У спадкову мінливість відносять ті зміни ознак, які передаються у спадок і згодом проявляються у потомства. Ч. Дарвін назвав такий тип мінливості невизначеною, або індивідуальної, оскільки спочатку неможливо визначити, які з'являться зміни, крім того, вони завжди індивідуальні. Розрізняють два типи спадкової мінливості: комбінатів- ву і мутационную.
Цей тип мінливості виникає при поєднанні наявних генів і їх алелів в процесі здійснення різних етапів статевого розмноження. Важливо пам'ятати, що при цьому не відбувається ніяких хімічних перетворень безпосереднього носія спадкової інформації - молекул ДНК. Отже, комбинативная мінливість не приводить до появи нових генів або їх алелей - у нащадків проявляються ознаки батьків і їхніх предків, але в різних поєднаннях. Елементарної (найменшою) одиницею рекомбінації генетичного матеріалу, що викликає появу нових поєднань, є рекон, який відповідає парі нуклеотидів дволанцюгової молекули ДНК або одному нуклеотиду в одноланцюгових молекулах нуклеїнових кислот вірусів. Рекон можна розділити в процесі крос- сінговера, і він завжди передається цілком. Комбінація спадкового матеріалу у еукаріот досягається трьома способами:
Рекомбінацією генів в процесі кросинговеру під час профази першого поділу мейозу, коли гомологічні хромосоми обмінюються ділянками, в результаті з'являються хромосоми з новими поєднаннями алелей (слід зазначити, що крос- сінговер призводить до нового поєднанню ознак лише в тому випадку, якщо в гомологічних хромосомах містяться різні аллели гена - наприклад, зелена або жовте забарвлення насіння, якщо ж алелі однакові, то, незважаючи на обмін ділянками, вираз ознаки не зміниться). 2. Незалежним розбіжністю хромосом в анафазе першого поділу мейозу, коли материнські та батьківські хромосоми розходяться в дочірні клітини в випадковому порядку, що призводить до найрізноманітніших комбінацій цих хромосом, і в результаті все утворилися при мейозі гамети мають між собою генетичні відмінності. 3. Випадковим характером зустрічей гамет при заплідненні.
У прокаріотів відсутня статеве розмноження в звичному розумінні цього процесу. Однак при певних умовах і у них також має місце рекомбінація спадкової інформації, причому як ДНК нуклеоида, так і цітоплазматі- чеський ДНК - плазмід (більш докладно про плазмидах розказано в розділі, присвяченому генетичного апарату прокаріот).
Таким чином, різні механізми комбинативной мінливості призводять до того, що кожна зигота має унікальний набір спадкової інформації. Саме цим можна пояснити наявні відмінності між нащадками одних батьків. Рекомбінація генетичного матеріалу має надзвичайно важливе значення в еволюційному процесі, оскільки вона створює невичерпне розмаїття генотипів, що робить популяцію гетерогенної. Поява неоднакових, а отже, нерівноцінних організмів одного виду відкриває широкі можливості для природного добору залишати лише найбільш вдалі поєднання спадкових ознак. Оскільки нові організми з часом також включаються в статеве розмноження, процес вдосконалення генетичного складу йде безперервно.
На відміну від комбинативной мінливості, обов'язковою умовою мутаційної мінливості є якісна зміна спадкового субстрату. В результаті відбувається утворення нових алелей або, навпаки, втрата вже наявних. Це призводить до появи у нащадків принципово нових ознак, відсутніх у батьків.
Основні положення теорії мутацій виклав Г. де Фриз (1901 - 1903). Саме він ввів термін мутація для позначення стрибкоподібного, перериваного зміни спадкової ознаки. Основні положення його теорії багато в чому зберегли своє значення. Тезово вони виглядають наступним чином: 1. Мутації виникають раптово, без проміжних стадій, як стрибкоподібне зміна ознаки. 2. Що з'явилися нові форми виявляють стійкість і передаються у спадок. 3. Мутації відрізняються від неспадкових змін тим, що не утворюють безперервних рядів і не групуються навколо певного «середнього типу»; мутації - це якісні зміни. 4. Мутації дуже різноманітні, серед них є як корисні для організму і виду, так і шкідливі. 5. Можливість виявлення мутацій залежить від числа проаналізованих особин. 6. Однакові мутації можуть виникати неодноразово.
Фактичний матеріал для теорії мутацій Г. де Фриз отримав в серії дослідів з рослиною ослинник, або енотери.
Надалі В. Йогансен отримав незаперечні докази появи мутацій в дослідах на чистих (гомозиготних) лініях квасолі і ячменю (1908 - 1913). Усі наступні роки мутації активно досліджувалися багатьма видатними вченими, в результаті це призвело до широкого практичного використання отриманих даних в медицині і господарської діяльності людини. Виявлено, що мутаційної мінливості піддаються всі форми клітинних організмів, а також віруси. В даний час терміном «мутація» прийнято позначати будь-які зміни спадкового матеріалу, що передаються у спадок. Ознака, який був до зміни, називається диким, і змінений - мутантом.
Класифікація мутацій. Єдиної класифікації мутацій не існує, і поділ спадкових змін на групи здійснюється за багатьма показниками.
За характером зміни спадкового матеріалу мутації підрозділяються на генни / е, хромосомні і геномні. Залежно від напрямку мутації бувають прямими (з дикого типу виникає мутантний) і зворотними (реверсії), коли мутація призводить до раніше існуючого дикого типу. При цьому важливо пам'ятати, що строго дикого типу в природі взагалі не буває, оскільки будь-який нині дикий аллель колись також з'явився в результаті мутації алеля більш раннього дикого типу, який, в свою чергу, виник подібним чином. За прояву в гетерозиготному стані генотипу мутації можуть бути домінантним / ми (якщо мутантний аллель завжди проявляється) і рецесивних
и- ми (якщо мутантний аллель проявляється тільки в гомозиготному стані; більшість мутацій, що збереглися в ході природного відбору, є саме рецесивними). Залежно від участі людини розрізняють спонтанні мутації, які виникають в природних умовах без впливу з боку людини, і індуковані (лат. Inductio - наведення, спонукання) мутації, що виникли на фоні відправленого впливу будь-яких чинників на генетичний матеріал за задумом експериментатора. За ступенем впливу на життєдіяльність організму мутації ділять на корисні, нейтральні та шкідливі (крайнім вираженням такого роду мутацій є летальні мутації). Такі характеристики мутацій є універсальними, т. Е. Вони можуть бути застосовані до всіх організмам.
Для окремих форм також застосовні більш конкретні класифікації. Залежно від локалізації в клітині мутації можуть бути ядерними і цитоплазматичними (зміни ДНК мітохондрій і пластид у еукаріот, а у прокаріотів - плазмід). Залежно від типу клітин: мутації, що відбуваються в соматичних клітинах, називаються соматичними (слід зазначити, що цей тип мутацій не передається потомству при статевому розмноженні), що відбуваються в статевих клітинах - генеративних. За фенотипическому прояву мутації підрозділяються на морфологічні, фізіологічні, біохімічні, поведінкові та ін. Крім перерахованих вище, існує чимало більш приватних класифікацій мутацій, заснованих на будь-якому вузькому показнику, проте ми їх залишимо без уваги, так як це предмет спеціальної літератури. Нижче ми більш детально розглянемо найбільш важливі мутації.
Генні (точкові) мутації, або трансгенації є невизначені цитологическими методами хімічні зміни нуклеїнової кислоти в межах окремих генів. Ці зміни можуть виражатися в порушенні пар нуклео- тідов і зсуві рамки зчитування. В результаті при транскрипції з'являється змінена тРНК і, відповідно, поліпептид з іншою послідовністю амінокислот при трансляції. Нагадуємо, що саме певна послідовність амінокислот визначає особливу структурну укладку молекули поліпептиду, що забезпечує специфічні властивості білка. Зміна послідовності нуклеотидів при генної мутації, таким чином, призводить до появи іншого білка з іншими функціями. Генні мутації часто є причиною спадкових хвороб, пов'язаних зі зміною обміну речовин.
Найменша частина молекули нуклеїнової кислоти, зміна якої призводить до появи нового ознаки (або перетворення вже існуючого), називається мутоном. Встановлено, що мутон відповідає парі нуклеотидів в двухцепочечной молекулі ДНК або одному нуклеотиду в одноцепочечной молекулі нуклеїнової кислоти у вірусів. Відповідно до цього генні мутації, що охоплюють один сайт генного локусу, називаються односайтовиші, кілька - мультибайтних. В результаті генних мутацій відбувається зміна алелей генів і їх кількість в генофонді популяції (і виду в цілому) зростає. Це призводить до множинного алелізм. Нагадуємо, що це поняття відноситься виключно до генофонду, оскільки окрема особина не може одночасно містити більше двох різних алелей окремого гена в гетерозиготному стані, а в гомозиготному стані обидва алелі одного гена однакові. Прикладом тому служить серія алелей, що визначають забарвлення очей у дрозофіли - червона (дикий тип), біла, вишнева, абрикосова, еозіновая, кольору слонової кістки і т. Д. (Всього понад десяти).
Генні мутації є найпоширенішими - до 10% статевих клітин у рослин і тварин мають їх. Однак ймовірність мутації окремого гена дуже мала - в середньому 10-5 - 10-7, тому високу відносну частку гамет, що несуть змінений генетичний матеріал, слід віднести до величезної кількості генів в геномі.
Як ми вже відзначали вище, генні мутації виражаються двома способами: при зміні пар нуклеотидів і при зсуві рамки зчитування. Зміна нуклеотидноїпослідовності може бути у вигляді транзіциі або трансверсії. У разі тран- зиции одне пуриновое підставу в парі нуклеотидів замінюється на інше пуриновое, а пиримидиновое, відповідно, на інше пиримидиновое. наприклад:
А (пурин) Т (піримідин) ® G (пурин) C (піримідин), GC ® AT, TA ® CG і CG ® AT.
При трансверсії, навпаки, пуриновое підставу заміщається пірімідіновим, а пиримидиновое, відповідно, пуріно- вим:
A (пурин) T (піримідин) ® C (піримідин) G (пурин), AT ® TA, GC ® CG, CG ® AT.
Мутації, що супроводжуються зміною або заміною підстав в нуклеїнової кислоти, становлять приблизно 20% загального числа генних мутацій. Значно частіше відбуваються мутації, зумовлені зсувом рамки вважаючи / вання. Їх механізм полягає в витаденіі наявних (делеція) або вставки зайвих пар нуклеотидів.
Хромосомні мутації (перебудови, або аберації) представляють собою внутріхромосомние зміни або міжхромосомні обміни. Хромосомні перебудови зустрічаються тільки у еукаріот, оскільки лише вони мають дискретними лінійними хромосомами. У прокаріотів і тим більше вірусів генетичний матеріал має іншу структурну організацію (див. Розділи,
присвячені прокариотической клітці і вірусам). Вони можуть виникати як спонтанно, так і під який ініціює впливом мутагенів. В ході будь-яких хромосомних перебудов спочатку відбувається розрив хромосоми, а потім здійснюється з'єднання фрагментів. Причому виділені фрагменти або видаляються і втрачаються, або вбудовуються в ту ж або в іншу хромосому.
Внутріхромосомние перебудови є різного типу структурні зміни в межах однієї хромосоми (392). Втрата ділянки хромосоми називається делецией (або нестачею) - ABCDEFGH ® ABCEFGH (виділено втрачений ген). Вперше делецию однієї з хромосом у дрозофіли виявив К. Бріджес (1917), причому це було першим відкриттям явища хромосомних мутацій взагалі. В результаті цієї делеції у мух з'являються вирізки краю крила. Брак кінцевого ділянки хромосоми називається дефішенсі - ABCDEFGH ® ABCDEFG (виділено втрачений ген). Нестачі хромосом можуть бути великими і малими. Великі зазвичай летальні в гомозиготному стані (або гемізиготність стані, якщо відсутній ділянку єдиною Х-хромосоми у чоловіків). Причина цього, мабуть, полягає в тому, що при делеції втрачається занадто велика кількість генів, що визначають розвиток органів і реалізацію життєво важливих функцій організму.
Життєздатність гетерозигот пояснюється тим, що є можливість прояву генів, локалізованих в непошкодженій гомологичной хромосомі.
У людини делеция в короткому плечі п'ятої хромосоми в гетерозиготному стані служить причиною хвороби «котячого крику». Це захворювання супроводжується характерним «нявкаючим» криком немовлят, а також малим розміром голови (мікроцефалія) і розумовою відсталістю. Хворі діти дуже рідко доживають до 10 - 12 років. Відомі також і інші важкі захворювання, які розвиваються у людини при делеції хромосом (також в гетерозиготному стані).
Виникнення делеций пов'язано з розривами в хромосомі. Якщо це відбувається не на кінці, а в середній частині хромосоми, то розірвання ділянки з'єднуються і хромосома коротшає. Випадання одночасно «злипання»-решт хромосоми, як це має місце у прокаріот). Якщо з хромосоми виділяється велика ділянка, то він, в свою чергу, може замкнутися в кільце. Втрачені фрагменти хромосом неминуче руйнуються при діленні клітини, оскільки вони не мають центромерами. Нагадуємо, що центромери є місцем ініціації росту кінетохорних микротрубочек і, не маючи їх, ділянки хромосом будь-яких розмірів нездатні вбудовуватися в метафазну пластинку і, відповідно, розподілятися по дочірнім клітинам при анафазе.
Делеції можна виявити цитологическими методами - зазвичай за наявністю петлі, яка утворюється при кон'югації гомологічних хромосом в зиготене профази першого поділу мейозу (393).