Модификационная изменчивость. Норма реакции, морфозы, фенокопии

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 11Следующая ⇒

Ненаследственная (модификационная) изменчивость – в значительной мере обусловлена действием негенетических (экзогенных) факторов. Например, один сорт растений выращивается в разных условиях. Тогда различия между результатами эксперимента (например, урожайность) обусловлены влиянием условий выращивания растений.

Модификационная изменчивость - это эволюционно закрепленные реакции организма на изменения условий внешней среды при неизменном генотипе. Такой тип изменчивости имеет две главные особенности. Во- первых, изменения затрагивают большинство или все особи в популяции и у всех них проявляются одинаково. Во-вторых, эти изменения обычно имеют приспособительный характер. Как правило, модификационные изменения не передаются следующему поколению. Классический пример модификационной изменчивости дает растение стрелолист, у которого надводные листья приобретают стреловидную форму, а подводные - лентовидную.

ВАРИАЦИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ В ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАЗВИТИИ ОРГАНИЗМОВ

Вариация наследственных признаков организмов прежде рассматривалась, как одно из основных направлений феногенетики, что в современных терминах ближе всего к «функциональной геномике» — крайне комплексной и еще не устоявшейся дисциплине, отдельные разделы которой пока слабо связаны друг с другом.

При исходной формулировке феногенетики почти сто лет назад зоологом В. Хэкером ставилась задача отыскания в онтогенезе организмов таких фаз (он их назвал фенокритическими), начиная с которых мутантные формы отличаются от исходных. За 1920-е—30-е годы много таких данных было накоплено самим Хэкером и его многочисленными последователями. Так, норвежский зоолог К. Бонневи собрала обширный материал по эмбриологии наследственных врожденных пороков человека. Путем морфофизиологического анализа она смогла вычленить наследственные нарушения от случайных, вызванных посторонними причинами. Большой материал по фенокритическим фазам у растений собрали Баур в Германии и Синнот в Америке.

В 1930-е гг. на дрозофиле была разработана методика трансплантации имаги- нальных дисков, т.е. эмбриональных закладок имагинальных («взрослых») органов. Изучая последствия трансплантаций целых дисков или их определенных частей, взятых в разном возрасте, генетики получили возможность судить о механизмах становления признаков. Особенно много экспериментов было выполнено по трансплантации имагинальных дисков глаз. Оказалось, что при пересадке имагинального диска глаза одной личинки в абдоминальную полость другой из имплантата развивается полноценный пигментированный фасеточный глаз, только оставшийся в форме невывернутой сферы. При аккуратной работе в брюшную полость одной личинки удавалось имплантировать до пяти чужеродных имагинальных дисков и получить их полное развитие. Этому методу посвящено большое число статей. Это, в первую очередь, первоклассные работы Б.С. Эфрусси, Дж.У. Билла, Н.Н. Медведева, Н.В. Тимофеева-Ресовского и его германской и отечественной (Е.К. Гинтер, М.П. Абатурова, В.А. Мглинец и др.) школ, ряда ведущих современных ученых (В.А. Гвоздев, Л.И. Корочкин, В.Г. Митрофанов и др).

Наиболее плодотворным оказался этот подход при изучении соматических мутаций. Так, у дрозофилы при рентгеновском облучении разновозрастных личинок Дж. Патерсон и Н.В. Тимофеев-Ресовский обнаружили вкрапления белых фасеток или их групп на фоне нормально красной окраски глаз. С увеличением возраста облучаемых личинок размер таких мозаичных пятен прогрессивно уменьшался. Причем динамика уменьшения среднего размера пятен была настолько закономерной, что авторы смогли вычислить по ней скорость развития глаз. Аналогичная картина наблюдалась и для рада других мутантных окрасок глаз. В целом все явление было истолковано как результат возникновения мутаций в соматических клетках при облучении.

Среди соматических мутаций у дрозофилы никому не удалось выявить мутацию vermilion (яркие глаза). Большинство экспериментаторов полагали, что такая мутация может происходить только в гаметах. Иначе объяснял это явление один из ведущих сотрудников группы Т.Х. Моргана - А.Х. Стертевант. По его мнению, хромосомы вряд ли могут быть мутабильными в одни периоды онтогенеза и немутабильны- ми в другие. Различие в мутабильности в разных клетках и в разные периоды кроется не в хромосомах, а в признаках: проявление одних (он назвал их независимыми) осуществляется в тех самых клетках, гдепроизошли мутации и не распространяется на соседние клетки, а проявление других (зависимые признаки) управляется гумо- рально, дистанционно. Соответствующие метаболиты получили название геиогор- монов. Общий термин «генопормоны» в литературе не удержался, а многочисленные, выявленные позже химические регуляторы активности генов, получили собственные наименования в соответствии со своим составом и свойствами.

Верная, по сути, гипотеза А. Стертеванта была вскоре подтверждена Б.С. Эфрус- си и Дж. У. Биллом с помощью трансплантации имагинальных дисков глаз дрозофилы. Эти авторы обнаружили, что при трансплантации имагинальных дисков нормальных глаз личинкам линии vermilion имплантированные диски развиваются в нормально окрашенные глаза, а при пересадке дисков vermilion нормальным личинкам из имплантированных дисков развиваются глаза нормальной окраски, а не vermilion. Более того, если в личинку vermilion имплантировать 4-5 нормальных дисков, то и окраска собственных глаз реципиента нормализуется, по-видимому, под влиянием гуморальных гормоноподобных факторов, выделяемых имплантированными дисками. Позже наблюдения Эфрусси и Бидла были расширены для различных насекомых, что положило начало развитию биохимической генетики. Более подробно эти вопросы рассмотрены в других разделах книги применительно к молекулярной генетике человека.

Сложность взаимоотношений между генами и контролируемыми ими варьирующими наследственными признаками наглядно иллюстрируют два хорошо известных факта: существование гетерогенных групп и плейотропии.

Гетерогенными группами, по предложению Н.В. Тимофеева-Ресовского, с середины 1930-х гг. стали называть группы генов, дающих весьма сходное внешнее проявление, но локализованных в разных хромосомах или разных локусах, как, например, группа генов minute, обусловливающих редукцию щетинок у дрозофилы (рис. 6.1). Это явление широко распространено в живой природе, включая человека. Правда, в генетической литературе для его обозначения обычно используют не термин

Н.В. Тимофеева-Ресовского «гетерогенные группы», а более поздний (середины 40- х годов XX века), предложенный немецким генетиком X. Нахтсхаймом — «геноко- пии», в дополнение к которому позже был введен термин «фенокопии».

Фенокопии — изменения фенотипа под влиянием неблагоприятных факторов среды, по проявлению похожие на мутации. В медицине фенокопии — ненаследственные болезни, сходные с наследственными. Распространенная причина фенокопий у млекопитающих — действие на беременных тератогенов различной природы, нарушающих эмбриональное развитие плода (генотип его при этом не затрагивается). При фенокопиях изменённый под действием внешних факторов признак копирует признаки другого генотипа (например, у человека приём алкоголя во время беременности приводит к комплексу нарушений, которые до некоторой степени могут копировать симптомы болезни Дауна).

Другим также широко распространенным и давно известным (L. Plate, 1910) и у растений, и у животных, и у человека примером сложности взаимоотношений генов и признаков служит «плейотропия» - феномен множественного проявления отдельных мутаций, нередко на разных частях тела. Такая полисимптоматичность харак терна и для большинства наследственных болезней человека, рассматриваемых как моногенные состояния (рис. 6.2).

Рассмотренные выше феномены проявления генов - гетерогенные группы (ге- нокопии) и плейотропия — убедительно показывают несостоятельность простой линейной схемы «один ген — один фен» на уровне конечных морфофизиологических признаков. О подобном практически однозначном соответствии следует говорить только на уровне «один ген — один фермент» (Бидл), или даже — «один ген — одна полипептидная цепь» (и то, вынося за скобки целый ряд исключений из этого общего правила).

Наряду с вовлечением в морфофизиологические комплексы проявлений отдельных генов разных компонентов, вариация проявления генов может выражаться и количественно — в разных степенях проявления одних и тех же признаков. Так, на рис. 6.3 изображены проявления двух «глазных» мутаций у дрозофилы. У мух дикого типа глаза состоят из =750 фасеток, у мух линии Ваг они редуцированы до 70-75 фасеток. В культурах же eyeless размер глаз широко варьирует от едва заметного уменьшения до полного их отсутствия. Такая же широкая вариация наблюдается и у потомков от мух как с сильной, так и со слабой редукцией размеров глаз. Таким образом, примеры с Ваг и eyeless показывают, что фенотипическое проявление мугаций может быть вполне однообразным, как у Ваг, так и широко варьирующим, как у eyeless.

Картина фенотипической изменчивости генов была бы неполной без упоминания о вариации проявления в сериях множественных аллелей. Один из примеров такой вариации демонстрирует серия аллелей white у Drosophila melanogaster. В этой серии уже открыто несколько десятков разных аллелей, каждый из которых обусловливает свою окраску глаз - от вишневой через убывающие по силе оттенки красного цвета, до желтых, бледно-желтых и чисто белых.

Сказанное выше о фенотипической вариации проявления генов характеризует скорее внешнюю сторону этого процесса. Несколько ближе к физиологическим механизмам действия генов стоит вариация их проявления в связи с количеством аллелей, наличных в генотипе. Так, К. Штерн получил у дрозофилы измененные Х-хро- мосомы, каждая из которых несла не один, как в норме, а от двух до пяти аллелей bobbed (укороченные щетинки). С увеличением числа таких аллелей размер щетинок увеличивался почти до нормального. Это явление получило название гипоморфизма.

Пример иных взаимоотношений демонстрируют аллели локуса ebony (черная окраска тела дрозофилы): действие каждого мутантного аллеля этого локуса примерно уравновешивает действие одного нормального аллеля, т.е. они действуют с одинаковой силой, но в противоположных направлениях. Такое явление называют антиморфизмом. Если проявление мутантного аллеля не зависит от числа нормальных аллелей в генотипе, говорят о неоморфизме. Примером неоморфизма может служить мутация Hairy wing (волосатость крыльев) у дрозофилы.

Рассмотренные типы взаимоотношений между аллелями иллюстрирует нижеследующая схема:

Количественно фенотипическую изменчивость проявления генов оценивают двумя основными показателями, предложенными Н.В. Тимофеевым-Ресовским и О. Фогтом: пенетрантностью и экспрессивностью.

Пенетраитиость - доля особей (в %), у которых рассматриваемый признак, проявился (хотя бы в незначительной степени), среди всех особей данного генотипа

Экспрессивность - степень выраженности (в %) рассматриваемого признака по отношению к его максимальной выраженности среди всех особей данного генотипа.

И пенетрантность, и экспрессивность определяются не только генотипами особей рассматриваемой совокупности, но и условиями их обитания. Об этом свидетельствует возможность успешной «+» и «—» селекции по каждому из этих показателей и их вариация с изменением условий среды.

Не все особи, экспрессирующие тот или иной признак, проявляют его одинаково: обычно имеет место еще и количественная, и качественная, и топологическая вариация в проявлении признаков, обозначаемая также по Н.В. Тимофееву-Ресовскому, как специфичность. Рассмотренные нами три показателя, характеризующие фенотипическое проявление генов контролируются разными генами-модификаторами, о чем свидетельствует возможность независимой селекции по каждому из показателей в отдельности с получением любых их комбинаций.

Неполной пенетрантностью и варьирующими экспрессивностью и специфичностью обладают многие гены наследственных болезней человека, что затрудняет их выявление, особенно в малочисленных семьях и родословных, и последующее их детальное исследование.

Наконец следует отметить, что при рассмотрении влияния среды на характер проявления генов, генетикам не приходится ограничиваться обобщенным рассмотрением среды, как это бывает достаточно, например, экологам. На проявление того или иного гена могут оказывать влияние другие гены генома и их взаимодействие (генотипическая среда), внутренние факторы развития и физиологии организма (внутренняя среда) и факторы среды обитания организма (внешняя среда). Формальная схема взаимоотношений генов между собой и с факторами дифференциально понимаемой среды приведена на рис. 6.4. Схема иллюстрирует, как на пути от гена (а) через промежуточное состояние (а) к конечному (дефинитивному) признаку (А) в процесс формирования последнего вовлекаются на разных этапах ряд генов той же (Ь, с) и иных (d, e, f g, h, i, k, I, m, n) хромосом, вариация условий внутренней (х) и внешней (р, о, q) среды организма.

Весьма близкие представления развивал и БЛ. Астауров, выражая их формулой

а = F(p, g, е, i),

где а - окончательное значение функции развития (F), p- плазматические факторы развития, g - генотип, е - совокупность факторов внешней среды (medium externum), i - совокупность факторов внутриорганизменной среды (medium internum).

На сегодня в схеме Н.В. Тимофеева-Ресовского и формуле БЛ. Астаурова не достает только одного элемента - взаимодействия названных ими факторов или, рассматривая развитие организма в целом, интеграции всех локальных процессов в целостную систему онтогенеза. Тогда формула БЛ. Астаурова расширится до

а = F(p, g, е, i), с,

где с — взаимодействие выше перечисленных факторов (co-operatio).

Благодаря интенсивному развитию биологии во второй половине XX столетия, раскрытию молекулярно-генетических, биофизических, биохимических и физиологических механизмов онтогенеза, стало возможным конкретизировать отдельные формальные элементы рассмот-ренных схем, заменив их конкретными генетическими, клеточными и гуморальными факторами, участвующими в конкретных процессах жизнедеятельности. Основные из уже ставших ясными звенья системы жизнедеятельности человека и других организмов в норме и патологии рассмотрены в соответствующих главах книги. Здесь же речь пойдет о вариациях фенотипа, связанных не с изменениями генотипа, а с влиянием обычных факторов среды (температура, влажность, питание и т.п.). Такие ненаследственные изменения фенотипа называются в генетике модификациями. Соот-ветственно, изменчивость такого рода называется модификационной изменчивостью в отличие от мутационной и рекомбинационной наследственной изменчивости.

МОДИФИКАЦИИ И НОРМА РЕАКЦИИ

Представления о наследовании благоприобретенных в индивидуальной жизни организма (обычно адаптивных) признаков бытовало среди биологов не одно столетие. Особенно твердо его придерживался крупный французский зоолог конца XVIII - первой половины XIX века и автор оригинальной теории адаптивной эволюции Ж.- Б. Ламарк. В догенетический период развития биологии такие представления были чисто умозрительными, не опирались на точные экспериментальные данные. Например, тот же Ламарк утверждал, что современные жирафы обязаны своей длинной шеей тому обстоятельству, что их отдаленные предки, съев траву и объев нижние ветви деревьев, стали тянуться к более высоко расположенным ветвям деревьев и их шеи несколько удлинились. Поскольку этот признак оказался адаптивным, то его унаследовали ближайшие потомки тех про-жирафов и развили его дальше. Так постепенно сформировались современные длинношеие жирафы. Отметим, что эта гипотеза Ламарка не имела и не имеет ни палеонтологического, ни экспериментального подтверждения.

Развитие научных методов гибридологического и генетического анализа предшест-венниками Г. Менделя, им самим и его последователями сделало возможным различать наследственные признаки, задатки которых передаются при половом размножении в ряду поколений, и ненаследственные признаки, которые могут передаваться только в ряду соматических клеток при вегетативном размножении.

Приведем пример. Кролики так называемой «гималайской» породы имеют своеобразную пеструю окраску меха (рис. 6.5): основной фон шерстного покрова — белый; мордочки, кончики ушей и лап, а также хвосты — черные. Размер черных пятен зависит ог температуры содержания гималайских кроликов. При обычных «комнатных» температурах зверьки имеют такую окраску, как сказано выше, при повышенных температурах размер черных пятен уменьшается, а при температурах выше 30 °С на всем теле формируется белая шерсть; при пониженных температурах размер черных пятен увеличивается, а при температурах близких к 0 °С — гималайские кролики приобретают чисто черную окраску. Если выщипать белую шерсть, например, на спине у гималайского кролика, и в дальнейшем содержать его при пониженной температуре, то на выщипанном участке отрастет черная шерсть, а при нормальной температуре - белая. Можно пойти дальше: получить потомство от гималайских кроликов с обычной для них и модифицированной окраской и убедиться, что модификация окраски потомству не передается; у потомков формируется (или не формируется) пигментация соответственно температуре их содержания. Таким свойством обладают все кролики гималайской породы, но не обладают кролики других пород белой или черной окраски.

Такая наследственная способность к изменению фенотипа в определенных пределах при изменении условий жизни называется нормой реакции. В нашей стране особенно детально исследовал закономерности реакции разных видов организмов на изменения условий жизни академик И.И. Шмальгаузен. Им и другими авторами было экспериментально установлено, что разным генотипам свойственны свои пределы (узкие или широкие) ненаследственной модификации признаков при изменениях условий жизни в пределах их толерантности.

Модификационная изменчивость присуща всем видам организмов: от самых примитивных до наиболее сложных, включая человека. В зависимости от режима питания человек может полнеть или худеть; в зависимости от интенсивности УФ-об- лучения кожа человека может темнеть или светлеть. Однако, при переходе от переедания к недоеданию человек теряет вес, а при переходе от летнего режима освещения и открытой одежды к зимнему режиму освещения и закрытой зимней одежде пропадает летний загар.

Другой пример — из мира растений. В пресных водоемах умеренной зоны довольно часто встречаются растения стрелолиста (рис. 6.6). У этого вида растений обычно формируются листья в трех разных средах: нижняя часть листьев развивается под поверхностью воды, средние листья плавают на поверхности воды, а верхние листья растут на воздухе. Так вот, подводные листья имеют лентовидную форму без черешков, плавающие - эллиптическую на умеренной длины черешках, а воздушные — стреловидную на особенно длинных черешках. При изменении уровня воды можно наблюдать соответствующие изменения формы листьев у всех растений стрелолиста, а не у отдельных их особей, что имеет место при мутационных изменениях. Также в отличие от мутаций действие модификаций прекращается с прекращением действия вызвавшего их фактора и не передается потомкам при половом размножении.

Еще одно отличие модификаций от мутаций — адаптивность большинства модификаций, их приспособленность к вызвавшему их фактору, в то время как один и тот же мутагенный фактор индуцирует широкий спекф редких мутационных изменений, разных у разных особей

Наряду с другими факторами фенотипической изменчивости живых существ, рассмотренными Н.В. Тимофеевым-Ресовским и Б Л. Астауровым, модификации существенно расширяют диапазон вариации проявления генов у всех организмов, включая человека, в том числе расширяют полиморфизм его наследственных болезней.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒