3) Тема 3. Генетические основы количественной изменчивости.

Изме́нчивость

свойство организмов изменять свою морфофизиологическую организацию, обусловливающее разнообразие индивидов, популяций, рас и т.д. Изменчивость присуща всем организмам и наблюдается даже у генетически близкородственных особей, имеющих сходные или общие условия жизни и развития. например у близнецов, членов одной семьи, штаммов микроорганизмов и вегетативно размножающихся организмов. Измененные формы индивидов, популяции, расы и т.д. называют вариантами. Факторами, уменьшающими степень изменчивости, являются в основном естественный отбор и случайные воздействия. Основным положением генетики (Генетика) является тезис о том, что фенотип (внешние признаки) представляет собой результат взаимодействия между генотипом и средой. Генотип определяет число фенотипов, способных образоваться в различных условиях окружающей среды. В основе И. лежат либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутаций генов (см. Ген) и (или) хромосом (Хромосомы) или их рекомбинации. Диапазон проявлений генотипа в зависимости от условий окружающей среды называют наследственной нормой реакции.

Изменчивости подвержены любые особенности организма, будь то морфологические, физиологические или биохимические признаки. Она может затрагивать как количественные (метрические) признаки (например, число пальцев, позвонков, массу и размеры тела), так и качественные (например, цвет глаз, окраску кожных покровов)

Изменчивость количественных признаков характеризуется отсутствием скачков, поэтому ее называют постепенной (количественной, непрерывной). Этапы количественной И. в группах особей как носителей признаков нельзя четко разграничить, т.к. такие особи связаны друг с другом множеством промежуточных форм. Количественные признаки контролируются большим числом генов, которые функционируют как единая система (так называемые полигены) и сильно варьируют под влиянием факторов окружающей среды.

Изменчивость качественных признаков (качественная, прерывистая, или альтернативная, И.), наоборот, характеризуется наличием скачков. При качественной И. особи могут быть разделены на четко разграниченные неперекрывающиеся группы по наличию или отсутствию конкретного признака. Наследование качественных признаков обычно контролируется генами одного или нескольких локусов, аллели которых обладают выраженным индивидуальным проявлением и распределяются в соответствии с законами Менделя. Для многих признаков человека характерно типичное менделевское наследование. Если принять общее число структурных генов у человека равным 100000, то тогда каждый индивид может быть гетерозиготным в среднем по 30000 генов, чем и обусловлен чрезвычайно высокий генетический полиморфизм особей в популяциях.

Общую, или фенотипическую, И. подразделяют на ненаследственную и наследственную.

Ненаследственная (средовая, паратипическая) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. Факторы окружающей среды оказывают существенное влияние на проявление многих генов. Изменение того или иного признака под влиянием условий окружающей среды часто колеблется в пределах наследственной нормы реакции данного вида и носит характер адаптации (Адаптация), или приспособлений. Эту форму ненаследственной И. называют также модификационной. Таким образом, пределы модификационной И. определяет Наследственность.

При модификационной И. наследственные структуры половых клеток не изменяются; наблюдается лишь изменение проявления генов в соматических клетках, что выражается в фенотипе организма. Если же воздействие факторов окружающей среды значительно превышает границы, в которых возможно существование организма, или же наорганизм влияет агент, не свойственный той среде, к которой шла приспособительная эволюция вида то, в таких случаях происходит нарушение развития, появляются врожденные пороки развития (уродства) или организм гибнет. Факторы окружающей среды, вызывающие аномалии развития зародыша человека или животных, называют тератогенами. К ним относятся физические факторы (рентгеновские лучи, альфа-, бета- и гамма-излучения, гравитационные перегрузки, вибрации), химические факторы (ядохимикаты, некоторые лекарственные вещества и т.п.) и биологические факторы (некоторые вирусы, микробы, простейшие). Описана прямая зависимость типов врожденных пороков развития от стадии эмбриогенеза, на которой зародыш подвергается действию определенного тератогена. Под влиянием тератогенов различных классов возникают одинаковые изменения органов, причем эти пороки развития сходны с наследственными аномалиями, обусловленными мутантными генами или хромосомными аберрациями. Вызываемые тератогенами уродства, сходные с наследственными аномалиями развития, называют фенокопиями.

Наследственная (генотипическая) изменчивость составляет часть общей (фенотипической) изменчивости, которая определяется генетическими различиями между особями или группами особей. Ведущую роль в процессах генотипической И. играет изменение генотипа в результате изменения репродуцирующихся структурных элементов ядра (ДНКхромосом) — мутации (см. Мутагенез). Генотипы являются не чем иным, как комбинациями генов. Поэтому биологическое значение полового размножения заключается именно в том, что образование разнообразных генотипов при таком размножении значительно ускоряется. Наряду с мутациями источником генотипической И. являются рекомбинации генов (так называемая рекомбинационная И.). На степень генотипической И. в популяции влияет также приток генов из других популяций. Изменения генотипа приводят к изменению характера развития того или иного признака в данных условиях окружающей среды, изменению наследственной нормы реакции и появлению различных отклонений (наследственные аномалии развития). Сходство врожденных пороков развития, возникающих в результате действия повреждающих факторов окружающей среды, и наследственных аномалий объясняется тем, что при мутациях и под влиянием тератогенов в клетках формирующихся тканей и органов нарушаются одни и те же звенья биохимических процессов.

Изменчивость и наследственность — это две стороны одного и того же круга явлений. Передающиеся по наследству изменения представляют материал для отбора. И., наследственность и отбор организмов, наиболее приспособленных к условиям данной среды, составляют основные движущие силы эволюционного процесса. Отборнаследственно измененных форм является основным фактором видообразования. Известно появление ряда штаммов микроорганизмов, обладающих высокой устойчивостью к антибиотикам (см. Лекарственная устойчивость микроорганизмов). В 1944 г. было начато применение в широких масштабах ДДТ и других инсектицидов, а уже к 1960 г. более 120 видов насекомых, в т.ч. около 60 видов, имеющих медицинское значение, обладали устойчивостью к ним. Описана физиологическая устойчивость, связанная с образованием разнообразных механизмов, препятствующих проникновению в организм насекомого инсектицида или его действию.

Определение признака многими генами, т.е. полигенной системой, обусловливает высокую стабильность фенотипа. Единичная мутация вряд ли серьезно нарушит проявление признака, зависящего от совместных эффектов генов 30 и более локусов. Отбор благоприятствовал наработке подобных систем, т.к. они уменьшали вредные последствия таких незначительных событий, как замена одной пары азотистых оснований в молекуле ДНК (см. Нуклеиновые кислоты) на другую. Однако полигенные системы, характеризующиеся сравнительно малой И., обладают огромной потенциальной способностью к И. в результате различных комбинаций генов. Под действием отбора может происходить увеличение числа организмов с такими генотипами, которые при отсутствии отбора никогда не стали бы массовыми. Полигенные системы являются важным механизмом поддержания равновесия между приспособленностью к условиям данного времени и гибкой приспособляемостью к медленным, длительным изменениям окружающей среды.

Наследственная и ненаследственная модификационная И. всегда находятся в гармоническом сочетании и важны для существования живых организмов. Если на основе первой из них отбор создает приспособительную наследственную норму реакции, то посредством модификационной И. наследственная норма реакции реализуется в конкретных условиях окружающей среды, обеспечивая целесообразное реагирование индивида на те или иные воздействия внешних факторов. Противники генетики в свое время навязывали биологии ламаркистское учение, согласно которому главным в развитии организмов является окружающая среда. Эта концепция подменяла внутренние причины развития внешними воздействиями окружающей среды. Несостоятельность доктрины о решающей роли окружающей среды в развитии организмов очевидна. Однако неправильно было бы считать, что окружающая среда не играет никакой роли в развитии организмов. Факторы окружающей среды нередко оказывают заметное влияние на проявление контролируемых генами признаков, что приводит к их усилению или ослаблению. Особенно чувствительны к влиянию факторов окружающей среды культурные высокопродуктивные формы животных и растений. Гены, контролирующие количественные признаки, очень «отзывчивы» на изменение факторов окружающей среды. Примером взаимодействия генотипа и экзогенных факторов в этиологии и патогенезе заболеваний человека может служить эмфизема легких, которая первично обусловлена наследственной недостаточностью ингибитора Трипсина — α-антитрипсина. У гомозиготных индивидов развиваются эмфизематозные изменения в легких; такие люди, как правило, погибают в среднем возрасте. Ранее полагали, что гетерозиготные индивиды, выявляемые биохимически, не болеют. Однако позднее было установлено, что эмфизема у них все же может возникнуть в тех случаях, когда легкие подвергаются вредному воздействию (курение, выбросы промышленных предприятий в воздухе и др.).

Для установления этиологии тех или иных заболеваний и врожденных пороков развития у человека прежде всего необходимо выяснить, являются ли эти отклонения от нормы наследственными или они обусловлены тератогенами, т.е. ненаследственны. В случае наследственной природы того или иного дефекта следует определить соотносительное значение генетических факторов и окружающей среды в проявлении данного дефекта, т.к. для разработки методов терапии и профилактики наследственных аномалий важно знать не только их патогенез, но и возможности изменения проявления мутантного гена. Для изучения механизмов развития и для разработки методов лечения наследственных болезней (Наследственные болезни) могут быть с успехом использованы мутантные линии животных, имеющих с человеком сходные аномалии. Проявление эффектов мутантных генов у высших организмов во многих случаях поддается изменению; это открывает большие возможности для разработки эффективных методов исправления наследственных аномалий на фенотипическом уровне, т.е. нормализации развития организма без изменения генотипа. Вместе с тем, учитывая, что проявление эффектов генов зависит в большой степени от влияния факторов окружающей среды, следует защищать развивающийся зародыш человека от повреждающего действия тератогенов, что может значительно снизить частоту ненаследственных врожденных пороков развития.

Признаки в популяциях. Качественные и количественные признаки.

Любой представитель вида обладает и видоспециальными и индивидуально специфическими особенностями. Любая особенность, присущая данному индивидууму – признак. Анализ всегда ведется на уровне популяции. Не применим к отдельному ч-ку – важен разброс признаков в данной популяции, изменчивость различных признаков в популяции. В популяциях каждый ген может встречаться в виде множества аллелей. Наличие нескольких аллелей каждого гена в популяциях обеспечивает определенный уровень генетического полиморфизма и комбинативной изменчивости.

Популяция – сообщество особей одного вида, занимающее одну территорию. Популяция всегда динамична, у человека основное влияние оказывает социальный фактор.

В популяции существует изменчивость признаков, от типа изменчивости выделяют 2 вида признаков:

1.       Качественные (дискретные)

2.       количественные (континуальные)

фенотипические проявления качественных признаков:

А) Имеют ярко выраженные формы, промежуточных форм не существует. (пол, резус-фактор) либо одно, либо другое.

Б). имеют моногенный характер наследования – за их проявления отвечает 1 ген.

Количественные – имеют количественную или непрерывную изменчивость от мин. До мах. Значений. Существуют промежуточные варианты. (рост, вес, IQ). Полигенное наследование – за наследование отвечают много ген. На развитие количественных признаков влияет и среда.

При исследовании континуальных хар-к невозможно определить количество «больных» и «здоровых», т.е. нельзя применить законы Менделя, описывающие мех-мы исследования дискретных признаков.

С целью описания мех-мов передачи по наследству континуальных признаков Гальтон предложил статистический аппарат «ко-реляция» (англ. Co-relation – со-отношение), затем он превратился в коэффициент корреляции Пирсона (Пирсоновкая корреляция).  Корреляция представляет собой индекс сходства, изменяющийся от нуля (r = 0), который обозначает отсутствие какого-либо сходства, до единицы (r = ± 1,0), обозначающей абсолютное сходство (или абсолютную противоположность, если имеет отрицательный знак).

Представление о том, что количественные признаки формируются в результате действия множества генов, является краеугольным в разделе генетики, называемом генетикой количественных признаков. Эта область науки была разработана Фишером и Райтом. Генетика количественных признаков (ГКП) представляет собой основу для общей теории происхождения (этиологии) индивидуальных различий, будучи междисциплинарной наукой.

Центральной догмой ГКП является утверждение о том, что внутри популяции существуют континуально (непрерывно) распределенные количественные оценки индивидуально – психологических особенностей. ГКП систематизирует межиндивидуальные различия и рассматривает их как закономерную изменчивость внутри изучаемой группы. Кроме того, ГКП указывает на источники появления изменчивости и определяет вклад каждого из этих источников.

Сходство родственников по анализируемым признакам позволяет утверждать, что генетические факторы влияют на количественные признаки, примером которых может служить как патология (например шизофрения), так и норма (когнитивные способности). Для того чтобы разделить вклады среды и генов, исследователи применяют специальные статистические модели или изучают несколько типов родственников одновременно.

Наследование континуально распределенных признаков не подчиняется законам Менделя. Эти признаки, в категорию  которых попадает большинство сложных поведенческих хар-к ч-ка, наследуются согласно мультифакторным моделям – моделям, учитывающим совместное влияние многих генов и многих факторов среды. При этом гены и среда взаимодействуют м\у собой. Генетическая предрасположенность – не достаточное условие для развития признака, однако она определяет вероятность его появления.

енотип и фенотип.

Понятия генотип и фенотип связаны с понятиями наследственность и среда, но не идентичны им. Эти понятия ввел В.Иоганнсен в 1909г. понятием генотип обозначается сумма всех генов организма, наследственная конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма, т.е. набор генов, состоящих из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и организованных в хромосомный ряд. Генотип организма является результатом слияния двух гамет (яйцеклетки и оплодотворяющего ее спермия).

Понятием фенотип обозначаются любые проявления живущего организма – его морфологические, физиологические, психологические и поведенческие особенности. Фенотипы не наследуются, а формируются в течение жизни; они – продукт чрезвычайно сложного взаимодействия генотипа и среды. Существуют единичные признаки, фенотип которых полностью определяется их генетическими мех-ми. (полидактилия – наличие добавочного пальца, или группа крови ч-ка.

Для любого генотипа существует диапазон сред, в котором он может проявить себя максимально. Среду, одинаково благоприятную для всех генотипов, найти нельзя. Сред должно быть много, чтобы у каждого генотипа была возможность найти свою среду и реализоваться. Однообразная среда, какой бы обогащенной она ни была, будет благоприятствовать развитию только определенных, а не всех генотипов.

В узком смысле генотип – совокупность аллелей гена или группа генов, контролирующих развитие и проявление анализируемого признака у данного организма.

Ген (греч – род, происхождение) представляет собой единицу генетического материала. Гены выполняют несколько функций, одна из которых  - кодирование первичной структуры полипептида (белка).

Аллели – это альтернативные формы гена, определяющие альтернативные формы одного и того же признака. Они возникают в результате изменений структуры гена за таких генных процессов, как мутация и рекомбинация. В норме у каждого ч-ка имеется два аллеля каждого гена – по одному аллелю на каждой из хромосом.

Нормой (диапазоном) реакции генотипа называется система, описывающая множество  фенотипов, существование которых потенциально возможно в том случае, если данный генотип будет находиться во взаимодействии с определенными средами. Понятия и нормы, и диапазона реакции предполагают, что каждый генотип ассоциируется с определенным, характерным для него, рядом фенотипов, формирующихся в разных средах.

Разброс фенотипических значений существенно возрастает в типичной среде и достигает максимума в среде обогащенной. Разница м\у значениями данного генотипа в обедненной и обогащенной средах называется диапазоном реакции этого генотипа.

М\у генотипом и фенотипом нет неопосредованной зависимости. Влияние генов на поведение имеет опосредованный хар-тер. Для изучения зависимости м\у геном (или генотипом) и поведением (или фенотипом) исследователи располагают двумя подходами:

1.    предполагает движение от фенотипа к генотипу

2.    противоположное направление движение от гена к фенотипу.

Изменчивость, межиндивидуальная вариативность – неизбежная форма существования живых организмов. Она формируется в результате взаимодействия наследственных и средовых факторов, комбинация которых уникальна для каждого живого организма.

Продуктом реализации данного генотипа в данной среде является фенотип – наблюдаемые морфологически, физиологические, психологические хар-ки организма. Фенотипы не наследуются, а формируются в течение жизни в результате взаимодействия генотипа и среды. Одним из центральных понятий при описании этого взаимодействия служит понятия норма (диапазон) реакции.