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