Основы генетики
Типы наследственной изменчивости. Классификация мутаций по фенотипическому проявлению и влиянию на жизнеспособности организма
Наследственная изменчивость и ее типы.
Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов:
· независимого расхождения хромосом в процессе мейоза;
· рекомбинации генов при кроссинговере;
· случайной встречи гамет при оплодотворении.
Комбинативная изменчивость является главным источником наблюдаемого генетического разнообразия. Известно, что в геноме человека содержится примерно 30—40 тыс. генов. Около трети всех генов имеют более чем один аллель, т. е. являются полиморфными. Однако даже при наличии лишь небольшого числа локусов, содержащих по нескольку аллелей, только при рекомбинации (вследствие перемешивания генных комплексов) возникает колоссальное; множество уникальных генотипов.
Так, только при 10 генах, содержащих по 4 аллеля каждый, теоретическое число уникальных диплоидных генотипов составляет 10 миллиардов!
Поскольку около одной трети генов в геноме человека являются полиморфными, то только за счет рекомбинации создается неисчерпаемое генетическое разнообразие человека. В свою очередь неповторимость генетической конституции во многом определяет уникальность и неповторимость каждого человека.
Мутационная изменчивость обусловлена мутациями – устойчивыми изменениями генетического материала и, соответственно, наследуемого признака.
Мутационная изменчивость возникает вследствие мутаций. Мутации – нарушение генетического материала, имеющие стойкий характер и возникающие внезапно, скачкообразно (де Фриз).
Мутации.
Поскольку гены определяют последовательную цепь процессов при развитии организма, т.е. морфологическую, физиологическую и биохимическую дифференциацию тканей и составляющих их клеток, то классификация мутаций по их действию полезна при изучении закономерностей осуществления наследственности в индивидуальном развитии организма.
Морфологические мутации изменяет характер роста и формирования органов у животных или растений. Они обуславливают, например, коротконогость у ряда сельскохозяйственных животных: крупный рогатый скот, овцы. Безглазость и бескрылость у насекомых, бесшерстость у млекопитающих, неопушенность различных органов у растений, гигантизм и карликивость.
У самых различных организмов известно большое количество физиологических мутаций, повышающих или понижающих жизнеспособность организмов, в частности летальных и полулетальных, полностью или частично тормозящих развитие. Например, мутации у мышей вызывающие круговое «вальсирующее» движение.
К биохимическим мутациям относятся мутации, тормозящие или изменяющие синтез определенных химических веществ в организме. Эти мутации изменяют химический состав организма или его потребность в тех или иных химических веществах. Носители этих мутаций без введения недостающих веществ в организм и среду, на которой они выращиваются, не развиваются. Это ауксотрофы, в отличии от диких особей прототрофов,- способных самостоятельно синтезировать необходимые вещества. Классификация мутаций по адаптивному значению.
По адаптивному значению мутации можно делить на: полезные, нейтральные и вредные (летальные и полулетальные). Это деление также очень условно и относительно. Снижение жизнеспособности организмов и торможение развития вызывают мутации, которые относятся к группе летальных и полулетальных. Мутации, увеличивающие жизнеспособность особей, расширяющие их адаптивные возможности, повышающие плодовитость, относятся к числу полезных. Примером могут служит мутации приводящие к увеличению синтеза антибиотиков в клетках грибов,- ибо она увеличивает вероятность выживаемости таких клеток. Между полезными, летальными и полулетальными мутациями существуют почти непрерывные переходы. Классифицировать мутации по их адаптивному значению можно только условно, так как при изменении условий внешней среды мутации из полезных могут стать вредными и наоборот. У дрозофилы мутации с белыми глазами в нормальных условиях выращивания обладают пониженной жизнеспособностью по сравнению мухами дикого типа. При повышении температуры белоглазые мухи оказываются более приспособленными и успешно конкурируют с красноглазами.
Хромосомная теория наследственности Т.Х. Моргана. Её значение и недостатки.
Сцепленное наследование — феномен скоррелированного наследования определённых состояний генов, расположенных в одной хромосоме.
Полной корреляции не бывает из-за мейотического кроссинговера, так как сцепленные гены могут разойтись по разным гаметам. Кроссинговер наблюдается в виде расцепления у потомства тех аллелей генов и, соответственно, состояний признаков, которые были сцеплены у родителей.
Наблюдения, проведённые Томасом Морганом, показали, что вероятность кроссинговера между различными парами генов разная, и появилась идея создать генные карты на основании частот кроссинговера между разными генами. Первая генная карта была построена студентом Моргана, Альфредом Стёртевантом (англ.) в 1913 году на материале Drosophila melanogaster.
Расстояние между генами, расположенными в одной хромосоме, определяется по проценту кроссинговера между ними и прямо пропорционально ему. За единицу расстояния принят 1 % кроссинговера (1 морганида или 1 сантиморганида). Чем дальше гены находятся друг от друга в хромосоме, тем чаще между ними будет происходить кроссинговер. Максимальное расстояние между генами, расположенными в одной хромосоме, может быть равно 49 сантиморганидам.
Сцепленные признаки
Сцепленными признаками называются признаки, которые контролируются генами, расположенными в одной хромосоме. Естественно, что они передаются вместе в случаях полного сцепления.
Закон Моргана
Сцепленные гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно и не обнаруживают независимого распределения
Кроссинговер
Однако, гомологичные хромосомы могут перекрещиваться (кроссинговер или перекрест) и обмениваться гомологичными участками. В этом случае гены одной хромосомы переходят в другую, гомологичную ей. Чем ближе друг к другу расположены гены в хромосоме, тем сильнее между ними сцепление и тем реже происходит их расхождение при кроссинговере, и, наоборот, чем дальше друг от друга отстоят гены, тем слабее сцепление между ними и тем чаще возможно его нарушение.
Количество разных типов гамет будет зависеть от частоты кроссинговера или расстояния между анализируемыми генами. Расстояние между генами исчисляется в морганидах: единице расстояния между генами, находящимися в одной хромосоме, соответствует 1% кроссинговера. Такая зависимость между расстояниями и частотой кроссинговера прослеживается только до 50 морганид.
Хромосомная теория наследственности.
Хромосомная теория наследственности — теория, согласно которой хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, то есть преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Хромосомная теория наследственности возникла в начале 20 в. на основе клеточной теории и использовалась для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.
Основоположник хромосомной теории Томас Гент Морган, американский генетик, Нобелевский лауреат. Морган и его ученики установили, что:
– каждый ген имеет в хромосоме определенный локус (место);
– гены в хромосоме расположены в определенной последовательности;
– наиболее близко расположенные гены одной хромосомы сцеплены, поэтому наследуются преимущественно вместе;
– группы генов, расположенных в одной хромосоме, образуют группы сцепления;
– число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом у гомогаметных особей и n+1 у гетерогаметных особей;
– между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер); в результате кроссинговера возникают гаметы, хромосомы которых содержат новые комбинации генов;
– частота (в %) кроссинговера между неаллельными генами пропорциональна расстоянию между ними;
– набор хромосом в клетках данного типа (кариотип) является характерной особенностью вида;
– частота кроссинговера между гомологичными хромосомами зависит от расстояния между генами, локализованными в одной хромосоме. Чем это расстояние больше, тем выше частота кроссинговера. За единицу расстояния между генами принимается 1 морганида (1 % кроссинговера) или процент появления кроссоверных особей. При значении этой величины в 10 морганид можно утверждать, что частота перекреста хромосом в точках расположения данных генов равна 10 % и что в 10 % потомства будут выявлены новые генетические комбинации.
Для выяснения характера расположения генов в хромосомах и определения частоты кроссинговера между ними строятся генетические карты. Карта отражает порядок расположения генов в хромосоме и расстояние между генами одной хромосомы. Эти выводы Моргана и его сотрудников получили название хромосомной теории наследственности. Важнейшими следствиями этой теории являются современные представления о гене, как о функциональной единице наследственности, его делимости и способности к взаимодействию с другими генами.
Формированию хромосомной теории способствовали данные, полученные при изучении генетики пола, когда были установлены различия в наборе хромосом у организмов различных полов.