lektsia_5_Izmenchivost

План лекции
1. Фенотипическая изменчивость
2. Комбинативная изменчивость
3. Мутационная изменчивость
4. Геномная изменчивость
5. Хромосомные аберрации
6. Генные мутации
7. Мутагены
8.Закон гомологичных рядов Н.И. Вавилова

Изменчивость – это способность организма приобретать новые признаки в процессе жизни
Изменчивость
Фенотипическая Генотипическая
Модификационная Комбинативная
Случайная Мутационная

Фенотипическая, модификационная изменчивость
Модификациями называются фенотипические изменения, возникающие под влиянием условий среды.
Норма реакции представляет собой пределы модификационной изменчивости признака, допустимой при данном генотипе. Возникшее конкретное модификационное изменения признака не наследуется, но диапазон модификационной изменчивости, норма реакции, генетически обусловлен и наследуется.
Норма реакции, лежащая в основе МИ, складывалась в результате естественного отбора. В силу этого МИ, как правило, целесообразна. Она соответствует условиям обитания, является приспособительной.

Характеристики модификаций
Приспособительной характер
Массовый характер
Не затрагивают генотип
Не передаются по наследству
Адекватны вызывающему фактору
Кратковременные
МИ подвержены такие признаки, как рост животных и растений, их масса, окраска, жирность молока и др. т.е. признаки с широкой нормой реакции. Это количественные признаки. Есть признаки с узкой нормой реакции они не модифицируются в разных условиях (цвет глаз, группы крови).
Возникновение модификационных изменений связано с тем, что условия среды воздействуют на ферментативные реакции и, протекающие в развивающемся организме, и изменяют их течение. Примерами МИ у человека может служить усиление пигментации под влиянием ультрафиолетового облучения, развитие мышечной и костной систем в результате физических нагрузок, изменения количества эритроцитов в крови в зависимости от парциального давления кислорода в воздухе и т.п.

Фенотипическое проявление информации, заключенной в генотипе, характеризуется показателями пенетрантности и экспрессивности
Пенетрантность отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации. Она соответствует проценту особей, у которых доминантный аллель гена проявился в признак, по отношению ко всем носителям этого аллеля.
Экспрессивность характеризует степень выраженности признака и зависит от дозы соответствующего аллеля гена при моногенном наследовании или от суммарной дозы доминантных аллелей генов при полигенном наследовании, а также от факторов среды.

Фенокопии и Генокопии
Фенокопии – изменения, которые происходят под влиянием факторов среды, оказывающих влияние на процесс развития признаков. Они могут копировать признаки, характерные для другого генотипа, не наследуются (изменения фенотипа у плода при поражении вирусом краснухи иммитируют сходные изменения генетически обусловленных аномалий и уродств).
Генокопии – сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями разных неаллельных генов, т.е. разные заболевания проявляют себя фенотипически сходно ( различные формы гемофилий, слабоумия, трисомии Патау и Эдвардса и т.д.)

Фенокопии
В развитии фенокопий играют роль самые разные факторы среды – климатические, физические, химические, биологические.
Некоторые инфекционные болезни (краснуха, токсоплазмоз), которые перенесла мать, также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития.
Наличие фенокопий затрудняет постановку диагноза наследственных заболеваний.

Примеры фенокопий
Слепота, обусловленная помутнением хрусталика глаза, механическими повреждениями, действием ионизирующего излучения или в результате внутриутробного поражения вирусом краснухи. Но развитие катаракты может вызвать специфический ген.
Слабоумие может быть обусловлено специфическим генотипом (например, генной или геномной мутацией), но может развиться при отсутствии йода в рационе ребенка или в результате повреждающего воздействия цитомегаловирусной инфекции на мозг плода.
Микроцефалия может быть истинной или генетической, характеризующейся первичным недоразвитием головного мозга, и вторичной, или негенетической, обусловленной, например, ранним заращением черепно-мозговых швов.

Длительные модификации
Эти изменения возникают под влиянием внешних условий. Так, при воздействии высокой или низкой температуры на куколок колорадского картофельного жука окраска взрослых животных изменяется. Этот признак держится в нескольких поколениях, а затем возвращается прежняя окраска. Указанный признак передается потомкам лишь при воздействии температуры на женские особи.
Длительные модификации наследуются по типу цитоплазматической наследственности
В тех случаях, когда изменения появляются в результате действия большого количества факторов, их называют случайными (случайная фенотипическая изменчивость).

Комбинативная изменчивость
Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе. Достигается это в результате трех процессов:
1. Независимое расхождение хромосом при мейозе;
2. Случайное сочетание гамет при оплодотворении;
3. Рекомбинация генетического материала при кроссинговере.
Гены при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и фенотипом

К комбинативной изменчивости примыкает явление гетерозиса
Гетерозис – видоизменение, или «гибридная сила», может наблюдаться между представителями различных видов или сортов. Проявляется он в форме повышенной жизнеспособности, увеличения роста и других особенностей.
Существует несколько гипотез, объясняющих причины гетерозиса. Согласно одной из них, у гибридов увеличивается число доминантных генов, влияющих на развитие благоприятного признака. По другой гипотезе, в ряде аллелей гетерозиготы имеют более выраженные признаки, чем доминантные гомозиготы.

Мутационная изменчивость
Мутация – изменение, обусловленное реорганизацией, воспроизводящих структур, изменением их генетического аппарата.
Возникают внезапно, скачкообразно
Индивидуальный характер
Затрагивают генотип
Передаются по наследству
Не имеют приспособительного характера
Стойкие
Именно мутациями обусловлен полиморфизм человеческих популяций: различная пигментация кожи, волос, окраска глаз, форма носа, ушей, подбородка. В результате мутаций появляются и наследственные аномалии в строении тела, и наследственные болезни человека. С мутационной изменчивостью связана эволюция – процесс образования новых видов, сортов и пород.

Классификация мутаций
По локализации в клетках: соматические и генеративные
По влиянию на организм: летальные, полулетальные, нейтральные, полезные
По воздействующим факторам: спонтанные и индуцированные
По локализации в клетке: ядерные и цитоплазматические
По характеру изменений генетического материала: а) геномные - изменением числа хромосом; б) хромосомные - изменением структуры хромосом (хромосомные аберрации); в) генные - изменением молекулярной структуры гена (точковые мутации).

Геномная изменчивость
Геном - гаплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом.
Мутации, связанные с изменением числа хромосом, называются геномными.
К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия (анеуплоидия).

Полиплоидия
Полиплоидия – увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору: 3n – триплоид, 4n – тетраплоид, 5n – пентаплоид, 6n – гексаплоид.
Формы полиплоидии
Автоплоидия - форма полиплоидии, при которой умножается число хромосом одного генома.
Аллоплоидия - форма полиплоидия, при которой умножается число хромосом двух разных геномов.

Гетероплоидия
Гетероплоидия (анеуплоидия) - изменения количества хромосом не кратное гаплоидному набору.
Формы гетероплоидии:
Трисомия
Моносомия
Нулисомия

Трисомия
Трисомия- наличие трех гомологичных хромосом в кариотипе. Организм называется трисомиком, его генетическая формула 2n+1
Трисомии по аутосомам:
Синдром Дауна – трисомия по 21 паре хромосом (46+1)
Синдром Патау – трисомия по 13-15 паре
Синдром Эдвардса - трисомия по 16-18 паре
Трисомии по половым хромосомам
Синдром Клайнфельтера - ХХУ, ХУУ, ХХУУ
Трисомия по Х-хромосоме – ХХХ

Моносомия
Моносомия - утрата одной хромосомы из гомологичной пары в диплоидном наборе. Организм называется моносомиком, его генетическая формула 2n – 1.
Синдромом Шерешевского – Тернера – отсутствие одной Х-хромосомы у женщин (45, ХО) (46-1)

Нулисомия
Если из диплоидного набора выпадает обе гомологичные хромосомы, организм называется нулисомиком.
Изменение количества хромосом у человека приводит к наследственным заболеваниям – хромосомным болезням

Хромосомные аберрации
Хромосомные мутации (аберрации) возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают две группы хромосомных мутаций:
1. внутрихромосомные
2. межхромосомные

Внутрихромосомные мутации
Внутрихромосомные мутации – это аберрации в пределах одной хромосомы.
Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы называют делециями. Потеря концевого участка хромосомы - дефишенси.
Удвоения (дупликация) связаны с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы.
Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 1800.

Межхромосомные мутации или мутации перестройки
Транслокации возникают в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т.е. хромосоме из другой пары.
Две поврежденные негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками – реципрокная транслокация.
Присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте – транспозиция.
Две негомологичные структуры объединяются в одну – робертсоновская транслокация

Генные мутации, или трансгенации, затрагивают структуру самого гена.
Мутон - наименьший участок молекулы ДНК, изменение которого приводит к появлению мутации.
Мутация может заключаться:
1) в замене основания в кодоне - миссенс-мутация, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;
2) изменение кодонов, которое приведет к остановке считывания информации – нонсенс-мутация, приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции;
3) нарушение считывания информации, сдвиг рамки считывания – фреймшифт, когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.
Генные мутации

Делеции – происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до целых генов.
Инверсии – поворот на 1800 сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов.
Инсерции – вставка фрагмента ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.
Болезни, обусловленные генными мутациями, называют генными, или моногенными, или болезнями обмена веществ
По типу молекулярных изменений выделяют:

Факторы, способные индуцировать мутационный процесс, называются мутагенами.
Химический мутагенез. В 1943 году М.И. Лобашев отметил, что химические мутагены должны обладать тремя качествами: высокой проникающей способностью, свойством изменять коллоидное состояние хромосом, определенным действием на состояние гена или хромосомы.
В 1933 г. В.В. Сахаров получил мутации путем действия йода, в 1934 г. М.И. Лобашев – применяя аммоний, в 1946г. сов. генетик И.А. Рапопорт обнаружил сильное мутагенное действие формалина
Мутагены

Индуцированные мутации, вызванные облучением, впервые получены сов. учеными Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым, которые в 1925г. наблюдали мутационный эффект на дрожжах после воздействия на них ионизирующей радиации.
В 1927г. американский генетик Г. Миллер показал, что рентгеновы лучи могут вызвать множество мутаций у дрозофилы.
Кроме радиационных воздействий, мутации могут вызывать и другие физические факторы. Установлено мутагенное действие ультрафиолетовых лучей, фотонов света и температуры
Радиационный мутагенез

К биологическим мутагенам относятся вирусы (кори, краснухи, гриппа) и токсины ряда организмов, особенно плесневых грибов
В 1958г. советский генетик С.И. Алихонян показал, что вирусы вызывают мутации у актиномицетов
Биологический мутагенез

Известно, что мутирование происходит в различных направлениях. Однако это многообразие подчиняется определенной закономерности, обнаруженной в 1920 г. Н.И. Вавиловым. При сравнении признаков различных сортов культурных растений и близких к ним дикорастущих видов обнаружилось много общих наследственных изменений.
закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов»
Гомологические ряды в наследственной изменчивости (закон Вавилова)

Вавилов указал, что гомологические ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств
Закон гомологических рядов позволяет предвидеть возможность появления мутаций, еще не известных науке, которые могут использоваться в селекции для создания новых ценных для хозяйства форм
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека
закон Вавилова

Согласно закону Вавилова, мутации, аналогичные болезням человека, должны встречаться у животных
Кроме уже известных мутаций путем воздействия мутагенных факторов можно получить у лабораторных животных много новых аномалий, сходных с теми, которые встречаются у человека, что позволит разрабатывать методы лечения этих заболеваний
закон Вавилова

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека.
Вопросы лечения и профилактики наследственных заболеваний не могут быть решены без исследования на животных с наследственными аномалиями, подобными встречающимся у человека.
Согласно закону Вавилова, мутации, аналогичные болезням человека, должны встречаться у животных. Действительно, многие мутации, обнаруженные у животных, могут служить моделями наследственных болезней человека. Так, у собак наблюдается гемофилия, сцепленная с полом. Альбинизм встречается у грызунов, кошек, собак, у ряда птиц. Моделями для изучения мышечной дистрофии могут служить мыши, крупный рогатый скот, лошади; эпилепсии – кролики, крысы, мыши; аномалии в строении глаза – грызуны, собаки, свиньи. Наследственная глухота существует у морских свинок, мышей и собак. Пороки развития в строении лица, гомологичные «заячьей губе» и «волчьей пасти», бывают у мышей, собак и свиней
закон Вавилова

Антимутагены (протекторы) – соединения, нейтрализующие сам мутаген ли снимающие поражения с молекулы ДНК, вызванные мутагенами.
Например, после введения цистеина в организм мышей, они способны перенести смертельную дозу радиации.
Известно около 30 протекторов, которые снижают эффекты радиации, но также могут быть использованы и от химических мутагенов. Это гистамин, глутатион, серотонин, резерпин и др. Антимутагенными свойствами обладают и ряд витаминов. Предполагают, что некоторые антимутагены можно использовать в качестве пищевых добавок и антимутагенных лекарств
Антимутагены