Занятие 1.3.3. Фенотипическая (модификационная) и генотипическая изменчивость

Цель занятия: изучить основные формы изменчивости, причины их возникновения; изучить классификацию и механизмы возникновения мутаций.

Практические навыки и умения: применять методы вариационной статистики для количественной оценки статистического диапазона модификационной изменчивости (нормы реакции); строить вариационный ряд и вариационную кривую; прогнозировать возможность проявления наследственной патологии в признак; уметь обосновывать невозможность наследования благоприобретенных признаков.

Материалы и оборудование: учебные таблицы (); мультимедийная установка, презентация, микроперпараты…..

Вопросы для самоподготовки:

1. Основные формы изменчивости

2. Ненаследственная изменчивость организмов, ее причины и механизмы.

3. Что такое норма реакции?

4. Что такое генокопирование и фенокопирование?

5. Значение модификационной изменчивости для понимания физиологических и патологических процессов в организме человека.

6. Какая изменчивость называется онтогенетической, каковы ее механизмы и значение?

7. Комбинативная изменчивость, ее механизмы.

8. Мутационная изменчивость и ее роль в возникновении новых вариантов генов.

9. Классификация мутагенов. Примеры.

10. Основные типы мутаций.

11. Что такое миссенс и нонсенс мутации?

12. Что такое репарация? Приведите примеры основных механизмов репарации.

13. Какие мутации (генные, хромосомные или геномные) встречаются в человеческих популяциях чаще и почему?

14. В чем состоит общебиологическое и медицинское значение наследственной и ненаследственной изменчивости организмов?

Работа в аудитории

Работа 1. Построение вариационного ряда.

На выбор можно использовать разные показатели (масса тела или объем грудной клетки). Исследуемые 100 единиц наблюдения составят выборочную совокупность. Выпишите цифровые показатели (варианты), например, массы тела, отдельных индивидуумов в порядке убывания или нарастания величин. Совокупность вариантов, расположенных в определенной последовательности, составит вариационный ряд. Определите крайние варианты ряда, или лимиты изменчивости, т.е. наименьшую и наибольшую массу тела (42 и 70 кг). Крайние варианты, или лимиты, показывают, в каких пределах изменяется признак.

Таблица 2.4. Цифровые показатели модификационной изменчивости (100 единиц наблюдения)

Масса тела, кг	Объем груди, см3
54 70 66 48	90,0 97,5 87,5 90,0
62 56 54 47	82,5 92,5 100,0 90,0
65 53 64 52	97,5 90,0 97,5 90,0
51 50 51 58	87,5 100,0 85,0 90,0
50 56 52 54	92,5 82,5 85,0 92,5
56 54 62 63	90,0 82,5 90,0 90,0
62 50 57 61	95,0 82,5 92,5 90,0
60 59 52 52	82,0 82,5 95,0 97,5
62 55 69 49	70,0 80,0 87,5 87,5
57 49 54 60	82,5 80,0 85,0 82,5
62 60 48 52	97,5 92,5 87,5 97,5
64 64 51 51	87,5 87,5 82,5 95,0
58 56 64 62	92,5 95,0 87,5 95,0
49 53 56 53	90,0 80,0 92,5 97,5
46 61 66 44	95,0 100,0 80,0 85,0
58 54 56 58	82,5 87,5 87,5 87,5
50 56 48 54	85,0 90,0 90,0 92,5
58 50 60 56	87,5 85,0 85,0 87,5
52 57 42 58	85,0 102,5 90,0 92,5
50 58 51 48	92,5 87,5 87,5 82,5
54 49 56 49	97,5 90,0 95,0 97,5
52 56 53 49	80,0 85,0 97,5 92,5
69 53 65 56	92,5 95,0 95,0 87,5
52 64 64 56	92,5 87,5 92,5 85,0
50 53 51 54	95,0 85,0 92,5 85,0

Однако большое количество вариант (100), расположенных в один ряд, не дает возможности получить наглядную картину изменчивости признака. Более показательным является построение сгруппированного вариационного ряда. Для этого следует разбить все варианты на группы. Количество групп выбирается произвольно(8-10). Затем определите величину интервала между группами. Для этого разделите разницу между наибольшей и наименьшей величиной признака на число групп. Если, например, эти величины равны 42 и 70 кг, а число групп 7, то величина интервала равняется:70-42=28:7=4 кг. Отсюда границы 1-й группы – 42-45 кг,2-й группы – 46-49 кг,3-й группы – 50-53 кг и т.д.

После определения границ группы распределите все варианты по группам и вычислите среднее значение каждой группы; среднее значение равно сумме ее крайних вариант, деленной на 2.

Расположив средние значения групп в порядке нарастания или убывания, получите сгруппированный вариационный ряд, в котором роль отдельных вариант выполняют средние значения групп.

Затем определите частоту каждой группы, т.е. распределение вариант по группам. Увидите, что частота групп неодинакова, средние члены вариационного ряда встречаются чаще.

После этого определите моду (Мо), или модальную группу, т.е. величину, которая встречается наиболее часто в данной совокупности.

Составьте таблицу из двух вертикальных граф. В первую впишите средние значения групп, во вторую – соответствующую им частоту.

Определите среднюю арифметическую (М) данного вариационного ряда (выраженности признака) по формуле:

М = ,

где М – средняя арифметическая данного вариационного ряда, v – варианта (длина листа), р – частота встречаемости варианты, n – общее число вариант вариационного ряда.

Работа 2. Построение вариационной кривой

Изобразите вариационный ряд графически. Для этого на оси абсцисс (горизонтальная линия) расположите средние значения групп (массы тела), а по оси ординат (вертикальная линия) – частоту каждой группы. Затем, соединив все точки линиями, получите вариационную кривую (рис.).

Рис. Вариационная кривая – графическое отображение частоты встречаемости каждой варианты.

Различные варианты распределены в вариационной кривой по закону Кетле. Согласно этого закона, варианты со средними показателями встречаются чаще, чем варианты с крайними показателями. Это называется «нормальным распределением». Кривая на графике бывает, как правило, симметричной.

Работа 3. Определение степени вариабельности признака (среднеквадратическое отклонение)

Величина варьирования признака (масса тела) в изучаемой совокупности (100 мужчин) является важным показателем изменчивости. Она определяется с помощью среднеквадратического отклонения(δ) и позволяет определить величину колебаний значений вариант по отношению к средней арифметической вариационного ряда.

Определяется среднеквадратическое отклонение по формуле:

δ = √ ∑(v-M)²p/n,

где М – средняя арифметическая ряда, v – среднее значение группы, р – частота данной группы, n – число вариантов в совокупности.

Найдите отклонения среднего значения группы от среднеарифметической ряда (v-М) . При этом получите как положительные, так и отрицательные значения.

Возведите в квадрат полученные отклонения, вследствие чего все величины становятся положительными.

Суммируйте отклонения, возведенные в квадрат.

Вычислите среднеквадратическое отклонение (δ) по указанной выше формуле.

Работа 4. Вычисление коэффициента вариации

Коэффициент вариации (V) является числом относительным и позволяет сравнить между собой изменчивость различных признаков в разных совокупностях. В зависимости от величины коэффициента различают небольшре варьирование (0 – 10%), среднее (11 – 20%), большое (свыше 20 %). Коэффициент вариации вычисляется по формуле: V = (δ/М)×100 %, где δ – среднеквадратическое отклонение, М – средняя арифметическая.

Работа 5. Изучение нормальных особей мухи дрозофилы

Рассмотрите внешнее строение мухи дрозофилы на микропрепарате и рисунке и определите пол особей. Мухи дрозофилы имеют мелкие размеры, отелы тела хорошо разграничены. Самки несколько крупнее самцов (рис. 1). Брюшко у самки более округлое с заострённым концом; у самца оно боле цилиндрическое с притуплённым концом и сильно пигментированными (чёрными) несколькими последними тергитами. Тергитами у насекомых называют скелетные хитиновые пластинки брюшка со спинной стороны. У самки имеется 8 хорошо развитых тергитов, у самца – 6 .

У нормальных мух тело серого цвета, глаза красного цвета. Глаза расположены по бокам головы. Кроме того, на ней расположены короткие стяжки. Грудной отдел серого цветы несет три пары членистых конечностей и пару прозрачных плоских крыльев. Обратите внимание, что длина крыльев превышает длину тела.

Рис.1. Дрозофила: 1 - самка: 2 - самец.

Работа 6. Изучение фенотипического проявления генных мутаций мухи дрозофилы. Изучение мутантных вариантов мухи дрозофилы.

Таблица. Мутации мухи дрозофилы

Название мутации	Фенотипическое проявление	Тип наследования	Локус, тип мутации
Bar	Узкие (полосковидные) глаза	Доминантный	Хромосома 1, локус 1,5; хромосомная перестройка (дупликация)
White	Белые глаза	Рецессивный	Хромосома 1, локус 1,5; генная мутация
Black	Чёрное тело	-//-	Хромосома 2, локус 48,5; генная мутация
Yellow	Жёлтое тело	-//-	Хромосома 1, локус 0,0; генная мутация
Curly	Загнутые кверху крылья	Доминантный	Хромосома 2, локус (?), генная мутация
Vestigial	Зачаточные крылья	Рецессивный	Хромосома 2, локус 67, генная мутация
Cut	Вырезка крыла	-//-	Хромосома 1, локус 20, генная мутация

Рис. Некоторые мутации Drosophila melanogaster, выражающиеся главным образом в нарушении нормального строения крыльев. Все самки. По Т. Моргану, 1919, и Т. Моргану и др., 1925

1 — notch (наплывы на продольных жилках крыла), 

2 — beaded (пузыревидные крылья), 

3 — rudimentary (рудиментарные крылья), 

4 — curled (загнутые кверху крылья), 

5 — vestigial (зачаточные крылья).

Рассмотреть и зарисовать при малом увеличении микроскопа или при помощи лупы:

А) дикий тип (темно-красные глаза обычной формы, нормальные крылья (длина крыльев превышает длину тела), серый цвет тела).

Б) мутацию White eyes – белый цвет глаз

В) мутацию Vestigial wings – зачаточные крылья

Г) мутацию Ebony body – черная окраска тела

Д) мутацию Apterous wings – бескрылая форма.

Работа 7. Решение ситуационных задач.

Задача 1. Один из монозиготных близнецов поднялся высоко в горы, другой – остался на равнине. У первого количество эритроцитов в крови увеличилось, тогда как у второго не изменилось. Объясните причину данного явления. Назовите форму изменчивости.

Задача 2. Классическая форма наследственной болезни фенилкетонурии развивается у людей, гомозиготных по мутантному (рецессивному) гену фермента финилалалнингидроксилазы, необходимого для нормального обмена незаменимой аминокислоты фенилаланина. Нарушение обмена фениаланина приводит, как правило, к снижению интеллекта. Но, если с первых недель жизни в диете гомозиготного ребенка уменьшить количество фенилаланина, интеллект его будет практически нормальным. Как называется такая форма изменчивости?

Задача 3. Врожденная глухота может возникнуть в результате наличия мутантного гена в генотипе плода, но она может развиться и у организма с нормальным генотипом: а) чем можно объяснить наличие глухоты при нормальном генотипе; б) нужно ли выяснять природу этой аномалии у пациента, если лечение в обоих случаях одинаково?

Задача 4. В медико-генетическую консультацию обратились две супружеские пары, у которых родились дети с незаращением твердого нёба («волчья пасть»). Изучив родословную каждой семьи и выяснив их бытовые и производственные условия, врачи пришли к заключению, что у супругов А. все последующие дети, а также внуки не должны иметь этого дефекта, но у супругов Б. существует большая вероятность появления его у детей и внуков. Укажите возможные механизмы появления данного дефекта у ребенка в семьях А. и Б.

Задача 5. Ликвидаторы аварии на Чернобыльсокй АЭС чаще, чем в среднем в популяции, заболевают лейкозом и раком щитовидной железы. Объясните, почему? Как называется такая форма изменчивости?

Задача 6. Фрагмент гена инсулина имеет следующую нуклеотидную последовательность: ACACGAAGACAACAATAT. Как измениться первичная структура белка, если во всех кодонах третий нуклеотид замениться на: а) гуаниловый; б) цитидиловый? Как называются генные мутации в обоих случаях?

Задача 7. У мужчины, длительное время курившего трубку, на нижней губе развилась опухоль. При гистологическом исследовании ткани опухоли обнаружено множество клеток на разных стадиях митоза, встречаются клетки с различными хромосомными аберрациями и полиплоидные. К какому типу мутаций (спонтанным, индуцированным, соматическим, генеративным) относятся обнаруженные нарушения в генетическом материале клеток опухоли? Передаются ли эти мутации потомкам?

Задача 8. У здоровых родителей родился ребёнок с наследственным заболеванием фенилкетонурией (аутосомно-рецессивный тип наследования).Объясните причину рождения больного ребёнка.Какой вид изменчивости проявился в данном случае? Назовите все возможные механизмы возникновения такой изменчивости.

Задача 9. Аутосомный рецессивный ген d обуславливает предрасположение к сахарному диабету. Пенетрантность этого признака равно 20 %. В семье муж болен диабетом, а у жены болел диабетом отец.Каков тип наследования сахарного диабета? Что такое пенетрантность гена? Проявлением какой формы изменчивости она является? Какова вероятность предрасположения к заболеванию у ребенка в этой семье? 

Задача 10. Укажите виды изменчивости, проявлением которых служат перечисленные ниже явления:

1) У родителей с нормальным кариотипом родилась дочь, в клетках которой обнаружили три Х-хромосомы.

2) В результате кроссинговера в одной из гомологичных хромосом произошла потеря небольшого участка, а в другой, наоборот, удвоение этого участка хромосомы.

3) В течение года у человека наблюдается сезонное изменение интенсивности функционирования желез внутренней секреции.

4) В процессе интенсивного занятия спортом у спортсмена произошло увеличение массы и силы мускулатуры.

5) У одного из монозиготных близнецов выявлена опухоль глаза - ретинобластома, которую относят к наследственным заболеваниям.