20

Тема 2. Мінливість

Це властивість живих організмів існувати у різних формах (варіантах). Наприклад, у людини мінливість за окремими фізіологічними та морфологічними ознаками може досягати 400%.

За механізмами виникнення розрізняють онтогенетичну, фенотипову та спадкову мінливість.

онтогенетична мінливість

Синоніми: парагеномна, епігеномна, епігенетична, епігенотипічна – це мінливість, яка зумовлена специфікою морфогенезу або клітинної диференціації. Генотип при цьому не змінюється, хоча онтогенетичні перетворення зумовлені генетичними факторами.

Причина: функціонування різних наборів генів на різних етапах індивідуального розвитку організмів.

неспадкова = фенотипова = модифікаційна)

це мінливість, яка відображає зміни фенотипу під впливом факторів довкілля, які не передаються нащадкам.

Наприклад,

• визначення статі після запліднення у деяких нижчих тварин (морський черв Bonellia);

• підводні та надводні листки деяких водних рослин відрізняються за формою (стрілолист);

• примула при 15⁰ має рожеві квітки, а при 30-35⁰ – білі;

• гімалайський кролик при 20⁰ має чорні вуха, лапи і пляму біля носу, а при 30⁰ – білий.

Розрізняють кілька варіантів модифікаційних змін:

1. Адаптивні модифікації – сприяють виживанню у змінних умовах середовища.

Наприклад,

• рослини в умовах затемнення мають більший розмір листя → ↑ фотосинтез;

• звірі при зменшенні температури – густіше хутро; засмага у людини;

• завчасна обробка низькими дозами мутагенів підвищує стійкість до великих доз;

• те саме – отрути.

Всі ці зміни відбуваються у межах норми реакції, зумовленої генотипом. У більшості випадків модифікації нестійкі і зникають як тільки припиняється дія факторів, що призвели до їх появи.

Механізм модифікацій: вони становлять собою результат зміни дії генів, яка Вона може спричинюватися

• змінами в механізмах регуляції дії генів,

• порушеннями їх експресії ,

• тимчасовими змінами генетичного матеріалу, котрі потім виправляються за допомогою активації відповідних репаративних систем,

• індукцією відповідних білків теплового шоку, які виділяються при найрізноманітніших впливах. Вони мігрують у ядро, де зв’язуються з певними еухроматиновими ділянками, запускаючи експресію необхідних генів.

Якщо відповідні зміни відбуваються на критичних стадії онтогенезу, то вони призводять до порушень детермінації та диференціації, що супроводжується виникненням морфозів і фенокопій.

2. Морфози - неспадкові зміни фенотипових ознак, які викликаються екстремальними або незвичними для виду факторами зовнішнього середовища. Вони різко виділяються за зовнішнім виглядом від інших фенотипів, поширених у популяції.

Наприклад, альбіноси і меланісти серед хребетних, рудоволосі (хромісти) серед європеоїдів тощо.

Види і популяції в межах яких поширені різні морфи, називають поліморфними.

До виникнення морфозів призводять і деякі мутації, що відзначаються неспадковим, не адаптивним і, як правило, незворотним характером, внаслідок чого їх розглядають як "каліцтва", що в нормі не характерні для виду.

3. Фенокопії – неспадкові зміни фенотипу, що виглядають як точні копії зовнішнього прояву певних мутацій або ознак, характерних для іншого генотипу.

Наприклад,

• деякі інфекційні хвороби (краснуха, токсоплазмоз), які мати перенесла під час вагітності, можуть стати причиною появи у немовлят фенокопій деяких спадкових хвороб і вад розвитку.

• Під впливом високих доз кортизону або нестачі кисню протягом вагітності тварин їх ембріони набувають фенокопії "вовча паща", яка не передається в поколіннях тощо.

Фенокопії та морфози, на відміну від модифікацій зберігаються протягом усього життя особини.

спадкова мінливість

Буває двох типів: ядерна комбінаційна і мутаційна.

Ядерна комбінаційна мінливість

Самостійно: комбінаційна мінливість прокаріотів → трансформація, кон’югація, трансдукція

Комбінаційна мінливість еукаріотів спричинюється такими процесами як

1. Кросинговер,

2. Випадковість розходження гомологічних хромосом до різних полюсів у мейозі (редукційний поділ).

3. Випадковість злиття гамет при заплідненні.

Кросинговер = рекомбінація

Це взаємний обмін ділянками гомологічних хромосом, який призводить до нових сполучень (комбінацій) генів у них. Він може охоплювати обидві нитки ДНК або тільки одну з них. Інколи кросинговер може охоплювати велику ділянку хромосоми з кількома генами, в інших випадках - тільки частину гену (внутрішньо-генний кросинговер). Внаслідок цього утворюється численні та дуже різноманітні варіанти генів у межах одного геному.

Загальні уявлення про механізм кросинговеру:

У профазі I мейозу активуються спеціальні ферменти рекомбінації. Часто це ті самі ферменти, що беруть участь у реплікації та репарації ДНК. До них відносяться:

1. нікази - розрізують 3 сусідні або протилежні хроматиди у гомологічних точках. Утворюються 4 відкриті кінці;

2. лігази – зшивають розрізи. При цьому реалізується щонайменш 2 варіанти:

• якщо об’єднаються відкриті кінці однієї й тієї ж вихідної хроматиди, то відновиться її первинна структура,

• якщо об’єднаються кінці різних хроматид, що належать до різних гомологічних хромосом, то утвориться нова комбінація генів у кожній із них. При цьому в гетерозиготних особин може відбуватися конверсія генів, тобто в кожній із хроматид її домінантний алель може замінюватися на рецесивний із іншої несестринської хроматиди і навпаки.

Перекомбінація генів відбувається легше, коли вони розташовані вздовж хромосоми далеко один від одного (частота обмінів більша). Коли ж вони розташовані близько, то така перекомбінація відбувається важче (частота обмінів менша). Це свідчить про те, що частота кросинговеру може слугувати мірою відстані між генами. СЕМІНАРИ

Але в деяких випадках частота реальних актів рекомбінації не співпадає з теоретично очікуваною внаслідок інтерференції - це зниження ймовірності сусіднього перехрещування біля точки, в якій уже відбувся кросинговер.

Крім того між будь-якими двома зчепленими генами можливий не тільки одинарний, але й подвійний (2-хроматидний, 3-хроматидний, 4-хроматидний) і множинний кросинговер, що також призводить до зниження загальної частоти кросинговеру, котра реєструється дослідниками.

При цьому може відбуватися нерівний кросинговер, коли точки рекомбінації знаходяться не в ідентичних локусах двох батьківських молекул ДНК (гомологічними, але неалельними). Рекомбінація між такими неправильно спареними копіями генів призводить до утворення рекомбінантних хромосом, в одній із яких є зайвий фрагмент певного гену (дуплікація), а в іншій хромосомі – відповідний сегмент втрачається (делеція).

Рівень рекомбінації може зростати і внаслідок сайт-специфічної або незаконної рекомбінації:

• сайт-специфічна рекомбінація тільки у певних ділянках геному розміром 10-20 п.н. (наприклад, при включенні чи МГЕ). Вона лежить в основі запрограмованої перебудови ДНК при зміні типів спарювання дріжджів, забезпечення різноманітності антитіл тощо.

• незаконна (негомологічна) рекомбінація при взаємодії негомологічних молекул ДНК. Вона призводить до структурних перебудов хромосом. Така рекомбінація досить рідко зустрічається у прокаріотів і дріжджів, але достатньо поширена серед ссавців. Зокрема, до негомологічної рекомбінації можна віднести процес випадкового вбудовування вірусної або плазмідної ДНК у ДНК клітини тварин, що часто призводить до появи численних делецій та дуплікацій. Це пов’язане з тим, що можуть з’єднуватися навіть негомологічні кінцеві розриви ДНК. Різновидом незаконної рекомбінації є і переміщення МГЕ.

На цілеспрямованому одержанні рекомбінантних (гібридних) ДНК базується генна інженерія.

Досить рідко зустрічається так званий мітотичний або соматичний кросинговер. Він має велике значення в індукції комбінативної мінливості у тих видів, що втратили статеву стадію розвитку: незавершені гриби, багато видів прокаріотів, дріжджі, апоміктичні рослини і ті, що розмножуються вегетативно, деякі тварини тощо.

Різні варіанти кросинговеру використовуються для складання генетичних карт хромосом різних організмів (генетичні, хромосомні карти). Вони можуть бути двох типів: рекомбінаційні та рестрикційні і становлять собою схеми відносного положення генів у певних хромосомах. Для складання рекомбінаційних карт визначають велику кількість мутантних генів і проводять численні схрещування. Відстань між генами розраховують за показниками частоти кросинговеру між ними (морганіда = 1% кросинговеру). Відповідно до структурної організації генетичного матеріалу, ГКХ вірусів і прокаріотів мають кільцеву форму, а для еукаріотів – характерна лінійна форма. Виключення становлять гетерозиготи за транслокаціями у яких ГК має вигляд хреста, що відображає характер кон’югації хромосом.

Генетичні карти, складені для сталої частини геному багатьох видів, ефективно використовуються в селекції, діагностиці спадкових захворювань, генній інженерії. Вони дозволяють планувати роботи з одержання сортів і порід із певними властивостями та сполученням ознак.

При цьому обов’язково слід мати на увазі, що ГКХ, одержані на основі аналізу частоти кросинговеру не є абсолютними, оскільки на процес рекомбінації суттєво впливає чимало факторів.

• стать особини: є види, в яких кросинговер відбувається тільки у гомогаметної статі (дрозофіла → тільки у самок ХХ; тутовий шовкопряд → у самців ZZ)

• структура хромосом: кросинговер рідко відбувається поблизу від центромер і теломер (↑ гетерохроматину)

• асинаптичні гени (відкриті у кукурудзи і пшениці), які призводять до відсутності кон’югації

• гени, що регулюють протікання кросинговеру: у 3-тій хромосомі дрозофіли є мутантний ген, який припиняє кросинговер в усіх парах хромосом

• різні хромосомні перебудови, оскільки вони порушують нормальну кон’югацію

• різні типи опромінювання (УФ, рентгенівські та γ-промені), які збільшують частоту рекомбінацій, викликаючи 1- та 2 – ланцюгові розриви в ДНК;

• хімічні агенти, що порушують структуру ДНК або перешкоджають її нормальній реплікації. Більшість із них, окрім збільшення частоти рекомбінацій призводить до виникнення мутацій;

• зміни температури у будь-який бік від оптимальної (↑);

• фізіологічний стан організму (при старінні частота ↑);

• голодування, нестача вологи (зменшує кросинговер)

• порушення нормальних екологічних відносин між організмами тощо.

Внаслідок цього частота кросинговеру між двома генами є постійною величиною тільки в конкретних умовах і на вирівняному генетичному фоні. Така ідеальна ситуація реально недосяжна.

Завдяки цьому розташування генів на генетичних картах є інваріантним, а конкретні відстані між генами можуть варіювати.

Для додаткової перевірки адекватності схем розташування тих чи інших генів використовують рестрикційні (фізичні) карти, які становлять собою схеми розташування сайтів рестрикції для різних рестриктаз, які розрізують ДНК у специфічних ділянках. Оскільки кожний сайт рестрикції це не що інше, як строго визначена послідовність нуклеотидів ДНК, то рестрикційні карти містять інформацію про особливості первинної структури геному. Для складання таких карт використовують методи гібридизації ДНК, електрофорезу в агарозному гелі, диференційованого забарвлення тощо.

Перевагою рестрикційних карт є те, що вони можуть використовуватися безпосередньо для клонування окремих фрагментів геному.