Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
Фенотипна мінливість Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Модифікації носять адаптивний (пристосувальний) характер і мають значення для виживання організмів, виконуючи певну роль у збереженні виду. Крім корис- них (пристосувальних), зміни бувають і індиферентні. Модифікаційна мінливість явище масове. Вона торкається не одного, а сукупності об'єктів і тому її ще називають груповою, або визначеною. На розвиток ознаки впливають регуляторні сис- теми організму, в першу чергу, ендокринна система. Такі ознаки в півня, як забарвлення пір'я, величина гребеня та сережок, характер співу і тембр голосу, зумовлені дією статевого гормону тестостерону. Введення півням жіночих статевих гормонів гальмує ці ознаки. Отже, внутрішнє середовище організму має значний вплив на прояв генів у формі ознак. Не всі ознаки однаковою мірою зазнають модифі- каційної мінливості. Під впливом середовища зміню- ються маса і розміри тіла, розумові здібності, артері- альний тиск. Проте такі ознаки, як морфологічні, більш стійкі і менше залежать від екзогенних чинників. Модифікаційна мінливість характеризується такими властивостями: 1) неуспадкуванням; 2) гру- повим характером змін; 3) відповідністю змін щодо дії певного чинника середовища; 4) обумовленими генотипом межами змін (хоча напрямок змін однако- вий, ступінь їх прояву в різних організмів неоднаковий). Модифікаційна мінливість це закономірне біо- логічне явище, яке постійно супроводжує розмно- ження організмів. Процес розвитку кожної ознаки або властивостей організму здійснюється на основі генотипу за різних умов середовища. Тому успад- кування ознак або властивостей завжди проявляєть- ся у формі різних його модифікацій. Модифікаційну мінливість вивчають за допомо- гою методів математичної статистики. Вона харак- теризується варіаційним рядом. Середня величина варіаційного ряду нагадує точку його рівноваги. • значення умов середовища для ек- спресивності й пенетрантності генів У розвитку одних ознак визначальну роль вико- нує генотипа для розвитку інших істотне значення має зовнішнє середовище. Проте немає таких оз- нак, які абсолютно зумовлювались б тільки спад- ковістю або тільки середовищем. Ознаки, прояв яких залежить від багатьох генів, більшою мірою зазнають впливу екзогенних чинників. Такі ознаки є мультифакторіальними за цих умов формування фенотипу відбувається шляхом взаємодії спадковості і середовища, генетичних і негенетичних чинників. У людини такими ознаками є зріст, розумові здібності, артеріальний тиск, иоведінкові реакції та ін. Дія будь якого гена залежить від інших генів та від факторів довкілля. Принцип взаємодії спадко- вості і середовища лежить в основі розвитку хво 194 організму в середовищному градієнті. Норма реакції це спосіб реагування генотипу на зміни довкілля. Наприклад, врожай озимої пшениці 20 ц з 1 га не дає повної уяви, хороший це сорт чи поганий. Якщо такий врожай отримано на бідному ґрунті або в по- сушливий сезон, то це хороший сорт. Якщо ж така урожайність досягнута за умов достатньої вологи і поживних речовин, то це низькопродуктивний сорт. Мінливість ознаки під впливом середовища не безмежна. Ступінь прояву ознаки, або межі модифі- каційної мінливості, зумовлені генотипом і середо вищними чинниками. Розрізняють широку і вузьку норми реакції. Вузька норма реакції властива таким ознакам, як розміри серця або головного мозку, тоді як кількість жиру в організмі людини зазнає змін у широких межах. У вузьких межах коливається будова квітки у рослин, проте значно змінюються розміри листків. Норма реакції генотипу виявляється в процесі модифікаційної мінливості організму. Нормою реакції визначають пристосувальні можливості сортів і ареали, які вони можуть зайняти. 1.3.2.22 Мультифакторіальний принцип формування фенотипу Спадкові властивості організму не можна охарак- теризувати однією формою прояву. Генотип за різних умов має різний фенотип. Генотип характеризує норма реакції діапазон адаптивної мінливості 1.3.2.21 Норма реакції 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Рис. 1.133 Розподіл населення за схильністю до прояву мультифакторіаль них хвороб (за Є. Т, Лільїн та співавт., 1990): 1 здорові; 2 крайні варіанти норми; 3 субклінічні форми хвороби; 4 типові форми хвороби. На осі абсцис умовна шкала схильності ло захворювання; на осі ординат відсоток індивідуумів загальної копуляції. роб зі спадковою схильністю, або мультифакторі альних хвороб. Це велика, клінічно різноманітна гру- па патологічних проявів, але зі схожими генетични- ми закономірностями розвитку. Сюди приналежать уроджені вади розвитку, серцево судинні, психічні, злоякісні та інші хвороби. На відміну від моногенних ознак (хвороб), муль тифакторіальному успадкуванню властива кількісна й якісна неоднорідність (рис. 1.133). Аналіз такого розподілу показує, що імовірність захворювання серед родичів, яким властива генетич- на схильність, набагато вища, ніж у загальній попу- ляції. Тобто пенетрантність також буде більшою. Якщо у всіх осіб даного генотипу з'являється очікуваний фенотип, то це вказує на повну пенетрантність. Не- повна пенетрантність з'являється у випадку багатьох домінантних апелів і у випадку гомозиготності заре- цесивними алелями. Функція пенетрантності виражає імовірність хвороби для кожного генотипу і залежить від таких чинників, як стать, вік, вплив навколишньго середовища й ефекту дії інших генів. Наприклад, ри- зик захворіти на рак грудної залози у віці 40, 55 і 80 років становить 37,66 і 8 5 % відповідно. Сумарна дія генетичн их і середовищних чинників зумовлює явище експре сивності ступеня прояву ознаки або хвороби. У і ашому випадку це крайні варіанти норми, субклінічні і типові форми хвороби. Вирішальним критерієм захворювання є кількісне відхилення у функціях або ознаках, яким властивий широкий розмах мінливості серед населення. Явище взаємодії генів на рівні фенотипу вивчає новий напрямок генетики, який отримав назву функ- ціональна геноміка або протеоміка. При проведенні медико генетичного консульту- вання слід пам'ятати про можливість виникнення фенокопій тобто прояву фенотипу, схожого за ха- рактерними проявами мутантного гена, викликано- го чинниками зовнішнього середовища. Фенотипно однорідні аномалії можуть бути на- слідком спадкових або середовищних факторів, які діють на ембріон. Так, уроджене помутніння криш- талика може бути спадковим рецесивним захворю- ванням, результатом інфекції (корової краснухи) або впливом іонізуючого випромінювання в ранній пері- од вагітності. Вживання вагітною синтетичних гормонів, яким властивий маскулінізуючий ефект, може спричинити явище вірилізації плоду жіночої статі (надмірне ово лосіння), яке нагадує адреногенітальний синдром. Деякі ліки (талідомід) хімічної природи, які при- значалися хворим вагітним, схильні до провокуван- ня вад розвитку (атрезія слухового ходу, аплазія променевої кістки, вади розвитку нирок, атрезія два- надцятипалої кишки, вади серця та ін.), які нагаду- ють фенокопії домінантного синдрому Холта Ора ма і рецесивної панмієлопатії Фанконі. Хімічні речовини (етанол) порушують генетичні механізми формування систем органів, кінцівок, го- лови і мозку на пізніх стадіях ембріонального роз- витку, спричиняють появу фенокопій, схожих на па- тологію спадкового генезу Все це докази взаємодії генетичних і негенетич них чинників у виникненні виродливостей та вад розвитку, зокрема фенокопій. 195 1 . 3 . 2 . 2 3 І Фен окоп і ї Генотипна мінливість основа різноманітності живих організмів і головна умова їх здатності до еволюційного розвитку. Механізми генотипної мінли- вості різноманітні, внаслідок чого розрізняють дві її основні форми: комбінативну і мутаційну. 1.3.2.24 Генотипна мінливість, її" форми Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Комбінативна мінливість найважливіше дже- рело безмежно великого спадкового розмаїття, яке спостерігається в живих організмів. В основі комбі нативної мінливості є статеве розмноження. Генотип нащадків являє собою поєднання генів, які були властиві батькам. Число генів у кожного організму дуже велике. При статевому розмноженні комбі- нації генів призводять до формуваня нового унікаль- ного генотипу і фенотипу. Комбінативна мінливість широко розповсюджена у природі. Навіть у мікро- організмів, які розмножуються нестатевим шляхом, виникли своєрідні механізми (трансформація і трансдукція), що призводять до появи комбінативної мінливості. Все це вказує на велике значення комбі- нативної мінливості для еволюції та видоутворення. Не менше значення в еволюції має і мутаційна мінливість. Саме мутаціями зумовлений полі- морфізм людських популяцій: різна пігментація шкіри, волосся, колір очей, форма носа, вух, підбо- ріддя тощо. З мутаційною мінливістю пов'язаний процес утворення нових видів, сортів і порід. Третій механізм комбінативної мінливості пов'я- заний із заплідненням. Внаслідок випадкового підбо- ру гамет, які беруть участь у заплідненні, створю- ються різноманітні поєднання хромосом з різним набором генів, а відповідно, й алельного складу зигот. Явище комбінативної мінливості пояснює причину поєднання в дітей і онуків ознак родичів по батьківській або материнській лінії. З врахуванням міграційних процесів серед людей зростає кількість шлюбів між нареченими, які походять з віддалених регіонів. Чим більша відстань, тим більша ймовірність того, що гамети будуть відрізнятися за набором генів. Комбінативна мінливість сприяє більшій присто- сованості до мінливих умов середовища, підвищує виживання виду. 196 • значення для фенотипної різ- номанітності осіб у популяціях людей Комбінативною називають мінливість, яка за- лежить від перекомбінування алелів у генотипах на- щадків порівняно з генотипами батьків, що призво- дить до появи нових ознак у дітей. На відміну від перерозподілу спадкового матеріалу нерегулярного типу при хромосомних абераціях така рекомбінація в організмів, які розмножуються статевим шляхом, відбувається закономірно. Існує три механізми комбінативної мінливості. Два з них пов'язані з мейозом. Завдяки обміну ге- нетичним матеріалом між гомологічними хромосомами при кросинговері в профазі мейозу алельний склад хромосом статевих клітин нащадків зазнає змін порівняно з гаметами батьків. Хромосоми, ус- падковані від обох батьків, у метафазі мейозу, ком- бінуються в різних поєднаннях. Для розуміння ефекту гетерозису в людини оха- рактеризуємо гетерозис як біологічне явище. Поняття про гетерозис як прояв гібридної сили вве- дене в науку американським генетиком Д. Г. Шел лому році (рис. 1.134). Гетерозису природі властивий всім організмам: рослинам, тваринам, мікроорганізмам. Він виник одночасно з утворенням диплоїдності і статевого процесу і безпосередньо зумовлений виникненням і вдосконаленням у процесі еволюції перехресного запилення. Розрізняють репродуктивний гетерозис (кращий розвиток органів розмноження, підвищен- ня фертильності, більший урожай плодів і насіння соматичний гетерозис (більший розвиток вегетатив- них частин) і пристосувальний, або адаптивний, гетерозис (підвищення життєвої стійкості гібридів). Для людських популяцій за останні 100 150 років характерний інтенсивний розвиток транспортних ко- мунікацій, зросла міграція населення, що призвело до розпаду ізолятів та розширення інбридних регіонів, поширення кола потенційних партнерів при шлюбах внаслідок подолання релігійних, класових, етнічних, географічних перешкод (бар'єрів) та ін. Це призво- дить до змішування населення, атому гени в поко- ліннях дітей набувають все більшого гетерозиготно 1.3.2.26 Явище гетерозису в людини 1.3.2.25 Комбінативна мінливість 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Рис. 1.134 Дж. Г. Шелл (George Harrison Shell) ( 1 8 7 4 1 9 5 4 ) . го стану. За аддитивної дії різних гетерозиготних ге- нотипів сукупний ефект генів у гетерозигот має бути вищим, ніж в обох гомозигот вихідних популяцій. І дійсно, за останню сотню років у багатьох країнах середній зріст населення підвищився на 5 15 см. Настання статевої зрілості змінилося з юнацького віку (16 18 років) на підлітковий вік (13 14 років). Проте ефект гетерозису у людському суспільстві вимагає подальшого поглибленого вивчення. 1.3.2.27 Мутаційна мінливість у людини • фенотипні прояви на організ мовому рівні • класифікація мутацій • спонтанні та індуковані мутації Термін "мутація" запровадив Где Фріз (1901) для характеристики випадкових генетичних змін в Oenotera lamarkiana. Розрізняють спонтанний та індукований му- таційні процеси. Індукований мутаційний процес це виникнення спадкових змін під впливом направленої дії факторів зовнішнього і внутрішнього середовища. Виникнення мутацій без встановлених причин прий- нято називати спонтанним мутаційним процесом. Мутаційна мінливість зумовлена як впливом на організм чинників зовнішнього середовища, так і його фізіологічним станом. Частота виникнення мутацій залежить від: генотипу організму; • фази онтогенезу • статі; • стадії гаметогенезу; • мітотичного і мейотичного циклів хромосом • хімічної будови окремих ділянок хромосом та ін. Властивості мутацій: • мутації виникають раптово, стрибкоподібно; • мутації успадковуються, тобто передаються від покоління до покоління; • мутації ненаправлені зазнавати мутації може будь який локус, викликаючи зміни як незнач- них, так і життєво важливих ознак; • одні і ті ж мутації можуть виникати повторно за проявом мутації можуть бути корисними і шкідливими, домінантними і рецесивними. Класифікація мутацій: Мутації можна об'єднати в групи класифіку- вати за характером прояву, за місцем або рівнем їх виникнення. Мутації за характером прояву бувають до- мінантними і рецесивними. Більшість з них реце- сивні і не проявляються у гетерозигот. Як правило, мутації шкідливі, бо порушують чітко збалансова- ну систему біохімічних перетворень. Домінантні мутації проявляються зразу у гомо і гетерозиготного організму, здебільшого такі особини нежиттєздат- ні і гинуть на ранніх стадіях онтогенезу. Мутації часто знижують життєстійкість або пло- дючість. Мутації, які різко впливають на життєз- датність, частково або повністю зупиняють розви- ток, називаються напівлетальними, а несумісні з життям летальними. У людини до таких мутацій належить рецесивний ген гемофілії. Мутації за місцем виникнення. Мутації, що виникають у соматичних тканинах, отримали назву соматичних мутацій. Соматичні клітини складають 197 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини популяцію, утворену при безстатевому розмноженні (поділ клітин). Соматичні мутації обумовлюють ге- нотипну різноманітність тканин, часто не переда- ються по спадковості і обмежені тим індивідуумом, у якому вони виникли. Соматичні мутації виника- ють у диплоїдних клітинах, тому проявляються тільки за домінантними генами або за рецесивни- ми, але в гомозиготному стані. Чим раніше в ембріо- генезі людини виникла мутація, тим більша ділянка соматичних клітин відхиляється від норми. І навпа- ки, чим пізніше в процесі розвитку організм зазнає мутаційного впливу, тим менша та ділянка тканини, яка утворюється із мутаційної клітини. Наприклад, забарвлення райдужної оболонки ока білий або карий сегменти на блакитній райдужці зумовлені соматичною мутацією. Вважають, що наслідком со- матичних мутацій є ракове переродження. Злоякіс- ний ріст викликається канцерогенами, серед яких найбільш негативні проникаюча радіація й активні хімічні сполуки (речовини). І хоча соматичні мутації не успадковуються, вони знижують репродуктивні можливості організму, в якому виникли. Мутації, що виникають в гаметах або в кліти- нах, з яких вони утворюються, отримали назву ге- неративних, або термінальних мутацій. Чим рані- ше в статевих клітинах виникає мутація, тим більшою буде частка статевих клітин, які нестимуть нову мутацію. Верхня межа частки клітин, які бу- дуть містити індуковану або спонтанну мутацію, складає 50 відсотків. Існує думка, що найбільша кількість мутацій у статевих клітинах виникає в овоцитах. Оскільки сперматогонії зазнають постійного поділу, то серед них може відбуватися відбір проти мутацій, які зу- мовлюють шкідливий ефект, і частота мутацій зни- жується до часу статевої зрілості. Жінка, навпаки, народжується майже з усіма мутантними змінами, в лінії статевих клітин немає паралельного мітотич- ного відбору. Овоцити не тільки не зазнають мітозу, вони залишаються малоактивними впродовж деся- тиліть, доки не стануть яйцеклітинами. За цей пе- ріод овоцити старіють, стають непропорційно чут- ливими до спонтанної мутації. На статеві клітини найбільший вплив спричиня- ють цезій 13 7, стронцій 90 і вуглець 14. Генеративні мутації при статевому розмноженні передаються наступним поколінням. Домінантні мутації з'являються вже в першому поколінні, аре- цесивні тільки в другому і наступних поколіннях, з переходом у гомозиготний стан. Мутації за характером зміни спадкового ма- теріалу: 1. Зміни, зумовлені заміною одного або декіль- кох нуклеотидів у межах одного гена, називають генними, або точковими мутаціями. Вони обумов- люють зміни яку будові білків, так і функційної ак- тивності білкової молекули (див. розділ 1.2.3.7). 2. Зміни структури хромосом називають хромо- сомними мутаціями або абераціями. Такі мутації можуть виникнути в результаті втрати частини хро- мосоми (делеція), подвоєння частини хромосоми (дуплікація), відриву і повороту частини хромосомі на 180° (інверсія) (рис. 1.135). Якщо зміна торкаєть- ся життєво важливих ділянок гена, то така мутація призведе до смерті. Так, втрата невеличкої ділян- ки 21 ї хромосоми у людини викликає тяжке зах- ворювання крові гострий лейкоз. В окремих випад- ках відірвана ділянка хромосоми може приєднатися до негомологічної хромосоми (транслокація), що при- зведе до нової комбінації генів і зміни їх взаємодії. 3. Зміни каріотипу, кратні або некратні гаплоїд- ному числу хромосом називають геномними му- таціями. Внаслідок порушення розходження пари гомологічних хромосом під час мейозу в одній із утворених гамет міститься на одну хромосому мен- ше, а в іншій на одну хромосому більше, ніж за нормального гаплоїдного набору. Злиття такої аномаль- ної гамети з нормальною гаплоїдною гаметою при заплідненні призводить до утворення зиготи з мен- шою або більшою кількістю хромосом порівняно з диплоїдним набором, характерним для цього виду. 198 |