Лекція 6 Мінливість ? властивість живого. Генотип і фенотип. Проблеми мутагенезу
Мінливістю називають відмінності між особинами одного виду – предками і нащадками, які виникають внаслідок змін спадкового матеріалу або впливу умов зовнішнього середовища. Мінливість, як і спадковість, властива всій живій природі.
У генетичній інформації закладена здатність розвитку окремих властивостей і ознак. Ця здатність реалізується тільки у певних умовах середовища. Одна і та сама спадкова інформація у змінених умовах може проявлятися по-різному. Так, у примули забарвлення квіток (червоне або біле), у кролів гімалайської породи та сіамських котів характер пігментації волосяного покриву на різних частинах тіла визначається зовнішньою температурою (на більш охолоджених ділянках шерсть темна, бо у цих організмів є мутантний фермент тирозиназа). Отже, успадковується не готова ознака, а певний тип реакції на дію зовнішнього середовища.
Діапазон мінливості, у межах якої залежно від умов середовища один і той самий генотип здатний давати різні фенотипи, називають нормою реакції. У примули генотип такий, що червоний колір квіток з’являється при температурі 15 – 200С, білий – при більш високій температурі, але ні при якій температурі не спостерігається блакитні, сині, фіолетові або жовті квітки. Така норма реакції цієї рослини за ознакою пігментації квіток.
У ряді випадків у одного і того самого гена залежно від усього генотипу і зовнішніх умов можлива різна форма вияву фенотипу: від майже повної відсутності контрольованої геном ознаки до повної її присутності.
Ступінь прояву ознаки при реалізації генотипу у різних умовах середовища називають експресивністю. Під експресивністю розуміють вираженість генотипного вияву гена. Вона пов’язана з мінливістю ознак у межах норми реакції. Експресивність може проявитися у зміні морфологічних ознак, біохімічних, імунологічних, патологічних та інших показників. Так вміст хлору у поті людини звичайно не перевищує 40 ммоль/л, а при спадковій хворобі муковісцидозі (при одному і тому самому генотипі) коливається від 40 до 150 ммоль/л. Спадкова хвороба фенілкетонурія (порушення амінокислотного обміну) може мати різний ступінь прояву (тобто різну експресивність): від легкої розумової відсталості до глибокої імбецильності (тобто здатності тільки до елементарних навичок самообслуговування).
Одна і та сама ознака може проявлятися у одних організмів і не проявлятися у інших, які мають той самий ген. Кількісний показник фенотипового вияву гена називають пенетрантністю. Вона характеризується співвідношенням особин, у яких даний ген проявляється у фенотипі, до загальної кількості особин, у яких ген міг би проявитися (якщо враховується рецесивний ген, то у гомозигот, якщо домінантний – то у домінантних гомозигот і гетерозигот). Якщо, наприклад, мутантний ген проявляється у всіх особин, говорять про 100% – ну пенетрантність, у решті випадків – про неповну і вказують процент особин, у яких проявляється ген. Так, успадкованість груп крові у людини за системою АВО має стопроцентну пенетрантність, спадкові хвороби – неповну: епілепсія – 67%, цукровий діабет – 65%, природжений вивих стегна – 20% пенетрантності тощо.
Терміни «експресивність» і «пенетрантність» введені у 1927 р. М. В. Тимофеєвим-Ресовським. Експресивність і пенетрантність підтримуються природним добором. Обидві особливості необхідно мати на увазі при вивченні спадковості у людини. Необхідно пам’ятати, що гени, які контролюють патологічні ознаки, можуть мати різну пенетрантність і експресивність, тобто проявлятися не у всіх носіїв аномального гена, і що у хворих рівень хворобливого стану неоднаковий. Змінюючи умови середовища, можна впливати на прояв ознак.
Плейотропія (грец. pleison – повний, tropos – спосіб) – залежність кількох ознак від одного гена, тобто множинна дія одного гена. Це явище було уперше виявлене Менделем, хоча він його спеціально не досліджував. За його спостереженнями, у рослин з пурпуровими квітками черешки листків завжди мали червоний колір, а шкірка насіння була білою. Ці три ознаки визначалися дією одного гена. У людини відома спадкова хвороба – арахнодактилія («павукові пальці» – дуже тонкі і довгі пальці), або хвороба Марфана. Ген, який відповідає за цю хворобу, викликає порушення розвитку сполучної тканини і одночасно впливає на розвиток кількох ознак: довжину пальців, порушення будови кришталика ока, аномалії в серцево-судинній системі.
Плейотропічна дія гена може бути первинною і вторинною. При первинній плейотропії ген проявляє і свою множинну дію. Наприклад, змінений білок взаємодіє з цитоплазмою різних клітинних систем або змінює властивості мембран у клітинах кількох органів.
При вторинній плейотропії є один первинний фенотиповий прояв гена, услід за яким розвивається ступінчастий процес вторинних проявів, які приводять до множинних ефектів. Так, при серпоподібноклітинній анемії у гомозигот спостерігається кілька патологічних ознак: анемія, збільшена селезінка, ураження шкіри, серця, нирок і мозку. Тому гомозиготи гинуть, як правило, у дитячому віці. Першопричиною, безпосереднім фенотиповим проявом дефектного гена є аномальний гемоглобін і еритроцити серпоподібної форми. Внаслідок цього відбуваються інші патологічні процеси: злипання і руйнування еритроцитів, анемія, дефекти у нирках, серці, мозку. Ці патологічні ознаки є вторинними. Більше розповсюдження має вторинна плейотропія.
Той факт, що один і той самий генотип може стати джерелом розвитку різних фенотипів, має суттєве значення для медицини. Це значить, що обтяжена спадковість не обов’язково має проявлятися. Багато залежить від тих умов, у яких знаходиться людина. У ряді випадків хворобу як фенотиповий вияв спадкової інформації можна відвернути дотриманням дієти або використанням лікарських препаратів. Реалізація спадкової інформації знаходиться у прямій залежності від середовища. Їхню взаємозалежність можна сформулювати у вигляді певних положень.
Оскільки організми є відкритими системами, які є єдине ціле з умовами середовища, то і реалізація спадкової інформації відбувається під контролем середовища.
Один і той же генотип здатний дати різні фенотипи, що визначається умовами, в яких реалізується генотип у процесі онтогенезу особини.
У організмі можуть розвиватися тільки ті ознаки, які зумовлені генотипом. Фенотипова мінливість у межах норми реакції відбувається за кожною конкретною ознакою.
Умови середовища можуть вплинути на ступінь вираженості спадкової ознаки в організмах, які мають відповідний ген (експресивність), або на кількість особин, які проявляють відповідну ознаку (пенетрантність).
Мінливість, як і спадковість, властива всім живим організмам. Розрізняють спадкову (генотипічну) мінливість і неспадкову (фенотипічну) мінливість.
Неспадкова (фенотипічна) мінливість поділяється на 2 види: модифікаційну й онтогенетичну.
Модифікаційна мінливість – це неспадкова зміна ознак, що виникає в результаті дії зовнішнього середовища на соматичні клітини і не впливає на спадковий апарат. Модифікаційна мінливість фенотипу відбувається в межах норми реакції. Зміни ознак, що виникають унаслідок різних умов існування, називаються модифікаціями.
Модифікації носять адаптивний (пристосувальний) характер і мають значення для виживання організмів, виконуючи певну роль у збереженні виду. Модифікаційна мінливість – явище масове. Вона торкається не одного, а сукупності об’єктів, і тому її ще називають груповою, або визначеною.
Під впливом зовнішніх умов змінюються ріст тварин і рослин, їхня вага, колір, тощо. Виникнення модифікацій пов’язане з тим, що умови середовища впливають на ферментативні реакції, які відбуваються в організмі і певним чином змінюють їх хід (підсилення пігментації під впливом ультрафіолету, розвинення м'язево-кісткової системи під впливом фізичного навантаження).
Онтогенетична мінливість спостерігається під час індивідуального розвитку особини, у період від запліднення до смерті.
Онтогенез – це повний цикл індивідуального розвитку кожної особини, в основі якого лежить реалізація спадкової інформації на всіх стадіях існування у певних умовах навколишнього середовища; він починається утворенням зиготи (при статевому розмноженні) і закінчується смертю.
Спадкова мінливість – це здатність до змін самого генетичного матеріалу, а неспадкова – здатність організму реагувати на умови зовнішнього середовища, змінюючись в межах норми реакції, заданої генотипом.
Спадкова (генотипічна) мінливість у свою чергу поділяється на комбінативну і мутаційну.
Комбінативна (рекомбінативна) мінливість, яка залежить від перекомбінування алелів у генотипах нащадків порівняно з генотипами батьків, призводить до появи нових ознак у дітей.
Існує 3 механізми комбінативної мінливості:
Незалежне розходження хромосом при мейозі.
Рекомбінація генів завдяки кросинговеру.
Випадкове поєднання при заплідненні.
Явище комбінативної пояснює причину поєднання
в дітей та онуків ознак родичів по батьківській і материнській лініях.