Генотипическая

1. Комбинативная

2. Мутационная

Формирование различных типов изменчивости является следствием взаимодействия внешней среды и генотипа.

Характеристика фенотипической изменчивости.

Фенотипическая изменчивость – изменения фенотипа, возникающие под действием условий внешней среды, не затрагивающие генотип, хотя степень их выраженности определяется генотипом.

Онтогенетическая изменчивость – это постоянная смена признаков в процессе развития особи (онтогенез земноводных, насекомых, развитие морфофизиологических и психических признаков у человека).

Модификационная изменчивость – фенотипические изменения, возникающие вследствие воздействия факторов внешней среды на организм.

Модификационная изменчивость детерминируется генотипом. Модификации не передаются по наследству и бывают сезонные и экологические.

Сезонные модификации – генетически детерминированная смена признаков в результате сезонных изменений климатических условий.

Экологические модификации – адаптивные изменения фенотипа в ответ на изменение условий внешней среды. Фенотипически они проявляются в степени выраженности признака. Экологические модификации затрагивают количественные (масса животных, потомство) и качественные (цвет кожи у человека под влиянием УФ-лучей) признаки.

Свойства модификаций:

Модификации не передаются по наследству.

Возникают постепенно, имеют переходные формы.

Модификации образуют непрерывные ряды и группируются вокруг среднего значения.

Возникают направленно – под влиянием одного и того же фактора среды группа организмов изменяется сходным образом.

Приспособительный (адаптивный ) характер имеют все наиболее распространенные модификации.

Так повышение числа эритроцитов и содержание Hb в крови животных и человека в горах представляют приспособление для лучшего использования кислорода. Загар – приспособление к воздействию чрезмерной инсоляции. Установлено, что адаптивными бывают только те модификации, которые вызываются обычными изменениями природных условий. Не имеет приспособительного значения модификации, вызываемые различными химическими и физическими факторами. Так, воздействуя повышенной температурой на куколки дрозофилы, можно получить особи с закрученными крыльями, с вырезками на них, что напоминает мутации.

Экологические модификации обратимы и со сменой поколений при условии изменения внешней среды могут не проявляться (колебания удоев молока, смена количества эритроцитов и лейкоцитов при заболеваниях или изменениях условий обитания). Если в ряду поколений условия не меняются, то степень выраженности признака в потомстве сохраняется. Такие модификации называются длительными. При изменении условий развития длительные модификации не наследуются. Ошибочно мнение, что воспитанием и внешним воздействием можно закрепить в потомстве новый признак (пример дрессировки собак).

Модификации носят адекватный характер, т.е. степень выраженности признака находится в прямой зависимости от вида и продолжительности действия фактора. Так, улучшение условий содержания скота вызывает увеличение массы животных.

Одним из основных свойств модификаций является их массовость – один и тот же фактор вызывает одинаковое изменение особей, сходных генотипически. Предел и степень выраженности модификаций контролируется генотипом.

Модификации обладают разной степенью стойкости: длительные и кратковременные. Так, загар у человека проходит по окончании действия инсоляции. Другие модификации, возникшие на ранних стадиях развития могут сохраняться в течение всей жизни (кривоногость после рахита).

Модификации однозначны для самых примитивных и высокоорганизованных организмов. К числу таких модификаций относятся фенотипические изменения, связанные с питанием. Изменения не только количества, но и качества пищи могут обусловить возникновение следующих модификаций: авитаминоза человека, дистрофии, рахита. К наиболее частым модификациям человека относятся фенотипические признаки, вызываемые физическими нагрузками: увеличение объема мышц в результате тренировки, усиление кровоснабжения, негативные изменения при малоподвижном образе жизни.

Поскольку модификации не наследуются, во врачебной практике важно отличить их от мутаций. Модификации, возникающие у человека, поддаются коррекции, в то время как мутационные изменения вызывают неизлечимые патологии.

Вариации в проявлении гена не являются беспредельными. Они ограничиваются нормой реакции организма.

Норма реакции – это предел модификационной изменчивости признака. Наследуется норма реакции, а не сами модификации, т.е. способность к развитию признака, а форма его проявления зависит от условий окружающей среды. Норма реакции – конкретная количественная и качественная характеристика генотипа. Различают признаки с широкой нормой реакции и узкой. К широкой – относятся количественные показатели: масса животных, урожайность сельскохозяйственных культур. Узкая норма реакции проявляется у качественных признаков: процент жирности молока, содержание белков в крови у человека. Однозначная норма реакции так же характерна для большинства качественных признаков – цвет волос, глаз.

Под влиянием некоторых вредных факторов, с которыми человек не сталкивается в процессе эволюции, может возникать модификационная изменчивость, лежащая за пределами нормы реакции. Возникают уродства или аномалии, которые называются морфозами. Это изменения морфологических, биохимических, физиологических признаков у млекопитающих. Например, 4 сердца, один глаз, две головы; у человека – отсутствие конечностей у детей при рождении, непроходимость кишечника, опухоль верхней губы. Причиной возникновения таких изменений являются тератогены: препарат талидомид, хинин, галлюциноген ЛСД, наркотики, алкоголь. Морфоз резко изменяет новый признак в отличие от модификаций, вызывающих изменения степени выраженности признака. Морфозы могут возникать в критические периоды онтогенеза и не носят приспособительного характера.

Фенотипически морфозы бывают сходны с мутациями и в таких случаях они называются фенокопиями. Механизмом фенокопий является нарушение реализации наследственной информации. Они возникают вследствие подавления функции определенных генов. По своему проявлению они напоминают функцию известных генов, но не наследуются.

Генотипическая изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в обеспечении генетического полиморфизма человечества.

Генотипическая изменчивость – изменчивость организма, обусловленная изменением генетического материала клетки или комбинациями генов в генотипе, которые могут привести к появлению новых признаков или к новому их сочетанию.

Изменчивость, возникающая при скрещивании, в результате различных комбинаций генов, их взаимодействия между собой, называется комбинативной. При этом структура гена не меняется.

Механизмы возникновения комбинативной изменчивости:

кроссинговер;

независимое расхождение хромосом в мейозе;

случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Комбинативная изменчивость наследуется согласно правилам Менделя. На проявление признаков при комбинативной изменчивости оказывают влияние взаимодействие генов из одной и разных аллельных пар, множественные аллели, плейотропное действие генов, сцепление генов, пенетрантность, экспрессивность гена и т.д.

Благодаря комбинативной изменчивости обеспечивается большое разнообразие наследственных признаков у человека.

На проявление комбинативной изменчивости у человека оказывает влияние система скрещивания или система браков: инбридинг и аутбридинг.

Инбридинг – родственный брак. Он может быть в разной мере тесным, что зависит от степени родства вступающих в брак. Брак братьев с сестрами или родителей с детьми называется первой степени родства. Менее тесный – между двоюродными братьями и сестрами, племянниками с дядями или тетями.

Первое важное генетическое следствие инбридинга – повышение с каждым поколением гомозиготности потомков по всем независимо наследуемым генам.

Второе – разложение популяции на ряд генетически различных линий. Изменчивость инбридируемой популяции будет возрастать, тогда как изменчивость каждой выделяемой линии снижается.

Инбридинг часто ведет к ослаблению и даже вырождению потомков. У человека инбридинг, как правило, вреден. Это усиливает риск заболеваний и преждевременной смерти потомков. Но известны примеры длительного тесного инбридинга, несопровождающегося вредными последствиями, например, родословная фараонов Египта.

Поскольку изменчивость любого вида организмов в каждый данный момент представляет конечную величину, ясно, что число предков в каком-то поколении должно бы превысить численность вида, что невозможно. Отсюда вытекает, что среди предков происходили браки в той или иной степени родства, вследствие чего фактическое число разных предков сокращалось. Это можно показать на примере человека.

У человека за столетие рождается в среднем 4 поколения. Значит, 30 поколений назад, т.е. приблизительно в 1200 году н.э. у каждого из нас должно было быть 1 073 741 824 предка. Фактически же численность в ту пору не достигала 1 млрд. Приходится заключить, что в родословной каждого человека много раз встречались браки между родственниками, хотя в основном настолько отдаленными, что они не подозревали о своем родстве.

На самом деле такие браки встречались гораздо чаще, чем следует из приведенного соображения, т.к. на протяжении большей части своей истории человечество существовало в форме изолированных друг от друга народов и племенных групп.

Поэтому братство всех людей представляет собой действительно реальный генетический факт.

Аутбридинг – неродственный брак. Неродственными особями считаются особи, у которых нет общих предков в 4-6 поколениях.

Аутбридинг повышает гетерозиготность потомков, объединяет в гибридах аллели, которые существовали у родителей порознь. Вредные рецессивные гены, находившие у родителей в гомозиготном состоянии, подавляются у гетерозиготных по ним потомков. Возрастает комбинация всех генов в геноме гибридов и соответственно широко будет проявляться комбинативная изменчивость.

Комбинативная изменчивость в семье касается как нормальных, так и патологических генов, способных присутствовать в генотипе супругов. При решении вопросов медико-генетических аспектов семьи требуется точное установление типа наследования заболевания – аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный или сцепленный с полом, в противном случае прогноз окажется неверным. При наличии у обоих родителей рецессивного аномального гена в гетерозиготном состоянии вероятность заболевания ребенка – 25%.

Частота синдрома Дауна у детей рожденных матерями 35-летнего возраста – 0,33%, 40-летнего и старше – 1,24%.

Мутационная изменчивость. Теория Х. Де Фриза. Классификация и характеристика мутаций.

Мутационная изменчивость – это такой тип изменчивости, при которой происходит скачкообразное, прерывистое изменение наследственного признака. Мутации – это внезапно возникающие стойкие изменения генетического аппарата, включающие как переход генов из одного аллельного состояния в другое, так и различные изменения структуры генов, числа и структуры хромосом, плазмогенов цитоплазмы.

Термин мутация впервые был предложен Х. де Фризом в его труде «Мутационная теория» (1901-1903). Основные положения этой теории:

Мутации возникают внезапно, новые формы вполне устойчивы.

Мутации являются качественными изменениями.

Мутации могут быть полезными и вредными.

Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Все мутации делят на группы (Табл. 9). Первостепенная роль принадлежит генеративным мутациям , возникающим в половых клетках. Генеративные мутации, вызывающие изменение признаков и свойств организма, могут быть обнаружены, если гамета, несущая мутантный ген, участвует в образовании зиготы. Если мутация доминантна, то новый признак или свойство проявляются даже у гетерозиготной особи, происшедшей из этой гаметы. Если мутация рецессивная, то она может проявиться только через несколько поколений при переходе в гомозиготное состояние. Примером генеративной доминантной мутации у человека может служить появление пузырчатости кожи стоп, катаракты глаза, брахифалангии (короткопалость с недостаточностью фаланг). Примером спонтанной рецессивной генеративной мутации у человека можно рассматривать гемофилию в отдельных семьях.

Таблица 9 - Классификация мутаций

Соматические мутации по своей природе ничем не отличаются от генеративных, но их эволюционная ценность различна и определяется типом размножения организма. Соматические мутации играют роль у организмов с бесполым размножением. Так, у вегетативно размножающихся плодовых и ягодных растений соматическая мутация может дать растения с новым мутантным признаком. Наследование соматических мутаций в настоящее время приобретает особое значение в связи с изучением причин возникновения рака у человека. Предполагают, что для злокачественных опухолей превращение нормальной клетки в раковую происходит по типу соматических мутаций.

Генные или точковые мутации – это цитологически невидимые изменения хромосом. Генные мутации могут быть как доминантными, так и рецессивными. Молекулярные механизмы генных мутаций проявляются в изменении порядка нуклеотидных пар в молекуле нуклеиновой кислоты в отдельных сайтах. Сущность локальных внутригенных изменений может быть сведена к четырем типам нуклеотидных перестроек:

Замена пары оснований в молекуле ДНК:

а) Транзиция: замена пуриновых оснований на пуриновые или пиримидиновых на пиримидиновые;

б) Трансверзия: замена пуриновых оснований на пиримидиновые и наоборот.

Делеция (выпадение) одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

Вставка одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

Дупликация – повтор нуклеотидной пары;

Перестановка положения нуклеотидов внутри гена.

Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам списывания с него генетической информации, нужной для протекания биохимических процессов в клетке, и приводит к появлению новых свойств в клетке и организме в целом. По-видимому, точковые мутации являются наиболее важными для эволюции.

По влиянию на характер кодируемых полипептидов точковые мутации могут быть представлены в виде трех классов:

Миссенс-мутации – возникают при замене нуклеотида внутри кодона и обусловливают подстановку в определенном месте в цепи полипептида одной неверной аминокислоты. Физиологическая роль белка изменяется, что создает поле для естественного отбора. Это основной класс точковых, внутригенных мутаций, которые появляются в естественном мутагенезе под воздействием радиации и химических мутагенов.

Нонсенс-мутации – появление внутри гена терминальных кодонов за счет изменения отдельных нуклеотидов в пределах кодона. В результате процесс трансляции обрывается в месте появления терминального кодона. Ген оказывается способным кодировать только обрывки полипептида до места появления терминального кодона.

Мутации сдвига рамки чтения возникают при появлении внутри гена вставок и делеций. В этом случае после измененного сайта изменяется все смысловое содержание гена. Это вызывается новой комбинацией нуклеотидов в триплетах, поскольку триплеты после выпадения или вставки приобретают новый состав в силу сдвига на одну пару нуклеотидов. В результате вся цепь полипептида после места точковой мутации приобретает другие неверные аминокислоты.

Хромосомные перестройки возникают в результате разрыва участков хромосомы и их перекомбинаций. Различают:

Дефишенси и делеции – нехватка, соответственно концевого и срединного участка хромосомы;

Дупликации – удвоение или умножение тех или иных участков хромосомы;

Инверсии – изменение линейного расположения генов в хромосоме вследствие переворота на 180˚ отдельных участков хромосомы.

Межхромосомные перестройки связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами. Такие перестройки получили название транслокации.

Геномные мутации затрагивают геном клетки и вызывают изменение числа хромосом в геноме. Это может происходить за счет увеличения или уменьшения числа гаплоидных наборов или отдельных хромосом. К геномным мутациям относят полиплоидию и анеуплоидию.

Полиплоидия – геномная мутация, состоящая в увеличении числа хромосом, кратному гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются: 3n – триплоидами, 4n – тетраплоидами и т.д. Полиплоидия приводит к изменению признаков организма: увеличению плодовитости, размеров клеток, биомассы. Используется в селекции растений. Полиплоидия известна и у животных, например, у инфузорий, тутового шелкопряда, земноводных.

Анеуплоидия – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору: 2n+1; 2n-1; 2n-2; 2n+2. У человека такие мутации вызывают патологии: синдром трисомии по Х-хромосоме, трисомия по 21-й хромосоме (болезнь Дауна), моносомия по Х-хромосоме и т.д. Явление анеуплоидии показывает, что нарушение числа хромосом приводит к изменению в строении и снижению жизнеспособности организма.

Цитоплазматические мутации – это изменение плазмогенов, приводящее к изменению признаков и свойств организма. Такие мутации стабильны и передаются из поколения в поколение, например, потеря цитохромоксидазы в митохондриях дрожжей.

По адаптивному значению мутации делят: на полезные , вредные (летальные и полулетальные) и нейтральные . Это деление условно. Между полезными и летальными мутациями существуют почти непрерывные переходы вследствие экспрессивности гена. Примером летальных и сублетальных мутаций у человека можно назвать эпилойю (синдром, характеризующийся разрастанием кожи, умственной отсталостью) и эпилепсию, а также наличие опухолей сердца, почек, врожденный ихтиоз, амавротическую идиотию (отложение в ЦНС жирового вещества, сопровождающееся дегенерацией мозгового вещества, слепотой), талассемию и др.

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях без специального воздействия необычными агентами. Мутационный процесс характеризуется, главным образом, частотой возникновения мутаций. Определенная частота возникновения мутаций характерна для каждого вида организмов. Одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие. Установленные закономерности частоты спонтанного мутирования сводятся к следующим положениям:

различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой (имеются гены мутабильные и стабильные);

сходные гены в разных генотипах мутируют с разной частотой.

Каждый ген мутирует относительно редко, но т.к. число генов в генотипе велико, то суммарная частота мутирования всех генов оказывается довольно высокой. Так, у человека частота возникновения мутаций в популяции составляет для талассемии 4·10 -4 , альбинизма – 2,8·10 -5 , гемофилии – 3,2·10 -5 .

На частоту спонтанного мутагенеза могут влиять особые гены – гены-мутаторы , которые могут резко изменять мутабильность организма. Такие гены открыты у дрозофилы, кукурузы, кишечной палочки, дрожжей и др. организмов. Допускается, что гены-мутаторы изменяют свойства ДНК‑полимеразы, влияние которой ведет к массовой мутации.

На спонтанный мутагенез влияют физиологическое и биохимическое состояние клетки. Так, показано, что в процессе старения частота мутаций значительно увеличивается. Среди возможных причин спонтанного мутирования можно назвать накопление в генотипе мутаций, блокирующих биосинтез тех или иных веществ, вследствие чего будет происходить чрезмерное накопление предшественников таких веществ, которые могут обладать мутагенными свойствами. Определенную роль в спонтанном мутировании человека может играть естественная радиация, за счет которой можно отнести от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций у человека.

На основании изучения спонтанных мутаций внутри популяций одного вида и при сравнении популяций разных видов Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов». Чем генетически ближе расположены в общей системе роды, тем полнее сходство изменчивости в их рядах. Главное в законе гомологичных рядов состояло в новом подходе к пониманию принципов мутаций в природе. Оказалось, что наследственная изменчивость является исторически сложившимся явлением. Мутации являются случайными, если их брать по отдельности. Однако, в целом, они в свете закона гомологичных рядов становятся в системе видов закономерным явлением.

Мутации, идущие как бы случайно в разных направлениях, при их объединении обнаруживают общий закон.

Индуцированный мутационный процесс – возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды.

Механизмы возникновения мутаций. Мутагенез и канцерогенез. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды мутагенами.

Все факторы мутагенеза могут быть разбиты на три вида: физические, химические и биологические.

Среди физических факторов наибольшее значение имеют ионизирующие излучения. Ионизирующие излучения делят на:

электромагнитные (волновые), к ним относят рентген-лучи с длиной волны от 0, 005 до 2 нм, гамма-лучи и космические лучи;

корпускулярные излучения – бета-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны (быстрые и тепловые), альфа-частицы (ядра атомов гелия) и др. Проходя через живое вещество, ионизирующие излучения выбивают электроны из внешней оболочки атомов и молекул, что ведет к их химическим превращениям.

Различные животные характеризуются различной чувствительностью к ионизирующим излучениям, которая колеблется от 700 рентген для человека до сотен тысяч и миллионов рентген для бактерий и вирусов. Ионизирующие излучения вызывают в первую очередь изменения в генетическом аппарате клетки. Показано, что ядро клетки в 100 тыс. раз чувствительнее к радиации, чем цитоплазма. Значительно чувствительнее к радиации незрелые половые клетки (сперматогонии), чем зрелые (сперматозоиды). ДНК хромосом наиболее чувствительна к действию радиации. Развивающиеся изменения выражаются в генных мутациях и перестройках хромосом.

Показано, что частота мутаций зависит от общей дозы радиации и прямо пропорциональна дозе облучения.

Ионизирующие излучения действуют на генетический аппарат не только прямо, но и косвенно. Они вызывают радиолиз воды. Возникающие при этом радикалы (Н + , ОН -) оказывают повреждающее действие.

К сильным физическим мутагенам относятся ультрафиолетовые лучи (длина волны до 400 нм), которые не ионизируют атомы, а только возбуждают их электронные оболочки. В итоге в клетках развиваются химические реакции, которые могут приводить к мутации. Частота возникновения мутаций увеличивается с увеличением длины волны до 240-280 нм (соответствует спектру поглощения ДНК). УФ лучи вызывают генные и хромосомные перестройки, но в значительно меньшем количестве, чем ионизирующее излучение.

Гораздо более слабым физическим мутагеном является повышенная температура. Повышение температуры на 10 увеличивает частоту мутации в 3-5 раз. При этом возникают в основном генные мутации у низших организмов. На теплокровных животных с постоянной температурой тела и человека этот фактор не влияет.

Химические мутагены насчитывают множество разнообразных веществ и их список непрерывно пополняется. Самыми сильными химическими мутагенами являются:

алкилирующие соединения: диметилсульфат; иприт и его производные – этиленимин, нитрозоалкил-нитрометил, нитрозоэтилмочевина и др. Иногда эти вещества являются супермутагенами и канцерогенами.

Вторую группу химических мутагенов составляют аналоги азотистых оснований (5-бромурацил, 5-бромдезоксиуродин, 8-азогуанин, 2‑аминопурин, кофеин и др.).

Третью группу составляют акридиновые красители (акридин желтый, оранжевый, профлавин).

Четвертую группу составляют разные по строению вещества: азотистая кислота, гидроксиламин, разные перекиси, уретан, формальдегид.

Химические мутагены могут индуцировать как генные, так и хромосомные мутации. Они вызывают больше генных мутаций, чем ионизирующие излучения и УФ-лучи.

К биологическим мутагенам относят некоторые виды вирусов. Показано, что большинство вирусов человека, животных и растений индуцируют мутации у дрозофилы. Допускается, что молекулы ДНК-вирусов представляют мутагенный элемент. Способность вирусов вызывать мутации обнаружены у бактерий и актиномицетов.

По-видимому, все мутагены, как физические, так и химические, в принципе универсальны, т.е. могут вызывать мутации у любых форм жизни. Для всех известных мутагенов не существует нижнего порога их мутагенного действия.

Мутации вызывают врожденные уродства и наследственные болезни человека. Поэтому насущной задачей является ограждение людей от действия мутагенов. Огромное значение в этом отношении имело запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере. Очень важно соблюдать меры защиты людей от радиации в атомной индустрии, при работе с изотопами, рентген-лучами. Определенную роль могут сыграть антимутагены – вещества, снижающие эффект действия мутагенов (цистеамин, хинакрин, некоторые сульфаниламиды, производные пропионовой и галловой кислот).

Репарация генетического материала. Мутации, связанные с нарушением репарации, и их роль в патологии человека.

Не все повреждения генетического аппарата, вызываемые мутагенами, реализуются в виде мутаций. Многие из них исправляются с помощью особых репарирующих ферментов.

Репарация представляет эволюционно выработанные приспособления, повышающие помехоустойчивость генетической информации и ее стабильность в ряду поколений. Механизм репарации основан на том, что каждая молекула ДНК содержит два полных набора генетической информации, записанной в комплементарных друг другу полинуклеотидных нитях. Это обеспечивает сохранение неискаженной информации в одной нити, даже если другая повреждена, и по неповрежденной нити исправит дефект.

В настоящее время известно три механизма репарации: фотореактивация, темновая репарация, пострепликативная репарация.

Фотореактивация заключается в устранении видимым светом димеров тимина, особенно часто возникающих в ДНК под влиянием УФ-лучей. Замена осуществляется особым фотореактивирующим ферментом, молекулы которого не обладают сродством с неповрежденной ДНК, но опознают димеры тимина и связываются с ними сразу после их образования. Этот комплекс остается стабильным, пока не подвергнется действию видимого света. Видимый свет активирует молекулу фермента, она отделяется от димера тимина и одновременно разъединяет его на два отдельных тимина, восстанавливая исходную структуру ДНК.

Темновая репарация не требует света. Она способна исправлять очень разнообразные повреждения ДНК. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии нескольких ферментов:

Молекулы эндонуклеазы постоянно обследуют молекулу ДНК, опознав повреждение, фермент разрезает вблизи него нить ДНК;

Эндо- или экзонуклеаза делает в этой нити второй надрез, иссекая поврежденный участок;

Экзонуклеаза значительно расширяет образующуюся брешь, отсекая десятки или сотни нуклеотидов;

Полимераза застраивает брешь в соответствии с порядком нуклеотидов во второй (неповрежденной) нити ДНК.

Световая и темновая репарации наблюдаются до того, как произошла репликация поврежденных молекул. Если же не происходит репликация поврежденных молекул, то дочерние молекулы могут подвергнуться пострепликативной репарации. Механизм ее пока не ясен. Допускается, что при ней бреши в дефектах ДНК могут застраиваться фрагментами, взятыми от неповрежденных молекул.

Предельно важное значение принадлежит генетическим различиям в активности репарирующих ферментов. Подобные различия имеются и у человека. У человека известно заболевание пигментная ксеродерма . Кожа у таких людей чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментированными пятнами, изъязвляется и может перерождаться в рак кожи. Пигментная ксеродерма вызывается мутацией, нарушающей механизм репарации повреждений, вызываемых в ДНК кожных клеток УФ-лучами солнечного света.

Явление репарации ДНК распространено от бактерий до человека и имеет большое значение для сохранения стабильности генетической информации, передаваемой из поколения в поколение.

Модификационная изменчивость - изменения в фенотипе организма, что в большинстве случаев носят приспособительный характер и образуются в результате взаимодействиягенотипа с окружающей средой. Изменения в организме, или модификации, не наследуются. В целом понятие "модификационная изменчивость" соответствует понятию "определена изменчивость", которое ввел Дарвин.

Условная классификация модификационной изменчивости

• По характеру изменений в организме
  • Морфологические изменения
  • Физиологические и биохимические адаптации - гомеостаз
• По спектру нормы реакции
  • Узкие
  • Широкие
• По значению
  • Приспособительные модификации
  • Морфозы
  • Фенокопии
• По продолжительности
  • Наблюдаются лишь у особей, подвергшихся воздействию определенных факторов окружающей среды (однотерминови)
  • Наблюдаются у потомков этих особей (длительные модификации) в течение определенного количества поколений

Механизм модификационной изменчивости

Модификайна изменчивость - результат не изменений генотипа, а его реакции на условия окружающей среды. То есть структура генов не изменяется, - меняется экспрессия генов.

Вследствие этого под действием факторов окружающей среды на организм меняется интенсивность ферментативных реакций, что обуславливается изменением интенсивности их биосинтеза. Некоторые ферменты, например, МАР-киназа, обусловливают регуляцию транскипции генов, которая зависит от факторов окружающей среды. Таким образом, факторы окружающей среды способны регулировать активность генов и выработку ими специфического белка, функции которого наиболее соответствуют среде.

Как пример приспособительных модификаций, рассмотрим механизм образования пигмента меланина. По его выработки соответствуют четыре гена, которые находятся в разных хромосомах. Наибольшее количество аллелей этих генов - 8 - имеющаяся у людей с темным окрасом покровов тела. Если на покровы интенсивно действует фактор среды, ультрафиолетовое излучение, то при проникновении его в мижних слоев эпидермиса клетки последнего разрушаются. Происходит высвобождение эндотелина-1 и эйкозаноидов(продуктов распада жирных кислот), что обуславливает активацию и усиленный биосинтез фермента тирозиназы. Тирозиназа, в свою очередь, катализирует окисление аминокислоты тирозина. Дальнейшее формирование меланина происходит без участия тирозиназы, но усиление биосинтеза тирозиназы и ее активация обусловливает образование загара, соответствующий факторам среды.

Другой пример - сезонная смена окраски меха у животных (линька). Линьки и последующая окраска обусловлены действием температурных показателей на гипофиз, который стимулирует выработку тиреотропного гормона. Это обусловливает действие на щитовидную железу, под действием гормонов которой наступает линька.

Норма реакции

Норма реакции - спектр экспрессии генов при неизменном генотипе, из которого выбирается наиболее соответствующий условиям среды уровень активности генетического аппарата, и формирует специфический фенотип. Например, есть аллель гена X a, обуславливающей продуцирования большего количества колосья пшеницы, и аллель гена Y b, которая производит малое количество колосьев пшеницы. Экспрессия аллелей этих генов взаимосвязана. Весь спектр экспрессии размещается между максимальной экспрессией аллеля а и максимальной экспрессией аллеля b, и интенсивность проявления этих аллелей зависит от условий окружающей среды. При благоприятных условиях (при достаточном количестве влаги, питательных веществ) происходит "доминирования" аллели а при неблагоприятных преобладает проявление аллеля b.

Норма реакции имеет предел проявления для каждого вида - например, усиленное кормление животных обусловит рост ее массы, однако она будет находиться в пределах спектра выявления этого признака для данного вида. Норма реакции генетически детерминирована и наследуется. Для различных изменений есть разные грани проявления нормы реакции.Например, сильно варьирует величина удоя, производительность злаков (количественные изменения), слабо - интенсивность окраски животных и т.п. (качественные изменения). В соответствии с этим, норма реакции может быть узкой (качественные изменения - окраска куколок и имаго некоторых бабочек) и широкой (количественные изменения - размеры листьев растений, размеры тела насекомых в зависимости от питания их куколок. Однако для некоторых количественных изменений характерна узкая норма реакции (жирность молока, число пальцев на ногах у морских свиней), а для некоторых качественных изменений широкая (сезонные изменения окраски у животных северных широт). В общем, норма реакции и интенсивность экспрессии генов на основе нее предопределяют непохожесть внутривидовых единиц.

Характеристика модификационной изменчивости

• Оборачиваемость - изменения исчезают при исчезновении специфических условий среды, которые привели к появлению модификации;
• Групповой характер;
• Изменения в фенотипе не наследуются - наследуется норма реакции генотипа;
• Статистическая закономерность вариационных рядов;
• Модификации дифференцируют фенотип, не изменяя генотип.

Анализ и закономерности модификационной изменчивости

Ранжированы отображения проявления модификационной изменчивости - вариационный ряд - ряд модификационной изменчивости свойства организма, состоящий из отдельных связанных между собой свойств фенотипа организма, расположенных в порядке возрастания или убывания количественного выражения свойства (размеры листа, изменения интенсивности окраски меха и др.). Единичный показатель соотношения двух факторов в вариационном ряду (например, длина меха и интенсивность ее пигментации) называетсяварианта. Например, пшеница, растущая на одном поле, может сильно варьировать по количеству колосков и колосья в силу различных показателей почвы. Сопоставив число колосков в одном колоске и количество колосьев, можно получить такой вариационный ряд:

Вариационная кривая

Графическое отображение проявления модификационной изменчивости - вариационная кривая - отражает как диапазон вариации властивоств, так и частоту встречаемости отдельных вариант.

После построения кривой видно, что наиболее часто встречаются средние варианты проявления свойства (закон Кетле). Причиной этого является действие факторов окружающей среды на ход онтогенеза. Некоторые факторы подавляют экспрессию генов, другие усиливают. Почти всегда эти факторы, равно действуя на онтогенез, нейтрализуют друг друга, т.е. крайние проявления признака минимизируются по частоте встречаемости. Это и является причиной большей встречаемости особей со средним проявлением признака. Например, средний рост мужчины - 175 см - встречается наиболее часто.

При построении вариационной кривой можно рассчитать величину среднеквадратического отклонения и, на основе этого, построить график среднеквадратичного отклонения от медианы - проявления признака, который встречается наиболее часто.

График среднеквадратичного отклонения, построенный на основе вариационной кривой "модификационная изменчивость пшеницы"

Формы модификационной изменчивости

Фенокопии

Фенокопии - изменения фенотипа под действием неблагоприятных факторов окружающей среды, похожие на мутации. Генотип при этом не меняется. Их причинами являются тератогены - определенные физические, химические (лекарства и т.п.) и биологические агенты (вирусы) с возникновением морфологических аномалий и пороков развития. Фенокопии часто похожи на наследственные болезни. Иногда фенокопии берут свое начало из эмбрионального развития. Но чаще примерами фенокопий являются изменения в онтогенезе - спектр фенокопий зависит от стадии развития организма.

Морфозы

Морфозы - это изменения в фенотипе под действием экстремальных факторов окружающей среды. Впервые морфозы проявляются именно в фенотипе и могут приводить к адаптационных мутаций, берется эпигенетической теории эволюции как основа движения естественного отбора на основе модификационной изменчивости. Морфозы имеют неадаптивных и необратимый характер, то есть, как и мутации, лабильные.Примерами морфоз есть шрамы, определенные травмы, ожоги и т.п.

Длительная модификационная изменчивость

Большинство модификаций не наследуются и является лишь реакцией генотипа на условия окружающей среды. Конечно, потомки особи, которая подверглась воздействию определенных факторов, сформировавших более широкую норму реакции, также могут иметь такие же широкие изменения, однако они будут проявляться лишь при воздействии определенных факторов, что, воздействуя на гены, обусловливающие более интенсивные ферментативные реакции. Однако в некоторых простейших, бактерий и даже эукариот является так называемая длительная модификационная изменчивость, обусловленная цитоплазматической наследственностью. Для выяснения механизма длительной модификационной изменчивости рассмотрим сначала регуляцию триггера факторами окружающей среды.

Регуляция триггеру модификациями

Как пример долговременной модификационной изменчивости рассмотрим оперон бактерий. Оперон - это способ организации генетического материала, при котором гены, кодирующие совместно или последовательно работающие белки, объединяются под одним промотором. В оперона бактерий содержатся, кроме генных структур, два участка - промотор и оператор. Оператор находится между промотором (участок, с которой начинается транскрипция) и структурными генами. Если оператор связан с определенными белками-репрессор, то вместе они не дают двигаться РНК-полимеразе по цепи ДНК, начинается с промотора. Если оперона два и если они взаимосвязаны (структурный ген первого оперона кодирует белок-репрессор для второго оперона и наоборот), то они образуют систему, которая называется триггер. При активном состоянии первой составляющей триггеру другая составляющая пассивна. Но, при воздействии определенных факторов окружающей среды, может произойти переключение триггера на второй оперон вследствие прерывания кодирования белка-репрессор для него.

Эффект переключения триггеров можно наблюдать в некоторых неклеточных форм жизни, например, в бактериофагов, и у прокариот, таких как кишкивна палочка. Рассмотрим оба случая.

Кишкивна палочка - совокупность видов бактерий, взаимодействующих с определенными организмами с получением общей выгоды (мутуализм). Они имеют высокую ферментативную активность в отношении сахаров (лактозы, глюкозы), при чем, они не могут одновременно расщеплять глюкозу и лактозу. Регуляцию возможности расщепления лактозы выполняет лактозной оперон, состоящий из промотора, оператора и терминатора, а также - с гена, кодирующего белок-репрессор для промотора. При отсутствии лактозы в окружающей среде происходит соединение белка-репрессор с оператором и прекращение транскрипции. Если лактоза попадает в клетку бактерии, происходит ее соединение с белком-репрессор, изменение его конформации и диссоциация белка-репрессор от оператора.

Бактериофаги - вирусы, поражающие бактерии. При попадании в клетку бактерии, при неблагоприятных условиях окружающей среды, бактериофаги остаются неактивными, проникая в генетический материал и передаваясь в дочерние клетки при бинарном разделении материнской клетки. При появлении благоприятных условий в клетке бактерии происходит переключение триггера в бактериофага результате попадания питательных веществ-индукторов, и бактериофаги размножаются и вырываются из бактерии.

Такое явление часто наблюдается у вирусов и прокариот, однако у многоклеточных организмов оно почти никогда не встречается.

Цитоплазматическое наследования

Цитоплазматическая наследственность - это наследственность, которая заключается в попадании в цитоплазму вещества-индуктора, которое запускает экспрессию генов (активирует оперон) или в ауторепродукуванни частей цитоплазмы.

Например, при почкования бактерии происходит наследования бактериофага, который находится в цитоплазме и играет роль плазмиды. При благоприятных условиях уже происходит репликация ДНК и генетический аппарат клетки замещается генетическим аппаратом вируса. Похожим примером изменчивости в кишкивнои палочки является работа лактозного оперона E. Coli - при отсутствии глюкозы и наличия лактозы эти бактерии производят фермент для расщепления лактозы вследствие переключения лактозного оперона. Это переключение оперона может наследоваться при почкования путем попадания лактозы к дочерней бактерии в процессе ее формирования, и дочерние бактерии также вырабатывают фермент (лактазу) для расщепления лактозы даже при отсутствии этого дисахарида в окружающей среде.

Также цитоплазматическую наследственность, связанную с длительным модификационной изменчивостью, встречающихся в таких представителей эукариот, как колорадский картофельный жук и наездники Habrobracon. При действии интенсивных термических показателей в куколки колорадского жука окраски жуков менялось. При обязательном условии того, что действия интенсивных термических показателей испытывала и самка жука, у потомков таких жуков настоящее проявление признака держался в течение нескольких поколений, а затем предыдущая норма признаки возвращалась. Данная продолжалась модификационная изменчивость также является примером цитоплазматической наследственности. Причиной наследования является ауторепродукування тех частей цитоплазмы, которые претерпевали изменения. Рассмотрим механизм ауторепродукування как причину цитоплазматической наследственности детально. В цитоплазме ауторепродукуватись могут такие органеллы, имеющие собственные ДНК и РНК, и другие плазмогены.Органеллами, которые способны ауторепродукуватись, есть митохондрии и пластиды, которые способны к самоудвоения и биосинтеза белка путем репликации и этапов транскрипции, процессинга и трансляции. Таким образом обеспечивается непрерывность ауторепродукування этих органелл. Плазмогены также способны ауторепродукуватись. Если под действием окружающей среды плазмоген претерпел изменений, которые обусловили активность этого гена, например, при диссоциации белка-репрессор или ассоциации кодирующие белка, то он начинает продуцировать белок, который формирует определенную признак. Поскольку плазмогены способны транспортироваться через мембрану женских яйцеклеток и, таким образом наследоваться при, то специфический их состояние также наследуется. При этом, сохраняются также модификации, которые вызвал ген активацией собственной экспрессии. Если фактор, вызвавший активацию экспрессии гена и биосинтеза белка ним сохраняется за онтогенеза потомству особи, то признак будет передаваться следующему потомству . Таким образом, длительная модификация сохраняется до тех пор, пока существует фактор, обуславливающий эту модификацию. При исчезновении фактора модификация медленно угасает на протяжении нескольких поколений. Именно этим длительные модификации отличаются от обычных модификаций.

Модификационная изменчивость и теории эволюции

Естественный отбор и его влияние на модификационную изменчивость

Естественный отбор - это выживание наиболее приспособленных особей и появление потомства с закрепленными удачными изменениями. Четыре типа естественного отбора:

Стабилизирующий отбор . Эта форма отбора приводит: а) обезвреживания мутаций путем отбора, нейтрализует их противоположно направленное действие, б) совершенствование генотипа и процесса индивидуального развития при постоянном фенотипе и в) образование резерва обезвреженных мутаций. Как результат этого отбора организмы со средней нормой реакции доминируют в малозминних условиях существования.

Движущий отбор . Эта форма отбора приводит: а) раскрытие мобилизационных резервов, состоящие из обезвреженных мутаций, б) осуществление отбора обезвреженных мутаций и их соединений и в) формирование новых фенотипа и генотипа. Как результат этого отбора доминируют организмы с новой средней нормой реакции, что больше соответствует меняющимся условиям окружающей среды, в которых они живут.

Дизруптивного отбор . Эта форма отбора приводит те же процессы, что и при движущего отбора, но она направлена не на формирование новой средней нормы реакции, а на выживание организмов с крайними нормами реакции.

Половой отбор . Эта форма отбора приводит облегчения встречи между полами, ограничивая участие в репродукции вида особей с менее развитыми половыми признаками.

В общем, большинство ученых считает субстрат естественного отбора, вкупе с другими постоянными факторами (дрейф генов, борьба за существование), наследственную изменчивость. Эти взгляды реализовались в консервативном дарвинизм и в неодарвинизм (синтетическая теория эволюции). Однако в последнее время часть ученых стала придерживаться другого взгляда, согласно которому субстратом до естественного отбора является морфоз - отдельный тип модификационной изменчивости. Этот взгляд сформировался в эпигенетические теорию эволюции.

Дарвинизм и неодарвинизм

С точки зрения дарвинизма, одним из основных факторов естественного отбора, который определяет приспособленность организмов, является наследственная изменчивость. Это приводит к доминированию лиц с удачными мутациями, как следствие этого - к естественному отбору, и, если изменения сильно выражены, в видообразования. Модификационная изменчивость зависит от генотипа. Такого же взгляда относительно модификационной изменчивости придерживается синтетическая теория эволюции, созданная в XX в. М. Воронцовым. Как видно из вышеприведенного текста, основой для естественного отбора эти две теории считают именно генотип, который изменяется под действием мутаций, которые являются одной из форм наследственной изменчивости. Изменения генотипа обусловливают изменение нормы реакции, поскольку именно генотип обуславливает ее. Норма реакции обусловливает изменение фенотипа, и таким образом мутации проявляются в фенотипе, что обусловливает большую его соответствие условиям окружающей среды в случае целесообразности мутаций. Этапы естественного отбора согласно дарвинизмом и неодарвинизмом состоят из следующих стадий:

1) Сначала появляется особь с новыми свойствами (которые обусловлены мутациями);

2) Затем она оказывается способной или неспособной оставить потомков;

3) Если особь оставляет потомков, то изменения ее генотипа закрепляются в поколениях, и это, наконец, приводит естественный отбор.

Эпигенетическая теория эволюции

Эпигенетическая теория эволюции рассматривает фенотип как субстрат естественного отбора, причем отбор не только фиксирует полезные изменения, но и принимает участие в их создании. Основное влияние на наследственность имеет не геном, а Эпигенетическая система - совокупность факторов, действующих на онтогенез. При морфоз, который является одним из типов модификационной изменчивости, в особи формируется устойчивая траектория развития (креод) - Эпигенетическая система, которая адаптируется к морфоз. Эта система развития основана на генетической ассимиляции организмов, заключающееся в соответствии модификации определенной мутации - модификационной генокопиюванни, обусловленное эпигенетической изменением структуры хроматина. Это означает, что изменение активности гена может быть результатом как мутаций, так и факторов окружающей среды. Т.е. на основе определенной модификации при интенсивном воздействии окружающей среды происходит отбор мутаций, которые адаптируют организм к новым переменам.Так формируется новый генотип, который формирует новый фенотип. Естественный отбор, согласно ете, состоит из следующих стадий:

1) Экстремальные факторы окружающей среды приводят к морфоз;

2) морфоз приводят к дестабилизации онтогенеза;

3) Дестабилизация онтогенеза приводит к появлению аномального фенотипа, который наиболее соответствует морфоз;

4) При удачной соответствия нового фенотипа происходит генокопиювання модификаций, которое приводит к стабилизации - образуется новая норма реакции;

Сравнительная характеристика наследственной и ненаследственной изменчивости

Модификационная изменчивость в жизни человека

Человек, в общем, издавна использовала знания модификационной изменчивости, например, в хозяйстве. При знании определенных индивидуальных особенностей каждого растения (например, потребность в свете, воде, температурные условия) можно спланировать максимальный уровень использования (в пределах нормы реакции) этого растения - достичь наивысшего плодоносности. Поэтому разные виды растений люди размещают для их формирования в разных условиях - в разных сезонах т.д. Похожая ситуация и с животными - знание о необходимости, например, коров обуславливает усиленное создание молока и, как следствие, повышение удоя.

Поскольку у функциональная асимметрия полушарий головного мозга формируется с достижением определенного возраста и у неграмотных необразованных людей она меньше, можно допустить, что асимметрия является следствием модификационной изменчивости. Поэтому на этапах обучения очень целесообразно выявить способности ребенка, чтобы наиболее полно реализовать ее фенотип.

Примеры модификационной изменчивости

• У насекомых и животных
• Увеличение уровня эритроцитов при подъеме в горы у животных (гомеостаз)
  • Увеличение пигментации кожи при иненсивний воздействию ультрафиолетового излучения
  • Развитие двигательного аппарата в результате тренировок
  • Шрамы (морфоз)
  • Изменение окраски колорадских жуков при длительном воздействии на их куколки высоких или низких температур
  • Изменение окраски меха у некоторых животных при изменении погодных условий
  • Способность бабочек из рода Ванесса (Vanessa) изменять свою окраску при изменениях температуры
• У растений
  • Различное строение подводного и надводного листья у растений водяного лютики
  • Развитие низкорослих форм из семян равнинных растений, выращенных в горах

• У бактерий
  • работа генов лактозного оперона кишечной палочки