Модификационная изменчивость

Изменчивость, не связанная с изменением генотипа, возникающая у организмов под влиянием условий среды и приводящая к разнообразию фенотипов, называется модификационной. При этом возникшее конкретное модифицированное изменение признака не наследуется, но диапазон такой изменчивости, или норма реакции, генетически детерминирована и наследуется. Модификации сохраняются лишь на протяжении жизни данного организма. Изменения фенотипа являются реакцией на изменяющиеся факторы среды и не выходят за пределы нормы реакции.

Норма реакции — предел изменчивости признака, который обусловлен генотипом. Наследуется не признак, а норма реакции. Она бывает широкой, т. е. изменяется в большом диапазоне, и узкой. Например, широкой нормой реакции обладают такие признаки у человека, как масса тела, цвет волос; у коров — масса тела, количество молока. Узкая норма реакции характерна для следующих признаков: рост человека, цвет глаз; у коров — жирность молока; длина шерсти у овец. Чем шире норма реакций, тем пластичнее признак, что приводит к увеличению вероятности выживания вида в изменяющихся условиях.

Модификационной изменчивости подвержены как количественные, так и качественные признаки. Возникновение модификаций связано с тем, что такие важнейшие факторы среды, как свет, тепло, влага, химический состав и структура почвы, воздух, воздействуют на активность ферментов и в известной мере изменяют ход биохимических реакций, протекающих в развивающемся организме. Этим, в частности, объясняется появление различной окраски цветков у примулы и шерсти у гималайских кроликов, о чем говорилось выше.

Примерами модификационной изменчивости у человека могут служить усиление пигментации кожи (загар) под влиянием ультрафиолетовых лучей, мощное развитие костно-мышечной системы в результате физических нагрузок и т. д. К модификационной изменчивости следует отнести также и явление физиологического гомеостаза — способности организмов противостоять колеблющимся условиям среды путем приспособительного реагирования. Так, у человека при пребывании на разных высотах над уровнем моря вырабатывается неодинаковое количество эритроцитов: в 1 мл крови у людей, живущих в местностях на уровне моря, их в два раза меньше, чем у людей, живущих высоко в горах.

Загар - пример модификационной изменчивости. Фото: Evil Erin

Число эритроцитов растет пропорционально подъему над уровнем моря. Это явление можно легко объяснить, если вспомнить, что главная функция эритроцитов — перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Увеличение высоты над уровнем моря сопровождается снижением концентрации кислорода в атмосфере, что приводит к недостатку его в тканях. Поэтому насущная потребность в кислороде заставляет человека и животных адаптивно реагировать путем изменения числа эритроцитов на разных высотах.

Эта реакция обратима: переезд в места, расположенные на уровне моря, приводит к снижению числа эритроцитов в крови.

Основные характеристики модификационной изменчивости.

1. Изменения не наследуются и носят фенотипический характер.

2. Изменения приспособительны и проявляются у многих особей в популяции, т. е. носят массовый характер. Например, у зайцев зимой окраска шерсти становится белой.

3. Изменения носят постепенный характер. Они адекватны изменению условий среды.

4. Изменения способствуют выживанию особей, повышают жизнестойкость и проводят к образованию модификаций.

Модификации образуют вариационный ряд изменчивости признака в пределах нормы реакции от наименьшей до наибольшей величины. Причина вариаций связана с воздействием различных условий на развитие признака. Чтобы найти предел изменяемости признака, определяют частоту встречаемости каждой варианты и строят вариационную кривую.

Вариационная кривая — графическое выражение характера изменчивости признака. Средние члены вариационного ряда встречаются чаще, что соответствует среднему значению признака.

Значение модификаций

Модификационная изменчивость в естественных условиях носит приспособительный характер и в этом смысле имеет важное значение в эволюции. Обусловленные нормой реакции адаптивные модификации дают возможность организму выжить и оставить потомство в изменившихся условиях среды.

Знание закономерностей модификационной изменчивости имеет также большое практическое значение, так как позволяет предвидеть и заранее планировать максимальное использование возможностей каждого сорта растений и породы животных. В частности, создание заведомо известных оптимальных условий для реализации генотипа обеспечивает их высокую продуктивность.

Такой подход в равной мере относится и к человеку. Каждый ребенок обладает определенными способностями, иногда даже в нескольких областях. Задача психологов и педагогов состоит в том, чтобы как можно раньше найти эту область и обеспечить максимальное развитие ребенка в этом направлении (наряду с общим образованием), т. е. в пределах нормы реакции достичь максимального уровня реализации его генотипа.

Фенокопии Фенокопии — одно из проявлений модификационной изменчивости (т.е. на действие факторов среды). Термин «фенокопия» предложен для обозначения признаков, болезней, фенотипов или врождённых пороков развития (ВПР), формирующихся под воздействием определённых условий среды и фенотипически (клинически) похожих на состояния, возникающие под влиянием мутаций. Пример: Микроцефалия — уменьшение размеров черепа и головного мозга, сопровождающееся умственной отсталостью и определёнными неврологическими нарушениями. Микроцефалия может быть первичной или вторичной. Первичная (истинная, генетическая) микроцефалия характеризуется первичным недоразвитием головного мозга. Вторичная (ложная, негенетическая) микроцефалия характеризуется ранним заращением черепных швов. В обоих случаях многие клинические проявления, методы терапии, психолого-педагогической коррекции, реабилитации и адаптации больных весьма схожи, но при решении вопроса о повторном риске рождения больного ребёнка необходимо точное знание причины патологии в данной семье

32. Комбинативная изменчивость и механизмы ее возникновения.

Изменчивость – всеобщее свойство живых организмов приобретать новые признаки в процессе индивидуального развития. Выделяют две формы изменчивости: наследственная (генотипическая) и ненаследственная (фенотипическая). Генотипическая изменчивость связана с изменением структуры генетического материала. Генотипическая изменчивость носит индивидуальный, неопределенный и наследственный характер. Существует две формы генотипической изменчивости: мутационная и комбинативная.

Комбинативная изменчивость возникает в результате полового размножения. 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 гомологичных хромосом в анафазу мейоза I;

· независимое расхождение хроматид в анафазу мейоза II;

· случайное сочетание гамет при оплодотворении;

· взаимодействие генов;

Половой процесс у бактерий и горизонтальный перенос генов с помощью вирусов.

Например, появление розовых цветков при скрещивании белоцветковой и красноцветковой примул. При скрещивании белого и серого кроликов может появиться черное потомство. Комбинативная изменчивость приводит к генотипической и фенотипической уникальность каждой особи в популяции и является элементарным эволюционным фактором.

 

33. Мутационная изменчивость

Мутационной называется изменчивость, вызванная возникновением мутации. Мутации — это наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Основные положения мутационной теории разработаны Г. Де Фризом в 1901—1903 гг. и сводятся к следующему:

· Мутации возникают внезапно как дискретные изменения признаков;

· Новые формы устойчивы;

· В отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов. Они представляют собой качественные изменения;

· Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными;

· Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей;

· Сходные мутации могут возникать повторно;

· Мутации ненаправленны (спонтанны), т. е. мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

По характеру изменения генома различают несколько типов мутаций — геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации (анеуплоидия и полиплоидия) — это изменение числа хромосом в геноме клетки:

-Гаплоидия – набор хромосом 1n

-Полиплоидия – увеличение гаплоидного набора хромосом(3n, 4n, 5n)

-Анеуплоидия – изменение числа хромосом в отдельных парах

Хромосомные мутации, или хромосомные перестройки, выражаются в изменении структуры хромосом, которые можно выявить и изучить под световым микроскопом. Известны перестройки разных типов (нормальная хромосома — ABCDEFG):

· нехватки, или дефишенси, — это потеря концевых участков хромосомы;

· делеции — выпадение участка хромосомы в средней ее части (ABEFG);

· дупликации — двух- или многократное повторение набора генов, локализованных в определенном участке хромосомы (ABCDECDEFG);

· инверсии — поворот участка хромосомы на 180° (ABEDCFG);

· транслокации — перенос участка к другому концу той же хромосомы либо к другой, негомологичной хромосоме (ABFGCDE).

Генные, или точечные, мутации — результат изменения нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК. Возникшее изменение последовательности нуклеотидов в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре иРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах. Существуют разные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой нуклеотидов в гене. Это дупликации, вставки лишней пары нуклеотидов, делеции (выпадение пары нуклеотидов), инверсии или замены пар нуклеотидов (АТ ↔ ГЦ; АТ ↔ ЦГ или АТ ↔ ТА).

 

34. Генные мутации

Генные, или точечные, мутации — результат изменения нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК. Возникшее изменение последовательности нуклеотидов в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре иРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах. Существуют разные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или перестановкой нуклеотидов в гене. Это дупликации, вставки лишней пары нуклеотидов, делеции (выпадение пары нуклеотидов), инверсии или замены пар нуклеотидов (АТ ↔ ГЦ; АТ ↔ ЦГ или АТ ↔ ТА).

Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнообразны. Большая часть из них фенотипически не проявляется (поскольку они рецессивны), однако известен ряд случаев, когда изменение лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Одним из примеров служит серповидно-клеточная анемия — заболевание, вызываемое у человека заменой нуклеотидов в одном из генов, ответственных за синтез гемоглобина. Это приводит к тому, что в крови эритроциты с таким гемоглобином деформируются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. При этом развивается острая анемия и снижается количество кислорода, переносимого кровью. Анемия вызывает физическую слабость, может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантномуаллелю.

Генные мутации возникают под воздействием ультрафиолетовых лучей, ионизирующего излучения, химических мутагенов и других факторов. Особенно отрицательно сказывается фон ионизирующей радиации нашей планеты. Даже небольшое повышение естественного фона радиации (на 1/3), например в результате испытаний ядерного оружия, может привести к появлению в каждом поколении дополнительно 20 млн человек с тяжелыми наследственными нарушениями. Нетрудно представить себе, какую опасность не только для населения Украины, Беларуси и России, но и для всего человечества представляют такие события, как авария на Чернобыльской АЭС.

Хромосомные аберрации и хромосомные болезни

 

Хромосомные аберрации. Под хромосомными аберрациями понимают изменения структуры хромосом, вызванные их разрывами, с последующим перераспределением, утратой или удвоением генетического материала. Они отражают различные виды аномалий хромосом. У человека среди наиболее часто встречающихся хромосомных аберраций, проявляющихся развитием глубокой патологии, выделяют аномалии, касающиеся числа и структуры хромосом. Нарушения числа хромосом могут быть выражены отсутствием одной из пары гомологичных хромосом (моносомия) или появлением добавочной, третьей, хромосомы (трисомия). Общее количество хромосом в кариотипе в этих случаях отличается от модального числа и равняется 45 или 47. Полиплоидия и анеуплоидия имеют меньшее значение для развития хромосомных синдромов. К нарушениям структуры хромосом при общем нормальном их числе в кариотипе относят различные типы их «поломки»: транслокацию (обмен сегментами между двумя негомологичными хромосомами), делецию (выпадение части хромосомы), фрагментацию, кольцевые хромосомы и т. д.

Хромосомные аберрации, нарушая баланс наследственных факторов, являются причиной многообразных отклонений в строении и жизнедеятельности организма, проявляющихся в так называемых хромосомных болезнях.

Хромосомные болезни. Их делят на связанные с аномалиями соматических хромосом (аутосом) и с аномалиями половых хромосом (телец Барра). При этом учитывают характер хромосомной аномалии - нарушение числа отдельных хромосом, числа хромосомного набора или структуры хромосом. Эти критерии позволяют выделять полные или мозаичные клинические формы хромосомных болезней.

Хромосомные болезни, обусловленные нарушениями числа отдельных хромосом (трисомиями и моносомиями), могут касаться как аутосом, так и половых хромосом.

Моносомии аутосом (любые хромосомы, кроме Х- и Y-хромосом) несовместимы с жизнью. Трисомии аутосом достаточно распространены в патологии человека. Наиболее часто они представлены синдромами Патау (13-я пара хромосом) и Эдвардса (18-я пара), а также болезнью Дауна (21-я пара). Хромосомные синдромы при трисомиях других пар аутосом встречаются значительно реже. Моносомия половой Х-хромосомы (генотип ХО) лежит в основе синдрома Шерешевского-Тернера, трисомия половых хромосом (генотип XXY) - в основе синдрома Клейнфелтера. Нарушения числа хромосом в виде тетра- или триплоидии могут быть представлены как полными, так и мозаичными формами хромосомных болезней.

Нарушения структуры хромосом дают самую большую группу хромосомных синдромов (более 700 типов), которые, однако, могут быть связаны не только с хромосомными аномалиями, но и с другими этиологическими факторами.

Для всех форм хромосомных болезней характерна множественность проявлений в виде врожденных пороков развития, причем их формирование начинается на стадии гистогенеза и продолжается в органогенезе, что объясняет сходство клинических проявлений при различных формах хромосомных болезней.

Геномные мутации

 

Мутации, происходящие вследствие изменения количества хромосом, составляют группу количественных хромосомных мутаций. Они называются также геномными, поскольку представляют собой нарушение геномного числа хромосом. В основе этого нарушения лежат механизмы нерасхождения хромосом в момент деления клеток, главным образом в мейозе. Изменение числа хромосом осуществляется в двух направлениях: в сторону увеличения или уменьшения их количества, кратного гаплоидному (полиплоидия), и в сторону потери или включении отдельных хромосом или их пар в клеточном наборе (гетероплоидия). Полиплоидия в свою очередь подразделяется на автополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет умножения геномов одного вида) и аллополиплоидию (увеличение числа хромосом за счет слияния геномов разных видов).

Геномные мутации

Робертсоновские перестройки – слияние и разделение хромосом в области центромеры. Названы они по имени В. Робертсона, который предложил свою гипотезу механизма таких мутаций. Слияния хромосом («робертсоновские транслокации») заключается в соединении двух негомологичных хромосом в одну. Под разделением хромосом понимают разрыв одной хромосомы на две. Слияния и разделения изменяют число хромосом в наборе, но не влияют на количества наследственного материала клетки.

Считается, что слияния хромосом происходят чаще, чем их разделение. Практически для любой большой группы растений и животных можно найти данные о хромосомных слияниях. Увеличение числа хромосом в результате их разделения в некоторых случаях также хорошо установлено, например, для ящериц Anolis. Число хромосом в гаплоидном наборе большинства растений и животных колеблется от 6 до 20, но общий размах изменчивости простирается от 1 до нескольких сотен. Число хромосом в наборе может быть различным даже для видов одного рода. Так, например, хромосомное число у дрозофил может принимать любое значение от 3 до 6.

Автополиплоидия

Или повторение в клетке одного и того же хромосомного набора. Эта разновидность довольно широко представлена в природе у протистов, грибов и растений. Плоидность макронуклеуса инфузорий может достигать нескольких сотен. У животных встречается редко и обычно приводит к летальному исходу на ранних стадиях эмбриогенеза.

По мнению А. Мюнтцинга (1967), более половины их относятся к полипоидам. В настоящее время явление полиплоидии широко используется в селекции растений, поскольку увеличение числа хромосом в клеточном наборе нередко приводит к усилению хозяйственно полезных признаков: к увеличению размеров клеток, цветов, плодов, количества зерна, зеленой массы, содержания белка, сахара в плодах и корнеплодах, иногда к повышению устойчивости к вредным воздействиям и заболеваниям. Описана полиплоидия и у некоторых животных, таких, как аскарида, дрозофила, водяной рачок, морской еж. У позвоночных и многих беспозвоночных полиплоидия встречается редко. Она приводит обычно к гибели организма уже на ранних стадиях развития.

Первые исследования полиплоидии были проведены И.И. Герасимовым в 1898-1901 гг. Ему удалось получить тетраплоидные клетки у водоросли спирогиры путем воздействия на них парами эфира и высокими температурами. Искусственное получение полиплоидов стало возможным с 1937 г., когда А. Блекси и А. Эйвери применили для этих целей колхицин.

У культурных растений сбалансированные полиплоиды (т.е. кариотипы с четным числом гаплоидных наборов – 4n, 6n, 8n и т.п.) получают искусственным путем из-за их более крупных размеров. Несбалансированные полиплоиды (3n, 5n, 7n и т.п.) растений часто имеют пониженную фертильность вследствие нарушений мейоза. Но, тем не менее, некоторые растения-триплоиды обладают большими размерами и продуктивностью по сравнению с диплоидными и тетраплоидными.

В настоящее время внутри некоторых видов растений (пшеница, рожь, овес, картофель, хлопчатник, земляника, сахарная свекла, шелковица и др.) изучены полиплоидные ряды, включающие все формы полиплоидии – от геномного числа (гаплоиды) до разных уровней полиплоидизации. В качестве примера можно привести полиплоидный ряд пшеницы, где n=7:2n (однозернянка Triticum durum) и 6n (мягкая Triticum aestivum). Хозяйственно ценные признаки могут возникать на разных уровнях полиплоидизации, но существует так называемый оптимальный уровень ее, увеличение или снижение которого не дает положительного эффекта. У картофеля и пшеницы, например, оптимальный уровень 4n, у земляники – 8n. Для увеличения числа хромосом у этих видов не приводит к усилению полезных свойств, а в ряде случаев даже ослабляет их.

Один из путей возникновения автополиплоидов у растений – образование нередуцированных микро- и макроспор, которое может происходить под влиянием повышения или понижения температуры, действия наркотических веществ и др. В этих случаях хромосомы не конъюгируют в профазе I и могут быть включены в одно ядро в телофазе I. Далее это ядро проходит II деление и образует не четыре, а две клетки – диады. Возможно также нарушение II деление мейоза. В обоих случаях в итоге образуется нередуцированные – диплоидные пыльцевые зерна или яйцеклетки.

Полиплоиды можно получить и у некоторых животных, в частности амфибий. Если на свежеоплодотворенные яйца тритона воздействовать высокой или низкой температурой, из них иногда возникают триплоидные экземпляры. Особым гигантизмом они не отличаются они не отличаются и обычно рано погибают. Находили и триплоидных головастиков лягушек.

Аллополиплоидия

Впервые была описана советским ученым Г.Д. Карпеченко в 1927 г. Многие растения являются природными полиплоидами.

Ему удалось получить плодовитый гибрид редьки и капусты. В клетках этих растений содержится одинаковый по количеству набор хромосом (2n=18), но они не гомологичны. Капустно-редичный гибрид, имеющий 2n хромосом (n=9 – капусты + n=9 – редьки) и совмещающий признаки редьки и капусты, бесплоден, поскольку у него в связи с отсутствием парных гомологичных хромосом нарушается процесс их конъюгации в мейозе: вместо бивалентов формируются униваленты, а гаметы содержат самое различное число хромосом – от 0 до 18. При объединении двух нередуцированных гамет с 18 хромосомами получаются гибриды (рафанобрассика) с 4n хромосомами, где каждая из них имеет гомологичного партнера (2n = 18 – капусты + 2n = 18 – редьки). У гибридов мейоз протекает нормально и в ряду поколений сохраняется плодовитость. Такие гибриды носят название амфидиплоидов. При их образовании происходит как бы синтез новых видов. В 1938 г. белорусский ученый А.Р. Жебрак получил 42-, 56- и 70-хромосомные амфидиплоиды пшеницы от скрещивания однозернянки, твердой пшеницы и пшеницы Тимофеева. Б.Л. Астауров в 40-х годах получил полиплоидную форму у шелкопряда при скрещивании двух видов шелкопряда – Bombyx mori и B. mandarina.

В ряде случаев при отдаленной гибридизации могут развиться формы, существующие в природе. Это явление носит название ресинтеза. Так, в 30-х годах В.А. Рыбин синтезировал культурную сливу, скрещивая терн с алычой. Среди гибридов оказалось растение, похожее на домашнюю сливу и имеющее такое же число хромосом (2n = 48). Жебраку удалось провести ресинтез 42-хромосомной пшеницы.

Гетероплоидия, или анеуплоидия

Возникает вследствие изменения числа хромосом, не кратного гаплоидному набору. В результате не расхождение хромосом при гаметогенезе могут возникать половые клетки с лишними хромосомами, и тогда при последующем слиянии с нормальными гаплоидными гаметами они образуют зиготы 2n + 1, или трисомики, по определенной хромосоме. Если в гамете оказалось меньше на одну хромосому, то последующее оплодотворение приведет к образованию зиготы 2n – 1, или моносомика, по какой-либо из хромосом. Полисомия и моносомия могут иметь самостоятельное фенотипическое проявление вследствие изменения соотношений доз некоторых генов или нарушения генного баланса. Так, А. Брексли и Дж. Беллинг в 20-х годах показали, что создание трисомиков по каждой из 12 хромосом дурмана (Datura stramonium) приводит к появлению характерного, отличного от других типа растения. В частности, это выражалось в специфическом изменении формы семенной коробочки.

Часто, особенно у животных и человека, лишняя хромосома обусловливает депрессию развития и летальность. (например: лишняя Х-хромосома или 21-я хромосома у человека обусловливает тяжелые аномалии).

Расщепление по генам, локализованным в лишней хромосоме, подчиняется законам расщепления полиплоидов с учетом явления двойной редукции. В этом случае при скрещивании трисомика и нормального диплоида анализ ведется, как и при скрещивании триплоида и диплоида.

Гетероплоидия сопровождается значительными фенотипическими изменениями. У людей при этом обнаруживаются множественные дефекты физического и умственного развития. Описана гетероплоидия у растений (пшеница, табак, кукуруза) и некоторых домашних животных. Она используется для изучения групп сцепления, маркирования хромосом и для селекционных целей (вводя в геном реципиента определенные хромосомы, можно направленно изменять признаки и свойства растений).

У гетероплоидов также нарушен гаметогенез, но вместе с тем у них могут образовываться нормальные гаплоидные половые клетки.

37.

Генетическая классификация наследственных болезней

 

В основу генетической классификации наследственных болезней положен этиологический принцип, а именно тип мутаций и характер взаимодействия со средой. Всю наследственную патологию можно разделить на 5 групп: генные болезни, хромосомные болезни, болезни с наследственной предрасположенностью (синонимы: мультифакториальные, многофакторные), генетические болезни соматических клеток и болезни генетической несовместимости матери и плода. Каждая из этих групп в свою очередь подразделяется в соответствии с более детальной генетической характеристикой и типом наследования.