Вопрос 5. Генотипическая изменчивость как материал эволюции. Источники генотипической изменчивости.

Изменчивость - свойство живых организмов существовать в различных формах (вариантах). Благодаря изменчивости отдельных особей популяция оказывается разнородной. Ненаследственная изменчивость возникает в процессе индивидуального развития организмов под влиянием конкретных условий среды, вызывающих у всех особей одного вида сходные изменения, поэтому Дарвин назвал эту изменчивость определенной. Однако степень таких изменений у отдельных индивидуумов может быть различной. Ненаследственная, или модификационная изменчивость не связана с изменением генов. Но способность к модификации определяется генотипом (см. норма реакции). Например, антилопа гну зимой в заповеднике Аскания - Нова отращивает густой подшерсток, а антилопа канна к такой модификации не способна и зимовать может только в отапливаемых помещениях (см. модификации). Наследственная изменчивость - основа разнообразия живых организмов и главное условие их способности к эволюционному развитию. В основе генотипической изменчивости могут лежать мутации (см. мутации) или новые комбинации аллелей, образующиеся за счет механизма распределения хромосом в мейозе, процесса кроссинговера и случайной встречи гамет при оплодотворении. Для понимания эволюционного процесса нужно иметь в виду, что естественный отбор в равной мере учитывает как генотипические, так и модификационные изменения фенотипа, но наследуются только первые. Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции, обеспечивающий приспособленность популяций и видов к изменяющимся условиям существования. Генетическая изменчивость лежит в основе практической селекции при создании новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов; модификационная - при подборе условий существования организмов, в которых реализуется один из пределов нормы реакции для особей данного генотипа.

Комбинативная изменчивость. Одним из механизмов в комбинативной изменчивости является рекомбинация генетического материала в процессе мейоза (кроссинговер), в результате которой многие хромосомы отличаются от хромосом родительской клетки по составу аллелей. Другой механизм комбинативной изменчивости, осуществляемый путем независимого расхождения негомологичных хромосом, имеет эволюционное значение, создавая генетическую разнокачественность популяций. Следующий механизм комбинативной изменчивости – оплодотворение, когда случайным образом соединяются гаметы. При этом каждая из гамет уникальна в результате кроссинговера и случайного распределения негомологичных хромосом в мейозе.

Механизмы комбинативной изменчивости рассмотрим на примере человека. Все люди (более 6 млрд.) обладают уникальными генотипами. Исключение составляют однояйцевые близнецы, составляющие не более 0,15% всего населения. Понимание проблемы генетической уникальности человека – один из важнейших элементов не только его биологии, но и культуры в целом. Уникальность проявляется на уровне генотипа как системы взаимодействующих генетических элементов (генов), многие из которых находятся в различных аллельных состояниях. Локализованные в разных хромосомах или в разных участках одной хромосомы, гены взаимодействуют. Результаты таких взаимодействий будут зависеть от числа генов, участвующих в формировании признака (или признаков) и их аллельных состояний.

Механизмы комбинативной изменчивости свидетельствуют, что комбинаторика генов при созревании половых клеток и оплодотворении реализует со 100%-й вероятностью следующую закономерность: человек уникален с момента начала своего развития.

Кроссинговер – (англ. «кроссинг-овер)» - перекрест между гомологичными хромосомами и взаимный обмен гомологичными участками в результате разрыва и соединения в новом порядке их нитей - хроматид; приводит к новым комбинациям аллелей разных генов. Важнейший механизм, обеспечивающий комбинативную изменчивость в популяциях и тем самым дающий материал для естественного отбора. Протекает в мейотически, реже - в митотически делящихся клетках. Может приводить к перекомбинации больших участков хромосомы с несколькими генами или частей одного гена (внутренний кроссинговер) обеих нитей молекулы ДНК или только одной. Частота кроссинговера между генами отражает расстояние между ними в хромосоме и определяется как частота кроссоверных (с периодическим сочетанием аллелей) особей в анализирующем скрещивании, т.е. как частота кроссоверных гамет; может изменяться под действием некоторых физических, химических и физиологических факторов.

Мутагенез (от мутации и генез) – искусственное получение мутаций с помощью физических или химических мутагенов. Один из важнейших приемов экспериментальной генетики. В селекции мутагенез используют для получения перспективных мутантов, животных, растений и микроорганизмов. Часто термины «мутагенез» и «мутационный процесс» отождествляются, что не оправдано, т.к. мутационный процесс – это многоэтапный процесс возникновения спонтанных или индуцированных мутаций, а мутагенез – процесс индукции мутаций.

Открытие мутационного процесса в начале 20 в. было связано с изучением генетических эффектов ионизирующей радиации и положило начало исследованию причин и механизмов наследственной изменчивости. Успеху в этом направлении способствовали:

- выявление мутагенного действия рентгеновских лучей;

- обнаружение систем, позволяющих отличить мутации в хромосомах от повреждений митотического аппарата или компонентов цитоплазмы;

- разработка методов количественного учета вновь возникающих мутаций.

Мутант – наследственно измененная в результате мутации форма организма. Мутанты могут возникать спонтанно или под воздействием мутагенов. Большинство мутантов отличается от исходных организмов (так наз. диких форм) нарушениями различных структур и функций и, как правило, имеют пониженную жизнеспособность. Гораздо реже возникают мутанты, обладающие в обычных условиях среды селективными преимуществами (в т.ч. при искусственном отборе – хозяйственно-ценными). Такие мутанты широко используют для выведения новых сортов растений и пород животных, а также для получения штаммов микроорганизмов – продуцентов аминокислот, витаминов, антибиотиков и других биологически активных веществ. В генетике мутанты используют для изучения закономерностей мутационного процесса, строения и функционирования генетического аппарата, путей биосинтеза различных веществ и др. Мутанты играют важную роль в эволюции, т.к. представляют собой исходный материал для естественного отбора.

Мутации - внезапные, естественные (спонтанные) или вызванные искусственно (индуцированные) наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. В зависимости от характера изменений в генетическом материале, различают мутации генные (точковые), хромосомные (аберрации) и геномные (изменение числа хромосом). Генные мутации, составляющие основную долю всех мутаций, вызывают самые разнообразные изменения признаков. Большинство из мутаций вредны для организма (вызывают наследственные заболевания, уродства или даже гибель носителя мутации). Очень редко возникают генные мутации, улучшающие те или иные свойства, но именно они дают основной материал для естественного и искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции в природе и селекции полезных форм растений, животных и микроорганизмов. Основные характеристики мутаций, отличающие их от ненаследуемых изменений (сравните: "модификации"):

1) неопределенность - один и тот же внешний фактор может вызывать изменения разных признаков в разных направлениях; разные внешние факторы могут вызывать одинаковые изменения;

2) степень изменения признака не зависит от силы или длительности действия внешнего фактора, вызвавшего изменение;

3) за редкими исключениями не имеют адаптивного значения;

4) необратимы, т.е. не исчезают в течение всей жизни особи;

5) наследуются.

Мутаций общая классификация. Мутации различают:

1) по происхождению:

- спонтанные (возникают самопроизвольно),

- индуцированные (возникают при экспериментальном воздействии на генетический материал);

2) по проявлению в гетерозиготном состоянии:

- доминантные,

- рецессивные;

3) по направлению:

- прямые (переводят состояние дикого типа в качественно иное состояние),

- обратные (иначе – реверсии, возвращают мутантное состояние к дикому типу);

4) по уровню организации изменяемого генетического материала:

- геномные,

- хромосомные,

- генные;

5) по силе проявления аллелей:

- гиперморфные (приводят к усилению действия гена за счет увеличения количества синтезируемого под его контролем продукта),

- гипоморфные (ослабляют действие гена за счет уменьшения количества биохимического продукта, кодируемого аллелем дикого типа),

- неоморфные (кодируют синтез продукта, отличающегося от синтезируемого под контролем аллеля дикого типа, и не взаимодействуют с ним),

- аморфные (инактивируют действие гена),

- антиморфные (действуют противоположно аллелям дикого типа);

6) по влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей:

- летальные (обусловливают гибель мутанта),

- полулетальные (снижают жизнеспособность, мутанты обычно не доживают до репродуктивного возраста; согласно другому подходу, полулетальные мутации обусловливают гибель половины несущих их особей),

- условно летальные (мутации не проявляются в одних – пермиссивных – условиях и летальны в других – непермиссивных - условиях),

- стерильные (не влияют на жизнеспособность, но резко снижают плодовитость),

нейтральные (не влияют на жизнеспособность и плодовитость),

- повышающие жизнеспособность и плодовитость особей (жизнеспособность количественно характеризует уровень выживаемости выборки рассматриваемого фенотипического класса по сравнению с другой выборкой в идентичных условиях внешней среды; под плодовитостью подразумевается способность организмов приносить жизнеспособное потомство; часто плодовитость характеризует число потомков одной особи женского пола, родившихся на протяжении ее репродуктивного периода);

7) по характеру регистрируемого проявления:

- морфологические,

- физиологические,

- поведенческие (этологические),

- биохимические и другие (подобное деление мутаций весьма условно: любой признак имеет биохимическую основу, физиологический механизм и морфологическое выражение);

8) по локализации изменяемого генетического материала:

- цитоплазматические (митохондриальные, пластидные),

- ядерные;

9) по месту возникновения и характеру наследования:

- генеративные (они возникают в клетках полового зачатка и в половых клетках и передаются по наследству. При этом мутация, появившаяся на стадии яйцеклетки или сперматозоида, останется единичной, а мутация, возникшая на ранней стадии оогенеза или сперматогенеза, размножится в количестве, пропорциональном числу прошедших клеточных делений, при этом часть зрелых половых клеток будет нести мутантный аллель, а у другой части генотип останется неизмененным),

- соматические (они возникают в соматических клетках и либо приводят к появлению мозаиков/химер у организмов, размножающихся исключительно половым путем, либо наследуются у организмов, имеющих бесполое размножение. Если из мутировавшей соматической клетки растения развивается почка, а из нее – побег, то он будет нести мутантный признак и в перспективе может дать начало новому виду, а в случае селекции – новому сорту).

Мутации генные (точковые) – изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (вставки, выпадения, перемещения, замещения нуклеотидов) в пределах отдельных генов, приводящие к изменению количества или качества соответствующих белковых продуктов. Замены оснований приводят к появлению трех типов мутантных кодонов: с измененным смыслом (миссенс-мутации), с неизмененным смыслом (нейтральные мутации) и бессмысленных, или терминирующих кодонов (нонсенс-мутации).

В результате миссенс-мутации в кодируемом данным геном полипептиде одна аминокислота замещается на другую, поэтому фенотипическое проявление мутации зависит от функциональной значимости затронутого домена. Так замены аминокислот в активных центрах белков могут сопровождаться полной потерей их функциональной активности. К примеру, миссенс-мутация в 553-м кодоне гена FAC, приводящая к замене лейцина на пролин, делает продукт этого гена неспособным комплементировать функциональный дефект в клетках больных анемией Фанкони.

В результате нонсенс-мутации кодон, определяющий какую-либо аминокислоту, превращается в один из стоп-кодонов, не транслирующихся на рибосомах (UAA, UAG, UGA). Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции и обрыву полипептидной цепи. Нонсенс-мутации обладают наибольшим повреждающим действием, так как образующиеся при преждевременной терминации трансляции белки не способны к модификации, часто не защищены от действия протеолитических ферментов и быстро деградируют.

Вставки, перемещения или выпадения отдельных оснований или их коротких последовательностей в пределах гена вызывают сдвиг рамки считывания (фреймшифт-мутации). При возникновении мутаций со сдвигом рамки считывания меняются все триплеты ниже сайта дупликации или делеции по ходу считывания, при этом повышается вероятность возникновения стоп-кодонов и, соответственно, терминации трансляции.

С точки зрения структурно-функциональной организации генов, происходящие внутри них замены, вставки, выпадения, перемещения нуклеотидов можно объединить в следующие группы:

1) мутации в регуляторных областях генов

- мутации в промоторной части снижают уровень синтеза белкового продукта;

- мутации в сайте полиаденилирования снижают уровень транскрипции.

Таким образом, мутации в регуляторных нетранслируемых областях генов вызывают количественные изменения соответствующих продуктов и проявляются фенотипически (клинически) в зависимости от порогового уровня белков, при котором их функция еще сохраняется;

2) мутации в кодирующих областях генов

- мутации в экзонах могут приводить к преждевременному окончанию белкового синтеза: в результате мутаций внутри экзона гена гемоглобина белковая цепь оказывается укороченной и не обладает активностью;

- мутации в интронах способны генерировать новые сайты сплайсинга, которые, конкурируя с нормальными (исходными), в итоге, заменяют их.

- мутации в сайтах сплайсинга (на стыках экзонов и интронов), нарушают процессинг первичного РНК-транскрипта и приводят к трансляции бессмысленных белков: удлиненного при неправильном вырезании интронов либо укороченного при вырезании экзонов. Замены нуклеотидов в кодирующих областях генов, не сопровождающиеся заменами аминокислот в силу вырожденности генетического кода, приводят к нейтральным мутациям, не оказывающим заметного влияния ни на функцию соответствующего белка, ни на его структуру.

Мутации геномные. К этому классу мутаций относятся изменения кариотипа, выражающиеся в уменьшении или увеличении числа хромосомных наборов либо числа отдельных хромосом. Существует несколько типов геномных мутаций:

1. Гаплоидия – уменьшение числа хромосом в кариотипе вдвое. Соматические клетки гаплоидного организма содержат одинарный (гаплоидный) набор хромосом (n). Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

- у них проявляются рецессивные гены;

- гаплоидные организмы мельче диплоидных, поскольку их клетки вследствие уменьшения дозы генов имеют меньший размер;

- гаплоиды почти бесплодны, поскольку хромосомы не имеют гомологов, и в процессе мейоза образуются несбалансированные гаметы. В редких случаях могут сформироваться гаметы с нередуцированным гаплоидным набором хромосом. У растений слияние таких гамет в процессе самоопыления или при искусственной полиплоидизации дает диплоидную гомозиготу по всем генам, что весьма ценно для решения определенных селекционных задач.

Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле низших грибов, бактерий и одноклеточных водорослей. У некоторых видов членистоногих и насекомых гаплоидными являются самцы, развивающиеся из неоплодотворенных клеток. Экспериментально гаплоидные формы были получены у пшеницы, кукурузы и др. растений при опылении их либо пыльцой отдаленного вида, либо пыльцой, хромосомный аппарат которой был инактивирован облучением (оба способа стимулировали партеногенетическое развитие яйцеклетки). У человека гаплоидный набор хромосом содержится в норме только в гаметах.

2. Полиплоидия – кратное увеличение числа хромосомных наборов в клетке. Обычно соматические клетки содержат диплоидный набор хромосом (2n), но иногда возникают триплоидные (3n), тетраплоидные (4n) и т.д. клетки и даже целые организмы. Полиплоиды с повторенным несколько раз одним и тем же набором хромосом называют аутополиплоидами, а полученные от скрещивания организмов, принадлежащих к различным видам, - аллополиплоидами.

Роль полиплоидии исключительно велика в происхождении культурных растений и их селекции. Полиплоидными являются все или большинство культивируемых сортов пшеницы, овса, риса, свеклы, картофеля, сливы, яблони, апельсина и мн. др. Аутополиплоидные мутанты растений обычно крупнее исходной формы. Тетраплоиды, как правило, имеют большую вегетативную массу. Однако у них может резко уменьшиться плодовитость из-за нерасхождения поливалентов в мейозе. Триплоиды – крупные и мощные растения, но полностью или почти полностью стерильные, поскольку их гаметы содержат неполный набор хромосом. Аутополиплоидные виды размножают вегетативным способом, поскольку плоды таких растений не содержат семян. У животных аутополиплоиды известны в основном среди гермафродитов (напр., земляных червей) и у видов с партеногенетическими самками – дающими жизнеспособное потомство без оплодотворения (некоторые насекомые, ракообразные, рыбы). Такое весьма ограниченное значение полиплоидии в животном мире обусловлено тем, что она нарушает баланс между аутосомами и половыми хромосомами. И немногие аллополиплоидные формы, полученные человеком, как правило, бесплодны.

Полиплоидия может возникнуть в результате: 1) нарушения расхождения хромосом в митозе; 2) слияния клеток соматических тканей либо их ядер; 3) нарушений мейоза, приводящих к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом.

3. Анеуплоидия (анеусомия) – не кратное гаплоидному набору изменение числа хромосом в клетках организма за счет потери или добавления отдельных хромосом. Нуллисомия – отсутствие обоих гомологов какой-либо одной (или, весьма редко – большего числа) пар хромосом; общее число хромосом в такой клетке равно (2n-2). Нуллисомия характерна для некоторых сортов мягкой пшеницы, полученных в результате скрещивания между собой моносомных растений. Основной механизм возникновения нуллисомии – потеря в процессе мейоза хромосомы, не имеющей партнера. Случаев нуллисомии у человека не описано.

Моносомия – утрата одного из гомологов по одной или большему числу пар хромосом, число хромосом равно (2n-1). Наиболее известная моносомия у человека носит название синдрома Шерешевского-Тернера: женщины с кариотипом 45,ХО имеют только одну половую Х-хромосому.

Полисомия – избыточное число гомологичных хромосом на одну, реже – на большее число хромосом в наборе. Наличие одной дополнительной гомологичной хромосомы приводит к трисомии (2n+1), двух – к тетрасомии (2n+2). Трисомные формы хорошо изучены у растений и животных. У человека (мужчины) описан синдром Клайнфельтера c трисомией по половым хромосомам 47, XXY и его варианты: с тетрасомией – 48,XXXY, либо – 48,XYYY, либо – 48,XXYY; а также с пентасомией – 49,XXXXY либо – 49,XXXYY. Как определенная нозологическая единица у женщин выделена полисомия по половым хромосомам: синдром трипло-Х, а также тетра- и пентасомия по Х-хромосоме. К числу наиболее распространенных синдромов с полными трисомиями по отдельным аутосомам могут быть отнесены синдромы: Патау (47, +13), Эдвардса (47,+18) и Дауна (47,+21). Большая часть эмбрионов с трисомиями по хромосомам 13 и 18 погибает на ранних стадиях развития. Частота трисомиков по хромосоме 21 довольно высока и составляет 1-2 на 1000 новорожденных. Кроме того, у человека описаны синдромы полной трисомии по хромосомам 8, 9 и 22.

Мутации хромосомные (хромосомные аберрации или перестройки) – изменение структуры хромосом: уменьшение или увеличение их размеров или изменение положения их частей. Существует несколько типов хромосомных аберраций:

1. Делеции – утрата участка хромосомы с образованием центрического (содержащего центромеру) и ацентрического (бесцентромерного) фрагментов. Делеции – результат разрыва хромосом. Организмы, гетерозиготные по делеции, гемизиготны (т.е. имеют только одну дозу генов) по утраченным локусам, поэтому все рецессивные гены соответствующих локусов в интактном гомологе проявляются фенотипически. Протяженные делеции обычно летальны в гомозиготном состоянии, а также – в гемизиготном, если делеция произошла в Х-хромосоме. Мелкие делеции, как правило, не вызывают столь серьезных нарушений генного баланса и могут сохраняться в гомозиготном состоянии. Часто делеции сопровождаются понижением жизнеспособности и плодовитости несущих их особей. Иногда фенотипический эффект мелких делеций имитирует генную мутацию.

2. Дупликации – локальное удвоение (повторение) определенного участка хромосомы (известны также случаи многократных повторений, или мультипликаций какого-либо участка). Дуплицированный участок может быть расположен в исходной хромосоме: либо непосредственно примыкая к исходному участку (тандемная дупликация), либо в том же плече, но на некотором расстоянии от исходного участка, либо в другом плече исходной хромосомы. Кроме того, дуплицированный участок может быть локализован в негомологичной хромосоме, т.е. в другой группе сцепления. В случае дупликации двух идентичных генов, сходных по характеру действия и оказавшихся в разных группах сцепления, при скрещивании будет наблюдаться характерное для дигибридного расщепления полимерных генов отношение 15:1.

Одной из причин дупликаций является неравный кроссинговер, имеющий место в том случае, если на некотором участке хромосомы гомологичные локусы при конъюгации в профазе I мейоза сдвигаются друг относительно друга. Дупликации служат источником дополнительных участков генетического материала, функция которых может быть изменена в результате мутаций и последующего отбора. За счет тандемных дупликаций относительно коротких нуклеотидных последовательностей может происходить удвоение генов. И.А.Рапопорту удалось добиться умножения одного из локусов (мутация Bar у дрозофилы) в Х-хромосоме до 8 раз. К наиболее хорошо изученным у человека дупликациям относятся синдромы частичных трисомий по хромосомам 4, 7, 9, 12 и 14.

3. Инверсии – перестройки, суть которых – поворот на 180˚ участка, образовавшегося в результате двух разрывов, с соответствующим изменением расположения генов. Данный тип перестроек наиболее часто встречается в природных популяциях. Группа генов, локализованных в инвертированном участке, передается из поколения в поколение как единый блок, не разрываемый кроссинговером. Особенно много данных о распространении инверсий в популяциях мух, комаров и мошек. Наличие инверсий у них легко устанавливается при микроскопическом исследовании политенных хромосом слюнных желез. Н.П.Дубинин с соавт. В 30-40-х гг. 20 в. сформулировали механизмы эволюционного преобразования генетического материала в результате этого широко распространенного типа хромосомных мутаций. Экспериментально полученные инверсии используются как «запиратели» кроссинговера. Инверсии в хромосомах человека приводят к нарушению гаметогенеза.

4. Транслокации – перемещения участков хромосомы в новое положение в ее пределах или обмен участками между разными хромосомами.

Различают транслокации:

- симметричные (реципрокные) – соединение центрического фрагмента одной хромосомы с ацентрическим фрагментом другой, т.е. взаимный обмен участками между двумя негомологичными хромосомами (именно реципрокную транслокацию клиницисты часто обнаруживают в семьях, где встречается более одной хромосомной аномалии).

- асимметричные – соединения центрических или ацентрических фрагментов, в результате которых образуются дицентрики, трицентрики и др.

- робертсоновские – слияние негомологичных акроцентрических хромосом в области их центромер с образованием одной метацентрической хромосомы. Транслокации этого типа названы по имени В.Робертсона, предложившего гипотезу о слиянии хромосом для объяснения уменьшения их числа в хромосомном наборе.