистеамин, хинакрин, некоторые сульфаниламиды, производные пропионовой и галловой кислот).

Репарация генетического материала. Мутации, связанные с нарушением репарации, и их роль в патологии человека.

Не все повреждения генетического аппарата, вызываемые мутагенами, реализуются в виде мутаций. Многие из них исправляются с помощью особых репарирующих ферментов.

Репарация представляет эволюционно выработанные приспособления, повышающие помехоустойчивость генетической информации и ее стабильность в ряду поколений. Механизм репарации основан на том, что каждая молекула ДНК содержит два полных набора генетической информации, записанной в комплементарных друг другу полинуклеотидных нитях. Это обеспечивает сохранение неискаженной информации в одной нити, даже если другая повреждена, и по неповрежденной нити исправит дефект.

В настоящее время известно три механизма репарации: фотореактивация, темновая репарация, пострепликативная репарация.

Фотореактивация заключается в устранении видимым светом димеров тимина, особенно часто возникающих в ДНК под влиянием УФ-лучей. Замена осуществляется особым фотореактивирующим ферментом, молекулы которого не обладают сродством с неповрежденной ДНК, но опознают димеры тимина и связываются с ними сразу после их образования. Этот комплекс остается стабильным, пока не подвергнется действию видимого света. Видимый свет активирует молекулу фермента, она отделяется от димера тимина и одновременно разъединяет его на два отдельных тимина, восстанавливая исходную структуру ДНК.

Темновая репарация не требует света. Она способна исправлять очень разнообразные повреждения ДНК. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии нескольких ферментов:

Молекулы эндонуклеазы постоянно обследуют молекулу ДНК, опознав повреждение, фермент разрезает вблизи него нить ДНК;

Эндо- или экзонуклеаза делает в этой нити второй надрез, иссекая поврежденный участок;

Экзонуклеаза значительно расширяет образующуюся брешь, отсекая десятки или сотни нуклеотидов;

Полимераза застраивает брешь в соответствии с порядком нуклеотидов во второй (неповрежденной) нити ДНК.

Световая и темновая репарации наблюдаются до того, как произошла репликация поврежденных молекул. Если же не происходит репликация поврежденных молекул, то дочерние молекулы могут подвергнуться пострепликативной репарации. Механизм ее пока не ясен. Допускается, что при ней бреши в дефектах ДНК могут застраиваться фрагментами, взятыми от неповрежденных молекул.

Предельно важное значение принадлежит генетическим различиям в активности репарирующих ферментов. Подобные различия имеются и у человека. У человека известно заболевание пигментная ксеродерма . Кожа у таких людей чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментированными пятнами, изъязвляется и может перерождаться в рак кожи. Пигментная ксеродерма вызывается мутацией, нарушающей механизм репарации повреждений, вызываемых в ДНК кожных клеток УФ-лучами солнечного света.

Явление репарации ДНК распространено от бактерий до человека и имеет большое значение для сохранения стабильности генетической информации, передаваемой из поколения в поколение.

Вопросы:

1. Общая характеристика изменчивости

2. Модификационная изменчивость

3. Комбинативная изменчивость

4. Мутационная изменчивость

Изменчивость – свойство живых организмов приобретать в процессе онтогенеза новые морфо-функциональные признаки и особенности, отличающиеся от родительских.

С генетической точки зрения изменчивость представляет собой результат реакции генотипа в процессе индивидуального развития организма на условия внешней среды.

Изменчивость может быть ненаследственной (фенотипической) и наследственной (генотипической).

Модификационная изменчивость. Относится к ненаследственной изменчивости, возникает под влиянием условий внешней среды и не изменяет генотип. Модификации представляют собой варианты фенотипа в пределах нормы реакции генотипа. Они обеспечивают приспособляемость организма в течение его жизни к факторам внешней среды. Выделяют два основных типа модификаций:

1. адаптивные модификации – ненаследуемые изменения, способствующие адаптации организма. Их можно рассматривать как реакции организма на условия внешней среды, в которой проходила эволюция.

2. Морфозы – случайные неадаптивные изменения под воздействием определенных факторов. Степень выраженности морфоза усиливается при увеличении дозы действующего агента. Чаще всего морфозы выражаются в виде уродств – отклонений от нормы реакции. Они иногда фенотипически напоминают известные мутации – и тогда их называют фенокопиями этих мутаций.

Возможность модификаций определяется генотипом. Способность к модификациям наследуется и характеризуется генетически заданной нормой реакции. Если адаптивные модификации могут исчезнуть после прекращения действия агента, то морфозы сохраняются в течение всей жизни организма. Это определяется действием вызывающих их факторов на критических стадиях онтогенеза. Необратимость морфозов объясняется необратимостью онтогенеза.

К наследственной изменчивости относятся комбинативная и мутационная.

Комбинативная изменчивость . Это наследственная изменчивость, возникающая в потомстве в результате новых сочетаний признаков и свойств при скрещивании. Наблюдается обычно в потомстве, полученном в результате скрещивания животных различных пород и растений разных сортов, а также при межвидовой гибридизации. Она не ведет к возникновению новых наследственных признаков, происходят лишь комбинация и рекомбинация генов, имеющихся у родительских форм. Комбинативную изменчивость определяют:

а) независимое расхождение хромосом в мейозе;

б) случайное сочетание хромосом при оплодотворении;

в) перекомбинация генов при кроссинговере.

Мутационная изменчивость . Представляет собой внезапно возникшее скачкообразное и устойчивое наследуемое изменение генотипического материала.

Мутация – стойкое изменение в структуре ДНК и кариотипе.

Кариотип – совокупность хромосом соматической клетки определенной формы, числа и размера, типичного для данного числа.

Мутагенез – процесс образования мутаций.

Мутаген – фактор, вызывающий мутацию.

По происхождению мутагены можно разделить на:

а) экзогенные – факторы внешней среды;

б) эндогенные – образуются в процессе жизнедеятельности организма.

По природе возникновения различают физические, химические и биологические мутагены.

1) К физическим мутагенам относятся:

Ионизирующее излучение (альфа-, бета-, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтроны);

Радиоактивные элементы (радий, радон, изотопы калия, изотопы углерода);

Ультрафиолетовое излучение;

Чрезмерно высокая или низкая температура.

2) К химическим мутагенам относятся:

Сильные окислители или восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

Алкилирующие агенты (иодацетатамид);

Пестициды (гербициды, фунгициды);

Некоторые пищевые добавки (цикламаты, ароматические углеводороды);

Продукты переработки нефти;

Органические растворители;

Лекарственные препараты (иммунодепрессанты, цитостатики, ртутьсодержащие средства).

3) К биологическим мутагенам относятся:

Некоторые вирусы (красниха, корь, грипп);

Продукты обмена веществ (продукты липопероксидации);

В зависимости от причин возникновения мутации делятся на спонтанные и индуцированные.

1) Спонтанные мутации – возникают в естественных условиях при обычном физиологическом состоянии организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов.

2) Индуцированные мутации – вызванные направленным воздействием факторов внешней среды или внутренней среды.

По влиянию на организм мутации делятся на летальные, полулетальные, нейтральные и положительные (благоприятные).

1) Летальные мутации – это мутации, которые приводят к внутриутробной гибели или смерти в младенческом возрасте (моносомия по аутосомам).

2) Полулетальные мутации – значительно снижают жизнеспособность организма, приводя к ранней смерти.

3) Нейтральные мутации – не влияют существенным образом на процессы жизнедеятельности.

4) Положительные мутации – обеспечивают организму новые полезные свойства.

В зависимости от типа мутирующих клеток мутации делятся на генеративные и соматические.

1) Генеративные мутации – мутации половых клеток.

2) Соматические мутации – мутации в неполовых клетках организма.

Генеративные мутации делятся на генные, хромосомные (аберрации), геномные и цитоплазматические.

Генные мутации (точковые). Генные мутации представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. Мутационные изменения генов могут происходить в одной точке (односайтовые мутации) либо в нескольких разных точках (многосайтовые мутации). Термин «сайт» в генетике обозначает определенное место («точку») в цепи молекулы ДНК. Большая часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, вызванные генными мутациями, называются генными или моногенными. Наиболее частыми генными (моногенными) заболеваниями являются: муковисцидоз, гемохроматоз, адено-генитальный синдром, фенилкетонурия, нейрофиброматоз и ряд других заболеваний. Клинически они проявляются признаками нарушения обмена веществ (метаболизма) в организме.

Виды генных мутаций:

а) мисценс-мутации (от англ. mis – ложный, неправильный + лат. sensus – смысл) – замена нуклеотидов кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в пептиде (изменение смысла кодонов);

б) нонсенс-мутации (от лат. non – нет, + лат. sensus – смысл) – замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции (образование бессмысленных кодонов УАА, УАГ, УГА, определяющих окончание считывания);

в) фреймшифт - «сдвиг рамки считывания» - (от англ. frame – рамка + shift – сдвиг, перемещение) – молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи. Например, исходный порядок нуклеотидов – АГГАЦТЦГ, а после вставки нуклеотида – А АГГАЦТЦГА;

г) транзиция – замена оснований: пуринового на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое, например: А ↔ Г, Ц ↔ Т; изменяется тот кодон, в котором произошла транзиция;

д) трансверсия – замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое, например: А ↔ Ц, Г ↔ Т; изменяется тот кодон, в котором произошла трансверсия.

Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она: приводит к изменению генетической информации и может передаваться от поколения к поколению.

Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, ген, контролирующий группу крови системы АВО, имеет три аллеля: О, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови АВО является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека.

Геномные мутации. Геномные мутации являются изменениями числа хромосом в геноме организма. Среди геномных мутаций различают несколько разновидностей (табл.)

Таблица 3. Геномные мутации

1. Робертсоновские перестройки представляют собой слияния и разделения хромосом в области центромеры. Названы по имени В. Робертсона, который предложил свою гипотезу механизма таких мутаций. Центрические слияния («робертсоновские транслокации») представляют собой слияния двух негомологичных акроцентрических хромосом с образованием одной субметацентрической хромосомы.

При центрическом разделении, наоборот, одна субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрические. При этом должна образоваться новая центромера, иначе хромосома без центромеры будет потеряна при митозе.

Робертсоновские перестройки приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, не влияя на общее количество генетического материала в клетке. Оба варианта перестроек представлены в природе, но центрические слияния встречаются значительно чаще и являются одним из магистральных путей эволюции кариотипов.

2. Анеуплоидия – это изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному. Как правило, представляют собой добавление или потерю1-2 хромосом диплоидного набора. У животных анеуплоидия обычно приводит к тяжелым аномалиям или смерти. Однако у растений может служить фактором генетического разнообразия. Причиной анеуплоидии является нерасхождение хромосом в мейозе и образование несбалансированных гамет. Различают следующие виды анеуплоидии – трисомия, моносомия, полисомия и нуллисомия.

а). потеря хромосом:

Моносомия – уменьшение числа хромосом на одну (синдром Шерешевского – Тернера – моносомия по Х хромосоме у женщин).

Нуллисомия – уменьшение числа хромосом на две;

б). добавление хромосом:

Трисомия – число хромосом увеличено на одну (синдром Дауна по 21-й паре хромосом; синдром Кляйнфельтера – трисомия по Х хромосоме у мужчин; синдром Эдвардса по 18-й паре хромосом; синдром Патау по 13-й паре хромосом);

Полисомия – увеличение числа хромосом на две.

3. Моноплоидия (гаплоидия) – гаплоидное состояние диплоидного организма. Эта мутация интенсивно изучается у растений, так как позволяет видеть проявление рецессивных аллелей. У животных моноплоидия обычно приводит к летальному исходу.

4. Полиплоидия – это увеличение числа хромосом в клетках, кратное гаплоидному. Полиплоидные клетки могут быть триплоидными (3п), тетраплоидными (4п), пентаплоидными (5п) и т.д. Различают два вида полиплоидии – автополиплоидию и аллополиплоидию.

а). автополиплоидия – предполагает наличие в клетке более двух одинаковых гаплоидных наборов. Эта разновидность довольно широко представлена в природе у протистов, грибов и растений. У животных встречается редко и обычно приводит к летальному исходу на ранних стадиях эмбриогенеза. У культурных растений сбалансированные полиплоиды (т. е. кариотипы с четным числом гаплоидных наборов – 4n, 6n, 8n и т.п.) получают искусственным путем из-за их более крупных размеров. Несбалансированные полиплоиды (3n, 5n, 7n и т. п.) растений часто имеют пониженную фертильность вследствие нарушений мейоза. Но тем не менее некоторые растения - триплоиды (3n) обладают большими размерами и продуктивностью по сравнению с диплоидными (2n) и тетраплоидными (4n).

б). аллополиплоидия – представляет собой объединение в клетке разных геномов посредством гибридизации. В природе для многих цветковых растений описаны полиплоидные ряды различной степени плоидности. Эти ряды возникают путем гибридизации разных видов и последующего удвоения родительских гаплоидных наборов. Так преодолевается барьер бесплодия при скрещивании разных видов.

Хромосомные мутации (аберрации). Хромосомные мутации представляют собой внутрихромосомные или межхромосомные перестройки, возникающие при разрывах хромосом. Хромосомные перестройки обычно приводят к различным фенотипическим проявлениям. Выделяют следующие виды аберраций (табл.4).

Таблица 4. Хромосомные мутации

1. Потеря участка хромосом:

а). делеции – потеря срединного участка хромосомы, в результате чего она укорачивается:

б). дефишенси – потеря концевого участка хромосомы. Примером Дефишенси 5-й хромосомы является тяжелая наследственная патология у человека, которая называется синдром кошачьего крика. Этот синдром сопровождается многочисленными нарушениями внутренних органов, умственной отсталостью и ранней смертью больных

2.Повторение участка хромосом:

а). дупликация – дублирование участка хромосомы:

б). амплификация многократное повторение участка хромосомы.

28-02-2014, 12:41

В естественных условиях стабильность живых организмов не всегда абсолютна. У них наблюдаются случаи изменения фенотипа (чаще) и генотипа (реже), которые придают им способность взаимодействия: генотип - среда.
Процесс неожиданного (скачкообразного) изменения генетических структур организма или отдельного гена получил название мутации (от лат. mutare - изменять, менять). Организмы, растения, которые получили такие изменения и которые отличаются от исходного типа, называются мутантами.
Мутанты были известны давно. Так, по X. Шмальцу, немецкий аптекарь Шпренгер в 1590 году выделил мутантную форму с ланцетовидными листьями из чистотела; китайский император Канг-Хи - “рис императора”, дающий два урожая в год; „спорты” Ч. Дарвина и др. Однако импульс мутационным исследованиям дал один из трех первооткрывателей менделеевских правил наследования Гуго де-Фриз.
В книге „Мутации и периоды мутаций при происхождении видов” Г. де-Фриз изложил теорию мутационной изменчивости видов, суть которой заключалась в том, что виды появляются не постепенно под влиянием внешней среды, а одним прыжком, независимо от условий существования и друг от друга. Единственным источником новых наследственных изменений организмов являются мутации, которые возникают внезапно, скачкообразно.
Это утверждение привело к тому, что многие исследовали выявили и описали ряд мутаций как среди растений, так и среди животных.
Было установлено, что в природе возникают как большие (морфологически различные) мутации, так и малые (фенотипически не проявляющиеся). Последние встречаются во много раз чаще, чем большие. Было также установлено, что большие мутации почти никогда не давали начало новым видам, так они являются недостаточно приспособленными к внешним условиям, поэтому не могли успешно выдерживать конкуренцию с исходными формами. Малые же мутации, создаваемые и закрепляемые естественным отбором, давали начало новым формам, хорошо приспособленным к окружающей среде и постепенно превращались в новые виды.
Мутации в природе могут возникать внезапно без видимых на то причин: под воздействием высокой или низкой температуры, накоплением мутагенных продуктов обмена веществ при длительном хранении семян, действием излучений высокой энергии, которая всегда присутствует во внешних условиях среды вследствие естественной радиоактивности некоторых химических элементов или космического излучения из мирового пространства. Такие мутации получили название спонтанные.
Частота возникновения спонтанных мутаций в природе очень незначительная, примерно 1:1000000, и зависит как от генотипа, так и от физиологических и биохимических изменений, проходящих в клетке под влиянием внешних условий, в которых развивается организм. Это находит подтверждение в фактах экспериментального мутагенеза, когда под действием некоторых внешних условий число мутаций увеличивается в сотни раз.
Спонтанные мутации по действию на жизнеспособность и плодовитость делятся на четыре группы:
- летальные, вызывающие гибель организма (гибель зародыша; неспособность к образованию корневой системы; к образованию хлорофилла и т.д.);
- сублетальные, понижающие жизнеспособность организма. Для них характерно, что мутанты в течение некоторого времени живут, но затем гибнут из-за наследственного дефекта;
- стерильные мутации не способны к оплодотвррению;
- нормальные мутации, которые не изменяют жизнеспособность и плодовитость организма, а иногда и существенно их повышающие.
Природа происхождения спонтанных мутаций, причины их появления долгое время после Г. де-Фриза оставались неизвестны. Многие ученые считали, что причины возникновения мутаций заложены в самом организме.
Однако, в 1925 году в Ленинградском радиевом институте Г. Надсон и Г. Филиппов впервые получили мутации у грибов под влиянием лучей радия. Через два года, в 1927 году американский генетик Г. Меллер опубликовал работу „Искусственные трансмутации гена”, в которой сообщалось о значительном повышении частоты мутаций у дрозофилы при облучении ее лучами рентгена. Эти открытия, а несколько позже, Э. Баур и Г. Штуббе, показали, что наследственные изменения мутации у растений можно вызывать экспериментальным путем воздействием внешних условий.
Процесс получения мутаций под воздействием внешних условий получил название индуцированный (искусственный) мутагенез.
Внешние условия, вызывающие мутации, были названы мутагенными факторами или просто мутагенами.
Мутагенные факторы (мутагены) делятся на:
- физические: радиоволны, свет (инфракрасные лучи, ультрафиолетовый свет), рентгеновские лучи и т.д.;
- химические: большое число органических и неорганических соединений (этиленамин - ЭИ; диэтилсульфат - ДЭС; диметилсульфат - ДМС; нитрозоэтилмочеивна - НЭМ; нитрозометилпочевина - HMM и др.).
Воздействие мутагенов во времени может быть: однократным; с опредленными интервалами; и хроническим.
Многообразное действие физических и химических мутагенов вызывают различные типы мутаций (табл. 5.8).

Для практической селекции наибольшее значение имеют генная и геномная (полиплоидия) мутации. Остальные типы мутаций большей частью, используются в научных исследованиях, которые через определенное время могут также оказаться практически очень важными.
Так как между генными (тип 1) и геномными (тип 4) мутациями имеются принципиальные различия, касающиеся способов их получения, поэтому их практическое использование относится к двум селекционным направлениям:
- мутационной селекции, основанной на индуцировании генных мутаций;
- селекции на основе генома, или кратном увеличении наборов хромосом (полиплоидия).
Мутации могут возникать во всех клетках растения. Ho мутировавший аллель может быть передан по наследству следующему поколению лишь в том случае, если мутация произойдет в половой клетке (гамете). Такие мутации называются генеративными. Если же мутация произойдет в соматических клетках, то передача по наследству может произойти только у растений, размножающихся вегетативным способом. Такие мутации получили название соматические.
У плодовых растений хорошо изучены почковые (спортовые) мутации.
Установлено, что измененные в результате мутационного процесса гены, наследуются также стабильно, как и до возникновения мутации. Однако измененные гены сами могут мутировать вновь, причем даже вернуться в исходное состояние:

Этот процесс называют обратной мутацией. Поэтому мутации бывают прямыми и обратными.
Большинство мутаций, как спонтанные, так и индуцированные, являются рецессивными по отношению к исходному состоянию. Отсюда, если скрестить образованный мутант с исходной формой, то растение F1 практически всегда будут похожи на исходную форму.
К мутационной (генной) селекции селекционеры прибегают лишь в том случае, когда у хорошо известного и перспективного сорта необходимо улучшить какой-нибудь отдельный признак. Например, у пшеницы улучшить хлебопекарные качества зерна, повысить зимостойкость, устойчивость к полеганию, болезням и т.д.
Схему селекционной программы мутационной селекции можно представить в следующей последовательности (рис. 5.29).

Первый год. Выбор сорта для облучения. Облучение достаточно большого количества семян одной или несколькими дозами (или оптимальной); высев облученных семян (раздельно); индивидуальное наблюдение и раздельная уборка растений; анализ растений (M1).
Второй год. Выращивание потомств всех убранных растений в M1 в качестве семей M2 (не менее 20 растений на каждую семью). Тщательное наблюдение за развитием всех семей в М2 и отбор измененных по какому-нибудь признаку растений (т.е. мутантов). Индивидуальный внешний анализ и обмолот, (а если необходимо, проводят химический анализ по определению какого - либо вещества).
M4-M6 испытание мутантов на урожайность, устойчивость к полеганию и другие полезные признаки.
Третий год. Выращивание отобранных мутантов в M2 по семьям. Тщательное наблюдение для определения константности мутанта в сравнении с исходным сортом. Мутанты, сохранившие изменения в M3 в такой степени, как и в поколении M2 отбираются и включаются в предварительное испытание с целью определения их ценности.
Четвертый и последующий годы. Сравнение и оценка мутантных линий в отношении хозяйственно-ценных признаков. К дальнейшему испытанию и размножению оставляют только выделившиеся мутанты с хорошо выраженными ценными признаками и свойствами.
При необходимости, облучение семян, собранных в разных поколениях мутантов (M1-3), можно повторить (многократное облучение или химическая обработка). При этом выход мутантов с каждым облучением возрастает, так как чувствительность растений к мутагенам повышается от одного поколения к другому, поэтому при повторных облучениях дозы мутагенов необходимо уменьшать.
Следует также отметить, что гетерозиготные (гибриды) растения, по данным многих исследователей, обладают большей мутабильностью, чем гомозиготные. У них сравнительно чаще встречаются микромутации и реже макромутации. Однако отбор микромутаций более технически трудной, чем макромутацией. Первые можно обнаружить только путем тщательных наблюдений или анализа мутантных растений (например, подсчетом числа зерен в колосе, индивидуальной оценкой каждого растения на устойчивость к полеганию, болезням и т.д.).
Ген, вызывавший определенные изменения, может затруднить некоторые биохимические процессы как в клетке, так и в целом организме (например, обмен веществ). Такое изменение, в свою очередь, может вызвать изменение другого гена (признака), т.е. один ген окажет влияние на другой. Такое взаимодействие является основой действия всех генетических структур живого организма, которое Менделем было названо плейотропией , а Ч.Дарвин - параллельной изменчивостью.
Позже Н. Вавилов, изучая многообразие видов растений, обнаружил что все виды растений имеют параллельную изменчивость. Например, пшеница группируется в четыре генетические группы, различаемые по числу хромосом (2n=14, 28, 42, 56). Каждая группа представлена множеством разновидностей и рас, разделенных по признакам: 1) остистые, безостые, полунифлятные, с изогнутыми зубцами и т.д.; 2) белоколосые, красноколосые, сероколосые и т.д.; 3) с опушенными и неопушенными, чешуями, стержнем и т.д.; 4) белозерные, краснозерные и т.д.; 5) озимые, яровые, двуручки (рис. 5.30.).

Проанализовав все это разнообразие Н. Вавилов обнаружил, что мутационная изменчивость имеет определенную закономерность, которая позволила сформировать закон гомологических рядов.
Параллельная изменчивость и закон гомологических рядов выражают примерно одинаковое значение. Первое понятие означает, что в разных ботанико-систематических группах растений с одинаковой или сходной наследственностью изменчивость протекает также сходным образом (между наследственностью и изменчивостью наблюдается параллелизм).
Под гомологическими рядами понимаются ряды изменчивости у различных видов растений, характеризующихся определенным сходством у генотипически близких видов. Например, остистость, безостость, полуостистость обнаруживается у мягкой и твердой пшениц, ячменя и ржи.
Таким образом, подводя итоги мутационной селекции, можно суммировать ее положительные стороны:
1. Каждое новое наследственное изменение может быть началом нового организма, вида и т.д. Возникновение новых мутаций происходит постепенно, следующих одна с другой с обязательным закреплением новых форм путем естественного или искусственного отбора. Следовательно, селекция растений есть не что иное, как эволюция, управляемая волей человека.
2. Используя мутационную селекцию, можно быстрее добиться успеха в изменении определенного признака. Это обосновано тем, что мутационная селекция гетерозиготная по многим признакам.
3. Мутационная селекция позволяет создавать исходный материал для комбинационной селекции, т.к. с помощью мутагенов можно индуцировать отдельные признаки, недостающие у ценных сортов, например, устойчивость к полеганию.