1.7 Рекомендуемая литература по курсу

Основная литература:

1. Гуляев Г.В. Генетика.- М.: Колос., 1984.-351 с.

2. Абрамова З.В. Практикум по генетике. - Л.: Агропромиздат.-1992.-224 с.

3. Гуляев Г.В. Задчник по генетике. - М., 1980

4. Фахруденова И.Б. Генетика. - Кокшетау, 2008. - 107 с.

5. Дубинин Н.П. Экологическая и космическая генетика. - М. - Наука. - 2001. - 437с.

6. Жученко А.А. Экологическая генетика. - Кишинев. - Штинца. 1980. - 587с.

7. Меньшиков В.В. Методы оценки загрязнения окружающей среды. - Уч. пос.- М. - МНЭХПУ. - 2000.

8. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. - Уч. пос.- М.: ФАКР. - пресс. - 2000.

9. Тихомирова М.М. Генетический анализ. - Изд-во ЛГУ. - 1990. - 280с.

10. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. - М. Высшая школа. - 1989. - 592с.

Дополнительная литература:

1. Биотехнология в сельском хозяйстве. - М.: Мир.- 1980

2. Дубинин М.П. Общая генетика. - М., 1986

3. Абрамова З.В., Карлинский О.А. Руководство к практическим занятиям по генетике. Л.: Колос, 1968. - 192 с.

4. Ватти К.В., Тихомирова М.М. Руководство к практическим занятиям по генетике. М.: Просвещение, 1979. -189 с.

5. Дубинин Н.П. Генетика и человек. М.: Просвещение, 1978. - 143 с.

6. Абрамова З.В. Генетика. Программированное обучение. М.: Агропромиз., 1985. - 287с.

7. Бочков Н.П., Чеботарев А.Н. Наследственность человека и мутации внешней среды. - М. - Медицина. - 1989. - 272с.

8. Владимиров В.А., Измолков В.И. Катастрофы и экология. М. - 2000. - 979с.

9. Дажо Р. Основы экологии. - М. - Прогресс. - 1975. - 445с.

10. Жученко А.А. Рекомбинация в эволюции и селекции. - М. - Наука. - 1985. - 400с.

11. Жученко А.А. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН. - 1994. - 148с.

12. Риклефс Р. Основы общей экологии. - М. - Мир.- 1979. - 419с.

13. Пуризян Э.С. Плазмиды агробактерий и генетическая инженерия растений. - М. - Наука. -1985. - 279с.

1.8 Информация по контролю и оценке знаний

Виды контроля: текущий, рубежный 1 и 2, итоговый

Методы контроля: Проверка домашних заданий, заданий СРС и СРСП, контрольных работ, тестов; коллоквиумы

Оценка знаний, навыков, умений студентов: Политика выставления оценок основывается на 100% системе и предусматривает следующее распределение баллов:

Итоговая оценка по дисциплине включает рейтинг допуска и итоговый контроль:

И = РД*0,6 + Э*0,4

где И - итоговая оценка, РД - оценка рейтинга допуска, Э - оценка итогового контроля (экзамен по дисциплине).

Рейтинг допуска:

где Т₁,Т₂, … - контрольные мероприятия по текущему контролю (могут быть комплексными), PК₁,PК₂ - рубежные контроли

Оценочные эквиваленты

1.9 Политика курса

Основные требования к студентам:

- регулярно посещать занятия во избежание пробелов в знаниях,

- тщательно и осознанно выполнять задания преподавателя,

- в срок выполнять задания для самостоятельной работы.

Работы следует сдавать в указанные сроки. Крайний срок сдачи заданий - за 3 дня до начала экзаменационной сессии. Повторение темы и отработка пройденных материалов по каждому учебному занятию обязательны. Степень освоения учебных материалов проверяется тестами. Тестирование обучающихся будет проводиться без предупреждения.

2. Учебно-методические материалы по дисциплине

2.1 Тематический план курса

2.2 Тезисы лекционных занятий и планы лабораторных занятий

Тема 1-2. Введение в экологическую генетику. Генетические подходы в экогенетике.

1. Структура и задачи экологической генетики как науки

2. Генетические методы в анализе устойчивости организмов к факторам окружающей среды

1. Структура и задачи экологической генетики как науки

Развитие живой материи на Земле происходит в бесконечной смене поколений. Жизнь неразрывно связана с размножением организмам. Процесс воспроизведения в ряду поколений сходных признаков и свойств называется наследственностью. Второе поколение обязательно чем-то похоже на первое. Однако абсолютного сходства между ними никогда не бывает. Дети одних и тех же родителей всегда отличаются друг от друга.

Наследственность всегда сопровождается изменчивостью. Это появление у потомков новых признаков и свойств. При размножении организмов наряду с сохранением одних признаков изменяются другие. Наследственность и изменчивость всегда сопутствуют друг другу и проявляются в процессе размножения организмов совместно как противоречивые и в то же время неразрывно связанные между собой процессы.

Наука о наследственности и изменчивости организмов называется генетикой (от греч. geneticos - относящийся к происхождению).

Решающий шаг в изучении наследственности и изменчивости организмов сделал чешский ученый Грегор Мендель. В 1865 году в обществе естествоиспытателей г. Брно Г.Мендель доложил результаты своих опытов с растительными гибридами. Он доказал, что наследственность делима, что отдельные признаки организмов развиваются на основе материальных наследственных факторов. Мендель разработал основные принципы генетического анализа, а также установил закономерности наследственности. Поэтому он стал основоположником генетики. Но в то время его работы не были оценены по достоинству. И только в 1900 году трое ученых - К.Корренс в Германии, Э.Чермак в Австрии и Г.Де-Фриз в Голландии независимо друг от друга переоткрыли закономерности, установленные Г.Менделем. 1900 год считается официальной датой рождения генетики как науки. Это название было дано позже, в 1906 году, английским ученым В.Бэтсоном.

В истории генетики выделяют три периода. Два из них (с 1900 по 1953 г.г.) составляют эпоху классической генетики, третий (с 1953 г.) - молекулярной генетики.

Первый период (1900-1910гг.) связан с утверждением работ Менделя, выдвижением Де-Фризом теории мутаций, введением в генетику понятий ген, генотип, фенотип В.Иоганнсен.

Второй период (1911-1953гг.) связан с развитием хромосомной теории наследственности (Т.Морган). В 1925 году Г.Надсон и Г.Филиппов получили мутации у дрожжевых грибов под воздействием лучей радия. Позже А.Сапегин и Л.Делоне выявили серию полезных мутантных форм у пшеницы. Стала развиваться радиационная генетика. В 1920 году Н.Вавилов сформулировал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. В это время большой вклад в развитие генетики внесли ученые Ш.Ауэрбах, И.Раппопорт, В.Сахаров, М.Лобашев, А.Серебровский, Н.Дубинин, С.Четвериков.

Третий период (после 1953 г.) - использование методов и принципов исследований точных наук: химии, физики, математики, кибернетики. Стали широко применять электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, скоростное центрифугирование, метод радиоактивных изотопов, чистые препараты витаминов, ферментов и аминокислот. Объектами генетических исследований становятся грибы, микроорганизмы и вирусы. Значение имели работы О.Эвери (трансформация), Д.Уотсон и Ф.Крик (модель структуры ДНК). В 1962 г. Был расшифрован генетический код, молекулярные основы рекомбинаций и репараций. Выдающееся значение для разработки генетических методов селекции растений имели работы Н.Вавилова и И.Мичурина (выведение новых сортов при помощи прививок).

Цели и задачи курса

Концепция экогенетики человека и её основы начали закладываться в середине 50-х годов, когда впервые были обнаружены генетически детерминированные патологические реакции на лекарства, обусловленные недостаточностью ферментов. Немецкий генетик Ф. Фогель (1959) предложил для описания таких состояний термин фармакогенетика. Накопление экспериментальных данных, примеров высокой чувствительности и толерантности к лекарствам у отдельных индивидов, а также молекулярная расшифровка механизмов наследственных различий трансформации лекарств и реакций на них поставили вопрос о поисках общих закономерностей наследственных различий в реакциях на внешние факторы.

Разработка проблем экогенетики человека ускорилась в связи с тем, что среда обитания человека наполнилась новыми факторами (лекарства, пестициды, пищевые добавки и др.). Ранее, в процессе всей эволюции, человек не соприкасался с такими веществами (или факторами), поэтому на действие этих веществ не было никакого отбора. Какой-либо аллель мог распространиться ранее в популяции из-за его селективных преимуществ или дрейфа, но в других условиях окружающей среды этот аллель проявляет патологическое действие. Речь идёт о таких как бы молчащих генах, которые начинают проявлять свою функцию в новых условиях среды. Это и называется экогенстическим действием факторов

Понятие о "молчащих" (или "нейтральных") генах весьма условно. Биологический или патологический эффект какого-либо аллеля зависит от воздействия специфического фактора среды.

К настоящему времени не только сформулировано понятие об экогенетике, но и определены основные направления исследований в данной области. Оказалось, что наследственные различия могут проявляться в реакциях не только на лекарства, но и на физические факторы, на пищу и особенно на пищевые добавки, на загрязнения атмосферы, профессиональные вредности. Концепция экогенетики требует широкой проверки действия внешних факторов (особенно новых) с целью выявления наследственно обусловленных патологических реакций. Это явится научной основой для обеспечения адаптивной среды для каждого человека (подбор индивидуального рациона и климата, исключение отравления лекарствами, обоснование профессионального отбора и т.д.), чтобы исключить преждевременную смерть, инвалидизацию, дополнительную госпитализацию.

Экологическая генетика человека изучает влияние факторов среды обитания на наследственность. Это факторы и природные и антропогенные: экстремальные температуры, давления и УФ, выхлопы автомобилей, дымы и промышленые загрязнения, тяжелые металлы, инсектициды, различные виды излучений. Основы экологической генетики человека лежат в общебиологических закономерностях эволюции.

На протяжении сотен тысяч лет окружающая человека среда постоянно менялась. К ее изменениям человек приспосабливался как биологический вид с широкой нормой реакции. Человек как мыслящее существо активно изменял элементы среды своего обитания. Одновременно на групповом и популяционном уровнях происходил отбор генотипов. Окружающая среда обеспечивала отбор, выживание, процветание популяций или групп людей в зависимости от их наследственных характеристик. Эволюция человека шла через эволюцию его генотипа. Формировалась биологическая природа, и человек достаточно приспособился к окружающей среде не только социально, но и биологически.

При воздействии повреждающих или новых факторов окружающей среды на человека могут наблюдаться нежелательные эффекты в виде: 1) изменения наследственных структур (индуцированный мутационный процесс); 2) патологических проявлений экспрессии генов на специфические факторы среды; 3) изменений генофонда популяций в результате нарушения генетического равновесия между основными популяционными процессами (мутационный процесс, отбор, миграция, дрейф генов).

Эффекты 1-го типа -- это прежде всего индуцированный окружающей средой (в широком смысле слова) мутационный процесс. Этот процесс ведет к повышению темпов наследственной изменчивости человека на индивидуальном и популяционном уровнях.

Эффекты 2-го типа у человека проявляются на индивидуальном уровне в виде патологических реакций (болезней), а на популяционном уровне -- в виде большей или меньшей приспособленности (адаптация, акклиматизация). Патологические проявления аллелей под влиянием среды факторов называются экогенетическими реакциями, или болезнями.

Эффекты 3-го типа -- изменения генофонда популяций являются долговременными (десятки и даже сотни поколений). Биологически стабильному виду свойственно постоянное равновесие основных генетических процессов (мутационный процесс, отбор, миграция, дрейф генов). Современный период характеризуется большей скоростью и объемом изменений среды обитания. Наследственность человека на популяционном уровне так быстро меняться не может. Следствием высоких темпов и большого объема изменений среды обитания человека (измененные экологические условия) могут стать изменения в генофонде конкретных популяций или человечества в целом.

Важность проблем экологической генетики человека со временем будет возрастать и относительно, и абсолютно. Во-первых, относительная значимость экогенетической патологии будет увеличиваться по мере улучшения медицинской помощи и успешной борьбы с распространенными болезнями. Обычные медицинские меры профилактики не снизят частоту экогенетических болезней. Во-вторых, со временем можно ожидать увеличения экогенетической патологии в абсолютном выражении, поскольку вследствие научно-технического прогресса будут появляться все новые факторы, повысится специфичность новых производственных условий и т.д.

Экологическая генетика - это область знаний, смежной между экологией и генетикой, исследующее взаимовлияние генетических процессов и экологических отношений.

В связи с бурным развитием научно-технического прогресса и промышленности, интенсивным сельским хозяйством, появлением новых лекарств в последнее время в окружающую среду вводится всё больше самых разнообразных химических и физических агентов. Заметная часть из них продуцирует мутации и получила название мутагенов среды.

Влияние на здоровье населения отрицательных мутаций в виде проявляющихся генных доминантных, рецессивных и кодоминантных изменений генотипа и их комплексов, а также структурных и численных мутаций хромосом, обозначается термином генетический груз. Выделяют два основных направления экогенетических исследований, которые изучает данная область биологии:

Генетическую предопределенность экологических отношений.

Воздействие экологических факторов на генетические процессы (в первую очередь, мутагенез).

Проблема оценки генетического риска, обусловленного факторами окружающей среды - важнейшая задача экологической генетики. В итоге изучения данного предмета необходимо выявить и ответить на вопросы:

а) каким образом данный фактор действует на генетический материал;

б) насколько широко подвергается человеческая популяция воздействиям этого фактора;

в) каково вероятное увеличение частоты мутаций по сравнению с частотой спонтанных мутаций;

г) каковы долговременные последствия увеличения частоты мутаций для популяции.

Для усвоения материала экологическая генетика как раздел генетики опирается на мощную методологию генетического анализа и использует весь методический арсенал экологии. Она связана также с цитологией, молекулярной биологией, медициной.

Генетические подходы в экологической генетике базируются на двуединстве методологии генетического анализа, оперирующего понятием наследственности и изменчивости. Связь мутационного процесса с генетическими процессами (репликация, репарация, транскрипция, трансляция). Механизмы модификации. Экологическая генетика - взаимовлияние генетических процессов и экологических отношений.

2. Генетические методы в анализе устойчивости организмов к факторам окружающей среды

Основные методы генетики следующие.

1. Гибридологический анализ - установление характера наследования признаков при скрещивании организмов друг с другом и получении гибридов.

2. Цитологический метод - изучение структур клеток в связи с размножением организмов и передачей наследственной информации.

3. Онтогенетический анализ - изучение действия генов в процессе индивидуального развития организмов.

4. Статистический метод- изучение статистичесикх закономерностей наследственности и изменчивости.

Основы гибридологического анализа:

1. Изучение одной или двух пар контрастных признаков (красные-белые цветы, гладкие и морщинистые семена и др.).

2. Велся конкретный количественный учет по каждой паре признаков.

3. Велся математический подсчет в каждом отдельном поколении.

Гибридологический анализ - основной метод генетики. В результате скрещивания получаются гибриды. Скрещивания, в которых родительские организмы отличаются по одной паре альтернативных признаков, называются моногибридными, при различии по двум парам признаков - дигибридными, а если число признаков больше - полигибридными.

Антропогенные изменения окружающей среды, связанные с глобальным характером человеческой деятельности создают совершенно новые экологические условия для человека и природных сообществ. В связи с этим сложной задачей представляется научная оценка биологических и, прежде всего, генетических последствий изменения окружающей среды. Весьма важным является прогноз возможных генетических изменений, т.к. речь идет в конечном итоге о генетическом здоровье будущих поколений человека и о сохранении на планете всего разнообразия жизни. Такой прогноз возможен только на базе фундаментальных знаний в области общей генетики, теории мутагенеза, популяционной и экологической генетики.

Генетические различия в реакциях на действие факторов внешней среды могут быть установлены с помощью генеалогического (семейного) анализа, близнецового или популяционно-статистического метода. Как и для других разделов генетики, каждый из этих методов применительно к экогенетике имеет свои разрешающие возможности и ограничения. В выявлении новых экогенетических вариаций генотипов все методы дополняют друг друга. Кроме того, наряду с применением генетических методов нужно проводить биохимические исследования молекулярных механизмов патологических реакций (варианты ферментов, рецепторов, транспортных белков). Одновременно с генетическим анализом должны применяться токсикологические и фармакологические методы для определения концентрации различных веществ в организме и путей метаболизма этих соединений.

При применении клинико-генеалогического метода чаще достаточно обследовать родственников I степени родства, но в семьях с аномальной экогенетической реакцией желательно анализировать всю родословную в нескольких поколениях. Естественно, что при изучении реакций на лекарства необходимо принимать во внимание возможные различия в действии лекарств в зависимости от пола и возраста. Это, конечно, создаёт некоторые дополнительные ограничения в использовании генеалогического метода. Однако для определения типа наследования экогенетического признака (аномальная реакция на действие фактора внешней среды) обязательно нужно использовать генеалогический метод. С помощью других методов этот вопрос решить нельзя.

Близнецовый метод можно применять в экогенетике в классическом варианте для оценки формирования количественных (реже качественных) признаков. Этот метод хорошо испытан в фармакогенетике. С его помощью можно оценить относительный вклад средовых и наследственных факторов в вариабельность реакций на внешние факторы и подойти к разграничению полигенных и моногенных моделей наследования экогенетических признаков.

Популяционно-статистический метод позволяет установить, однородна ли реакция большого числа людей на воздействие факторов внешней среды, т.е. определяется она несколькими генами или одним. В этом случае речь идёт об анализе характера распределения людей по их реакции на внешний фактор.

План практического занятия

1. Структура и задачи экологической генетики как науки

2. Генетические методы в анализе устойчивости организмов к факторам окружающей среды

Основная литература: 1 - 10 ( по списку основной литературы)

Дополнительная литература: 1 - 13 ( по списку дополнительной литературы)

Тема 3-4. Изменчивость организмов

1. Виды изменчивости

2. Причины возникновения новых признаков организмов

1. Виды изменчивости. Одно из важнейших проявлений жизни - изменчивость организмов, которая всегда сопровождает их размножение. Изменчивость выражается в различиях между особями по признакам тела или отдельных его органов (размеры, форма, окраска) и функций. Изменчивость организмов выражается в двух видах: генотипической и модификационной.

Генотипическая изменчивость связана с изменением клеточных структур, обеспечивающих воспроизведение новообразований, с изменением генотипа организма. Генотипическая изменчивость делится на комбинационную и мутационную.

Комбинационная, или гибридная, изменчивость характеризуется появлением новообразований в результате сочетания и взаимодействия генов родительских форм. Мутационная изменчивость, мутации (от лат. Mutatio- изменение, перемена) вызывают структурные изменения генов и хромосом, ведущие к появлению новых наследственных признаков и свойств организма.

Модификационная "фенотипическая" изменчивость не вызывает изменений генотипа. Она связана с реакцией одного и того же генотипа на изменение внешних условий.

Один и тот же генотип проявляется в разных фенотипах. Генотип и фенотип - важнейшие понятия генетике, они были предложены В. Иоганнсеном в 1909 году.

Генотип (от греч. Genos - рождение, tupos- отпечаток, образ) - совокупность всех генов организма. Его наследственная материальная основа. Фенотип (от греч. Phainos- являться, tupos- отпечаток, образ) - совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе генотипа. Модификационная изменчивость обусловлена генотипом.

2. Причины возникновения новых признаков организмов. Как уже упоминалось, на проявление гена значительное влияние оказывают другие гены, т. е. проявление гена в виде признака зависит от генотипической среды. Возможность развития признака зависит и от влияния регуляторных систем организма, в первую очередь эндокринной. Такие признаки у петухов, как яркое оперение, большой гребень, характер пения и тембр голоса, обусловлены действием мужского полового гормона. Женские половые гормоны, введенные петухам, вызывают функционирование генов, обусловливающих синтез в печени белков, входящих в состав желтка яйцеклетки. В норме эти гены "работают" только у кур. Следовательно, внутренняя среда организма также сильно влияет на проявление генов в форме признака.

Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факторов внешней среды -- колебания температуры, освещенности, влажности, количества и качества пищи, вступая во взаимоотношения с другими организмами. Все эти факторы могут изменять морфологические н физиологические свойства организмов, т. е. их фенотип.

Приведем несколько примеров. У мухи дрозофилы известна мутация "рудиментарные крылья", которая проявляется фенотипически только при низкой температуре среды.

Если у гималайского кролика выщипать белую шерсть и поместить в холод, то на этом месте вырастет черная шерсть. Если черную шерсть удалить н наложить теплую повязку, вырастет белая шерсть. При содержании гималайского кролика при температуре 30 °С вся шерсть у него будет белая. У потомства от двух таких белых кроликов, выращенных в нормальных условиях, распределение пигмента будет обычным.

Таким образом, изменения признаков, вызванные действием факторов внешней среды, не являются наследственными.

Отметим еще одну особенность изменчивости, вызванной факторами внешней среды. Листья у одного и того же растения стрелолиста или водяного лютика имеют разную форму в зависимости от того, находятся они в водной или в воздушной среде. Но у всех стрелолистов в воде развиваются длинные тонкие листья, а у всех лютиков -- изрезанные, так же как под действием ультрафиолетовых лучей у всех людей, если они не альбиносы, появляется загар--накопление в коже пигмента меланина. Таким образом, на действие определенного фактора внешней среды вид реагирует специфическим образом, и реакция (в форме изменения признака) оказывается сходной у всех особей данного вида. Это обстоятельство позволило Ч. Дарвину назвать ненаследственную изменчивость групповой или определенной.

Вместе с тем изменчивость признака под влиянием условий внешней среды не беспредельна. Степень варьирования признака (или пределы модификационной изменчивости) называется нормой реакции. Широта нормы реакции обусловлена генотипом и зависит от важности признака в жизни организма (в конечном счете от естественного отбора). Узкая норма реакции свойственна таким признакам, как размеры сердца или головного мозга. В то же время количество жира в организме изменяется в широких пределах. Мало изменчиво строение цветка у растений, опыляемых насекомыми, но очень изменчивы размеры их листьев.

Таким образом, модификационная изменчивость характеризуется следующими основными свойствами: 1) ненаследуемостью; 2) групповым характером изменений; 3) соответствием изменений действию определенного фактора среды; 4) обусловленностью пределов изменчивости генотипом (это означает, что хотя направленность изменений одинакова, степень изменения у разных организмов различна).

Направленность модификации. У всех здоровых людей, имеющих светлый цвет кожи, солнечные лучи вызывают образование загара. Огородные растения, возделываемые на почве, богатой органическими удобрениями, достигают более крупных размеров. Таким образом, на действие определенного фактора внешней среды каждый вид организмов реагирует специфически и реакция, в форме изменения признака, оказывается сходной у всех особей данного вида. Это обстоятельство позволило Ч.Дарвину назвать ненаследственную изменчивость групповой или определенной. Для ненаследственной модификационной изменчивости характерно:

· изменение фенотипа;

· изменения не наследуются;

· изменения носят массовый характер;

· изменения приспособительны;

· изменения носят постепенный характер;

· изменения способствуют выживанию, повышают жизнедеятельность;

· изменения адекватны условиям среды.

Использование знаний модификационной изменчивости для управления индивидуальным развитием организмов. В зиготе, а в дальнейшем и в организме в виде генов заложены не сами признаки (цвет глаз, группа крови, устойчивость к болезням и т.п.), а способность их развития в процессе индивидуальной жизни организма. Примеры: увеличение яйценоскости у кур -- дополнительное освещение в зимний период; влияние витаминных кормов на приплод супоросных свиноматок.

Статистичечкие закономерности модификационной измененьчивости. Статистический метод дает возможность точно охарактеризовать изменчивость того или иного признака и широко используется для выявления достоверности результатов наблюдений в самых различных исследованиях. Данные статистические методы, полученные на большом количестве потомков в течение нескольких лет, могут дать ответ на вопрос: является ли изменяющийся признак наследственным или нет. Если некоторое количество листьев расположить в порядке нарастания или убывания признака (длина листа), то получится ряд изменчивости данного признака, который носит название вариационного ряда, слагающегося из отдельных вариант. Варианта -- единичное выражение развития признака.

Графическое выражение изменчивости признака, отражающее как размах вариаций, так и частоту встречаемости отдельных вариант называют вариационной кривой. Каковы же причины распределения вариант в вариационном ряду? (Внешняя среда и реакция на нее организма). Чем однообразнее условия развития, тем меньше выражена модификационная изменчивость, тем короче будет вариационный ряд. Чем разнообразнее условия среды, тем шире модификационная изменчивость. Размах генотипа зависит и от генотипа.

План практического занятия

1. Виды изменчивости

2. Причины возникновения новых признаков организмов

Основная литература: 1 - 10 ( по списку основной литературы)

Дополнительная литература: 1 - 13 ( по списку дополнительной литературы)

Тема 5-6. Мутационная изменчивость

1. Виды мутаций

2. Классификация

3. Интенсивность проявления мутаций

1. Виды мутаций. Мутагенные факторы и мутагенез. Мутационная изменчивость, или мутации, - внезапное изменение генетического материала под влиянием факторов среды.

Мутации наследуются, их нельзя предсказать, они индивидуальны и являются материалом для естественного отбора.

Мутагены - факторы, вызывающие мутации:

экзомутагены - факторы внешней среды,

эндомутагены - метаболиты организма человека.

Мутагенные факторы подразделяют на физические, химические и биологические.

Физические мутагены - различные виды излучений, температура, влажность и другие.

Они вызывают:

- нарушения структуры генов и хромосом;

- образование свободных радикалов, взаимодействующих с ДНК;

- разрывы нитей веретена деления;

- образования димеров соседних пиримидиновых оснований одной цепи ДНК (Т-Т, Т-Ц) и другие.

Химические мутагены:

- природные органические и неорганические соединения (алкалоиды, нитриты, нитраты);

- продукты промышленной переработки угля и нефти;

- синтетические вещества, не встречавшиеся ранее в природе (бытовая химия, химические соединения для сельского хозяйства, пищевые консерванты);

- различные лекарства ( некоторые антибиотики, наркотические вещества, гормональные препараты), способные вызывать у человека врожденные пороки развития.

Супермутагены (иприт, этиленимин) - вещества химической природы, которые действуют сильнее проникающей радиации.

Химические мутагены действуют в период репликации ДНК и обычно являются причиной генных мутаций. Они вызывают дезаминирование и алкилирование нуклеотидов, замену азотистых оснований их аналогами, ингибируют синтез предшественников нуклеиновых кислот.

Биологические мутагены - это продукты метаболизма различных паразитических агентов:

- паразиты невирусной природы (риккетсии, микоплазмы, бактерии);

- вирусы краснухи, гриппа, кори, оспы;

- метаболиты протистов (токсоплазма) или многоклеточных (кошачий сосальщик) паразитов.

Невирусные и вирусные агенты являются причиной инфекционного мутагенеза. Они вызывают нарушения синтеза ДНК, процесса кроссинговера, расхождения хромосом и хроматид в анафазе мейоза и митоза. Продукты жизнедеятельности паразитов действуют как химические мутагены. Они разрушают теломеры хромосом, нарушают процесс кроссинговера.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным и индуцированным.

Спонтанный, или самопроизвольный, мутагенез возникает при ошибках репликации и репарации ДНК и под действием метаболитов организма ( например, перекиси и альдегиды).

Индуцированный, или направленно вызванный, мутагенез происходит под действием определенного мутагена - ультрафиолетового или ионизирующего излучения.

2. Классификация мутаций

По мутировавшим клеткам мутации могут быть соматические (например, разный цвет глаз у одного человека) и генеративные ( или гаметические). Генеративные мутации передаются потомству, соматические проявляются у самой особи. Они передаются по наследству только при вегетативном размножении.

По исходу (значению) для организма выделяют мутации положительные, нейтральные и отрицательные.

Положительные мутации появляются редко. Они повышают жизнеспособность организма и имеют значение для эволюции ( например, мутации, приводящие к появлению четырехкамерного сердца в процессе эволюции хордовых).

Нейтральные мутации практически не влияют на процессы жизнедеятельности (например, мутации, приводящие к наличию веснушек).

Отрицательные мутации делят на полулетальные и летальные. Полулетальные мутации снижают жизнеспособность организма, сокращают срок его жизни (например, мутации, приводящие к болезни Дауна).

Летальные мутации вызывают смерть организма до рождения или в момент рождения ( например, мутации, приводящие к отсутствие головного мозга).

По изменению фенотипа мутации бывают морфологические (например, уменьшенные глазные яблоки, шесть пальцев на руке) и биохимические (например, альбинизм, гемофилия).

По изменению генотипа выделяют мутации геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации - это изменение числа хромосом под действием факторов среды.

Гаплоидия - набор хромосом 1n. В природе она встречается у трутней (самцов) пчел. Жизнеспособность таких организмов снижена, так как у них проявляются все рецессивные гены.

Полиплоидия - увеличение гаплоидного набора хромосом (3n, 4n, 5n). Полиплоидия используется в растениеводстве. Она приводит к повышению урожайности. Для человека гаплоидия и полиплоидия это летальные мутации.

Анеуплоидия - это изменение числа хромосом в отдельных парах (2n±1, 2n±2 и так далее).

Трисомия: например, если к паре половых хромосом женского организма добавляется Х-хромосома, развивается синдром трисомии Х (47, ХХХ), если она добавляется к половым хромосомам мужского организма, развивается синдром Клайнфельтера (47, ХХY).

Моносомия: отсутствие одной хромосомы в паре - +45, Х0 - синдром Шерешевского-Тернера.

Нулисомия: отсутствие пары гомологичных хромосом (для человека - летальная мутация).

Хромосомные мутации (или хромосомные аберрации) - это изменения структуры хромосом (межхромосомные или внутрихромосомные). Перестройки внутри одной хромосомы называются инверсии, нехватки (дефишенси и делеции), дупликации.

Межхромосомные перестройки называются транслокации. Инверсия (отрыв участка и его поворот на 180^о). Нехватка - Делеция (выпадение среднего участка). Дупликация (удвоение участка). Транслокация (перенос участка на негомологичную хромосому).

Изменения структуры хромосом

Примеры: делеция - синдром кошачьего крика у человека; дупликация - появление полосковидных глаз у дрозофилы; инверсия - изменение порядка расположения генов.

Транслокации могут быть: реципрокные - две хромосомы обмениваются сегментами; нереципрокные - сегменты одной хромосомы переносятся на другую; робертсоновские - две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными участками.

Нехватки и дупликации всегда проявляются фенотипически, так как изменяется набор генов.

Не всегда проявляются инверсии и транслокации.

В этих случаях затрудняется конъюгация гомологичных хромосом и нарушается распределение генетического материала между дочерними клетками.

Генные мутации называются точковые, или трансгенации.

Они связаны с изменениями структуры генов и вызывают развитие болезней обмена веществ (их частота 2-4%).

Изменения структурных генов.

1. Сдвиг рамки считывания происходит в случае выпадения или вставки одной или нескольких пар нуклеотидов в молекулу ДНК.

2. Транзиция - мутация, при которой происходит замена пуринового основания на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое (А- Г или Ц- Т). Такая замена приводит к изменению кодонов.

3. Трансверсия - замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое (А-Ц; Г-Т) - приводит к изменению кодонов.

Изменение смысла кодонов приводит к мисценс-мутациям. Если образуются бессмысленные кодоны ( УАА, УАГ, УГА), они вызывают нонсенс-мутации. Эти кодоны не определяют аминокислоты, а являются терминаторами - они определяют конец считывания информации.

Изменения функциональных генов

1. Изменен белок-репрессор, он не подходит к гену-оператору. В этом случае структурные гены не выключаются и работают постоянно.

2. Белок-репрессор плотно присоединяется к гену-оператору и не "снимается" индуктором. Структурные гены постоянно не работают.

3. Нарушение чередования процессов репрессии и индукции. Если индуктор отсутствует, специфический белок синтезируется, в присутствии индуктора он не синтезируется. Такие нарушения работы транскриптонов наблюдаются при мутациях гена-регулятора или гена-оператора. В настоящее время описано около 5 000 болезней обмена веществ, причиной которых являются генные мутации.

Примерами их могут быть фенилкетонурия, альбинизм, галактоземия, различные гемофилии, серповидно-клеточная анемия, ахондроплазия и др. В большинстве случаев генные мутации проявляются фенотипически.

План практического занятия

1. Виды мутаций

2. Классификация

3. Интенсивность проявления мутаций

Основная литература: 1 - 10 ( по списку основной литературы)

Дополнительная литература: 1 - 13 ( по списку дополнительной литературы)

Тема 7-8. Зависимость проявления действия генов от среды

1. Экогенетическое действие факторов внешней среды

2. Наследственно-обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

3. Загрязнение атмосферы

4. Пищевые вещества и пищевые добавки

5. Физические факторы и отравление металлами

6. Чувствительность к биологическим агентам

1. Экогенетическое действие факторов внешней среды.

Основы экологической генетики человека лежат в общебилогических закономерностях эволюции. Изменение генотипов ведет к изменению организмов (популяций), а отбор в популяциях в свою очередь формирует генофонд популяций. Следовательно, эволюция какого-либо биологического вида, в том числе и человека, - эволюция его генотипа.

Источником изменчивости как основы эволюции служат мутации. Постоянный, оптимальный для данного вида в конкретных условиях среды уровень мутационного процесса - существенная и постоянная биологическая характеристика вида.

Окружающая среда ведет к отбору, выживанию, "процветанию" популяции или группы особей в зависимости от их наследственных характеристик. Биологически стабильному виду свойственно постоянное равновесие мутационного процесса и отбора.

На протяжении эволюции среда обитания человека постоянно менялась (климат, пища, огонь, жилище). К этим изменениям организм человека постепенно приспосабливался из-за широкой нормы реакции, с одной стороны, и изменения генотипов - с другой. Все это формировало биологическую природу человека на протяжении десятков и сотен тысячелетий, и человек стал приспособленным к окружающей среде. Современный период характеризуется большим темпом и объемом изменений среды обитания. Наследственность человека на популяционном уровне так быстро меняться не может.

В течение 50 лет во многих зонах существенно повысился радиационный уровень. Химические вещества (до 60 000 наименований) в среде обитания человека являются частью продуктов и отходами производства. В некоторых городах, например, в атмосферу выбрасываются до 1000кг плотных осадков на человека. Интенсивное развитие транспорта привело к широкой циркуляции вирусов и микроорганизмов.

Следствием высоких темпов и большого объема изменений среды обитания человека (измененные экологические условия) могут быть генетические изменения в виде повышения мутационного процесса и отбора.

2. Наследственно обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

Некоторые специфические мутации являются основой высокой чувствительности их носителей к определенным факторам внешней среды. Потенциально токсические факторы окружающей среды повреждают не все население, а только его часть, генетически предрасположенную к таким мутациям. Доказано, что у человека существует генетический контроль метаболизма поступающих в организм химических соединений (биотрансформации).

Современные данные позволяют говорить о трёх фазах детоксикации ксенобиотиков, из которых первые две осуществляются с помощью генетически детерминированных ферментов.

Во время I фазы ксенобиотики инактивируются с образованием промежуточных электрофильных метаболитов. Если активация не будет осуществляться по причине потери ферментативной активности мутантного продукта, то ксенобиотики будут давать отрицательный эффект сначала на клеточном, а потом и на организменном уровне.

Активированные ксенобиотики в форме промежуточных электрофильных метаболитов при контакте с другой группой ферментов (главным образом с различными трансферазами) преобразуются в водорастворимые нетоксичные компоненты, которые могут выводиться из организма. Однако если II фаза детоксикации не состоится по причине мутантной формыфермент,. то продукты I фазы детоксикации (промежуточные электрофильные метаболиты), как и неактивные ксенобиотики, вызывают окислительный стресс, дают токсические эффекты, обусловливают мутации, рак и другие нежелательные последствия.

На основе многочисленных доказательств природы экогенетических вариаций можно сделать вывод, что они обусловлены балансированным полиморфизмом в генах ферментов, участвующих в обеих фазах детоксикации.

III фаза детоксикации обеспечивается работой физиологических систем выделения (кожа, почки,кишечник).

Экогенетика человека изучает вариации ответов организма различных людей на воздействие факторов среды. На основе этих фактов генетики пытаются объяснить, почему поражается только некоторая часть подвергающегося вредному воздействию населения и как индивиды различаются по адаптации к среде.

В патологических экогенетических реакциях в широком плане твердо установлена роль следующих полиморфных локусов, участвующих (прямо или опосредованно) в биотрансформации чужеродных веществ: цитохром Р450, N-ацетилтрансфераза, пароксоназа сыворотки, холинэстераза сыворотки, глюкозо-6-фосфат, лактаза, ингибиторы протеаз. Конкретные примеры проявления их мутантных аллелей приведены ниже.

Экогенетические реакции могут быть обусловлены редкими мутантными аллелями, которые вызывают патологический ответ или идиосинкразию Однако существуют и полиморфные системы. обусловливающие количественные вариации ответа. В этих случаях значительная часть популяции (2-50%) может реагировать различно. Экогенетические ответы могут контролироваться одним геном или несколькими. Характер сегрегации признака в потомстве в этих случаях будет соответствовать моно- или полигенным системам. Анализ сегрегации усложняется ещё и тем, что для проявления признака у носителя аллеля (или аллелей) требуется воздействие соответствующего фактора.

3. Загрязнение атмосферы

Хорошо известно, что загрязнение атмосферы выхлопными газами, газообразными продуктами многочисленных фабрик и заводов представляет серьёзную гигиеническую проблему глобального масштаба. Химические соединения и пылевые частицы попадают в организм через лёгкие, кожу и слизистые оболочки, вызывая определенные реакции организма. Для людей, занятых на некоторых производствах, доза (или концентрация) этих веществ намного больше. Всё это в широком понимании входит в среду обитания человека. С некоторыми из этих факторов человек соприкасается всегда, с другими - изредка. Наследственные вариации возможны в ответ на воздействие любых факторов. Часть из них уже известна генетикам.