Виды изменчивости. Мутагенез.

Виды изменчивости. Мутагенез.

Изменчивость – свойство организмов приобретать новые по сравнению с родителями признаки, а в широком смысле под изменчивостью понимают различия между особями одного вида. Различают изменчивость – ненаследственную (модификационную, фенотипическую) и

наследственную (генотипическую).

Типы модификаций.

Адаптивные модификации

В большинстве случаев модификационная изменчивость способствует положительной адаптации организмов к условиям окружающей среды - улучшается реакция генотипа на окружающее и возникает перестройка фенотипа 

Характеристика адаптивных модификаций:

1. обратимость - изменения исчезают при смене специфических условий окружающей среды, спровоцировавших их;

2. групповой характер;

3. затрагивает фенотип, при этом не затрагивая сам генотип;

4. изменения в фенотипе не наследуются, наследуется норма реакции генотипа;

5. статистическая закономерность вариационных рядов.

 

Значение адаптивных модификаций.

Обусловленные нормой реакции адаптивные модификации дают возможность организму выжить и оставить потомство в изменившихся условиях среды.

 

Дополнительная информация Окружающая среда как причина модификаций Под действием определенных условий окружающей среды на организм изменяется течение ферментативных реакций (активность ферментов) и может происходить синтез специализированных ферментов, некоторые из которых (MAP-киназа и др.) ответственны за регуляцию транскрипции генов, зависящую от изменений окружающей среды. Таким образом, факторы окружающей среды способны регулировать экспрессию генов, то есть интенсивность выработки ими специфических белков, функции которых отвечают специфическим факторам окружающей среды. Например, за выработку меланина ответственны четыре гена, которые находятся в разных хромосомах. Наибольшее количество доминантных аллелей этих генов – 8 - содержится у людей негроидной расы. При воздействии специфической окружающей среды, например, интенсивного воздействия ультрафиолетовых лучей, происходит разрушение клеток эпидермиса, что приводит к выделению эндотелина-1 и эйкозаноидов. Они вызывают активацию фермента тирозиназы и его биосинтез. Тирозиназа, в свою очередь, катализирует окисление аминокислоты тирозина. Дальнейшее образование меланина проходит без участия ферментов, однако большее количество фермента обуславливает более интенсивную пигментацию.

Морфозы

Под влиянием некоторых вредных факторов может возникать модификационная изменчивость, лежащая за пределами нормы реакции. Возникают уродства или аномалии, которые называются морфозами.  Следовательно, морфозы – это ненаследственные изменения фенотипа под влиянием экстремальных факторов окружающей среды.

Причиной возникновения таких изменений часто являются тератогены: препарат талидомид, хинин, галлюциноген ЛСД, наркотики, алкоголь.

Тератогены - химические вещества или физические факторы, вызывающие при воздействии на организм возникновение уродств и других аномалий развития. (греч.тeratos - чудовище + genes– рожденный)

Если адаптивные модификации могут исчезнуть после прекращения действия агента, то морфозы сохраняются в течение всей жизни организма. Это определяется действием порождающих их факторов на критических стадиях онтогенеза. Необратимость морфозов объясняется необратимостью онтогенеза.

Также к морфозам следует отнести такие изменения внешности как шрамы после ожогов, ранений, внешний вид человекас ампутированными конечностями и др.

Фенотипическиморфозыбывают сходны с мутациями и в таких случаях они называются фенокопиями.

3. Фенокопии –ненаследственные изменения фенотипа по проявлению похожие на мутации. В медицине фенокопии - ненаследственные болезни, сходные с наследственными.

Термин «фенокопия» предложен Р. Гольдшмидтом в 1935 г. Примерами могут служить сосудистая деменция, близкая по клинической картине к болезни Альцгеймера; хорея токсического или медикаментозного происхождения, которую можно принять за болезнь Гентингтона;ненаследственный авитаминоз Е, проявления которого сходны с атаксией Фридрейха;слепота, обусловленная помутнением хрусталика глаза (катаракта) или действием ионизирующего облучения, или в результате внутриутробного поражения вирусом краснухи -  проявления которой сходны с наследственной слепотой; слабоумие может быть обусловлено специфическим генотипом, а может и развиться в результате нехватки йода в рационе питания ребенка или в результате повреждающего воздействия цитомегаловирусной инфекции на мозг плода во время внутриутробного развития.

Причины фенокопий:

1. кислородное голодание плода;

2. болезнь матери при беременности;

3. психическая травма у беременной;

4. эндокринные заболевания у беременной;

5. неполноценное питание беременной (недостатки витаминов С, В, Р, РР, микроэлементовСо, Са, Fe);

6. лекарственные препараты при беременности (антибиотики, сульфаниламиды).

Комбинативная изменчивость

Комбинативной называют особый вид генотипической  изменчивости, в основе которой лежит рекомбинация генетического материала. В результате этой изменчивости возникают новые комбинации генов.

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.

Источникикомбинативной изменчивости:

1. независимое расхождение гомологичных хромосом в первом мейотическом делении;

2. независимое расхождение дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления;

3. взаимный обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер. Он создает новые группы сцепления, т.е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей. Рекомбинантные хромосомы, оказавшись в зиготе, способствуют появлению признаков, нетипичных для каждого из родителей;

4. случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Эти источники комбинативной изменчивости действуют независимо и одновременно, обеспечивая при этом постоянную «перетасовку» генов, что приводит к появлению организмов с другими генотипом и фенотипом (сами гены при этом не изменяются).

Примером комбинативной изменчивости у человека может служить развитие групп крови системы АВО. Если мать имеет третью группу крови - I^Bi, а отец – вторую- I^Ai, то у детей возможна четвертая - 1^А1^В или первая– ii группы крови, отсутствующие у родителей.

Комбинативная изменчивость является важнейшим источником всего колоссального наследственного разнообразия, характерного для живых организмов.

Мутационная изменчивость

 

Термин “мутация” был введен голландским биологом Гуго де Фризом в 1901 году. Проводя опыты с растением ослинник (энотера), он случайно обнаружил экземпляры, отличающиеся рядом признаков от остальных растений (большой рост, гладкие, узкие длинные листья, красные жилки листьев и широкая красная полоса на чашечке цветка). При семенном размножении растения из поколения в поколение передавались эти признаки. Это явление легло в основу мутационной теории Гуго Де Фриза, которая включает следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации наследуются, то есть передаются из поколения в поколение.

3. Мутации не имеют направления: мутировать может любой ген, в любом месте ДНК (локусе), вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

4. Сходные мутации могут возникать повторно.

5. Мутации по характеру проявления могут быть доминантными (проявляютя при наличии доминантной аллели гена; либо у доминантных гомозигот – АА, либо у гетерозиготАа) и рецессивными (проявляются только у организмов - рецессивных гомозиготаа).

6. Мутации носят индивидуальный характер.

Факторы внешней среды, которые вызывают появление мутаций, получили название мутагены, процесс возникновения мутаций - мутагенез, а организм, у которого произошли мутации - мутант.

Мутации (от латинского mutatio – изменение, перемена) - устойчивые изменения генетического материала и, как следствие, наследуемого признака.

Они характеризуются как редкие, случайные, ненаправленные события. Большая часть мутаций приводит к различным нарушениям нормального развития, некоторые из них летальны, однако вместе с тем многие мутации являются исходным материалом для естественного отбора и биологической эволюции.

Генные мутации

Генные мутации представляют собой молекулярные, невидимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК (изменение последовательности нуклеотидов). Некоторые генные мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Другая (большая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, неспособного выполнять свойственную ему функцию.

Именно генные мутации обуславливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, возникшие в результате генных мутаций, называют генными, или моногенными болезнями, т.е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.

В настоящее время насчитывается более 4500 моногенных заболеваний. Наиболее частыми из них являются: муковисцидоз, фенилкетонурия, миопатияДюшенна-Беккера и ряд других заболеваний. Клинически, чаще всего, генные мутации проявляются признаками нарушения обмена веществ (метаболизма) в организме.

 

По типу молекулярных изменений выделяют следующие генные мутации:

1.делеции (от латинского deletio – уничтожение), т.е. утрата сегмента ДНК от одного нуклеотида до гена;

2.дупликации (от латинского duplicatio удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов;

3.инверсии (от латинского inversio- перевертывание), т.е. поворот на 180^о сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов;

4.инсерции (от латинского insertio – прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Геномные мутации

Геномные мутации – мутации, связанные с изменением количества хромосом.

К геномным мутациям относятся анеуплоидии и полиплоидии (изменения плоидности структурно неизмененных хромосом). Геномные мутации выявляются цитогенетическими методами.

Анеуплоидия – изменение числа хромосом в диплоидном наборе, некратное гаплоидному. Например: уменьшение - 2n-1 –моносомия; увеличение - 2n+1- трисомия и т.д.

Анеуплоидия свойственна всем животным и растениям. У человека ряд наследственных заболеваний связан именно с анеуплоидией.

Полиплоидия – увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному.

Т.е. вместо 2n хромосомного набора возникает набор 3n, 4n, 5n и т.д. Возникновение полиплоидии связанно с нарушением механизма деления клеток. В частности, нерасхождение гомологичных хромосом во время первого деления мейоза приводит к появлению гамет с 2n набором хромосом.Полиплоидия широко распространена у растений и значительно реже у животных (аскарид, шелкопряда, некоторых земноводных). Полиплоидные организмы, как правило, характеризуются более крупными размерами, усиленным синтезом органических веществ, что делает их особенно ценными для селекционных работ.

Цитоплазматические мутации

Цитоплазматические мутации у человека - это изменение структуры ДНК митохондрий.

Мутации в мДНК передаются только от матери, поскольку лишь ооцит содержит цитоплазму с митохондриями. Заболевания, вызванные делециямимДНК, обычно не передаются потомкам. Сперматозоиды не содержат митохондрий, поэтому отец с заболеванием, вызванным мутацией мДНК, не передаст заболевание своим детям.

Митохондрии есть и в сперматозоиде, но в жгутике, а он при оплодотворении отваливается, так что эти митохондрии просто не попадают в новый организм.

Каждая клетка содержит тысячи копий митохондриального генома. При заболеваниях, вызванных мДНК, мутация обычно наблюдается только в определённой части митохондрии, поэтому клетки содержат и нормальную, и патологическую мДНК. Мутации в мДНК вызывают целый ряд заболеваний, таких как:

· наследственнаянейропатия зрительного нерва Лебера,

· различные митохондриальные миопатии и энцефалопатии,

· одна из форм несращения остистых отростков позвонков,

· некоторые формы бесплодия у мужчин.

 

Мутагены и мутагенез.

Мутагены - факторы, способные изменять материал наследственности.

По происхождению мутагены можно разделить на экзогенные (многие факторы внешней среды) и эндогенные (образуются в процессе жизнедеятельности организма). Но это деление весьма условно.Так, ионизирующее излучение, помимо первичного повреждения ДНК, образует в клетке нестабильные ионы (свободные радикалы), способные вторично вызывать повреждения генетического материала.

По природе возникновения различают: физические, химические и биологические мутагены.

Многие физические и химические мутагены являются также канцерогенами, т.е. индуцируют злокачественный рост клеток.

К физическим мутагенам относятся:

· ионизирующие излучения (например, α-, β- и γ-излучения, рентгеновское излучение, нейтроны);

· радиоактивные элементы (например, радий, радон, изотопы калия, углерода и др.);

· ультрафиолетовое излучение;

· чрезмерно высокая или низкая температура.

К химическим мутагенам относятся:

· сильные окислители или восстановители (например, нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

· алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

· пестициды (например, гербициды, фунгициды);

· некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);

· продукты переработки нефти;

· органические растворители;

· лекарственные препараты (например, цитостатики, ртутьсодержащие средства, иммунодепрессанты) и другие химические соединения.

К биологическим мутагенам относятся:

· некоторые вирусы (например, кори, краснухи, гриппа);

· продукты обмена веществ (например, продукты липопероксидацин);

· антигены некоторых микробов и паразитов;

· мобильные генетические элементы;

· некоторые ферменты.

К самым широко распространенным мутагенам, с которыми человек непосредственно контактирует в своей повседневной жизни относятся пестициды, обладающие исключительно высокой стойкостью к химическому и биологическому разложению; минеральные и органические удобрения, являющиеся основными поставщиками в окружающую среду нитросоединений – мутагенных и канцерогенных окислов азота, нитратов, нитритов, нитрозаминов и др. К широко используемым веществам с выявленными мутагенными свойствами относится полихлорбифенил, применяющийся в качестве пластификатора, наполнителя, компонента смол, резин, типографских красок, текстильных красителей.

Существенным источником мутагенов в окружающей среде являются промышленные отходы и всевозможные открытые технологические процессы, подвергающие человека действию различных высокореактивных соединений, в частности алкилирующих. Этому классу соединений характерна высокая реакционная способность, а механизм действия заключается во введении в азотистые основания молекул ДНК метиловых, этиловых и др. радикалов. Именно в этом классе соединений обнаружены вещества, обладающие огромной мутагенной силой. И.А. Рапопорт назвал их супермутагенами.

Источником мутагенных соединений являются и некоторые пищевые продукты. Так, при консервировании используются такие мутагены, как формалин, гексаметилентетралин, ванилин, нитрат калия, нитрат натрия и др. И хотя сильных мутагенов в пищевых продуктах не выявлено, проблема заключается в оценке суммарного эффекта от соединений, обладающих слабой и средней мутагенной активностью. Определить малую мутагенную активность трудно, к тому же целый ряд веществ, обладающих мутагенной активностью издавна присутствует в среде (например, кофеин, танин) и запретить их использование невозможно.

Мутагенез

События, приводящие к возникновению мутаций, называют мутационным процессом или мутагенезом. Различают спонтанный и индуцированный мутагенез. Разделение мутационного процесса на спонтанный и индуцированный в определенной степени условно.

Индуцированные мутации - это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды. Индуцированный мутационный процесс может быть контролируемым (например, в эксперименте с целью изучения механизмов действия и/или их последствий) и неконтролируемым (например, в результате облучения при выбросе радиоактивных элементов в среду обитания).

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно, в ходе естественного метаболизма клеток и организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Спонтанные мутации могут возникать, например, в результате действия химических соединений, образующихся в процессе метаболизма в организме; воздействия естественного фона радиации или УФ-излучения; ошибок репликации и т.д.

Спонтанные мутации (само название говорит за себя) будут возникать даже в том случае, если удастся исключить влияние факторов внешней среды.

Существуют две основные гипотезы, объясняющие происхождение спонтанных мутаций.

Первая утверждает, что в системе генотипа, как и во всякой системе, заложена возможность ошибки.

Вторая гипотеза объясняет возникновение спонтанных мутаций как стремление популяции к высокой степени генетической изменчивости, и как следствие этого разнообразия.

Возникает вопрос:

Зачем (для чего) такое разнообразие индивидов в человеческой популяции, если наследственная патология является результатом наследственной изменчивости?

Отрицательный эффект наследственной патологии очевиден и проявляется повышенной летальностью (гибель гамет, зигот, эмбрионов и детей), снижением фертильности (уменьшенное воспроизводство потомства), уменьшением продолжительности жизни, социальной дезадаптацией и инвалидизацией, а также обуславливает повышенную необходимость в медицинской помощи.

По данным Всемирной организации здравоохранения генетические факторы обуславливают:

80% интеллектуальной недостаточности;

70% врожденной слепоты;

50% врожденной глухоты;

40–50% спонтанных абортов и выкидышей;

20–30% младенческой смертности.

Первый ответ был предложен английским генетиком Дж. Холдейном, который предположил, что высокая степень генетической изменчивости, необходима биологическому виду для того, чтобы иметь возможность приспосабливаться к меняющимся условиям среды. У человека, как и у любого другого биологического вида, нет резкой границы между наследственной изменчивостью, ведущей к нормальным вариациям признаков, и наследственной изменчивостью, обуславливающей возникновение наследственных болезней.

Таким образом, продолжая мысль Дж. Холдейна, мы можем утверждать, чем популяция разнообразней, тем она стабильнее и у нее больше шансов выжить и адаптироваться даже к экстремальным условиям среды. Следовательно, люди с особенностями психофизического развития являются необходимой постоянной составной частью разнообразной человеческой популяции, как и все остальные обеспечивающие ее стабильность.

Виды изменчивости. Мутагенез.

Изменчивость – свойство организмов приобретать новые по сравнению с родителями признаки, а в широком смысле под изменчивостью понимают различия между особями одного вида. Различают изменчивость – ненаследственную (модификационную, фенотипическую) и

наследственную (генотипическую).