Биология. Итог по генетике. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики. Наследственность и изменчивость (определение). Основные этапы развития генетики, их краткая характеристика. Роль генетики в современной биологии и медицине
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
Модификационная изменчивость. Норма реакции генетически детерминированных признаков. Гены с узкой и широкой нормой реакции. Понятие фенокопий. Примеры. Варационный ряд, графическое построение сновные характеристики. Модификайна изменчивость — результат не изменений генотипа, а его реакции на условия окружающей среды. То есть структура генов не меняется, — меняется экспрессия генов. В результате 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. В качестве примера 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 нижних слоев эпидермиса клетки последнего разрушаются. Происходит высвобождение эндотелина-1 и эйкозаноидов (продуктов распада жирных кислот), что обусловливает активацию и усиленный биосинтез фермента тирозиназы. Тирозиназы, в свою очередь, катализирует окисление аминокислоты тирозина. Дальнейшее формирование меланина происходит без участия тирозиназы, но усиление биосинтеза тирозиназы и ее активация обусловливает образование загара, соответствует факторам среды. Другой пример — сезонная смена окраски меха у животных (линька). Линьки и последующее изменение окраски обусловлены действием температурных показателей на гипофиз, который стимулирует выработку тиреотропного гормона. Это приводит воздействие на щитовидную железу, под действием гормонов которой наступает линька. Норма реакции Норма реакции — спектр экспрессии генов при неизменном генотипе, из которого выбирается наиболее подходящий 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 колосья 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 «доминирование» аллели а при неблагоприятных преобладает проявление аллеля b. Норма реакции имеет предел проявления для каждого вида — например, усиленное кормление животного 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.д. (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, который состоит из отдельных связанных между собой свойств фенотипа организма, расположенных в порядке возрастания или убывания количественного выражения свойства (размеры листа, изменения интенсивности окраски меха и т.д.). Единичный показатель соотношения двух факторов в вариационном ряду (например, длина меха и интенсивность ее пигментации) называется варианта. Например, пшеница, растущая на одном поле, может сильно варьировать по количеству колосков и колосья в силу различных показателей почвы. Сопоставив число колосков в одном колоску количество колосьев, можно получить такой вариационный ряд:
Вариационная кривая Графическое отображение проявления модификационной изменчивости — вариационная кривая — отражает как диапазон вариации свойств, так и частоту наблюдения отдельных вариаций. 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 чаще всего. При построении вариационной кривой можно рассчитать величину среднеквадратичного отклонения и, на основе этого, построить график среднеквадратичного отклонения от медианы — проявления признака, который встречается наиболее часто. Формы модификационной изменчивости Фенокопии Фенокопии — изменения фенотипа под действием неблагоприятных факторов окружающей среды, похожие на мутации. Генотип при этом не изменяется. Их причинами являются тератогены — определенные физические, химические (лекарства и т.д.) и биологические агенты (вирусы) с возникновением морфологических аномалий и пороков развития. Фенокопии часто похожи на наследственные болезни. Иногда фенокопии берут свое начало с эмбрионального развития. Но чаще всего примерами фенокопий есть изменения в онтогенезе — спектр фенокопий зависит от стадии развития организма. Понятие об онтогенетической изменчивости. Примеры у человека, значение. Комбинативная изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в обеспечнии генетического разнообразия людей. Системы браков в популяциях человека. Онтогенетическая изменчивость проявляется в виде постоянного изменения признаков в процессе развития особи. Все признаки и свойства наследственно-детерминированы, но формирование фенотипа организма обусловлено взаимодействием генотипа и среды. Генотип определяет спектр возможных фенотипов, это фенотипическое разнообразие называется нормой реакции генотипа. Причины: репрессия и депрессия генов в онтогенезе согласно схеме развития организма данного вида. Результат: Изменение фенотипа на разных этапах онтогенеза(эмбр и постэмбр период). Проявелние возрастных изменений, «отложенной наследственной патологии, мультифакториальных наследсвенных болезней. Значение: формирование индивидуальных фенотипических особенностей организма на разных этапа онтогенеза. Примеры: особенности периода полового созревания и сроков его достижения. Атеросклероз. Гипертония. Подагра. Сахарный диабет. Онтогенетическая изменчивость — изменчивость, происходящая в процессе жизни организма и представляющая собой различие между молодым и взрослым организмами на разных этапах развития (напр., молодые растения часто имеют более простое строение листовой пластинки, которая в процессе роста растения усложняется). Индивидуальный организм формируется поэтапно. На протяжении каждого этапа на него воздействуют различные факторы окружающей среды. Ведь развиваться любое живое существо изолированно не может. И в результате воздействия тех или иных факторов организм приобретает новые признаки. Онтогенетическая изменчивость находится на пересечении генетической изменчивости и негенетической. По-иному она называется еще эпигенетической изменчивостью. Почему так? Этот вид изменчивости отличается от других тем, что новые признаки появляются и в результате заложенных генетических программ, и одновременно из-за внешнесредовых особенностей. Не имея таких программ, природа бы обрекла многих живых существ на вымирание. Причины онтогенетической изменчивости, исходя из вышесказанного, - это условия окружающей среды и особенности генотипа. Генотип - как формула, которая регулирует все изменения. Значение онтогенетической изменчивости для живой природы - в первую очередь адаптация каждой особи. Чем она лучше, тем больше жизнеспособности у вида в условиях среды. Еще одно значение изменчивости - это разнообразие фенотипов. Каждая особь имеет, благодаря изменчивости, свои индивидуальные особенности. Пример: Фенилкетонурия — тяжёлое наследственное заболевание, связанное с нарушением аминокислотного обмена, проявляется сразу после рождения. Если не провести своевременное лечение в течение первых лет жизни, у ребёнка развивается необратимые изменения в центральной нервной системе. После наступления полового созревания организм самостоятельно справляется с заболеванием. Изменчивость, возникающая при скрещивании в результате различных комбинаций генов и их взаимодействия между собой, называется комбинативной. Механизмы ее возникновения: 1) независимое расхождение хромосом в мейозе 2) кроссинговер 3) случайное сочетание гамет при оплодотворении. Она 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 и экспрессивность гена и т.д. Благодаря комбинативной изменчивости обеспечивается большое разнообразие наследственных признаков у человека. На проявление комбинативной изменчивости у человека будет оказывать влияние система скрещивания или система браков: инбридинг и аутбридинг. Инбридинг – родственный брак, который может быть в разной мере тесным. Брак братьев с сестрами или родителей с детьми называется первой степени родства и является наиболее тесным. Менее тесный — между двоюродными братьями и сестрами или племянниками с детьми или тетками. 1. Первое важное генетическое следствие инбридинга — повышение с каждым поколением гомозиготности потомков по всем независимо наследуемым генам. 2. 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 заболевания и преждевременной смерти потомков. Но известны примеры длительного тесного инбридинга, не сопровождающиеся вредными последствиями, например, родословная фараонов Египта. Аутбридинг – неродственный брак. Неродственными особями считаются — если 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 требует точного установления типа наследования заболевания — аутосомно-доминантного, аутосомно-рецессивного или сцепленного с полом, в противном случае прогноз окажется неверным. При наличии рецессивного гетерозиготного аномального гена вероятность заболевания ребенка — 25%. В человеческих популяциях комбинативная изменчивость реализуется через системы браков. ü Панмиксические браки происходят в больших по численности популяции людей, где осуществляется свободный подбор супружеских пар. Панмикси́я – свободное скрещивание разнополых особей в популяции, при котором достигается случайное комбинирование гамет и равновесное распределение частот гомо- и гетерозиготных особей. Полная панмиксия возможна лишь в идеальных популяциях. Согласно закону Харди-Вайнберга (1908 г.) в идеальных популяциях частота аллелей и генотипов будет оставаться постоянной из поколения в поколение при выполнении следующих условий: 1) численность особей популяции достаточно велика (в идеале –бесконечно велика), 2) спаривание происходит случайным образом (т. е. осуществляется панмиксия), 3) мутационный процесс отсутствует, 4) отсутствует обмен генами с другими популяциями (полная изоляция), 5) естественный отбор отсутствует, т. е. особи с разными генотипами одинаково плодовиты и жизнеспособны. Строгой панмиксии в популяциях людей не существует. Предпочтения в выборе брачного партнёра и социальные факторы препятствуют подлинно случайному заключению браков. Тем не менее, существуют гены (например, определяющие группы крови), которые обычно редко принимаются во внимание при подборе брачных пар и распределяются среди жителей популяции так, как если бы подбор брачных пар происходил более или менее случайно. Мутационная изменчивость. Понятие мутаций. Основные положения мутационной теории Г. Де Фриза (1901 г.). Функционально-генетическа классификация генных мутаций. Структурная классификация генных мутаций. Понятие генокопий Мутационная изменчивость. Понятие мутаций. Основные положения мутационной теории Г. де Фриза (1901) Мутационная изменчивость. Мутации – качественные или количественные изменения ДНК клеток организма, приводящие к изменению его генотипа. Мутации – единственный источник генетического разнообразия внутри вида. Благодаря постоянному мутационному процессу образуются различные варианты генов (множественные аллели), создающие резерв на- следственной изменчивости – основу для комбинативной изменчивости. Термин мутация впервые был предложен де Фризом в его труде «Мутационная теория» (1901-1903) Свойства мутаций: − мутации возникают внезапно, скачкообразно; − мутации затрагивают наследственный материал и передаются из поколения в поколение; − мутации ненаправленны – т.е. мутировать может любой локус, при- водя к изменению самых разнообразных признаков (от незначительных до жизненно важных); − сходные мутации могут возникать повторно. Частота мутаций - это доля гамет с вновь возникшими мутациями, отнесенная к общему количеству гамет одного поколения. При бесполом размножении (у агамных организмов) частота мутаций означает количество клеток или особей, имеющих вновь возникшие мутации, отнесенное к общему количеству клеток или особей одного поколения. Большой интерес вызывает частота спонтанных мутаций - частота мутаций в обычных для данного вида условиях обитания, частота мутаций без влияния мутагенов. Частота спонтанных мутаций невелика. В зависимости от исследуемого гена она колеблется от 1 : 100 000 до 1 : 1 000 000. Основные положения мутационной теории: 1.Мутация возникает скачкообразно, т.е. внезапно, без переходов. 2. Образовавшиеся новые формы наследуются, т.е. являются стойкими. 3. Мутации не направлены(т. е. могут быть полезными, вредными или нейтральными). 4. Мутации – редкиесобытия. 5. Одни и те же мутации могут возникать повторно. Мутация – это скачкообразное стойкое ненаправленное изменение генетического материала. Функционально-генетическая классификация генных мутаций Большинство изменений макромолекулярной структуры генов фено-типически неблагоприятно (классификация по влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей) – вредные генные мутации. Среди них выделяют летальные и полулетальные мутации. Первые несовместимы с жизнью в принципе, вторые ограничивают жизнеспособность организма настолько, что он, как правило, не способен достичь возраста половой (репродуктивной, биологической) зрелости, принять участие в размножении и, таким образом, передать свои гены (аллели) организмам следующего поколения. Закономерен вопрос, почему вновь возникающие мутации обычно вредны. Здесь не следует забывать, что структурно-функциональная организация геномов клеток и организмов носит системный характер. С одной стороны, мутационные изменения закономерны, т. е. они происходят у всех живых форм без исключения регулярно с частотой в среднем 10-5-10-7 мутаций на один локус за поколение. С другой – мутационные изменения случайны в том смысле, что практически невозможно предсказать, когда, какой ген и с какими биоинформационными (фенотипическими) последствиями мутирует. Важно, однако, то, что мутируют гены, встроенные в систему функционально взаимодействующих и взаимовлияющих генов (нуклеотидных последовательностей, сайтов ДНК). В таких условиях каждая мутация, чтобы не нести в себе неблагоприятные фенотипические последствия, должна с момента своего возникновения удовлетворять «правилам», по которым существует система генома (см. п. 4.3.1.1, генотипическая или среда 1-го порядка). Редко случаются изменения генов с благоприятными фенотипиче-скими последствиями – полезные генные мутации. Известны нейтральные генные мутации, не сказывающиеся на жизнеспособности и репродуктивном потенциале. Большинство вновь возникающих мутаций (классификация по проявлению в гетерозиготном состоянии) дает рецессивный аллель, который, будучи по своим фенотипическим последствиям обычно вредным, у диплоидных эукариот на некоторое время укрыт от действия естественного отбора в гетерозиготах. Предположительно именно это сыграло ведущую роль в формировании резерва наследственной изменчивости. Реже аллели, образующиеся вследствие мутации, проявляют свойства доминантности или кодоминирования (см. п. 4.3.1.2). Генетики начала и середины ХХ в. выделяли спонтанные (самопроизвольные, случающиеся без видимой причины) и индуцированные (вызываемые факторами известной природы – химические соединения, ионизирующее излучение, биологические агенты, в частности вирусы) мутации – классификация по происхождению. На настоящий момент актуальность приведенной классификации, с одной стороны, несколько снизилась в связи с тем, что многое стало известно о природе факторов спонтанного мутагенеза – активные формы кислорода, ионизирующее излучение космического происхождения, внутриклеточные тепловые колебания. С другой стороны, в связи с появлением значительного количества производимых промышленностью мутагенов, в число которых входят удобрения, инсектициды и пестициды, лекарства, средства борьбы с бытовыми насекомыми и другие химические вещества, а также все более широко используемые в быту приборы и устройства, эксплуатация которых связана с электромагнитными и другого рода излучениями, осознается необходимость мониторинга присутствия и концентрации в среде жизни людей факторов, индуцирующих мутагенез. Различают также мутации прямые (классификация по направлению), которые переводят аллель «дикого типа» в мутантный аллель, и обратные (реверсии), возвращающие мутантный аллель в алелль «дикого типа», биохимические, морфологические, физиологические, поведенческие и др. (классификация по фенотипическому проявлению), цитоплазматические (митохондриальные, в клетках растений – также пластидные) и ядерные (классификация по локализации в клетке изменяемого генетического материала). Принципиально деление мутаций на генеративные, случающиеся в половых клетках, и соматические, затрагивающие генетический аппарат соматических клеток (классификация по месту возникновения и характеру наследования). Мутации различного ранга (генные, хромосомные, геномные), возникающие в соматических клетках, наследуются потомками этих клеток, что делает организм генотипическим мозаи-ком, т. е. особью со смешанными клеточными популяциями, которые содержат как генетически нормальные, так и мутировавшие клетки. Хотя классическая генетика, учитывавшая интересы биологов-эволюционистов, а также в связи с задачами МГК, в большей мере ориентировалась на генеративные мутации, в настоящее время именно соматические мутации представляют приоритетный интерес, например, для онкологии (см. п. 3.1.4). | ||||||||||||||||||||||||