Изменчивость – это способность организмов отклоняться от исходных форм в строении и функциях.
В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков организма. Та же наследственная информация в других условиях может проявиться иначе. Диапазон изменчивости, в пределах которого в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, получи название нормы реакции.
Если наследственность обеспечивает единообразие плана строения, механизма развития и жизнеспособности организмов одного вида, то разнообразие же деталей строения и функций каждой особи зависит от изменчивости. Изменчивость является одним из главных факторов эволюции и служит источником для искусственного и естественного отбора.
В ряде случаев у одного и того же гена в зависимости от всего генотипа и внешних условий возможна различная полнота фенотипического проявления: от почти полного отсутствия контролируемого геном признака до полной его выраженности. Степень выраженности признака при реализации генотипа в различных условиях среды получила название экспрессивности. Количественный показатель фенотипического проявления гена называется пенетрантностью. Вычисляется пенетрантность по формуле:
|
|
Е - сумма
Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины.
Это означает, что отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться. Многое зависит от тех условии, в которых находится человек. В ряде случае болезни как фенотипическое проявление наследственной информации можно предотвратить соблюдением диеты или приемом лекарственных препаратов.
Различают две формы изменчивости: ненаследственную (или фенотипическую) и наследственную, или генотипическую.
Фенотипическая изменчивость сопровождается изменением состояния признаков под влиянием факторов внешней среды, при этом генотип организма остается неизменным. В свою очередь эта форма изменчивости может проявляться как в виде модификаций, так и случайных изменении.
Модификации возникают под влиянием известного фактора внешней среды, и их размах ограничивается нормой реакции. Модификационная изменчивость соответствует условиям обитания организма, следовательно, целесообразна и носит приспособительный (адаптивный) характер. Возникновение модификаций связано с воздействием условий среды на ферментативные реакции организма. Примером может служить усиление пигментации у человека под влиянием УФ-лучей.
Модификационной изменчивостью объясняется и явление фенокопирования. Фенокопии - это формирование под влиянием внешних факторов признаков, характерных для другого генотипа. Так, у женщин, перенесших на ранних стадиях беременности краснуху, нередко рождаются дети с врожденной катарактой, неотличимой от наследственной катаракты. Наличие фенокопии нередко затрудняет постановку диагноза.
|
|
Особую группу модификационной изменчивости составляют длительные модификации. Эти изменения возникают под влиянием внешних условии, подобно обычным модификациям, но передаются ряду последующих поколений, а затем исчезают.
Случайная фенотипическая изменчивость возникает под влиянием совокупности факторов на организм. При этом интенсивность воздействия каждого отдельного фактора незначительна. В медицинской практике знание закономерностей фенотипической изменчивости помогает оценить влияние факторов среды на процессы онтогенеза и формирование фенотипа организма.
Наследственная изменчивость обязательно связана с изменением генотипа. В зависимости от механизма изменения генотипа различают три формы генотипической изменчивости: мутационную, комбинативную и трансформационную.
Мутационная изменчивость - это процесс, результатом которого являются мутации,
Мутации - это явление скачкообразного, прерывистого изменения генотипа. Возникают мутации в результате воздействия на генотип тех или иных факторов, которые называются мутагенами.
Природа мутагенов разнообразна:
1) зто физические факторы,
2) химические соединения, используемые в с/х в качестве гербицидов и пестицидов,
3) в медицине в качестве лекарственных препаратов (напр., производные тиазинового ряда, нитрафураны),
4) в различных производствах (формальдегид - производство искусственных смол, гидроксиламин - производство бумаги, афоксид - производство текстильных тканей),
- в пищевой промышленности (натрийбисульфит - консервант вин).
5) Установлено мутагенное действие некоторых биологических объектов - вирусов, простейших, гельминтов при проникновении их в организм человека.
Соответственно различают физические, химические, фармакологические, промышленные, биологические мутагены.
Возникшии мутации могут быть спонтанными и индуцированными. Спонтанные мутации возникают в процессе жизнедеятельности под влиянием обычных природных факторов и встречаются в популяциях с частотой около 5%. Индуцированные мутации - это искусственные мутации, они возникают под влиянием дозированных специальных воздействий.
По характеру локализации мутации могут быть саматическими, характерными для данной особи и не передающиеся при половом размножении, и генеративными, возникающими в генотипе половых клеток и передавшиеся от поколения к поколению.
По физическому действию мутации могут быть благоприятными или нейтральными, повышающими или хотя бы не снижающими жизнеспособности организмов. Чаще наблюдаются неблагоприятные мутации, среди которых выделяют летальные и полулетальные. Первые приводят организм к гибели на ранних этапах развития. При полулетательной мутации организм погибает до достижения половой зрелости и не участвует в репродуктивном процессе.
По уровню изменения генотипа различают генные, хромосомные и геномные мутации.
Генные мутации - это изменения внутренней организации хромосом на уровне гена. Обнаруживаются они по проявлению признаков в потомстве. С точки зрения молекулярной генетики - зто изменение химической структуры гена. Наименьший участок ДНК, в котором происходит изменение, приводящее к мутации, называется мутоном и может быть представлен одной или несколькими нуклеотидными парами. Изменение одной нуклеотидной пары может быть транзицией (если происходит замена пуринового азотистого основания на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое: А на Г или Ц на Т) или может быть трансверсией (если происходит замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот, т.е. А на Т или Г на Ц).
|
|
Результат транзиции или трансверсии может проявиться в виде миссенс-, самиссенс- или нонсенс-эффекта. Миссенс характеризуется заменой одного смыслового кодона на другой, в результате происходит изменение белковой молекулы. Самиссенс не сопровождается изменением белка, т.к. в этом случае происходит замена одного кодона другим, но отвечающим за ту же аминокислоту. В основе самиссенса лежит вырожденность генетического кода. Нонсенс характеризуется тем, что изменения в смысловом кодоне сопровождается образованием нонсенс-кодона, не отвечающего за какую-либо аминокислоту, и, как следствие этого формируется неполноценный осколочный белок.
Генные мутации могут возникать в результате делециии (выпадения), вставки, дупликации (удвоения), инверсии (переворота) одной или нескольких нуклеотидных пар, что приводит к изменению порядка считывания информации и следствием этого является изменение белка, а также укорочение или удвоение его.
Хромосомные мутации или аберрации возникают в результате перестройки хромосом. Некоторые виды таких мутации диагностируются по изменению морфологии метафазных хромосом с помощью микроскопа. Аберрации могут происходить как внутри хромосом, так и между хромосомами.
Внутрихромосомные мутации могут происходить в виде:
· нехватки (делении), при этом делеции в средней части хромосомы приводят к гибели организма, о то время как незначительные концевые делеции могут вызвать изменение наследственных признаков без летального исхода (например, синдром кошачьего крика - 46,ХХ,5р-).
· Удвоение (дупликации) связаны с включением дополнительного дублирующего участка хромосомы, что также приводит к фенотипическому выражению новых качеств признаков.
|
|
· Инверсии возникают при разрыве хромосом. Происходит разворот оторвавшегося участка на 180 и прикрепление его противоположным концом, что приводит к нарушению порядка считывания информации.
При межхромосомных перестройках негомологичные хромосомы обмениваются участками, т.е. происходит транслокация наследственного материала. Различают реципрокные, нереципрокные и робертсоновские транслокации.
- Реципрокная транслокация связана с взаимным обменом участками между негомологичными хромосомами.
- Нереципрокная транслокация - это перенос оторвавшегося участка от одной хромосомы на негомологичную.
- Робертсоновская транслокация происходит между акроцентрическими хромосомами. При этом происходит сначала делеция коротких плеч хромосом, а затем длинные плечи транслоцируются друг на друга.
Хромосомные мутации изменяют дозу некоторых генов, меняют локализацию их в группе сцепления. Этим они нарушают генный баланс клеток организма, врезультате чего происходят отклонения в физическом и психическом развитии особи. Мутации по аутосомам, как правило, приводят в более неблагоприятным последствиям, чем по половым хромосомам. Общее число описанных хромосомных мутации у человека превышает 700.
Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом. Различают полиплоидию и анеуплоидию.
Полиплоидия - увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза.
- Если дочерний организм развивается из зиготы, в образовании которой участвовала половая клетка с измененным числом хромосом, то мутация распространяется на все клетки организма.
- Если же мутация возникла вследствие нарушения развития бластомеров, то она имеет место только в части клеток организма, и это проявляется в виде мозайцизма, при котором часть клеток имеет диплоидный набор хромосом, а часть - измененный.
Полиплоидия встречается как у растений так и у животных. Полиплоидные зародыши человека обнаружены при изучении материала, полученного при выкидышах. Описаны единичные случаи рождения полиплоидного ребенка, при этом продолжительность его жизни варьирует от 15 до 7 суток.
Анеуплоиды можно представить в виде формулы кариотипа: 2n + 1,2... хромосом, т.е. это некратное изменение числа хромосом. Различают несколько видов анеуплоидии:
- Моносомия - нехватка одной хромосомы. У человека только моносомия по Х-хромосоме совместима с жизнью.
- Трисомия - избыток одной какой-либо хромосомы в кариотипе. У человека известны трисомии, совместимые с жизнью как по аутосомам (21), так и по половым хромосомам.
- Полисомия - это избыток двух или более хромосом.
- Нулесомия - отсутствие пары гомологичных хромосом. Организм с таким хромосомным аппаратом нежизнеспособен.
Изменение числа хромосом и их морфологии типично и для клеток злокачественных новообразовании.
Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе. Достигается это в результате трех процессов:
1) независимого расхождения хромосом при мейозе,
2) случайного их сочетания при оплодотворении,
3) рекомбинации гонов благодаря кроссинговеру.
Новые сочетания генов приводят к появлению организмов с новым фенотипом. Явление комбинативной изменчивости объясняет, почему в детях и внуках сочетаются признаки родственников по отцовской или материнской линии.
Трансформационная изменчивость была обнаружена у бактерий. Одним из механизмов этой формы изменчивости является трансдукция - это перенос и рекомбинация генов у бактерий с помощью бактериофагов. В настоящее время этот вид изменчивости широко используется в генетической инженерии как способ построения рекомбинантных молекул.