Мутации. Генные мутации связаны с изменением числа и структуры хромосом

Мутации, возникающие под влиянием специальных воздействий - ионизирующей радиации, химических веществ, температурных факторов и т. п. - называются индуцированными, В свою очередь спонтанными называют мутации» возникшие без преднамеренного воздействия, под влиянием факторов внешней среды или вследствие биохимических и физиологических изменений в организме.

Термин «мутация» был введен в 1901 г. Г. де Фризом, описавшим спонтанные мутации у одного из видов растений» Различные гены у одного вида мутируют с разной частотой, неодинакова частота мутирования и сходных генов в разных генотипах. Частота споитаавото. мутирования генов невелика и исчисляется обычно единицами, реже десятками и совсем редка сотнями случаев на 1 млн. гамет (у кукурузы частота спонтанного мутирования разных генов составляет от 0 до 492 на 10 6 гамет).

Классификация мутаций. В зависимости от характера изменений, возникающих в генетическом аппарате организма, мутации делятся на генные (точечные), хромосомные и геномные.

Генные мутации. Генные мутации составляют наиболее важную и большую по объему долю мутаций. Они представляют собой стойкие изменения отдельных генов и возникают в результате замены одного или нескольких азотистых оснований в структуре ДНК на другие, выпадения иле добавления новых оснований, что ведет к нарушению порядка считывания информации, В итоге происходит изменение в синтезе белков, что в свою очередь обусловливает появление новых или измененных признаков. Генные мутации вызывают изменение признака в разных направлениях, приводя к сильным или слабым изменениям морфологических, биохимических и физиологических свойств.

У бактерий, например, генные мутации чаще всего затрагивают такие признаки, как форму и. цвет колоний, темп их деления, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к антибиотикам, сульфаниламидам и другим лекарственным препаратам, реакцию на температурные воздействия, восприимчивость к заражению бактериофагами, ряд биохимических признаков.

Одной из разновидностей, генных мутаций является множественный аллелизм, при котором возникают не две формы одного гена (доминантная и рецессивная), а целая серия мутаций этого гена, вызывающая разные изменения контролируемого данным геном признака. Например, у дрозофилы известна серии из 12 аллелей, возникающих при мутации одного и того же гена, обусловливающего окраску глаз. Серией множественных аллелей представлены гены, определяющие окраску шерсти у кроликов, различие групп крови у человека и др.

Хромосомные мутации. Мутации этого типа, называемые также хромосомными перестройками, или аберрациями, возникают в результате значительных изменений в структуре хромосом. Механизмом возникновения хромосомных перестроек являются образовавшиеся при мутагенном воздействии разрывы хромосом, последующая утрата некоторых фрагментов и воссоединение оставшихся частей хромосомы в ином порядке по сравнению с нормальной хромосомой. Хромосомные перестройки могут быть обнаружены с помощью светового микроскопа. Главные из них: нехватки, делении, дупликации, инверсии, транслокации и транспозиции.

Нехватками называют перестройки хромосом за счет утери концевого фрагмента. Хромосома при этом становится укороченной» лишается части генов, заключенных в утраченном фрагменте. Потерянный участок хромосомы удаляется за пределы ядра в ходе мейоза,

Делеция - тоже потеря участка хромосомы, но не концевого фрагмента, а средней ее части. Если утерянный участок очень мал и не несёт генов, сильно влияющих на жизнеспособность организма, делеция вызовет лишь изменение фенотипа, в ряде случаев она может обусловить летальный исход или серьезную наследственную патологию. Делеции легко обнаруживаются при микроскопическом исследовании, поскольку в мейозе при конъюгации участок нормальной хромосомы, лишенный гомологичного участка в хромосоме с делецией, образует характерную петлю (рис. 89).

При дупликации происходит удвоение какого-нибудь участка хромосомы. Обозначив условно последовательность каких-либо участков хромосомы как ABC , при дупликации мы можем наблюдать такое расположение этих участков: AA ВС, АВВС или АВСС. При дупликации всего выбранного нами участка он будет выглядеть как АВСАВС, т. е. дуплицируется целый блок генов. Возможно многократное повторение одного участка (АВВВС или АВСАВСАВС), дупликацияне только в соседних, но и более удаленных частях одной итой же хромосомы. У дрозофилы, например, описано, восьмикратное повторение одного из участков хромосом. Добавление лишних генов влияет на организм меньше, чем их утрата, поэтому дупликации влияют на фенотип в меньшей степени, чем нехватки и делеции.

При инверсии изменяется порядок расположения генов в хромосоме. Инверсии возникают в результате двух разрывов хромосомы, при этом образовавшийся

фрагмент, встраивается на свое прежнее место, предварительно перевернувшись на 180°. Схематически инверсию можно представить так. В участке хромосомы, несущем геном ABCDEFG , происходят разрывы между генами А и В, Е и F ; образовавшийся фрагмент BCDE переворачивается и встраивается на свое прежнее место. В итоге рассматриваемый участок будет иметь структуру AEDCBFG . Число генов при инверсиях не меняется, поэтому они мало влияют на фенотип организма. Цитологически инверсии легко обнаруживаются по характерному расположению их в мейозе в момент конъюгации гомологичных хромосом.

Транслокации связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами или прикреплением участка одной хромосомы к хромосоме негомологичной пары. Обнаруживаются транслокации по генетическим последствиям, которые они вызывают.

Транспозицией называют открытое в последнее время явление вставки небольшого фрагмента хромосомы, несущего несколько генов в какой-нибудь другой участок хромосомы, т. е. перенесение части генов в другое место генома. Механизм возникновения транспозиций еще мало изучен, но есть данные, что он отличается от механизма остальных хромосомных перестроек.

Геномные мутации. Полиплоидия. Каждому из существующих видов живых организмов присущ характерный набор хромосом. Он постоянен по числу, все хромосомы набора различны и представлены один раз. Такой основной гаплоидный набор хромосом организма, содержащийся в его половых клетках, обозначают символом х ; соматические клетки в норме содержат два гаплоидных набора (2х) и являются диплоидными. Если хромосомы диплоидного организма, удвоившиеся в числе в ходе митоза, не, расходятся в две дочерние клетки и остаются в том же ядре, происходит явление кратного увеличения числа хромосом, называемое полиплоидией.

Аутополиплоидия. Полиплоидные формы могут иметь 3 основных набора хромосом (триплоид), 4 (тетраплоид), 5 (пентаплоид), 6 (гексаплоид) и более хромосомных наборов. Полиплоиды с многократным повторением одного и того же основного набора хромосом называются аутополиплоидными. Возникают аутополиплоиды либо как результат деления хромосом без последующего деления клетки, либо за счет участия в оплодотворении половых клеток с нередуцированным числом хромосом, либо при слиянии соматических клеток или их ядер. В эксперименте эффект полиплоидизации достигается действием температурных шоков (высокая или низкая температура) или воздействием ряда химических веществ, среди которых наиболее эффективны алкалоид колхицин, аценафтен, наркотики. В обоих случаях происходит блокада митотического веретена и, как результат,- нерасхождение удвоившихся в ходе митоза хромосом в две новые клетки и объединение их в одном ядре.

Полиплоидные ряды. Основное число хромосом х у разных родов растений разное, но в пределах одного рода виды часто имеют число хромосом, кратное х, образуют так называемые полиплоидные ряды. У пшеницы, например, где х = 7, известны виды, имеющие 2х, 4х и 6х число хромосом. У розы, где основное число также равно 7, существует полиплоидный ряд, разные виды которого содержат 2х, 3 x , 4 x , 5х, 6х, 8х. Полиплоидный ряд картофеля представлен видами с 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108 и 144 хромосомами (х = 12).

Аутополиплоидия распространена в основном у растений, поскольку у животных она вызывает нарушение механизма хромосомного определения пола.

Распространение в природе. Вследствие присущей им более широкой нормы реакции полиплоидные растения легче приспосабливаются к неблагоприятным условиям среды, легче переносят колебания температуры и засуху, что дает преимущества в заселении высокогорных и северных районов. Так, в северных широтах они составляют до 80 % всех распространенных там видов. Резко изменяется число полиплоидных видов при переходе от высокогорных районов Памира с его исключительно суровым климатом к более благоприятным условиям Алтая и альпийских Лугов Кавказа. Среди исследованных злаков доля полиплоидных видов на Памире составляет 90%, на Алтае - 72%, на Кавказе - только 50 %.

Особенности биологии и генетики. Для полиплоидных растений характерно увеличение размеров клеток, в результате чего все их органы - листья, стебли, цветки, плоды, корнеплоды имеют более крупные размеры. В силу специфики механизма расхождения хромосом у полиплоидов при скрещивании расщепление по фенотипу в F 2 составляет 35: 1.

В результате отдаленной гибридизации и последующего удвоения числа хромосом у гибридов возникают полиплоидные формы, содержащие два или более повторения разных наборов хромосом и называемые аллополиплоидами.

В ряде случаев полиплоидные растения имеют сниженную плодовитость, что связано с их происхождением и особенностями мейоза. У полиплоидов с четным числом геномов гомологичные хромосомы в ходе мейоза конъюгируют чаще парами, либо по нескольку пар вместе, не нарушая хода мейоза. Если одна или несколько хромосом не находят себе пары в мейозе и не принимают участия в конъюгации, образуются гаметы с несбалансированным числом хромосом, что ведет к их гибели и резкому снижению плодовитости полиплоидов. Еще большие нарушения возникают в мейозе у полиплоидов с нечетным числом наборов. У аллополиплоидов, возникших при гибридизации двух видов и имеющих по два родительских генома, при конъюгации каждая хромосома находит себе партнера среди хромосом своего вида, Полиплоидия играет большую роль в эволюции растений и находит применение в селекционной практике.

Под мутацией понимают изменение количества и структуры ДНК в клетке или у организма. Другими словами, мутация - это изменение генотипа . Особенностью изменения генотипа является то, что это изменение в результате митоза или мейоза может быть передано следующим поколениям клеток.

Чаще всего под мутациями понимают небольшое изменение в последовательности нуклеотидов ДНК (изменения в одном гене). Это так называемые . Однако кроме них существуют и , когда изменения затрагивают крупные участки ДНК, или меняется количество хромосом.

В результате мутации у организма внезапно может появиться новый признак.

Мысль, что именно мутация является причиной появления новых передающихся через поколения признаков, была впервые высказана Гуго де Фризом в 1901 году. Позже мутации у дрозофилы были изучены Т. Морганом и сотрудниками его школы.

Мутация - вред или польза?

Мутации, происходящие в «незначащих» («молчащих») участках ДНК, не изменяют признаки организма и могут спокойно передаваться из поколения в поколение (на них не будет действовать естественный отбор). Такие мутации можно считать нейтральными. Также нейтральными являются мутации, когда участок гена заменяется на синонимичный. При этом, хотя последовательность нуклеотидов в определенном участке и будет отличаться, но синтезироваться будет такой же белок (с той же последовательностью аминокислот).

Однако мутирование может затронуть значащий ген, изменить аминокислотную последовательность синтезируемого белка, а, следовательно, вызвать изменение признаков организма. В последствии, если концентрация мутации в популяции достигнет определенного уровня, то это приведет к изменению характерного признака всей популяции.

В живой природе мутации возникают как ошибки в ДНК, поэтому все они априори вредны. Большинство мутаций понижают жизнеспособность организма, вызывают различные заболевания. Мутации, возникающие в соматических клетках, не передаются следующему поколению, но в результате митоза образуются дочерние клетки, составляющие ту или иную ткань. Нередко соматические мутации приводят к образованию различных опухолей и других заболеваний.

Мутации, возникающие в половых клетках, могут быть переданы следующему поколению. В стабильных условиях внешней среды почти все изменения генотипа оказываются вредными. Но если условия среды изменились, то может оказаться, что ранее вредная мутации станет полезной.

Например, мутация, вызывающая образование коротких крыльев у какого-нибудь насекомого, скорее всего будет вредна в популяции, живущей в местах, где нет сильного ветра. Данная мутация будет сродни уродству, заболеванию. Обладающие ею насекомые с трудом будут находить партнеров для спаривания. Но если на местности начнут дуть более сильные ветры (например, в результате пожара участок леса был уничтожен), то насекомых с длинными крыльями будет сносить ветром, им будет тяжелее перемещаться. В таких условиях преимущество могут получить короткокрылые особи. Они чаще длиннокрылых будут находить партнеров и пищу. Через некоторое время в популяции окажется больше короткокрылых мутантов. Таким образом, мутация закрепится и превратится в норму.

Мутации лежат в основе естественного отбора и в этом их основная польза. Для организма же подавляющее число мутаций - это вред.

Почему возникают мутации?

В природе мутации возникают случайно и спонтанно. То есть любой ген в любой момент времени может мутировать. Однако частота мутаций у разных организмов и клеток различна. Например, она связана с продолжительностью жизненного цикла: чем он короче, тем мутации возникают чаще. Так у бактерий мутации возникают намного чаще, чем у организмов-эукариот.

Кроме спонтанных мутаций (случающихся в естественных условиях) бывают индуцированные (человеком в лабораторных условиях или неблагоприятными условиями среды) мутации .

В основном мутации возникаю в результате ошибок при репликации (удвоении), репарации (восстановлении) ДНК, при неравном кроссинговере, неправильном расхождении хромосом в мейозе и др.

Так в клетках постоянно происходит восстановление (репарация) поврежденных участков ДНК. Однако если в следствие различных причин механизмы репарации нарушаются, то ошибки в ДНК будут оставаться и накапливаться.

Результатом ошибки при репликации становится замена одного нуклеотида в цепочке ДНК на другой.

Что вызывает мутации?

Повышенный уровень мутаций вызывает рентгеновское излучение, ультрафиолетовые и гамма-лучи. Также к мутагенам относятся α- и β-частицы, нейтроны, космическое излучение (все это частицы, обладающие высокой энергией).

Мутаген - это то, что способно вызывать мутацию.

Кроме различных излучений, мутагенным действием обладают многие химические вещества: формальдегид, колхицин, компоненты табака, пестициды, консерванты, некоторые лекарственные препараты и др.

При спонтанно происходящих изменениях в ДНК, вызывающих в живых организмах различные патологии развития и роста, говорят о мутациях. Чтобы понять их сущность, необходимо больше узнать о причинах, приводящих к ним.

Генетики утверждают, что мутации свойственны всем организмам планеты без исключения (живым) и о том, что они существовали вечно, причем у одного организма их может быть несколько сотен. Однако различаются они степенью выраженности и характером проявления, которые определяют провоцирующие их факторы, а также затронутая генная цепочка.

Они бывают естественными и искусственными, т.е. вызванными в лабораторных условиях.

Наиболее частые факторы, приводящие к подобным изменениям с точки зрения генетиков, следующие:

излучение ионизирующее и рентгеновские лучи. Воздействуя на организм, радиоактивное излучение сопровождается изменением в атомах заряда электронов. Это вызывает сбой в нормальном протекании процессов физико-химических и химико-биологических;

очень высокая температура часто становится причиной изменений в случае, когда превышается порог чувствительности конкретного индивидуума;

когда клетки делятся, могут возникать задержки, а также слишком быстрое их разрастание, что также становится толчком к негативным изменениям;

«дефекты», возникающие в ДНК, при которых возвратить атом в первоначальное состояние не представляется возможным даже после восстановления.

Разновидности

На данный момент известно более тридцати видов отклонений в генофонде организма живого и генотипе, которые вызывают мутации. Одни достаточно безопасны и никак не проявляются внешне, т.е. не приводят к внутренним и внешним уродствам, поэтому живой организм не чувствует дискомфорта. Другие, напротив, сопровождаются сильнейшим дискомфортом.

Чтобы разобраться в том, что собой представляют мутации, следует ознакомиться с мутагенной классификацией, сгруппированной в соответствие с вызывающими дефекты причинами:

генетические и соматические , различающиеся типологией клеток, подвергшихся изменениям. Соматическая характерна для клеток млекопитающих. Их передать можно исключительно по наследству (к примеру, различный цвет глаз). Ее формирование происходит в материнской утробе. Генетическая мутация характерна для растений и беспозвоночных. Вызывают ее негативные факторы окружающей среды. Примером проявления являются грибы, появляющиеся на деревьях и пр.;

ядерные относятся к мутациям по месторасположению клеток, подвергшихся изменениям. Лечению такие варианты не поддаются, поскольку под непосредственное влияние попадают сами ДНК. Второй вид мутации – цитоплазматическая (или атавизмы). Он воздействует на любые жидкости, взаимодействующие с клеточным ядром и сами клетки. Подобные мутации излечимы;

явные (естественные) и индуцированные (искусственные). Возникновение первых внезапно и без видимых причин. Вторые связаны со сбоем физических или химических процессов;

генные и геномные , различающиеся своей выраженностью. В первом варианте изменения касаются нарушений, изменяющих последовательность нуклеотидного построения во вновьобразованных ДНК-цепочках (в качестве примера рассматривать можно фенилкетонурию).

Во втором случае происходит изменение в количественном хромосомном наборе, а в качестве примера выступает болезнь Дауна, Коновалова-Вильсона и пр.

Значение

Вред мутаций для организма неоспорим, поскольку это не просто отражается на нормальном его развитии, но нередко приводит к летальному исходу. Полезными мутации быть не могут. Это касается и случаев появления сверхспособностей. Они всегда являются предпосылками для естественного отбора, приводят к появлению новых видов организмов (живых) или же к полному вымиранию.

Теперь понятно, что процессы, затрагивают структуру ДНК, приводя к незначительным или смертельно опасным нарушениям, влияют на нормальное развитие и жизнедеятельность организма.

Мутации на генном уровне являются молекулярными, не видимыми в световом микроскопе структурными изменениями ДНК. К ним относят любые трансформации дезоксирибонуклеиновой кислоты, вне зависимости от их влияния на жизнеспособность и локализации. Некоторые виды генных мутаций не оказывают никакого воздействия на функции и структуру соответствующего полипептида (белка). Однако большая часть таких трансформаций провоцирует синтез дефектного соединения, утратившего способность выполнять свои задачи. Далее рассмотрим генные и хромосомные мутации более подробно.

Характеристика трансформаций

Наиболее распространенными патологиями, которые провоцируют генные мутации человека, являются нейрофиброматоз, адрено-генитальный синдром, муковисцидоз, фенилкетонурия. В этот список можно также включить гемохроматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и прочие. Это далеко не все примеры генных мутаций. Их клиническими признаками выступают обычно нарушения метаболизма (обменного процесса). Генные мутации могут состоять в:

• Замене в кодоне основания. Такое явление именуют миссенс-мутацией. При этом в кодирующей части происходит замена нуклеотида, что, в свою очередь, приводит к смене аминокислоты в белке.
• Изменении кодона таким образом, что приостанавливается считывание информации. Этот процесс называют нонсенсмутацией. При замене нуклеотида в данном случае происходит формирование стоп-кодона и прекращение трансляции.
• Нарушении считывания, сдвиге рамки. Этот процесс именуют "фреймшифтом". При молекулярном изменении ДНК трансформируются триплеты в ходе трансляции полипептидной цепочки.

Классификация

В соответствии с типом молекулярной трансформации существуют следующие генные мутации:

• Дупликация. В этом случае происходит повторное дублирование либо удвоение фрагмента ДНК от 1 нуклеотида до генов.
• Делеция. В этом случае имеет место утрата фрагмента ДНК от нуклеотида до гена.
• Инверсия. В этом случае отмечается поворот на 180 град. участка ДНК. Его размер может быть как в два нуклеотида, так и в целый фрагмент, состоящий из нескольких генов.
• Инсерция. В этом случае происходит вставка участков ДНК от нуклеотида до гена.

Молекулярные трансформации, захватывающие от 1 до нескольких звеньев, рассматриваются как точечные изменения.

Отличительные черты

Генные мутации имеют ряд особенностей. В первую очередь следует отметить их способность переходить по наследству. Кроме того, мутации могут спровоцировать трансформацию генетических сведений. Некоторые из изменений могут быть отнесены к так называемым нейтральным. Такие генные мутации не провоцируют каких-либо нарушений в фенотипе. Так, благодаря врожденности кода одна и та же аминокислота может кодироваться двумя триплетами, имеющими отличия только по 1 основанию. Вместе с тем определенный ген может мутировать (трансформироваться) в несколько разных состояний. Именно такого рода изменения провоцируют большую часть наследственных патологий. Если приводить примеры генных мутаций, то можно обратиться к группам крови. Так, у элемента, контролирующего их системы АВ0, присутствует три аллеля: В, А и 0. Их сочетание определяют группы крови. Относящаяся к системе АВ0 считается классическим проявлением трансформации нормальных признаков у людей.

Геномные трансформации

Эти трансформации имеют свою классификацию. В категорию геномных мутаций относят изменения в плоидности не измененных структурно хромосом и анеуплоидии. Такие трансформации определяются специальными методами. Анеуплоидия представляет собой изменение (увеличение - трисомию, уменьшение - моносомию) количества хромосом диплоидного набора, некратное гаплоидному. При кратном увеличении числа говорят о полиплоидии. Они и большая часть анеуплоидий у людей считаются летальными изменениями. Среди наиболее распространенных геномных мутаций выделяют:

• Моносомию. В этом случае присутствует только одна из 2 гомологичных хромосом. На фоне такой трансформации здоровое эмбриональное развитие невозможно по любой из аутосом. В качестве единственной совместимой с жизнью выступает моносомия по хромосоме Х. Она провоцирует синдром Шерешевского-Тернера.
• Трисомия. В данном случае в кариотипе выявляется три гомологичных элемента. Примеры таких генных мутаций: синдромы Дауна, Эдвардса, Патау.

Провоцирующий фактор

Причиной, по которой развивается анеуплоидия, считается нерасхождение хромосом в процессе клеточного деления на фоне формирования половых клеток либо утрата элементов вследствие анафазного отставания, в то время как при движении к полюсу гомологичное звено может отстать от негомологичного. Понятие "нерасхождение" указывает на отсутствие разделения хроматид либо хромосом в митозе либо мейозе. Это нарушение может привести к мозаицизму. В этом случае одна клеточная линия будет нормальной, а другая - моносомной.

Нерасхождение при мейозе

Такое явление считается наиболее частым. Те хромосомы, которые должны в норме делиться при мейозе, остаются соединенными. В анафазе они отходят к одному клеточному полюсу. В результате формируется 2 гаметы. В одной из них присутствует добавочная хромосома, а в другой не достает элемента. В процессе оплодотворения нормальной клетки с лишним звеном развивается трисомия, гаметы с недостающим компонентом - моносомия. При формировании моносомной зиготы по какому-нибудь аутосомному элементу развитие прекращается на начальных этапах.

Хромосомные мутации

Эти трансформации представляют собой структурные изменения элементов. Как правило, они визуализируются в световой микроскоп. В хромосомные мутации обычно вовлекается от десятков до сотен генов. Это провоцирует изменения в нормальном диплоидном наборе. Как правило, такие аберрации не вызывают трансформации последовательности в ДНК. Однако при изменении количества генных копий развивается генетический дисбаланс из-за недостатка либо переизбытка материала. Существует две большие категории данных трансформаций. В частности, выделяют внутри- и межхромосомные мутации.

Влияние среды

Люди эволюционировали в качестве групп изолированных популяций. Они достаточно долго проживали в одинаковых условиях среды. Речь, в частности, идет о характере питания, климатогеографических характеристиках, культурных традициях, возбудителях патологий и прочем. Все это привело к закреплению специфических для каждой популяции сочетаний аллелей, являвшихся наиболее соответствующими для условий проживания. Однако вследствие интенсивного расширения ареала, миграций, переселения стали возникать ситуации, когда бывшие в одной среде полезные сочетания определенных генов в другой перестали обеспечивать нормальное функционирование ряда систем организма. В связи с этим часть наследственной изменчивости обуславливается неблагоприятным комплексом непатологических элементов. Таким образом, в качестве причины генных мутаций в данном случае выступают изменения внешней среды, условий проживания. Это, в свою очередь, стало основой для развития ряда наследственных заболеваний.

Естественный отбор

С течением времени эволюция протекала в более специфичных видах. Это также способствовало расширению наследственного разнообразия. Так, сохранялись те признаки, которые могли исчезать у животных, и наоборот, отметалось то, что оставалось у зверей. В ходе естественного отбора люди приобретали также и нежелательные признаки, которые имели прямое отношение к болезням. К примеру, у человека в процессе развития появились гены, способные определять чувствительность к полиомиелиту либо дифтерийному токсину. Став Homo sapiens, биологический вид людей в некотором роде "заплатил за свою разумность" накоплением и патологических трансформаций. Данное положение считается основой одной из базовых концепций учения о генных мутациях.

Изменчивость — способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости, организмы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания.

Различают две основные формы изменчивости : наследственная и ненаследственная.

Наследственная , или генотипическая , изменчивость — изменения признаков организма, обусловленные изменением генотипа. Она, в свою очередь, подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекомбинации наследственного материала (генов и хромосом) во время гаметогенеза и полового размножения. Мутационная изменчивость возникает в результате изменения структуры наследственного материала.

Ненаследственная , или фенотипическая , или модификационная , изменчивость — изменения признаков организма, не обусловленные изменением генотипа.

Мутации

Мутации — это стойкие внезапно возникшие изменения структуры наследственного материала на различных уровнях его организации, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Термин «мутация» введен в науку Де Фризом. Им же создана мутационная теория , основные положения которой не утратили своего значения по сей день.

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, без всяких переходов.
2. Мутации наследственны, т.е. стойко передаются из поколения в поколение.
3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (как при модификационной изменчивости), они являются качественными изменениями.
4. Мутации ненаправленны — мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении.
5. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
6. Мутации индивидуальны, то есть возникают у отдельных особей.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом , а факторы среды, вызывающие появление мутаций, — мутагенами .

По типу клеток, в которых мутации произошли, различают: генеративные и соматические мутации.

Генеративные мутации возникают в половых клетках, не влияют на признаки данного организма, проявляются только в следующем поколении.

Соматические мутации возникают в соматических клетках, проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Сохранить соматические мутации можно только путем бесполого размножения (прежде всего вегетативного).

По адаптивному значению выделяют: полезные, вредные (летальные, полулетальные) и нейтральные мутации. Полезные — повышают жизнеспособность, летальные — вызывают гибель, полулетальные — снижают жизнеспособность, нейтральные — не влияют на жизнеспособность особей. Следует отметить, что одна и та же мутация в одних условиях может быть полезной, а в других — вредной.

По характеру проявления мутации могут быть доминантными и рецессивными . Если доминантная мутация является вредной, то она может вызвать гибель ее обладателя на ранних этапах онтогенеза. Рецессивные мутации не проявляются у гетерозигот, поэтому длительное время сохраняются в популяции в «скрытом» состоянии и образуют резерв наследственной изменчивости. При изменении условий среды обитания носители таких мутаций могут получить преимущество в борьбе за существование.

В зависимости от того, выявлен ли мутаген, вызвавший данную мутацию, или нет, различают индуцированные и спонтанные мутации. Обычно спонтанные мутации возникают естественным путем, индуцированные — вызываются искусственно.

В зависимости от уровня наследственного материала, на котором произошла мутация, выделяют: генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Генные мутации — изменения структуры генов. Поскольку ген представляет собой участок молекулы ДНК, то генная мутация представляет собой изменения в нуклеотидном составе этого участка. Генные мутации могут происходить в результате: 1) замены одного или нескольких нуклеотидов на другие; 2) вставки нуклеотидов; 3) потери нуклеотидов; 4) удвоения нуклеотидов; 5) изменения порядка чередования нуклеотидов. Эти мутации приводят к изменению аминокислотного состава полипептидной цепи и, следовательно, к изменению функциональной активности белковой молекулы. Благодаря генным мутациям возникают множественные аллели одного и того же гена.

Заболевания, причиной которых являются генные мутации, называются генными (фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия, гемофилия и т.д.). Наследование генных болезней подчиняется законам Менделя.

Хромосомные мутации

Это изменения структуры хромосом. Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы — внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), так и между хромосомами — межхромосомные мутации (транслокация).

Делеция — утрата участка хромосомы (2); инверсия — поворот участка хромосомы на 180° (4, 5); дупликация — удвоение одного и того же участка хромосомы (3); инсерция — перестановка участка (6).

Хромосомные мутации: 1 — парахромосом; 2 — делеция; 3 — дупликация; 4, 5 — инверсия; 6 — инсерция.

Транслокация — перенос участка одной хромосомы или целой хромосомы на другую хромосому.

Заболевания, причиной которых являются хромосомные мутации, относятся к категории хромосомных болезней . К таким заболеваниям относятся синдром «крика кошки» (46, 5р -), транслокационный вариант синдрома Дауна (46, 21 t21 21) и др.

Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза.

Гаплоидия — уменьшение числа полных гаплоидных наборов хромосом.

Полиплоидия — увеличение числа полных гаплоидных наборов хромосом: триплоиды (3n ), тетраплоиды (4n ) и т.д.

Гетероплоидия (анеуплоидия ) — некратное увеличение или уменьшение числа хромосом. Чаще всего наблюдается уменьшение или увеличение числа хромосом на одну (реже две и более).

Наиболее вероятной причиной гетероплоидии является нерасхождение какой-либо пары гомологичных хромосом во время мейоза у кого-то из родителей. В этом случае одна из образовавшихся гамет содержит на одну хромосому меньше, а другая — на одну больше. Слияние таких гамет с нормальной гаплоидной гаметой при оплодотворении приводит к образованию зиготы с меньшим или большим числом хромосом по сравнению с диплоидным набором, характерным для данного вида: нулесомия (2n - 2), моносомия (2n - 1), трисомия (2n + 1), тетрасомия (2n + 2) и т.д.

На генетических схемах, приведенных ниже, показано, что рождение ребенка с синдромом Клайнфельтера или синдромом Тернера-Шерешевского можно объяснить нерасхождением половых хромосом во время анафазы 1 мейоза у матери или у отца.

1) Нерасхождение половых хромосом во время мейоза у матери

2) Нерасхождение половых хромосом во время мейоза у отца

Заболевания, причиной которых являются геномные мутации, также относятся к категории хромосомных. Их наследование не подчиняется законам Менделя. Кроме вышеназванных синдромов Клайнфельтера или Тернера-Шерешевского, к таким болезням относятся синдромы Дауна (47, +21), Эдвардса (+18), Патау (47, +15).

Полиплодия характерна для растений. Получение полиплоидов широко используется в селекции растений.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова

«Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство».

Этот закон можно проиллюстрировать на примере семейства Мятликовые, к которому относятся пшеница, рожь, ячмень, овес, просо и т.д. Так, черная окраска зерновки обнаружена у ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы и других растений, удлиненная форма зерновки — у всех изученных видов семейства. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости позволил самому Н.И. Вавилову найти ряд форм ржи, ранее не известных, опираясь на наличие этих признаков у пшеницы. К ним относятся: остистые и безостые колосья, зерновки красной, белой, черной и фиолетовой окраски, мучнистое и стекловидное зерно и т.д.

* Примечание . Знак «+» означает наличие наследственных форм, обладающих указанным признаком.

Открытый Н.И. Вавиловым закон справедлив не только для растений, но и для животных. Так, альбинизм встречается не только в разных группах млекопитающих, но и птиц, и других животных. Короткопалость наблюдается у человека, крупного рогатого скота, овец, собак, птиц, отсутствие перьев — у птиц, чешуи — у рыб, шерсти — у млекопитающих и т.д.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости имеет большое значение для селекции, поскольку позволяет предугадать наличие форм, не обнаруженных у данного вида, но характерного для близкородственных видов. Причем искомая форма может быть обнаружена в дикой природе или получена путем искусственного мутагенеза.

Искусственное получение мутаций

В природе постоянно идет спонтанный мутагенез, но спонтанные мутации — достаточно редкое явление, например, у дрозофилы мутация белых глаз образуется с частотой 1:100 000 гамет.

Факторы, воздействие которых на организм приводит к появлению мутаций, называются мутагенами . Обычно мутагены подразделяют на три группы. Для искусственного получения мутаций используются физические и химические мутагены.

Индуцированный мутагенез имеет большое значение, поскольку дает возможность создания ценного исходного материала для селекции, а также раскрывает пути создания средств защиты человека от действия мутагенных факторов.

Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость — это изменения признаков организмов, не обусловленные изменениями генотипа и возникающие под влиянием факторов внешней среды. Среда обитания играет большую роль в формировании признаков организмов. Каждый организм развивается и обитает в определенной среде, испытывая на себе действие ее факторов, способных изменять морфологические и физиологические свойства организмов, т.е. их фенотип.

Примером изменчивости признаков под действием факторов внешней среды является разная форма листьев у стрелолиста: погруженные в воду листья имеют лентовидную форму, листья, плавающие на поверхности воды, — округлую, а находящиеся в воздушной среде, — стреловидную. Под действием ультрафиолетовых лучей у людей (если они не альбиносы) появляется загар в результате накопления в коже меланина, причем у разных людей интенсивность окраски кожи различна.

Модификационная изменчивость характеризуется следующими основными свойствами: 1) ненаследуемость; 2) групповой характер изменений (особи одного вида, помещенные в одинаковые условия, приобретают сходные признаки); 3) соответствие изменений действию фактора среды; 4) зависимость пределов изменчивости от генотипа.

Несмотря на то, что под влиянием условий внешней среды признаки могут изменяться, эта изменчивость не беспредельна. Это объясняется тем, что генотип определяет конкретные границы, в пределах которых может происходить изменение признака. Степень варьирования признака, или пределы модификационной изменчивости, называют нормой реакции . Норма реакции выражается в совокупности фенотипов организмов, формирующихся на основе определенного генотипа под влиянием различных факторов среды. Как правило, количественные признаки (высота растений, урожайность, размер листьев, удойность коров, яйценоскость кур) имеют более широкую норму реакции, то есть могут изменяться в широких пределах, чем качественные признаки (цвет шерсти, жирность молока, строение цветка, группа крови). Знание нормы реакции имеет большое значение для практики сельского хозяйства.

Модификационная изменчивость многих признаков растений, животных и человека подчиняется общим закономерностям. Эти закономерности выявляются на основании анализа проявления признака у группы особей (n ). Степень выраженности изучаемого признака у членов выборочной совокупности различна. Каждое конкретное значение изучаемого признака называют вариантой и обозначают буквой v . Частота встречаемости отдельных вариант обозначается буквой p . При изучении изменчивости признака в выборочной совокупности составляется вариационный ряд, в котором особи располагаются по возрастанию показателя изучаемого признака.

Например, если взять 100 колосьев пшеницы (n = 100), подсчитать число колосков в колосе (v ) и число колосьев с данным количеством колосков, то вариационный ряд будет выглядеть следующим образом.

На основании вариационного ряда строится вариационная кривая — графическое отображение частоты встречаемости каждой варианты.

Среднее значение признака встречается чаще, а вариации, значительно отличающиеся от него, — реже. Это называется «нормальным распределением» . Кривая на графике бывает, как правило, симметричной.

Среднее значение признака подсчитывается по формуле:

где М — средняя величина признака; ∑(v