Механизмы комбинативной изменчивости:

Изменчивость.

Вопросы:

1. Закономерности изменчивости и ее механизмы.

2. Мутагенные факторы и мутагенез.

3. Классификация мутаций.

4. Устойчивость и репарация наследственного материала.

 

I. Изменчивость - свойство организмов приобретать в процессе онтогенеза отличия признаков от родительских форм.

 

Изменчивость
Фенотипическая		Генотипическая
Модификационная	Мутационная		Комбинативная

 

  Фенотипическая (модификационная) изменчивость - изменения фенотипа под действием факторов внешней среды без изменения структуры генотипа.

Фенотипическая изменчивость была открыта Бонне. Корневую систему 120 видов растений он разделял на 2 части, одну часть высаживал в Парижском ботаническом саду, другую - в горах. В разных условиях вырастали растения с разными фенотипами (высокие и низкие). Бонне собрал семена таких растений и высадил в одинаковых условиях - выросли одинаковые растения.

Свойства модификаций:

• ненаследуемость;

• приспособительный (адаптивный) характер изменений;

• определенность (направленность и предсказуемость изменений, возникающих в орга-низме под действием фактора среды);

• степень изменения признака под действием факторов среды зависит от времени и силы его действия;

• носит групповой характер;

• не является материалом для естественного отбора.

 

Норма реакции - пределы модификационной изменчивости, которые формируются на основе генотипа в разных условиях внешней среды.

Признак, имеющий широкую норму реакции, изменяется в большом диапазоне (количественные признаки, степень загара кожи у человека, удой у КРС). Широкая норма реакции способствует выживанию особи в различных условиях среды.

Признак, имеющий узкую норму реакции, мало зависит от внешних условий (качественные признаки, физиологические показатели, жирность молока у КРС).

Фенокопии - явление, когда ненаследственная изменчивость копирует наследственную изменчивость. Например, у дрозофилы облучением можно вызвать образование вырезки на крыле, которая копирует мутацию Notch. Но мутация является следствием изменения структуры гена, а фенокопия - результат нарушения реализации наследственной информации.

Фенокопии - модификационные изменения - обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа.
В развитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды - климатические, физические, химические, биологические и социальные. Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития. Существование гено- и фенокопий нередко затрудняет постановку диагноза.

Генотипическая изменчивость связана с изменением структуры генетического материала.

Комбинативная изменчивость – появление новых признаков у потомства, вследствие возникновения новых комбинаций генов родителей при образовании и слиянии их гамет.

Свойства мутаций:

• возникают внезапно, скачкообразно;

• наследуются;

• ненаправленны (неопределенны), т. е. под действием одного фактора может му-тировать любой ген;

• в основном, являются вредными для организма;

• индивидуальны;

• являются материалом для действия естественного отбора;

• постоянны.

 

Генокопии - одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов.

Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Пример генокопий - различные виды гемофилии, связанные с недостаточностью VIII и IX факторов свертывающей системы (гемофилия А и В). Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.

 

II. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, - мутагенами.

По причинам их вызвавшим:

􀂾 спонтанные (самопроизвольные) мутации происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека.

􀂾 индуцированные мутации - результат направленного воздействия определенных мутагенных факторов (в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов получили мутации у дрожжей под действием ионизирующей радиации).

 

По мутировавшим клеткам:

􀂾 генеративные мутации происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении и проявляются у дочернего организма;

􀂾 соматические мутации происходят в соматических клетках, передаются по наследству только при вегетативном размножении и проявляются у родительского и дочернего организмов.

 

Разновидности анеуплоидии:

􀂾 трисомия - 3 гомологичных хромосомы в кариотипе (2n+1):

• синдром трисомии Х. Частота встречаемости 1:800- 1:1000. Кариотип 47, ХХХ. Женщина с мужеподобным телосложением. Недоразвиты первичные и вторичные половые признаки. Иногда наблюдается умственная отсталость. Повышен риск шизофрении;

• синдром Кляйнфельтера. Частота - 1:400-1:500. Кариотип 47,ХХУ; 48,ХХХУ. Фенотип мужской. Женское телосложение. Высокий рост, длинные руки и ноги. Слабо развит волосяной покров. Интеллект снижен. Недоразвиты первичные и вторичные половые признаки, бесплодие. Иногда эффективно раннее гормональное лечение.

􀂾 моносомия - в диплоидном наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, синдром Шерешевского-Тернера: Частота - 1:2000-1:3000. Кариотип 45, Х0. Фенотип женский. Рост 135-145 см, крыловидная кожная складка шеи, низко расположены уши, недоразвиты первичные и вторичные половые признаки. В 25% случаев - пороки сердца и почек. Интеллект не страдает. Бесплодие. Эффективно раннее гормональное лечение.

 

Моносомии по первым крупным парам хромосом для человека - летальные мутации.

􀂾 нулисомия - отсутствие пары хромосом в кариотипе (летальная мутация).

 

2. Хромосомные мутации (аберрации) - изменения структуры хромосом (выявляются цитогенетическим методом).

 

К внутрихромосомным мутациям относятся перестройки внутри одной хромосомы.

􀂾 делеция (нехватка) - выпадение части хромосомы (делеция участка короткого плеча 5-ой хромосомы у человека (5p-) - синдром кошачьего крика). При делеции обоих плеч хромосомы (удаляются теломеры) наблюдается замыкание оставшейся структуры в кольцо - кольцевые хромосомы. При выпадении центромерного участка образуются дицентрические хромосомы.

􀂾 дупликация - удвоение участка хромосомы. Результатом дупликации во II хромосоме дрозофилы может служить появление полосковидных глаз.

􀂾 инверсия - отрыв участка хромосомы, поворот его на 180^о и прикрепление к месту отрыва. При этом наблюдается нарушение порядка расположения генов.

 

Межхромосомные мутации происходят между негомологичными хромосомами.

Транслокация - обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают транслокации:

􀂾 реципрокные (2 хромосомы обмениваются сегментами);

􀂾 нереципрокные (сегменты одной хромосомы переносятся в другую);

􀂾 робертсоновские (две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными районами).

Делеции и дупликации проявляются фенотипически всегда, так как изменяется набор генов и наблюдаются частичные моносомии при нехватках и частичные трисомии - при дупликациях.

Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда; они могут быть сбалансированными, когда не происходит ни увеличения, ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс генов в геноме.

При инверсиях и транслокациях затрудняется конъюгация гомологичных хромосом, что является причиной нарушения распределения генетического материала между дочерними клетками.

 

3. Генные мутации (трансгенации) - изменения структуры гена. Выявляются биохимическими методами и методами рекомбинантной ДНК.

Мутации структурных генов:

􀂙 "сдвиг рамки считывания" - вставка или выпадение нуклеотидов (в зависимости от места вставки или выпадения изменяется меньшее или большее число кодонов);

􀂙 транзиция - замена оснований пуринового на пуриновое, или пиримидинового на пиримидиновое, например: А ↔ Г, Ц ↔ Т; при этом изменяется тот кодон, в котором про-изошла транзиция;

􀂙 трансверсия - замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А ↔ Ц, Г ↔ Т; изменяется тот кодон, в котором произошла трансверсия.

Задача: Фенилкетонурия.

Фенилкетонурия связана с резким снижением или полным отсутствием активности печёночного фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, который в норме катализирует превращение фенилаланина в тирозин. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Мальчик родился с фенилкетонурией, но, благодаря соответствующей диете, развивался нормально.

С какими формами изменчивости связаны его болезнь и выздоровление?

 

Решение: болезнь связана с мутационной изменчивостью (генеративная мутация у какого-либо предка мальчика). Далее, благодаря, комбинативной изменчивости ген перешел в гомозиготное состояние, и болезнь проявилась у мальчика. Выздоровление связано с модификационной изменчивостью. Генотип не изменился, но внешним воздействием удалось изменить фенотипические проявления болезни.

 

 

Задача: Цвет глаз

Отец голубоглазый, мать кареглазая, а у дочери один глаз карий, второй - голубой. Как это можно объяснить?

Решение: Девочка гетерозиготна по генам, определяющим окраску

глаз, и у неё оба глаза должны быть карими. Но во время эмбриогенеза в

клетках, образующих зачаток одного глаза, произошла соматическая генная

мутация, и ген кареглазости превратился в ген голубоглазости; второй глаз

остался карим.

 

Изменчивость.

Вопросы:

1. Закономерности изменчивости и ее механизмы.

2. Мутагенные факторы и мутагенез.

3. Классификация мутаций.

4. Устойчивость и репарация наследственного материала.

 

I. Изменчивость - свойство организмов приобретать в процессе онтогенеза отличия признаков от родительских форм.

 

Изменчивость
Фенотипическая		Генотипическая
Модификационная	Мутационная		Комбинативная

 

  Фенотипическая (модификационная) изменчивость - изменения фенотипа под действием факторов внешней среды без изменения структуры генотипа.

Фенотипическая изменчивость была открыта Бонне. Корневую систему 120 видов растений он разделял на 2 части, одну часть высаживал в Парижском ботаническом саду, другую - в горах. В разных условиях вырастали растения с разными фенотипами (высокие и низкие). Бонне собрал семена таких растений и высадил в одинаковых условиях - выросли одинаковые растения.

Свойства модификаций:

• ненаследуемость;

• приспособительный (адаптивный) характер изменений;

• определенность (направленность и предсказуемость изменений, возникающих в орга-низме под действием фактора среды);

• степень изменения признака под действием факторов среды зависит от времени и силы его действия;

• носит групповой характер;

• не является материалом для естественного отбора.

 

Норма реакции - пределы модификационной изменчивости, которые формируются на основе генотипа в разных условиях внешней среды.

Признак, имеющий широкую норму реакции, изменяется в большом диапазоне (количественные признаки, степень загара кожи у человека, удой у КРС). Широкая норма реакции способствует выживанию особи в различных условиях среды.

Признак, имеющий узкую норму реакции, мало зависит от внешних условий (качественные признаки, физиологические показатели, жирность молока у КРС).

Фенокопии - явление, когда ненаследственная изменчивость копирует наследственную изменчивость. Например, у дрозофилы облучением можно вызвать образование вырезки на крыле, которая копирует мутацию Notch. Но мутация является следствием изменения структуры гена, а фенокопия - результат нарушения реализации наследственной информации.

Фенокопии - модификационные изменения - обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа.
В развитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды - климатические, физические, химические, биологические и социальные. Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития. Существование гено- и фенокопий нередко затрудняет постановку диагноза.

Генотипическая изменчивость связана с изменением структуры генетического материала.

Комбинативная изменчивость – появление новых признаков у потомства, вследствие возникновения новых комбинаций генов родителей при образовании и слиянии их гамет.

Механизмы комбинативной изменчивости:

• кроссинговер (профаза мейоза I);

• независимое расхождение хромосом в анафазу мейоза I;

• независимое расхождение хроматид в анафазу мейоза II;

• случайное сочетание гамет при оплодотворении.

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. На проявление комбинативной изменчивости у человека будет оказывать влияние система скрещивания или система браков. 2 основных типа браков по своим генетическим последствиям: между родственными (инбридинг) и неродственными (аутбридинг) особями.

Инбридинг может быть в разной мере тесным. Наиболее тесный - это брак братьев с сестрами или родителей с детьми. Менее тесный - между двоюродных братьев и сестер или племянников с детьми или тетками.

Важное генетическое следствие инбридинга - повышение с каждым поколением гомозиготности потомков по всем независимо наследуемым генам. Инбридинг часто ведет к ослаблению и даже вырождению потомков. У человека инбридинг, как правило, вреден, усиливается риск заболевания и преждевременной смерти потомков.

 

 

Мутационная изменчивость (мутация) - скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству.

Свойства мутаций:

• возникают внезапно, скачкообразно;

• наследуются;

• ненаправленны (неопределенны), т. е. под действием одного фактора может му-тировать любой ген;

• в основном, являются вредными для организма;

• индивидуальны;

• являются материалом для действия естественного отбора;

• постоянны.

 

Генокопии - одинаковое фенотипическое проявление мутаций разных генов.

Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Пример генокопий - различные виды гемофилии, связанные с недостаточностью VIII и IX факторов свертывающей системы (гемофилия А и В). Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.

 

II. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, - мутагенами.