Зчеплене успадкування. Генетика статі.

MІНЛИВІСТЬ, ЇЇ ФОРМИ та прояви.

 

Явище зчепленого успадкування було відкрите американським ученим Т.Морганом, який сформулював закон зчепленого успадкування:

·      якщо гени знаходяться в одній хромосомі, вони успадковуються разом, утворюючи групу зчеплення;

·      кількість груп зчеплення відповідає гаплоїдному набору хромосом;

·      сумісне успадкування генів, розташованих в одній хромосомі, називається зчепленим успадкуванням;

·      зчеплення генів може порушуватися внаслідок кросинговеру;

·      кросинговер – це обмін ділянками між гомологічними хромосомами;

·      частота кросинговеру між двома генами прямо пропорційна відстані між ними, яка вимірюється в умовних одиницях – морганідах;

·      морганіда – це відстань між генами, за якої кросинговер відбувається з частотою 1%;

·      кількісно частота кросинговеру між даними генами дорівнює відсотку кросоверних особин, отриманих при аналізуючому схрещуванні, або відсотку кросоверних гамет, які утворює гетерозиготна батьківська особина;

Завдяки кросинговеру в живих організмів збільшується кількість генетичних рекомбінацій. Хоча частота кросинговеру між різними парами зчеплених генів є величиною відносно сталою, на неї можуть впливати деякі чинники зовнішнього і внутрішнього середовища (хромосомні мутації, які ускладнюють або унеможливлюють перехрест хромосом, занадто висока чи низька температура, рентгенівське опромінення, деякі хімічні сполуки тощо). У деяких видів організмів виявлено залежність частоти кросинговеру від віку (наприклад, у дрозофіли) або статі (миші, кури).

Знаючи частоту кросинговеру між певними генами, можна побудувати генетичні карти хромосом, де зображене взаємне розташування різних генів. Створення генетичних карт людського геному завершено, що дозволить виявляти та певним чином маніпулювати з патологічними генами, відповідальними за появу спадкових захворювань.

 

Хромосомна теорія спадковості

 

Томас Хант Морган (1866-1945)

 

Хромосомна теорія спадковості була сформульована на підставі робіт Моргана та його співробітників Бріджеса, Стертеванта та Меллера (20-ті роки XX ст.). Основні її положення наступні:

-       гени (цистрони) знаходяться в хромосомах; кожна хромосома є групою зчеплення генів;

-       кожний ген у хромосомі займає певне місце (локус);

-       гени в хромосомах розміщені лінійно;

-       між гомологічними хромосомами може відбуватися обмін алельними генами (кросинговер);

-       відстань між генами в хромосомі прямо пропорційна частоті кросинговеру;

-       ген – частина молекули ДНК; кількість нуклеотидів, що вхо­дять до складу генів, неоднакова;

-       усередині гена можуть відбуватися рекомбінації та мутації.

Існують структурні та регуляторні гени. Структурні гени кодують біосинтез білків, але самі не беруть в ньому участі: ДНК є матрицею для РНК; регуляторні гени контролюють і спрямовують діяльність структурних генів; розташування нуклеотидних триплетів у структурних генах відповідає розташуванню амінокислот у поліпептидному ланцюгу, що кодується даними генами;

Молекули ДНК, що входять до складу гена, здатні до репарації (відновлення), тому не всяке пошкодження гена веде до мутації.

Генотип, будучи дискретним (що складається з окремих генів), функціонує як єдине ціле; на функцію генів впливають чинники як внутрішньоклітинного, так і зовнішнього середовища. На початку ХХ ст. англійським генетиком Т.Х. Морганом і його співробітниками була доведена й експериментально обґрунтована хромосомна теорія спадковості.

У 1910 р. Т.Х. Морган та його співробітники, вивчаючи успадкування різних ознак у плодової мухи (Drosophila melanogaster) (рис.50), дійшли висновку, що всі вивчені гени можна розподілити на чотири групи. Гени різних груп успадковуються і рекомбінуються незалежно один від одного, а гени однієї групи зчеплені між собою.

У соматичних клітинах дрозофіли міститься 8 хромосом, а гамети мають по чотири хромосоми. Це дозволило передбачити, що чотири групи зчеплення відповідають чотирьом різним хромосомам. Т.Морган вперше встановив паралелізм між числом груп зчеплення і числом хромосом, – гени, що розміщуються в одній хромосомі, складають одну групу зчеплення.

 

Зчеплене успадкування в дрозофіли

 

 

Стало зрозумілим, що гени розташовуються в хромосомах, які складають матеріальну основу спадковості.

Зазначені докази було покладено в основу хромосомної теорії спадковості:

1.  Гени розміщаються в хромосомах по довжині в лінійному порядку; різні хромосоми містять неоднакове число генів; набір генів кожної з негомологічних хромосом – унікальний.

2.  Алельні гени займають певні й ідентичні локуси (місця) гомологічних хромосом.

3.  Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення, завдяки чому має місце зчеплення деяких ознак, які разом (зчеплено) передаються нащадкам. Кількість груп зчеплення дорівнює гаплоїдному набору хромосом. Зчеплення не абсолютне.

4.  Під час мейозу, який відбувається тільки при утворенні гамет, диплоїдне число хромосом зменшується вдвічі (гаплоїдне число). Це відповідає закону розщеплення, за яким генетичний матеріал обох батьків має розщепитися і потрапити в різні гамети.

5.  Згідно із законом незалежного розподілу батьківські й материнські набори незчеплених генів розщеплюються незалежно один від одного. Якщо незчеплені гени розташовані в різних хромосомах, то під час мейозу материнські й батьківські хромосоми повинні розподілитися між гаметами  випадково.

6.  Між генами гомологічних батьківських і материнських груп зчеплення можуть відбуватися, завдяки кросинговеру, реципрокні рекомбінації. Цьому відповідає утворення хіазм під час кон’югації гомологічних хромосом у мейозі (генетичний кросинговер).

7.  Сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними. Чим ближче розташовані гени в одній хромосомі, тим сильніше їх зчеплення, тим у меншій мірі виникатимуть рекомбінації між ними, і навпаки. Відстань між генами вимірюється у відсотках кросинговеру. Один відсоток кросинговеру відповідає одній морганіді.

8.  Кожний біологічний вид характеризується специфічним набором хромосом – каріотипом.

Дослідження хромосомного механізму визначення та успадкування ознак, зчеплених зі статтю, зчеплення генів, генетичних карт з цитологічними картами хромосом – все це покладено в основу хромосомної теорії спадковості, на яку спирається весь розвиток генетики.

 

Кросинговер як генетична закономірність

 

Кросинговер (від англ. crossingover – перехрест) – обмін ділянками гомологічних хромосом у процесі клітинного поділу, переважно в профазі першого мейотичного поділу, іноді в мітозі.

Дослідами на дрозофілі Т.Морган, К.Бріджес і А.Стертевант показали, що немає абсолютно повного зчеплення генів, за якого гени передавалися би завжди разом. Імовірність того, що два гени, локалізовані в одній хромосомі, не розійдуться в процесі мейозу, коливається в межах 1-0,5%. У природі переважає неповне зчеплення, обумовлене перехрестом гомологічних хромосом і рекомбінацією генів. Так було відкрито перехрест хромосом, або кросинговер. Цитологічна картина кросинговеру була вперше описана датським ученим Янсеном.

Кросинговер відбувається тільки тоді, коли гени знаходяться в гетерозиготному стані (АВ/аb). Якщо гени в гомозиготному стані (АВ/АВ або аbb), обмін ідентичними ділянками не дає повних комбінацій генів у гаметах і в поколінні.

Схема кросинговеру

 

Частота (відсоток) перехреста між генами залежить від відстані між ними: чим далі вони розташовані один від одного, тим частіше відбувається кросинговер. Т. Морган запропонував відстань між генами вимірювати у відсотках, за формулою:

 

n1×100/n = % кросинговеру,

 де  n – загальне число особин у F,

       n1 – сумарне число кросоверних особин.

Відрізок хромосоми, на якому здійснюється 1% кросинговеру, дорівнює одній морганіді (умовна міра відстані між генами).

Частоту кросинговеру використовують для того, щоб визначити взаємне розміщення генів і відстань між ними.

Розрізняють декілька типів кросинговеру: подвійний, множинний (складний), неправильний, нерівний.

Значення. Кросинговер призводить до нового поєднання генів, що викликає зміну фенотипу. Крім того, він поряд з виникненням мутацій є важливим фактором еволюції організмів.

 

Ознаки, зчеплені із статтю

 

Ознаки, гени яких розташовані не в автосомах, а в статевих хромосомах (Х і Y), називають зчепленими із статтю, а успадкування таких ознак – успадкуванням, зчепленим із статтю. Його вперше встановив Т.Морган при вивченні успадкування кольору очей (червоного і білого) у дрозофіли.

Усі гени, локалізовані в статевих хромосомах людини, можна розділити на три групи залежно від того, в яких ділянках статевих хромосом вони знаходяться.

Першу групу складають гени,  повністю зчеплені із статтю. Вони локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, яка не має гомолога в Y-хромосомі, і передаються виключно через Х-хромосому. До числа таких генів належать рецесивні гени гемофілії, дальтонізму, домінантний ген гіпофосфатемії (вітамін D-резистентний рахіт). 

Другу групу  складає невелике число генів, теж повністю зчеплених із статтю, але розташованих у негомологічній ділянці Y-хромосоми. Вони передаються від батька до всіх його синів, бо Y-хромосому син одержує лише від батька (перетинки між пальцями, волохатість вушних раковин).

Третю групу складають гени, неповно (частково) зчеплені із статтю. Вони розташовані в гомологічних ділянках Х- і Y-хромосом, можуть передаватися як з Х-, так і з Y-хромосомою, і переходити з однієї в іншу при кросинговері.

Стать – це сукупність ознак і властивостей організму, що за­безпечують участь у процесі відтворення нащадків і передачу йому спад­кової інформації за рахунок утворення гамет.

Відмінності між статями полягають у первинних, вторинних і третинних статевих ознаках.

 

Первинні статеві ознаки включають гонади, статеві шляхи, зовнішні статеві органи. Вторинні статеві ознаки безпосередньо не беруть участі в процесі відтворення, але визначають статевий диморфізм (наприклад, широкі плечі, інтенсивне оволосіння, кадик, низький тембр голосу в чоловіків; розвинена підшкірна клітковина, широкий таз у жінок; інтен­сивне забарвлення пір'я та гребінь у півнів). Дані ознаки є лише допоміжними при заплідненні.

Первинні та вторинні статеві ознаки поєднують в групу ознак, що визначають стать.

Третинні статеві ознаки – ознаки, зчеплені зі статтю, тобто ті, які визначаються генами, розміщеними в статевих хромосомах (X, Y).

Ознаки, обмежені статтю, закладаються в обох статей, але проявляються лише в однієї (наприклад, несучість курей або молочність великої рогатої худоби).

Ознаки, залежні від статі – ті ознаки, прояв яких при гетерозигот­ності гена, що їх детермінує, залежить від статі (наприклад, при гетерозиготності гена, який визначає рогатість, в особин жіно­чої статі ознака не проявляється, а чоловічої – з'являється).

Хромосоми поділяються на автосоми, однакові в самців і самок, і статеві хромосоми, що відрізняються в різностатевих особин. У ссавців жіноча стать гомогаметна (утворює гамети з X-хромосомою), а чоловіча – гетерогаметна (утворює гамети з X- та Y-хромосомою). У птахів, земноводних, метеликів навпаки – чоловіча стать – гомогаметна, а жіноча – гетерогаметна.

У людини жіноча стать за ознакою, яка міститься в Х-хромосомі, є гомо- або гетерозиготою; чоловіча стать є гемізиготною (ознака, закладена в Х-хромосомі, не має алеля в Y-хромосомі і в будь-якому разі проявляється). Статеві хромосоми –  Х та Y – мають гомологічні (однакові) і негомологічні ділянки. В Y-хромосомі знаходиться ген ТДФ – тестисдетермінувальний фактор (від лат. testis – сім'яник, яєчко), який визначає диференціацію зародкової гонади за чоловічим типом.

Успадкування ознак, зчеплених зі статтю, має ряд особливостей:

- при успадкуванні зчеплених зі статтю ознак, коли ген локалізований у Х-хромосомі, він передається від батька лише донькам, а від матері – до синів і дочок порівну (принцип крис-крос);

- якщо рецесивний алель зчеплений з Х-хромосомою, то в жінок він проявляється лише в гомозиготному стані, а в чоловіків за умови локалізації в негомологічній ді­лянці Х-хромосоми – проявляється завжди (класичний приклад – успадкування гемофілії – Х-зчепленої рецесивної ознаки в людини: у жінок, які мають рецесивний алель да­ного гена, зазвичай є також домінантний ген, так що вони фенотипово здорові, але є носіями гемофілії; у чоловіків за наявності рецесивного алеля внаслідок гемізиготності хвороба проявляється;

- ознаки, детерміновані Y-хромосомою (голандричні) передаються лише за чоловічою лінією.

 

Способи визначення статі:

 

-         прогамний тип – стать визначається ще до запліднення (у дафній за оптимальних умов у водоймі розвиваються самки, а при низькій температурі – самці);

-         сингамний тип – стать визначається в момент запліднення (у людини при поєднанні двох Х-хромосом формується жіночий організм, а X- та             Y-хромосоми – чоловічий);

-         епігамний тип – стать визначається після запліднення і фор­мується під впливом умов довкілля (типовим прикладом є морський черв’як Bonellia viridis, самка якого відкладає запліднені яйця у воду, де з них розвиваються личинки. Якщо личинка попадає на хоботок самки, то з неї під дією певних ферментів розвивається великих розмірів самка. Якщо ж личинка опускається на дно водойми або прикріплюється до якогось іншого субстрату – то з неї розвивається дрібних розмірів самець);

-         стать визначається також залежно від факту запліднення (у бджіл із заплідненої яйцеклітини формуються самки, а з незаплідненої – самці).

 

Стать тварин і рослин генетично визначається однією парою хромосом, які отримали назву статевих. Існують чотири основних типи регуляції статі статевими хромосомами.

1.  ХY-тип, за якого жіноча стать має дві ХХ статеві хромосоми і є гомозиготною (утворює гамети одного типу – Х), а чоловіча стать має чоловічу статеву хромосому – Y, яка відрізняється від Х-хромосоми величиною і формою. Чоловіча стать гетерогаметна (утворює гамети двох типів – Х і Y). Цей тип властивий ссавцям, комахам і більшості дводольних покритонасінних рослин.

2.  Х0-тип – жіноча стать має дві  Х-хромосоми, а чоловіча тільки одну Х-хромосому. Х0-тип трапляється серед комах і ссавців.

3.  ZW-тип. Жіноча стать має одну жіночу статеву хромосому W і другу, відмінну від неї за формою і величиною, статеву хромосому Z. Тут жіноча стать є гетерогаметною, а чоловіча стать має дві однакових статевих хромосоми Z і гомогаметна. ZW-тип притаманний деяким рибам, метеликам, птахам і дуже рідко трапляється серед рослин.

4.  Z0-тип – жіноча стать має тільки одну Z-хромосому і гетерогаметна, а чоловіча – дві Z-хромосоми і гомогаметна. Цей тип відомий тільки в одного з видів ящірки.

Статеві хромосоми, крім визначення статі, виконують й інші функції, оскільки містять гени, які впливають на різні системи органів. Успадкування ознак і властивостей, зумовлених генами, локалізованими в статевих хромосомах, називаються успадкуванням, зчепленим зі статтю. Це явище було відкрито          Т. Морганом. Характер зчепленого зі статтю успадкування істотно залежить від того, в яких статевих хромосомах і в яких їх ділянках розміщені ті чи інші гени.

У статевих хромосомах міститься найбільша група зчеплення; до її складу входить близько 40 генів. Ці гени поділяються на три підгрупи залежно від того, в яких частинах Х і Y-хромосом вони розташовані (рис. 52).

До першої підгрупи віднесено гени, розташовані в парному сегменті статевих хромосом (у тій ділянці, яка однакова в Х і Y-хромосом). Такі гени частково зчеплені зі статтю і залишаються обмеженими Х-хромосо­мою тільки до кросинговеру між локусом їх розташування. Після такого кросинговеру гени переходять із Х- у Y-хромосому і виникає вже успадкування, характерне для генів, частково зчеплених із Y-хромосомою. До цієї підгрупи відноситься багато генів, зчеплених зі статтю. Звідси у людини, на відміну від дрозофіли, Y-хромосома генетично активна і містить певну кількість генів.

Другу підгрупу складають гени, розташовані в ділянці Х-хромосоми, відповідної якій у Y-хромосоми немає. Такі гени повністю зчеплені зі статтю, передаються нащадкам разом з Х-хромосомою і не можуть переходити з Х- в  Y-хромосому. Число генів, які входять у цю підгрупу, в людини досить велике.

Третю підгрупу складають гени непарної ділянки Y-хромосоми. Такі гени отримали назву голандричні, вони обмежені тільки чоловічою статтю і число їх невелике (всього п’ять: риб’яча шкіра, перетинчасті пальці, підвищена кількість волосся у зовнішньому слуховому ході та ін.)

Ознаки  зчеплені зі статтю виявлено у дводольних рослин, багатьох тварин і людини. Такі спадкові хвороби, як дальтонізм і гемофілія викликаються рецесивними генами, локалізованими в Х-хромосомі. Жінки, гетерозиготні за цими генами, є носіями хвороб, а в чоловіків рецесивні гени, перебуваючи в гемізиготному стані, проявляють свою дію.

У кішок певні види забарвлення шерсті також зчеплені зі статтю. Відомо, що коти ніколи не мають черепахового забарвлення (рудих і чорних плям на білому фоні), вони бувають темними або рудими. Це пояснюється тим, що алельні гени, які визначають чорне або руде забарвлення, локалізовані лише в Х-хромосомі. Жодна з цих алелей не домінує над іншою, і тому кішки, гетерозиготні за цим геном, мають черепахове забарвлення, на відміну від котів, що мають лише один алель­ ний ген.

Успадкування ознак, зчеплених зі статтю, спостерігається також внаслідок нерозходження статевих хромосом при утворенні гамет. При порушенні мейозу в одні гамети попадають по дві X-хромосоми, а в інші – ні однієї. Так виникають анеуплоїдні клітини. Якщо при заплідненні яйцеклітини, яка містить дві Х-хромосоми, сперматозоїдом з Х-хромосо­мою, то утворюється зигота з трьома Х-хромосомами (ХХХ). Якщо така яйцеклітина заплідниться сперматозоїдом з Y-хромосомою, то розів’ється  ХХY-зигота.

 

Успадкування забарвлення шерсті у котів, зчеплене зі статтю:

b – статева хромосома, що несе алель рудого забарвлення шерсті; ХВ – статева хромосома, що несе алель темного забарвлення шерсті; Y – статева хромосома, позбавлена гена забарвлення шерсті)

 

Балансова теорія визначення статі

 

Досить давно помітили, що співвідношення статей у різностатевих організмів становить близько 1:1. Ще Г.Мендель зазначив, що таке ж розщеплення 1:1 характерне для так званого аналізуючого схрещування (Аа × аа), при якому беруться гомозиготна і гетерозиготна, за даною ознакою, особини. Було висловлене припущення, що одна із статей у різностатевих організмів повинна бути гомозиготною, а інша – гетерозиготною (стать, що утворює однакові гамети, називається гомогаметною, стать, що утворює різні гамети – гетерогаметною). Перший доказ на користь цієї гіпотези одержав ще К. Корренс на рослині бріонія (переступень). Однак вирішальний висновок одержали цитологи. На початку 90-х років минулого століття цитолог Генкінг в одного з видів клопів – протенора – відмітив, що особини чоловічої і жіночої статі відрізняються кількістю хромосом. У клопів-самців у кожній клітині було по 21 хромосомі, у самок – по 22. У клопа ж лігеуса при вивченні сперматогенезу були описані гаплоїдні спермії двох типів: одні, що містять Х-, інші Y-хромосоми. Ця закономірність була виявлена і при вивченні деяких інших комах.

Американський цитолог Мак-Клунг дійшов висновку, що стать деяких видів організмів визначається зайвою – статевою – хромосомою, як у клопа-протенора. Механізм визначення статі за допомогою зайвої хромосоми з тих пір стали називати визначенням статі за типом протенорів: у них організм із набором Х0-самець, а з     XX-набором – самка. Визначення статі за допомогою Х- і Y-хромосом, як у клопів-лігеус, стали називати визначенням статі за типом лігеус (у більшості видів ХY - самець, ХХ - самка). У деяких тварин статеві хромосоми позначаються буквами Z і W. Потім Т. Морган і його учні (зокрема, Бриджес) одержали експериментальні докази того, що в дрозофіли стать завжди визначається за типом лігеус, тобто наявністю статевих хромосом Х і Y. Виявилося, що в дрозофіли особини з набором XY – самці, а з ХХ-набором  – самки.

Статеві хромосоми були виявлені в багатьох живих організмів, у тому числі й у людини. У людини стать також визначається за типом лігеус. Статеві хромосоми людини відрізняються від автосом не тільки  генетично, але і цитологічно, тобто за своєю структурою.

Статеві хромосоми багаті неактивними ділянками, що називаються гетерохроматином. Редуплікація їх відбувається асинхронно з автосомами (запізнюється), а в гомогаметної статі одна з Х-хромосом, зазвичай, репродукується пізніше інших. У мейозі вони часто сильно спіралізовані. Y-хромосома людини складається переважно з гетерохроматину, вона генетично інертна, несе мало активних генів. У риб число активних генів у Y-хромосомі більше, у дрозофіли – менше.

Хромосомна теорія визначення статі вперше чітко пояснила, чому народжується приблизно рівна кількість хлопчиків і дівчаток. При утворенні статевих клітин у процесі редукційного поділу мейозу число хромосом зменшується вдвічі. У результаті одна половина сперміїв у чоловіків одержує X-, а інша – Y-хромосому. Це відбувається тому, що на стадії метафази хромосоми утворюють пари, які на стадії анафази розходяться в дочірні клітини. У кожну дочірню гамету попадає одна статева хромосома.

В усіх статевих клітинах жінки є по одній Х-хромосомі. При злитті гамет одна половина яйцеклітин запліднюється Х-спермієм (при цьому сполучення XX дає жіночу стать), інша половина яйцеклітин – з Y-спермієм (сполучення ХY формує чоловічу стать).

Із вивченням механізмів визначення статі ставали відомими виключення з хромосомної теорії. Вони спричинили питання: чи не є статеві хромосоми лише простими індикаторами статі, свого роду повторно-статевими ознаками. Труднощі хромосомної теорії визначення статі сприяли формуванню балансової теорії визначення статі К.Бриджеса.

У результаті нерозходження статевих хромосом при утворенні гамет у дрозофіли Бриджес одержав самок, в яких каріотип містив одну зайву Х-хромосому (XXX), і самців без однієї статевої хромосоми (Х0). Яким чином в них визначається стать?

К.Бриджес знайшов декілька самок дрозофіли, що мають триплоїдний набір хромосом. При їхньому схрещуванні з диплоїдними самцями було отримано 8 типів осіб з різним співвідношенням статевих хромосом (ХY) й автосом (А): 3Х : 3А; 2Х : 2А; (2Х + Y) : 2А; 2Х : 3А; (2Х + Y) : 3А; ХY : 2А; 3Х : 2А; XX : 3А. Поява таких мух була зумовлена порушенням розходження хромосом у мейозі в триплоїдних самок.

Перевага автосом у зиготі (2Х : 3А) призвела до утворення осіб із проміжним розвитком статі, тобто інтерсексів, зменшення числа Х-хромосом        (X : 2А) – до розвитку чоловічої статі, а сполучення 3Х : 3А – до розвитку зверхсамців – організмів з гіпертрофованими ознаками самців.

На основі подібних дослідів К. Бриджес сформулював балансову теорію статі, згідно з якою стать визначається балансом генів, які детермінують чоловічу і жіночу стать та локалізованих у будь-яких хромосомах геному, а не тільки в статевих.

Балансова теорія визначення статі в даний час одержала подальше підтвердження. Вона застосовна і до вищих рослин. У рослини дрімоти стать визначається насамперед балансом Х- і Y-хромосом. Зміна кількості автосом ефекту не дає. Однак навіть жіночі рослини, позбавлені Y-хромосоми, мають чоловічі потенції (при ураженні жіночих рослин головнею в квітках розвиваються тичинки, тобто квітки стають гермафродитами).

Однак відомі випадки, коли стать особини визначається не балансом хромосом, а взаємодією генів. У бджіл із запліднених яєць розвиваються диплоїдні самки, а з незапліднених (тобто партеногенетичних) – самці. Диплоїдія соматичних тканин відновлюється тут лише в процесі розвитку самця. У близького бджолам виду ос-наїзників, як і в бджіл, із запліднених яєць розвиваються самки, а з незапліднених – самці. Але іноді при близькоспорідненому спарюванні з запліднених яєць розвиваються самці. Чому ж це відбувається? Генетичний аналіз показував, що жіноча стать в ос-наїзників визначається гетерозиготним станом двох алелей:, а чоловіча – гомозиготним станом  або , незалежно від наявності чи  відсутності запліднення. Отримані дані, що в бджіл із запліднених яєць іноді виводяться трутні.

 

Існують також інші теорії визначення статі:

1.     Теорія олігогенного визначення статі.

2.     Теорія альтернативного визначення статі.

3.     Гіпотеза зворотного зв'язку при визначенні статі.

4.     Індукційна теорія.

5.     Фізіологічна теорія та інші.

 

Визначення статі – одне з найменш вивчених біологічних явищ. Ні хромосомна, ні балансова теорія визначення статі, ні інші теорії не можуть дати вичерпного пояснення всього різноманіття явищ, що спостерігаються в процесі визначення статі у тваринних і рослинних організмів.

Чи визначається стать людини тільки наявністю Y- чи X-хромосомою? У дрозофіли Y-хромосома не містить облігатних генів, що визначають чоловічу стать: іноді мухи Х0 є самцями, а мухи XXY і XXYY – самками. У шовковичного ж шовкопряда Bombyx mori одна статева хромосома несе сильні облігатні визначники чоловічої статі: ця хромосома завжди спричиняє формування чоловічої статі. На кого схожа у цьому відношенні людина? Чи несе Y-хромосома людини сильні облігатні детермінанти чоловічої статі, як у шовковичного шовкопряда? Відповідь на це питання позитивна. Y-хромосома людини, як і Bombyx mori, визначає чоловічу стать, тому що саме в ній більше всього генів чоловічої статі. Людина в цьому відношенні відрізняється від мухи-дрозофіли, але походить на шовковичного шовкопряда. Таким чином, у людини стать дитини успадковується від батька.

Однак чоловіки мають гени чоловічої статі не тільки в Y-хромосомі, у невеликій кількості вони містяться й у Х-хромосомі і в автосомах. Вони мають також гени жіночої статі. Жінки, як і чоловіки, також мають гени як жіночої, так у невеликій кількості і чоловічої статі. Людина генетично бісексуал. Якій статі бути, вирішує сила і кількість генетичних визначників тієї чи іншої статі: F (жіночих) чи М (чоловічих). У різних локусах хромосом людини знаходяться кілька генів F і М. Можливо, що одні статеві гени визначають кількість і структуру речовин, що діють як ембріональні статеві гормони, інші контролюють будову білків – рецепторів цих гормонів – і т.д.

 

Розвиток статі і його порушення

 

Слідом за визначенням статі в людини випливає диференціація, тобто розвиток статевих розходжень: формування гонад, а також анатомічних, фізіологічних і біохімічних механізмів, що забезпечують схрещування особин двох статей. Оскільки організм людини в основі своїй бісексуальний, зародкові гонади в ембріонів багатьох тварин мають подвійну природу. Вони складаються із зовнішнього шару – кортекса (у процесі диференціації з нього розвиваються жіночі статеві органи) – і внутрішнього шару – медули, з якого розвиваються сім’яники.

У процесі диференціації статі йде розвиток одного із шарів гонад і пригнічення іншого. У чоловічої статі медулярна тканина розвивається швидше і пригнічує діяльність кортикальної. У результаті зародкова гонада перетворюється в сім’яники.

У жіночого організму кортекс пригнічує розвиток медули і з нього утворяться жіночі гонади – яєчники. Відповідно до цього диференціюються і статеві шляхи. Процес диференціації статі в людини зумовлений статевими гормонами, що виділяються не тільки ендокринними залозами, але і зародковою гонадою. В осіб чоловічої статі на ранніх стадіях ембріонального розвитку переважає чоловіча гормональна речовина – медуларин, а в жіночого – кортикальний гормон.

Подальша диференціація статі, зокрема формування вторинних статевих ознак, також іде під впливом гормонів. Гормони – це ті інструменти, за допомогою яких гени зародка направляють його статевий розвиток.

Рівень гормональної секреції контролюється балансом генів. Перевага генів чоловічої статі призводить до підвищеної секреції чоловічих статевих гормонів і до формування чоловічої статі, перевага жіночих гормонів – до розвитку жіночої статі. Зміна активності гормональної секреції тої чи іншої статі призводить до розвитку інтерсексуальних форм, що називаються гермафродитами. Гермафродит – це або чоловік з окремими ознаками жінки, або жінка з ознаками чоловіка. Іноді справжню стать людини визначити нелегко.

У 1936 р. переможниця XI Олімпіади в бігу на 800 м виявилася гермафродитом. Коли в неї видалили яєчники, вона перетворилася в чоловіка. У 1936 р. одна провідна легкоатлетка Англії, власниця багатьох рекордів по штовханню ядра, в результаті хірургічної операції була переведена в категорію чоловіків.

Особин із проміжною статтю (гермафродитів, інтерсексів) можна розподілити на такі типи:

1. Гермафродити, що мають чоловічі і жіночі статеві залози. Це справжні гермафродити. Серед них, у свою чергу, можна виділити три групи:

а) гермафродити, в яких на одному боці яєчник і сім’яник, а на іншому – тільки протоки статевих залоз;

б) гермафродити з двобічними сім’яниками і яєчниками;

в) гермафродити, в яких на одному боці яєчник, а на іншому – сім’яник.

2. Гермафродити тільки із сім’яниками. Це псевдогермафродити.

3. Гермафродити тільки з яєчниками. Це також псевдогермафродити.

У свиней в окремих ізольованих популяціях інтерсекси можуть становити до 20%, але справжні гермафродити трапляються в 10 разів рідше, ніж псевдогермафродити.

Основні причини виникнення гермафродитизму не відомі. Хромосомні аберації, як першопричина інтерсексуальності, у тварин не описані. Гермафродитизм може бути і при нормальному наборі хромосом. Гермафродити за генетичною структурою можуть мати або XX, або ХY-набір хромосом. Ступінь гермафродитизму також визначається силою генетичних детермінантів статі F і М.

Існує думка, що інтерсексуальність спадкова. В окремих випадках інтерсексуальність успадковується як рецесивна ознака. У свиней допускається можливість наявності однієї пари рецесивних генів і одного чи декількох генів-модифікаторів, що зумовлюють інтерсексуальність. Деякі вважають, що інтерсексуальність успадковується як обмежений статтю рецесив із можливою дією модифікуючих автосомних генів. У людини гени-визначники жіночої статі локалізуються, головним чином, у Х-хромосомі, а чоловічої статі – в Y-хромосомі й автосомах. Тому, хоча Y-хромосома в людини містить гени, що регулюють утворення структур сім’яників, такі структури можуть, очевидно, розвиватися і за відсутності Y-хромосоми. Ця концепція підтверджується тим, що у свиней-інтерсексів з жіночим генотипом також були присутні й сім’яники. У них за відсутності Y-хромосоми сім’яники розвиваються в результаті дії автосомних чоловічих генів-визначників.

Отже, основною причиною появи інтерсексів, ймовірно, є обмежений статтю рецесивний ген інтерсексуальності в сполученні з автосомними генами-модифікаторами.

Розглянемо деякі інші порушення у визначенні і диференціації статі в людини. У людини, як і в дрозофіли, відомі особини – генетичні зверхсамці і зверхсамки. «Зверхчоловіки» мають каріотип з надлишком статевих хромосом XXY, XXYY, XXXY, «зверхжінки» — XXX, 4Х.

У людини існують різні інші форми порушення статевого розвитку, наприклад, гінекомастія – сильний розвиток грудних залоз у чоловіків.

Відомі жінки з ХY-набором хромосом (ця патологія називається тестикулярною фемінізацією). Вони безплідні, є жінками за зовнішністю, чоловіками за каріотипом. Судячи з численних свідчень, однією з таких жінок була англійська королева Єлизавета. Вона не виходила заміж, не мала спадкоємців і, хоча не була зовсім байдужа до чоловіків, вдачу, волю і розум мала чоловічі.

Раніше наголошувалося, що числове співвідношення статей у популяції людей 1:1. Однак воно збережеться лише до періоду статевої зрілості людей. Первинне ж співвідношення статі в людини таке: 125-135 зачатих хлопчиків на      100 дівчаток. Потім це співвідношення змінюється в бік переваги кількості дівчаток. Наприклад, у білого населення США на 100 дівчаток народжується 106 хлопчиків. Однак смертність хлопчиків першого року життя на 30% вища, ніж дівчаток. До старості кількість чоловіків через велику смертність зменшується. На вторинне співвідношення статей впливає багато факторів: війни, рівень життя й особливо харчування.

Частка хлопчиків вища серед першонароджених і зменшується в наступних народженнях.

Є. Новицький і А.В. Кімбол у 1958 р. проаналізували 3 645 756 новонароджених дітей з метою виявити вплив віку батьків і порядку народжень на співвідношення хлопчиків і дівчаток. Автори знайшли достовірне, але дуже слабке зниження частки народження хлопчиків серед народжених п’ятими і пізніше в порівнянні з первістками. Вік матері не впливає на співвідношення статі немовляти, але має значення вік батька.

Лише аномаліями випадкового розподілу статевих хромосом у гаметах, напевно, генетичного характеру, можна пояснити зовсім незвичайний випадок, коли в одному роді протягом ряду поколінь народилося 72 дочки і жодного сина.

Різні родини відрізняються одна від одної імовірностями народження хлопчиків і дівчаток. Відомі родоводи з незвичайним співвідношенням статей.

У дрозофіли знайдений «ген співвідношення статей» – у деяких лініях народжуються майже одні самки. Y-хромосома в цих мух взагалі дегенерує, сперма містить тільки Х-хромосоми. Відомий вірус, що убиває зиготу XY.

Можливо, що й у людей є подібні механізми, які пояснюють порушення нормального співвідношення статей.

 

Хромосомна карта, її зміст, значення

Ґрунтуючись на знанні теорії лінійного розташування генів у хромосомі та на підставі кросинговеру, визначивши відстань між ними, вдалося встановити їх послідовність у хромосомі. Стертевант А. склав першу карту розподілу генів в одній із хромосом дрозофіли. Потім були складені такі карти і для інших хромосом. За одиницю відстані між генами приймається 1% кросинговеру, або 1 морганіда.

Генетична карта – це відрізок прямої, на якій позначено порядок розташування генів і вказано відстань між ними у відсотках кросинговеру. Вона будується на основі результатів аналізуючого схрещування.

Картування проводиться з метою, щоб дізнатися, в якій парі хромосом і на якій генетичній відстані (коефіцієнт рекомбінації), або в якій частині хромосоми, розташовані гени.

Побудовані генетичні карти для багатьох об’єктів. Серед покритонасінних рослин краще всього вивчено генетичні карти кукурудзи, ячменю, рису, томатів та ін. У тварин такі карти складено для дрозофіли, а серед ссавців – для миші. Доведено, що такий розподіл генів у хромосомах є загальнобіологічною закономірністю.

Припустимо, що гени А, В і С успадковуються зчеплено, тобто розташовані в одній хромосомі. Відсоток кросинговеру між генами А і В складає 10 %, а між генами А і С – 3 %. Для визначення локуса гена С в хромосомі цього недостатньо. Він може бути розташований або ліворуч, або праворуч від гена А. Необхідно провести наступне схрещування і визначити частоту кросинговеру між генами В і С. Вона може складати або 7 % і тоді гени розташовані в хромосомі у послідовності: А–С– В, або 13 % і тоді послідовність буде іншою: С–А–В:

          3 %                  7 %

           А            С                          В

                          

 

       3 %                    10 %

   С            А                                          В

 

Схема побудови карт хромосом.

 

Для побудови генетичних карт хромосом застосовують переважно тригібридне аналізуюче схрещування, в якому одночасно визначають відстань і положення генів в хромосомі.

Поряд з генетичними картами в дрозофіли були складені цитологічні карти. Для цього використовували хромосомні перебудови, одержані дією мутагенів, і вивчали їх спочатку на мітотичних, а потім на велетенських хромосомах слинних залоз личинок дрозофіли. Велетенські (політенні) хромосоми перевищують розміри мітотичних хромосом в 100-200 разів, містять в 1000 разів більше хромонем.

Виявлення груп зчеплення в хромосомах дає можливість побудови хромосомних карт, коли на хромосомі розміщення генів позначають у вигляді цяточок. Найбільш повно побудована карта Х-хромосоми. Локуси, зчеплені з Х-хро­мосомою (а їх понад 200), віднесені до цієї хромосоми спираючись на аналіз родоводів (багато з них підтверджені методами гібридизації соматичних клітин).

Методи побудови карт хромосом ґрунтуються на передбаченні ймовірності кросинговеру по всій довжині хромосоми і випадкових обмінах між різними хроматидами.

Для картування хромосом застосовують гібридизацію соматичних клітин людини з клітинами різних тварин, переважно з клітинами миші. При культивуванні таких гібридних клітин на живильних середовищах відбувається постійна втрата хромосом людини. Коли в гібридній клітині залишається тільки одна хромосома від людського каріотипу, її можна ідентифікувати шляхом диференціального забарвлення. Визначивши потім вміст певного ферменту в даній клітині, можна стверджувати, що локус для цього ферменту розташований у цій хромосомі.

Незважаючи на певні труднощі при побудові генетичних карт і на їх відносність, детальна розробка карт – один з провідних методів аналізу поведінки і тонкої будови хромосом.

Уже відомі 24 групи зчеплення у людини (22 пари автосом, Х, Y). Картована значна кількість генів на хромосомах людини.

Значення. Складання точних карт хромосом є необхідною передумовою подальшого прогресу теоретичної генетики людини. Це має виняткове значення для виявлення, диференціальної діагностики спадкових хвороб плода, для ранньої діагностики цих хвороб, встановлення носіїв генетичних зрушень, які перебувають у безсимптомній фазі, для визначення медико-генетичного прогнозу.

 

Позаядерна спадковість та її значення

Позаядерна (цитоплазматична) спадковість – спадковість за рахунок ДНК, розміщеної у мітохондріях, пластидах та клітинно­му центрі.

При позаядерній спадковості не зберігаються закономірності, відкриті Менделем і Морганом.

Пластиди в рослинній клітині мають свій генетичний апарат, білоксинтезувальну систему і розмножуються поділом, що свідчить про їх напівавтономність. Відомі мутації ДНК хлоропластів, що призводять до плямистості листків. Існують сорти ротиків, нічної красуні та деяких інших рослин, у яких поряд із зеленими листками трапляються строкаті з білими плямами – ділянками, позбавленими хлорофілу. Ознака строкатості передається тільки через яйцеклітину, тоб­то по материнській лінії.

Мітохондрії передаються також через яйцеклітину. Мутації в ДНК мітохондрій знайдені в найпростіших та дріжджів. Генетичний апарат мітохондрій не є самодостатнім, оскільки вони можуть синтезувати лише частину білків, необхідних для життєдіяльності.

У кукурудзи існують сорти з чоловічою стерильністю, яка передається через цитоплазму яйцеклітин; такі сорти широко використовуються в сільському господарстві при лінійних схрещуваннях; через відсутність власного пилку в цих ліній неможливе самозапилення, завдяки чому досягається перехресне запилення й отримання гібридів з підвищеною врожайністю.

Методи складання карт хромосом людини. Для побудови карт хромосом людини метод експериментальних схрещувань неприйнятний. З цією метою застосовують інші методи, у тому числі:

1) аналіз родоводів;

2) гібридизація соматичних клітин;

3) морфологічні варіанти і аномалії хромосом;

4) молекулярна гібридизація (гібридизація нуклеїнових кислот);

4) аналіз амінокислотної послідовності білків, ін.

Гібридизація соматичних клітин – метод одержання гібридних клітинних ліній шляхом злиття нестатевих клітин. Якщо в культурі змішати клітини миші і людини, то можна отримати гібридні клітини (гібридоми), які містять хромосоми обидвох видів. У нормі клітини людини мають 46, миші – 40 хромосом. У гібридних клітин  – не 86, а найчастіше 41-55 хромосом, причому в процесі поділу втрачаються хромосоми людини. У гібридних клітин хромосоми миші і людини функціонують та кодують синтез певних білків.  Морфологічно кожну хромосому можна диференціювати і встановити, з якими саме хромосомами людини пов’язаний синтез тих чи інших білків. Вивчення гібридомів людина-миша дозволило встановити, що ген тимідинкінази локалізований на хромосомі 17,  ген інтерферону – на хромосомах 2 і 5, ген резус-фактора – на першій хромосомі. 

У людини відомі 24 групи зчеплення (22 пари автосом, Х-, Y-хромосоми). Для кожної групи зчеплення побудовані карти хромосом, з них найбільш повна – для   Х-хромосоми.

 

Значення. Карти хромосом необхідні для ранньої діагностики спадкових хвороб,  для визначення медико-генетичного прогнозу.

 

У людини аналіз зчеплення генів класичними методами, розробленими на дрозофілі, неможливий, внаслідок неможливості експериментальних шлюбів. В останні роки розроблено комплекс методів картування генів на хромосомах людини. Так, для вивчення груп зчеплення і складання карт хромосом використовують понад 15 методів.

Картування хромосом у людини проводиться шляхом аналізу родоводів та генетичного аналізу гібридних соматичних клітин.

Тривалий час були відомі тільки три автосомні групи зчеплення і Х-хромосом­на. Новий період розпочався з 1968 р., коли вдалося встановити локалізацію гена групи крові Даффі у хромосомі 1. У людини відомі всі 24 групи зчеплення.

Геном людини містить від 35000 до 40000 різних генів, 16000 з яких тепер картовані на скелетній карті геному, складеній за допомогою 1000 високополімерних ДНК-маркерів (J. Schuler et al., 1996).

Виявлення груп зчеплення в хромосомах дає можливість

                                                                          

СПАДКОВІСТЬ І СЕРЕДОВИЩЕ

Спадковість – одна з основних властивостей, яка притаманна всім живим організмам. Спадковість забезпечується наявністю генетичного матеріалу. Генетичний матеріал (ДНК) еукаріотів майже виключно знаходиться в хромосомах ядра і в невеликій кількості – в органелах цитоплазми (мітохондрії у тварин і рослин, пластиди у рослин). З хромосомами ядра пов’язана ядерна, або хромосомна, спадковість, з мітохондріями і пластидами цитоплазми – цитоплазматична, або позаядерна, спадковість. Обидві вони грунтуються на передачі в ряді поколінь одиниць спадковості – генів. Існують три рівні організації генетичного матеріалу еукаріотів: генний, хромосомний і геномний.

Середовище – сукупність негенетичних (тобто не повязаних безпосередньо із спадковим матеріалом) факторів, які діють на організм в процесі його розвитку і життєдіяльності.

 Мінливістю називають відмінності між особинами того самого виду.  Здатність змінювати свої ознаки і властивості – найхарактерніша ознака всього живого. Мінливість забезпечує різноманітність форм органічного світу і пристосованість їх до мінливих умов середовища. Мінливість протилежна спадковості, але тісно пов’язана з нею. Разом вони складають основу еволюції.

Розрізняють дві форми мінливості – фенотипову, або модифікаційну, і генотипову форми мінливості.  Фенотипова мінливість  не успадковується (неспадкова мінливість), генотипова – успадковується (спадкова мінливість). Генотипову мінливість поділяють на мутаційну і комбінативну. При всіх формах мінливості змінюється фенотип, але при генотиповій мінливості зміни фенотипу зумовлені змінами генотипу, при фенотиповій мінливості – факторами середовища.

 

Роль спадковості і  середовища в мінливості ознак

Особини будь-якого виду відрізняються між собою за багатьма ознаками. І людина в цьому відношенні не є винятком. Люди різні за кольором шкіри, очей, волосся, масою і лінійними розмірами тіла та органів, кількістю клітин крові, величиною артеріального та венозного тисків, антигенами еритроцитів (групи крові, резус-система), активністю ферментів, комплексом гістосумісності. Ці та інші відмінності визначають індивідуальність людини, що необхідно враховувати в трансплантаційній хірургії, трансфузології,  судово-медичній практиці, медико-генетичному консультуванні.

Відмінності зумовлені генетичними факторами і факторами середовища. Обидва фактори однаково важливі. Але співвідносна роль їх у розвитку ознак неоднакова. Будь-які ознаки генетично детерміновані. Але одні з них мають виключно генетичну природу, тобто за всіх умов середовища, сумісних з життям, даний генотип дає однаковий фенотип (групи крові). Інші відмінності теж генетично детерміновані, але на ступінь їх фенотипового прояву впливає середовище. Так, кількість еритроцитів у периферичній крові часто пов’язана з висотою місцевості над рівнем моря, хоч сама здатність організму змінювати у певних межах цю кількість залежно від парціального тиску кисню в атмосфері визначається генотипом. Є багато відмінностей, які зумовлені і спадковістю, і середовищем. Ріст людини контролюється кількома домінантними неалельними генами (полігенами), а також залежить від характеру харчування.

 

Модифікаційна мінливість. Норма реакції

Модифікаційна мінливість – неспадкові зміни фенотипу, які зумовлені  факторами середовища. Генотип при модифікаційній мінливості не змінюється. Оскільки генотип не змінюється, модифікаційні зміни (модифікації) не успадковуються. Проте вони виникають на певній генетичній основі і в певних межах, які визначаються нормою реакції.

 

Норма реакції – діапазон модифікаційної мінливості, у межах якого один і той самий генотип може давати різні фенотипи в різних умовах середовища. Норма реакції ознаки генетично обумовлена і успадковується. Окрема модифікаційна зміна ознаки не успадковується. Одні ознаки характеризуються широкою нормою реакції (кількість жиру в організмі, маса тіла), інші – вузькою (маса серця, головного мозку). Ряд ознак має однозначну норму реакції (групи крові).

Прикладів модифікаційної мінливості, коли один і той самий генотип дає різні фенотипи в різних умовах, багато. Так, у китайської примули (Primula sinensis) при температурі 15-200С квітки мають червоний колір, але якщо рослину перенести в приміщення з більш високою температурою, колір квіток міняється на білий. У горностаєвих кролів хутро біле, але лапи, вуха, кінчик морди і хвіст – чорні. Якщо в такого кроля на спині виголити білу шерсть і покласти лід, то на цьому місці виросте чорна шерсть. Але в потомства від двох таких кролів, відтворюється горностаєвий тип забарвлення шерсті. У даних прикладах конкретний прояв ознаки формується під впливом фактора середовища на певній генетичній основі. У примули спостерігаються лише червоні і білі квітки, інші кольори квіток не спостерігаються. У кролів-альбіносів формування ділянок з чорною шерстю неможливе ні при якому зниженні температури. Така генетично обумовлена норма реакції цих організмів.

Мінливість у птахів

 

Модифікаційна мінливість характеризується наступними ознаками:

1. Модифікації носять масовий, груповий характер. Під впливом певного фактора організми змінюються в одному напрямі (збільшення маси тіла в тварин при повноцінному харчуванні).

2. Модифікації широко поширені в природі. Вони мають пристосувальне значення,  адекватні змінам середовища і є відповіддю на ці зміни.

3. Більшість модифікацій є нестійкими, короткочасними; вони не передаються навіть наступному поколінню і часто зникають після того, як припинилася дія відповідного фактора. Так, під дією ультрафіолетових променів шкіра в людей темнішає, зявляється загар (у деяких лише почервоніння), який взимку поступово зникає. В альпіністів, які піднімаються в гори, під впливом зниження парціального тиску кисню в повітрі кількість еритроцитів у периферичній крові збільшується, а з поверненням у низинну місцевість цей показник нормалізується.

4. Модифікації кількісних ознак утворюють неперервний ряд значень від мінімуму до максимуму і формують варіаційний ряд. Більшість особин групується біля середнього значення ознаки, яке зустрічається частіше за інші. Для вивчення мінливості кількісних ознак застосовують математичні (статистичні) методи.

5. Існують тривалі модифікації, які успадковуються протягом кількох поколінь, а потім зникають. Вони обумовлені змінами ДНК мітохондрій цитоплазми яйцеклітин і передаються по материнській лінії.

Мінливість у комах

 

Фенокопії, механізм їх виникнення

Фенокопії – неспадкові зміни фенотипу, які зумовлені впливом середовища, але схожі з мутаціями. Вони виникають на ранніх стадіях ембріогенезу, різко змінюють фенотип, зберігаються упродовж життя, але не передаються наступному поколінню. Так, у жінок, які на ранніх стадіях вагітності перенесли інфекційне захворювання (наприклад, краснуху), часто народжуються глухонімі діти або діти з катарактою (помутніння кришталика) і ці вади розвитку нічим не відрізняються від таких самих вад, але обумовлених мутантними генами. Кретинізм спричиняється як мутацією гена, так і дефіцитом йоду в їжі. Фенокопіями є талідомідні ембріопатії, які спричинені вживанням матерями на ранніх стадіях вагітності лікарського препарата талідоміда.

Причинами виникнення фенокопій можуть бути: гіпоксія, підвищення температури, авітамінози, алкоголь, нікотиновий дим, деякі лікарські препарати, інфекційні та інвазійні  захворювання матері на ранніх стадіях вагітності (краснуха, токсоплазмоз). Медична сестра і лікар повинні знати, що фенокопії – це модифікації і вони не успадковуються, а патології генетичної природи (мутації) успадковуються. Тому дуже важливо з точки зору прогнозу ймовірності народження хворих дітей диференціювати фенокопії і мутації.

 

Мутаційна мінливість і її роль у патології людини

 Термін "мутація" запровадив Г. де Фріз (1901) для характеристики випадкових генетичних змін .Розрізняють спонтанний та індукований мутаційні процеси. Індукований мутаційний процес - це виникнення спадкових змін під впливом направленої дії факторів зовнішнього і внутрішнього середовища. Виникнення мутацій без встановлених причин прийнято називати спонтанним мутаційним процесом. Мутаційна мінливість зумовлена як впливом на організм чинників зовнішнього середовища, так і його фізіологічним станом. Частота виникнення мутацій залежить від: генотипу організму; фази онтогенезу; стат онтогенезуі; стадії гаметогенезу; мітотичного і мейотичного циклів хромосом; хімічної будови окремих ділянок хромосом та ін. Властивості мутацій: мутації виникають раптово, стрибкоподібно; мутації успадковуються, тобто передаються від покоління до покоління; мутації ненаправлені — зазнавати мутації може будь-який локус ( ділянка хромосоми) , викликаючи зміни як незначних, так і життєво важливих ознак; одні і ті ж мутації можуть виникати повторно; за проявом мутації можуть бути корисними і шкідливими, домінантними і рецесивними.

Класифікація мутацій:  Мутації можна об'єднати в групи - класифікувати за характером прояву, за місцем або рівнем їх виникнення. Мутації за характером прояву — бувають домінантними і рецесивними. Більшість з них рецесивні і не проявляються у гетерозигот. Як правило, мутації шкідливі, бо порушують чітко збалансовану систему біохімічних перетворень. Домінантні мутації проявляються зразу у гомо- і гетерозиготного організму, здебільшого такі особини нежиттєздатні і гинуть на ранніх стадіях онтогенезу.Мутації часто знижують життєстійкість або пло-дючість. Мутації, які різко впливають на життєздатність, частково або повністю зупиняють розвиток, називаються напівлетальними, а несумісні з життям — летальними. У людини до таких мутацій належить рецесивний ген гемофілії.
   Мутації за місцем виникнення. Мутації, що виникають у соматичних тканинах, отримали назву соматичних мутацій. Соматичні клітини складають популяцію, утворену при безстатевому розмноженні (поділ клітин). Соматичні мутації обумовлюють генотипну різноманітність тканин, часто не передаються по спадковості і обмежені тим індивідуумом, у якому вони виникли. Соматичні мутації виникають у диплоїдних клітинах, тому проявляються тільки за домінантними генами або за рецесивними, але в гомозиготному стані. Чим раніше в ембріогенезі людини виникла мутація, тим більша ділянка соматичних клітин відхиляється від норми. І навпаки, чим пізніше в процесі розвитку організм зазнає мутаційного впливу, тим менша та ділянка тканини, яка утворюється із мутаційної клітини. Наприклад, забарвлення райдужної оболонки ока - білий або карий сегменти на блакитній райдужці — зумовлені соматичною мутацією. Вважають, що наслідком соматичних мутацій є ракове переродження. Злоякісний ріст викликається канцерогенами, серед яких найбільш негативні - проникаюча радіація й активні хімічні сполуки (речовини).І хоча соматичні мутації не успадковуються, вони знижують репродуктивні можливості організму, в якому виникли.Мутації, що виникають в гаметах або в кліти¬нах, з яких вони утворюються, отримали назву генеративних, або термінальних мутацій. Чим раніше в статевих клітинах виникає мутація, тим більшою буде частка статевих клітин, які нестимуть нову мутацію. Верхня межа частки клітин, які будуть містити індуковану або спонтанну мутацію, складає 50 відсотків. Існує думка, що найбільша кількість мутацій у статевих клітинах виникає в овоцитах. Оскільки сперматогонії зазнають постійного поділу, то серед них може відбуватися відбір проти мутацій, які зумовлюють шкідливий ефект, і частота мутацій знижується до часу статевої зрілості. Жінка, навпаки, народжується майже з усіма мутантними змінами, в лінії статевих клітин немає паралельного мітотичного відбору. Овоцити не тільки не зазнають мітозу, вони залишаються малоактивними впродовж десятиліть, доки не стануть яйцеклітинами. За цей період овоцити старіють, стають непропорційно чут¬ливими до спонтанної мутації.На статеві клітини найбільший вплив спричиняють цезій-137, стронцій-90 і вуглець-14.Генеративні мутації при статевому розмноженні передаються наступним поколінням. Домінантні мутації з'являються вже в першому поколінні, а рецесивні - тільки в другому і наступних поколіннях, з переходом у гомозиготний стан.

   Мутації за характером зміни спадкового матеріалу:

1.     Зміни, зумовлені заміною одного або декількох нуклеотидів у межах одного гена, називають генними, або точковими мутаціями. Вони обумовлюють зміни як у будові білків, так і функційної активності білкової молекули. 

2.     Зміни структури хромосом називають хромосомними мутаціями або абераціями. Такі мутації можуть виникнути в результаті втрати частини хромосоми (делеція), подвоєння частини хромосоми (дуплікація), відриву і повороту частини хромосоми на 180° (інверсія). Якщо зміна торкається життєво важливих ділянок гена, то така мутація призведе до смерті. Так, втрата невеличкої ділянки 21-ї хромосоми у людини викликає тяжке захворювання крові - гострий лейкоз. В окремих випадках відірвана ділянка хромосоми може приєднатися до негомологічної хромосоми (транслокація), що призведе до нової комбінації генів і зміни їх взаємодії.

3.     Зміни каріотипу, кратні або некратні гаплоїдному числу хромосом називають геномними мутаціями. Внаслідок порушення розходження пари гомологічних хромосом під час мейозу в одній із утворених гамет міститься на одну хромосому менше, а в іншій на одну хромосому більше, ніж за нормального гаплоїдного набору. Злиття такої аномальної гамети з нормальною гаплоїдною гаметою при заплідненні призводить до утворення зиготи з мен¬шою або більшою кількістю хромосом порівняно з диплоїдним набором, характерним для цього виду.

 Соматичні мутації

 генні
 геномні
 хромосомні аберації 

Соматичні мутації - це зміни спадкового характеру в соматичних клітинах, які виникають на різних етапах розвитку особини. Вони часто не передаються по спадковості, а залишаються, доки живе організм, що зазнав мутаційного впливу.

 Геномні, хромосомні і генні аберації в соматичних клітинах є наслідком дії мутагенних чинників. У людини це етіологічні фактори спадкових хвороб. Захворювання, зумовлені геномними (зміна числа хромосом) і хромосомними (зміна структури хромосом) мутаціями, називаються хромосомними хворобами. Зміна числа хромосом визначається подвоєнням або зменшенням всього набору хромосом. Це призводить до поліплоїдії або гаплоїдії (відповідно). Лишні або видалення однієї або декількох хромосом призводить до гетероплоїдії або анеуплоїдії. Зміна структури хромосом - це перебудови або аберації. При цьому порушується збалансованість набору генів і нормальний розвиток організму. Як наслідок хромосомного дисбалансу відбувається внутрішньоутробна загибель ембріона або плоду, виникають уроджені вади розвитку. Чим більша кількість хромосомного матеріалу зазнала мутаційного ефекту, тим раніше захворювання з'явиться в онтогенезі і тим вагоміші будуть порушення фізичного і психічного розвитку особини. Характерна риса хромосомного дисбалансу - множинність вад розвитку різних органів і систем.
  Хромосомні хвороби складають близько 0,5-1 % всіх спадкових хвороб людини.

  Генні, або точкові мутації - це результат молекулярних змін на рівні ДНК. У людини вони викликають генні хвороби. У людини описані наступні види генних мутацій, які призводять до розвитку спадкових хвороб: нісенс, нонсенс, зміщення рамки зчитування, делеції, вставки (інсерції), порушення сплайсингу, збільшення числа (експансії) тринуклеотидних повторів. Мутації ділянок, що транскрибуються (які визначають амінокислотну послідовність у молекулі білка, що синтезується), призводять до синтезу аномального продукту. Мутації ділянок, що транскрибуються, можуть призвести до зменшення швидкості синтезу білка. Фенотипно генні мутації виявляються на молекулярному, клітинному, тканинному і органному рівнях. Число генних хвороб складає близько 3500-4500. Генні мутації поділяють на односайтові і багатосайтові. Односайтові - це такі, які торкаються змін одного сайту (ділянки), багатосайтові - охоплюють декілька сайтів генного локусу.  Розрізняють генні мутації прямі й обернені. Прямі мутації - це мутації, які інактивують гени дикого типу і зумовлюють появу мутантного типу. Обернені мутації, або зворотні, - зміни до висхідної форми від мутантної.Більшість генів стійкі до мутацій, але окремі гени зазанають мутацій досить часто.Соматичні мутації зумовлюють генотипну різноманітність тканин однієї особини і здебільшого не передаються по спадковості при статевому розмноженні. При безстатевому розмноженні, якщо організм розвивається з однієї клітини або групи клітин, в яких виникла мутація, - такі зміни можуть передаватися нащадкам. Соматичні мутації використовують у організмів, які розмножуються вегетативно. Соматичні мутації складають основу селекції культурних рослин, зокрема цитрусових.

Мутація – раптова стрибкоподібна зміна спадкової ознаки, зумовлена зміною генетичного матеріалу.

Мутагенез – процес виникнення мутацій.

Мутант – організм, що змінив свій фенотип внаслідок мутації.

Мутації вперше описав у рослини енотери (Oenothera lamarckіana) і ввів цей термін у науку голландський ботанік Г. де Фріз (1901) – один з трьох учених, які перевідкрили закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем. З мутаційною мінливістю пов’язана еволюція – процес утворення нових видів, сортів, порід. Мутації відомі в усіх класів тварин, рослин, вірусів. Саме мутаціями зумовлений поліморфізм людських популяцій: різна пігментація шкіри, волосся, колір очей, форма носа, губ і т.д. Клінічно мутації проявляються як спадкові хвороби.

На відміну від модифікацій:

1. Мутації виникають раптово, стрибкоподібно, без перехідних станів у порівнянні з вихідною формою ознаки.

2. Нові ознаки стійкі й успадковуються в ряді поколінь.

3. Це якісні, дискретні зміни; вони не утворюють неперервних рядів і не групуються біля середнього значення ознаки.

4. Мутації відбуваються в різних напрямах і можуть виникати повторно.

5. Мають індивідуальний характер, тобто з’являються в будь-якої однієї особини, яка перебуває в однакових умовах з іншими особинами того самого виду.

Генні мутації виникають в наслідок змін випробуваної речовини структури окремих генів.

Геномні мутації поділяються на анеуплодії та поліплоїдії. Анеуплодією називають зміну кількості окремих хромосом. Поліплоїдія – це збільшення числа хромосомних наборів соматичних клітин у порівнянні з звичайним диплоїдним.

Мутацією (лат. mutatio— зміна) називають змі-ну, яка зумовлена реорганізацією структур відтворення, перебудовою ге-нетичного апарату. Цим мутації різко відрізняються від модифікацій, які не торкаються генотипу особини. Мутації виникають раптово, стрибкоподібне, що іноді різко відрізняє організм від ви-хідної форми.

Рослинникам і тваринникам такі змі-ни були відомі давно. Мутаційній мін-ливості присвятили свої роботи С. I. Коржинський (1899) і Г. де Фриз (1901). Останньому належить термін «мутація».

Тепер відомі мутації у всіх класів тварин, рослин і вірусів. Існує багато мутацій і у людини. Саме мутаціями зумовлений поліморфізм людських по-пуляцій: різна пігментація шкіри, во-лосся, колір очей, форма носа, вух, під-боріддя тощо. У результаті мутацій зявляються і успадковуються анома-лії у будові тіла, спадкові хвороби лю-дини. З мутаційною мінливістю пов'я-зана еволюція — процес утворення но-вих видів, сортів і порід. За характе-ром змін генетичного апарату розріз-няють мутації, які зумовлені: а) змі-ною кількості хромосом (геномні), б) зміною структури хромосом (хромо-сомні аберації); в) зміною молекуляр-ної структури гена (генні, або точкові, мутації).

Геномна мінливість. Гаплоїдний на-бір хромосом, а також сукупність ге-нів, які знаходяться у гаплоїдному на-борі хромосом, називають геномом. Мутації, які спричинюють зміну кіль-кості хромосом, називають геномними. До них відносять поліплоїдію і гете-роплоїдію (анеуплоїдія).

Поліплоїдія— збільшення диплоїдної кількості хромосом шляхом додавання цілих хромосомних наборів у результаті порушення мейозу.

Статеві клітини мають гаплоїдний набір хромосом (п), а для зигот і всіх соматичних клітин характерний дипло-їдний набір (2п). У поліплоїдних форм спостерігається збільшення числа хро-мосом, кратне гаплоїдному набору: Зп — триплоїд, 4п — тетраплоїд, 5/г — пентаплоїд, 6п — гексаплоїд тощо. Ма-буть, еволюція ряду квіткових рослин йшла шляхом поліплоїдізації. Куль-турні рослини у більшості — поліплоїди.

Поліплоїдні форми відомі і у тварин. Мабуть, еволюція деяких груп найпрос-тіших, зокрема інфузорій і радіолярій, ішла шляхом поліплоїдізації. У деяких багатоклітинних тварин поліплоїдні форми вдалося створити штучно (туто-вий шовкопряд).

Гетероплоїдія. У результаті порушення мейозу і мітозу кількість хромосом може змінюватися і ставати некратною гаплоїдному набору. Явище, коли яка-небудь із хромосом у геноти-пі має не дві, а три гомологічних хро-мосоми, називаються трисомією. Якщо відбувається трисомія за однією парою хромосом, то такий організм називають трисоміком і його хромосомний набір буде 2n + 1. Трисомія може бути за будь-якою з хромосом і навіть за кіль-кома. Подвійний трисомік має набір хромосом 2п+2, потрійний—2п+ З тощо.

Явище трисомії вперше описано у дурману. Відома трисомія і в інших ви-дів рослин і тварин, а також у люди-ни. Трисоміками є, наприклад, люди з синдромом Дауна, Трисоміки найчас-тіше нежиттєздатні, бо вони мають ряд патологічних змін.

Протилежне трисомії явище, тобто втрата однієї хромосоми з пари у дип-лоїдному наборі, називається моносомією, а організм — моносоміком; його каріотип —2n-1. При відсутності двох різних хромосом організм буде подвійним моносоміком (2n-2). Як-що з диплоїдного набору випадають обидві гомологічні хромосоми, орга-нізм називається нулісоміком. Він, як правило, нежиттєздатний.

Із сказаного видно, що анеуплоїдія, тобто порушення нормальної кількості хромосом, призводить до змін у будові і зниження життєздатності організму. Чим більше порушення, тим нижча життєздатність. У людини порушення збалансованого набору хромосом вик-ликає хворобливий стан, відомий під загальною назвою хромосомні хворо-би.

Хромосомні аберації виникають у результаті перебудови хромосом. Це наслідок розриву хромосоми з утворен-ням їхніх фрагментів, які потім об'єд-нуються, але при цьому нормальна структура хромосоми не відновлюєть-ся. Розрізняють чотири основні типи хромосомних аберацій: нестача, под-воєння (дуплікація), інверсії, трансло-кації.

Нестачі виникають внаслідок втрати хромосомою тієї чи іншої ділян-ки. Нестачу у середній частині хромо-соми призводить організм до загибелі, втрата незначних ділянок викликає зміни спадкових властивостей. Так, при нестачі ділянки однієї з хромосом у кукурудзи її проростки позбавлені хло-рофілу.

Подвоєння (дуплікація) пов'язане з включенням зайвого дуб-люючого відрізка хромосоми. Це також веде до виникнення нових ознак. Так, у дрозофіли ген смужкоподібних очей характеризується мозаїчною мутацією. Такі особини назива-ються мозаїками. Наприклад, мозаїка-ми є люди, у яких різний колір пра-вого і лівого очей, або тварини певної масті, у яких на тілі з'являються пля-ми іншого кольору тощо. Не виключе-но, що соматичні мутації, які впли-вають на метаболізм, є однією з при-чин старіння і злоякісних новоутво-рень.

Якщо мутація відбувається у клітинах, із яких розвиваються гамети, або статеві клітини, то нова ознака про-явиться у найближчому або наступних поколіннях. Спостереження показують, що багато мутацій шкідливі для орга-нізму. Це пояснюється тим, що функ-ціонування кожного органа збалансо-ване по відношенню як до інших орга-нів, так і до зовнішнього середовища. Порушення існуючої рівноваги звичай-но веде до зниження життєдіяльності і загибелі організму. Мутації, які зни-жують життєдіяльність, називають на-півлетальними. Несумісні з життям му-тації називають летальними (лат.—смертельний). Проте певна час-тина мутацій може бути корисною. Та-кі мутації є матеріалом для прогресив-ної еволюції, а також для селекції цін-них порід свійських тварин і сортів культурних рослин. «Корисні» мутації у поєднанні з добором лежать в основі еволюції.

 

Існує кілька класифікацій мутацій.

За походженням мутації бувають спонтанні та індуковані. Спонтанні (природні) мутації відбуваються в природних умовах без втручання експериментатора, з низькою частотою і з невстановлених причин. Індуковані або штучні мутації виникають при дії на організм встановлених факторів. Частота їх на кілька порядків вище, ніж спонтанних.

Мутації можуть виникати як у соматичних клітинах (соматичні мутації), так і в статевих (генеративні або гаметичні мутації).

За локалізацією в клітині виділяють ядерні мутації, що виникають в хромосомах ядра клітини, і цитоплазматичні, які виникають в органелах цитоплазми, що мають власну ДНК (мітохондрії, пластиди).

За характером змін мутації поділяють на морфологічні, фізіологічні і біохімічні.

За впливом на життєдіяльність розрізняють корисні, шкідливі та нейтральні мутації. Більшість мутацій шкідлива. Серед них існують летальні, напівлетальні та умовно летальні мутації. Летальні – мутації, які не сумісні з життям; вони викликають загибель організму до народження. Напівлетальні – мутації, які знижують життєдіяльність організму і він гине в період від народження до статевого дозрівання. Умовно летальні – мутації, які проявляють летальну дію за певних умов.

За напрямом мутації бувають прямі і зворотні. Прямі мутації переводять дикий (нормальний) алель в мутантний (А→а), зворотні – повертають мутантний алель до вихідного типу (а→А). Процес зворотного переходу називають реверсією.

За величиною генетичного матеріалу, залученого в мутаційний процес, мутації поділяють на великі (макромутації) і малі (мікромутації).

За рівнем організації генетичного матеріалу розрізняють геномні, хромосомні та генні мутації.

Геномні, хромосомні та генні мутації

Геномні  – мутації, обумовлені зміною числа хромосом. Види геномних мутацій – поліплоїдія, гетероплоїдія і гаплоїдія.

 

Поліплоїдія – геномна мутація, обумовлена збільшенням числа гаплоїдних наборів хромосом у порівнянні з диплоїдним (2n). Наприклад, триплоїдія (3n), тетраплоїдія (4n), пентаплоїдія (5n) і т.д. Організм з нормальним набором хромосом називається еуплоїдом, з поліплоїдним – поліплоїдом (триплоїдом, тетраплоїдом, пентаплоїдом і т.д.). В основі виникнення поліплоїдії лежать три процеси: 1) редуплікація хромосом в клітинах, що не поділяються; 2) злиття соматичних клітин або їх ядер; 3) нерозходження хромосом при мейозі.

 

Механізм виникнення поліплоїдії

 

Поліплоїдні форми часто зустрічаються серед рослин, що пояснюється поширенням в рослинному світі вегетативного розмноження. Більшість культурних рослин – це поліплоїди. Поліплоїди, як правило, мають більші розміри клітин і відповідно більшу масу. Крім того, вони більш резистентні до несприятливих умов і здатні існувати в більш суворому кліматі. Серед тварин (крім тих, що розмножуються шляхом партеногенезу) поліплоїдія зустрічається рідко, що пов’язано з порушенням хромосомного механізму визначення статі в зв’язку із збільшенням числа статевих хромосом.

Поліплоїдія у рослин

 

 

У людини поліплоїдія проявляється як триплоїдія (3n) ембріонів: – 69, ХХХ або 69, ХХY. Триплоїдні ембріони складають від 4 до 20 % усіх спонтанних абортусів. Описані поодинокі випадки народження триплоїдних дітей. Триплоїдні новонароджені гинуть у перші години або дні життя, в окремих випадках живуть до 4-7 міс. У них спостерігається цілий комплекс вад розвитку: гіпоплазія (недорозвинення органів), мікрофтальмія (малі розміри ока), розщелини губи і піднебіння, синдактилія (зрощення пальців кисті чи стопи), гідроцефалія (водянка головного мозку), ін.

Гетероплоїдія (анеуплоїдія) – геномна мутація, обумовлена зміною числа окремих хромосом. Основна причина виникнення гетероплоїдії – нерозходження хромосом у мітозі і мейозі. Основні види гетероплоїдії –  трисомія, моносомія і нулісомія. При трисомії в парі хромосом не дві, а три гомологічні хромосоми; диплоїдний набір хромосом при цьому збільшується на одну хромосому (2n+1). Такий організм називається трисоміком. Втрата однієї хромосоми з пари в диплоїдному наборі називається моносомією, а організм – моносоміком (2n–1). За відсутності двох різних хромосом у диплоїдному наборі організм називається подвійним моносоміком (2n–2), обидвох гомологічних хромосом – нулісоміком. Моносомії за будь-якою з 22-х пар автосом у людини  спричинюють загибель плода у внутрішньоутробному періоді.

 

 

Механізм виникнення гетероплоїдії

 

Гетероплоїдії викликають велику групу хромосомних хвороб людини – синдром Дауна (трисомія 21), синдром Едварса (трисомія 18), синдром Патау (трисомія 13), синдром Клайнфельтера (47, ХХY), синдром Шерешевського-Тернера (45, Х0).

 

Каріотип синдрому Дауна

 

Гаплоїдія – зменшення числа хромосомних наборів соматичних клітин у порівнянні з диплоїдним. Гаплоїдні організми розвиваються з однієї клітини з генотипом гамети, обминаючи запліднення. Вони зустрічаються в основному серед рослин, у тому числі вищих (блекота, пшениця, кукурудза). Гаплоїдні рослини відрізняються від диплоїдних меншими розмірами, що пов’язане із зниженою вдвічі дозою генів. Оскільки у гаплоїдів одинарний набір хромосом, в їхньому фенотипі проявляються не тільки домінантні, але і всі рецесивні гени. Гаплоїдія в людини несумісна з життям.

Хромосомні мутації (хромосомні перебудови, аберації) – зміни структури хромосом. Деякі з таких мутацій настільки змінюють морфологію хромосом, що їх видно в світловий мікроскоп на метафазних пластинках. Механізми виникнення хромосомних мутацій різні, але в усіх випадках має місце розрив хромосоми з можливим з’єднанням фрагментів. Розрізняють наступні хромосомні перебудови – делеції, дуплікації, інверсії і транслокації.

Делеція –  втрата ділянки хромосоми.

Делеція

 

 

Дуплікація – подвоєння ділянки хромосоми. Інверсія – поворот ділянки хромосоми на 1800. Делеції і дуплікації ведуть до зміни дози генів. При інверсіях змінюється послідовність розміщення генів в інвертованій ділянці.

a b c d e f – норма

a b c e f – делеція ділянки d

a b c d d e f – подвоєння ділянки d

a b e d c f – інверсія ділянки с d e

Дуплікація

 

Інверсія

 

 

Транслокації

 

 

Для прогнозу потомства важливо з’ясувати вид даної мутації, що досягається дослідженням каріотипу хворого та його батьків. Медику потрібно знати правила запису нормальних і аномальних каріотипів людини:

1. На самому початку генетичної формули каріотипу вказують загальне число хромосом, потім записують склад статевих хромосом. Наприклад: 46, ХХ – каріотип нормальної жінки; 46, ХY – каріотип нормального чоловіка; 47, ХХY – каріотип чоловіка з синдромом Клайнфельтера; 45, ХО – каріотип жінки з синдромом Шерешевського-Тернера.

2. Додаткова автосома позначається відповідним номером і знаком “+”. Запис 47, ХY, 21+ означає: чоловічий каріотип з додатковою хромосомою 21 (хвороба Дауна). Втрата цілої хромосоми позначається через “-“. Тоді, запис 45, ХY, 21- означає: чоловічий каріотип з моносомією хромосоми 21.

3. Хромосомні плечі позначають через “р” (коротке плече) і “q” (довге плече).

4.Транслокація позначається через “t” з розшифровкою в дужках. Наприклад: 45, ХХ, t (14+21) – жінка-носійка збалансованої транслокації 14/21.

5. Мозаїцизм позначається через дріб. Формула 45, Х0/46, ХХ означає: жінка-мозаїк за синдромом Шерешевського-Тернера.

Із структурними порушеннями хромосом повязані хромосомні хвороби людини. Наприклад:

1)    синдром крику кішки (5р-) – делеція короткого плеча хромосоми 5: численні вади розвитку поєднуються з неправильним формуванням гортані, внаслідок чого плач дитини нагадує крик кішки;

2)    синдром Орбелі (13q-) – делеція довгого плеча хромосоми 13: мікроцефалія, широка спинка носа, виступаюча верхня щелепа, птоз (опущення повіки).

Генні мутації – зміни хімічної структури гена (ДНК). Якщо зміни торкаються  лише окремого нуклеотида в ДНК, то такі мутації називаються точковими. Генні мутації не помітні під мікроскопом і виявляються за появою в потомстві зміненої ознаки, яку контролює мутантний ген. Мутації цього типу утворюються найбільш часто. Вони обумовлюють появу нових алелей, збільшують генофонд популяцій і мають значення для еволюції.

Основні види генних мутацій – заміни, вставки (інсерції), випадання, подвоєння, втрати пар нуклеотидів. В усіх випадках вони змінюють послідовність нуклеотидів ДНК. Ці зміни транскрибуються на молекулу іРНК і часто ведуть до утворення зміненого поліпептиду. Найбільш типовими генними мутаціями є заміни основ і мутації із зсувом рамки зчитування. Останні пов¢язані з випаданням, вставкою одного або кількох нуклеотидів. Мутації, при яких відбувається заміна пуринової основи на пуринову (А«Г) або піримідинової основи на піримідинову (Т«Ц), називаються транзиціями. За умови заміни пуринової основи на піримідинову і навпаки мутації називаються трансверсіями«Т, А«Ц, Г«Ц і Г«Т). Мутації заміни основ ведуть до появи міссенс- і нонсенс-мутацій. Міссенс-мутація – заміна нуклеотиду в кодуючій системі гена, яка веде до заміни амінокислоти в молекулі білка. Нонсенс-мутація – заміна нуклеотиду в кодуючій частині гена, що веде до утворення стоп-кодону. Існують мутації, коли заміна нуклеотиду в кодуючій частині гена не змінює зміст генетичного коду за рахунок його надлишку. Генні мутації спричинюють багато генних хвороб людини. Ці хвороби називають ще молекулярними. До них належать: гемофілія, дальтонізм, альбінізм, фенілкетонурія, алкаптонурія, галактоземія.

Мутагени: фізичні, хімічні, біологічні

Мутагени, мутагенні фактори – чинники, які викликають мутації. Розрізняють фізичні, хімічні та біологічні мутагени. Багато з них є канцерогенами, тобто здатні викликати злоякісні пухлини. 

Кожна з мутацій викликається певною причиною. У більшості випадків ці причини невідомі. Мутації, зумовлені зміною в оточуючому середовищі, називаються спонтанними.

Людина зазнавала і зазнає тиску мутацій, які виникають під впливом тих чи інших чинників.

Чинники, які здатні проникати в соматичні або зародкові клітини живих організмів і викликати мутації, отримали назву мутагенів.

Для того, щоб агент був мутагеном, він повинен мати певні властивості: легко проникати в клітини організму, зберігати їх життєстійкість, досягати ядра клітини і впливати на хімічну структуру хромосом та процеси, які відбуваються в них.

Вони можуть бути хімічної, фізичної і біологічної природи.

До найбільш активних мутагенів належить іонізуюче випромінення та ультрафіолетові промені.

Близько 90 % мутагенів є канцерогенами (здатні зикликати злоякісні пухлини).

Всі види випромінювання мають високу енергію і тканинах організму обумовлюють утворення пар онів. їх ще називають іонізуючим випромінюванням.

Ультрафіолетові промені належать до електромагнітних коливань, але іонізації вони не викликають, їх дія на організм пов'язана з утворенням у тканинах збуджених молекул і атомів. Залежно від товжини хвилі УФ-промені мають різну мутагенну активність. Вона найбільша при довжині хвилі 260 нм, оскільки ДНК поглинає саме цю частину спектра УФ. Більш короткі і більш довгі промені менш активні, проникна активність їх низька. Для отримання мутацій широкого застосування набули гамма-промені, промені Рентгена і нейтрони. Ці види іонізуючого випромінювання мають винятково високу проникність.

Дія радіації на живу істоту визначається дозою зипромінювання і дозою енергії, поглинутоїтканинами організму. Доза випромінювання вимірюється з рентгенах (Р), а доза поглинутої енергії - в радах.

Іонізуюче випромінювання викликає переважно хромосомні перебудови, які супроводжуються різкими змінами структури і функції організму. Більшість їх шкідлива.

Хімічних мутагенів надзвичайно багато. Вони можуть впливати на спадковість різних експериментальних об'єктів: фагів, мікробів, рослин, комах, ссавців. Мутагенну активність проявляють чотири повних групи хімічних факторів зовнішнього середовища: пестициди, промислові отрути, харчові домішки, ліки.

Серед хімічних мутагенів до найбільш сильних відносять: етиленамін, діетилсульфат, диметилсульфат, нітрозоетилсечовину, нітрозометилсечовину, пероксид водню, іприт та ін. Їх ще називають супермутагенами, оскільки вони викликають один і той же тип мутацій. Другу групу складають речовини, що близькі за будовою з азотистими основами нуклеїнових кислот і діють на них: 5-бромурацил, 5-фтордіоксіуредин, 5-бромоксіурацил та ін. До третьої групи відносять акридини та їх похідні (акридиновий жовтий, етидій броміду, профлавін акридиновогосмарагдового та ін.) Вони здатні зміщувати окремі основи ДНК або викликати мутації типу делецій (випадання ділянки ДНК). У четверту групу входять азотиста кислота, формальдегід, гідроксиламін та ін.

Кожний з хімічних мутагенів може викликати як хромосомні розриви, так і генні мутації. Але на відміну від фізичних мутагенів переважно індукують генні мутації, їх дія більш тривала, мутації з'являються не зразу, а через певний час.

Характер спадкових змін, викликаних дією хімічних чинників, залежить від дози мутагену. Невеликі концентрації хімічної речовини - мутагену викликають здебільшого дрібні мутації, які торкаються переважно кількісних ознак; із збільшенням дози мутагену зростає ефект мутацій, зумовлений перебудовою хромосом.

Хімічні мутагени здатні впливати на спадкову основу як прямо, так і опосередковано.

До хімічних мутагенів можна віднести і деякі лікарські речовини. Лікарські препарати, як хімічні речовини різної структури, є чужорідними для організму людини. Звідси виникає проблема їх мутагенності. Нові і давно відомі лікарські речовини здатні викликати мутації генів у рослин, мікроорганізмів, комах, а також у культурі клітин ссавців і людини. Деякі з лікарських препаратів за величиною мутагенного потенціалу не поступаються іонізуючій радіації. Так, наприклад, всі цитостатичні й антимітотичні препарати, які використовуються для лікування злоякісних пухлин, здатні індукувати генні мутації, хромосомні аномалії й інші біологічні ефекти, характерні для іонізуючого випромінювання. Лікарські препарати можуть викликати широкий спектр мутацій - від точкових до пошкодження всього хромосомного набору.

Біологічні мутагени - це віруси, бактерії, найпростіші, гельмінти. Вони спричиняють змінитакого ж характеру, як фізичні та хімічні мутагени.



Фізичні мутагени. До фізичних мутагенів відносять всі види іонізуючого випромінювання (гамма- і рентгенівські промені, електрони, позитрони, протони, нейтрони), ультрафіолетове випромінювання, високу і низьку температуру. Найбільш небезпечним є іонізуюче випромінювання (іонізуюча радіація). Усі види іонізуючого випромінювання мають високу проникність і характеризуються біологічною дією. Проникаючи через тканини людського організму, вони передають свою енергію атомам цих тканин, викликаючи їх збудження та іонізацію. Особливо чутливими є  проліферуючі тканини – лімфоїдні і кровотворні. Іонізуюче випромінювання діє на всі компоненти клітини, але особливо вразливими є хромосоми ядра. У молекулах ДНК виникають розриви, зявляються хромосомні аберації, точкові мутації. Індукція мутацій відбувається при дії будь-яких доз, а із збільшенням дози пропорційно зростає число мутацій. Генетичний ефект малих доз сумується. Будь-яке застосування іонізуючого випромінювання потребує додержання правил радіаційної безпеки і протипроменевого захисту пацієнтів і медперсоналу.

Ультрафіолетові промені не викликають іонізації, а лише збуджують електронні оболонки атомів, що збільшує їхню реакційну здатність і може призвести до мутацій. Найбільшу мутагенну активність мають УФ-промені з довжиною хвилі близько 260 нм, оскільки ДНК поглинає якраз цю частину спектра.

 

Хімічні мутагени – різноманітні хімічні речовини, які використовуються в сільському господарстві як гербіциди (гідразид малеїнової кислоти), пестициди (ДДТ), медицині як лікарські препарати (цитостатичні і антимітотичні засоби), промисловості (бензол, важкі метали: кадмій, ртуть, свинець, нікель) у тому числі харчовій (харчові добавки), у побуті (лаки, фарби). З метою профілактики мутагенезу кожна хімічна сполука, яку передбачають застосовувати, випробовується на мутагенність.

Найбільш сильні мутагени (супермутагени) етиленамін, діетилсульфат, нітрозоетилсечовина, нітрозометилсечовина, перекис водню, іприт. Другу групу складають речовини, які близькі за будовою до азотистих основ нуклеїнових кислот і діють на них: 5-бромурацил, 5-фтордезоксиуридин, 5-бромдезоксиуридин. До третьої групи відносять акридини та їхні похідні: акридиновий жовтий, етидій броміду. У четверту групу входять азотиста кислота, формальдегід, гідроксиламін.

 

Біологічні мутагени – віруси, живі вакцини, токсини ряду організмів, особливо плісеневих грибів.

 

Комутагени – фактори, які підсилюють дію мутагенних факторів (токсини гельмінтів).

 

Антимутагени – речовини, які знижують частоту мутацій. Вони нейтралізують мутаген до його реакції з молекулою ДНК, або знімають пошкодження ДНК, які обумовлені мутагеном. Антимутагенну дію мають вітаміни, глутамін, серотонін, резерпін, а також деякі фізичні фактори (денне світло).

На самому початку минулого століття вчені висловили припущення, що зміни в спадковому апараті людини і тварин залежать від зовнішнього впливу. Провокують їх шкідливі речовини - мутагени. У сорокові роки радянський учений І.А.Рапопорт та англійська - Ш.Ауербах прийшли до висновку, що мутагенною дією володіють багато хімічних сполук.
З'ясувалося, що небезпечні для генно-хромосомного апарату речовини буквально оточують нас:розпорошені в повітрі препарати побутової хімії, виробничі викиди та вихлопні гази автомобілів і мотоциклів і т.д. Але найбільше мутагенів потрапляє в наш організм з харчовими продуктами. Шкідливі хімічні речовини, що накопичуються в грунті, з часом переходять їстівні частини рослин. Саме з ними ми поглинаємо 37 відсотків марганцю, 41 - цинку, 32 - міді, 10 відсотків нікелю. Мутагени утворюються і при тривалому зберіганні продуктів у формі переокислення сполук жирів, також ушкоджує спадкову природу наших клітин. Наприклад, якщо мова йде про "мутагенну м'ясі", мається наувазі особливо небезпечна в цьому відношенні цвіль, що з'являється на зіпсованому м'ясі. Копчення м'яса або смаження м'яса і риби при температурі 100-200 градусів протягом 15 хвилин також призводить до появи мутагенів.

І холестерин, який міститься в маслі, яйцях, сметані, вершках, при довгому зберіганні стає мутагенним. Та ж доля очікує смакові добавки, що використовуються при консервуванні, і консерванти, що додаються до соків і вин. Хоча є категорія продуктів, які длялюдини абсолютно нешкідливі. Це ароматичні речовини, що містяться в цибулі і часнику, а також чай і каву. До порушення спадкового апарату можуть привести і різні низькокалорійні дієти для схуднення, однак цей ризик зменшує помірне харчування.
У кожному живому організмі є своя, особлива система захисту спадкового апарату. Починка генних дефектів відбувається на клітинному рівні. У найбільш критичні моменти в боротьбу з мутагенами вступає імуннасистема. А на самому початку захисну функцію бере на себе шкіра - перший, по суті, щит організму від мутагенів.
Однак деякі мутагени долають цей щит. У першу чергу це духи, аерозолі, промислові випаровування, вихлопні гази. Частково осідаючи в глибинному шарі шкіри - епідермісі, вони там і залишаються, завдаючи мінімальної шкоди. Але у випадках важких хвороб і стресових ситуацій відбувається їх різкий викид в організм, і імунітет порушується. Інша частинапрорвалися мутагенів відразу надходить у кров, нарощуючи в ній свою концентрацію.

Другий щит організму, слизову оболонку дихальних шляхів, не минуть ні вже названі раніше мутагени, ні тютюновий дим, ні пестициди, ні звичайна побутова пил. Частина містяться в них мутагенів осідає на добре забезпечується кров'ю слизовій оболонці носа, частина звідси всмоктується в кров. Ще частина мутагенів потрапляє в кров через легені.
 Основні "мутагенні ворота" організму - шлунково-кишковий тракт. Залишки пестицидів, якими оброблялися сільськогосподарські угіддя, токсини грибків, що розвиваються на харчових продуктах, шкідливі речовини, що утворюються при тепловій обробці, - все це надходить в організм разом з їжею. Слина, якщо в ній в достатній кількості присутні антимутагени (речовини, що пригнічують дію мутагенів), здатна їх знешкоджувати. Але слина ж може і підсилювати руйнівні властивості мутагенів, які всмоктуються в організм через слизову рота. Потрапивши в шлунок, мутаген вступає в певні хімічні реакції з шлунковим соком і жовчю, якій притаманне антимутагенну дію. Люди по-різному реагують на неблагополучні екологічні умови, тому що у всіх різний імунний статус, зокрема різний склад жовчі. Крім того, посилювати одні й знешкоджувати інші мутагени може і бактеріальна флора кишечника.

Але при всіх ситуаціях з мутагенами, що потрапляють в організм з їжею, можна і потрібно боротися. Головне тут залежить від характеру харчування, якого дотримується сім'я. Любителям смаженого м'яса (дуже шкідливого для спадкового апарату) пом'якшити його мутагенну дію допоможуть спеції - перець, гірчиця, імбир. Так само діє і зелень - кінза, петрушка, цибуля, селера. У м'яса, запеченого у власному соку, мутагенну дію зростає в кілька разів. Однак і тут можна убезпечитися, по-перше, за допомогою тих же живих вітамінів, по-друге, запиваючи блюдо натуральним червоним вином, в якому завжди присутні антимутагени. Антимутагенний дією володіють також зелений чай, яблука, капуста, баклажани, м'ята. А нещодавно італійські вчені С.Делла-Кроче і Е.Моріцетті встановили, що антимутагеном і йогурт. Так що вживайте всі ці продукти як можна більше. І їжте хліб з висівками.

Краще зовсім виключити з раціону консерви і копченості і скоротити кількість солодощів. Не варто купувати газовану воду з синтетичними барвниками.
Рекомендується приймати лактобактерин і біфідумбактерин: вони очистять шлунок і нормалізують роботу "корисних" бактерій, які також здатні вступити в боротьбу з мутагенами.

Генетична небезпека, забруднення навколишнього середовища мутагенними чинниками

Стан атмосферного повітря, води і грунту в багатьох регіонах України незадовільний. Встановлено, що багато забруднюючих речовин здатні індукувати генні мутації в дослідах на тест-штамах сальмонел. У ряді випадків генотоксичною виявилася вода, призначена для питних цілей. Незадовільна екологічна ситуація, яка склалася в Україні, особливо посилилася в зв’язку з катастрофою на Чорнобильській АЕС. Демографічна ситуація в Україні набула форми гострої кризи. З 1991 р. смертність стала переважати над народжуваністю. Зросла кількість осіб з генетичними порушеннями в результаті сумісної дії хімічних і фізичних мутагенів. Збільшився генетичний вантаж у популяціях. Обтяжена спадковість стала суттєвим чинником, що негативно впливає на здоров’я населення. Пошкодження спадкового матеріалу соматичних клітин може призвести до різкого збільшення ракових захворювань, передчасному старінню, ослабленню захисних сил організму. Усе це зменшує народжуваність населення і веде до біологічного регресу. Пошкодження спадкового матеріалу статевих клітин може спричинити поступове виродження і навіть загибель окремих популяцій.

Демографічна ситуація і стан здоров’я населення в Україні вимагають прийняття негайних заходів на рівні держави щодо захисту генофонду населення. Президент своїм Указом схвалив Цільову комплексну програму генетичного моніторингу (генетичного стеження, генетичного контролю) в Україні. Один з найважливіших підрозділів цієї програми – створення державної служби генетичного моніторингу. Мета генетичного моніторингу – аналіз мутагенного стану довкілля, спостереження за мутагенними змінами в популяціях людей.

Комбінативна мінливість

 

Комбінативна мінливість – спадкова мінливість, зумовлена новими поєднаннями алелей в генотипах потомства в порівнянні з генотипами батьків. Закономірно виникає при статевому розмноженні.

Існують три механізми її виникнення, два з них пов’язані з мейозом:   

1) кросинговер в профазі першого мейотичного поділу;

2) незалежне розходження негомологічних хромосом  в анафазі першого мейотичного поділу і

3) випадкове поєднання гамет при заплідненні. Ці три механізми є невичерпним джерелом різноманітних комбінацій генів (генетичних рекомбінацій) і ознак, що контролюються цими генами. Самі гени при цьому не змінюються, нові ознаки не виникають, але генотипи і фенотипи потомства у кожному поколінні різні. У будь-яких шлюбах діти, що народжуються, характеризуються комбінативною мінливістю.

Комбінативна мінливість надзвичайно поширена в природі. У мікроорганізмів мейоз відсутній, але генетичні рекомбінації у них теж виникають завдяки процесам трансформації, трансдукції і кон’югації. Комбінативна мінливість збільшує спадкову різноманітність популяцій і має значення для еволюції. Проте первинним і єдиним джерелом нових спадкових змін є мутації.

Комбінативна мінливість є основною причиною внутрішньовидової різноманітності всіх живих організмів. Але цей вид генної модифікації призводить тільки до утворення нового поєднання вже присутніх ознак. І ніколи комбінатівная мінливість і її механізми не викликають появу будь-якого принципово іншого генного поєднання. Виникнення зовсім нових властивостей, обумовлених різними генними варіаціями, можливо тільки у випадку внутрішньовидових мутаційних змін.

Комбінативна мінливість визначається характером репродуктивного процесу.

Для даного типу генної модифікації властиво виникнення нових генотипів на основі новостворених генних комбінацій. Комбінативна мінливість проявляє себе вже у фазі утворення гамет (статевих клітин). Причому, в кожній такій клітці представлена лише одна хромосома з кожної гомологічної пари. Характерно те, що хромосоми потрапляють у статеву клітину випадковим чином, внаслідок чого гамети в одному організмі можуть досить сильно відрізнятися по набору генів. При цьому не спостерігається ніяких перетворень хімічного характеру в безпосередньому носієві спадкової інформації.

Таким чином, комбінатівная мінливість обумовлена різноманітними перекомбінація вже наявних генів в хромосомному наборі. Даний вид генної модифікації також не сполучений із змінами в генних і хромосомних структурах. Джерелами комбинативной мінливості можуть бути тільки процеси, які у ході редукційного поділу клітини (мейозу) і запліднення.

Елементарна (найменша) одиниця різних рекомбінацій спадкового матеріалу, що викликає утворення нових генних сполучень, називається рекон. Кожен такий рекон відповідає двом нуклеотидам (будівельному матеріалу нуклеїнових кислот) в дволанцюгових молекулах ДНК і одному нуклеотиду, коли мова йде про одноланцюговим будові нуклеїнової кислоти вірусів. Рекон не ділиться при кросинговері (обмінному процесі між парними гомологічними хромосомами при кон’югації) і в усіх випадках передається цілком.