Изменчивость: наследственная и ненаследственная. Ненаследственная изменчивость В чем биологическое значение ненаследственной изменчивости

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИОЛОГИИ

С. А. Жадан, Т. Н. Афанасьева, Ф. И. Висмонт

РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ В ПАТОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Минск БГМУ 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСЛЕДСТВЕННОЙ ПАТОЛОГИИ

Медицинская генетика и ее задачи

Наследственность - это свойство живых существ и клеток организма передавать свои признаки (анатомо-физиологические особенности) потомкам. Она обеспечивает относительную стабильность вида. Материальными носителями наследственной информации являются гены - участки молекулы ДНК.

Изменчивость - свойство организма и его клеток, проявляющееся в возникновении новых признаков.

В настоящее время известно около 2000 видов наследственной патологии

и генетически детерминированных синдромов. Число их постоянно растет, ежегодно описываются десятки новых форм наследственных болезней . Основными причинами, способствующими увеличению роста наследственной патологии, являются:

– значительные успехи медицины в лечении и предупреждении многих инфекционных болезней;

– возрастающее загрязнение окружающей среды мутагенными агентами;

– увеличение средней продолжительности жизни человека.

Наряду с этим совершенствование методов диагностики и успехи молекулярной биологии позволяют выявлять генетическую природу ряда серьезных заболеваний, ранее не связываемых с аномалиями генома (например, хромосомные болезни).

Генетика - это наука о наследственности и изменчивости организма. Раздел генетики, который занимается изучением наследственности и изменчивости человека с точки зрения патологии, называется медицинской генетикой .

Основными задачами медицинской генетики являются:

1. Изучение наследственных форм патологии, их этиологии, патогенеза, совершенствование диагностики, разработка методов профилактики и лечения.

2. Изучение причин и механизмов наследственно детерминированной предрасположенности и резистентности к различным (в том числе и инфекционной природы) заболеваниям.

3. Изучение роли и значения генетического аппарата в развитии реакций адаптации, компенсации и явлениях декомпенсации.

4. Подробное всестороннее изучение процессов мутагенеза и антимутагенеза, их роли в развитии болезней.

5. Изучение ряда общебиологических проблем: молекулярногенетических механизмов канцерогенеза, роли генетического аппарата в явлениях тканевой несовместимости, аутоиммунных реакциях организма и др.

Понятие о наследственной и врожденной патологии. Фенокопии

Понятия «наследственные болезни» и «врожденные заболевания» далеко не однозначны.

Врожденными называют любые заболевания, проявляющиеся сразу после рождения ребенка. Они могут быть наследственными и ненаследственными.

К числу наследственных болезней относятся лишь те, в основе которых лежат структурные изменения в генетическом материале. Одни из них клинически проявляются уже в первые дни после рождения, другие -в юношеском, зрелом, а иногда и в пожилом возрасте.

Ненаследственные болезни обусловлены действием неблагоприятных факторов среды на развивающийся плод в период беременности и не затрагивают его генетический аппарат.

Фенокопии, причины их развития

В медицинской генетике выделяют еще одно понятие - фенокопии. Фенокопия представляет собой клинический синдром, возникающий под влиянием факторов внешней среды в период эмбрионального развития, сходный по своим проявлениям с наследственным заболеванием, но имеющий негенетическую природу возникновения. Например, такие аномалии, как «волчья пасть », «заячья губа », могут быть и наследственно обусловленными (синдром Патау), и ненаследственными, возникающими в результате нарушения эмбрионального развития. Гипотиреоз наследуется как аутосомно-рецессивный признак, но может встречаться и как фенокопия у людей, проживающих в районах, где питьевая вода бедна йодом. Ранняя глухота может наследоваться как рецессивный или доминантный признак, а может встречаться как фенокопия у детей, рожденных женщинами, переболевшими во время беременности краснухой.

Таким образом, фенокопии представляют собой заболевания, внешне похожие на наследственные болезни, но не связанные с изменением генотипа.

Причинами фенокопии могут быть:

– кислородное голодание плода (внутриутробная гипоксия), вызывающее развитие серьезных дефектов структуры мозга и черепа, микроцефалию;

– эндокринные нарушения в организме беременной женщины (вероятность рождения больного ребенка у такой женщины примерно в 2,5 раза выше);

– инфекционные заболевания беременной женщины (токсоплазмоз, краснуха, сифилис и др.), особенно в ранний период беременности, вызывающие в значительном проценте случаев (до 60–70 %) тяжелые уродства (микроцефалию, глухонемоту, расщелину мягкого неба и др.);

– тяжелая психическая травма и длительные эмоциональные перенапряжения женщины в период беременности;

– лекарственные препараты, обладающие цитотоксическим или антиметаболическим действием;

– хронический алкоголизм родителей (пороки развития у детей непьющих родителей составляют около 2 %, у умеренно пьющих - до 9 %, у сильно пьющих - 74 %) и др.

Классификация болезней с учетом взаимоотношения наследственных и средовых факторов в их развитии. Понятие

о пенетрантности и экспрессивности

В развитии болезни, как и в жизнедеятельности здорового организма, принимают участие два основных фактора: воздействия внешней среды

(внешний фактор) и наследственность (внутренний фактор).

С учетом удельного веса внутреннего и внешнего факторов в развитии болезни выделяют следующие группы заболеваний (Н. П. Бочков, 2002):

1. Собственно наследственные болезни. Причиной этих заболеваний являются аномалии в генетическом аппарате клетки, т. е. мутации (генные, хромосомные и геномные). Среда определяет лишь пенетрантность (частоту проявления аномального гена в популяции особей, обладающих данным геном)

и экспрессивность (степень выраженности действия гена у конкретной особи). К этой группе относятся такие моногенно обусловленные заболевания, как алкаптонурия, фенилкетонурия, гепатоцеребральная дистрофия, гемофилия и др., а также все хромосомные болезни.

2. Экогенетические заболевания . Эта группа наследственных болезней обусловлена мутацией, действие которой проявляется только при воздействии на организм определенного, специфического для данного мутантного гена фактора внешней среды. Для этих болезней и генетическая, и средовая

составляющая представлены однофакторно: индивидуальный ген - специфический к данному гену средовой фактор. К таким заболеваниям относится, например, серповидноклеточная анемия (полудоминантно наследуемая гемоглобинопатия). У гетерозиготных носителей HbS гемолитические кризы, ведущие к анемии, возникают лишь в условиях гипоксии или ацидоза. При наследственной ферментопатии, связанной с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, аналогичную роль может играть применение лекарств-окислителей, употребление конских бобов, иногда вирусная инфекция.

3. Болезни с наследственной предрасположенностью. Являются результатом взаимодействия генетических и средовых факторов, причем и те, и другие многочисленны. Иногда эти болезни называют многофакторными, или мультифакториальными. К ним относится подавляющее число болезней зрелого и пожилого возраста: гипертоническая болезнь, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки, злокачественные новообразования и др.

Между второй и третьей группой болезней нет четкой разницы. Их часто объединяют в одну группу болезней с наследственной предрасположенностью, различая моногенно и полигенно детерминированную предрасположенность.

4. Болезни, обусловленные факторами среды, от действия которых организм не имеет средств защиты (экстремальные). Это различные травмы

(механическая, электрическая), болезни, возникающие под действием ионизирующей радиации, ожоги, отморожения, особо опасные инфекции и др. Генетический фактор в этих случаях определяет лишь тяжесть болезни, ее исход, в ряде случаев - вероятность возникновения.

Классификация наследственных форм патологии

В связи со сложной природой наследственной патологии существует два основных принципа ее классификации: клинический и генетический.

Клинический принцип классификации подразумевает деление наследственных форм патологии в зависимости от органа или системы, наиболее вовлеченных в патологический процесс. В соответствии с этим критерием выделяют наследственно обусловленные заболевания нервной системы, болезни опорно-двигательного аппарата, кожи, крови и др.

В основу генетической классификации наследственных болезней положен этиологический принцип, а именно тип мутаций и характер их взаимодействия со средой. В соответствии с этим критерием всю наследственную патологию можно разделить на группы:

1) генные болезни, вызываемые генными мутациями;

2) хромосомные болезни, возникающие в результате хромосомных или геномных мутаций;

3) болезни с наследственной предрасположенностью (многофакторные )

- развиваются у лиц с соответствующим сочетанием «предрасполагающих» наследственных и «проявляющих» внешних факторов;

4) генетические болезни соматических клеток ;

5) болезни генетической несовместимости матери и плода .

Каждая из этих групп, в свою очередь, подразделяется в соответствии с более детальной генетической характеристикой и типом наследования.

Этиология наследственных форм патологии. Мутации, их виды. Понятие о мутагенах

Отдельные гены, хромосомы и геном в целом постоянно претерпевают разнообразные изменения. Несмотря на то, что существуют механизмы репарации (восстановления) ДНК, часть повреждений и ошибок сохраняется. Изменения в последовательности и числе нуклеотидов в ДНК называют мутациями.

Мутации - стойкое скачкообразное изменение в наследственном аппарате клетки, не связанное с обычной рекомбинацией генетического материала.

Все мутации классифицируют в соответствии с несколькими критериями. 1. По причине возникновения различают спонтанные и индуцированные

Спонтанные мутации - это мутации, возникшие самопроизвольно под влиянием естественных мутагенов экзоили эндогенного происхождения. Причиной таких мутаций может быть космическое излучение, радиоактивные изотопы, эндогенные химические мутагены (перекиси и свободные радикалы - аутомутагены), образующиеся в организме в процессе обмена веществ. Значительную роль в возникновении спонтанных мутаций играет возраст. У мужчин с возрастом в половых клетках накапливаются генные мутации. У женщин зависимость генных мутаций от возраста не отмечена, но выявлена четкая связь возраста матери с частотой хромосомных заболеваний у потомства.

Индуцированные мутации - это мутации, вызванные направленным воздействием на организм факторов различного происхождения - физических, химических или биологических мутагенов. Распространенность некоторых мутагенов в среде обитания человека представлена в прил. 1.

К физическим мутагенам относятся ионизирующие излучения (α-, β- и γ- лучи, рентгеновское излучение, нейтроны) и УФ-излучение. Особенность ионизирующего излучения состоит в том, что оно может индуцировать мутации

в низких дозах, не вызывающих лучевого поражения.

К химическим мутагенам относят спирты, кислоты, тяжелые металлы, соли и другие соединения. Химические мутагены содержатся в воздухе (мышьяк, фтор, сероводород, свинец и др.), почве (пестициды и другие

химикаты), пищевых продуктах, воде. Установлено, что многие лекарственные препараты обладают выраженной мутагенной активностью (прил. 2). Очень сильным мутагеном является конденсат сигаретного дыма, который содержит бензпирен. Конденсат дыма и поверхностная корочка, образующиеся при обжаривании рыбы и говядины, содержат пиролизаты триптофана, которые являются химическими мутагенами. Особенность химических мутагенов состоит в том, что их действие зависит от дозы и стадии клеточного цикла. Чем выше доза мутагена, тем сильнее мутагенный эффект.

К биологическим мутагенам относятся бактериальные токсины, вирусы кори, краснухи, гриппа, герпеса, антигены некоторых микроорганизмов.

Основные медицинские последствия мутагенеза в различных типах клеток представлены на рис. 1.

2. По виду клеток , в которых произошла мутация, выделяют гаметические, соматические и мозаичные мутации.

Гаметические мутации возникают в половых клетках. Они наследуются потомками и, как правило, обнаруживаются во всех клетках организма. Их последствия сказываются на судьбе потомства и служат причиной наследственных заболеваний.

Рис. 1 . Медицинские последствия мутагенеза в различных типах клеток

Соматические мутации возникают в соматических клетках, носят случайный характер, могут возникать на любой стадии развития, начиная с зиготы. По наследству не передаются.

Мозаичные мутации - это мутации, которые возникают в клетках эмбриона или плода. В результате возникают клеточные линии с различными генотипами. Одни клетки организма имеют нормальный кариотип, а другие - аномальный. Чем раньше в онтогенезе происходит соматическая мутация, тем больше клеток содержит данную мутацию и тем более выражены ее проявления.

3. По значению различают патогенные, нейтральные и благоприятные мутации.

Патогенные мутации приводят к гибели эмбриона (или плода) или к развитию наследственных и врожденных заболеваний. Они делятся на летальные, полулетальные, нелетальные. Летальность может проявляться на уровне гамет, зигот, эмбрионов, плодов, а также после рождения.

Нейтральные мутации обычно не влияют на жизнедеятельность организма (например, мутации, вызывающие появление веснушек на коже, изменение цвета волос, радужной оболочки глаза).

Благоприятные мутации повышают жизнеспособность организма или вида (например, темная окраска кожных покровов у жителей африканского континента).

4 . В зависимости от объема поврежденного материала мутации делятся на генные (изменения в отдельных генах), хромосомные (структурные хромосомные аберрации), геномные (численные хромосомные аберрации).

Антимутагенез. Механизмы действия антимутагенов

Антимутагенез - это процесс подавления спонтанных и индуцированных мутаций. Вещества, обладающие такими свойствами, называются антимутагенами. Некоторые из них приведены в прил. 3.

Существуют различные принципы классификации антимутагенов:

1) по происхождению: экзогенные и эндогенные, внутриклеточные и внеклеточные;

2) механизму действия;

3) химическому строению и антиканцерогенным свойствам.

К экзогенным относят антимутагены:

– незаменимые аминокислоты (метионин, гистидин, аргинин, глютаминовая кислота и др.);

– витамины и провитамины (преимущественно А, Е, С, К);

– полиненасыщенные жирные кислоты;

– микроэлементы (Se), хлорид кобальта;

– пищевые волокна;

2) проникающие в организм респираторным путем (фитонциды);

3) поступающие в организм человека перорально в процессе фармакотерапии либо профилактического применения:

– лекарства (стрептомицин, левомицетин и др., применяемые в малых

– специально синтезированные лекарства (бемитил);

– биологически активные добавки (индол-3-карбинол и др.);

– синтетические антимутагены (ионол, дибунол и др.).

К эндогенным антимутагенам относятся:

1) система репарации поврежденной ДНК;

2) антиоксидантная система;

3) ферментные системы;

4) клеточные метаболиты;

5) гормоны щитовидной железы, мелатонин;

6) эмбриональные вещества (Со);

7) S-содержащие соединения (глутатион).

Механизмы действия антимутагенов

К основным механизмам действия антимутагенов относятся:

1. Инактивация мутагенов внешнего происхождения и предохранение ДНК от их повреждающего действия (дисмутагены). В большинстве случаев дисмутагены устойчиво связываются с мутагеном и выводят его из организма (экстракты петрушки, свеклы, редиса, сельдерея, сливы, черники, яблок).

2. Подавление процесса образования истинных мутагенов из предшествующих немутагенных веществ (витамины С, Е, дубильные вещества,

некоторые фенолы).

3. Подавление активности свободных радикалов, которые могут повреждать ДНК (антиоксиданты: супероксиддисмутаза, глютатионпероксидаза, каталаза, витамин С, А, α-токоферол, β-каротин, Е, мелатонин и др.).

4. Повышение активности ферментных систем, обезвреживающих мутагены, канцерогены и другие генотоксические соединения . Универсальный механизм инактивации ксенобиотиков обеспечивают микросомальные ферменты печени, которые метаболизируют до 75 % всех лекарств.

5. Антимутагены, уменьшающие ошибки репарации и репликации ДНК,

активация и коррекция репарации (репарагены). К репарационным

антимутагенам, которые содержатся в некоторых пищевых продуктах (например, в кукурузном, хлопковом, подсолнечном, соевом и других растительных маслах), относятся:

– ванилин, цианамальдегид и другие альдегиды, образующиеся при окислении насыщенных жирных кислот. Эти вещества стимулируют генетическую рекомбинацию, временно угнетают деление клеток, увеличивая время репарации ДНК;

– соли кобальта, повышающие эффективность безошибочной репарации ДНК (содержатся в достаточном количестве в луке, капусте, томатах, салате, картофеле, черной смородине и грушах).

6. Антимутагены с неизвестным механизмом действия. В последние годы установлена полифункциональность у некоторых антимутагенов (фенольный компонент зеленого чая - эпигаллокатехингалат, изоцианаты из крестоцветных овощей - сульфоран и фенолизоционат и др.). Антимутагены выступают в роли перехватчиков свободных радикалов, подавляют синтез метаболической активации ксенобиотиков и стимулируют их детоксикацию, модулируют репарацию ДНК, влияют на транскрипционные факторы и сигнальные пути, вовлеченные в апоптоз и регуляцию клеточного цикла, подавляют воспаление и ангиогенез.

Таким образом, к основным антимутагенам относятся:

1) соединения, нейтрализующие мутаген до его реакции с молекулой

2) вещества, снимающие повреждение молекулы ДНК, вызванное мутагеном, или повышающие ее устойчивость к мутагену;

3) соединения, препятствующие превращению в организме косвенных мутагенов в истинные.

ГЕННЫЕ БОЛЕЗНИ

Генные болезни - разнородная по клиническим проявлениям группа заболеваний, обусловленных мутациями на генном уровне. Основой для объединения их в одну группу являются этиологическая генетическая характеристика и, соответственно, закономерности наследования в семьях и популяциях.

Этиология генных болезней

Причинами генных болезней являются генные мутации , которые могут затрагивать структурные, транспортные и эмбриональные белки, а также ферменты.

Генные мутации - это молекулярные изменения структуры ДНК. Они обусловлены изменением химического строения гена, а именно специфической

Вспомните, как влияет генотип на проявления признаков. Что такое мутации? Как возникают мутации на молекулярно-генетическом уровне?

В процессе индивидуального развития некоторые признаки появляются не сразу и изменяются в течение жизни. При одном и том же генотипе могут формироваться разные фенотипы. Например, если два одинаковых по генотипу организма содержать в разных условиях, то они будут отличаться по фенотипу. Растения, выращенные из семян одного сорта и даже с одной особи, могут различаться по высоте, времени цветения, величине плодов.

Изменчивость - это способность организма изменяться в процессе индивидуального развития под воздействием различных условий среды.

Виды изменчивости. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа с различными условиями среды. В зависимости от характера воздействующих условий изменения могут наследоваться или не наследоваться. Если изменения затрагивают лишь фенотип организма, то они не наследуются. В этом случае генотип сохраняется, а возникшие в процессе индивидуального развития изменения не передаются потомству. Если изменения затрагивают генотип организма, т. е. изменяются его гены, то такие изменения наследуются. Отсюда, выделяют два типа изменчивости - ненаследственную и наследственную.

Ненаследственная изменчивость возникает у организмов под прямым влиянием условий среды. Например, у зайца-беляка зимой при низких температурах вырастает белая шерсть, т. е. пигмент в волосах не образуется (рис. 111). Весной при повышении температуры пигмент начинает вырабатываться, и шерсть становится бурой. Такая изменчивость организмов всегда адекватна условиям среды и является приспособительной. Она способствует выживанию особей. Так, белый мех зайца-беляка позволяет ему быть незаметным для своих врагов на фоне белого снега.

Рис. 111. Ненаследственная изменчивость: 1 - изменение окраски шерсти у зайца-беляка; 2 - одуванчики, выросшие на плодородной (справа) и бедной (слева) почве

Ненаследственная изменчивость проявляется постепенно. Эти изменения проявляются у многих особей в одной группе, т. е. они - массовые. Так, все одуванчики, выросшие на плодородной почве в саду имеют большой рост и крупные соцветия, и, наоборот, на плохой почве - растения низкие с небольшими корзинками (рис. 111).

Наследственная изменчивость. В отличие от ненаследственной изменчивости наследственная изменчивость затрагивает генотип и передается по наследству. Она бывает комбинативная и мутационная.

Комбинативная изменчивость связана с появлением новых сочетаний признаков у организмов вследствие комбинации их генов. В результате у потомков появляются такие признаки, которые могли отсутствовать у их родителей. Например, таксы бывают как длинношерстные, так и короткошерстные разного окраса (рис. 112). У человека зеленый, голубой и карий цвет глаз может сочетаться со светлыми и темными волосами в разных комбинациях.

Рис. 112. Наследственная комбннативная изменчивость окраски и длины шерсти у такс

Комбинативная изменчивость определяет разнообразие особей одного вида. Она способствует появлению таких признаков, которые используются человеком при выведении новых сортов растений и пород животных.

К наследственной изменчивости относят и мутации. Вы уже познакомились с особенностью этой изменчивости на молекулярно-генетическом уровне организации жизни. Генотип любого организма подвергается воздействию внешних факторов, которые могут вызвать «ошибки» в структуре хромосом или генов. В результате происходит изменение генотипа и возникает новый признак - мутация. Разные виды мутаций встречаются у растений, животных, человека (рис. 113).

Рис. 113. Наследственная мутационная изменчивость у разных организмов: 1 - дрозофила с мутацией «бескрылость» (слева - нормальная крылатая особь); 2 - сорт винограда с увеличенным набором хромосом в клетках (слева - виноград с нормальным набором хромосом); 3 - изображение мутации полидактилии (многопалости) у папы Римского Сикста II на картине Рафаэля «Сикстинская мадонна»

Мутации связаны не только с ошибками в редупликации ДНК и синтезе белка, но и с нарушения в хромосомах в процессе деления клетки. Иногда при воздействии химических веществ ядро клетки растений начинает делиться быстрее, чем сама клетка. В результате возникают клетки с удвоенным набором хромосом. Из них развиваются растения, отличающиеся значительно большей величиной цветков, плодов и листьев, чем экземпляры с нормальным набором хромосом (рис. 113, 2). Это имеет положительное значение как для самих растений, так и для человека при их выращивании на полях и в садах.

Мутационная изменчивость носит скачкообразный характер, отсутствует постепенность в изменении признаков организмов. Мутации индивидуальны и возникают у единичных особей. Воздействие одинаковых внешних условий вызывает у каждого организма разные мутации. Например, облучение зерновок пшеницы перед посевом рентгеновскими лучами приводит в одних случаях к образованию неполноценных колосьев, в другом случае к отсутствию колоса, в третьем случае к формированию более крупного колоса. Таким образом, мутационная изменчивость не предсказуема. По своему значению мутации могут быть для организмов безразличными, т. е. ненужными, или полезными, но чаще всего они - вредны, т. к. снижают жизнеспособность организмов-мутантов.

Итак, развитие признака у любого организма - результат взаимодействия его генотипа с внешней средой. Генотип и среда, взаимодействуя, определяют развитие фенотипа организма.

Биологическое значение наследственности и изменчивости. Наследственность и изменчивость - два противоположных свойства организма, которые составляют единое целое в природе. Наследственность реализуется в процессе размножения, а изменчивость - в процессе индивидуального развития организма. Наследственность обеспечивает стабильность организма, его наследственной программы и передачу в поколениях определенных признаков. Ее реализация основана на редупликация ДНК и поведении хромосом в мейозе. Точность этих процессов является гарантией стабильности свойств и функций организма. Таким образом, наследственность как свойство живого реализуется на всех уровнях его организации. Наследственность консервативна и направлена на сохранение признаков организма в неизменности.

Изменчивость - явление нестабильности наследственных свойств живого. Она возникает в процессе индивидуального развития организма. Ненаследственная изменчивость непрерывна. Изменения возникают в результате непосредственного влияния среды на организм. Для нее характерен ряд постепенных переходов от одной формы к другой. Биологическое значение ненаследственной изменчивости - повышение приспособительных возможностей организма и разнообразие признаков у особей, принадлежащих к одному виду.

Генотип - достаточно устойчивая и консервативная система, а процесс редупликации ДНК близок к совершенству. Стойкость гена имеет большое биологическое значение. Она обеспечивает постоянство вида и его неизменность в относительно стабильных условиях. Вместе с тем гену присуща и способность к мутациям и новым сочетаниям при половом размножении, что приводит к изменению генотипа. Наследственные изменения при этом носят непредсказуемый характер. Наследственная изменчивость прерывиста и индивидуальна. Различия между особями резко выражены, а промежуточные формы отсутствуют.

Особое значение имеет мутационная изменчивость. Она возникает случайным образом при воздействии различных факторов на генотип. Мутации не адекватны воздействию факторов, единичны и разнообразны. В природных условиях каждый отдельно взятый ген мутирует очень редко. На первый взгляд, может показаться, что изменения в генах несущественны для особи. Но в действительности у организма несколько тысяч генов. Если учесть, что мутации могут происходить в любом из них, общее число мутаций резко повышается. Мутации часто вредны, так как меняют приспособительные признаки организмов. Однако именно мутации создают резерв наследственной изменчивости и играют важную роль в процессе исторического развития органического мира на Земле.

Упражнения по пройденному материалу

Дайте определение изменчивости. Какими особенностями обладает ненаследственная изменчивость?
Когда возникает комбинативная изменчивость?
Чем мутационная изменчивость отличается от комбинативной?
Сравните два свойства организма: наследственность и изменчивость. Какое из них первично, а какое вторично?
У любого организма можно обнаружить признаки, типичные для его родителей. Тем не менее, даже у потомков одной родительской пары трудно найти двух абсолютно одинаковых особей, если они не являются близнецами. С чем это связано?
Какая из двух видов изменчивости имеет большее значение для исторического развития органического мира на Земле? Ответ обоснуйте.

Ненаследственная (фенотипическая) изменчивость – это тип изменчивости, отражающий изменения фенотипа под действием условий внешней среды, не затрагивающих генотип. Степень ее выраженности может определяться генотипом. Фенотипические различия у генетически тождественных особей, возникающие вследствие воздействия факторов внешней среды, называются модификациями . Различают возрастные, сезонные и экологические модификации. Они сводятся к изменению степени выраженности признака. Нарушения структуры генотипа при них не происходит.

Возрастные (онтогенетические) модификации выражаются в виде постоянной смены признаков в процессе развития особи. У человека в процессе развития наблюдаются модификации морфофизиологических и психических признаков. К примеру, ребенок не сможет правильно развиваться и физически и интеллектуально, если в раннем детстве на него не будут оказывать влияние нормальные внешние и социальные факторы. Долгое пребывание ребенка в социально неблагополучной среде может вызвать необратимый дефект его интеллекта.

Онтогенетическая изменчивость, как и сам онтогенез, детерминируется генотипом, где закодирована программа развития особи. Однако особенности формирования фенотипа в онтогенезе обусловлены взаимодействием генотипа и среды. Под влиянием необычных внешних факторов могут происходить отклонения в формировании нормального фенотипа.

Сезонные модификации особей или целых популяций проявляются в виде генетически детерминированной смены признаков, (например, изменение окраски шерсти, появление подпушка у животных), происходящей в результате сезонных изменений климатических условий. Например, при высоких температурах у кролика развивается белая окраска шерсти, а при низких – темная. У сиамских котов в зависимости от сезона года палевая окраска шерсти сменяется на темно-палевую и даже коричневую.

Экологических модификации представляют собой адаптивные изменения фенотипа в ответ на изменение условий среды. Экологические модификации фенотипически проявляются в изменении степени выраженности признака. Они могут возникать на ранних стадиях развития и сохраняться в течение всей жизни особи. Примерами могут служить крупные и мелкие экземпляры растений, выращенные на почвах, содержащих разное количество питательных веществ; низкорослые и слабожизнеспособные особи у животных, развивающиеся в плохих условиях и не получающие достаточного количества необходимых для жизни питательных веществ; число лепестков у цветков печеночницы, поповника, лютика, количество цветков в соцветии у растений и т. д.

Экологические модификации затрагивают количественные (количество лепестков в цветке, потомства у животных, масса животных) и качественные (цвет кожи у человека под влиянием ультрафиолетовых лучей) признаки.

Экологические модификации обратимы и со сменой поколений при условии изменения внешней среды могут не проявиться. Например, потомство низкорослых растений на хорошо удобренных почвах будет нормальной высоты; у человека с кривыми ногами вследствие рахита бывает вполне нормальное потомство. Если же в ряду поколений условия не меняются, степень выраженности признака в потомстве сохраняется то ее принимают за стойкий наследственный признак (длительные модификации). При изменении условий развития длительные модификации не наследуются. Предполагалось, что от хорошо дрессированных животных потомство получается с лучшими «актерскими» данными, чем от недрессированных. Потомство дрессированных животных действительно легче поддается воспитанию, но объясняется это тем, что оно наследует не приобретенные родительскими особями навыки, а способность к дрессировке, обусловленную наследуемым типом нервной деятельности.

В большинстве случаев модификации носят адекватный характер, т.е. степень выраженности признака находится в прямой зависимости от вида и продолжительности действия того или иного фактора. Так, улучшение содержания скота способствует увеличению живой массы животных, плодовитости, удоя и жирности молока. Модификации носят приспособительный, адаптивный характер. Это означает, что в ответ на изменившиеся условия среды у особи проявляются такие фенотипические изменения, которые способствуют ее выживанию. Примером служит содержания эритроцитов и гемоглобина у лиц, оказавшихся высоко над уровнем моря. Но, приспособительны не сами модификации, а способность организма изменяться в зависимости от условий среды.

Одним из основных свойств модификаций является их массовость. Она обусловливается тем, что один и тот же фактор вызывает примерно одинаковое изменение у особей, сходных генотипически.

Модификационная изменчивость вызывается внешними факторами, но предел ее и степень выраженности признака контролируются генотипом. Так, однояйцевые близнецы сходны фенотипически и даже одинаково реагируют на разные условия (например, чаще всего переносят одни и те же заболевания). Но среда существенно влияет на формирование признаков. К примеру, у однояйцевых близнецов веснушки проявляются в разной степени в различных климатических условиях. У животных резкое ухудшение пищевого рациона может привести к похуданию одних и к смерти других особей. У человека при одинаково усиленном питании резко прибавит в массе тела гиперстеник, в меньшей степени - нормастеник, масса же астеника может вообще не измениться. Это свидетельствует о том, что генотип контролирует не только возможность организма изменяться, но и ее пределы. Предел модификации называется нормой реакции . Именно норма реакции, а не сами модификации, наследуется, т.е. наследуется способность к развитию того или иного признака. Норма реакции – это конкретная количественная я качественная характеристика генотипа, т.е. определенное сочетание генов в генотипе и характер их взаимодействия. К числу генных сочетаний и взаимодействий относят:

полигенную детерминацию признаков, когда часть полигенов, контролирующих развитие количественного признака, в зависимости от условий может переходить из гетерохроматинового состояния в эухроматиновое и обратно (предел модификации в данном случае определяется количеством полигенов в генотипе);
смену доминирования у гетерозигот при изменении внешних условий;
различные типы взаимодействия неаллельных генов;
экспрессивность мутации.

Различают признаки с широкой (масса, урожайность и т.д.), узкой (например, процент жира в молоке, количество птенцов у птиц, содержание белков в крови у человека) и однозначной нормой реакции (большинство качественных признаков: масть животных, цвет волос и глаз у человека и др.).

Иногда особи того или иного вида подвергаются влиянию таких вредных факторов, с которыми он не сталкивался в процессе эволюции, а токсичность их настолько велика, что исключает возможность модификационной изменчивости организма, определяемой нормой реакции. Такие агенты могут оказаться летальными, или их действие ограничивается индуцированием уродств развития. Уродства, или аномалии, развития называют морфозами. Морофозы – это различные нарушения формообразовательных процессов в период морфогенеза, приводящие к резкому изменению морфологических, биохимических, физиологических признаков и свойств организма. Примером морфозов служат дефекты развития крыльев и конечностей у насекомых, уродства раковины у моллюсков, уродства физического строения млекопитающих. Примером морфозов у человека является рождение, детей без конечностей, с непроходимостью кишечника, опухолью верхней губы, принявшее характер почти эпидемии в 1961 г. в ФРГ и некоторых странах Западной Европы и Америки. Причиной уродств послужило то, что матери в первые три месяца беременности принимали в качестве успокоительного препарата талидомид. Известен еще ряд веществ (тератогены, или морфогены), вызывающих уродства развития у человека. К ним относятся хинин, галлюциноген ЛСД, наркотики, алкоголь. Морфозы являются новыми, не имеющими исторической базы реакциями организма на необычные вредные факторы среды. Фенотипически они резко отличаются от модификаций: если модификация – это изменение степени выраженности признака, то морфоз – это резко измененный, нередко качественно новый признак.

Морфозы возникают при воздействии вредных агентов (морфогенов) на ранние процессы эмбрионального развития. Эмбриогенез подразделяется на ряд этапов, в течение которых осуществляется дифференциация и рост определенных органов и тканей. Развитие признака начинается коротким периодом, получившим название «критического». В этот период организм отличается высокой чувствительностью и снижением репаративных (восстановительных) возможностей. В случае воздействия морфогенов в критические периоды обычный путь развития зачатка изменяется, так как при этом происходит индуцированная репрессия генов, отвечающих за его формирование. Развитие того или иного органа как бы перескакивает с одного пути на другой. Это приводит к отклонениям от нормального развития фенотипа и к формированию уродств. Нарушения эмбриогенеза иногда носят специфический характер, так как их фенотипическое выражение зависит от стадии развития организма в момент воздействия. Самые разные токсические агенты могут вызывать одинаковые или сходные аномалии, если на организм воздействовать в строго определенный период развития, когда повышена чувствительность соответствующих тканей и органов. Некоторые морфогены (химические вещества) в силу своих структурных особенностей могут вызвать специфические морфозы в результате избирательного воздействия в тот или иной период развития.

Морфозы не носят приспособительного характера, поскольку реакция организма на индицирующие их факторы обычно бывает неадекватной. Частота индуцированных морфозов и чувствительность организмов при этом к вредным агентам-морфогенам контролируется генотипом и различна у разных особей одного и того же вида.

Морфозы фенотипически часто сходны с мутациями и в таких случаях носят название фенокопий. Механизмы возникновения мутаций и фенокопий различны: мутация является следствием изменения структуры гена, а фенокопия – результатом нарушения реализации наследственной информации. Фенокопий могут возникать и вследствие подавления функции определенных генов. В отличие от мутаций, они не наследуются.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Введение. Молекулярные основы наследственности

Введение.. генетика от греч genesis происхождение как наука о закономерностях.. i этап гг период классической генетики развитие менделизма..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Основные виды наследственности
Генетика– наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов. Наследственность– это способность организмов повторять в покол

Основные носители наследственности
Основными носителями ядерной наследственности являются хромосомы,расположенные в ядре клетки. У каждой хромосомы имеются химические компоненты: одна гигантская молекула ДНК

Понятие о кариотипе человека
Число, размеры и форма хромосом являются специфическими признаками для каждого вида живых организмов. Так, в клетках рака-отшельника содержится по 254 хромосомы, а у комара – только 6. Соматические

Правила хромосом
Существует 4 правила хромосом: Правило постоянства числа хромосом.Соматические клетки организма каждого вида в норме имеют строго определенное число хромосом (напри

Клеточный и митотический циклы
Клеточный (жизненный) цикл– это период в жизнедеятельности клетки от момента ее появления до гибели или образования дочерних клеток.Митотический цикл - это период в жизнедеятельности

Размножение на организменном уровне
Гаметогенез – это процесс образования гамет - мужских и женских половых клеток. Яйцеклетки образуются в женских гонадах (яичниках) и имеют крупные размеры

Особенности репродукции человека
Особенности репродукции человека обусловлены его спецификой как биологического и социального существа. Способность к репродукции становится возможной с наступлением половой зрелости, призн

Нуклеиновые кислоты
В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти бала доказана генетическая роль

Генетический код и его свойства
Для осуществления экспрессии гена существует генетический код - строго упорядоченная зависимость между основаниями нуклеотидов и аминокислотами (табл. 3). Общепринятые сокращения на

Основные свойства генетического кода
1. Триплетность – одной аминокислоте соответствуют три рядом расположенных нуклеотида, называемые триплетом (кодоном) (триплеты в и-РНК называются кодонами); 2. Универсаль

Биологический синтез белка
ДНК – носитель всей генетической информации в клетке – непосредственного участия в синтезе белка (реализации этой наследственной информации) не принимают. В клетках животных и растений молекулы ДНК

Уровни организации наследственного материала
Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала эукариот: генный, хромосомный и геномный. Элементарной структурой генного уровня органи

Цитологические и молекулярные основы изменчивости организмов
Генетика изучает не только явление наследственности, но и явление изменчивости. Изменчивость – это свойство живых организмов изменяться под действием факторов внешней и внут

Наследственная изменчивость
Генотипическая (наследственная) изменчивость –это наследственные изменения признаков организма, определяемые генотипом и сохраняемые в ряду поколений. Она представлена двумя ви

Мутационная изменчивость
Мутация– это скачкообразное, устойчивое изменение генетического материала под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передающееся по наследству. Организм, наследственн

Молекулярный механизм мутаций
Мутации, связанные с изменением структуры молекулы ДНК, называются генными. Они представляют собой выпадение или вставку одного, или нескольких азотистых оснований, либо то и другое одноврем

Характеристика мутаций на тканевом уровне
Соматические мутациипроисходят в соматических клетках, передаются по наследству только при вегетативном размножении и проявляются у самой особи (разный цвет глаз у одного челов

Мутация на уровне организма
По характеру изменения фенотипа все мутации можно разделить на следующие группы. 1. Морфологические, нарушающие признаки физического строения; безглазие, короткопал

Мутации на популяционном уровне
Считается, что любая мутация вредна, так как нарушает взаимодействие организма со средой. Однако некоторые мутации вызывают незначительные изменения в организме и не представляют особой опасности д

Действие хромосомных мутаций на различные системы организма
Степень изменения признаков организма при хромосомных мутациях зависит от величины дефектного участка и от содержания в нем важных для развития генов. Для определения последствий хромосомных мутаци

Последствия мутации в половых и соматических клетках
Результат действия мутации на фенотип человека может различаться в зависимости от типа клеток, в которых происходит изменение наследственных структур. Генеративные мутации или изменение насл

Устойчивость и репарация генетического материала
Устойчивость генетического материала обеспечивается: диплоидным набором хромосом; двойной спиралью ДНК; вырожденностью (избыточностью) генетического кода;

Антимутагены
Мутационный процесс является источником изменений, приводящих к различным патологическим состояниям. Компенсационный принцип на современном этапе предполагает мероприятия по предотвращению генетиче

1. Предмет, задачи и методы генетики. История развития и становления генетики как науки. 2. Этапы развития классической генетики. Современная (молекулярная) генетика. Основные понятия и по

Ненаследственная (фенотипическая) изменчивость – это тип изменчивости, отражающий изменения фенотипа под действием условий внешней среды, не затрагивающих генотип. Степень ее выраженности может определяться генотипом. Фенотипические различия у генетически тождественных особей, возникающие вследствие воздействия факторов внешней среды, называются модификациями . Различают возрастные, сезонные и экологические модификации. Они сводятся к изменению степени выраженности признака. Нарушения структуры генотипа при них не происходит.

Модификационная изменчивость вызывается внешними факторами, но предел ее и степень выраженности признака контролируются генотипом. Так, однояйцевые близнецы сходны фенотипически и даже одинаково реагируют на разные условия (например, чаще всего переносят одни и те же заболевания). Но среда существенно влияет на формирование признаков. К примеру, у однояйцевых близнецов веснушки проявляются в разной степени в различных климатических условиях. У животных резкое ухудшение пищевого рациона может привести к похуданию одних и к смерти других особей. У человека при одинаково усиленном питании резко прибавит в массе тела гиперстеник, в меньшей степени - нормастеник, масса же астеника может вообще не измениться. Это свидетельствует о том, что генотип контролирует не только возможность организма изменяться, но и ее пределы. Предел модификации называется нормой реакции . Именно норма реакции, а не сами модификации, наследуется, т.е. наследуется способность к развитию того или иного признака. Норма реакции – это конкретная количественная я качественная характеристика генотипа, т.е. определенное сочетание генов в генотипе и характер их взаимодействия. К числу генных сочетаний и взаимодействий относят:

полигенную детерминацию признаков, когда часть полигенов, контролирующих развитие количественного признака, в зависимости от условий может переходить из гетерохроматинового состояния в эухроматиновое и обратно (предел модификации в данном случае определяется количеством полигенов в генотипе);

смену доминирования у гетерозигот при изменении внешних условий;

различные типы взаимодействия неаллельных генов;

экспрессивность мутации.

Иногда особи того или иного вида подвергаются влиянию таких вредных факторов, с которыми он не сталкивался в процессе эволюции, а токсичность их настолько велика, что исключает возможность модификационной изменчивости организма, определяемой нормой реакции. Такие агенты могут оказаться летальными, или их действие ограничивается индуцированием уродств развития. Уродства, или аномалии, развития называют морфозами. Морофозы – это различные нарушения формообразовательных процессов в период морфогенеза, приводящие к резкому изменению морфологических, биохимических, физиологических признаков и свойств организма. Примером морфозов служат дефекты развития крыльев и конечностей у насекомых, уродства раковины у моллюсков, уродства физического строения млекопитающих. Примером морфозов у человека является рождение, детей без конечностей, с непроходимостью кишечника, опухолью верхней губы, принявшее характер почти эпидемии в 1961 г. в ФРГ и некоторых странах Западной Европы и Америки. Причиной уродств послужило то, что матери в первые три месяца беременности принимали в качестве успокоительного препарата талидомид. Известен еще ряд веществ (тератогены, или морфогены), вызывающих уродства развития у человека. К ним относятся хинин, галлюциноген ЛСД, наркотики, алкоголь. Морфозы являются новыми, не имеющими исторической базы реакциями организма на необычные вредные факторы среды. Фенотипически они резко отличаются от модификаций: если модификация – это изменение степени выраженности признака, то морфоз – это резко измененный, нередко качественно новый признак.

Изменчивость – это всеобщее свойство живых систем, связанное с изменениями фенотипа и генотипа, возникающими под влиянием внешней среды или в результате изменений наследственного материала. Различают ненаследственную и наследственную изменчивость.

Ненаследственная изменчивость . Ненаследственная, или групповая (определенная), или модификационная изменчивость – это изменения фенотипа под влиянием условий внешней среды. Модификационная изменчивость не затрагивает генотип особей. Генотип, оставаясь неизменным, определяет пределы, в которых может изменяться фенотип. Эти пределы, т.е. возможности для фенотипического проявления признака, называются нормой реакции и наследуются . Норма реакции устанавливает границы, в которых может изменяться конкретный признак. Разные признаки обладают разной нормой реакции – широкой или узкой. Так, например, такие признаки, как группа крови, цвет глаз не изменяются. Форма глаза млекопитающих изменяется незначительно и обладает узкой нормой реакции. Удойность коров может варьировать в довольно широких пределах в зависимости от условий содержания породы. Широкую норму реакции могут иметь и другие количественные признаки – рост, размеры листьев, количество зерен в початке и т.д. Чем шире норма реакции, тем больше возможностей у особи приспособиться к условиям окружающей среды. Вот почему особей со средней выраженностью признака больше, чем особей с крайними его выражениями. Это хорошо иллюстрируется таким примером, как количество карликов и гигантов у людей. Их мало, тогда как людей с ростом в диапазоне 160–180 см в тысячи раз больше.

На фенотипические проявления признака влияет совокупное взаимодействие генов и условий внешней среды. Модификационные изменения не наследуются, но не обязательно носят групповой характер и не всегда проявляются у всех особей вида, находящихся в одинаковых условиях среды. Модификации обеспечивают приспособленность особи к этим условиям.

Наследственная изменчивость (комбинативная, мутационная, неопределенная).

Комбинативная изменчивость возникает при половом процессе в результате новых сочетаний генов, возникающих при оплодотворении, кроссинговере, конъюгации т.е. при процессах, сопровождающихся рекомбинациями (перераспределением и новыми сочетаниями) генов. В результате комбинативной изменчивости возникают организмы, отличающиеся от своих родителей по генотипам и фенотипам. Некоторые комбинативные изменения могут быть вредны для отдельной особи. Для вида же комбинативные изменения, в целом, полезны, т.к. ведут к генотипическому и фенотипическому разнообразию. Это способствует выживанию видов и их эволюционному прогрессу.

Мутационная изменчивость связана с изменениями последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, выпадения и вставок крупных участков в молекулах ДНК, изменений числа молекул ДНК (хромосом). Сами подобные изменения называются мутациями . Мутации наследуются.

Среди мутаций выделяют:

– генные – вызывающими изменения последовательности нуклеотидов ДНК в конкретном гене, а следовательно в и‑РНК и белке, кодируемом этим геном. Генные мутации бывают как доминантными, так и рецессивными. Они могут привести к появлению признаков, поддерживающих или угнетающих жизнедеятельность организма;

– генеративные мутации затрагивают половые клетки и передаются при половом размножении;

– соматические мутации не затрагивают половые клетки и у животных не наследуются, а у растений наследуются при вегетативном размножении;

– геномные мутации (полиплоидия и гетероплоидия) связаны с изменением числа хромосом в кариотипе клеток;

– хромосомные мутации связаны с перестройками структуры хромосом, изменением положения их участков, возникшего в результате разрывов, выпадением отдельных участков и т.д.

Наиболее распространены генные мутации, в результате которых происходит изменение, выпадение или вставка нуклеотидов ДНК в гене. Мутантные гены передают к месту синтеза белка уже иную информацию, а это, в свою очередь, ведет к синтезу других белков и возникновению новых признаков. Мутации могут возникать под влиянием радиации, ультрафиолетового излучения, различных химических агентов. Не все мутации оказываются эффективными. Часть их исправляется при репарациях ДНК. Фенотипически мутации проявляются в том случае, если они не привели к гибели организма. Большинство генных мутаций носят рецессивный характер. Эволюционное значение имеют фенотипически проявившиеся мутации, обеспечившие особям либо преимущества в борьбе за существование, либо наоборот, повлекшие их гибель под давлением естественного отбора.

Мутационный процесс повышает генетическое разнообразие популяций, что создает предпосылки для эволюционного процесса.

Частоту мутаций можно повышать искусственно, что используется в научных и практических целях.