41. Порівняльна характеристика мутаційної та модифікаційної мінливості.

Однією із загальних властивостей біологічних систем є їхня консервативність ñ здатність відновлювати генетичний матеріал і передавати його нащадкам у майже незмінному вигляді. Молекулярна машинерія реплікації та репарації ДНК забезпечує надзвичайно високу точність відновлення генетичної інформації ñ рівень помилок становить ~10-10 нуклеотидних замін, тобто менше однієї заміни на еукаріотичний геном при одному подвоєнні ДНК. Зрозуміло, що абсолютна точність відтворення ДНК є неможливою, і мінливість генетичного матеріалу є також важливим аспектом його існування. Мінливість можна визначити як здатність генетичного апарату до змін, які зумовлюють фенотипові відмінності між особинами одного виду в ряду поколінь або в межах одного покоління. Мінливість може бути спричинена змінами геному (спадкова мінливість) або виникати в результаті зміни експресії генів за дії факторів навколишнього середовища протягом індивідуального розвитку (неспадкова мінливість). Спадкова мінливість може бути зумовлена утворенням або нових варіантів послідовностей нуклеотидів ДНК (мутаційна мінливість), або нових комбінацій уже існуючих послідовностей, які виникають за рахунок рекомбінації та випадкового розподілу хромосом у мейозі (комбінативна мінливість).

Мутації ñ це незапрограмовані, випадкові та стабільні (такі, що залишаються "назавжди" та спадкуються) зміни в структурі ДНК, які з'являються або в результаті дії пошкоджуючих чинників, або як результат помилок систем реплікації, репарації чи рекомбінації. Мутація, яка виникла в соматичних клітинах (соматична мутація), спадкується тільки в ряду клітинних поколінь, а та, що в статевих (генеративна мутація) ñ передається наступним поколінням нащадків. Крім мутацій, котрі виникають у ядерному геномі (ядерні мутації), зміни можуть відбуватися також у ДНК мітохондрій і хлоропластів ñ це цитоплазматичні мутації.

Загальним наслідком мутаційної мінливості є порушення спадкових програм клітин і організмів. Але при цьому мутаційна мінливість спричиняє підвищення біологічного різноманіття: забезпечує появу нових геномних варіантів і, відповідно, генотипових і фенотипових форм. Більшість з утворених варіантів геному є відносно нейтральними. Велика частина новоутворених фенотипів є або нежиттєздатними (прояв летальних мутацій), або мають знижену життєздатність(прояв напівлетальних мутацій). Проте інколи нові варіанти набувають адаптивної переваги. Адаптивні та нейтральні варіанти закріплюються в популяціях ñ саме вони забезпечують такі явища, як множинний алелізм і генетичний поліморфізм.

Слід зауважити, що точкові мутації приводять до зміни спадкової програми не обов'язково тільки тоді, коли вони відбуваються в кодуючих ділянках геному. Нуклеотидні заміни в некодуючих ділянкахможуть впливати на експресію генів: заміни нуклеотидів у 5'- або 3'-кінцевих ділянках мРНК, що не транслюються, можуть впливати на час життя мРНК; заміни в інтронах ñ на ефективність сплайсингу; у регуляторних ділянках гена ñ на рівень експресії. Таким чином, не завжди поліморфізм ДНК у некодуючих ділянках є нейтральним. Говорячи про наслідки мутаційної мінливості, слід відмежувати ті, що стосуються окремого організму (індивідуальні наслідки), від наслідків для популяцій і видів у цілому (еволюційні наслідки). Мутації в соматичних клітинах часто приводять до негативних ефектів дляокремих організмів: наприклад, усі типи мутацій, від точкових до геномних, можуть бути причиною виникнення злоякісних новоутворень. Але такі мутації не спадкуються в наступних поколіннях нащадків. Генеративні мутації зумовлюють розвиток особин, усі клітини яких будуть нести дану зміну. Типовим проявом таких мутацій є різноманітні спадкові хвороби.

Зрозуміло, що для популяцій і груп організмів, а отже, і для видоутворення, найбільш значимими є генеративні мутації. У ході розвитку різних класів хребетних (від круглоротих до ссавців) спостерігається значна кількість хромосомних і геномних перебудов, які в основному представлені транслокаціями, інверсіями та змінами кількості хромосом. Так, людина відрізняється від людиноподібних мавп робертсонівською транслокацією (друга хромосома людини є транслокаційною формою двох акроцентричних хромосом мавп.

Важливу роль в еволюції рослинного й тваринного світу відіграють геномні мутації (поліплоїдії та анеуплодії). Проте, як правило, відсутність у каріотипі однієї з хромосом гомологічної пари приводить до зниження життєздатності особин, а в деяких випадках має летальні наслідки. Такий ефект можна пояснити або недостатністю певних білкових продуктів (експресуються гени лише однієї хромосоми), або наявністю в хромосомі, яка присутня в анеуплоїдному ядрі, летальних алельних варіантів певних генів. Слід зазначити, що фенотиповий ефект моносомії залежить від того, яка хромосома втрачена. У людини, наприклад, моносомії за статевою Х-хромосомою (синдром Шерешевського-Тернера) мають менш несприятливий для організму ефект порівняно з моносоміями за аутосомами, які є летальними. У дрозофіли нежиттєздатними є особини з нестачею четвертої хромосоми, тоді як нестача другої, третьої або Х-хромосоми не має летальних наслідків.

У рослин (пшениці, кукурудзи, тютюну) моносомні форми можуть не відрізнятися від нормальних диплоїдних особин або мати незначні відмінності в розмірах окремих частин рослини. Що стосується наявності в каріотипі додаткової хромосоми, то зниження життєздатності або летальність трисомій загалом характерна для представників тваринного світу. Рослини-трисоміки часто є життєздатними й мають незначні відхилення від нормальних організмів: у дурману Datura stramonium, наприклад, описані життєздатні трисоміки по кожній із 12 пар хромосом.

Поліплоїдія найбільше розповсюджена в рослинному світі. Збільшення наборів хромосом у рослин приводить до збільшення їхньої вегетативної маси та розвитку стійкості до несприятливих умов. Розповсюдженість поліплоїдних форм у рослин пов'язана з тим, що для них характерне вегетативне розмноження та самозапилення. Поліплоїдні форми у тварин найчастіше не є життєздатними, оскільки поліплоїдія несумісна зі статевим процесом. Часто поліплоїдія у тварин зумовлює їхню стерильність, особливо це стосується алополіплоїдних форм. Відповідно, поліплоїдні форми є характерними для тварин із партеногенетичним розмноженням.

Будь-який організм є відкритою системою: реалізація спадкової програми відбувається не тільки під контролем генотипу, але й під впливом оточуючого середовища. Умови середовища можуть зумовлювати як ступінь прояву спадкової ознаки (експресивність), так і ймовірність прояву ознаки взагалі (пенетрантність). Таким чином, особини з однаковими генотипами, залежно від впливу навколишнього середовища, можуть мати відмінні фенотипи. Така мінливість називається фенотиповою, або модифікаційною. Класичним прикладом фенотипових змін у межах одного організму є різні форми листової пластинки у стрілолиста ñ залежно від розташування листя в підводній або надводній частині рослини. Модифікаційним змінам в основному піддаються кількісні та якісні полігенні ознаки.Наприклад, зріст, вага, схильність до розповсюджених хвороб, тривалість життя значно залежать від умов середовища.

Модифікаційна мінливість зумовлена не змінами послідовностей ДНК, а змінами в експресії генів (від ефективності транскрипції до особливостей перебігу біохімічних реакцій) під впливом факторів навколишнього середовища. Очевидно, що такі зміни не спадкуються, проте межі модифікаційної мінливості (норма реакції) для кожної окремої ознаки повністю визначаються генотипом. Розмах норми реакціїє адаптивною ознакою та визначає межі змін умов навколишнього середовища, в яких може існувати особина, тобто окремий генотип. Результатом модифікаційної мінливості може бути поява організмів, які фенотипово копіюють прояв певного генотипу. Такі фенотипові форми називають фенокопіями. По суті, фенокопії є проявом крайніх варіантів норми реакції. Наприклад, недостатність вітаміну D спричинює розвиток рахіту, який за симптоматикою нічим не відрізняється від спадкового захворювання, зумовленого мутаціями, які приводять до нечутливості до вітаміну D. До окремого типу модифікаційної мінливості відносять так звані довготривалі модифікації, які можуть спадкуватися протягом декількох поколінь. Відомим прикладом є зміна забарвлення в колорадського жука, яка виявляється після витримування лялечок за високих температур. Змінене забарвлення зберігається для кількох поколінь, а потім повертається до вихідного стану. При цьому спадкування відбувається виключно по материнській лінії: змін у геномі не відбувається, а тривалість модифікації пояснюється накопиченням у цитоплазмі клітин зародкового шляху стабільних мРНК генів теплового шоку, які з цитоплазмою яйцеклітини передаються нащадкам. Зрозуміло, що через декілька поколінь відбудеться "розведення" цих мРНК: їхня кількість стане врешті-решт недостатньою для проявузміненого забарвлення.