Вступ Предмет генетики. Поняття про спадковість і мінливість. Місце генетики серед біологічних наук

Фундаментальними властивостями живої природи, що відрізняють її від неживої матерії, є здатність до розмноження і спадковість, яка полягає в тому, що особини будь-яких видів народжують собі подібних і їхні нащадки більше схожі на своїх родичів, ніж на інших представників того ж виду. Під час запліднення від батьків нащадкам передається та в процесі онтогенезу реалізується спадкова інформація про специфіку будови клітин, тканин, органів, зовнішнього вигляду (фенотипу), про особливості фізіологічних і поведінкових функцій, інші ознаки і властивості організму. При цьому кожен біологічний вид характеризується певним рівнем мінливості, і навіть брати і сестри ніколи не є точними копіями. Закономірності і механізми цих процесів - спадковості та мінливості - служать предметом вивчення генетики. Тому основними напрямками генетичних досліджень є вивчення механізмів: 1) зберігання спадкової інформації (дослідження клітинних стуктур, що відповідають за її збереження); 2) передачі генетичної інформації у низці поколінь; 3) реалізації спадкової інформації, результатом якої є формування властивостей і ознак організму; 4) зміни генетичної інформації протягом онтогенезу. Дослідження в цих напрямках відбуваються на різних рівнях: молекулярному, клітинному, організменому, популяційному.

Гене́тика (грец. γενητως— той, що породжує) — наука про механізми формування спадкових ознак і властивостей організмів, закономірності їх успадкування, зміни їх під впливом факторів середовища. Термін введений в науку у 1906 році англійським генетиком В.Бетсоном (William Bateson), який вперше ужив слово «генетика» публічно на Третій міжнародній конференції з гібридизації рослин (Лондон). Через універсальність генетичного коду генетичні процеси складають основу вивчення всіх форм життя: від вірусів до людини.

Нині генетика становить теоретичний фундамент сучасної біологічної науки та виступає авангардом її развитку. Наукові генетичні відкриття сприяють розвитку таких сучасних біологічних наук как біотехнологія, генна інженерія, молекулярна біологія. Важко переоцінити роль генетики в развитку медицини, екології, аграрного виробництва, лісового господарства. Генетика є теоретичною основою селекції культурних рослин, домашніх тварин, штамів мікроорганізмів.

Генетика складається із загальних і спеціальних розділів. Загальні розділи присвячені вивченню матеріальних основ спадковості і мінливості: молекулярної будови нуклеїнових кислот – носіїв спадкової інформації; вивчення способу упаковки генетичного матеріалу в клітинах і його спадкової передачі в ряду поколінь; вивчення структури і функцій генів, типів успадкування, основних інформаційних процесів тощо.

У спеціальних розділах генетики досліджуються особливості прояву загальних теоретичних закономірностей спадковості і мінливості у різних біологічних видів. Сучасна генетика розгалужена на генетику рослин, генетику тварин, генетику людини, генетику мікроорганізмів, цитогенетику, популяційну і математичну генетику, кожна з яких, у свою чергу, поділяється на ряд більш вузьких галузей генетичних досліджень (див. рис. 1).

Напрями генетики людини, присвячені вивченню механізмів формування спадкової патології, є предметом вивчення медичної генетики. Основною метою медичної генетики є вивчення ролі генетичних складових в етіології і патогенезі різних захворювань. Основою для цього стали успіхи в області молекулярної генетики, що завершилися розшифровкою структури генома людини, ідентифікацією усіх його генів і визначенням молекулярної природи переважної більшості білків. Нині відбувається інтенсивне вивчення асоціації різних генів людини з моногенними і мультифакторіальними захворюваннями.

Рис.1. – Галузі сучасної генетики (за Лобашевим, 1965)

Однією з основних властивостей живих організмів є спадковість – здатність батьків передавати нащадкам свої ознаки та властивості, а також обумовлювати специфічний характер онтогенезу в певних умовах середовища. Зовнішнім проявом спадковості є морфо-функціональна подібність батьків і нащадків, а також особин, об’єднаних родинними зв’язками. Спадковість забезпечує певну консервативність живої матерії завдяки наявності та відтворенню матеріальних носіїв спадковості – генів – ділянок молекули ДНК з різноманітною послідовністю нуклеотидів. У вузькому розумінні цього поняття спадковість – властивість гена визначати специфічну будову білкової молекули та контролювати розвиток окремої ознаки та цілого організму.

Розрізняють наступні типи спадковості:

1. Ядерна - контролюється генами, локалізованими в хромосомах ядра;

2. Неядерна, або цитоплазматична – контроль успадкування ознак організму здійснюється елементами цитоплазми, що містять ДНК (пластидами, мітохондріями, власне цитоплазмою).

3. Акаріотична спадковість – виявлена у неядерних форм (вірусів, бактерій).

В еукаріотичних клітинах ланцюги ДНК формують конденсовані структури, які називаються хромосомами.

Хромосоми містяь гени – елементарні одиниці спадковості. Ген - структурно-функціональна одиниця генетичного матеріалу; фрагмент молекули ДНК (у деяких вірусів - молекули РНК), що включає нуклеотидну послідовність, в якій закодована первинна структура поліпептиду (білка) або молекули транспортної чи рибосомної РНК. Обумовлюючи первинну структуру білка, ген визначає формування окремої ознаки організму або клітини. Ген може визначати наявність ознаки (фена) організму або брати участь у формуванні кількох ознак (явище плейотропії). Основна маса ознак в організмі формується в результаті взаємодії багатьох генів (явище полігенії). Втрата гена або його зміна внаслідок мутації призводять до зміни ознаки, ним контрольованої. Ступінь проявлення ознаки, що контролюється геном, тобто його експресивність, залежить від впливу умов середовища.

Але навіть у межах спорідненої групи особин, що знаходяться в подібних умовах існування, прояв того ж самого гена може варіювати за ступенем вираженості. Отже, при формуванні ознак генотип виступає як цілісна система, що функціонує в суворій залежності від внутрішньоорганізменого та навколишнього середовища. Окрема ознака або сукупність всіх ознак організму, тобто його фенотипу, є результатом взаємодії генотипу з навколишнім середовищем. Здатність гена фенотипічно проявляти себе тим чи іншим чином називають пенетрантністю гена.

Місцезнаходження певного гена на генетичній карті хромосоми називається локусом.

Рис. 2 – Пара гомологічних хромосом різного батьківського походження з розміщеними на них алельними генами

У диплоїдних організмів, тобто в організмів, соматичні клітини яких мають парний набір хромосом різного походження (від матері та батька), гени представлені парою алелів. У випадку присутності двох однакових алелів одного гена в гомологічних хромосомах організм називають гомозиготним за цим геном, за наявності в однакових локусах гомологічних хромосом різних алелів гена (домінантного та рецесивного) – гетерозиготним (рис.2).

Алелі (від грецьк. ἀλλήλων — взаємно) – різні біохімічні форми будь-якого гена, що знаходяться в однакових ділянках (локусах) гомологічних (тобто однакових за будовою) хромосом, одержаних від батьків, і визначають альтернативні варіанти розвитку певної ознаки. Терміни «алель», «ген», «генотип», «фенотип» запропоновані у 1909 році датським біологом В.Йогансеном.

Послідовність нуклеотидів ДНК може змінюватись завдяки мутаціям, унаслідок чого виникають нові алелі. Якщо мутація відбувається в гені, то новий алель впливає на фенотипову ознаку (фен), яку кодує цей ген, змінюючи таким чином фенотип організму. Хоч ця проста відповідність між алелем і спадковою ознакою існує в деяких випадках, більшість ознак успадковується більш складно і контролюються багатьма генами, формуючись на основі взаємодії відповідних білків і ферментів. Вивчення спадкування таких ознак є одним із основних завдань сучасної генетики.

Теоретично кількість алелів кожного гена в популяціях є численною, але не всі вони пройшли еволюційний добір. В організмі алельна пара генів може складатися з ідентичних (явище гомозиготності) або різних (явище гетерозиготності) алелів. У гетерозигот фенотипний прояв одного алеля може повністю пригнічувати проявлення іншого алеля. Пригнічуючий алель називають домінантним, а пригнічений - рецесивним. Відповідно і контрольовані ними ознаки носять назву домінантних чи рецесивних. Фенотипний прояв рецесивного гена можна спостерігати в організмів, гомозиготних за ним, або у випадку відсутності у гена алельної пари (гени статевих хромосом при ХУ-спадкуванні). У гетерозиготних організмів можливе і спільне - кодоминантне - проявлення алелів. Отже, поняття «домінантний» і «рецесивний» відображають внесок даного гена у формування конкретної ознаки.

Властивість гена пригнічувати або бути пригніченим значною мірою залежить також від генного оточення - генотипного середовища, в якому він знаходиться. Перенесення гена в інше місце хромосоми (зміна його генного оточення) призводить до втрати ним своїх властивостей, у тому числі навіть такої властивості, виробленої у процесі тривалої еволюції, як домінантність. Це явище називають ефектом положення гена. При поверненні гена в колишнє місце на хромосомі його здатність домінувати відновлюється. Незважаючи

на різноманітність взаємодії алелів, іноді досить складних, всі вони підкоряються закону одноманітності гібридів першого покоління (закону домінантності).

Спадкування кожної ознаки характеризується певним механізмом передачі спадкової інформації від одного покоління клітин або організмів іншому, тобто передачі системи контролю розвитку ознак організму. Наприклад, при ядерній спадковості успадкування ознак може бути моногенним, ди- та полігениим; аутосомним або зчепленим зі статтю; кодомінантним.

Спадкові ознаки можуть змінюватись не лише за рахунок змін в послідовності ДНК, але й за рахунок інших механізмів (наприклад, за рахунок метилювання цитозину, метилювання амінокислот гістонів тощо). Вивченням таких питань займається епігенетика. Індуковані в ранньому онтогенезі епігенетичні зміни можуть фіксуватися за механізмом імпринтингу та змінювати хід онтогенезу. Причиною еволюції, крім випадкових змін (мутацій), що відбираються природним добором, є спрямовані, адаптивні зміни (епімутації). Отже, інформація про фенотип міститься не тільки в геномі, але і в епигеномі, який є пластичним і може, змінюючись під впливом певних середовищних стимулів, впливати на дію генів. Епігеном - це сукупність всіх епігенетичних маркерів, що обумовлюють експресію генів у клітині. Відомі епігенетичні механізми: метилювання ДНК; ремоделювання хроматину; регуляція на рівні РНК; зокрема, РНК-інтерференція; пріонізація білків; інактивація Х-хромосоми. Можливі й інші, поки не відомі механізми.

Для визначення ступеню спадкової обумовленості ознаки використовують коефіцієнт успадковуваності. Успадковуваність — це частка загальної фенотипової мінливості, зумовлена спадковістю, генотипова обумовленість мінливості ознаки для популяції або групи організмів. Ступінь успадковуваності визначають кількісно за допомогою коефіцієнта успадковуваності h². Останній визначає, яка частина загальної мінливості, що спостерігається, контролюється генотиповою мінливістю: h² = σ²_G : σ²_P = σ²_G : σ²_G + σ²_E, де σ²_G - дисперсія, спричинена генотиповою мінливістю; σ²_P – дисперсія, обумовлена фенотиповою мінливістю; σ²_Е – показник мінливості під впливом середовища. Отже, загальна дисперсія σ²_P може бути представлена у вигляді суми дисперсії, спричиненої відмінностями в генотипі (σ²_G), та дисперсії, спричиненої впливом середовища (σ²_E).

Сукупність генів  гаплоїдного набору хромосом у клітині певного біологічного вида називається гено́мом. Геном містить біологічну інформацію, необхідну для побудови та життєдіяльності організму. Більшість геномів усіх клітинних форм побудовані з ДНК, але деякі віруси мають геноми з РНК. У людини геном складається з 23 пар хромосом ядра та  мітохондріальної ДНК. Двадцать дві аутосоми, дві статеві хромосоми  (Х та Y), мітохондріальна ДНК людини містять разом приблизно 3,1 млрд  пар основ.

Сукупність генів хромосом (ядерний геном) і генів, локализованих у цитоплазматичних структурах — мітохондріях, пластидах, плазмідах, визначає  генотип  клітини чи організму.

Генотип - сукупність генів даного організму, яка, на відміну від понять геному і генофонду, характеризує особину, а не вид. На відміну від генотипу поняття ”геном” включає також некодуючі послідовності нуклеотидів. Зазвичай про генотип говорять в контексті певного гена. Генотип не завжди відповідає тому ж самому фенотипу. Деякі гени проявляються у фенотипі тільки в певних умовах. З іншого боку, деякий фенотип, наприклад, забарвлення шерсті тварин, є результатом взаємодії декількох генів за типом комплементарності.

Фенотип – сукупність ознак і властивостей організму, які сформувалися на основі взаємодії генотипу та факторів середовища в процесі онтогенезу. Відображає гено­тип, якщо рецесивний алель певної ознаки знаходиться в гомозиготному стані. Фе­нотип змінюється в процесі розвитку особини. Термін фенотип запропонував датський вчений Вільгельм Йогансен у 1909 р., разом з концепцією генотипу, щоб розрізняти спадкову основу організму та те, що виходить в результаті її реалізації. Ідею про відмінність носіїв спадковості від результату їх дії можна простежити вже у працях Грегора Менделя (1865) і Августа Вейсмана. Останній розрізняв (у багатоклітинних організмах) репродуктивні та соматичні клітини. Деякі характеристики фенотипу безпосередньо визначаються генотипом, наприклад, колір очей. Інші сильно залежать від взаємодії організму з навколишнім середовищем. Наприклад, однояйцеві близнюки можуть розрізнятися за ростом, вагою та іншими основними фізичними характеристиками, незважаючи на те, що несуть ті ж самі гени.

Фенотипна дисперсія (визначається генотипною дисперсією) є основною передумовою для природного добору та еволюції. Організм залишає (або не залишає) потомство, тому природний добір впливає на генетичну структуру популяції опосередковано через вклади фенотипів. Без різних фенотипів немає еволюції. При цьому рецесивні алелі не завжди відображаються в ознаках фенотипу, але зберігаються і можуть бути передані потомству. Фактори, від яких залежить фенотипна різноманітність, генетична програма (генотип), умови середовища та частота випадкових змін (мутації), узагальнені в наступній залежності: генотип + зовнішнє середовище + випадкові зміни → фенотип Здатність генотипу формувати в онтогенезі, залежно від умов середовища, різні фенотипи називають нормою реакції. Вона характеризує частку участі середовища в реалізації ознаки. Чим ширше норма реакції, тим сильніше вплив середовища і тим менше вплив генотипу в онтогенезі. Зазвичай чим різноманітніші умови існування виду, тим ширша в нього норма реакції. Іноді фенотипи в різних умовах сильно відрізняються один від одного. Так, сосни в лісі високі й стрункі, а на відкритому просторі - розлогі. Форма листя жовтцю водяного залежить від того, у воді або на повітрі опинився лист. У людей всі клінічно визначені ознаки - зріст, маса тіла, колір очей, форма волосся, група крові і т. д. є фенотипними.

Під впливом факторів середовища організми набувають нових ознак у процесі онтогенезу. Ця властивість живих організмів називають мінливістю.

Мінливість – процес формування відмінностей між особинами одного виду або між різними видами за низкою ознак чи властивостей. Мінливість поряд із спадковістю і добором є основою еволюції всього живого. Розрізняють якісну, або альтернативну мінливість - коли особини за певною ознакою групуються у відповідності з присутністю або відсутністю в них цієї ознаки; і кількісну, або полігенну мінливість, при якій особини, що склали вибірку з популяції за кількісною ознакою, являють собою безперервний ряд окремих значень даної ознаки, яка контролюється полігенно і дуже залежить від умов зовнішнього середовища. Як кількісна, так і якісна мінливість в залежності від того, відбувається чи не відбувається зміна спадкової основи особини, розділяється на спадкову, або генотипну і неспадкову, або модифікаційну. Генотипна мінливість включає комбінаційну (гібридну) мінливість, засновану на нових сполученнях (комбінаціях) генів внаслідок гібридизації, і мутаційну мінливість, при якій новоутворення є наслідком структурної зміни гена або хромосоми. Комбінаційна і мутаційна мінливість можуть бути природними (спонтан­ними) і викликаними штучними умовами (при використанні примусового схрещуван­ня або різних мутагенних факторів). Розрізняють також спрямовану та неспряовану, індивідуальну (відмінність між окремими особинами) і групову (між групами особин, наприклад, різними популяціями даного виду) мінливість. Групова мінливість є похідною від індивідуальної. Мінливість забезпечує появу нових ознак та їхніх станів, завдяки чому утворюються нові види і відбувається історичний розвиток біосфери в цілому.

Неспадкова (модифікаційна мінливість) — мінливість, що характеризується зміною фенотипу під дією умов навколишнього середовища. Зміни зазвичай носять адаптивний характер. Модифікаційна мінливість зумовлена реакцією генотипу на навколишнє середовище — нормою реакції. Внаслідок цього відбувається зміна інтенсивності ферментативних процесів (посилюється біосинтез певних білків), що зумовлює формування певних адаптацій до навколишнього середовища (наприклад, темний колір шкіри). Норма реакції генетично детермінована, отже, якщо під дією навколишнього середовища вона розширюється, зміни у межах норми реакції успадковуються. Норма реакції визначається неповним домінуванням алелів в онтогенезі та можливим спектром експресії цих алелів у залежності від умов навколишнього середовища. Кожен вид має межі норми реакції — наприклад, особину певного виду не можна вигодувати до такої маси, яка в багато разів перевершує середньостатичну массу особин, характерну для цього виду.

Рис. 2. - Мінливість дзьоба в'юрків з архіпелагу Галапагоських островів (за Ч.Дарвіним, 1865).

Отже, модифікаційною мінливістю зумовлені індивідуальні особливості особин виду, що виникають у процесі їх постембріонального розвитку. Особливістю модифікаційної мінливості є статистична закономірність варіаційних рядів — ранжированого відображення неспадкової мінливості, яке складається з окремих значень видозмін, розміщених у порядку збільшення або зменшення кількісного вираження ознаки. Графічне відображенням модифікаційної мінливості є варіаційна крива. Загалом з варіаційної кривої видно, що найчастіше трапляються особини з середньою нормою реакції.

В останні десятиліття стався величезний прогрес у вивченні епігенетичної мінливості, в основі якої різноманітні успадковані, та іноді зворотні зміни експресії генів, не пов'язані з порушенням структури генетичного матеріалу. Нині очевидно, що епігенетичні чинники відіграють значну роль в онтогенетичній диференцировці; порушення цієї системи асоційоване з багатьма патологічними станами.

За епігенетичною теорією еволюції, природний добір є наслідком морфозів (неспадкових змін в організмі, спричинених зміною умов середовища), а модифікаційна мінливість — субстрат для природного добору. При порушенні нормального перебігу онтогенезу внаслідок морфозу виникає його дестабілізація, що обумовлює певну поведінкову або морфологічну адаптацію. Формується креод (епігенетична система), пристосований до змін середовища. Виникає найдоцільніший фенотип. Іноді внаслідок цього відбувається генокопіювання модифікацій — епігенетичне ремоделювання ділянок хроматину, що призводить до успадковування змін у фенотипі. Якщо такі особини залишають потомство, всередині виду утворюються угруповання з певними адаптаціями.

Порівняльна характеристика форм мінливості
Властивість	Неспадкова (модифікаційна)	Спадкова
Об'єкт змін	Фенотип у межах норми реакції	Генотип
Фактор виникнення	Зміни умов навколишнього середовища	Рекомбінація генів внаслідок злиття гамет, кросинговеру та мутацій
Успадковування ознак	Не успадковується (лише норма реакції)	Успадковується тільки в статевих клітинах (гаметах)
Значення для особини	Адаптація до умов навколишнього середовища, підвищення життєздатності	Корисні зміни призводять до виживання, шкідливі — до загибелі
Значення для виду	Сприяє виживанню	Призводить до появи нових популяцій, видів у результаті дивергенції
Роль в еволюції	Адаптація організмів	Матеріал до природного добору
Форма мінливості	Групова	Індивідуальна, комбінована
Закономірність	Статистична (варіаційний ряд)	Закон гомологічних рядів спадкової мінливості

Загальні закономірності успадкування ознак були встановлені на наступних експериментальних модельних об'єктах: рослинах - горох (Pisum sanivum), кукурудза (Zea mays); на тваринах - дрозофіла (Drosofila melanogaster), миша (Mus muskulus); на мікроорганізмах - кишкова паличка (Eseherichia coli), нейроспора - пліснявий гриб (Neurospora crassa), сахароміцети (Sacharomyces cerevisia). Останнім часом об'єктом генетичного вивчення все частіше є людина.