Генетика как наука. Предмет, проблемы, задачи, методы генетики. Основные этапы развития генетики (стр. 3 )

23. Мутации и их классификация.

Мутации – дискретные, стабильнаые изменения наследственного материала, приводящие к изменению фенотипа.

Классификация: 1) по происхождению: спонтанные и индуцированные; 2) по проявлению в гетерозиготном состоянии: доминантные и рецессивные; 3) по направлению прямые (состояние дикого типа в качественно иное), обратные (реверсии, возвращают мутантное состояние к дикому типу); 4) по уровню организации изменяемого генетического материала: геномные, хромосомные, генные; 5) по силе проявления аллелей: гиперморфные (проиводят к усилению действия гена за счёт увеличения количества синтезируемого продукта); гипоморфные (ослабляют действие гена за счёт уменьшения количества биохимического продукта, кодируемого аллелем дикого типа); неоморфные (кодируют синтерз продукта, отличающегося от синтезируемого под контролем аллеля дикого типа, и не взаимодейтсуют с ним); аморфные (инактивируют действие гена); антиморфные (действуют противоположно аллелям дикого типа); 6) по влиянию на жизнеспособность или плодовитолсь особей: летальные, полулетальные, условно летальные, стерильные, нейтральные, повышающие жизнеспособность и пложовитость; 7) по характеру регистрируемого проявления: морфологические, физиологические, поведенческие, биохимиеские;( 8) по лоаклизации изменяемого генетического материала: цитоплазматические (мтх, пластиды), ядерные; 9) по месту возникновения и характеру наследования: генеративные, соматические.

24. Генные мутации – изменения числа и/или послежовательнойсти нуклеотидов в структуре ДНК в пределах отдельных генов.

1)Замена оснований: миссенс-мут (изм смысл – одна АМК замещ на другую, фенотипич проявл зависит от функц значимости домана), нейтр (неизм смысл), нонсенс-м (бессмысл, терминирующие – кодон, определяющий какую-либо АМК, проевращается в стоп-кодон – предевременаая терминация рансляции и обрыв полипептидной цепи. Облаают наибольшим повреждающим действием).

2)Вставки, перемещения, выпадения отдельных оновний – сдвиг рамки считывания. Меняются все триплеты ниже сайта дупликации или делеции по ходу считывания, повышается вероятность образования стоп-кодонов и терминации трансляции.

Мутации: 1) в регуляторнах областях генов: в промоторной части снижают уроень синтеза белкового продукта, в сайте полиаденилирования снижают уровень транскрипцииж 2) в кодирующих областях генов – в экзонах могут привести к преждевременному окончанию белкового синтеза, в интронах – генерация новых сайтов сплайсинга, которые, конкурируя с нормальными, в итоге заменяют их, в сайтах сплайсинга нарушают синтез первичного РНК-транскрипта и приводят к трансляции бессмысленных белков.

ТпиАпуЦпиГпу: Транзиция – замена пурина на пурин или пиримидина на другой пиримидин (происходят при репликации ДНК вследствие таутомеризации, трансверсия – замена пурина на пиримидин.

25. Летальные мутации

Учет летальных мутаций и мутаций с видимым фенотипическим проявлением легче удается для Х-хромосом дрозофилы бла­годаря специфике ее наследования. Однако существуют методы учета летальных мутаций в аутосомах. Например, для учета ре­цессивных летальных мутаций в хромосоме 2 используют так на­зываемый метод сбалансированных леталеи. Для этого применяют линию, гетерозиготную по хромосоме 2. В одном гомологе нахо­дятся доминантные гены Cyrly (Су — загнутые крылья) и Lobe ( L — уменьшенные глаза лопастной формы), в другом гомоло­ге— Plum (Рпг — сливово-коричневый цвет глаз). Кроме того, хромосома Су L содержит инверсии, препятствующие кроссинговеру. Все три доминантные мутации обладают рецессивным леталь­ным действием. Благодаря этому при разведении такой линии выживают только гетерозиготы по указанным генам. Это и есть система сбалансированных леталеи.

Для изучения рецессивных летальных мутаций, а также ре­цессивных мутаций с видимым проявлением исследуемых мух скрещивают с мухами CyL/Pm. В fi получают мух, гетерозигот­ных по той или другой хромосоме исследуемой линии, и инди­видуально вновь скрещивают сегрегантов CyL с мухами CyL/Pm. В F2 (в индивидуальных культурах) скрещивают между собой самцов и самок с признаками CyL и анализируют F3. В отсутствие рецессивной летальной мутации расщепление в F3 бу­дет 2CyL: 1 Су L, а если в половых клетках мух исходной линии возникали летальные мутации, то в соответствую­щих индивидуальных культурах в F3 не будет нормальных мух 2CyL:Q Cy+L+. Аналогично учитывают в F3 и рецессивные мутации с видимым проявлением в хромосоме.

26. хромосомное мутации (хромосомные перестройки), их значение в регуляции экспрессии генов и использование в генетическом анализе.

Хромосомные перестройки (аберрации, мутации)-перемещения генетического материала, приводящие к изменению структуры хромосом в пределах кариотипа.

Внутрихромосомные - дефишенси(концевые нехватки), делеции(выпадения частей хромосом), дупликации(умножения частей хром.), инверсии(изменения чередования генов вследствии поворота участка хромосомы на 1800). Межхромосомные - транслока-ции(перемещение части хромосомы на другую негомологичную ей). Транспозиции и инсерции - изм локализ небольш участков генет материала, включ 1 или несколько генов. Транспозиции могут между негомологичными хромосомами или в 1хр.

Делеции и дефишенси. вследствии нехваток хромосомы укорачиваются и отсутствие участка одного из гомологов приводит к гемизиготному состоянию генов, находящихся в нормальном гомологе. Если теряются доминантные аллели одного из гомологов гете-розиготы, то наблюдается фенотипическое проявление рецессивных аллелей хромосо-мы, незатронутой аберрацией. Поскольку вследствии делеции теряются участки хромо-сом, у гетерозигот по этим перестройкам наблюдаются характерные нарушения конъю-гации гомологов. Более длинная нормальная хромосома образует петлю на участке, соотв делеции. Границы делеций уточняют по нарушению конъюгации и изменению рисунка хромосом. Делеции летальны в гомозиготе. Оч. короткие делеции могут не нарушать жизнеспособности в гомозиготе. Дефишенси устанавливают по тем же критериям. При конъюгации не петля, а 1 короче другой. Примет дефишенси у чел - синдром кошачьего крика, гетерозиготность по дефишенси в 5-й хромосоме, умственная отсталость, рано умирают.

Дупликации - двукратное повторение одного и того же участка хромосомы. Мультипли-кации(амплификации) многократ повтор. Повторы могут происходить в пределах 1 хр. или переноситься на др. Повторы в 1хр. могут распол тандемно(ABCBCDE) или инвер-тировано(ABCCBDE). Причина - неравный кроссинговер. Гетерозиготы по дупликации выявляются - петля при конъюгации. дупликации и др. повторы не оказывают такого отрицательного воздействия на жизнеспособность, как делеции и дефишенси. Роль в эволюции генома - доп участки генет материала, ф-ция кот м. б. изменена в результате мутаций и последущего естественного отбора.

Инверсии - изменение чередования генов,

-перичентрические(захватыв центромеру и включающие ее в инвертированный участок)

-парацентрические(не включ центромеру в инвертиров участок)

Летально если разрыв в жизненноважным генам.

Подавляется кроссинговер если инверсия в гетерозиготе.

У гетерозигот по инверсиям - петли. Если в такой петле произойдет кроссинговер, то в случае парацентрической инверсии возникает 1хроматида с 2 центромерами, которые порвут ее при расхождение в анафазе, образующийся бесцентромерный фрагмент будет потерян. Из 4 гамет полноценными будут только 2. При перицентрической инверсии 2 хроматиды несут делеции по некоторым генам, нет препятствий нормальному расхождению.

Могут способствовать эволюционной дивергенции новых форм, образующихся в преде-лах вида.

Транслокации - реципрокный обмен участками негомологичных хромосом. Изменяется характер сцепления генов. В гетерозиготе по транслокации гены принадлежащие к разным негомологичным хромосомам наследуются как принадлежащие к 1 группе сцепления. Это объясняется тем, что полностью функциональными оказываются только те споры и гаметы, которые несут родительское сочетание хромосом. Характер конъюгации транслоцированных хромосом меняется, образуется фигура креста. Плотная конъюгация оказывается затрудненной вблизи точек разрывов, что приводит к подавлению кроссинговера в этих участках. У гетерозиготы по транслокации в профазе мейоза образуются квадриваленты, а не биваленты, как обычно, поскольку гомологичные

27. Геномные мутации. Полиплоидия. Виды полиплоидии.

Геномные: — полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге-Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.

Полиплоидией (др.-греч. πολύς — многочисленный, πλοῦς — зд. попытка и εἶδος — вид) называют кратное увеличение количества хромосом в клетке эукариот. Полиплоидия гораздо чаще встречается среди растений, нежели среди животных. Среди раздельнополых животных описана у нематод, в частности аскарид, а также у ряда представителей земноводных. Искусственно полиплоидия вызывается ядами, разрушающими веретено деления, такими как колхицин. Различают автополиплоидию и аллополиплоидию. Автополиплоидия — наследственное изменение, кратное увеличение числа наборов хромосом в клетках организма одного и того же биологического вида. На основе искусственной автополиплоидии синтезированы новые формы и сорта ржи, гречихи, сахарной свёклы и других растений.

для полиплоидов растений ди-, три-, тетраплоиды и т. д., имеющие соответственно два, три, четыре и т. д. повторений одного и того же генома. Такие полиплоиды могут возникать спонтанно в результате полиплоидизации соматических клеток растений, в результате чего получаются мозаики — особи, содержащие как диплоидные, так и полиплоидные ткани. Часто полиплоидные формы получают из них путем вегетативного размножения различных частей растения.

Для искусственного получения полиплоидов применяют агенты, блокирующие расхождение удвоившихся хромосом; например, алкалоид колхицин, другие митозные яды, например винбластин, препятствуют полимеризации тубулина и тем самым блокируют расхождение хромосом. Камфора вызывает эндомитотическую полиплоидизацию у дрожжей, при действии на которые колхицин, в частности, не эффективен.

Другой путь 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 деления мейоза. В обоих случаях в итоге образуются нередуцированные — диплоидные пыльцевые зерна или яйцеклетки.

Принято различать сбалансированные полиплоиды с четным числом наборов хромосом: 4и, 6п, 8п и т. д. — и несбалансированные полиплоиды с нечетной плоидностью: Зп, 5п, In и т. д. Последние обычно имеют пониженную фертильность, поскольку нечетное повторение каждой из хромосом создает препятствие для их регулярной конъюгации и последующего распределения в мейозе. Такой проблемы не возникает у сбалансированных полиплоидов.

Чаще всего оптимальна четная плоидность; например, опыление тетраплоидного сорта ржи пыльцой диплоидного сорта приводит к образованию триплоидных зародышей, которые погибают на ранних стадиях развития.

Тем не менее у многих растений именно триплоиды проявляют признаки большей мощности и более высокой продуктивности, чем диплоиды или тетраплоиды.

В любом случае получение первичной полиплоидной формы всегда означает только начало селекционного процесса, в ходе которого путем скрещивания полиплоидов и последующей рекомбинации удается оптимизировать выражение признаков и получить гармонично развитые растения.

Аллополиплоидия — кратное увеличение количества хромосом у гибридных организмов. Возникает при межвидовой и межродовой гибридизации. Многие растения являются природными полиплоидами. Однако чаще всего их полишюидные ряды не результат автополиплоидизации, а следствие объединения различных геномов посредством гибридизации. Очевидно, при гибридизации двух разных видов даже с одинаковым числом хромосом у полученного амфигаплоида трудно ожидать нормального течения мейоза. Конъюгация хромосом в профазе I мейоза будет нарушена из-за отсутствия гомологов. Если же геномы А и В, объединившиеся в амфигаплоиде, удвоятся (ААВВ), т. е. произойдет полиплоидизация, то фертильность такого амфидиплоида, или аллотетраплоида, будет восстановлена, поскольку теперь хромосомы могут образовывать нормальные пары при конъюгации. Собственно именно так и поступают при синтезе новых форм путем отдаленной гибридизации.

Эксперименты прекрасно подтверждают теорию О. Винге (1917), согласно которой полиплоидные ряды в природе возникают путем гибридизации видов и последующего удвоения обоих родительских хромосомных наборов. Многие растения действительно представляют собой аллополиплоиды. Например, пшеница Triticum destivum (2л =42) имеет геномную формулу: AABBDD, т. е. является гексаплоидом с тремя разными геномами. Ее геномы АВ соответствуют другому виду пшеницы — аллотетраплоиду Т. dicoccum. Третий геном D, скорее. всего, происходит от злака другого рода — Aegilops squarrosa, имеющего 14 хромосом.

Часто геномы, входящие в состав аллополиплоидов, содержат гомологичные гены и целые участки хромосом, которые называют гомеологичными. Гомеология хромосом выявляется по их способности к гомеологичной конъюгации отдельными участками, содержащими гомологичные гены, что лучше всего показано при изучении аберрантных мейозов у амфигаплоидов. Расщепление по гомологичным генам у аллополиплоидов часто носит характер некумулятивной или кумулятивной полимерии.

Нарушения плоидности у человека:

У человека, как и у подавляющего большинства многоклеточных животных, большая часть клеток диплоидны. Гаплоидны только зрелые половые клетки, или гаметы. Нарушения плоидности (как анеуплоидия, так и более редкая полиплоидия) приводят к серьёзным болезненным изменениям. Примеры анеуплоидии у человека: синдром Дауна — трисомия по 21-й хромосоме (21-я хромосома представлена тремя копиями), синдром Кляйнфельтера — избыточная X хромосома (XXY), синдром Тернера — нулисомия по одной из половых хромосом (X0). Описаны также трисомия по X хромосоме и случаи трисомии по некоторым другим аутосомам (помимо 21-й). Примеры полиплоидии редки, однако известны как абортивные триплоидные зародыши, так и триплоидные новорождённые (срок их жизни при этом не превышает нескольких дней) и диплоидно-триплоидные мозаики.

28. Нерасхождение хромосом и его генетические последствия (на примере дрозофилы и человека).

Как показал Морган, при скрещивании белоглазых самок дрозофилы с красноглазыми самцами дочери оказываются красноглазыми, а сыновья белоглазыми. Однако и из этого правила бывают, оказывается, редкие исключения. Примерно у одной из 2 тыс. мух в F1 от такого скрещивания цвет глаз оказывается противоположным: белым у самок и красным у самцов. Бриджес предположил, что появление редких мух возможно при нерасхождении Х-хромосом; другими словами, в тех случаях, когда Х-хромосомы не расходятся в мейозе к разным полюсам, а направляются вместе к одному из полюсов, в результате чего образуются яйцеклетки с двумя Х-хромосомами и яйцеклетки без Х-хромосом.

Если у белоглазой мухи образуется яйцеклетка с двумя Х-хромосомами и эта яйцеклетка оплодотворяется спермием, содержащим У-хромосому, причем обе Х-хромосомы содержат ген белых глаз. Бриджес предположил, что белоглазые самки в потомстве от скрещивания между красноглазыми самцами и белоглазыми самками развиваются именно из таких зигот. Когда же яйцеклетка, не содержащая ни одной Х-хромосомы, оплодотворяется спермием красноглазого самца, несущим Х-хромосому, то в зиготе оказывается одна Х-хромосома, несущая ген красных глаз, а У-хромосомы нет вовсе. Бриджес предположил, что из таких зигот развиваются красноглазые самцы. Другими словами, гипотеза Бриджеса состояла в том, что появляющиеся с частотой 1:2000 белоглазые самки получают по две Х-хромосомы от матери (и У-хромосому от отца), а такие же редкие красноглазые самцы получают лишь одну отцовскую Х-хромосому (и, следовательно, вовсе лишены У-хромосомы).

Гипотеза Бриджеса была умозрительной, но допускала экспирементальную проверку путем изучения хромосомных наборов мух, представляющих собой исключение из общего правила. Прямые наблюдения показали, что в клетках «исключительных» белоглазых самок действительно содержится по две Х-хромосомы и по одной У-хромосоме, а клетки «исключительных» красноглазых самцов имеют по одной Х-хромосоме, тогда как У-хромосома у них отсутствует вовсе. Таким образом, было показано, что конкретный ген вне всяких разумных сомнений локализован в конкретной хромосоме.

Самцы дрозофилы, лишенные У-хромосомы, внешне нормальны, но стерильн. Самки с двумя Х-хромосомами и одной У-хромосомой нормальны и плодовиты. Бриджес скрещивал таких самок (ХХУ) с нормальными красноглазыми самцами (ХУ). Он обнаружил, что около 4%самок в потомстве от таких скрещиваний имеют белые глаза, а около 4% самцов – красные глаза; остальные 96% потомства составляли красногдазые самки и самцы возникающие снова в результате нерасхождения Х-хромосом в мейозе у самок. Он назвал такое нерасхождение вторичным, поскольку оно происходит в потомстве самок, появившихся в результате первичного нерасхождения Х-хромосом (и потому обладающих двумя Х-хромосомами и одной У-хромосомой). Вторичное нерасхождение происходит с частотой около 1:25, а первичное нерасхождение – 1:2000.

Нерасхождение может быть следствием физического сцепления Х-хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев.

У человека явление нерасхождения хромосом обуславливает возникновение различных форм анеуплоидии. Анеуплоиди́я (греч. an + eu + ploos + eidos — отрицательная приставка + вполне + кратный + вид) — наследственное изменение, при котором число хромосом в клетках не кратно основному набору. Может выражаться, например, в наличии добавочной хромосомы (n + 1, 2n + 1 и т. п.) или в нехватке какой-либо хромосомы (n — 1, 2n — 1 и т. п.). Анеуплоидия может возникнуть, если в анафазе I мейоза гомологичные хромосомы одной или нескольких пар не разойдутся. В этом случае оба члена пары направляются к одному и тому же полюсу клетки, и тогда мейоз приводит к образованию гамет, содержащих на одну или несколько хромосом больше или меньше, чем в норме. Это явление известно под названием нерасхождение. Когда гамета с недостающей или лишней хромосомой сливается с нормальной гаплоидной гаметой, образуется зигота с нечетным числом хромосом: вместо каких-либо двух гомологов в такой зиготе их может быть три или только один. Зигота, в которой количество аутосом меньше нормального диплоидного, обычно не развивается, но зиготы с лишними хромосомами иногда способны к развитию. Однако из таких зигот в большинстве случаев развиваются особи с резко выраженными аномалиями.

Формы: моносомия - это наличие всего одной из пары гомологичных хромосом. Примером моносомии у человека является синдром Тернера, выражающийся в наличии всего одной половой (X) хромосомы. Генотип такого человека X0, пол — женский. У таких женщин отсутствуют обычные вторичные половые признаки, характерен низкий рост и сближенные соски. Встречаемость среди населения Западной Европы составляет 0,03 %.

Трисомия — это наличие трёх гомологичных хромосом вместо пары в норме.

Наиболее часто встречающейся у человека является трисомия по 16-й хромосоме (более одного процента случаев беременности). Однако следствием этой трисомии является спонтанный выкидыш в первом триместре.

Среди новорождённых наиболее распространена трисомия по 21-й хромосоме, или синдром Дауна (2n + 1 = 47). Эта аномалия, названая так по имени врача, впервые описавшего её в 1866 г., вызывается нерасхождением хромосом 21. К числу её симптомов относятся задержка умственного развития, пониженная сопротивляемость болезням, врождённые сердечные аномалии, короткое коренастое туловище и толстая шея, а также характерные складки кожи над внутренними углами глаз, что создаёт сходство с представителями монголоидной расы.

Другие случаи нерасхождения аутосом:

Трисомия 18 (синдром Эдвардса)

Трисомия 13 (синдром Патау)

Трисомия 16 выкидыш

Трисомия 9

Трисомия 8 (синдром Варкани)

Синдром Дауна и сходные хромосомальные аномалии чаще встречаются у детей, рождённых немолодыми женщинами. Точная причина этого неизвестна, но, по-видимому, она как-то связана с возрастом яйцеклеток матери.

Случаи нерасхождения половых хромосом:

XXX (женщины внешне нормальны, плодовиты, иногда отмечается умственная отсталость, пониженная обучаемость, алалия; частота проявления 0,1 %)

XXY, Синдром Клайнфельтера (мужчины, обладающие некоторыми вторичными женскими половыми признаками; бесплодны; яички развиты слабо, волос на лице мало, иногда развиваются молочные железы; обычно низкий уровень умственного развития)

XYY (мужчины высокого роста с различным уровнем умственного развития;)

Тетрасомия (4 гомологичные хромосомы вместо пары в диплоидном наборе) и пентасомия (5 вместо 2-х) встречаются чрезвычайно редко. Примерами тетрасомии и пентасомии у человека могут служить кариотипы XXXX, XXYY, XXXY, XYYY, XXXXX, XXXXY, XXXYY, XYYYY и XXYYY.

29. Пенетрантность – доля особей (в %), у которых рассматриваемяй пизнак проявился среди всех особей данного генотипа.

Экспресссивность – степерь выраженности рассматриваемого признака по отношению к его максимальной выраженности среди всех особей данного генотипа.

Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учиты­вать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой разви­вается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розо­вая (Р—) — белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15—25°С. Если же растения f2 вырастить при температуре 30—35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F2 в условиях температуры, колеблющейся около 30 °С, можно получить разнообразные соотношения от ЗР—:1рр до 100% растений с белыми цветками. Такое варьирующее соотноше­ние классов при расщеплении в зависимости от условий внешней среды или от условий генотипической среды (так назвал ­вериков варьирование генотипа по генам-модификаторам) носит название варьирующей пенетрантности. Это понятие подразумева­ет возможность проявления или непроявления признака у организ­мов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам.

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих ис­следуемый признак среди всех особей одинакового генотипа по контролируемому (изучаемому) гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть и степень выраженности признака. Например, дрозофила, гомози-готная по аллели vgvg (зачаточные крылья), более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры. Другой признак дрозофилы — отсутствие глаз (еуеу) варьирует от 0 до 50% от числа фасеток, характерного для мух дикого типа.

Степень проявления варьирующего признака называется экс­прессивностью. Экспрессивность обычно выражают количественно в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Оба понятия — пенетрантность и экспрессивность — были вве­дены в 1925 г. - Ресовским для описания варьирующего проявления генов.

Тот факт, что признак может проявиться или не проявиться у особей данного генотипа в зависимости от условий или варьи­ровать в различных условиях среды, убеждает в том, что фено­тип — это результат действия (и взаимодействия) генов в кон­кретных условиях существования организма.

Норма реакции — способность реа­гировать на варьирующие условия развития. Норму реакции генотипа необходимо учитывать как при экспериментах, так и при выведении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений в проявлении признака указывает на то, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма — на то, что оно уже за пределами нормы реакции. Селекция высокопродуктивных форм растений, животных и микроорганизмов в значительной степени представляет собой отбор организмов с узкой и специализированной нормой реакции на такие внешние воздействия, как удобрения, обильное кормле­ние, характер выращивания и др.

Таким образом, генотип представляет собой систему взаимодействую­щих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Только благодаря использованию принципов менделевского анализа мож­но условно разложить эту сложную систему на элементарные признаки — фены и тем самым идентифицировать отдельные, дискретные единицы генотипа — гены.

Модификации — изменения организма в пределах нормы реакции

Существует множество примеров модификаций, вызываемых различными факторами внешней среды. Один из наиболее впечат­ляющих примеров — определение пола после оплодотворения у некоторых низших животных. У морского червя ВопеШа самцы и самки имеют одинаковый генотип. Если только что вылупив­шихся из яиц молодых червей изолировать и выращивать отдель­но, то все они развиваются в самок. Если же вылупившихся жи­вотных выпустить вблизи взрослой самки, то некоторые из них проникают в хоботок взрослой особи и развиваются в микроско­пических самцов, которые в конце концов мигрируют в половые пути самки. Здесь они живут в качестве паразитов, выполняя свою единственную функцию — оплодотворение яйцеклеток.

У некоторых позвоночных животных возможно фенотипическое (гормональное) переопределение пола, которое, как, например, у некоторых рыб, оказывается полным. Тем не менее в этих случаях дальнейшее расщепление по полу соответствует хромосомному механизму его определения.

Яркий пример модификационного изменения у животных — окраска шерсти гималайского кролика. Обычно при 20°С у этой породы шерсть белая, за исключением черных ушей, лап и пятна вокруг носа. При 30° С такие кролики

чистых линий. В этих случаях для количественных признаков, доля изменчивости за счет взаимодействия генотип—среда может со­ставлять более 50% от всей наблюдаемой изменчивости. Во-вторых, одни и те же факторы внешней среды могут быть причи­ной как модификационных, так и наследственных изменений, возникающих за счет мутаций и повышения частоты рекомби­нации. При этом влияние среды на мутационный процесс и реком­бинацию опосредуется модификациями — онтогенетическими адаптациями развивающегося организма.

Различные стрессовые воздействия на организм не только индуцируют системы адаптации, повышающие устойчивость орга­низма, но и активно влияют на наследственную изменчи­вость.

В связи с модификациями и генотипической изменчивостью представляют интерес полученные в последние годы данные о том, что одни и те же воздействия, вызывающие стрессовую адаптивную реакцию организма, могут активировать мигрирую­щие элементы генома.

влия­ние внешних воздействий на модификационную и наследственную изменчивость зависит от предшествующей онтогенетической адап­тации к ним.

Значение модификаций

Адаптивная модификация является первой пробой реак­ции, при помощи которой организм как бы проверяет возможность замены и более успешного использования окружающей среды.

Роли моди­фикаций в эволюционном процессе. Обусловленные нормой реак­ции адаптивные модификации дают возможность организму вы­жить и оставить потомство. При наличии такой возможности последующие генокопии модификаций, т. е. мутации, фенотипическое проявление которых копирует модификация, подхваты­ваются естественным отбором и тем самым возрастает приспо­собленность организма к новым изменившимся условиям. Соглас­но закону Гаузе (1934) два вида не могут сосуществовать в одной и той же экологической нише, т. е. с равным успехом использовать одни и те же условия окружающей среды. Поэтому освоение новых условий представляет собой составную часть эволюционной дивергенции биологических форм.

В заключение следует еще раз обратиться к связи между модификационной и онтогенетической изменчивостью. Во многих случаях модификации (фенокопии, морфозы) возникают в резуль­тате влияния внешних факторов на процесс реализации генетической информации на разных ее стадиях, в частности во время прохождения организмом критических стадий онтогенеза — детерминации клеток, закладки и дифференцировки органов. В не­которых случаях прослеживается общность механизмов, обеспечи­вающих адаптивные модификации и нормальное развитие орга­низмов. Так, некоторые белки теплового шока дрозофилы зако­номерно появляются без каких бы то ни было резких внешних воздействий на определенных стадиях развития несекомого.

Знание нормы реакции организма, знание пределов его моди­фикационной изменчивости имеет большое значение при конструи­ровании новых форм растений, животных и микроорганизмов, полезных человеку. Особенно важно это для практики сельского хозяйства, цель которой — повышение продуктивности растений и животных не только путем внедрения новых селекционных форм — пород и сортов, но и максимальное использование воз­можностей каждой породы или сорта. Знание закономерностей модификационной изменчивости необходимо и для медицины, усилия которой направлены в настоящее время не на изменение генетических потенций человека, а на поддержание и развитие человеческого организма в пределах нормы реакции.

Все это определяет значение исследований модификационной изменчивости как одного из проявлений действия генов во взаимо­связи с факторами окружающей среды.

Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учиты­вать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой разви­вается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розо­вая (Р—) — белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15—25°С. Если же растения f2 вырастить при температуре 30—35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F2 в условиях температуры, колеблющейся около 30 °С, можно получить разнообразные соотношения от ЗР—:1рр до 100% растений с белыми цветками. Такое варьирующее соотноше­ние классов при расщеплении в зависимости от условий внешней среды или от условий генотипической среды (так назвал ­вериков варьирование генотипа по генам-модификаторам) носит название варьирующей пенетрантности. Это понятие подразумева­ет возможность проявления или непроявления признака у организ­мов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам.

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих ис­следуемый признак среди всех особей одинакового генотипа по контролируемому (изучаемому) гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть и степень выраженности признака. Например, дрозофила, гомози-готная по аллели vgvg (зачаточные крылья), более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры. Другой признак дрозофилы — отсутствие глаз (еуеу) варьирует от 0 до 50% от числа фасеток, характерного для мух дикого типа.

Степень проявления варьирующего признака называется экс­прессивностью. Экспрессивность обычно выражают количественно в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Оба понятия — пенетрантность и экспрессивность — были вве­дены в 1925 г. - Ресовским для описания варьирующего проявления генов.

Норма реакции — способность реа­гировать на варьирующие условия развития. Норму реакции генотипа необходимо учитывать как при экспериментах, так и при выведении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений в проявлении признака указывает на то, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма — на то, что оно уже за пределами нормы реакции.

Таким образом, генотип представляет собой систему взаимодействую­щих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Только благодаря использованию принципов менделевского анализа мож­но условно разложить эту сложную систему на элементарные признаки — фены и тем самым идентифицировать отдельные, дискретные единицы генотипа — гены.

Модификации — изменения организма в пределах нормы реакции

Яркий пример модификационного изменения у животных — окраска шерсти гималайского кролика. Обычно при 20°С у этой породы шерсть белая, за исключением черных ушей, лап и пятна вокруг носа. При 30° С такие кролики вырастают сплошь белыми. Если же гималайскому кролику выбривают участок спины и ох­лаждают его, например привязывая пузырь со льдом, то в этой области вырастает черная шерсть.

Для каждой области тела есть свой порог температуры, выше которого вырастает белая шерсть, а ниже — черная.

Следовательно, проявление аллели, ch по которой гомозиготен гималайский кролик, зави­сит от температуры. Подобный опыт не может дать положи­тельного результата с белым кроликом альбиносом (с"са).

Несколько приведенных при­меров показывают, что опре­деленные типы модификации возникают только у организмов определенного генотипа. Следо­вательно, способность к модификациям наследуется и характеризует генетически заданную норму реакции. Таким образом, было бы неверно рас­сматривать ненаследственную изменчивость—модификации—в отрыве от наследственной изменчивости. Возможность модифика­ции определяется генотипом и реализуется при соответствующих изменениях внешней среды.

Типы модификационных изменений

Адаптивные модификации — это реакция клеток и организма на изменения условий среды, которые неоднократно действовали на организм в ходе эволюции. Все они — в пределах нормы реакции, заданной генотипом.

В большинстве случаев модификации не стойки и исчезают, как только прекращается действие вызвавшего их агента. Это не относится к морфозам и фенокопиям, отражающим вмешатель­ство внешних факторов в процессы реализации признака на кри­тической стадии онтогенеза — в момент закладки или дифференцировки исследуемого органа. Такие модификации сохраняются в течение всей жизни особи. Необратимость подобных изменений в онтогенезе объясняется необратимостью индивидуального раз­вития.

Сложнее обстоит дело с некоторыми модификациями на кле­точном уровне. Известно несколько примеров так называемых длительных модификаций. У пресноводного рачка гиалодафнии в зависимости от питания изменяется высота головы. При обильном питании и повышенной температуре высота головного шлема увеличивается, а при скудном питании и пониженной темпера­туре — уменьшается. Эти морфологические особенности сохраня­ются при получении партеногенетического потомства и содержа­нии различающихся вариантов в одинаковых условиях, однако раз­личия постепенно сглаживаются и полностью исчезают к третьему партеногенетическому поколению.

Механизмы модификаций

Причины модификационных изменений, особенно адаптивных модификаций, следует искать в механизмах регуляции действия генов. Механизмы регуляции лучше исследованы у прикариот и значительно хуже у эукариот. Очевидно, индукция адаптивных ферментов, регулируе­мых по оперонной схеме у бактерий, представляет пример адаптивной модификации. Действительно, адаптация клеток Е. coli к лактозе как к новому субстрату представляет модификационное изменение в пределах нормы реакции клетки.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7