Генотип не является механической суммой генов, поскольку возможность проявления гена и форма его проявления зависят от условий среды. В данном случае под средой понимается не только окружающая среда, но и генотипическая среда - другие гены.
Проявление качественных признаков редко зависит от условий окружающей среды, хотя, если у горностаевого кролика выбрить участок тела с белой шерстью и прикладывать к нему пузырь со льдом, то со временем на этом месте вырастет черная шерсть.
Развитие количественных признаков намного сильнее зависит от условий окружающей среды. Например, если современные сорта пшеницы возделывать без применения минеральных удобрений, то ее урожайность будет существенно отличаться от генетически запрограммированных 100 и более центнеров с гектара.
Таким образом, в генотипе записаны лишь «способности» организма, однако проявляются они только во взаимодействии с условиями окружающей среды.
Кроме того, гены взаимодействуют друг с другом и, оказавшись в одном генотипе, могут сильно влиять на проявление действия соседних генов. Таким образом, для каждого отдельно взятого гена существует генотипическая среда. Возможно, что развитие любого признака связано с действием многих генов. Кроме того, выявлена зависимость нескольких признаков от одного гена. Например, у овса окраска цветочных чешуй и длина их ости определяются одним геном. У дрозофилы ген белой окраски глаза одновременно влияет на цвет тела и внутренних органов, длину крыльев, снижение плодовитости и уменьшение продолжительности жизни. Не исключено, что каждый ген одновременно является геном основного действия для «своего» признака и модификатором для других признаков. Таким образом, фенотип - это результат взаимодействия генов всего генотипа с окружающей средой в онтогенезе особи.
В связи с этим известный российский генетик М. Е. Лобашев определил генотип как систему взаимодействующих генов . Сложилась эта целостная система в процессе эволюции органического мира, при этом выживали лишь те организмы, у которых взаимодействие генов давало наиболее благоприятную реакцию в онтогенезе.
Генетика человека
Для человека как биологического вида в полной мере справедливы генетические закономерности наследственности и изменчивости, установленные для растений и животных. Вместе с тем генетика человека, изучающая закономерности наследственности и изменчивости у человека на всех уровнях его организации и существования, занимает особое место среди других разделов генетики.
Генетика человека одновременно является фундаментальной и прикладной наукой, поскольку занимается исследованием наследственных болезней человека, которых в настоящее время описано уже более 4 тыс. Она стимулирует развитие современных направлений общей и молекулярной генетики, молекулярной биологии и клинической медицины. В зависимости от проблематики генетика человека делится на несколько направлений, развившихся в самостоятельные науки: генетика нормальных признаков человека, медицинская генетика, генетика поведения и интеллекта, популяционная генетика человека. В связи с этим в наше время человек как генетический объект исследован едва ли не лучше, чем основные модельные объекты генетики: дрозофила, арабидопсис и др.
Биосоциальная природа человека накладывает значительный отпечаток на исследования в области его генетики вследствие позднего полового созревания и больших временных разрывов между поколениями, малочисленности потомства, невозможности направленных скрещиваний для генетического анализа, отсутствия чистых линий, недостаточной точности регистрации наследственных признаков и небольших родословных, невозможности создания одинаковых и строго контролируемых условий для развития потомков от разных браков, сравнительно большого числа плохо различающихся хромосом и невозможности экспериментального получения мутаций.
Конспект урока по теме: Генотип как целостная система.
Взаимодействие генов.
Цель урока: формирование знаний о влиянии генов на фенотип организма; развитие навыков работы с генетической символикой.
Задачи:
обобщить и углубить знания о генотипе как целостной, исторически сложившейся системе;
Раскрыть проявление взаимосвязи и взаимодействия генов друг с другом, влияющих на проявление различных признаков;
Продолжить формирование умений работать с генетической символикой
Структура и основное содержание урока. Методы и методические приемы.
1. Организационный момент.
2. Изложение нового материала.
Вопрос: Что такое генотип? (Слайд 3)
Генотип – это совокупность генов и цитоплазматических их носителей, которые определяют развитие наследственных признаков и свойств организма.
Реальное существование гена доказывается двумя группами фактов: относительно независимым комбинированием при расщеплении и способностью изменяться – мутировать. К числу основных свойств гена относится его способность к удвоению при удвоении хромосом. Гены обладают значительной устойчивостью, что и определяет относительное постоянство генотипа. Между генами осуществляется тесное взаимодействие, в результате которого генотип не может рассматриваться как простая механическая сумма генов, а представляет собой сложную, сложившуюся в эволюции организмов систему.
Вопрос: Что является носителем генов? (Слайд 4)
Цитоплазматическими носителями генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Основой перечисленных выше свойств гена является способность ДНК к самоудвоению. В основе действия генов лежит его способность через посредство РНК определять синтез белка. Этот механизм является общим на всех ступенях эволюции.
При формировании генетических представлений о связи между генами и признаком, предполагалось, что каждому признаку соответствует особый наследственный фактор, обуславливающий развитие своего признака. Однако прямые и однозначные связи гена с признаком на самом деле скорее исключение, чем правило. Было установлено, что существует огромное количество свойств и признаков организмов, которые определяются двумя, тремя и даже многими парами генов, и, наоборот, один ген часто влияет на многие признаки. Кроме того, действие гена может быть изменено соседством других генов или условиями внешней среды. Таким образом, в онтогенезе действуют не отдельные гены, а весь генотип как целостная система со сложными связями и взаимодействиями между генами.
Что же такое Взаимодействие генов?
Взаимодействие генов – это совместное действие нескольких генов, приводящее к появлению признака, отсутствующего у родителей, или усиливающее проявление уже имеющихся признаков.
Схема: Взаимодействие генов. (Слайд 5)
Взаимодействие генов
Аллельных Неаллельных
1. Полное доминирование 1. Комлементарность
2. Неполное доминирование 2. Эпистаз
3. Множественный аллелизм 3. Полимерия
4. Кодоминоирование
5. Сверхдоминирование.
Вопрос: Что такое полное доминирование? (Слайд 6, 7)
Неполное доминирование? (Слайд 8, 9)
Множественный аллелизм (Слайд 10) - это явление существования более двух альтернативных аллельных генов, имеющих различные проявления в фенотипе.
(Слайд 11)
стр. 7, Анимированная таблица «Проявление множественного аллелизма»
Пример 1. Группы крови у человека определяются сочетанием в генотипе аллелей А, В и 0 одного и того же гена I.
Пример 2 . Окраска шерсти у кроликов: темная, белая (альбинизм), горностаевая (аллели А (темная), А 1 (горностаевая) , а (белая)).
Пример 3. У мухи дрозофилы имеется серия аллелей гена окраски глаз, состоящая из 12 членов: вишневая, красная, коралловая, и т.д. до белой, определяемой рецессивным геном.
Пример 4. Окраска шерсти у домовой мыши: A Y - желтая, A - серая, a t – темная спинка, бежевое брюшко, a - черная. Аллель A Y оказывает влияние на жизнеспособность гомозигот A Y A Y .
Таким образом, множественный аллелизм характеризует разнообразие генофонда целого вида, т.е. является видовым, а не индивидуальным признаком.
Кодоминоирование (Слайд 12) - явление независимого друг от друга проявления обоих аллелей в фенотипе гетерозиготы.
Пример. (Слайд 13) Взаимодействие аллелей, определяющих четвертую группу крови у человека.
Известна множественная серия аллелей гена I, определяющая признак группы крови у человека. Ген I отвечает за синтез ферментов, присоединяющих к белкам, находящимся на поверхности эритроцитов, определенные полисахариды. Эти полисахариды определяют специфичность групп крови.
Аллели I A и I B кодируют разные ферменты, аллель I 0 – не кодирует никакого, рецессивна по отношению к I A и I B . а между I A и I B нет доминантно – рецессивных отношений.
Люди, имеющие IV группу крови, несут в своем генотипе аллели I A и I B , у них синтезируется два фермента и формируется соответствующий фенотип.
Сверхдоминирование (Слайд 14) – более сильное проявление признака в гетерозиготе, а не в гомозиготе.
Пример . У дрозофилы имеется рецессивный летальный ген, гетерозиготы по которому обладают большей жизнеспособностью, чем доминантные гомозиготы.
Комлементарность (дополнительное действие генов) (Слайд 15) – это явление, при котором неаллельные гены дополняют действие друг друга, а признак формируется лишь при одновременном действии обоих генов.
Пример. Форма гребня у кур (задача 1).
Эпистаз (Слайд 16) – вид взаимодействия неаллельных генов, при котором один из генов полностью подавляет действие другого гена.
Ген, подавляющий действие другого гена, называется ген – супрессор, ингибитор, эпистатичный ген. Подавляемый ген называется гипостатичным.
Эпистаз может быть доминантным (ген – супрессор доминантный) и рецессивный (ген – супрессор рецессивный). (Слайд 17)
Пример 1. Доминантный эпистаз (задача 2). Пигментация оперения у кур.
Пример 1 . Рецессивный эпистаз (задача 3). Окраска шерсти у домовой мыши.
Групповая работа учащихся с примерами взаимодействия генов с последующим обсуждением полученных результатов.
Полимерия (Слайд 18) – один из видов взаимодействия неаалельных генов, при котором на проявление количественного признака оказывает влияние одновременно несколько генов. При этом, чем больше в генотипе оказывается доминантных генов, обуславливающих этот признак, тем ярче этот признак выражается – кумулятивная полимерия (накапливающаяся). Некумулятивная полимерия (ненакапливающаяся) - наличие хотя бы одного доминантного гена в генотипе определяет развитие признака.
Полимерные гены обозначаются одной и той же буквой латинского алфавита с числовым индексом, указывающим на число аллельных пар, например А 1 а 1 ; А 2 а 2 и т.д.
Электронное приложение к учебнику «Биология. Живые системы и экосистемы», стр. 7, Словарь
(Слайд 19)
Пример 1 . Кумулятивная полимерия. (задача 4). Цвет кожи у человека
Пример 1 . Некумулятивная полимерия. (задача 5). Оперённость ног у кур.
3. Закрепление и выводы.
Таким образом, мы с вами видим, что в результате взаимодействия неаллельных генов набдюдается отклонение от менделеевских расщеплений и вместо классического расщепления классов фенотипов 9:3:3:1 могут наблюдаться 13:3, 9:3:4, 15:1.
Давайте посмотрим, действительно ли рассмотренные нами примеры противоречат менделеевским законам. Заполним таблицу.
Таблица. Влияние взаимодействия неаллельных генов на соотношение фенотипических классов в F2 при дигибридном скрещивании. (Слайд 20)
(Самостоятельная работа учащихся)
Тип взаимодействия генов
Расщепление по фенотипу
Генотипический состав фенотипических классов
Комплементарность
Наследование формы гребня у кур
Доминантный эпистаз
Наследование пигментации оперения у кур.
3 I-cc белая
1 iicc окрашенная
Рецессивный эпистаз
Наследование окраски шерсти у домовой мыши
9 A -C - агути a 2 a 2 неопернные
Вывод: как вино из таблицы, расщепление в некоторых случаях притекает нетипично. Однако эти отклонения касаются только фенотипических классов. Расщепление же по генотипам во всех случаях происходит в полном соответствии с законами, установленными Менделем. Таким образом, рассмотрев различные виды взаимодействия генов, можно считать, что генотип является сбалансированной системой взаимодействующих генов; развитие признака есть результат проявления нескольких генов.
Примером влияния одного гена на несколько признаков является:
Плейотропия, или множественное действие генов – это явление одновременного влияния одного гена на несколько признаков. Электронное приложение к учебнику «Биология. Живые системы и экосистемы», стр. 7, Анимированная таблица «Множественное действие генов»
.
4. Домашнее задание : $ 43
В генетике ген – это участок хромосомы, определяющий развитие одного или нескольких признаков. Совокупность всех признаков организма называется фенотипом , а совокупность всех генов – генотипом . Ген может находиться в доминантном, то есть сильном состоянии (А), всегда проявляющемся в фенотипе, или рецессивном , слабом состоянии (а). Рецессивный признак проявляется в фенотипе только у рецессивных гомозигот: аа. Доминантный признак проявляется в фенотипе как у доминантных гомозигот (АА), так и у гетерозигот (Аа).
Фенотипический признак (фен) – любое отдельное качество или свойство, по которому один индивид отличается от другого:
1. морфологические (цвет глаз и др.).
2. биохимические (уровень активности какого-либо фермента).
3. физиологические (глухота, слепота и др.).
4. биофизические (антиоксидантная система).
5. иммунологические (состояние иммунной системы).
Ген в отношении фена имеет следующие свойства:
1. дискретность – в своей активности ген обособлен относительно других генов. Разные признаки характеризуются разными генами.
2. специфичность – ген отвечает за формирование определенного признака или группы определенных признаков. Множественное действие генов называют плейотропным действием.
3. градуальность (дозированность) действия гена, т.е. степень проявления признака зависит от дозы аллеля.
4. разные гены могут влиять на формирование одного признака – это полигенное наследование. Чем больше этих генов, тем выраженнее признак, например у человека, пигментация кожи.
5. стабильность действия генов, которая обеспечивает видовое постоянство
признаков в ряду поколений. Стабильность относительна.
мутабельность – способность генов к мутациям, которая проявляется в наличии у генов двух или более аллельных состояний. Множественный аллелизм – это состояние, когда ген представлен двумя и более аллелями. Например, у человека - это наследование групп крови системы АВО (Н). Группы крови отличаются наличием антигенов на поверхности эритроцитов и антител в сыворотке.
НАСЛЕДОВАНИЕ ГРУПП КРОВИ У ЧЕЛОВЕКА
7. гены могут обладать разной пенетрантностью – степенью фенотипического проявления гена. Пенетрантность может зависеть от пола, зиготности.
8. способность генов взаимодействовать в системе генотипа:
а) межаллельные (между аллельными генами): полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование.
б) межгенные (между неаллельными генами): комплементарность, эпистаз, полимерия, эффект положения гена.
Аллельные гены – это гены, расположенные в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом и отвечающие за развитие одного и того же признака. Формы взаимодействия аллельных генов:
1. Полное доминирование: доминантный аллель полностью подавляет проявление рецессивного и по фенотипу доминантная гомозигота не отличается от гетерозиготы (например, у человека – цвет глаз, карие доминируют над голубыми: АА и Аа – карие глаза, аа – голубые).
2. Неполное доминирование (промежуточное наследование). Доминантный аллель не полностью подавляет проявление рецессивного аллеля и у гетерозигот признак занимает промежуточной положение (например, курчавые волосы – АА, гладкие волосы – аа, волнистые волосы – Аа).
3. Кодоминирование.Оба аллеля проявляют одинаковую функциональную активность в их сочетании появляется новый фенотипический признак (например, наследование 4 группа крови у человека).
Неаллельные гены – гены, которые расположены в разных локусах гомологичных хромосом (сцепленные гены) или в негомологичных хромосомах (свободнокомбинирующиеся гены) и, как правило, отвечающие за развитие разных признаков. Формы взаимодействия неаллельных, свободно-комбинирующихся генов:
1.Комплементарность (взаимодополнение). Это такая форма взаимодействия неаллельных свободнокомбинирующихся генов, при котором совместное присутствие в генотипе двух доминантных неаллельных генов обуславливает формирование нового варианта признака. При отсутствии одного из них или обоих, признак не воспроизводится. Например у человека нормальная речь и слух формируется только при наличии в генотипе генов А и В.
2. Эпистаз.Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой один ген (эпистатический, супрессор, ингибитор, подавитель) подавляет функциональную активность другого (гипостатического) гена. Супрессором может быть и доминантный, и рецессивный ген. Этот тип взаимодействия наиболее характерен для генов, регулирующих работу генов в ходе онтогенеза и для генов иммунной системы человека.
3. Полимерия. Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой за формирование одного признака отвечает несколько неаллельных генов. Пример, пигментация кожи у человека: негр – А1А1А2А2 (то есть все доминантные аллели), белый – а1а1а2а2 (то есть все рецессивные аллели). При всех остальных вариантах генотипа – мулаты.
Основные закономерности наследования были открыты Г. Менделем и сформулированы им в 1865 году в работе «Опыты над растительными гибридами». Признаки, которые наследуются в соответствии с законами Менделя – менделирующие.
Скрещивание по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков – моногибридное. Законы Менделя:
1. Правило единообразия гибридов первого поколения (правило доминирования): При скрещивании гомозиготных организмов, различающихся по одной паре альтернативных признаков, все потомство будет единообразным как по фенотипу, так и по генотипу.
2 правило расщепления признаков во втором гибридном поколении: При скрещивании двух гетерозиготных организмов в потомстве наблюдается расщепление в соответствии 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.
3. Дигибридное скрещивание. Правило независимого комбинирования признаков: При скрещивании гомозиготных организмов, анализируемым по двум или более парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое комбинирование признаков и соответствующих им генов разных аллельных пар при условии, что гены, контролирующие эти признаки, локализованы в разных парах гомологичных хромосом.
Вопросы для самоконтроля :1. Дайте определения гено и фенотипа.
2. Напишите генотипы доминантной и рецессивной гомозигот, гетерозиготы.
3. Сформулируйте все 3 закона Менделя.
4. Дайте определение аллельных и неаалельных генов, перечислите формы их взаимодейтсвия
5. Напишите генотипы всех групп крови человека по системе АВО(Н).
Тема № 11: Изменчивость.
Изменчивость – это способность организмов приобретать новые или утрачивать прежние признаки или свойства. В зависимости от реакции генотипа изменчивость подразделяется на ненаследственную, без изменения структуры генотипа (модификации и морфозы) и наследственную, с изменением структуры генотипа (комбинативная и мутационная).
1. Ненаследственная изменчивость
Модификация – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, в пределах нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды или в зависимости от этапов онтогенеза. Модификационная изменчивость позволяет организму приспособится к конкретным условиям окружающей среды. Норма реакции – это пределы, в котором возможны варьирование (изменение) проявления признака данного генотипа. Норма реакции может быть однозначной, то есть признак не зависит от действия факторов окружающей среды (например, группы крови), узкой (например, пигментация кожи) или широкой (уровень артериального давления, масса тела и др.). Свойства модификаций:
3) не наследуется.
4) носят предсказуемый характер.
5) имеют адаптивное значение.
4) носят массовый характер.
Генетическая основа модификаций - изменение степени функциональной активности генов или типа их взаимодействия, но механизмы этого вида изменчивости изучены не достаточно.
Виды модификаций:
1. Сезонные – изменение степени выраженности признаков в зависимости от времени года. Примеры: изменение пигментации кожи человека (появление загара летом), окраски шерсти у зайца и др.
2. Экологические - формирование фенотипов в конкретных климатических условиях. У людей различают 9 экологических адаптивных типов. На севере формируется арктический адаптивный тип, для которого характерны относительно низкий рост, мощное развитие жировой ткани, повышенный уровень гемоглобина и эритроцитов и др.
3. Онтогенетический – изменение признаков в зависимости от этапов онтогенеза (смена зубов, изменение пигментации волос и др.).
Интенсивность модификационных изменений пропорциональна степени силы действия фактора, её вызывающего. Отрезок времени, в течение которого можно вызвать модификацию определённого признака, называют модификационным периодом. Ряд признаков обладает большим модификационным периодом, у других он более короткий.
Морфозы – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, выходящее за пределы нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды. Морфозы могут возникнуть только в эмбриональный период развития и фенотипически проявляются врождёнными пороками развития (ВПР). Факторы окружающей среды, приводящие к возникновению ВПР, называют тератогенами. Тератогены подразделяют на физические (все виды ионизирующей радиации, гипертермия и др.), химические (пестициды, лекарственные препараты, никотин, консерванты и др.) и биологические (вирусы герпеса, краснухи, гриппа, эпидемического паротита, ветряной оспы, полиомиелита, гепатита, цитомегаловирусы, протозойная инвазия (токсоплазма)). Примером тератогенного воздействия на плод является синдром краснушного поражения плода: поражение глаз (катаракта, ретинопатия и др.), глухота, микроцефалия, задержка психомоторного развития различной степени выраженности вплоть до формирования умственной отсталости, врождённые пороки сердца.
2. Наследственная изменчивость.
Комбинативная изменчивость – это перекомбинация генов у потомков по сравнению с родителями без изменения структуры генетического материала. Механизмы:
1. Кроссинговер
2. Независимое расхождение гомологичных хромосом и хроматид к полюсам деления в ходе мейоза
3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении.
В результате данной изменчивости каждый человека, за исключением монозиготных близнецов, является генетической и, соответственно, фенотипической индивидуальностью.
Механизмы комбинативной изменчивости человека имеют важное эволюционное значение, создавая генетическое многообразие популяций человека за счёт новых комбинаций генов, которые могут закрепляться в ходе естественного отбора. Вместе с тем комбинативная изменчивость может обусловить наследственную патологию, в основе которой заложена различная комбинация мутантных генов или нарушение регуляторных связей между генами.
Мутационная изменчивость. Мутация – это внезапное, стойкое, скачкообразное изменение в структуре генотипа, сопровождающееся изменением фенотипического признака, и передающееся по наследству. Эволюционное значение мутаций – это единственный фактор, поставляющий новые аллельные состояния генов и новые гены в популяции и приводящий к их первичному генетическому разнообразию, что делает возможным естественный отбор и эволюцию. С другой стороны мутации – это основа наследственной патологии, в том числе и человека. Мутагенез – это процесс формирования мутаций под действием факторов окружающей среды - мутагенов. Мутации могут возникать спонтанно, без видимых на то причин, но под влиянием внутренней условий в клетке, и в организме в целом. Это спонтанный мутагенез. Общее число мутантных гамет у человека: 10 - 20%.
Факторы, предрасполагающие к спонтанному мутагенезу:
1) возраст: у женщины старше 35 лет, у мужчин старше 45 лет. С возрастом у мужчин повышается вероятность генных мутаций (изменение структуры ДНК), а у женщин – геномных (изменение количества хромосом)
2) эмоционально-стрессовое воздействие. При стрессе ускоряется метаболизм и увеличивается образование свободных радикалов, обладающих мутагенным действием
3) особенности структуры гена. Чем больше ген, чем меньше в нём интронов, тем больше скорость его мутирования.
Мутации, возникшие под влиянием факторов химической или иной природы, сила воздействия которых, заведомо превышает допустимые пределы – это индуцированный мутагенез.
Классификация мутагенов:
1) физические мутагены – все виды ионизирующих излучений, ультрафиолет, гипертермия (свыше 38 градусов), электромагнитные излучения.
2) химические мутагены. Всего зарегистрировано 50-60 тыс. химических соединений и 5-10% от этого количества обладают мутагенной активностью. Это и вещества применяемые в промышленности (фенол, формальдегид и др.), консерванты, красители, подсластители, большинство лекарственных препаратов и т.д.
3) биологические мутагены – вирусы (герпеса, цитомегаловирусы и др.).
Уровни мутационного процесса:
1. Молекулярный:
А) генные мутации – это любое изменение в нуклеотидной последовательности ДНК ядра, вне зависимости от локализации и влияния на жизнеспособность организма. Виды генных мутаций:
1) мутации замены: миссенс-мутация – замена одного смыслового кодона на другой, в результате в белке меняется только одна аминокислота, и нонсенс-мутация – замена смыслового кодона на один из 3 нонсенс-кодонов, в результате чего белок или не синтезируется или синтезируется аномально коротким.
2) мутации типа сдвига рамки считывания, обусловленные выпадением, дупликацией или вставкой (инсерция) нуклеотидов. В результате в белке меняется вся аминокислотная последовательность с места мутации и образуются белки с новыми свойствами.
Применительно к генам все аллели делятся на 2 группы: нормальные аллели или аллели дикого типа – те варианты, которые не нарушают работу генов; и мутантные аллели – те варианты, которые нарушают работу генов. Для любых генов, аллели дикого тип являются преобладающими. Генные мутации лежат в основе моногенных заболеваний человека.
Б) цитоплазматические мутации – это изменение структуры ДНК митохондрий. Это основа митохондриальных болезней.
В) динамические мутации или мутации экспансии. Эти мутации открыты только у человека и были обнаружены в 1991 году. Данные мутации связаны с увеличением числа тринуклеотидных повторов в определённых участках генов. Число этих повторов отличается нестабильностью и колеблется в довольно больших пределах, не вызывая фенотипических изменений. Болезнь возникает, когда число повторов превышает определённый, критический уровень. Наследование этих мутаций отличается от классического менделевского наследования.
2) Клеточный уровень. На этом уровне различают геномные, связанные с изменением числа хромосом, и структурные (аберрации), связанные с нарушением в строении хромосом, мутации.
А) геномные мутации подразделяются на полиплоидию – изменение числа хромосом кратное гаплоидному, и анеуплоидию – изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору хромосом. Среди животных полиплоидия встречается крайне редко – некоторые насекомые и ракообразные. У млекопитающих и человека полиплоидия с жизнью несовместима, она является причиной спонтанного прерывания беременности и мёртворождений. Механизм возникновения полиплоидии – нарушения процессов оплодотворения (полиспермия).
Полиплоидия широко распространена в мире растений (такие растения более крупные, имеют большую плодовитость, но размножаются только вегетативном способом), большая часть культурных растений – полиплоиды.
Анеуплоидия возникает в результате нарушения процессов расхождения хромосом в мейозе, преимущественно у женщин. Самые частые варианты анеуплоидии – это трисомии (в паре хромосом их не 2, а 3) и моносомии (от пары хромосом остаётся только одна хромосома). Анеуплоидия лежит в основе хромосомных синдромов, например синдром Дауна - это трисомия по 21 паре хромосом, а синдром Шерешевского-Тёрнера – это моносомия по половым хромосомам.
Б) Аберрации делятся на внутрихромосомные (нарушено строение только одной хромосомы) и межхромосомные (транслокации)– взаимный обмен, участками хромосом с потерей или без генетического материала (несбалансированные и сбалансированные транслокации). Хромосомные аберрация вероятно явились существенным моментом эволюции человека. Так хромосома № 2 у человека – это результат транслокации двух обезьяньих (шимпанзе) хромосом. Основная причина возникновения аберраций – это нарушение кроссинговера. Аберрации могут лежать в основе хромосомных синдромов и онкологических заболеваний.
3) Тканевой уровень: соматические и генеративные мутации (мутации в половых клетках).
4) Организменный уровень. На данном уровне мутации подразделяются по признаку на морфологические, физиологические и т.д.; по состоянию гена на доминантные и рецессивные мутации; а также на прямые (от дикого типа к новому мутантному типу) и обратные (мутации возвращающие мутантные аллели в обратное дикое, то есть нормальное состояние).
5) Популяционный уровень. Основная масса мутаций на этом уровне - это нейтральные мутации, которые увеличивают генетическое разнообразие популяций и не влияют на жизнеспособность и плодовитость организма. Наиболее редко возникают полезные мутации, повышающие жизнеспособность организма, как правило, в разряд полезных переходят нейтральные мутации при изменении условий среды обитания (например, устойчивость к ВИЧ-инфекции, туберкулёзу и т.д.). Вредные мутации (летальные и полулетальные) – снижающие жизнеспособность и плодовитость организма. Это основа наследственных заболеваний. Как правило, вредные мутации удаляются из генофонда популяций под действием естественного отбора, но если эти мутации в гетерозиготном состоянии дают определённые преимущества, то они сохраняются и передаются из поколения в поколение. Так гетерозиготы по гену серповидноклеточной анемии (в гомозиготном состоянии смертельное заболевание) заболевают малярией в 15 раз реже, чем гомозиготы по нормальному гену. В связи с этим ген данного заболевания широко распространён в странах с тропическим и субтропическим климатом, то есть в тех странах, где встречается малярия.
Антимутагенез – это общебиологический процесс подавления мутационного процесса под действием ряда веществ – антимутагенов. Антимутагены не обладают универсальностью действия, то есть способны подавлять действие одних мутагенов, а в отношении других не активны или даже обладают комутагенной активностью (способностью усиливать мутагенное действие). В настоящее время выделено около 200 органических и неорганических веществ, обладающих антимутагенной активностью. К этим веществам относятся кисломолочные продукты, зелёный чай, чеснок, лук, капуста и другие растения семейства крестоцветных, зелёные яблоки, селен, витамин С и др.
Вопросы для самоконтроля :1. Сформулируйте определение изменчивости.
2. Составьте схему классификации форм изменчивости и дайте характеристику каждой из них.
3. Дайте определение мутагенов и приведите их классификацию с примерами.
4. Дайте оценку эволюционной роли и медицинского значения мутаций.
5. Вспомните классификацию генных мутаций.
6. Назовите механизмы комбинативной изменчивости.
7. Назовите виды модификаций.
8. Объясните разницу между спонтанным и индуцированным мутагенезом.
9. Перечислите уровни мутационного процесса.
10. Дайте определение и приведите примеры антимутагенов.
хромосомный наследственность фенотипический генотип
При анализе закономерностей наследования необходимо вести изучение трех основных процессов:
- 1. самовоспроизведение клетки и ее элементов;
- 2. распределение хромосом во время гаметогенеза и последующее сочетание их в процессе оплодотворения;
- 3. действие генов в индивидуальном развитии организма.
Ген, как единица наследственности, имеет рад свойств:
- · дискретность действия - развитие различных признаков контролируется разными генами, находящимися в различных локусах хромосом;
- · стабильность - передача наследственной информации в неизменном виде (при отсутствии мутаций);
- · лабильность (неустойчивость) - способность к мутациям;
- · специфичность - каждый ген отвечает за развитие определенного признака;
- · плейотропность - один ген может отвечать за несколько признаков. Например, синдром Марфана характеризующийся "паучими пальцами", высоким сводом стопы, развитием аневризмы аорты связан с дефектом развития соединительной ткани;
- · экспрессивность - степень выраженности признака (полимерия);
- · пенентрантность - частота встречаемости;
- · способность вступать во взаимодействие другими неаллельными генами.
Гены действуют на двух уровнях: на уровне самой генетической системы, определяя состояние генов их работу, скорость репликации ДНК, стабильность и изменчивость генов и на уровне работы клеток в системе целостного организма. Таким образом, генотип - это целостная генетическая система организма, а не простая совокупность всех его генов.
Менделем были открыты наиболее простые механизмы взаимодействия генов: доминирование и неполное доминирование.
Значительно позднее были изучены и другие типы аллельного взаимодействия генов - кодоминирование и сверхдоминирование. Кодоминирование (более принято называть множественным аллелизмом) - определение признака несколькими группами аллельных генов. К кодоминированию относят тип наследования групп крови.
Сверхдоминирование - проявление признака в большей степени у гетерозиготных особей.
Гены в организме вступают и более сложные неаллельные взаимоотношения, наиболее полно из которых изучены полимерия, эпистаз, комплементарность
Комплементарное взаимодействие генов обусловлено совместным проявлением нескольких пар неаллельных генов при проявлении нового признака. На примере наследования окраски цветков душистого горошка можно понять сущность комплементарного действия генов. При скрещивании двух рас этого растения с красными и белыми цветками у гибридов второго поколения наблюдалось расщепление признаков 9:7.
Объяснить такой результат можно следующим: образование пропигмента антоциана определяется доминантным геном А, отсутствие пигмента - а;
Переход пропигмента в пигмент определяется ферментом, синтез которого обусловлен доминантным геном В, отсутствие фермента - в.
Цветки будут окрашены только в том случае, если генотипы будут содержать АВ (ААВВ, АаВв, ААВв, АаВВ), если хотя бы один ген будет в гомозиготном рецессивном состоянии - цветки будут белые.
Эпистаз - определяется как подавление одного неаллельного гена другим. Эпистаз может быть доминантным и рецессивным. Гены, проявляющие эпистатическое действие называются супрессорами. Примером доминантного эпистаза является наследование окраски у свиней. При скрещивании белых и черных свиней разных пород в первом поколении все свиньи были белыми, а во втором поколении произошло расщепление в соотношении: 12/16 - белых; 3/16 - черных и 1/16 - красных
Примером рецессивного эпистаза является бомбейский феномен. У женщины с первой и у мужчины со второй группой крови родился ребенок с четвертой группой крови. При исследовании данного случая был найден эпистатический ген с, который подавлял ген I В
Полимерия - явление, когда проявление конкретного признака зависит от нескольких доминантных генов в разных аллелях. Например, при скрещивании краснозернистой пшеницы с генотипом А 1 А 1 А 2 А 2 с белозернистой с генотипом а 1 а 1 а 2 а 2 были растения с разной окраской зерен от ярко розовых (А 1 А 1 А 2 а 2) до бледно розовых (а 1 а 1 а 2 А 2
Таким образом, взаимодействие генов носит разно уровневый и разноплановый характер.
