12.11.11. Лекция 9

Изменчивость

Изменчивость как основное свойство живой материи

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЕСПЕЧИВАЕТ адаптацию на организменном уровне и процесс эволюции на микро- и макроуровнях. Это способность признаков изменять свое фенотипическое состояние. Это способность живых организмов приобретать новые признаки под влиянием факторов окружающей среды.

Генетическая информация определяет потенциал развития свойств и признаков организма, которые реализуются в определенных условиях среды, т.е одна и также наследственная информация в разных условиях проявляется по-разному (н-р, монозиготные близнецы). Наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды.

Экспрессивность – это степень фенотипического проявления данного гена и количественно ее измеряют, используя статистику. Пенетрантность – это частота проявления гена. Выражается в процентном отношении числа особей, имеющих данный признак к числу особей, имеющих данный ген. Н-р, гипертрихоз у мужчин (проявляется в 100%), сахарный диабет (проявляется в 20%). Пенетрантность полная – аллель проявляется у всех особей. Неполная – аллель проявляется не у всех особей. В зависимости от условий среды отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться.

Сами признаки подразделяются на количественные, для которых характерна непрерывная изменчивость, и качественные, для которых характерна дискретная изменчивость.

Качественные признаки образуют четко фенотипически различаемые группы (группа крови, цвет глаз, форма носа). Количественные признаки являются результатом взаимодействия различных геном между собой и окружающей средой, поэтому они образуют особое распределение численных значений колоколообразное (это нормальное распределение признаков, когда доля генотипов в промежуточном классе выше, чем в крайних). У человека количественные признаки – вес, рост, цвет кожи и т.д.

Формы изменчивости

1. Фенотипическая, или модификационная. По Дарвину – определенная, или ненаследственная

2. Генотипическая. По Дарвину – неопределенная и наследственная.

3. Онтогенетическая.

Модификационая изменчивость происходит при непосредственном воздействии факторов среды на ферментативные реакции. Без изменения структуры генотипа. Носит адаптивный характер. (н-р, монозиготные близнецы). Размах модификационой изменчивости ограничен нормой реакции (это диапазон изменчивости, в пределах которого один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, может быть узкой (жирность молока у крупного рогатого скота) или широкое (признак изменяется в широких пределах (изменение пигментации кожи человека)).

Фенокопии – это явление, когда признак под действием факторов внешней среды изменяется и копирует признаки другого генотипа. Н-р, беременная женщина заразилась токсоплазмозом, ребенок может родиться с признаками водянки и копировать болезнь Дауна.

Генокопии – это одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов. Н-р, различные виды гемофилии.

Паратипическая изменчивость (форма модификационной) – временные отклонения, связанные с заболеваниями.

Случайная изменчивость – связана с травмами. Была рука – нет руки.

Онтогенетическая изменчивость – изменчивость организма в процессе индивидуального развития. Генотип не претерпевает изменений, а фенотип меняется с каждым этапом развития. Н-р, гусеница – куколка – бабочка; ребенок - старик.

Причина онтогенетической изменчивости – функционирование различных наборов генов на разных этапах онтогенеза, порядок включения/выключения генов наследуется.

Нарушения в ходе онтогенеза. При нарушении морфогенез (возникновение новых структур) возникают различного рода патологии и тератомы (уродства).

Генотипическая изменчивость. Подразделяется на комбинативную и мутационную. Может происходить в соматических (как комбинативная, так и мутационная – соматическая изменчивость) или генеративных клетках (комбинативная и мутационная – генеративная изменчивость).

Комбинативная изменчивость обусловлена перекомбинацией генов родителей, без изменения структуры генетического материала. Имеет значение для селекции в онтогенезе. В эволюции роли не играет.

Механизмы комбинативной изменчивости:

1. Рекомбинация генов при кроссинговере

2. Независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе

3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении

Мутационная изменчивость имеет эволюционное значение. Обуславливается мутациями, которые мы определяем, как скачкообразное изменение генетического материала под влиянием факторов среды, передающиеся по наследству. Описаны Детризом.

Гомологические ряды в наследственной изменчивости, или закон Вавилова.

Мутирование происходит в различных направлениях. Это многообразие подчиняется закономерности, обнаруженной Вавиловым 1920 году. Виды и роды генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости.

Гомологические ряды выходят за пределы семейств, н-р, короткопалость обнаружена во многих отрядах млекопитающих, альбинизм. Закон позволяет предвидеть новые мутации, неизвестные в группе ранее. Важен для изучения наследственных болезней человека. Многие мутации животных служат моделями проявления наследственных болезней человека. У собак – это гемофилия, глухота у морских свинок, ожирение и диабет – мыши.

Мутагенез и канцерогенез.

Мутагенез – процесс образования мутаций. Факторы, вызывающие мутации – это мутагены. Мутагены воздействуют на генетический материал особи, вследствие чего может измениться фенотип. Канцерогенез – процесс образования опухолей. Установлено, что при канцерогенезе изменения происходят на молекулярно-генетическом уровне и затрагивают механизмы, отвечающие за размножение, рост и дифференцировку клеток.

Мутагенные факторы: физические (излучение, температура), химические, биологические (вирусы, вирусные паразитарные агенты)

Классификации мутаций.

1. По причинам, вызвавшим мутации:

   1. Спонтанные (самопроизвольные). Происходят по действием естественных мутагенных факторов без вмешательства человека.

   2. Индуцированные. Результат направленного воздействия определенных мутагенных факторов.

2. По мутировавшим клеткам:

   1. Генеративные. Происходят в половых клетках. Передаются по наследству.

   2. Соматические. Происходят в соматических клетках. По наследству передаются только при вегетативном размножении.

3. По исходу для организма:

   1. Летальные. Несовместимые с жизнью.

   2. Полулетальные. Снижают жизнеспособность организма.

   3. Нейтральные. Не влияют на процессы жизнедеятельности.

   4. Положительные. Повышающие жизнеспособность. Возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.

4. По изменениям генетического материала:

   1. Геномные. Обусловлены изменениями числа хромосом. Обнаруживаются цитогенетическими методами. Всегда проявляются фенотипически.

      1. Полиплоидия (кратное гаплоидному увеличение числа хромосом (3n, 4n, 5n), имеет большое значение для селекции., гаплоидия). У млекопитающих и человека – это летальные мутации

      2. Гаплоидия (1n). Н-р, трутни у пчел. Жизнеспособность снижается. В данном случает проявляются все рецессивные гены. Для млекопитающих и человека мутация летальна.

      3. Анеуплоидия. Некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+\-1). Разновидности:

         1. Трисомия. 2n + 1. В генотипе 3 гомологичные хромосомы. Болезнь Дауна

         2. Моносомия. В наборе одна из пары гомологичных хромосом. 2n – 1. Моносомия по первым крупным парам хромосом для человека летальна.

         3. Нулесомия. Отсутствие пары хромосом. Летальная мутация.

   2. Хромосомные (оберации). Обусловлены изменением структуры хромосом. Могут быть внутри и межхромосомными. Выявляются цитогенетичесмкими методами.

      1. Внутрихромосные. Перестройки внтури хромосом

      2. Межхромосомные. Происходят между негомологичными хромосомами. Транслакация, дубпликации.

   3. Генные (точечковые, трансгенации). Связаны с изменениями структуры гена (молекулы ДНК). В большинстве случаев проявляются фенотипически. Являются причиной нарушения обмена веществ, генных болезеней. Частота проявления – 1-2%. Выявляются биохимическими методами и методами рекомбинантной ДНК.

      1. Изменения структурных генов. Сдвиг рамки считывания. Приводит к миссенс-мутациям (изменению смысла кодонов и образованию других белков). Нонсенс-мутации – образование бессмысленных кодонов, не кодирующих аминокислоты.

      2. Изменения функциональных генов.

         1. Белок репрессор не подходит к гену-оператору. Структурные гены работают постоянно. Белки синтезируются все время

         2. Белок-репрессор не снимается индуктором. Структурные гены постоянно не работают. Синтеза белка нет.

         3. Нарушение чередований репрессий и индукций.

Устойчивость и репарация генетического материала (антимутационные механизмы).

Устойчивость обеспечивается:

1. Диплоидным наьором хромосом.

2. Двойной спиралью ДНК.

3. Выражденность. Избыточность генетического кода. Одна а\к кодируется несколькими кодонами.

4. Повтор некоторых генов

5. Репарацией нарушения структуры ДНК. Репарация генетического материала – внутриклеточный процесс, обеспечивающий восстановление поврежденной структур молекулы ДНК.

Генные и хромосомные болезни человека

С точки зрения реализации наследственной программы отклонения от нормального развития принято делить на наследственные болезни и мультифакториальные заболевания или болезни с наследственным предрасположением.

90 годы. 20 век. Новая рабочая классификация наследственных болезней:

1. Синдромы, обусловленные хромосомными аномалиями, хромосомные болезни.

2. Болезни, вызванные мутацией отдельного гена. Генные или Мендалевские болезни. Сюда относятся моногенно обусловленные патологии, наследуемые в соответствии с законами Мендаля.

3. Мультифакториальные заболевания (МФЗ). Болезни с наследственным предрасположением. Результат взаимодействие генетических факторов и факторов среды.

4. Болезни с нетрадиционным типом наследования.

5. Генетические болезни соматических клеток. Новообразования, аутоиммунные болезни, старение.

6. Болезни, возникающие при несовместимости матери и плода по антигенам (при не совместимости резус-фактора).

Генные мутации у человека являются причинами многих наследственных моногенных заболеваний. Выделяют 2 группы генных болезней.

1. Связаны с качественными изменениями белковых молекул. Н-р, аномальный гемоглобин. Обусловлено мутациями структурных генов.

2. Характеризуются количественными изменениями содержания нормального белка в клетке. Обусловлены мутациями функциональных генов. Связаны с нарушением регуляции работы генов.

Фенотипически генные мутации проявляются как наследственные болезни обмена веществ (ферментопатии). Вещества, которые накапливаются в результате отсутствия или снижения активности ферментов либо сами оказывают токсическое действие, либо включаются в обменные процессы, в результате которых образуются токсические вещества. Описано около 3000 наследственных болезней обмена веществ. Частота генных болезней от 2 до 4%. Наиболее часто встречаются фенилкетонурия (1:10000) – нарушение а/к обмена, альбинизм (до 1:5000). Табличку заполнять по Хелевину.

Хромосомные болезни – это группы заболеваний, вызываемые изменением числа геномных мутаций или структуры хромосомных

Хромосомные изменения чаще всего приносятся в зиготу с гаметой одного из родителей. Описано около 100 клинико-цитогенетических синдромов.

В основе хромосомных болезней лежат синдромы, связанные:

1. С нарушением плоидности. У детей – представлено синдромом триплоидии, дети погибают в первые часы или дни после рождения.

2. Связанные с изменением числа хромосом. Наиболее частая форма патологии – синдромы трисомий. Трисомия по 21 хромосоме. Полная моносомия, совместимая с жизнью, наблюдается только по Х-хромосоме. Синдром Шерашевского-Тернера.

3. Связанные с нарушением структуры хромосом. Частичные трисомии, частичные моносомии, их сочетание. Синдром кошачьего крика – делеция короткого плеча 5 хромосомы.

Большинство хромосомных аномалий – полиплоидия, гаплоидия, трисомии и моносомии по первым парам крупных хромосом являются несовместимыми с жизнью.