Лекции

Пол, имеющий обе одинаковые хромосомы, называется гомогаметным, а пол с различными половыми хромосомами, при котором образуется два типа гамет –

гетерогаметным.

У человека, млекопитающих, дрозофилы гомогаметный – женский, гетерогаметный – мужской пол. У птиц и бабочек наоборот.

Признаки, наследуемые через половые хромосомы, называют сцепленными с полом. У человека признаки, наследуемые через Y-хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому у лиц того и другого пола.

Женщины могут быть как гомозиготными, так и гетерозиготными по генам, локализованным в Х-хромосоме, а рецессивные аллели у них проявляются только в гомозиготном состоянии. Например, ген гемофилии – рецессивный, локализованный в Х-хромосоме:

ΧΗ ΧΗ - здоровая женщина;

ΧΗ Χh- носительница гемофилии (фенотипически здорова); Χh Χh - гемофилик.

У мужчин только одна Х-хромосома, поэтому все локализованные в ней гены, даже рецессивные сразу же проявляются в фенотипе:

ΧΗY -здоровый мужчина; ΧhY - гемофилик.

У человека некоторые патологические состояния наследуются сцеплено с полом (гемофилия, дальтонизм, недостаток фосфора в крови, повреждение эмали зубов).

В Х-хромосоме локализованы гены гипертрихоза, сращение второго и третьего пальцев на ноге.

Сцепленное с полом наследование нужно отличать от наследования, зависимого от пола. Например, ген облысения доминантный мужчин и рецессивный

уженщин.

Уовец ген рогатости доминантный у самцов, рецессивный – у самок.

2. Плейотропное действие гена.

Генотип организма нельзя рассматривать как простую сумму независимых генов, каждый из которых выполняет не связанную с действием других генов функцию. Это следует уже из того, что один ген обычно влияет на многие признаки, то есть обладает плейотропным эффектом. Например, синдром Морфана – это системное поражение соединительной ткани, приводящее к подвывиху хрусталика глаза, аневризме аорты, изменению опорно-двигательного аппарата в виде паучьих пальцев, деформации грудной клетки.

Кроме того, один и тот же признак может быть разными генами – явление генокопирования.

Явление плейотропии и генокопирования является доказательством того, что генотип – система генов.

3. Взаимодействие аллельных генов. 3.1. Полное доминирование.

Полное доминирование проявляется в тех случаях, когда один аллель гена полностью скрывает присутствие другого аллеля.

3.2. Неполное доминирование.

Неполное доминирование проявляется в тех случаях, когда развитие признака зависит от дозы соответствующего аллеля, которая может изменяться в генотипе от 2 (АА), 1 (Аа) до 0 (аа).

3.3. Сверхдоминирование.

Сверхдоминирование заключается в том, что у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии иногда отмечается более сильное проявление, чем в гомозиготном состоянии.

3.4. Кодоминирование.

Кодоминированием называется такое состояние, когда оба аллеля в генотипе проявляют свое действие и вместе определяют новый вариант признака. Например, наследование 4-ой группы крови у человека по системе АВО («АБноль»).

3.5. Межаллельная комплементация.

Межаллельная комплементация – сложное взаимодействие аллельных генов, характерное для белков с четвертичной структурой.

Гомозиготы по каждому аллелю (А′А′ или А′′А′′) образуют неактивный белок, гетерозиготы (А′А′′) – активный, включающий взаимодополняющие цепи.

Аллельное исключение.

Аллельное исключение обуславливает мозаицизм клеток. Например, у гетерозиготного организма, в различных плазматических клетках, синтезирующих иммуноглобулины, проявляется действие разных аллелей, что увеличивает разнообразие синтезируемых белков.

4. Взаимодействие неаллельных генов. 4.1. Комплементарное взаимодействие.

Комплементарное взаимодействие генов, при котором совместное нахождение генов в генотипе обуславливает развитие нового признака, по сравнению с действием каждого из генов в отдельности.

4.1.1. Доминантные и рецессивные аллели генов не имеют самостоятельного фенотипического проявления, только будучи в генотипе вместе, они обуславливают новый признак.

Доминантные аллели генов имеют одинаковое фенотипическое выражение. Будучи в генотипе вместе, они определяют новый вариант признака, рецессивные гомозиготы имеют свой фенотип.

4.1.3.Взаимодействие с новообразованием.

Каждый из доминантных аллелей комплементарных генов имеет самостоятельное фенотипическое выражение. Но в случае их совместного присутствия появляется новый признак.

4.2. Эпистаз.

Эпистаз – действие одного гена подавляется действием другого неаллельного гена.

Различают эпистаз доминантный и рецессивный. В первом случае геномподавителем является доминантный ген, во втором – рецессивный.

4.2.1.В случае скрещивания дигибридов при доминантном эпистазе расщепление во втором поколении 12 : 3 : 1, то есть если ген А подавляет действие гена В тогда ген А называют эпистатическим, а ген В – гипостатическим.

4.2.2.Рецессивный эпистаз. Геном-подавителем является рецессивный аллель, действие которого проявляется только в гомозиготном состоянии.

4.3.Полимерия.

Различные доминантные неаллельные гены могут оказывать действие на один и тот же признак, усиливая его проявление. Такие гены называют полимерными. Полимерные гены обозначают одной буквой латинского алфавита с указанием

цифрового индекса (А1А1А2А2А3А3).

Различают кумулятивную полимерию, когда степень выражения признака зависит от числа доминантных генов, и некумулятивную – не зависит от числа доминантных генов.

Биологическое значение полимерии заключается в том, что определяемые этими генами признаки более стабильны, чем кодируемые одним геном. Организм без полимерных генов был бы неустойчив, каждая мутация приводила бы к резкой изменчивости. Примерами полигенных признаков у человека являются пигментация кожи, определяемая шестью полимерными генами. У представителей негроидной расы преобладают доминантные аллели, у представителей европеоидной расы - рецессивные. Мулаты имеют промежуточную пигментацию. При вступлении в брак мулатов, у них возможно рождение детей с разной пигментацией кожи. Многие морфологические, физиологические, патологические болезни человека определяются полимерными генами (рост, масса тела, величина артериального давления и т. д.).

4.4. Эффект положения.

Степень выраженности признака зависит от взаимного расположения гена в хромосоме.

4.5. Модифицирующее действие.

Модифицирующее действие гена – усиление или ослабление действия гена А под действием гена В.

Гены, которые усиливают действие других генов, называют

интенсификаторами (модификаторами). Гены, которые подавляют действие других генов, называют супрессорами (ингибиторами).

Все приведенные примеры взаимодействия неаллельных генов свидетельствуют о том, что в большинстве случаев отдельные гены самостоятельно не определяют признаки.

5. Пенетрантность и экспрессивность гена.

Показателем зависимости функционирования наследственных задатков от всего генотипа служат экспрессивность и пенетрантность генов.

Экспрессивность заключается в изменчивости качественного выражения признака у носителей соответствующего аллеля. Она определяется модифицирующим действием гена.

Пенетрантность (П) – это вероятность проявления гена. Пенетрантность определяется по проценту особей популяции из числа несущих этот ген, у которых он фенотипически проявляется.

Например, П=25%, указывает на то, что лишь у 25% генотипов, несущих данный ген проявляется его фенотипический эффект.

П=100% (полная пенетрантность) – доминантный или гомозиготный рецессивный аллель проявляется у каждой особи, в чьем генотипе он встречается.

Неполная пенетрантность характеризуется тем, что ген фенотипически не проявляется у определенной доли особей, имеющих их в генотипе. Это может быть связано с действием генов– ингибиторов, эпистатических генов или некоторых внешних воздействиях.

Биологическая изменчивость. Классификация. Характеристика комбинативной и мутационной изменчивости. Общая характеристика мутагенеза.

1.Фенотипическая изменчивость

2.Комбинативная изменчивость

3.Мутационная изменчивость

4.Классификация мутаций

5.Мутагенез, мутагены, антимутагенные механизмы.

Изменчивость

ненаследственная		наследственная
(модификационная=		(неопределенная
=фенотипическая=		по Дарвину)
=определенная по
Дарвину)	комбинативная		мутационная
		геномные	генные	хромо-
				сомные
изменение		изменение
числа отдельных		числа геномов	внутри-	меж-
хромосом			хромосомные хро-
				мосо-
				мные

Биологическая изменчивость.

Фенотип развивается на генетической основе в результате взаимодействия организма с условиями внешней среды. Поэтому организмы, имеющие одинаковый генотип, могут отличаться друг от друга в зависимости от условий развития и существования. Это и проявляется в форме модификационной изменчивости. Пределы, в которых в зависимости от условий среды изменяется фенотипическое проявление генотипа, называется нормой реакции.

1. Модификационная изменчивость.

Модификационная изменчивость (или как называл ее Дарвин – определенная) не влечет за собой изменений генотипа, но диапазон модификационной изменчивости, т. е. нормы реакции генетически обусловлена и наследуется.

Модификационной изменчивости подвержены такие признаки, как рост животных и растений, их масса, окраска и т. д. Примерами модификационной изменчивости у человека может служить усиление пигментации кожи под влиянием ультрафиолетового облучения, развития мышечной и костной систем в результате физических нагрузок и т. п. К модификационной изменчивости следует отнести фенокопии. Они могут копировать признаки, характерные для другого генотипа под влиянием факторов среды – климатических, физических, химических, биологических. Некоторые болезни (краснуха или паразитарные – токсоплизмоз),

которые пережила мать, также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития.

Основные характеристики модификационной изменчивости

1)модификации носят групповой характер, т. е. под влиянием условий среды у генетически сходных организмов возникают одинаковые изменения фенотипа.

Например, внесение минеральных удобрений на поля значительно повышает урожайность с/хозяйственных культур.

2)адекватность к факторам среды.

Например, снижение двигательной активности и повышение калорийности пищи у человека значительно повышает все тела.

3)модификации носят приспособительный характер.

Количество эритроцитов в 1мм³ крови человека изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря (чем выше над уровнем моря, тем больше количество эритроцитов).

Сповышением над уровнем моря от 0 до 6.000 м, количество эритроцитов увеличивается от 4 млн до 8,5 млн.

4)кратковременность или нестойкость модификаций, т. е. при прекращении действия определенного фактора среды может произойти изменение признака.

Т. к. человек, живущий в местности, находящейся на уровне моря имеет 4 млн эритроцитов в 1 мм³.Он переселялся в район, находящийся выше уровня моря на 6.000 м. Через некоторое время в 1 мм³его крови – 8,5 млн эритроцитов. При возвращении домой у него восстанавливается исходный уровень эритроцитов.

5)модификационная изменчивость м. б. выражена графически, т. е. модификации образуют вариационный ряд, который можно изобразить в виде вариационной кривой.

количество особей

выраженность признака среднее значение = мода = медиана

Изменения в вариационном ряду подчиняются закону Кетле, в соответствии с которым наиболее часто встречаются признаки ближайшие к медиане.

Модификации в эволюционном процессе не имеют большого значения, но т. к. они определяются условиями среды, они обеспечивают приспособленность организма к этим условиям.

Наследственную или генетическую (по Дарвину – неопределенную) изменчивость принято делить на комбинативную и мутационную.

2. Комбинативная изменчивость.

Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов

вгенотипе. Достигается это в результате трех процессов:

1)независимого расхождения хромосом в анафазе 1-го деления при мейозе;

2)случайного их сочетания при оплодотворении;

3)рекомбинации генов благодаря кроссинговеру.

Врезультате комбинативной изменчивости гены не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и фенотипом. Комбинативная изменчивость обуславливает генетическую разнородность особей вида, обеспечивает возможность для выживания в широком спектре условий.

Это ведет к изменению частот аллелей генотипов в популяции. Комбинативная изменчивость не порождает крупных изменений в фенотипе.

3. Мутационная изменчивость.

Мутационной изменчивостью (лат. mutatio – перемена) называются изменения, обусловленные реорганизацией генетического аппарата, т. е. качественного или количественного изменения генетического материала.

Мутации возникают внезапно, скачкообразно, что приводит к появлению организмов, резко отличающихся от исходной формы. В настоящее время известны мутации у всех классов животных, растений и вирусов. Существуют много мутаций и у человека.

Именно мутациями обусловлен полиморфизм человеческих популяций: различные пигментации кожи, волос, окраска глаз, форма носа, ушей, подбородка и т. п. В результате мутаций появляются и наследственные болезни человека.

С мутационной изменчивостью связан процесс образования новых видов, сортов, пород.

Понятие мутаций было введено Де Фризом.

Основные признаки мутаций:

1)мутации возникают скачкообразно, внезапно;

2)мутации нельзя выразить в виде вариационной кривой;

3)мутации возникают в отдельных клетках организма – индивидуальность мутаций;

4)стойкость мутаций в ряду поколений, т. е. мутации передаются из поколения в поколение;

5)неадекватность вызвавшему фактору;

6)разнонаправлены, т. е. носят неадекватный характер, м. б. полезными (очень редко), вредными и нейтральными;

7)мутации могут возникать повторно.

Биологическое значение мутаций

Мутации являются элементарным эволюционным фактором, который предоставляет материал для естественного отбора.

Мутации бывают:

1) Прямые, приводящие к появлению нового признака, по сравнению с имеющимся и обратные. Это связано с повторением мутаций. Например, у Drozophil у дикой

формы красные глаза и серое тело. Прямая мутация – появление мух с белыми глазами и черным телом. Но если среди белоглазых муз появятся мухи с красными глазами – это говорит об обратной мутации.

2)По характеру изменений генетического аппарата различают мутации рецессивные, которые могут накапливаться в генофонде популяции у гетерозигот, не проявляясь, и доминантные – проявляющиеся сразу.

3) По месту возникновения мутации бывают соматические и генеративные.

Если мутации возникли в соматической клетке, то они воспроизводятся при ее делении. По мере увеличения количества таких клеток будет выявляться часть органа с новыми признаками. Например, неоднородная окраска радужной оболочки глаза у некоторых людей. В основе появления пятен другого цвета на радужной оболочке глаза лежат мутации в клетках радужной оболочки.

При половом размножении потомкам не передаются соматические мутации, но в индивидуальном развитии организма они влияют на формирование признака. Соматические мутации часто являются причиной злокачественных опухолей.

Генеративные – возникают во время гаметогенеза и передаются по наследству.

Мутации бывают спонтанные, возникающие на фоне естественного уровня радиации и индуцированные, которые появляются под действием мутагенных факторов.

Мутации различают геномные, хромосомные и генные.

Генные мутации связаны с изменением молекулярной структуры ДНК. Это так называемые точковые мутации.

Различают 3 вида точковых мутаций:

1)миссенс – замена одного нуклеотида другим;

2)нонсенс – обрыв считки – когда не на своем месте встают бессмысленные кодоны (УАА, УАГ, УГАбессмысленные кодоны);

3)«сдвиг рамки» - в генетическом коде при считывании информации происходит смещение на один нуклеотид.

Примерами генных мутаций у человека являются 2 заболевания, т. н. молекулярные болезни.

1)серповидноклеточная анемия. При этом заболевании у больных людей эритроциты имеют серповидную форму и аномальный Hb S, в котором вместо глютаминовой кислоты расположен валин.

2)фенилкетонурия – заболевание, при котором у человека не усваивается фенилаланин, он превращается в пировиноградную кислоту, вместо тирозина, являющуюся ядом для нервной системы.

Хромосомные мутации.

1)делеция – потеря участка хромосомы. Если такого типа мутации происходят на гетерохроматиновом участке хромосомы, где, как правило, локализуются копии генов, то фенотипически эта мутация не проявляется.

2)дупликация – удвоение участка хромосомы, которое может произойти в результате неравного кроссинговера.

3)инверсия – разрыв хромосомы и переворот ее на 180 градусов. Делеция, дупликация и инверсия относятся к внутрихромосомным аберрациям.

4)транслокации – перемещение участка хромосомы или целой хромосомы на

другую хромосому. Это межхромосомные аберрации. Реципрокные транслокации – обмен равными участками хромосом.

Нереципрокные – обмен неравными участками хромосом.

Примерами делеции у человека являются:

1)синдром «Кошачий крик», связанный с нарушением строения гортани. Причиной заболевания является делеция короткого плеча 5-ой хромосомы.

2)Другим примером делеции у человека является формирование так называемых кольцевых хромосом, например Х– хромосомы или хромосомы 18 пары. Дистальные концы хромосомы теряются, и хромосома сворачивается в кольцо.

3)Делеция длинного плеча 21 хромосомы, приводящая к значительному увеличению печени и селезенки.

Робертсоновская транслокация характерна для акроцентрических хромосом с формированием дицентриков. При этом утрачиваются короткие плечи хромосом, и образуется одна хромосома, имеющая две центромеры.

Транслокация целой хромосомы на хромосому другой пары, например 21 – на

13, 14, 15, чаще на 15.

Фенотипически при этом человек здоров, имеет сбалансированный генотип, но при образовании половых клеток возникает геномная мутация - трисомия по 21-ой хромосоме.

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом. К ним относятся

полиплоидия и гетероплоидия (анеуплоидия).

Полиплоидия – увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза, митоза или 1-го деления зиготы. У полиплоидных форм число хромосом составляет 3n, 4n, 5n и т. д. По-видимому, эволюция цветковых растений шла путем полиплоидизации, т. к. они в большинстве своем – полиплоиды. Полиплоидные формы известны и у животных. У человека описаны полиплоиды, содержащие 3n, 4n. Они умирали, прожив от 15мин до 7 суток.

Мозаичная диплоидно-триплоидная форма обнаружена у детей, доживающих до

10лет.

Уживотных и человека в определенных органах, например, печень имеются полиплоидные клетки, число которых увеличивается с возрастом.

Такая соматическая полиплоидия способствует увеличению функциональных возможностей организма.

Редкость полиплоидии у животных и человека объясняется тем, что увеличение числа хромосом способствует возникновению ошибок при мейозе во время гаметогенеза. Т. к. растение часто размножаются вегетативно, число полиплоидов в царстве растений значительно больше.

Различают автополиплоидию и аллополиплоидию. В первом случае отмечается умножение хромосомных наборов одного биологического вида.

Во втором случае в организме объединяются геномы разных видов.

Кразвитию автополиплоидии приводит отклонения от нормального хода митоза, мейоза, первого деления зиготы.

Митотическая полиплоидия происходит вследствие не завершения деления клетки цитотомией. Все потомки клетки являются тетраплоидными. Т. к. часть клеток организма остается диплоидной, возникает мозаичная форма полиплоида.

Если увеличение числа хромосомных наборов происходит при первом делении зиготы (зиготическая полиплоидизация), то 4n оказываются все соматические клетки.

Мейотическая автополиплоидия происходит при не расхождении хромосом в первом делении мейоза с образованием гаметы с нередуцированным 2n хромосомным набором. При оплодотворении такой гаметы образуется 3n организм.

Аллополиплоидные организмы образуются путем межвидовой (отделенной) гибридизации. Типичным примером может служить гибрид редька и капуста.

Г. Д. Карпеченко. В клетках этого гибрида собраны хромосомные наборы обоих родителей.

Гетероплоидия – изменение числа хромосом не кратное гаплоидному набору. Это происходит в результате нарушения мейоза и митоза.

Явление, когда какая-либо из хромосом оказывается в тройном числе, называется трисомией. Хромосомный набор трисомика - 2n+1. Трисомия может быть по любой паре хромосом и даже по нескольким.

Явление противоположное трисомии, т. е. утрата хромосомы из пары в диплоидном наборе называется моносомией, организм же - моносомиком, его кариотип 2n-1.

Учеловека, как правило, геномные мутации не совместимы с жизнью (Синдром Эдвардса – трисомия по 18n хромосомам; синдром Патау – трисомия по 13n хромосомам). Исключением является синдром Дауна, при трисомии по 21-ой хромосоме.

Такие дети рождаются довольно часто (каждый семисотый, восьмисотый новорожденный). Заболевание системное – это люди с умственной отсталостью, поражением сердечно-сосудистой системы, живут в основном не более 30 лет.

Уматерей старше 40 лет вероятность рождения больного ребенка сильно возрастает: каждый сороковой новорожденный у старородящей матери – больной с синдромом Дауна.

Триили моносомия может наблюдаться и по половым хромосомам.

Спонтанный и индуцированный мутагенез.

Спонтанный мутагенез - это появление мутаций вне прямой связи с каким-либо физическим или химическим фактором внешней среды.

Если мутации вызываются намеренно, воздействием на организм факторами известной природы, они называются индуцированными. А факторы, индуцирующие мутации, называются мутагенами..

Природа мутагенов разнообразна – это физические факторы, химические соединения, в том числе вещества, используемые в сельском хозяйстве в качестве гербицидов и пестицидов; в медицине в качестве лекарственных препаратов; в различных производствах текстильной, химической промышленности. Установлено мутагенное действие вирусов, простейших, гельминтов при проникновении их в организм человека. Соответственно различают физические, химические, фармакологические, промышленные, биологические мутагены.

Показателем интенсивности мутационного процесса служит частота мутирования, которую рассчитывают в среднем на геном или отдельно для конкретных локусов.

Средняя частота мутирования сопоставима у всех живых организмов, независимо от уровня морфофизиологической организации.

На каждый гаплоидный набор генов за поколение (25-30 лет) возникает от одной до десяти новых мутаций.

Частота мутирования отдельных генов варьируется более широко. Определенный уровень мутагенеза обеспечивает с одной стороны стабильность наследственного