Изменчивость.
Вопросы: 1. Закономерности изменчивости и ее механизмы. 2. Мутагенные факторы и мутагенез. 3. Классификация мутаций. 4. Устойчивость и репарация наследственного материала.
I. Изменчивость - свойство организмов приобретать в процессе онтогенеза отличия признаков от родительских форм.
Фенотипическая (модификационная) изменчивость - изменения фенотипа под действием факторов внешней среды без изменения структуры генотипа. Фенотипическая изменчивость была открыта Бонне. Корневую систему 120 видов растений он разделял на 2 части, одну часть высаживал в Парижском ботаническом саду, другую - в горах. В разных условиях вырастали растения с разными фенотипами (высокие и низкие). Бонне собрал семена таких растений и высадил в одинаковых условиях - выросли одинаковые растения. Свойства модификаций: • ненаследуемость; • приспособительный (адаптивный) характер изменений; • определенность (направленность и предсказуемость изменений, возникающих в орга-низме под действием фактора среды); • степень изменения признака под действием факторов среды зависит от времени и силы его действия; • носит групповой характер; • не является материалом для естественного отбора.
Норма реакции - пределы модификационной изменчивости, которые формируются на основе генотипа в разных условиях внешней среды. Признак, имеющий широкую норму реакции, изменяется в большом диапазоне (количественные признаки, степень загара кожи у человека, удой у КРС). Широкая норма реакции способствует выживанию особи в различных условиях среды. Признак, имеющий узкую норму реакции, мало зависит от внешних условий (качественные признаки, физиологические показатели, жирность молока у КРС). Фенокопии - явление, когда ненаследственная изменчивость копирует наследственную изменчивость. Например, у дрозофилы облучением можно вызвать образование вырезки на крыле, которая копирует мутацию Notch. Но мутация является следствием изменения структуры гена, а фенокопия - результат нарушения реализации наследственной информации. Фенокопии - модификационные изменения - обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. Генотипическая изменчивость связана с изменением структуры генетического материала. Комбинативная изменчивость – появление новых признаков у потомства, вследствие возникновения новых комбинаций генов родителей при образовании и слиянии их гамет. Механизмы комбинативной изменчивости: • кроссинговер (профаза мейоза I); • независимое расхождение хромосом в анафазу мейоза I; • независимое расхождение хроматид в анафазу мейоза II; • случайное сочетание гамет при оплодотворении. На проявление признаков при комбинативной изменчивости оказывают влияние взаимодействие генов из одной и разных аллельных пар, множественные аллели, плейотропное действие генов, сцепление генов, пенетрантность и экспрессивность гена и т.д. На проявление комбинативной изменчивости у человека будет оказывать влияние система скрещивания или система браков. 2 основных типа браков по своим генетическим последствиям: между родственными (инбридинг) и неродственными (аутбридинг) особями. Инбридинг может быть в разной мере тесным. Наиболее тесный - это брак братьев с сестрами или родителей с детьми. Менее тесный - между двоюродных братьев и сестер или племянников с детьми или тетками. Важное генетическое следствие инбридинга - повышение с каждым поколением гомозиготности потомков по всем независимо наследуемым генам. Инбридинг часто ведет к ослаблению и даже вырождению потомков. У человека инбридинг, как правило, вреден, усиливается риск заболевания и преждевременной смерти потомков.
Мутационная изменчивость (мутация) - скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Свойства мутаций: • возникают внезапно, скачкообразно; • наследуются; • ненаправленны (неопределенны), т. е. под действием одного фактора может му-тировать любой ген; • в основном, являются вредными для организма; • индивидуальны; • являются материалом для действия естественного отбора; • постоянны.
Генокопии - одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов. Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Пример генокопий - различные виды гемофилии, связанные с недостаточностью VIII и IX факторов свертывающей системы (гемофилия А и В). Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.
II. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, - мутагенами. Классификация мутагенных факторов: ♦ физические (рентгеновское и ионизирующее излучения, температура, УФЛ и др.); ♦ химические (формалин, нитриты, нитраты, аналоги азотистых оснований, иприт, лекарства, алкоголь, никотин и др.); ♦ биологические (вирусы, бактерии, токсины паразитов).
Эти факторы вызывают разнообразные изменения генетического материала: разрывы в молекулах ДНК, Т-Т димеры в молекулах ДНК, разрушают нити веретена деления, нарушают процесс кроссинговера, приводят к образованию в организме свободных радикалов.
III. Классификация мутаций. По причинам их вызвавшим: спонтанные (самопроизвольные) мутации происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека. индуцированные мутации - результат направленного воздействия определенных мутагенных факторов (в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов получили мутации у дрожжей под действием ионизирующей радиации).
По мутировавшим клеткам: генеративные мутации происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении и проявляются у дочернего организма; соматические мутации происходят в соматических клетках, передаются по наследству только при вегетативном размножении и проявляются у родительского и дочернего организмов.
По исходу для организма мутации бывают: отрицательные - летальные (несовместимы с жизнью); полулетальные (снижают жизнеспособность организма); нейтральные (не влияют на жизнедеятельность); положительные (повышают жизнеспособность) - возникают редко, но имеют большое значение для эволюции.
По изменениям генетического материала: 1. Геномные м утации обусловлены изменениями числа хромосом. Они обнаруживаются цитогенетическими методами. Всегда проявляются фенотипически. Полиплоидия - кратное гаплоидному набору увеличение числа хромоcом (3n, 4n, 5n,...). Полиплоидия используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации. Гаплоидия (1n) - одинарный набор хромосом, например, у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как у них проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека - летальная мутация. Анеуплоидия - некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n±1, 2n±2, и т. д.). Разновидности анеуплоидии: трисомия - 3 гомологичных хромосомы в кариотипе (2n+1): • синдром трисомии Х. Частота встречаемости 1:800- 1:1000. Кариотип 47, ХХХ. Женщина с мужеподобным телосложением. Недоразвиты первичные и вторичные половые признаки. Иногда наблюдается умственная отсталость. Повышен риск шизофрении; • синдром Кляйнфельтера. Частота - 1:400-1:500. Кариотип 47,ХХУ; 48,ХХХУ. Фенотип мужской. Женское телосложение. Высокий рост, длинные руки и ноги. Слабо развит волосяной покров. Интеллект снижен. Недоразвиты первичные и вторичные половые признаки, бесплодие. Иногда эффективно раннее гормональное лечение. моносомия - в диплоидном наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, синдром Шерешевского-Тернера: Частота - 1:2000-1:3000. Кариотип 45, Х0. Фенотип женский. Рост 135-145 см, крыловидная кожная складка шеи, низко расположены уши, недоразвиты первичные и вторичные половые признаки. В 25% случаев - пороки сердца и почек. Интеллект не страдает. Бесплодие. Эффективно раннее гормональное лечение.
Моносомии по первым крупным парам хромосом для человека - летальные мутации. нулисомия - отсутствие пары хромосом в кариотипе (летальная мутация).
2. Хромосомные мутации (аберрации) - изменения структуры хромосом (выявляются цитогенетическим методом).
К внутрихромосомным мутациям относятся перестройки внутри одной хромосомы. делеция (нехватка) - выпадение части хромосомы (делеция участка короткого плеча 5-ой хромосомы у человека (5p-) - синдром кошачьего крика). При делеции обоих плеч хромосомы (удаляются теломеры) наблюдается замыкание оставшейся структуры в кольцо - кольцевые хромосомы. При выпадении центромерного участка образуются дицентрические хромосомы. дупликация - удвоение участка хромосомы. Результатом дупликации во II хромосоме дрозофилы может служить появление полосковидных глаз. инверсия - отрыв участка хромосомы, поворот его на 180о и прикрепление к месту отрыва. При этом наблюдается нарушение порядка расположения генов.
Межхромосомные мутации происходят между негомологичными хромосомами. Транслокация - обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают транслокации: реципрокные (2 хромосомы обмениваются сегментами); нереципрокные (сегменты одной хромосомы переносятся в другую); робертсоновские (две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными районами). Делеции и дупликации проявляются фенотипически всегда, так как изменяется набор генов и наблюдаются частичные моносомии при нехватках и частичные трисомии - при дупликациях. Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда; они могут быть сбалансированными, когда не происходит ни увеличения, ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс генов в геноме. При инверсиях и транслокациях затрудняется конъюгация гомологичных хромосом, что является причиной нарушения распределения генетического материала между дочерними клетками.
3. Генные мутации (трансгенации) - изменения структуры гена. Выявляются биохимическими методами и методами рекомбинантной ДНК. Мутации структурных генов: "сдвиг рамки считывания" - вставка или выпадение нуклеотидов (в зависимости от места вставки или выпадения изменяется меньшее или большее число кодонов); транзиция - замена оснований пуринового на пуриновое, или пиримидинового на пиримидиновое, например: А ↔ Г, Ц ↔ Т; при этом изменяется тот кодон, в котором про-изошла транзиция; трансверсия - замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А ↔ Ц, Г ↔ Т; изменяется тот кодон, в котором произошла трансверсия. Изменения структурных генов приводят к: мисценс-мутациям - изменению смысла кодонов и образованию других белков; нонсенс-мутациям - образованию "бессмысленных" кодонов (АТТ, АТЦ, АЦТ в ДНК; УАА, УАГ, УГА в и-РНК), не кодирующих АК (терминаторы, определяющие окончание считывания).
Мутации функциональных генов: ♦ белок-репрессор "не подходит" к гену-оператору - структурные гены работают постоянно и белки синтезируются все время; ♦ белок-репрессор плотно "присоединяется" к гену-оператору и не снимается индуктором - структурные гены постоянно не работают и не происходит синтез белков, закодированных в данном транскриптоне; ♦ нарушение чередования репрессии и индукции - при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии белок не синтезируется. Такие нарушения работы транскриптонов связаны с мутациями гена-регулятора или гена-оператора.
Генные мутации в большинстве случаев проявляются фенотипически и являются причиной нарушения обмена веществ (генных болезней), частота проявления которых в по-пуляциях человека 2-4%.
IV. Устойчивость генетического материала обеспечивается: • диплоидным набором хромосом; • двойной спиралью ДНК; • вырожденностью (избыточностью) генетического кода; • повтором некоторых генов; • репарацией нарушений структуры ДНК; • наличие антимутагенов (гистамин, серотонин, антиоксиданты, сульфаниламидные препараты, фенотиазиновые транквилизаторы, свежие овощные соки и др.).
Репарация - внутриклеточный процесс, обеспечивающий восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК. Фотореактивация (К. Руперт, 1962) - при УФЛ облучении фагов, бактерий, дрожжей и простейших наблюдается снижение их жизнедеятельности, т.к. в молекуле ДНК образуются димеры (Т-Т), препятствующие считыванию информации. Выживаемость значитель-но увеличивается, если на них дополнительно воздействовать видимым светом, который под действием УФЛ активирует ферменты, разрушающие димеры. Темновая репарация (А. Геррен в 50-е годы XX века) – восстановление генетических повреждений, вызванных УФЛ, происходит не только на свету, но и в темноте. Сущность данного процесса – нахождение, удаление поврежденного участка нити ДНК, синтез и вставка нового фрагмента с участием ферментов: 1. Поврежденная молекула ДНК; 2. Эндонуклеаза "узнает" поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК; 3. Экзонуклеаза "вырезает" ежденный участок; 4. ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного фрагмента; 5. Лигаза "сшивает" концы ресинтезированного участка с основной нитью ДНК. Нарушение репарации приводит к заболеваниям: пигментная ксеродерма - под действием УФЛ появляются веснушки, расширение капилляров, ороговение эпидермиса, поражение глаз, развитие злокачественных опухолей кожи; анемия Фанкони - недостаточность функционирования костного мозга, приводящая к снижению содержания форменных элементов крови и гиперпигментации.
|
