5.Какие мутации не являются материалом для эволюции, почему?

Реплика́ция ДНК— это процесс синтеза дочерней молекулыдезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деленияклеткина матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Хеликаза,топоизомеразаи ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностьюДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация катализируется несколькими ДНК-полимеразами. После репликации дочерние спирали закручиваются обратно уже без затрат энергии и каких-либо ферментов.

Цепи молекулы ДНК расходятся и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам М. Мезелсона и Ф. Сталя (1958г.) Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» - в результате репликации одна молекула ДНК состоит только из родительских цепей, а другая - только из дочерних цепей; «дисперсионная» - все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК).

Реплика́ция ДНК— это процесс синтеза дочерней молекулыдезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деленияклеткина матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Хеликаза,топоизомеразаи ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностьюДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация катализируется несколькими ДНК-полимеразами. После репликации дочерние спирали закручиваются обратно уже без затрат энергии и каких-либо ферментов.

Цепи молекулы ДНК расходятся и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам М. Мезелсона и Ф. Сталя (1958г.) Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» - в результате репликации одна молекула ДНК состоит только из родительских цепей, а другая - только из дочерних цепей; «дисперсионная» - все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК).

6.Ген

Ген— последовательность нуклеотидов в ДНК, которая кодирует определённую РНК.

ДНК, в котором закодирована определенная полипептидная цепь, называется геном. Скажем, его фрагмент «TЦT ТГГ» кодирует аминокислотное звено: «серин-триптофан». Основная функция генов – поддержание жизнедеятельности организма путем производства белков в клетке, координация деления и взаимодействия клеток между собой.

Гены у разных индивидов даже одного вида могут различаться – в пределах, не нарушающих их функцию. Каждый ген может быть представлен одной или большим числом форм, называемых аллелями. Все клетки организма, кроме половых клеток, содержат по два аллеля каждого гена; такие клетки называют диплоидными. Если два аллеля идентичны, то организм называют гомозиготным по этому гену; если аллели разные, то – гетерозиготным. 7.Аллель

Каждый ген может быть представлен одной или большим числом форм, называемых аллелями.

Аллели эволюционно возникли и возникают как мутации – сбои в передаче ДНК от родителей к детям. Например, если бы в указанной выше нуклеотидной последовательности «TЦT ТГГ» третий нуклеотид, Т, ошибочно передался бы ребенку как Ц, то вместо родительского «серин-триптофан» он бы имел фрагмент белка «аланин-триптофан», поскольку триплет TЦЦ кодирует аминокислоту аланин. Аллели, прошедшие апробацию отбором и образуют то наследственное разнообразие, которое мы сейчас наблюдаем, – от цвета кожи, глаз и волос до физиологических и эмоциональных реакций.

8.Хромосомы

ДНК защищена от внешних воздействий «упаковкой» из белков и организована в хромосомы, находящиеся в ядре клетки. В хромосоме регулируется активность генов, их восстановление при радиационном, химическом или ином типе повреждений, а также их репликация (копирование) в ходе клеточных делений – митоза и мейоза (см. КЛЕТКА).Каждый вид растений и животных имеет определенное число хромосом. У диплоидных организмов оно парное, две хромосомы каждой пары называются гомологичными. Среди них различают половые (см. ниже) и неполовые хромосомы, или аутосомы. Человек имеет 46 хромосом: 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом; при этом одна из хромосом каждой пары приходит от матери, а другая – от отца. Число хромосом у разных видов неодинаково. Например, у классического генетического объекта – плодовой мушки дрозофилы – их четыре пары. У некоторых видов хромосомные наборы состоят из сотен пар хромосом; однако количество хромосом в наборе не имеет прямой связи ни со сложностью строения организма, ни с его эволюционным положением.

Помимо ядра, ДНК содержится в митохондриях, а у растений – еще и в хлоропластах. Поэтому те гены, которые находятся в ядерной ДНК, называют ядерными, а внеядерные, соответственно, митохондриальными и хлоропластными. Внеядерные гены контролируют часть энергетической системы клеток: гены митохондрий отвечают в основном за синтез ферментов реакций окисления, а гены хлоропластов – реакций фотосинтеза. Все остальные многочисленные функции и признаки организма определяются генами, находящимися в хромосомах.

9.Геном

Гено́м — совокупность всех геноворганизма; его полныйхромосомныйнабор.

Термин «геном» был предложен Гансом Винклеромв1920г. для описания совокупности генов, заключённых вгаплоидномнаборе хромосом организмов одногобиологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие отгенотипаявляетсягенетическойхарактеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитиеммолекулярной генетикизначение данного термина изменилось. Известно, чтоДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНКэукариотическихклетокпредставлена некодирующими («избыточными») последовательностяминуклеотидов, которые не заключают в себе информации обелкахиРНК.

Генетическая информация в клетках содержится не только в хромосомах ядра, но и во внехромосомных молекулах ДНК. Убактерийк таким ДНК относятсяплазмидыи некоторые умеренныевирусы, в клетках эукариот — это ДНКмитохондрий,хлоропластови другихпластид. Объёмы генетической информации, заключённой в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и самигаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. Вонтогенезесоматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии,амплифицироватьгруппы последовательностей и (или) значительно перестраивать исходные гены.

Следовательно, под геномом организма понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. В определении генома отдельного биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельныхвариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют вгенофондебольшихпопуляций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей. Размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга и при этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома.

10.Генотип

Генотип 1) вся генетическая информация организма; 2) генетическая характеристика организма по одному или нескольким изучаемым локусам

Генотип — совокупность генов данного организма, который, в отличие от генома, характеризует вид, а не особь. Вместе с факторами внешней среды определяет фенотип организма.

Обычно о генотипе говорят в контексте определенного гена, у полиплоидных особей он обозначает комбинацию аллелей данного гена (см. гомозигота, гетерозигота). Большинство генов проявляются в фенотипе организма, но фенотип и генотип различны по следующим показателям:

1. По источнику информации (генотип определяется при изучении ДНК особи, фенотип регистрируется при наблюдении внешнего вида организма).

2. Генотип не всегда соответствует одному и тому же фенотипу. Некоторые гены проявляются в фенотипе только в определенных условиях. С другой стороны, некоторые фенотипы, например, окраска шерсти животных, являются результатом взаимодействия нескольких генов.

Примером различия генотипа и фенотипа служит наследование гемофилии. Иногда в семье, в которой оба родителя здоровы, рождается больной ребенок. То есть хотя болезнь не проявилась в фенотипе родителей, в их генотипе присутствовал один нормальный аллель и один мутированный аллель гена, то есть они являлись носителями заболевания. В данном случае фенотип здоровых людей и носителей заболевания одинаков.

Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%BF»

11.Фенотип

Фенотип — (от греческого слова phaino — являю, обнаруживаю) cовокупность характеристик, присущих индивиду на определённой стадии развития. Фенотип формируется на основе генотипа, опосредованного рядом внешнесредовых факторов. Удиплоидныхорганизмов в фенотипе проявляются доминантные гены.

Несмотря на кажущееся строгое определение, концепция фенотипа имеет некоторые неопределенности. Во-первых большинство молекул и структур кодируемых генетическим материалом, не заметны во внешнем виде организма, хотя являются частью фенотипа. Например, группы крови человека. Поэтому, расширенное определение фенотипа должно включать характеристики, которые могут быть обнаружены техническими, медицинскими или диагностическими процедурами. Дальнейшее, более радикальное расширение может включать приобретенное поведение или даже влияние организма на окружающую среду и другие организмы. Например, согласно Р. Докинзу, плотину бобров также как и их резцы можно считать фенотипом генов бобра.^[1]

Фенотип можно определить как “вынос” генетической информации навстречу факторам среды. В первом приближении можно говорить о двух характеристиках фенотипа: а) число направлений выноса характеризует число факторов среды, к которым чувствителен фенотип, — мерность фенотипа; б) “дальность” выноса характеризует степень чувствительности фенотипа к данному фактору среды. В совокупности эти характеристики определяют богатство и развитость фенотипа. Чем многомернее фенотип и чем он чувствительнее, чем дальше фенотип от генотипа, тем он богаче. Если сравнить вирус,бактерию,аскариду,лягушкуичеловека, то богатство фенотипа в этом ряду растет.

12.Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность

Генетический материал (genetic material)- Компонентыклетки, обеспечивающие хранение, реализацию, воспроизводство и передачу при размножении генетической (наследственной) информации. Свойствагенетического материала– дискретность (наличие обособленных групп сцепления – хромосом), непрерывность (физическая целостность хромосомы), линейность (одномерность «записи» генетической информации), относительная стабильность (передача потомству с небольшими изменениями).

13.Изменчивость: наследуемая (генотипическая, мутационная)

Генотипическая изменчивость

Генотипическая изменчивость - изменчивость, возникающая в результате новых генетических комбинаций, в результате - либо полового размножения, кроссинговера и других перестроек на хромосомном уровне; - либо под влиянием мутаций (мутационная изменчивость).

Термин «мутация» (от лат. mutatio– изменение) долгое время использовался в биологии для обозначения любых скачкообразных изменений. Например, немецкий палеонтолог В. Вааген называл мутацией переход от одних ископаемых форм к другим. Мутацией называли также появление редких признаков, в частности, меланистических форм среди бабочек.

Современные представления о мутациях сложились к началу XXстолетия. Например, российский ботаник Сергей Иванович Коржинский в 1899 г. разработал эволюционную теорию гетерогенезиса, основанную на представлениях о ведущей эволюционной роли дискретных (прерывистых) изменений.

Однако наиболее известной стала мутационная теория голландского ботаника Хьюго (Гуго) Де Фриза (1901 г.), который ввел современное, генетическое понятие мутации для обозначения редких вариантов признаков в потомстве родителей, которые не имели этого признака.

 Де Фриз разработал мутационную теорию на основе наблюдений за широко распространенным сорным растением – ослинником двулетним, или энотерой (Oenotherabiennis). У этого растения существует несколько форм: крупноцветковые и мелкоцветковые, карликовые и гигантские. Де Фриз собирал семена с растения определенной формы, высевал их и получал в потомстве 1…2% растений другой формы. В дальнейшем было установлено, что появление редких вариантов признака у энотеры не является мутацией; данный эффект обусловлен особенностями организацией хромосомного аппарата этого растения. Кроме того, редкие варианты признаков могут быть обусловлены редкими сочетаниями аллелей (например, белая окраска оперения у волнистых попугайчиков определяется редким сочетаниемaabb).

14.Изменчивость: ненаследуемая (фенотипическая, модификационная)

Модификации - результат изменения действия генов. Механизм возникновения некоторых из них изучен у бактерий, о том, каким образом регулируется реализация наследственной информации у высоко организованных существ, пока известно крайне мало. Модификационная изменчивость имеет важное эволюционное значение. Она позволяет организмам приспособиться к изменяющимся в течение их индивидуального развития условиям окружающей среды, выжить и оставить потомство. Под "прикрытием" модификаций в процессе естественного отбора будут накапливаться мутации, проявление которых дублирует ненаследственные изменения.

Фенотип можно определить как “вынос” генетической информации навстречу факторам среды. В первом приближении можно говорить о двух характеристиках фенотипа: а) число направлений выноса характеризует число факторов среды, к которым чувствителен фенотип, — мерность фенотипа; б) “дальность” выноса характеризует степень чувствительности фенотипа к данному фактору среды. В совокупности эти характеристики определяют богатство и развитость фенотипа. Чем многомернее фенотип и чем он чувствительнее, чем дальше фенотип от генотипа, тем он богаче. Если сравнить вирус,бактерию,аскариду,лягушкуичеловека, то богатство фенотипа в этом ряду растет.

Некоторые характеристики фeнотипа напрямую определяются генотипом, например цвет глаз. Другие сильно зависят от взаимодействия организма с окружающей средой — например однояйцевые близнецы могут различаться по росту, весу и другим основным физическим характеристикам, несмотря на то, что несут одни и те же гены.

Фенотипическая дисперсия (определяемая генотипической дисперсией) является основной предпосылкой для естественого отбораиэволюции. Организм как целое оставляет (или не оставляет) потомство, поэтому естественный отбор влияет на генетическую структуру популяции опосредованно через вклады фенотипов. Без различных фенотипов нет эволюции. При этом рецессивныеаллелине всегда отражаются в признаках фeнотипа, но сохраняются и могут быть переданы потомству.

Факторы, от которых зависит фенотипическое разнообразие, генетическая программа (генотип

), условия среды и частота случайных изменений (мутации), обобщены в следующей зависимости:

генотип + внешняя среда + случайные изменения → фенотип

Способность генотипа формировать в онтогенезе, в зависимости от условий среды, разные фенотипы называютнормой реакции. Она характеризует долю участия среды в реализации признака. Чем шире норма реакции, тем больше влияние среды и тем меньше влияние генотипа в онтогенезе. Обычно чем разнообразнее условия обитания вида, тем шире у него норма реакции.

Мутагенные факторы

Причины мутаций

Разновидности мутаций. Свойства мутаций

Роль мутаций в эволюционном процессе

Ненаправленный мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет,радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют целям мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тиминазаменены наурацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

ПЦРпозволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию (рис. 1), а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих ее специфичность.

Мутация — это изменения генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутации получил название мутагенеза.

Естественный темп появления мутаций часто очень мал, поэтому обычно мутация происходит в одной клеткеи затрагивает одинген. Бо́льшая часть мутаций абсолютно безопасна, потому что совсем не затрагиваетфенотип. Относительная небольшая фракция мутаций вызывает изменения в строенииРНКи/илибелка, и тогда есть шанс, что мутация повлияет на функционирование клетки. Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки. Если внутре- и вне- клеточные защитные механизмы не распознали мутацию, то мутантный ген передаётся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе. Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке, но существуют факторы, способные заметно увеличить частоту мутаций. Наиболее распространённые из них — воздействие на клетку вредных веществ,микроорганизмовилиизлучения, в том числеестественного радиационного фона.

Мутация в соматической клеткесложногомногоклеточного организмаможет привести к злокачественным или доброкачественнымновообразованиям. Мутация вполовой клетке— к изменению свойств всего организма-потомка.

В большинстве случаев мутации, которые проявляются на уровне фенотипа, имеют пагубные последствия, и мутантный организм погибает либо сам собой, либо под влиянием окружающей среды. Однако в очень редких случаях мутация может случайно привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными. Таким образом, мутации являются двигателем естественного отбора.

Также известно, что высшие организмы используют целенаправленные мутации в механизмах иммунитета. Такие мутации называются соматическими. С их помощью создаётся разнообразие популяцийлимфоцитов, среди которых, в результате, всегда находятся единицы, способные дать иммунный ответ на новую, неизвестную для организма болезнь. Подходящие лимфоциты подвергаются положительнойселекции, в результате возникаетиммунологическая память.

Если мутация затрагивает «молчащие» участки ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кодана синонимичный, то она никак не проявляется внешне, вфенотипе. Однако, методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования происхождения той или иной особи, в том числе, ичеловека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «генетическими часами».

Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальный репарационный механизм (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений.

ДНК в клетках высших животных присутствует в ядре клетки, где имеется Y-хромосома, передающаяся только по отцовской линии. Кроме того, ДНК имеется вмитохондриях, которые передаются только по материнской линии. Исследования мутаций в этих ДНК позволяют реконструировать историю биологического развития человечества, происхождение отдельных рас и народностей.

Естественный темп появления мутаций часто очень мал, поэтому обычно мутация происходит в одной клеткеи затрагивает одинген. Бо́льшая часть мутаций абсолютно безопасна, потому что совсем не затрагиваетфенотип. Относительная небольшая фракция мутаций вызывает изменения в строенииРНКи/илибелка, и тогда есть шанс, что мутация повлияет на функционирование клетки. Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки. Если внутре- и вне- клеточные защитные механизмы не распознали мутацию, то мутантный ген передаётся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе. Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке, но существуют факторы, способные заметно увеличить частоту мутаций. Наиболее распространённые из них — воздействие на клетку вредных веществ,микроорганизмовилиизлучения, в том числеестественного радиационного фона.

Мутация в соматической клеткесложногомногоклеточного организмаможет привести к злокачественным или доброкачественнымновообразованиям. Мутация вполовой клетке— к изменению свойств всего организма-потомка.

В большинстве случаев мутации, которые проявляются на уровне фенотипа, имеют пагубные последствия, и мутантный организм погибает либо сам собой, либо под влиянием окружающей среды. Однако в очень редких случаях мутация может случайно привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными. Таким образом, мутации являются двигателем естественного отбора.

Также известно, что высшие организмы используют целенаправленные мутации в механизмах иммунитета. Такие мутации называются соматическими. С их помощью создаётся разнообразие популяцийлимфоцитов, среди которых, в результате, всегда находятся единицы, способные дать иммунный ответ на новую, неизвестную для организма болезнь. Подходящие лимфоциты подвергаются положительнойселекции, в результате возникаетиммунологическая память.

Если мутация затрагивает «молчащие» участки ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кодана синонимичный, то она никак не проявляется внешне, вфенотипе. Однако, методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования происхождения той или иной особи, в том числе, ичеловека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «генетическими часами».

Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальный репарационный механизм (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений.

ДНК в клетках высших животных присутствует в ядре клетки, где имеется Y-хромосома, передающаяся только по отцовской линии. Кроме того, ДНК имеется вмитохондриях, которые передаются только по материнской линии. Исследования мутаций в этих ДНК позволяют реконструировать историю биологического развития человечества, происхождение отдельных рас и народностей.

Мутация – это случайное явление, т.е. невозможно предсказать: где, когда и какое изменение произойдет. Можно только оценить вероятность мутации в популяциях, зная фактические частоты определенных мутаций. Например, вероятность появления у кишечной палочки устойчивости к тетрациклину равна 10–10 (одна десятимиллиардная), поскольку лишь одна из 10 миллиардов клеток обнаруживает устойчивость к этому антибиотику (зато все потомство этой бактерии будет устойчивым к тетрациклину).

Установлено, что мутабильность гена (т.е. частота появления определенной мутации) зависит от природы гена: существуют гены, склонные к мутированию, и относительно стабильные гены.

 

Вероятность события – это математическая абстракция, математическое ожидание того, или иного события. Вероятность случайного события лежит в пределах от 0 до 1. Математическое ожидание определяется вне опыта (априорно), на основании дедуктивных рассуждений. Например, при подбрасывании монеты вероятность выпадения «орла» равна вероятности выпадения «решки» и равна 50% или 0,5: РО=РР=0,5.

Однако в биологии вероятность многих событий не может быть найдена вне опыта, например, вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна. Тогда понятие математической вероятности подменяется понятием статистической вероятности. Статистическая вероятность определяется опытным путем (апостериорно). Численно статистическая, или апостериорная вероятность события равна относительной частоте этого события. Например, на 700 новорожденных приходится один ребенок с болезнью Дауна. Тогда статистическая вероятность рождения ребенка с этим заболеванием равна 1/700 ≈ 0,0014.

Относительная частота колеблется около некоторого постоянного числа, которое и является математическим ожиданием события. Чем больше проведено наблюдений, тем больше апостериорная вероятность приближается к математическому ожиданию данного события.

 Множественные аллели и генокопии

В одном и том же гене могут возникать разные мутации: тогда возникают серии множественных аллелей. Например, у мушки дрозофилы ген white(«уайт» – белый), определяющий окраску глаз представлен последовательно доминирующими аллелями:w+ (темно-красные глаза) >wch (вишневые) >wa (абрикосовые) >wbf(тускло-желтые) >w(белые) и т.д. У кроликов ген, определяющий степень выраженности альбинизма, представлен последовательно доминирующими аллелями:C(нормальная, неальбинистическая окраска) >cch(шиншилловая) >ch(горностаевая) > с (полный альбинизм). У мышей ген, определяющий общую окраску тела, также представлен последовательно доминирующими аллелями:AY(желтая) >AL(агути со светлым брюхом) >A(агути, норма) >at(черная с подпалинами) >a(черная). Исходное, нормальное состояние аллеля традиционно называется дикими типом (часто обозначается символом +). Диким типом называют также нормальный генотип и нормальный фенотип. Сочетание двух мутантных аллелей называется компаундом (например,wch //wbfилиat//a).

В то же время, в неаллельных, т.е. в разных генах (или в разных участках одного и того же гена) могут возникать мутации со сходным фенотипическим эффектом. Такие мутации называются генокопиями. Генокопии необходимо учитывать в здравоохранении (сходные наследственные заболевания – например, гемоглобинопатии – могут быть обусловлены разными мутациями), в селекционном процессе (например, мутациями в разных генах может быть обусловлена устойчивость к фитопатогенным грибам у разных сортов растений).

 Общие свойства мутаций

В настоящее время считается, что многие мутации не оказывают существенного влияния на жизнеспособность особей; такие мутации называются нейтральными. Нейтральность мутаций часто обусловлена тем, что большинство мутантных аллелей рецессивно по отношению к исходному аллелю. Однако существуют мутации, приводящие к гибели организма (летальные) или заметно снижающие его жизнеспособность (полулетальные). В определенных условиях мутации могут повышать жизнеспособность организмов (как в примере с серповидноклеточной анемией).

По способности передаваться при половом размножении различают соматические и генеративные мутации. Соматические мутации не затрагивают половые клетки и не передаются потомкам. В результате соматических мутаций возникают генетические мозаики. Генеративные мутации происходят в половых клетках и могут передаваться потомкам. При участии мутантных половых клеток образуются полностью мутантные организмы.

Мутации возникают как в аутосомах, так и в половых хромосомах; соответственно различают аутосомные мутации и мутации, сцепленные с полом. Кроме того, по возможности проявления в фенотипе различают доминантные, полудоминантные и рецессивные мутации (заметим, что подавляющее большинство мутаций является рецессивными).

Мутантный аллель может возвращаться в исходное состояние. Тогда первоначальная мутация называется прямой (например, переход А → а), а другая – обратной мутацией, или реверсией (например, обратный переход а → А).

 

Классификации мутаций

 

Мутации классифицируют на основании различных критериев.

 

Например, по уровню фенотипического проявления различают следующие мутации:

биохимические (изменяется структура белков);

физиолого-биохимические (изменяется обмен веществ);

онтогенетические (изменяется характер онтогенеза);

физиолого-репродуктивные (изменяются плодовитость, границы репродуктивного периода);

анатомо-морфологические (изменяется внутреннее и внешнее строение организмов);

этологические (поведенческие).

 

Модификации - результат изменения действия генов. Механизм возникновения некоторых из них изучен у бактерий, о том, каким образом регулируется реализация наследственной информации у высоко организованных существ, пока известно крайне мало.

Модификационная изменчивость имеет важное эволюционное значение. Она позволяет организмам приспособиться к изменяющимся в течение их индивидуального развития условиям окружающей среды, выжить и оставить потомство. Под "прикрытием" модификаций в процессе естественного отбора будут накапливаться мутации, проявление которых дублирует ненаследственные изменения.

19.Популяционная генетика

Популя́ция (от лат.populatio— население) — термин, используемый в различных разделах биологии, а также вгенетике,демографииимедицине. Самый общий смысл заключается в дословном переводе. Популяция — это человеческое, животное или растительноенаселениенекоторой местности. В европейских языках это понятие прежде всего относится к человеку и уже во вторую очередь — к другим живым организмам. В русском языке популяция имеет более специальное значение как термин, преимущественно используемый в биологических и медицинских исследованиях. В биологии: популяция - определённая совокупность особей вида, входящая в состав конкретного биогеоценоза и проявляющаяся в нем своим определённым функционально-энергетическим воздействием. Современная генетика тщательно изучает историю современных этносов по этногенетическим данным на глубину в десятки тысячелетий - со времен исхода первых общин "homo sapiens" из Африки. Генетические трансформации популяций сопровождались этнокультурными, что и превращало популяции в последние тысячелетия в известные исторические народы.

Популяция — это группа особей, способная к более-менее устойчивому самовоспроизводству (как половому, так и бесполому), относительно обособленная (обычно географически) от других групп, с представителями которых (при половой репродукции) потенциально возможенгенетическийобмен. С точки зренияпопуляционной генетики, популяция — это группа особей, в пределах которой вероятность скрещивания во много раз превосходит вероятность скрещивания с представителями других подобных групп. Обычно говорят о популяциях как о группах в составевидаилиподвида.

В современных эволюционных теориях (например, в Синтетической теории эволюции) популяция считается элементарной единицей эволюционного процесса.

Для описания бесполой или гермафродитной популяции, в первом приближении, достаточно трех величин: число особей ( N ), средние значения признаков (Δx) и их дисперсии ( σ ).

Основные характеристики раздельнополой популяции: соотношение полов(обычно концентрация мужских особей),дисперсия полов(отношение разнообразия у того и другого пола) иполовой диморфизм(разность средних значений признака для мужского и женского пола). Суммарный вклад всех трех параметров определяет степень дифференциации полов.

20.Генетические характеристики популяции: наследственная гетерогенность

Если определяющая роль в патогенезе заболевания принадлежит одному гену, но этот ген в разных семьях разный, то говорят о генетической гетерогенности. Одна и та же фенотипическая картина может быть обусловлена мутациями в различных генах. Генетическая гетерогенность - явление, характерное почти для любого наследственного заболевания человека. При картировании генетическая неаллельная гетерогенность ведет к тому, что в одной родословной болезнь может косегрегировать с одним генетическим маркером, а в другой - совершенно с другим.

Генетическая гетерогенность характерна для большинства наследственных заболеваний. Ее обусловливают разные мутации одного гена ( аллельная гетерогенность) или мутации разных генов ( неаллельная гетерогенность, илилокусная гетерогенность).

Например,болезнь Шарко-Мари-Туса,врожденная нейросенсорная тугоухостьипигментная дегенерация сетчаткимогут наследоваться какаутосомно-доминантно, так иаутосомно-рецессивноилиХ-сцепленно. Обычно причина - неаллельная гетерогенность; но разнообразие аллелей в одном локусе также влияет на характер наследования.

Клинически сходныенарушения свертываниявызывают мутации в двух разных локусахХ-хромосомы: одна вызываетнедостаточность фактора свертывания VIII( классическая гемофилия,гемофилия A), а другая -недостаточность фактopa IX( гемофилия В, илиболезнь Кристмаса).

Наследственную метгемоглобинемию, когда-то считавшуюся однородным заболеванием, вызывают по меньшей мере 10 разных мутаций в трех различных локусах: двемутации гена альфа-цепи глобина, тримутации гена бета-цепи глобинаи по меньшей мере пятьмутаций гена НАДН-дегидрогеназы.

Особенно впечатляет масштаб аллельной гетерогенности. Известно большое число мутаций, которые вызываютгемоглобинопатии,муковисцидоз,семейную гиперхолестеринемию,фенилкетонуриюисемейный рак молочной железы типа 1. Гетерогенность симптомов чаще всего обусловлена разными мутациями в одном гене.

Больные саутосомно-рецессивными болезнямичасто являютсясмешанными гетерозиготами, то есть у них имеется два разных мутантныхаллеля, как, например, пригемоглобинопатии SCилимуковисцидозе, обусловленном генотипом дельтаF508/G542Х. Однако при широком распространении в популяции определенных мутантных аллелей или среди детей отблизкородственных браковбольные обычно гомозиготны, как, например, присерповидноклеточной анемии с генотипом SSилимуковисцидозе с генотипом дельтаF508/дельтаF508.

Многообразие симптомов, обусловленноеаллельной гетерогенностью, особенно важно. Например, из-за разной тяжести двух заболеваний - тяжелого летальногосиндрома Гурлер( мукополисахаридоза типа IH) и более легкогосиндрома Шейе( мукополисахаридоза типа IS), поражающего только кости и суставы, - их считали разными наследственными болезнями. На самом деле оба они вызванынедостаточностью альфа-L-идуронидазы. Аналогично, и тяжело протекающаямиопатия Дюшенна, и более легкаямиопатия Беккеравызваны делециями в одном гене, чаще всего со сдвигом рамки считывания при миопатии Дюшенна и без сдвига рамки считывания при миопатии Беккера. Классическая и легкая формыаденоматозного полипоза толстой кишкипроявляются в разном возрасте (разница составляет 15 лет), так что легкая форма заболевания минимально влияет на репродуктивную функцию, но нераспознанные мутантные аллели существенно повышают рискрака толстой кишки.

Известно множество других примеров разнообразия симптомов, обусловленногоаллельной гетерогенностью. Классическая картина заболевания часто обусловленанулевой мутацией, а другие мутации, лишь частично подавляющие функцию генного продукта, вызывают почти непрерывный ряд более легких вариантов болезни. В начале этого ряда находятся мутантные аллели, кодирующие продукты, которые чаще всего не вызывают функциональных отклонений, во всяком случае без дополнительных внешних воздействий. Сюда же относятся и бессимптомные отклонения биохимических показателей. Очевидно, что количество нормального генного продукта, способное предотвратить болезнь, зависит от других наследственных и внешних факторов. Например, больной сдоброкачественной метилмалоновой ацидемиейпопадает в группу риска при большинственарушений катаболизма, так что здесь "доброкачественность" - понятие условное. Такие состояния находятся посередине междумоногеннымииполигенными болезнями.

21.Генетические характеристики популяции: внутреннее генетическое единство

Генетическое единство популяции обуславливается достаточным уровнем панмиксии. В условиях случайного подбора скрещивающихся особей источником аллелей для генотипов организмов последовательных поколений является весь генофонд популяций. Генетическое единство проявляется также в общей генетической реализации популяции при изменении условий существования, что обуславливает как выживание вида, так и образование новых видов.

22.Генетические характеристики популяции: динамическое равновесие отдельных генотипов

Из уравнения Харди – Вайнберга следует, что значительная доля имеющихся в популяции рецессивных аллелей находится у гетерозиготных носителей. Фактически гетерозиготные генотипы служат важным потенциальным источником генетической изменчивости. Это приводит к тому, что в каждом поколении из популяции может элиминироваться лишь очень малая доля рецессивных аллелей. Только те рецессивные аллели, которые находятся в гомозиготном состоянии, проявятся в фенотипе и тем самым подвергнутся селективному воздействию факторов среды и могут быть элиминированы. Многие рецессивные аллели элиминируются потому, что они неблагоприятны для фенотипа – обуславливают либо гибель организма еще до того как он успеет оставить потомство, либо «генетическую смерть», т.е. неспособность к размножению.

Однако не все рецессивные аллели неблагоприятны для популяции. Например, у человека из всех групп крови чаще всего встречается группа 0, соответствующая гомозиготности по рецессивному аллелю.

Другим примером служит серновидноклеточная анемия. наследственное заболевание, широко распространенное в ряде областей Африки, индии, у негритянского населения Северной Америки. Индивидуумы, гомозиготные по соответствующему рецессивному аллелю, обычно умирают не достигнув половой зрелости и элиминируя таким образом из популяции по два рецессивных аллеля. Что касается гетерозигот, то они не гибнут. Установлено, что во многих частях земного шара частота аллеля серновидноклеточности остается относительно стабильной. У некоторых африканских племен частота гетерозиготного фенотипа достигает 40%. Раньше думали, что этот уровень поддерживается за счет появления новых мутантов. Однако в результате дальнейших исследований выяснилось, что во многих частях Африки, где среди факторов, угрожающих здоровью и жизни, важное место занимает малярия, люди, несущие аллель серновидноклеточности, обладают повышенной резистентностью к этой болезни. В малярийных районах Центральной Африки это селективное преимущество гетерозиготного генотипа поддерживает частоту аллеля серновидноклеточности на уровне 10 – 20%. У североамериканских негров, уже 200 – 300 лет не испытывающих на себе селективного эффекта малярии, частота аллеля серновидноклеточности упала до 5%.

Этот пример эволюции в действии ясно демонстрирует селективное влияние среды на частоту аллелей – механизм нарушающий равновесие Харди – Вайнберга. Именно такого рода механизмы вызывают в популяциях сдвиги, ведущие к эволюционному изменению.